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F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R so l are ener g ies y ste m e I S E

V eransta l tun g en 2 0 1 3

Intersolar Europe, München, 17.–21.6.2013

PV Rollout, 3rd European American Solar Deployment

6. Entwicklerforum Akkutechnologien,

Conference, Atlanta, GA, USA, 26./27.2.2013

Aschaffenburg, 25.–27.6.2013

Battery Expo, Tokyo, Japan, 27.2.–1.3.2013

The International Flow Battery Forum IFBF, Dublin, Irland, 26./27.6.2013

SiliconForest, Falkau, 3.–6.3.2013

J ahresbericht

BAU, München, 14.–19.1.2013

2012

m it B etei l i g un g des F raunhofer I S E

Intersolar North America, San Francisco, CA, 28. Symposium Photovoltaische Solarenergie (OTTI),

USA, 8.–11.7.2013

Kloster Banz, Bad Staffelstein, 6.–8.3.2013 The Battery Show, Novi, Detroit, MI, USA, 17.–19.9.2013 Energy Storage, International Summit for the Storage of 19th SolarPACES Conference, Las Vegas, NV, USA, 17.–20.9.2013 KONGRESS – Forum ElektroMobilität, Berlin, 19./20.3.2013 2nd International Conference on Solar Heating and SiliconPV, 3 International Conference on Silicon

Cooling for Buildings and Industry, Freiburg,

Photovoltaics, Hameln, 25.–27.3.2013

23.–25.9.2013

HANNOVER MESSE, Hannover, 8.–12.4.2013

Workshop »Polymeric Materials for Solar Thermal

rd

Applications«, Graz, Österreich, 25.9.2013 CPV-9, 9 International Conference on Concentrating th

Photovoltaic Systems, Miyasaki, Japan, 15.–17.4.2013

5th International Conference Solar Air-Conditioning, Bad Krozingen, 25.–27.9.2013

23. Symposium Thermische Solarenergie (OTTI), Kloster Banz, Bad Staffelstein, 24.–26.4.2013

f-cell Forum und Battery & Storage, Stuttgart, 30.9.–2.10.2013

PCIM Europe, Nürnberg, 14.–16.5.2013 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Workshop »PV-Module Reliability«, Chambery,

Exhibition PVSEC, Paris, 30.9.–4.10.2013

Frankreich, 6./7.6.2013 eCarTec München 2012, München, 15.–17.10.2013 3 Symposium Small PV-Applications (OTTI), Ulm, rd

17./18.6.2013 39th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Tampa, FL, USA, 16.–21.6.2013

Solar Summit Freiburg, Freiburg, 23.10.2013

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R so l are ener g ies y ste m e I S E

Renewable Energies, Düsseldorf, 18./19.3.2013

JAHRESBERICHT

2012


Titelfoto: Die Erfolgs­geschichte der Konzentratortechnologie wurde 2012 mit der Verleihung des Deutschen Umweltpreises fortgeschrieben. Dr. Andreas Bett vom Fraunhofer ISE und Hansjörg Lerchenmüller von Soitec Solar wurden von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt für ihre Verdienste für Forschung und Industrie ausgezeichnet. In der Konzentratorphotovoltaik wird eine Linsenoptik eingesetzt, welche die Solarstrahlung 500fach auf winzige höchsteffiziente Mehrfachsolarzellen aus III-V-Halbleitern fokussiert. Andreas Bett arbeitet mit über 50 Kolleginnen und Kollegen am Fraunhofer ISE weiter daran, die Effizienz von Mehrfachsolarzellen zu verbessern und den Aufbau der Konzentratormodule zu optimieren. Soitec Solar hat das Konzept der Konzentratorsysteme erfolgreich in die Industrie transferiert und ist heute einer der Weltmarktführer. Der Deutsche Umweltpreis wurde durch Bundespräsident Joachim Gauck überreicht. 2011 war das Thema bereits unter den Finalisten für den Deutschen Zukunftspreis.

© Deutscher Zukunftspreis/Ansgar Pudenz


Vorwort

2012 erwies sich als ein schwieriges Jahr für die Solarbranche.

Ganz besonders stolz sind wir, dass Dr. Andreas Bett vom

Der durch Überkapazitäten und verstärkten internationalen

Fraunhofer ISE zusammen mit Hansjörg Lerchenmüller von

Wettbewerb ausgelöste enorme Preisverfall bei Modulen

Soitec Solar für ihre Verdienste um die Solartechnologiefor-

brachte besonders die deutsche Photovoltaikbranche in

schung in diesem Jahr mit dem Deutschen Umweltpreis geehrt

wirtschaftliche Schwierigkeiten. Leider fehlten klare Signale

wurden. Gewürdigt wurde damit auch die Konzentratorpho-

und Richtlinien aus der Politik für die konsequente Umsetzung

tovoltaik, die in großen Kraftwerken in sonnenreichen Ländern

der 2011 beschlossenen Energiewende von fossilen und

zur Gewinnung von Strom aus Sonnenenergie eingesetzt wird.

atomaren hin zu erneuerbaren Energiequellen. Der bis Mitte

Was im kleinen Maßstab im Forschungslabor am Fraunhofer

des Jahres 2012 anhaltende Streit um eine Überarbeitung des

ISE unter Leitung von Dr. Andreas Bett begann, wird heute von

Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) löste dagegen Investiti-

Soitec Solar vermarktet und trägt – in industriellem Maßstab

onsunsicherheiten aus. So kam es 2012 zu Abwicklung und

eingesetzt – zur Umsetzung der Energiewende auf internatio-

Verkauf bekannter und traditionsreicher deutscher Marktteil-

naler Ebene bei.

nehmer. Zudem erlauben die derzeitigen Produktionsanlagen in Europa meist nicht, Module zu den heutigen, niedrigen

Unser breites Kompetenzspektrum setzen wir vermehrt für

Marktpreisen zu fertigen. Neue PV-Fabriken haben eine Jah-

einen ganzheitlichen Blick auf die Energieversorgung der

resproduktion von 1–5 Gigawatt in modernster Technologie.

Zukunft ein. So befassen wir uns intensiv mit der umfassenden

Wir stehen deshalb vor der wichtigen Aufgabe, die deutsche

Modellierung des deutschen Energiesystems und dessen

PV-Ausrüsterindustrie in die Lage zu versetzen, derartige

Transformation hin zu einer vollständigen Versorgung aus

X-GW Fabriken anzubieten.

erneuerbaren Quellen. Dazu stellten Dr. Hans-Martin Henning und Andreas Palzer 2012 erstmals eine umfangreiche Studie

Nichtsdestotrotz bleibt die Energiewende eine große nationale

vor. Auf Basis von Stundenzeitreihen untersuchten sie in

Aufgabe und einmalige Chance für Deutschland, eine inter-

ihrer Simulation ein denkbares deutsches Energiesystem, das

nationale Vorreiterrolle zu übernehmen. Das Fraunhofer ISE

gänzlich auf erneuerbaren Energien basiert. Das Neuartige des

ist mit seinem breiten Themenspektrum in fast allen für eine

Modells ist die ganzheitliche Betrachtung von Strom- und Wär-

CO2-freie Energieversorgung relevanten Forschungsfeldern

mesektor, einschließlich der Reduktion des Energieverbrauchs

präsent. Als größtes Solarforschungsinstitut in Europa arbeiten

durch energetische Gebäudesanierung. Im Rahmen der

wir in den Themenfeldern Photovoltaik, Solarthermie, Ener-

Simulation wurden auch Optimierungen vorgenommen, um

gieeffizienz, Energiesystemtechnik und Energiespeicher. Durch

aus der Vielzahl denkbarer Kombinationen aus Technologien

diese große Bandbreite unserer Forschungsaktivitäten, unsere

und Effizienzsteigerungsmaßnahmen ein volkswirtschaftliches

langjährige Erfahrung und natürlich aufgrund der hohen

Optimum zu ermitteln.

Kompetenz und Motivation unserer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter blickt das Fraunhofer ISE auf ein wirtschaftlich und

Um der Forschung für ein CO2-freies Energiesystem der

inhaltlich erfolgreiches Jahr 2012 zurück.

Zukunft auch international eine stärkere Stimme zu geben,

1


Vorwort

hat das Fraunhofer ISE im Juli mit zwei anderen führenden

tainable City«. Rund 300 Teilnehmer diskutierten am 18. und

Solarforschungseinrichtungen ein Memorandum of Under-

19. Oktober 2012 im Freiburger Konzerthaus über eine nach-

standing (MoU) zur Gründung der Global Alliance of Solar

haltige Stadtentwicklung. Die Konferenz vermittelte zudem

Energy Research Institutes (GA-SERI) unterzeichnet. So soll

einen Überblick über den aktuellen Stand der Solarforschung.

mit dem National Renewable Energy Laboratory NREL (USA) des US-Energieministeriums DOE und dem National Institute

Die Bedeutung geeigneter Speichermedien für die fluktuie-

of Advanced Industrial Science and Technology AIST (Japan)

renden Erträge aus erneuerbaren Energiequellen kann nicht

die Zusammenarbeit und der wissenschaftliche Austausch

überschätzt werden. So hat sich im Herbst der Bundesverband

verstärkt werden. Dazu sollen sich jeweils zwei Wissenschaftler

Energiespeicher (BVES) gegründet, für den ich die Rolle des

jedes Instituts zu Forschungszwecken in den anderen beiden

Gründungspräsidenten übernommen habe. Der Verband hat

Einrichtungen aufhalten.

sich zum Ziel gesetzt, die wachsende Branche der Energiespeicherunternehmen zu vernetzen und so die Marktentwicklung

Die Energiewende in Deutschland bedarf gesamtgesellschaft-

zu beschleunigen. Zudem war das Institut gemeinsam mit

licher Anstrengungen und so wird erfreulicherweise auch in

der Fraunhofer-Allianz Energie bei der erstmals 2012 ver-

der breiten Öffentlichkeit vermehrt – zum Teil auch mit viel

anstalteten Messe »Energy Storage« in Düsseldorf präsent.

Leidenschaft – darüber diskutiert. Leider wird dabei oft mit

Um Synergien und Vernetzung geht es auch in der 2012

einer lückenhaften Datenbasis operiert. Das Fraunhofer ISE

neugegründeten Fraunhofer-Allianz Batterien. Das Fraunhofer

stellt deshalb kontinuierlich aktuelle Daten und Fakten zur

ISE – mittlerweile eines der führenden Institute, die an statio-

Photovoltaik auf seiner Website in allgemein verständlicher

nären und mobilen Batteriesystemen forschen – arbeitet aktiv

Form zur Verfügung. 2012 haben wir auch eine neue Studie

in dieser Allianz mit.

»Stromgestehungskosten von erneuerbaren Energien« vorgelegt. In ihr wird deutlich, wie konkurrenzfähig die Erneuerba-

Unsere Forschungen im Bereich Wasserstofftechnologie und

ren inzwischen geworden sind. Durch Effizienzsteigerungen

Intelligente Energiesysteme können wir durch die Einweihung

und Kostensenkungen sind die Stromgestehungskosten der

unserer neuen solaren Wasserstoff-Tankstelle entscheidend

Photovoltaik auch in Deutschland mittlerweile unterhalb des

weiter bringen. Die öffentlich zugängliche Tankstelle dient uns

Endkundenstrompreises gesunken.

aber nicht nur als Forschungsplattform, sie ist gleichzeitig ein wichtiger Eckstein im Wasserstoff-Tankstellennetz des Landes.

Auch strukturell hat das Fraunhofer ISE weitere Schritte unter-

Die angestrebte Transformation unseres Energiesystems

nommen, die Energiewende optimal zu begleiten. Mit einem

benötigt Wasserstoff als Langzeitspeicher sowie als Kraftstoff

neuen Marktbereich »Smart Energy Cities« richten wir uns

in der Mobilität. Aus Sonnen- oder Windenergie erzeugter

an einer der großen, aktuellen Forschungsaufgaben aus. Zu

Strom kann in Elektrolyseuren der Tankstelle zu Wasserstoff

diesem Zweck stand auch unsere jährliche internationale

umgewandelt werden, der in Brennstoffzellen betriebenen

Konferenz »Solar Summit Freiburg – Highlights and Trends in

Elektrofahrzeugen bei Betankungszeiten von drei Minuten

Solar Energy« diesmal unter der Überschrift »The Future Sus-

eine Reichweite von über 400 km erzielen kann.

2


Vorwort

Mit den 2012 neu hinzugekommenen Einrichtungen bauen

wald eine Photovoltaik-Hybridanlage. Sie wurde nicht nur

wir die Kapazitäten des Instituts am Standort Freiburg weiter

eine praktische Lösung für Eigentümer und Pächter, sondern

aus. 2013 planen wir Einweihung und Umzug unserer

gleichzeitig auch eine Forschungsstation für netzferne Energie-

Forscher im Bereich Solarthermie, Angewandte Optik und

versorgungssysteme. Die Anlage wurde über die Jahre suk-

Funktionale Oberflächen in ein neues Gebäude mit mehr

zessiv erweitert. 1990 kam ein Windrad hinzu, 2003 eine

Raum für Labore und Anlagen. Dies wird es uns ermöglichen,

Brennstoffzelle, so dass der Einsatz der fossilen Komponente

unsere Forschungen in diesen Themenbereichen auszuweiten.

Dieselgenerator immer weiter reduziert werden konnte. 2012

So trägt das Fraunhofer ISE seinen Teil dazu bei, in Freiburg

feierte die Rappenecker Hütte darum nicht nur ihr 350jähriges

das »Sustain­able Energy Valley« zu schaffen. Ein Leuchtturm-

Bestehen, sondern auch 25 Jahre erfolgreiche Photovoltaik-

projekt mit diesem Titel hat das Land Baden-Württemberg

Geschichte.

gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft ausgerufen. Inhaltlich geht es um die nachhaltige Erzeugung und Nutzung

Die Stromversorgung des Wandergasthofs mit erneuerbaren

von Energie und Ressourcen. Die Forschung dazu soll in

Energien zählt zu den Meilensteinen in der frühen Geschichte

Freiburg speziell gebündelt und gefördert werden. Dafür

des Fraunhofer ISE. Das erfolgreiche Projekt ist uns ein

sind Gesamtinvestitionen von mehr als 80 Millionen Euro

Ansporn für die kommenden Jahre, in denen es darum gehen

vorgesehen. Dr. Nils Schmid, Finanz- und Wirtschaftsminister

wird, die Transformation des Energiesystems durch unsere

von Baden-Württemberg, besuchte im November die fünf

Forschungsaktivitäten konsequent voranzubringen.

Fraunhofer-Institute in Freiburg und bestätigte die Unterstützung des Landes.

Für die Unterstützung und Förderung, die wir dazu von Seiten unserer Kuratoren und Stipendiengeber, unserer Ansprech-

Die Fraunhofer-Institute in Freiburg zeigten ihrerseits ihre Ver-

partner in den Ministerien auf Bundes- und Länderebene

bundenheit mit dem Standort bei der 60-Jahr-Feier von Baden-

sowie von den Projektträgern – ganz besonders von unseren

Württemberg. Im Juni öffneten sie für einen Tag ihre Türen für

Industriepartnern – erhalten, möchte ich mich ausdrücklich

die Öffentlichkeit und boten Instituts- und Laborführungen

bedanken. Ohne diese vertrauensvolle Zusammenarbeit wäre

sowie Vorträge an. Am Fraunhofer ISE konnten interessierte

es uns nicht möglich, uns mit unseren ganzen Kompetenzen

Besucher sich einen Überblick über die Aktivitäten des Instituts

und Ressourcen für die große gesamtgesellschaftliche Aufgabe

verschaffen und sich besonders mit der neuen solaren Wasser-

der Energiewende stark zu machen.

stofftankstelle und Exponaten zu den Themen Farbstoffsolarzellen und Sorptionsmaterialien auseinandersetzen. 2011 hatte das Fraunhofer ISE sein 30jähriges Bestehen ge­ feiert. In diesem Jahr stand ein weiteres Jubiläum an: 1987 installierten Forscher des Fraunhofer ISE auf dem netzfern ge­legenen Wandergasthof Rappenecker Hütte im Schwarz-

3


Inhaltsverzeichnis

2 2

E n e r g i ee f f i z i e n t e Ge b ä u d e

10 Das Institut im Profil

u n d Ge b ä u d e t e c h n i k

12 Modellierung von Energiesystemen

26 Energy Dream Center – ein Nullenergiegebäude

14 Smart Energy Cities

8 Organisationsstruktur

16 Entwicklungsplanung für erneuerbare

Energien in Ägypten

18 FuE-Höhepunkte

in Seoul

27 Neue Komponenten für Wärmepumpen und Kälteanlagen 28 Wärmepumpen im zukünftigen Stromnetz

20 Ehrungen und Preise

29 CASCADE – Energiemanagement für Flughäfen

21 Kuratorium

nach ISO 50001

30 WUFI Plus Therm – Praxistaugliche Gebäude

und Anlagensimulation

31 Energiemanagement von Gebäuden und Quartieren 32 »Cost-Effective« – neue Solarthermie- und

BIPV-Fassadenkomponenten

34 Solare Kühlung – neue Entwicklungen und

Systemanalyse

36 Effiziente Wärmeübertragung durch metallische Gewebestrukturen 37 Indirekte sorptive Beschichtungen von Wärmeübertragerstrukturen 3 8

Angewandte Optik und

funktionale Oberflächen

42 Geordnete metallische Nanopartikel für

plasmonische Effekte

44 Entwicklung von robusten Materialien für

photochrome Fenster

45 Sekundäroptik-Charakterisierung für die

4

konzentrierende Photovoltaik


I n h a l t sve r z e i c h n i s

4 6

Solarthermie

50 Monitoring und Optimierung von SolarAktivHäusern

51 Untersuchungen von Wind- und Schneelasten an

Kollektoren

52 Vermessung von Luftkollektoren ohne transparente

Abdeckung

68 Entwicklung slurrybasierter Drahtsägeprozesse

für dünne Wafer

69 ProConCVD – kostengünstige Siliciumepitaxie

für die Photovoltaik

70 Solarzellen mit rückseitigem amorphem Silicium-

53 Optimierung eines PV-thermischen Hybrid-Kollektors

Heteroemitter

54 Betrieb von Membrandestillation mit Nieder-

72 Einfluss von Präzipitatverteilungen auf die

temperaturwärmequellen

55 Vermessung von konzentrierenden nachgeführten

Kollektoren

56 Beschleunigte Alterungstests für solarthermische

Siliciummaterialqualität 73 Charakterisierung auf Basis zeit­modulierter Lumineszenz 74 Druck-Galvanik Hybridkontakte mit kostengünstigen

Kollektoren

Materialien

76 Schnelle Inline ALD Abscheidung von

57 Markt und Systemtechnik für solare Prozesswärme

in Indien

58 Bewertung von Parabolrinnen-Kraftwerken mit

Salzschmelze-Kreislauf

59 Optimierung der Frischdampfparameter in einem

linearen Fresnelkraftwerk

Aluminiumoxid 77 Ionenimplantation für die Photovoltaik 78 Maßgeschneiderte Dotierstrukturen für Rückseitenkontaktzellen 80 Simultane Co-Diffusionsprozesse für

n-Typ Solarzellen

81 Neuartige Druckverfahren für industrielle 6 0

S i l i c i u m - P h o t o v o lta i k

Siliciumsolarzellen 82 Messtechnik für die Silicium-Dünnschichttechnologie

64 Siliciumwaferherstellung mit diamantbesetztem

83 Multifunktionale O3-basierte Reinigungen für

Sägedraht

Solarzellen

65 Herstellung monokristalliner p- und

84 Antireflex- und Passivierungsschichten aus

Plasmaabscheidungen

n-Typ Ingots mit Czochralski-Verfahren

66 Kristallisation von 250 kg Silicium-Blöcken –

85 Optische Simulation passivierter Solarzellen mit

Optimierung des Gasstroms

rauer Rückseite

67 Blocksilicium hoher Reinheit für hocheffiziente

86 PL-basierte Qualitätskontrolle von quasi-mono

Solarzellen

Wafern

87 Laserdiffusion für Solarzellen aus kristallinem Silicium

5


I n h a l t sve r z e i c h n i s

8 8 P h o t o v o l t a i s c h e

1 0 8 Re g e n e r a t i ve

M o d u l e u n d S y s t e m e

S t r o m ve r s o r g u n g

92 Rückkontakt-Modultechnologie mit strukturierten

112 Feldtest mit PV-betriebenen

Zellverbindern

93 Zuverlässigkeit von Zellmetalli­sierungen im

113 Optimierte Ladezustandsbestimmung für

PV-Modulbau

Bleibatterien

94 Prüfung von Anti-Soiling Schichten auf

114 Innovative Systemtechnik für Dorfstrom-

Verglasungsmaterialien

Umkehrosmoseanlagen (PV-RO)

versorgungen von morgen

95 Potentialinduzierte Degradation im Indoor- und

116 Qualitätssicherung von PV-Leuchten: Neue

Outdoorversuch

Batterie-Testmethoden

96 Elektrolumineszenz-Tests an PV-Modulen

117 Hocheffiziente Leistungselektronik

97 »Energy Rating« – Neue Bewertungskriterien

118 Brandgefahren, Brandschutz und Brandvermeidung

für PV-Module

im Megahertzbereich in PV-Anlagen

119 Vorhersagebasierte Betriebsführungsstrategien im 9 8

A l t e r n a t i ve P h o t o v o l t a i k -

Smart Grid

Te c h n o l o g i e n

120 Konzepte und Feldversuche für Elektrofahrzeuge

102 Optimierung punktfokussierender

Konzentratormodule

103 Multi-Quantenwell Solarzellen für den Weltraum

CarSharing-Flotte

im Smart Grid

121 Potenzialstudie zu Elektroautos in der

104 Entwicklung und Charakterisierung von Konzentratorsolarzellen 105 Zweidimensionale Modellierung organischer

122

Wasse r s t o f f t e c h n o l o g i e

Solarzellen 106 Produktentwicklung von Farbstoffsolarmodulen

126 Wassermanagement in Polymer-Elektrolyt-

107 Nano-Strukturen für ein effizientes Photonen-

Membran-Brennstoffzellen

management

128 Chemische Beständigkeit von Brennstoffzellen-

systemkomponenten

129 Dynamische Modellierung eines Power-to-Gas

Energiespeichersystems

130 Recycling von H2, SiCl und HCl bei Si-CVD-Prozessen 131 Inbetriebnahme einer solar gestützten

700 bar-Wasserstoff-Tankstelle

132 Nanostrukturierte Elektroden zur effizienten

H2-Produktion 133 Betriebserfahrungen mit Brennstoffzellenfahrzeugen

6


I n h a l t sve r z e i c h n i s

134 Servicebereiche

148 Anhang

138 Kalibrieren von Solarzellen nach

148 Gastwissenschaftler

149 Kongresse, Tagungen und Seminare

internationalen Standards

139 Kalibrieren von PV- und CPV-Modulen

150 Promotionen

140 TestLab PV Modules

151 Nachwuchsförderung

141 Prüfen und Mitgestalten am Testlab Solar Thermal

152 Erteilte Patente

Systems

154 Vorlesungen und Seminare

142 Vermessung von Fassaden und transparenten

156 Bücher

Bauteilen

157 Reviewed Journals (Veröffentlichungen)

143 Qualitätssicherung von PV-Kraftwerken

164 Eingeladene Vorträge

143 Batterie-Prüflabor

144 Wechselrichterlabor

144 Lichtlabor

145 SmartEnergyLab – thermisch-elektrische

Gebäudeenergiesysteme

145 Teststand für Wärmepumpen 146 Prüfung und Entwicklung von Wärmeübertragern 146 PCM-Labor: Charakterisierung von Latentwärme speichermaterialien

147 Prüflabor für poröse Materialien und Werkstoffe

147 Testzentrum Brennstoffzelle

7


1

2

Organisationsstruktur D ie Or ga nisa t i o n s s tru k tu r d e s Fra u n h o fe r-I ns ti tuts für Sol are Energi es y s teme I SE bas i ert auf z wei par allel v e r la uf e nde n, s i c h we c h s e l s e i ti g e rg ä n z enden Komponenten: den G es c häfts fel der n mi t den Mar kt bereic he n und de n wi s s e n s c h a ftl i ch e n B e re i chen. D i e A ußendars tel l ung uns eres I ns ti tuts , uns ere Mar ket inga k t iv it ä t e n im B e re i c h F o rs c h u n g u n d E n t wi c kl ung (F uE) und v or al l em uns ere Strategi epl anung or ient ieren sic h a n de n a ch t G e s ch ä fts fe l d e r n , d i e di e i nhal tl i c hen Sc hwerpunkte

uns erer

F ors c hungs t ät igkeit en

w ide r spie ge ln . D i e wi s s e n s c h a ftl i ch e n B erei c he des I ns ti tuts s i nd für F uE i n den L abors , di e Pro jekt ar beit und die k onk re te A rb e i ts o rg a n i s a ti o n e nts c hei dend. In be r a t e nde r Fu n k ti o n wi rd d a s Fra u n h o fer I SE v on l angj ähri gen Begl ei ter n und erfahrenen Exper t en der S ola r br a nc he u n te rs tü tz t: P ro f. D r. Ad o lf G oetz berger (I ns ti tuts gründer und I ns ti tuts l ei ter 1981–1993) , P rof . D r. J oa ch i m Lu th e r (I n s ti tu ts l e i te r 1 993–2006) und Prof. D r. Vol ker W i ttwer (s tel l v ertretender Inst it ut sle it e r 199 7 – 2 0 0 9 ).

I n s t i t u t s l e i t u n g

Prof. Dr. Eicke R. Weber

+49 761 4588-5121

Dr. Andreas Bett

+49 761 4588-5257

Dr. Hans-Martin Henning

+49 761 4588-5134

Ka u f m ä n n i s c h e r D i r e k t o r

Dr. Holger Schroeter

+49 761 4588-5668

P r esse u n d P u b l i c Re l a t i o n s

Karin Schneider M.A.

+49 761 4588-5147

S t r a t e g i e p l a n u n g

Dr. Thomas Schlegl

+49 761 4588-5473

E n e r g i e p o l i t i k

Dipl.-Phys. Gerhard Stryi-Hipp

+49 761 4588-5686

K o o r d i n a t i o n P h o t o v o l t a i k

Prof. Dr. Gerhard Willeke

+49 761 4588-5266

Prof. Dr. Roland Schindler

+49 761 4588-5252

S t e l l ve r t r e t e n d e I n s t i t u t s l e i t u n g

K o o r d i n a t i o n U n i ve r s i t ä t e n

8


3

4

1 Die Institutsleitung des Fraunhofer ISE (v. l. n. r.): Dr. Holger Schroeter, kaufmännischer Direktor, Dr. Hans-Martin Henning, stellvertretender Institutsleiter und Bereichsleiter »Thermische Anlagen und Gebäudetechnik«, Prof. Dr. Eicke R. Weber, Institutsleiter, Dr. Andreas Bett, stellvertretender Institutsleiter und Bereichsleiter »Materialien – Solarzellen und Technologie«.

2 Karin Schneider, Leiterin »Presse und Public Relations«. 3 / 4 Die wissenschaftlichen Bereichsleiter des Fraunhofer ISE (v. l. n. r.): Dr. Werner Platzer »Solarthermie und Optik«, Dr. Günther Ebert »Elektrische Energiesysteme«, Dr. Christopher Hebling »Energietechnik«, Dr. Hans-Martin Henning »Thermische Anlagen und Gebäudetechnik«, Dr. Harry Wirth »Photovoltaische Module, Systeme und Zuverlässigkeit«, Dr. Andreas Bett »Materialien – Solarzellen und Technologie«, Dr. Ralf Preu »PV-Produktionstechnologie und Qualitätssicherung«, Dr. Stefan Glunz »Solarzellen – Entwicklung und Charakterisierung«.

W i sse n s c h a f t l i c h e Be r e i c h e W i sse n s c h a f t l i c h e Be r e i c h e Thermische Anlagen und Gebäudetechnik

Dr. Hans-Martin Henning

+49 761 4588-5134

Solarthermie und Optik

Dr. Werner Platzer

+49 761 4588-5983

Materialien – Solarzellen und Technologie

Dr. Andreas Bett

+49 761 4588-5257

Solarzellen – Entwicklung und Charakterisierung

Dr. Stefan Glunz

+49 761 4588-5191

PV-Produktionstechnologie und Qualitätssicherung

Dr. Ralf Preu

+49 761 4588-5260

Photovoltaische Module, Systeme und Zuverlässigkeit

Dr. Harry Wirth

+49 761 4588-5858

Elektrische Energiesysteme

Dr. Günther Ebert

+49 761 4588-5229

Energietechnik Dr. Christopher Hebling

+49 761 4588-5195

9


Das Institut im Profil

D a s F r a unhof e r-I n s ti tu t fü r S o l a re E n e rgi es y s teme I SE s etz t s i c h für ei n nac hhal ti ges ,

wi rts chaf t liches,

sic he re s und s o z i a l g e re ch te s E n e rg i e v ers orgungs s y s tem ei n. Es s c hafft tec hni s c he Voraus s etzungen f ür e ine e ff iz ie nte u n d u mwe l tfre u n d l i c h e E nergi ev ers orgung, s owohl i n I ndus tri e- al s auc h i n Sc hw ellen- und E nt w ic k lungs l ä n d e r n . Hi e rz u e n twi ck e l t das I ns ti tut M ateri al i en, Komponenten, Sy s teme und Ve r f ahren in de n Ge sc hä f t s fe l d e r n : E n e rg i e e ffi zi e n te G ebäude und G ebäudetec hni k, A ngewandte O pti k und f unkt ionale Obe r f lä c he n , S o l a rth e rm i e , S i l i ci u m -P hotov ol tai k, Photov ol tai s c he M odul e und Sy s teme, Alt er nat ive P hot ov olt a ik - Te ch n o l o g i e n , R e g e n e ra ti v e Stromv ers orgung und Was s ers tofftec hnol ogi e. Ü ber die Gr undla ge nf or sc hun g h i n a u s b e s c h ä fti g t s i ch das I ns ti tut mi t der Entwi c kl ung v on Produkti ons tec h niken und P rot ot y pe n so wi e d e r Au s fü h ru n g v o n D emons trati ons anl agen und dem Betri eb v on Tes tz entren. Das Inst it ut pla nt , b e rä t, p rü ft u n d s te l l t K n o w-how und tec hni s c he A us rüs tung für D i ens tl ei s tungen zur Ver f ügung. D a s F r a u n h o fe r I S E i s t n a c h D I N E N I SO 9001:2008 z ertifi z i ert. Forschungs- und Dienstleistungsangebot

Außenstandorte und Kooperationen

Das Fraunhofer ISE ist Mitglied der Fraunhofer-Gesellschaft,

Das Labor- und Servicecenter LSC in Gelsenkirchen ist über die

die sich als Mittler zwischen universitärer Grundlagenfor-

Landesgrenzen von NRW hinaus Partner für die Photovoltaik-

schung und industrieller Praxis versteht und anwendungs-

Industrie. Solarzellenhersteller nutzen die Dienstleistung des

orientierte Forschung zum Nutzen der Wirtschaft und zum

LSC für die Qualitätskontrolle ihrer Produktion ebenso wie

Vorteil der Gesellschaft betreibt. Das Fraunhofer ISE finanziert

für kurzfristige Problemlösungen in der Prozesslinie. Das

sich zu über 90 Prozent durch Aufträge in den Bereichen

Angebot des Labors umfasst die Simulation und Optimierung

angewandte Forschung, Entwicklung und Hochtechnologie-

von Durchlaufprozessen, die Entwicklung neuer Prozesse und

Dienstleistungen. Kennzeichnend für seine Arbeitsweise sind

Strukturen für Solarzellen sowie die Erforschung großflächiger

der Praxisbezug und die Orientierung am Kunden. Das Institut

Heterosolarzellen aus amorphem und kristallinem Silicium. Das

ist in nationale und internationale Kooperationen eingebun-

LSC Gelsenkirchen führt auch Trainings im Bereich Charakteri-

den, es ist u. a. Mitglied des ForschungsVerbunds Erneuerbare

sierungsverfahren und Solarzellentechnologie durch (s. S. 82).

Energien (FVEE) und der European Renewable Energy Research Centres (EUREC) Agency. Das Institut kann auf die Kompetenz

Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle/

anderer Fraunhofer-Institute zurückgreifen und so interdiszipli-

Saale wurde gemeinsam von dem Fraunhofer-Institut für

näre Komplettlösungen erarbeiten.

Werkstoffmechanik IWM, Freiburg und Halle, und dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE gegründet. Das

Vernetzung in der Fraunhofer-Gesellschaft

Fraunhofer IWM bringt sein Know-how auf dem Gebiet der

- Mitglied der Fraunhofer-Allianzen Batterien, Bau, Energie,

Optimierung und Bewertung von Silicium-Prozesstechnologien

Nanotechnologie, Optic Surfaces und SysWasser

und Modulintegration mit ein. Das Fraunhofer ISE bietet seine

- Mitglied der Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität

Kompetenzen in der Materialherstellung, Solarzellen- und

- Mitglied im Fraunhofer-Themenverbund »Werkstoffe,

Modulentwicklung sowie Charakterisierung an. Zentrale Ein-

Bauteile – (MATERIALS)«

richtungen sind der Bereich »Zuverlässigkeit und Technologien

- Mitglied der Morgenstadt-Initiative der

für Netzparität« (CSP-ZTN) und das »Labor für Kristallisations-

Fraunhofer-Gesellschaft

technologie« (CSP-LKT) (s. S. 65).

10


Das I n s t i t u t i m P r o f i l

Das Technologiezentrum Halbleitermaterialien THM in Frei-

Das Fraunhofer Center for Sustainable Energy Systems CSE

berg, Sachsen, ist eine Kooperation des Fraunhofer ISE mit

in Boston trägt dazu bei, in Europa etabliertes Know-how

dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauele-

und Technologien im Bereich erneuerbarer Energien für

mentetechnologie IISB, Erlangen. Das THM unterstützt Firmen

den amerikanischen Markt weiterzuentwickeln und dort

bei der Forschung und Entwicklung zur Materialpräparation

einzuführen. 2010 startete das Fraunhofer CSE gemeinsam

und -bearbeitung für 300-mm-Silicium, Solarsilicium und

mit der Canadian Standards Association (CSA) sowie dem

III-V-Halbleiter. Darüber hinaus bietet es Dienstleistungen

VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut ein Testzentrum für

für die laufende Produktion der Industriepartner im Bereich

PV-Module, das CFV Solar Test Laboratory, in Albuquerque,

Analytik, Charakterisierung und Test an.

New Mexico.

Personal

Kosten Mio €

Erträge Mio €

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

200

10

10

0

0

1200 1000 800 600 400

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 unbefristete TVÖD

befristete TVÖD

übrige

2009 2010 2011 2012 vorl. Sachkosten Sonstige Eigenes Personal

0

2009 2010 2011 2012 vorl. Industrie Bund/Länder Inst. Förd.

Sonstige

EU

Am 31.12.2012 waren am Fraunhofer ISE insgesamt 1272 Mitarbeiter

Die Finanzstruktur der Fraunhofer-Gesellschaft unterscheidet

beschäftigt. Davon unterstützen 170 Promovierende, 156 Diplo-

zwischen dem Betriebs- und dem Investitionshaushalt. Der Betriebs-

manden, 38 Praktikanten, 13 Auszubildende, 290 wissenschaftliche

haushalt umfasst alle Personal- und Sachaufwendungen sowie deren

Hilfskräfte sowie weitere 108 Mitarbeiter (z. B. Gastwissenschaftler)

Finanzierung durch externe Erträge und institutionelle Förderungen.

die Arbeit in den Forschungsprojekten und tragen wesentlich zu den

Unser Betriebshaushalt beträgt 66,3 Millionen Euro. Zusätzlich zu

wissenschaftlichen Ergebnissen bei. Das Fraunhofer ISE leistet auf

den in der Grafik angegebenen Ausgaben tätigte das Fraunhofer ISE

diese Weise einen wichtigen Beitrag zur Ausbildung von Forschern

im Jahr 2012 Investitionen in Höhe von 10,2 Millionen Euro

in diesem wichtigen Arbeitsgebiet.

(ohne Bauinvestitionen und Konjunkturprogramme).

11


1

Modellierung von Energiesystemen D ie z une hm e n d e N u tzu n g e r n e u e rb a re r E nergi en auf unters c hi edl i c hs ten Ebenen – v on der Sol a r anlage im E inz e lge bä ud e b i s h i n z u m g ro ß e n W i n d park i m M eer – bedi ngt ei ne z unehmende Kompl ex i tät unseres E ne r gie sy st e m s . Ne u e n K o mp o n e n te n , z .  B.

Spei c her n, kommt ei ne z entral e Rol l e z u, um z eit liche Ver-

sc hie bunge n z wi s ch e n E rz e u g u n g u n d Verbrauc h auf unters c hi edl i c hen Zei ts kal en aus z ugl ei chen. Neue K onz e pt e f ür d i e B e tri e b s fü h ru n g s i n d ebens o notwendi g wi e di e Entwi c kl ung neuer G es c häft sm odelle, um die polit is ch e n Z i e l e e i n e r a mb i ti o n i e rten Redukti on v on energi ebedi ngten C O 2 -Emi s s i onen m öglichst sc hne ll, k ost e n g ü n s ti g u n d u n te r E rh a l t ei ner hohen Vers orgungs s i c herhei t z u gewährl ei s ten. Am Fr aunhof e r IS E ha b e n wi r i m ve rg a n g e n e n Ja h r umfangrei c he A rbei ten z ur M odel l i erung v on kompl exen Energie sy st e m e n b e g o n n e n , mi t d e m Z i e l , Di ens tl ei s tungen für unters c hi edl i c hs te A kteure aus P olit ik und W ir t sc ha f t a n z u b i e te n . Jörg Dengler, Jan-Bleicke Eggers, Mehmet Elci, Sebastian Herkel, Christoph Kost, Niklas Kreifels, Andreas Palzer, Thomas Schlegl, Charlotte Senkpiel, Gerhard Stryi-Hipp, Christof Wittwer, Hans-Martin Henning Um die unterschiedlichen Anforderungen zur modellhaften

Wärmeversorgung im Modell gesamthaft und in ihrer Wech-

Abbildung komplexer Energiesysteme adäquat zu adressieren,

selwirkung abgebildet werden und dass auch die energetische

haben wir drei unterschiedliche neue Modellansätze gewählt,

Gebäudesanierung als Maßnahme zur Senkung des Wär-

die sich gegenseitig ergänzen und die unsere seit vielen Jahren

mebedarfs mit in die Optimierung einbezogen wird. Abb. 3

umfangreich etablierten Simulationsmodelle für Solaranlagen,

zeigt die installierten Größen der wichtigsten Komponenten

Gebäude und Quartiere abrunden.

von drei Zielsystemen, die sich insbesondere im Umfang der energetischen Sanierung des Gebäudebestands und daraus

Das Modell REMod-D (Regenerative Energien Modell

resultierend in der zu installierenden Leistung von Wandlern

Deutschland) beschreibt das Zielsystem einer Versorgung des

erneuerbarer Energien unterscheiden.

Strom- und Wärmesektors in Deutschland mit einem sehr hohen Anteil erneuerbarer Energien bis hin zu 100 %. Bei dem

Das Modell E2S bildet das Energiesystem Deutschlands ausge-

Verfahren handelt es sich um ein Optimierungsprogramm, das

hend von den heute existierenden Strukturen auf einer räum-

den Mix aus Erzeugern, Wandlern und Speichern ermittelt, der

lich stark disaggregierten Ebene der Stadt- und Landkreise ab.

zu minimalen jährlichen Gesamtkosten zum Betrieb und Erhalt

Eine Jahressimulation dieses umfänglichen Systems erlaubt die

des Energiesystems führt. Um das Wechselspiel zwischen

detaillierte Untersuchung von Energieflüssen von Erzeugern

Erzeugung, Speicherung und Verbrauch korrekt abzubilden,

und Verbrauchern auf Basis von Viertelstunden-Mittelwerten.

wird das gesamte System auf Basis von stündlichen Energie-

In einer parallel ablaufenden Ausbausimulation wird die Ent-

bilanzen für ein vollständiges Jahr simuliert. Das Besondere

wicklung des Energiesystems unter gesetzten Rahmenbedin-

an unserem Modellierungsansatz im Vergleich zu ähnlichen

gungen abgebildet, indem Investitionsentscheidungsmodelle

existierenden Modellen ist, dass sowohl Strom- als auch

für wichtige Akteure wie Energieversorger und Stadtwerke

12


J a h r ess i m u l a t i o n

A u s b a u s i m u l at i o n

Generierung eines gesamtenergetischen, Regionen übergreifenden Optimums basierend auf regionalen Erzeugungskosten und übergreifenden Netzrestriktionen Sektorenmodell Modellierung der Betriebsführung und des Energiebedarfs innerhalb der Sektoren

HH

GHD

Ind

HH Haushalte GHD Gewerbe/Handel/ Dienstleistungen Ind Industrie

Generierung von möglichen Entwicklungspfaden durch Investitionsentscheidungsmodelle gestützt durch die Ergebnisse der Jahressimulation

Regionenmodell Variable Modellierung der Großkraftwerke ab 10 MW in regionaler Auflösung zur Betriebsführungssimulation

Konventionelle Erzeugung

Speicher

Netzausbau

Strom / Wärme

Strom / Wärme

Gebäude

Verkehr

Da t e n b a n k

Iterative Optimierung

Globale Routine Optimierung des Regionenaustausches basierend auf dem Hoch. und Höchstspannungsnetzes

Definition der SzenarioRahmenbedingungen

HH

Interaktionsmodell

2

Erneuerbare Erzeugung

GHD

Ind

Netzmodell

1 Strom aus Sonne und Wind ist ein wesentlicher Baustein der künftigen Stromversorgung (links). Die Gebäudesanierung trägt wesentlich zur Effizienz bei. In Freiburg wurde ein 16stöckiges Hochhaus zum Passivhaus saniert (Mitte). Solare Prozesswärme hat ein enormes Potenzial in der industriellen Anwendung (rechts).

2 Zusammenspiel der Jahres- und Ausbausimulation im E2S-Modell.

aber auch Gebäudebesitzer modelliert werden. Daraus ergeben sich Änderungen sowohl in der Versorgungs- als auch in der Verbrauchsstruktur, da z. B. die Sanierung von Gebäuden zu niedrigeren Wärmeverbräuchen und eine verstärkte Nutzung von Wärmepumpen zu steigenden Stromverbräuchen führen. Durch die Interaktion von Jahres- und Ausbausimu-

remax

lation werden Rückschlüsse gezogen, welche Auswirkungen

300

150 100

10*GWh

200

onal aufgelöste Strom- und Wärmeflüsse und Volllaststunden

50

ST tr . ,d ez en tr . W P, el W P, G as Ba tt er ie W är m e Sp Sa . ni er un g Ko st en

tr .

en

ST ,z

en

G

uD KW

K, z

G

PV

P2

ff O d

in d

in W

O n

0

Marktdesign und gewählten Betriebsführungsstrategien erlangen. Hersteller von einzelnen Komponenten und Technologien

GWth

250

und Kraftwerksbetreiber interessant, die Aufschlüsse über regibei unterschiedlichen Erzeugungsstrukturen, entsprechendem

GWel

Milliarden

bestimmtes Ziel zu erreichen. Demnach ist das Programm so-

GWh

350

%2010

400

wie diese gegebenenfalls geändert werden müssten, um ein wohl für politische Entscheidungsträger als auch für Versorger

sanierungmax

450

W

entsprechende politische Rahmenbedingungen bewirken und

medium

haben Interesse an der modellhaften Abbildung des Energiesystems mit konkreten Rückschlüssen über den Einsatz der

3 Installierte Leistung bzw. Größe wichtiger Komponenten von drei

unterschiedlichen Technologien, deren Verhalten im System

Systemen, die alle zu einer Vollversorgung Deutschlands mit erneu-

virtuell getestet werden kann. Abb. 2 zeigt schematisch das

erbaren Energien im Strom- und Wärmesektor führen.

Zusammenspiel von Jahressimulation und Ausbausimulation. Viele Städte und Gemeinden in Deutschland haben sich ambi­

Ergebnisse für die möglichen Energiesystemvarianten vorlie-

tionierte Ziele gesetzt, was die Reduktion ihrer CO2-Emissionen

gen. Diesen Bereich adressiert das dritte Energiesystemmodell

und den verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien zur

KomMod (Kommunales Energiesystemmodell). Es erfasst alle

kommunalen Energieversorgung betrifft. Die Kommunen

drei Bedarfssektoren Strom, Wärme und zukünftig auch Ver-

stehen nun vor der Herausforderung, aus den vielen sinnvollen

kehr zeitlich und räumlich hochaufgelöst sowie technisch und

Einzelmaßnahmen, z. B. Kraft-Wärme-Kopplung, Nahwärme-

ökonomisch detailliert und erlaubt damit Aussagen über die

netze, Photovoltaik, Solarthermie, Gebäudesanierung und

Möglichkeiten der Energiebedarfsdeckung bis hinunter auf die

Wärmepumpen ein Gesamtkonzept zu entwickeln, das den

Quartiersebene einer Siedlung. Als Optimierungsmodell wird

größten Nutzen zu möglichst geringen Kosten ermöglicht.

KomMod künftig über die reine Analyse eines heutigen oder

Eine fundierte Entscheidung kann hierbei nur getroffen

zukünftigen Ist-Zustands hinaus auch optimierte zukünftige

werden, wenn die Wechselwirkungen der Einzelmaßnahmen

kommunale Energiesystemvarianten ermitteln und ein wichti-

analysiert und bewertet werden und am Ende quantitative

ges Instrument zur Beratung von Kommunen darstellen.

13


© FWTM/Green City Freiburg

1

Smart Energy Cities S t ä dt e und K o m m u n e n s i n d S c h l ü s s e l a k te ure bei der Trans formati on des Energi es y s tems , da s i e f ür 75 Proz e nt de s E ne rg i e b e d a rfs v e ra n two rtl i c h s i nd. V i el e Trans formati ons maßnahmen werden v or a llem lokal re a lisie r t w e rd e n , z. B . d i e e n e rg e ti s c h e G ebäudes ani erung, Smart G ri ds , N ahwärmenetz e, S t rom - und Wä r m e spe ic h e r u n d mu l ti mo d a l e Ve rk e h r s s y s teme. Vor O rt fi ndet auc h di e Kommuni kati on mi t d en Bür ger inne n und B ü rg e r n s ta tt, d e re n A k z e p tanz und U nters tütz ung erforderl i c h i s t. G l obal nehm en im m er m e hr S t ä dt e u n d K o m m u n e n d i e s e He ra us forderungen an und der Bedarf an der Erfors c hung ent sprechende r K onz e pt e n i mmt d e u tl i c h zu . I n De u ts c hl and s i eht di e H i ghtec h-Strategi e der Bundes regi er ung eine Int e nsiv ie r ung d e r F o rs c h u n g i m Z u k u nfts proj ekt »C O 2 -frei e, energi eeffi z i ente und kl i maa ngepasst e S t a dt « v or. Arnulf Dinkel, Sebastian Gölz, Sebastian Herkel, Dominik Noeren, Gerhard Stryi-Hipp, Christof Wittwer, Günter Ebert, Hans-Martin Henning Das Fraunhofer ISE erforscht und entwickelt Technologien

Auch für die Fraunhofer-Gesellschaft sind Technologien

für eine nachhaltige Energieversorgung. Aufgrund der

und Konzepte für nachhaltige Städte und Kommunen ein

steigenden Marktanteile der erneuerbaren Energien gewinnt

Arbeitsschwerpunkt. Unter dem Begriff »Morgenstadt – Stadt

nun zusätzlich zur Komponentenentwicklung die Entwicklung

der Zukunft« kooperieren zwölf Fraunhofer-Institute in den

von komplexen Energiesystemen an Bedeutung, wie sie z. B.

Themenfeldern Energie, Gebäude, Mobilität, Sicherheit,

kommunale Energiesysteme darstellen, die ausschließlich

Wasser, Produktion und Logistik, Informations- und Kommu-

erneuerbare Energien nutzen. Um Städte und Kommunen bei

nikationstechnologie sowie Businessmodelle und Governance.

der Transformation ihrer Energiesysteme zu unterstützen, hat

Im Mai 2012 wurde gemeinsam mit der Industrie das Projekt

das Fraunhofer ISE den Marktbereich »Smart Energy Cities«

»Morgenstadt: City Insights (m:ci)« gestartet. Multidisziplinäre

eingerichtet. Dieser unterstützt und koordiniert die interdiszip-

Forschungsteams werden im Jahr 2013 sechs Städte weltweit

linäre Zusammenarbeit der einzelnen Forschungsgruppen und

besuchen und beforschen. In Tokyo, Singapur, New York,

die Kooperation mit externen Forschungsinstitutionen, z. B.

Kopenhagen, Berlin und Freiburg werden inspirierende

aus dem Bereich der Ökonomie in Bezug auf stadtbezogene

Lösungsansätze für die Stadt der Zukunft erforscht und die

Forschungsthemen. Dabei kann das Fraunhofer ISE nicht

Übertragbarkeit der innovativen Konzepte in andere Klimata

nur auf umfangreiche technologische Forschungsstrukturen

und Länder untersucht.

zurückgreifen, sondern auch auf ein sozialwissenschaftliches Forschungsteam, das sich mit Konzepten zur nachhaltigen

Das Fraunhofer ISE leitet in m:ci das Teilprojekt Energie und

Gestaltung und zur Akzeptanz neuer Technologien beschäftigt

kann dabei auf vielfältige Aktivitäten im Bereich nachhaltige

sowie neue Geschäfts- und Beteiligungsmodelle erarbeitet.

Energieversorgung von Städten und Kommunen aufbauen.

14


1 Modell der Green City Freiburg. Beispielsweise wurden Projekte im Bereich intelligente Heizungssteuerung, effiziente Nahwärmeversorgung, Nullenergiegebäude, Passivhausstandard für Hochhäuser, Smart Grid-Technologien, Elektro- und Wasserstoffmobilität sowie Strom- und Wärmespeicher durchgeführt. Nachhaltige Energiesysteme, die mehrheitlich oder vollständig auf erneuerbaren Energien beruhen, müssen auf jede Kommune angepasst werden, da sie das lokale und regionale Angebot an erneuerbaren Energien berücksichtigen und dieses mit dem prognostizierten kommunalen Verbrauchsprofil in Deckung bringen müssen. Um eine hohe Versorgungssicherheit bei minimalen Kosten zu gewährleisten, muss auf Basis von zeitlich aufgelösten dynamischen Jahressimulationen ein für die jeweilige Kommune optimaler Energiemix verbunden mit geeigneten Netzstrukturen und Betriebsmitteln ermittelt werden. Um Städten und Kommunen entsprechende Dienstleistungen anbieten zu können, werden am Fraunhofer ISE mehrere Simulationswerkzeuge zur Bewertung der Transformationsoptionen entwickelt und eingesetzt. Darüber hinaus werden Methoden zur Erarbeitung robuster Umsetzungspfade zur Erreichung der Zielszenarien entwickelt. Die Weiterentwicklung der existierenden kommunalen Energiesysteme wird unterstützt durch Werkzeuge und Konzepte zur Optimierung der Betriebsführung vor dem Hintergrund des

2 Kommunales Energiesystem auf Basis Erneuerbarer Energien.

liberalisierten Energiemarkts und der regulativen Rahmenbe-

(WPel./Gas = Wärmepumpe elektrisch/Gas betrieben,

dingungen. Zur Erfolgskontrolle wird eine wissenschaftliche

KWK = Kraft-Wärme-Kopplung, HK = Holzkessel, Sp. = Speicher,

Begleitung der Transformationsprozesse auf Basis von langjäh-

SW = Solarwärme, Elys = Elektrolyseur, Meth = Methanisierung,

rigen Monitoring angeboten.

* ein Wärmeerzeuger pro Gebäude)

15


1

Entwicklungsplanung für erneuerbare Energien in Ägypten D e r N a he Oste n u n d N o rd a fri k a (M E N A-Regi on) bi eten gewal ti ge und bi s her weni g genutz te Solar- und W indre ssource n . G l e i ch z e i ti g s i n k e n i n d i es en Regi onen di e v erfügbaren fos s i l en Res s ourc en i n For m von E rdga s und E rd ö l s ta rk . D a h e r h a b e n m e hrere M EN A -Staaten Pl äne für den A us bau der er neuerbaren Energie n a nge k ün d i g t. D a d u rch k ö n n e n d e r ei gene Verbrauc h nac hhal ti ger gedec kt und di e v erbleibenden f ossile n Re sso u rce n fü r d e n E x p o rt ve rwe ndet werden. D i e z us ammen mi t dem F raunhofer I SI g egr ündet e A r be it sgr upp e R e n e wa b l e E n e rg y I n n o vati on Pol i c y (REN I P) unters tütz t Kunden aus W i rts c haft u nd öff ent lic he r H a nd b e i d e r E n twi ck l u n g v o n A u sbaus trategi en und berät i m H i nbl i c k auf F örders trateg ien f ür erne ue r ba re E n e rg i e n . D e rz e i t a rb e i te n wi r u.a. an ei nem Entwi c kl ungs pl an für er neuerbare Ener gien in Ä gy pt e n. Verena Jülch, Christoph Kost, Noha Saad, Jessica Thomsen, Thomas Schlegl Im Projekt »Combined Renewable Energy Master Plan for

Für eine Analyse der lokalen Industriepotenziale entlang der

Egypt« (CREMP) arbeitet RENIP zusammen mit Mitarbeitern

Wertschöpfungsketten der erneuerbaren Energietechnologien

des Bereichs »Solarthermie« und Lahmeyer International,

Photovoltaik (PV), Concentrated Solar Power (CSP) und

Engineering and Consulting Services. Gemeinsam erstellen wir

Wind in Ägypten hat RENIP 39 Interviews mit Vertretern

einen Entwicklungsplan für erneuerbare Energien in Ägypten

unterschiedlicher Unternehmen geführt. Anhand der Inter­

und führen eine Machbarkeitsstudie für ein CSP-Kraftwerk

viewergebnisse wurde das lokale Wertschöpfungspotenzial

durch. Der Entwicklungsplan setzt sich aus folgenden Baustei-

für PV, CSP und Wind ermittelt (Abb. 3/4) und für bestehende

nen zusammen:

Projekte die derzeit erreichte lokale Wertschöpfung analysiert. Auf dieser Basis haben wir lokale Wertschöpfungspotenziale

- Analyse des techno-ökonomischen Potenzials von Wind-

bestimmt, die in der Zukunft noch realisiert werden können.

und Solarenergie

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeit lag in der Untersu-

- Integrationsmöglichkeiten erneuerbarer Energien in die

chung von Maßnahmen zur Förderung von nationalen For-

lokale Stromversorgung

schungs- und Entwicklungstätigkeiten im Bereich erneuerbare

- Untersuchung und Bewertung politischer Anreizsysteme

Energien. Hierbei wurden bestehende Maßnahmen evaluiert

für die Installation von Kraftwerken und die Erschließung

und mit den Entwicklungen in ausgewählten Beispielländern

lokaler Wertschöpfungspotenziale

verglichen. Aus der Analyse konnten Schwachpunkte abgelei-

- Analyse der Finanzierungsmöglichkeiten zur Bereitstellung

tet und Verbesserungsvorschläge erarbeitet werden. Die

der benötigten Rahmenbedingungen

Ergebnisse fließen derzeit in die Entwicklung einer umfassenden Strategie für die Förderung erneuerbarer Energien in Ägypten ein.

16


2

1 CSP-Kraftwerk in Kuraymat, 90 km südlich von Kairo, Ägypten: 140 MW Gesamtkapazität (Gas-Zufeuerung), 20 MWel Leistung des Solarfelds.

2 Windpark in Zafarana am Golf von Sues, Ägypten: 700 Anlagen mit 517 MW Gesamtkapazität.

Die 2009 gebildete Kooperation »Renewable Energy Inno-

Zu den bisher erarbeiteten Projekten zählt die Studie

vation Policy« (RENIP) bündelt die Kompetenzen der beiden

»MENA Assessment of Local Manufacturing Potential for

Fraunhofer-Institute für Solare Energiesysteme ISE und für

Concentrated Solar Power (CSP) Projects«, beauftragt von

System- und Innovationsforschung ISI. Technologieentwick-

der Weltbank. Sie gilt inzwischen als Standardwerk in den

lung und angewandte Forschung des Fraunhofer ISE sowie

Bereichen Wertschöpfungspotenziale erneuerbarer Energien

ökonomische Systemanalyse und Innovationsforschung am

und Aktionspläne zu deren Erschließung in der MENA-Region.

Fraunhofer ISI ergänzen sich zu einem umfangreichen inter-

Aufbauend auf diese Arbeit unterstützt RENIP nun einzelne

disziplinären Angebot. In der Kooperation unter der Leitung

MENA-Staaten bei der Strategieentwicklung und berät bei

von Dr. Mario Ragwitz (Fraunhofer ISI) und Dr. Thomas Schlegl

der Entwicklung von Förderstrategien unter Berücksichtigung

(Fraunhofer ISE) können z. B. Dienstleistungen angeboten

nationaler Rahmenbedingungen im Energiesektor.

werden, bei denen Technologien vom Anfangsstadium ihrer Entwicklung und Implementierung an auf ihr späteres

www.renip.fraunhofer.de

Innovationspotenzial auf dem Energiemarkt untersucht und entsprechend gesteuert werden können.

Möglicher lokaler Anteil

Anteil an Gesamtkosten 0% Turbine

10 %

20 %

30 %

Fundament und Bauarbeiten

40 % Netzanschluss

50 %

60 %

70 %

80 %

90 %

100 %

60 %

70 %

80 %

90 %

100 %

Gemeinkosten

3 Lokales Wertschöpfungspotenzial von Windkraftanlagen in Ägypten. Möglicher lokaler Anteil

Anteil an Gesamtkosten 0%

10 %

20 %

30 %

Lohnkosten Grundstück und Solarfeld Konventionelle Anlagenkomponenten

40 %

50 %

Equipment Solarfeld und Wärmeübertragersystem Gemeinkosten

4 Lokales Wertschöpfungspotenzial von solarthermischen Kraftwerken in Ägypten.

17


FuE-Höhepunkte

E n e r g i ee f f i z i e n t e Ge b ä u d e

S i l i c i u m - P h o t o v o lta i k

u n d Ge b ä u d e t e c h n i k - erfolgreiche Silicium-Epitaxie in Hochdurchsatz-ProConCVD - neu entwickeltes, ganzheitliches Energiemodell für

(Production Continuous Chemical Vapor Deposition)

Deutschland: 100 % erneuerbare Energien für Strom und

- TCO-freie Silicium-Heterosolarzelle mit diffundierter Vorder-

Wärme einschließlich energetischer Gebäudesanierung

seite und rückseitig sammelndem amorphem Silicium-

- ab-initio-Modelle für gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV)

Emitter mit einem Wirkungsgrad von 22,8 %

entwickelt und angewendet

- Rückseitenkontakt-Solarzelle mit entkoppelter Geometrie

- Entwicklung und Demonstration von fassadenintegrierten

der Diffusionen und der Metallisierung mit einem Wirkungs-

Lüftungssystemen für Neubau und Sanierung

grad von 23,0 %

- materialunabhängige Beschichtung von Sorptions-

- Herstellung einer n-Typ-Solarzelle mit Aluminium-Punkt-

materialien auf Wärmeübertragern

emittern mit einem Wirkungsgrad von 19,7 % unter Verwendung einer angepassten Prozesssequenz für p-Typ PERC-Solarzellen

Angewandte Optik und

- Herstellung einer Saatschicht-Tinte zur Kontaktierung von

funktionale Oberflächen

schwach dotierten Bor-Emittern mit einer Oberflächen konzentration von 1 x 1019 cm-³

- weltgrößtes hexagonales Beugungsgitter auf 1,2 x 1,2 m

- Erweiterung des Klaasen-Mobilitätsmodells für Ladungs-

nahtlos durch Interferenzlithographie hergestellt

träger in kompensiertem Silicium

2

- Erzeugung geordneter plasmonischer Metall-Nanopartikel

- mittels TOPAS (Thermal Oxide Passivated All Sides)-Prozess-

auf großen Flächen durch Interferenzlithographie-, Nano-

folge 20,0 % Solarzellenwirkungsgrad auf großen Industrie-

imprint- und Lift-Off-Prozesse

substraten (mCz, 156 mm Kantenlänge) sowie 19,7 % auf quasi-mono Silicium - großflächige HIP-MWT-Solarzellen (p-typ Cz-Silicium)

Solarthermie

mit schablonengedruckter Vorderseite und 20,2 % Wirkungsgrad

- Erweiterung der Simulationsumgebung ColSim für die

- kostengünstiger einstufiger ozonbasierter Reinigungsprozess

Entwicklung von Reglern und Betriebsführung um

als Ersatz für bislang aufwändige RCA-Reinigung in Herstel-

Komponenten aus den Hochtemperaturanwendungen

lungsabläufe integriert und mittels industrieller Anlagen-

(z. B. Salzschmelze, Direktverdampfung, Speichermodelle)

technologie erfolgreich getestet

- Nachweis der Rekristallisation von Salzschmelze im

- Hochleistungsplasmaabscheidungsanlage zur industriellen

Schneckenwärmetauscher (10 kW Laborversion)

Herstellung von Antireflex- und Passivierungsschichten

- Aufbau eines Prüfstands zur Untersuchung von

erfolgreich gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt

mechanischen Wind- und Schneelasten auf Solarkollektoren

- Entwicklung eines Verfahrens zur tomographischen

- Erarbeitung von Prüfverfahren für die normgerechte

Rekonstruktion von Defekten in multikristallinen Si-Säulen

Vermessung von Luftkollektoren

basierend auf Photolumineszenzbildern an as-cut Wafern - Herstellung von modulintegrierbaren großflächigen p-Typ mc-Si Al-BSF Solarzellen aus 100 % UMG-Silicium Feedstock mit über 17,0 % Wirkungsgrad

18


FuE-Höhepunkte

P h o t o v o lta i s c h e M o d u l e

Wasse r s t o f f t e c h n o l o g i e

und Systeme - 50 kW-Biomasse-Vergaser produziert für mehr als - Genauigkeit bei der Präzisionsmessung von Solarmodulen

600 Stunden ein teerfreies (< 50 mg / Nm³) Synthesegas

gesteigert, jetzt weltweit einmalige Messabweichung von

und demonstriert damit die technische Reife des neuen

nur 1,8 Prozent (CalLab PV Modules)

Fraunhofer ISE-Vergasungsverfahrens

- 16zelliger Moduldemonstrator mit MWT-Zellen aus dem

- erfolgreiches Upscaling der Zellfläche einer Redox-Flow-

PV-TEC des Fraunhofer ISE entwickelt, durch optimierte

Batterie von 700 cm² auf über 2000 cm² für Stacks mit einer

Verbindungs- und Einkapselungstechnologie Leistungs-

Leistung von 5 kW

verlust kleiner 1 % von Zelle zu Modul erreicht, bezogen

- vier selbst entwickelte, außentaugliche Teststände zur

auf die Aperturfläche (Modul-Technologiecenter MTC)

parallelen Charakterisierung von 30 Test-Brennstoffzellen wurden über 6000 Stunden im Feld betrieben - Eröffnung einer öffentlich zugänglichen solaren Wasserstoff-

A l t e r n a t i ve P h o t o v o l t a i k -

Tankstelle zur 700 bar-Schnellbefüllung gemäß SAE J2601

Te c h n o l o g i e n - Rekordmodule mit 32,1 % Wirkungsgrad (outdoor gemessen) - erste GaInP/GaAs-Tandemzelle direkt auf Silicium gewachsen mit 16 % Wirkungsgrad - erste Si-Quantenpunkt-Solarzelle realisiert mit 370 mV Spannung - ITO-freie organische Solarzelle mit 6 % Wirkungsgrad - Inbetriebnahme der Rolle-zu-Rolle Beschichtungsanlage für organische Solarzellen

Re g e n e r a t i ve S t r o m ve r s o r g u n g - Felderprobungsphase der intelligenten Ladeinfrastruktur des Flottenversuchs Elektromobilität (BMU) erfolgreich beendet - Entwicklung von Methoden zur zuverlässigen Qualitäts beurteilung von Batterien und PV-Leuchten - hochpräzise Lade- und Alterungszustandsbestimmung bei Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien - kompakter Gleichspannungswandler mit GaN-Transistoren und 1 MHz Schaltfrequenz - Seit 25 Jahren PV-Inselsystem auf dem Rappenecker Hof erfolgreich in Betrieb

19


© Foto: Peter Himsel; Quelle: Archiv DBU

EHRUNGEN UND PREISE Beim 27. Symposium Photovoltaische Sonnenernergie

1 Preisgekrönte Konzentratorphotovoltaik: Dr. Andreas Bett (links)

(29.2.–2.3.2012) im Kloster Banz in Bad Staffelstein gewannen

und Hansjörg Lerchenmüller (rechts), Soitec Solar, wurde der

Sönke Rogalla und Sebastian Blume mit den Co-Autoren

Deutsche Umweltpreis 2012 verliehen.

Bruno Burger, Stefan Reichert und Christoph Siedle den 1. Preis für ihren Posterbeitrag. In diesem stellten sie einen verbesserten Ansatz zur Bestimmung der Oberschwingungsemissionen von Wechselrichtern vor.

und Peter Schmitt mit ihrer gemeinsamen Veröffentlichung »Metallographische Probenpräparation von verlöteten Solar-

Harry Kummer wurde für die Entwicklung eines Beschich-

zellen« den 1. Platz bei der diesjährigen Preisverleihung.

tungssystems für Wärmetauscher im Rahmen seiner Diplomarbeit der 2. Hugo-Geiger-Preis verliehen. Mit der Auszeichnung

Aufsehen erregte die Verleihung des Deutschen Umweltpreises

würdigt das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft,

an Dr. Andreas Bett und Hansjörg Lerchenmüller von

Infrastruktur, Verkehr und Technologie hervorragende

Soitec Solar, die beide für ihre Verdienste um die Entwicklung,

anwendungsorientierte Diplom- oder Masterarbeiten. Die

Markteinführung und Kommerzialisierung der Konzentrator-

diesjährige Verleihung fand am 8.5.2012 auf der Fraunhofer-

photovoltaik geehrt wurden (Abb. 1). »Bett und Lerchenmüller

Jahrestagung in Stuttgart statt.

haben zum Nutzen der Sonnenenergie Außerordentliches geleistet, indem sie eine neue solare Technologie zur Marktreife

Ebenfalls im Kloster Banz in Bad Staffelstein fand vom

entwickelt haben«, so Dr. Fritz Brickwedde, Generalsekretär

9.–11.5.2012 das 22. Symposium Thermische Solarenergie

der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU). Konzentrator-

statt. Gemeinsam mit den Co-Autoren Frank Steinbach,

photovoltaik wird in großen Kraftwerken in sonnenreichen

Jörg Witulski und A. Erman Tekkaya des Instituts für Umform-

Ländern zur Gewinnung von Strom aus Sonnenenergie

technik und Leichtbau (IUL) der TU Dortmund belegten

eingesetzt. Was im kleinen Maßstab im Forschungslabor

Lotta Koch und Dr. Michael Hermann den 2. Platz mit

begann, trägt heute in industriellem Maßstab zur Umsetzung

ihrem Poster über die Erfahrungen und Ergebnisse aus der

der Energiewende bei. Dafür werden in großen Kraftwerken

Entwicklung von Stahlabsorbern.

tausende industriell gefertigter Konzentratormodule der Sonne nachgeführt. In jedem Modul bündeln Linsen das Sonnenlicht

Auf der Metallographietagung in Rostock (19.–21.9.2012)

fünfhundertfach. Kleinste mehrschichtige Solarzellen aus

kürten die Juroren aus dem wissenschaftlichen Beirat der

Halbleitermaterialien verwandeln das gesammelte Sonnenlicht

Fachzeitschrift »Praktische Metallographie« die drei besten

effizient in Strom. Weiterer Preisträger 2012 ist Günther Cra-

Aufsätze des vergangenen Jahrs mit dem Buehler

mer, Mitbegründer und Aufsichtsrat der SMA Solar Technology

Best Paper Award. Zusammen mit Patrik Voos (ITW Test &

AG. Der Deutsche Umweltpreis wurde durch Bundespräsident

Measurement GmbH, Düsseldorf) belegten Dirk Eberlein

Joachim Gauck am 28.10.2012 in Leipzig überreicht.

20


Kuratorium

Vorsitzender

S t e l l ve r t r e t e n d e r V o r s i t z e n d e r

Dr. Carsten Voigtländer

Dr. Hubert Aulich

Vaillant GmbH, Remscheid

PV Crystalox Solar GmbH, Erfurt

Mitglieder Dr. Nikolaus Benz

Ministerialdirigent Günther Leßnerkraus

Schott Solar CSP GmbH, Mainz

Ministerium für Finanzen und Wirtschaft, Baden­-Württemberg, Stuttgart

Dr. Klaus Bonhoff

Now GmbH, Nationale Organisation Wasserstoff­

Dr. Ralf Lüdemann

und Brennstoffzellentechnologie, Berlin

SCHMID Group, Freudenstadt

Regierungsdirektorin Kerstin Deller

Klaus-Peter Pischke

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und

Kreditanstalt für Wiederaufbau, Frankfurt

Reaktorsicherheit (BMU), Berlin Dr. Klaus-Dieter Rasch Hans-Josef Fell

AZUR SPACE Solar Power GmbH, Heilbronn

Mitglied des Deutschen Bundestags, Berlin Dr. Dietmar Roth Ministerialrat Stefan Gloger

Classic Centrum Zwickau AG, Zwickau

Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, Stuttgart

Prof. Dr. Frithjof Staiß Zentrum für Sonnenenergie­und Wasserstoff­-Forschung

Dr. Winfried Hoffmann

(ZSW), Stuttgart

Berater Applied Solar Expertise President EPIA, Brüssel

Prof. Andreas Wagner Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe

Dipl.-Ing. Helmut Jäger Solvis GmbH & Co. KG, Braunschweig Das Kuratorium begutachtet die Forschungsprojekte und Dipl.-Ing. Wilfried Jäger

berät die Institutsleitung und den Vorstand der Fraunhofer­

VDE Prüf-­und Zertifizierungsinstitut GmbH, Offenbach

Gesellschaft bezüglich des Arbeitsprogramms des Fraunhofer ISE (Stand: 28.11.2012).

Ministerialrat Dr. Knut Kübler Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Bonn

21


Effizientes Bauen mit der Sonne

22


Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik

Gebäude sind heute Energieverbraucher und für rund 40 %

Lastmanagement ermöglichen. Mit unserem SmartEnergyLab

des Endenergieverbrauchs in Deutschland verantwortlich. Die

können wir hier bei der Entwicklung leistungsfähiger Konzep­

Schaffung eines angenehmen Raumklimas, die Beleuchtung

te und Betriebsführungsstrategien unterstützen.

und die Gebäudenutzung bedingen einen – je nach Gebäude­ standard unterschiedlich hohen – Verbrauch an Strom und

Für die Transformation des Energiesystems kommt der

sonstigen, meist fossilen Energieträgern. In Zukunft können

Sanierung des Gebäudebestands eine zentrale Rolle zu. Ein

Gebäude zu Netto-Energieerzeugern werden, indem lokal re­

Weg, um Kostensenkungen für die energetische Sanierung zu

generative Energien genutzt und auftretende Überschüsse ins

erreichen, ist die Integration haustechnischer Funktionen in die

Netz eingespeist werden. Bei Gebäuden mit einem sehr hohen

Dämmebene. Neben der Möglichkeit einer Vorfertigung mit

Energiestandard und entsprechend niedrigem Verbrauch kann

entsprechendem Kostensenkungspotenzial wird dadurch auch

im jahreszeitlichen Mittel eine positive Bilanz erzielt werden.

der Aufwand für bauliche Arbeiten im Innenraum reduziert.

Derartige Gebäude sind bereits heute in Betrieb, allerdings

Hier konnten wir erste Konzepte zur Integration sowohl von

handelt es sich bislang noch um Pilotobjekte.

Lüftungssystemen mit Wärmerückgewinnung als auch der Fenster in vorgefertige Module zur Dämmung existierender

Das Europäische Parlament hat aber einen Gesetzesvorschlag

Bauten entwickeln und erfolgreich demonstrieren.

formuliert, der vorsieht, dass ab 2018 neue öffentliche Gebäude und ab 2020 sämtliche Neubauten einen Nahe-

Am Fraunhofer ISE sind Gebäude und ihre technische

Nullenergie-Standard erfüllen – also über das Jahr eine nahezu

Ausrüstung ein zentrales Geschäftsfeld. Unsere umfassenden

neutrale oder gar positive Energiebilanz aufweisen müssen.

Kenntnisse im Bereich der Technologien zur Solarenergienut­

Ganz unabhängig davon, wie dieser Standard im Einzelnen

zung einerseits und unsere langjährigen FuE-Aktivitäten im

erreicht wird, kommt der Nutzung von Solarenergie eine

Bereich energieeffizienter Gebäude andererseits ermöglichen

zentrale Rolle zu. Solarwärmeanlagen helfen, den verblei­

uns, in optimaler Weise Lösungen für Neubauten wie für die

benden Energiebedarf für Brauchwasser und Heizung – und

energetische Bestandssanierung zu entwickeln. Wir unterstüt­

gegebenenfalls auch Kühlung – deutlich zu reduzieren, und

zen Hersteller bei der Entwicklung neuer Komponenten und

Photovoltaikanlagen können nicht nur zur Deckung des

Versorgungstechniken ebenso wie Planer und Architekten bei

Strombedarfs beitragen, sondern im Fall von Überschüssen

der Konzipierung anspruchsvoller Bauwerke. Die Bearbeitungs-

Strom ins Netz einspeisen. Die große Herausforderung für die

tiefe der Themen reicht von der Grundlagenentwicklung,

Zukunft liegt darin, eine viel stärkere Integration der Solaran­

z. B. bei Materialien oder Beschichtungstechniken, bis zur

lagen in das Gebäude und die Gebäudehülle zu ermöglichen,

Markteinführung von Komponenten und Systemen. Bei der

ohne bauliche Anforderungen, architektonische Qualität und

Umsetzung in Bauprojekten bieten wir Planung, Beratung

die Lebensdauer der Bausysteme zu beeinträchtigen. Daneben

und Konzeptentwicklung zu allen Fragen im Bereich Energie

gilt es, Konzepte zu entwickeln, die eine möglichst geringe

und Nutzerkomfort an. Dabei verwenden wir modernste

Belastung der Stromnetze bedingen. Dieses Thema ist ange­

Simulationsverfahren, die wir kontinuierlich weiter entwickeln,

sichts eines stark gestiegenen und weiter wachsenden Anteils

um auch innovative neue Lösungsansätze in die Konzept­

fluktuierender erneuerbarer Energien aus Sonne und Wind

entwicklung einzubringen. Eine wichtige Rolle spielt die

im Stromnetz von immenser Bedeutung. Die Entwicklung

Qualitätssicherung im praktischen Einsatz, die wir durch die

angepasster Regelungs- und Betriebsführungskonzepte ist

Begleitung von Demonstrationsgebäuden und -programmen

deshalb ebenso ein wichtiges Arbeitsfeld wie die Entwicklung

sowie die Durchführung umfangreicher Feldtests und Monito­

von neuen Speichertechnologien, die ein erhöhtes lokales

ringkampagnen unterstützen.

23


E n e r g i ee f f i z i e n t e Ge b ä u d e u n d Ge b ä u d e t e c h n i k

Klassische Themen unserer Arbeiten im Bereich der Gebäude­

Mit dem Energy Dream Center hat die Stadtregierung Seoul ein

hülle sind Tageslichtnutzung und Sonnenschutz. Hinzu

Zentrum für Erneuerbare Energien realisiert. Das Nullenergie­

kommt immer öfter die Integration von aktiven Komponenten

gebäude widmet sich mit Ausstellungen und einem breiten Infor­

einschließlich Solarwandler wie Photovoltaik oder Solarthermie

mationsangebot auf 3500 m² diesem Thema. Ein interdisziplinäres

in die Gebäudehülle. Die Wärmespeicherfähigkeit der

Team unter Leitung des Fraunhofer ISE hat das Energy Dream Center

Bausysteme spielt eine wichtige Rolle, um energiesparende

entworfen und den Bau begleitet. Im Dezember 2012 wurde das

Kühlkonzepte zu verwirklichen. Verfahren und Systeme auf

Leuchtturmprojekt offiziell eingeweiht (s. S. 26).

der Basis von Phasenwechselmaterialien für Leichtbauten sind hier ebenso von Bedeutung wie Systeme zur thermischen Bauteilaktivierung. Bei der Wärmeversorgung von Gebäuden spielen effiziente Wandlungstechniken eine zentrale Rolle. Sowohl elektrische als auch gasbetriebene Wärmepumpen sind aussichtsreiche Konzepte, insbesondere für energieeffiziente Gebäude, die mit einer Niedertemperaturheizung versorgt werden können. Thermische Solarenergie kann neben der solaren Brauchwas­ sererwärmung und der Heizungsunterstützung auch für die sommerliche Klimatisierung genutzt werden, ein Konzept, das insbesondere für sonnenreiche Regionen mit hohem Kühl­ bedarf aussichtsreich ist. Eine architektonisch anspruchsvolle Integration von Photovoltaik in die Gebäudehülle ist eine

In Zusammenarbeit mit Architekten, Fachplanern und der

zentrale Aufgabe, um zu einer breiten Nutzung bei hoher

Industrie entwickeln wir Konzepte für die Gebäude von

Akzeptanz zu verhelfen.

morgen. Wir verfolgen einen integralen Planungsansatz, um hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und Nutzer­

Entscheidend für das Funktionieren der Gesamtsysteme

komfort optimierte Konzepte zu verwirklichen. Dabei spielen

– Gebäudehülle, Versorgungstechnik und Nutzer – ist die

gerade in städtischen Räumen Energiekonzepte, die über

Betriebsführung. Mit Hilfe neuer modellbasierter Konzepte zur

das Einzelgebäude hinausgehend Quartiere betrachten, eine

Betriebsführung wird die Leistungsfähigkeit einzelner Kom­

wachsende Rolle, vor allem auch, wenn es um Netz gebun­

ponenten des Gebäudes fortwährend überwacht, evaluiert

dene Lösungsansätze geht. Hier haben wir den Fokus unserer

und gegebenenfalls korrigiert. Derartige Maßnahmen mit

Aktivitäten ausgedehnt und erste beispielgebende Vorhaben

vergleichsweise geringem Investitionsaufwand ermöglichen

gemeinsam mit Energieversorgern und Wohnungsbaugesell­

signifikante Effekte zur Einsparung von Energie und Kosten.

schaften umgesetzt. Die internationalen Rahmenbedingungen

Sowohl die Entwicklung als auch die Implementierung solcher

für diese Ansätze entwickeln wir u. a. durch unsere Mitarbeit

Verfahren zur energieeffizienten Betriebsführung und Rege­

in Projekten der Internationalen Energieagentur IEA und der

lung sind deshalb ein wichtiges Arbeitsgebiet.

International Renewable Energy Agency IRENA.

24


E n e r g i ee f f i z i e n t e Ge b ä u d e u n d Ge b ä u d e t e c h n i k

A n s p r e c h pa r t n e r Fassaden und Fenster

Dipl.-Phys. Tilmann Kuhn

Gebäudekonzepte, Analyse und Betrieb

Dipl.-Ing. Sebastian Herkel

Telefon +49 761 4588-5297 tilmann.kuhn@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5117 sebastian.herkel@ise.fraunhofer.de

Wärme- und Kältespeicher

Dr. Peter Schossig

Telefon +49 761 4588-5130 peter.schossig@ise.fraunhofer.de

Energieeffiziente und solare Kühlung

Dr. Doreen Kalz

Telefon +49 761 4588-5403 doreen.kalz@ise.fraunhofer.de

Energie-Versorgungsanlagen für Gebäude

Dipl.-Ing. Sebastian Herkel

Telefon +49 761 4588-5117 sebastian.herkel@ise.fraunhofer.de

Lichttechnik

Dr.-Ing. Jan Wienold

Telefon +49 761 4588-5133 jan.wienold@ise.fraunhofer.de

Gebäude-Integrierte Photovoltaik

Dipl.-Phys. Tilmann Kuhn

Telefon +49 761 4588-5297 tilmann.kuhn@ise.fraunhofer.de

25


1

2

Energy Dream Center – ein Nullenergiegebäude in Seoul Immer mehr Länder formulieren anspruchsvolle

Die Erzielung einer Nullenergiebilanz für Gebäude setzt

Energieeffizienzziele für Gebäude. Auch Korea hat

folgende Bedingungen voraus:

Ziele formuliert, die in den nächsten Jahren umgesetzt

- Minimierung des Energieverbrauchs durch eine qualitativ

werden sollen. Das Energy Dream Center in Seoul ist ein

hochwertige Gebäudehülle

Vorzeigeprojekt für die Umsetzung neuester Techniken

- Optimierung und Steuerung der technischen Systeme

und die Nutzung erneuerbarer Energien. Dabei wurde

- Deckung des Restenergiebedarfs durch lokal verfügbare

ein Nullenergiestandard angestrebt, der sich durch

erneuerbare Energiequellen

eine jährlich ausgeglichene Bilanz bezogen auf die Primärenergie auszeichnet. Erneuerbare Energien

Die Stadt Seoul beauftragte das Fraunhofer ISE das Energy

werden direkt am Gebäude oder in unmittelbarer Um-

Dream Center zu entwerfen und mit einem interdisziplinären,

gebung genutzt. Das Gebäude wurde mit einem ganz-

deutschen und koreanischen Team umzusetzen. Wir erstellten

heitlichen Planungs- und Realisierungsansatz sowie mit

das Energie- und Anlagenkonzept und überwachten sämtliche

neuesten technischen Systemen umgesetzt.

energierelevanten Festlegungen sowie deren Implementierung. Um eine Nullenergiebilanz zu erreichen, wurden verschiedene

Arnulf Dinkel, Sebastian Herkel, Jan Wienold,

technische und architektonische Ansätze untersucht. Das

Hans-Martin Henning

favorisierte Design erlaubt eine optimale Tageslichtnutzung und stellt gleichzeitig einen guten Sonnenschutz bereit. Der

1 Das Energy Dream Center in Seoul.

Energieverbrauch wurde mit detaillierten Simulationsmodellen

2 Detail der Fassade.

berechnet und optimiert (thermisches Gebäudeverhalten, Tages­lichtversorgung, Wärmebrücken). Auf dieser Basis wurde eine optimale Gebäudehülle definiert und eine Lüftungsanlage mit zweistufiger Wärmerückgewinnung und adiabater Systems

Architectural 250 200 150 100

214

Verdunstungskühlung dimensioniert. Der Wärme- und Kühl­ energieverbrauch konnte um 70 % im Vergleich zum Standard in Korea gesenkt werden. Der verbleibende Heizenergiebedarf

191 108 77

66

50 0

57

43

Energy demand

wird über erdreichgekoppelte Wärmepumpen gedeckt. Die

Reduction 80%

Erdsonden werden im Sommer zur Flächenkühlung verwen­

+ Energy

det. Der Rest des Kühl- und Entfeuchtungsenergiebedarfs wird durch eine Vorkühlung der Zuluft in Kombination mit

Generation

einer hocheffizienten Turbokompressionskühlung gedeckt.

20% (PV)

Der komplette Primärenergiebedarf wird über eine PV-Anlage bereit gestellt. Um das Energiekonzept und die Performance des Gebäudes zu überprüfen, ist ein Langzeit-Monitoring geplant.

3 Beitrag von Einzelmaßnahmen zum Erreichen der Nullenergiebilanz.

Das Projekt wurde vom Seoul Metropolitan Government finanziert.

26


1

Neue Komponenten für Wärmepumpen und Kälteanlagen Das Fraunhofer ISE befasst sich seit mehr als zehn Jahren

1 Container der Firma Maersk am Teststand des Fraunhofer ISE.

intensiv mit dem Verfahren der Kaltdampfkompression für Wärme- und Kälteanwendungen. Neben der umfangreichen Qualitätssicherung von Anlagen im praktischen Betrieb führen wir seit langem umfangreiche Arbeiten zur Entwicklung neuer Konzepte und Komponenten im Kältekreis durch. Bei der Entwicklung neuer System­

bekannte Verfahren zur Fluidverteilung nach bionischen

ansätze arbeiten wir eng mit nationalen und internatio-

Prinzipien, wie es bereits seit mehr als einem Jahrzehnt mit

nalen Partnern zusammen.

FracTherm® am Fraunhofer ISE eingesetzt wird. Zusammen mit mehreren Firmen und Forschungspartnern setzen wir nun im

Simon Braungardt, Marek Miara, Thore Oltersdorf,

Projekt »GreenHP« einen leicht abgewandelten Ansatz für die

Lena Schnabel, Peter Schossig, Christian Sonner,

zweiphasige Fluidverteilung vor dem Verdampfer ein.

Hans-Martin Henning In Kooperation mit der Firma A. P. Moeller Mærsk und mehre­ In den vergangenen Jahren haben wir uns intensiv mit der

ren Fraunhofer-Instituten begann 2012 eine Zusammenarbeit

Marktsituation, der Forschungslandschaft in Deutschland,

zur Verbesserung von Kühlcontainern. Unter diesem Dach

Europa und weltweit sowie dem Stand der Technik und der

vereinigen sich die weltweiten Marktführer im Containerbau

Patentsituation von Komponenten der Kaltdampfkompression

und Container-Transport, das Fraunhofer ISE koordiniert die

auseinandergesetzt. Auf dieser Basis konnten wir Themen

Forschung an geeigneten Kältekreisen. Der Schwerpunkt des

identifizieren, die wir zu FuE-Schwerpunkten entwickelt

Vorhabens besteht darin, eine signifikante Verringerung der

haben. Durchgängiges Ziel unserer Arbeiten ist dabei eine

Lebenszykluskosten zu erreichen. Dabei stehen zwei Aspekte

Minimierung des Ressourcenverbrauchs durch Anlagen-

im Vordergrund: eine Beibehaltung der verhältnismäßig hohen

und Materialeffizienz. Letztere geht eng einher mit der

Anlageneffizienz für Kühlcontainer im Marktvergleich und eine

Volumenreduktion und der Reduktion der Kältemittelmenge

langfristige Produktkonformität hinsichtlich zu erwartender

in Komponenten und Rohrleitungen sowie dem Einsatz

Forderungen nach einer Minderung der Treibhausgasemissio­

natürlicher Kältemittel. Die Kältemittelreduktion ist aber ein

nen von Kältemitteln.

für alle Kältemittel anwendbarer Auslegungsansatz und nicht auf natürliche Kältemittel beschränkt.

Innovative Sicherheitskonzepte schließen unser Portfolio ab. Diese sind grundsätzlich für alle Kältemittel geeignet,

Im EU-Projekt »GreenHP« erarbeiten wir Konzepte für

insbesondere für Kältemittel der Sicherheitsgruppen

gelötete luftbeaufschlagte Verdampfer. Bislang war der

A2/A2L/A3, gemäß ISO 5149. Mit Partnern für die mobile

Einsatz dieser Wärmeübertrager nur unter Inkaufnahme von

Kälteerzeugung wird dieser generische Ansatz bereits

erheblichen exergetischen Verlusten möglich. Diese Verluste

konkretisiert.

resultieren aus einer Fehlverteilung auf der Luft- aber auch der Kältemittelseite. Kernstück unseres Ansatzes ist ein aus

Das Projekt »GreenHP« wird von der Europäischen Union

anderen Anwendungsfeldern, z. B. das aus der Solarthermie

gefördert.

27


© Viessmann

© Pixelio/Rainer Sturm

1

Wärmepumpen im zukünftigen Stromnetz Die Verknappung fossiler Ressourcen, die angestrebte

1 Wärmepumpenheizungssysteme als Instrument zur

Verminderung der Treibhausgasemissionen und der

Lastverschiebung im Stromnetz.

steigende Anteil von erneuerbaren Energien in der Stromversorgung sowie der Kernenergieausstieg verändern die etablierte Struktur der Energieversorgung in Deutschland entscheidend. Im Bereich der Strom­ produktion setzt die Bundesregierung vor allem auf Sonne, Wind und Biomasse. Eine wesentliche Heraus­ forderung ergibt sich in Folge durch die ansteigende

Die Eignung von Wärmepumpenheizungsanlagen zur Lastver­

zeitliche Diskrepanz zwischen Stromnachfrage und

schiebung resultiert aus der Möglichkeit, die aus Strom und

-angebot. Die fluktuierenden Erzeuger (Windkraft und

Umweltenergie bereitgestellte thermische Energie entweder

Photovoltaik) richten sich einzig nach dem Angebot

in Warmwasserspeichern oder in der Gebäudemasse zu

von Wind und Sonne, weshalb der Bedarf an Energie-

puffern. Hierdurch werden Bedarf und Verbrauch – zumindest

speichern stetig wächst. Einen Lösungsansatz bietet die

anteilig – zeitlich entkoppelt. Optimierte Betriebszeiten tragen

Umwandlung und Speicherung von Strom in thermischer

letztlich zu einem Lastverlauf im Stromnetz bei, der besser

Form in Wärmepumpenheizungsanlagen.

mit der Stromerzeugung übereinstimmt. Schon mit der heute installierten elektrischen Anschlussleistung könnten Wärme­

Danny Günther, Sebastian Helmling, Thomas Kramer,

pumpen täglich in etwa die gleiche Menge elektrische Energie

Robert Langner, Marek Miara, Jeannette Wapler,

aufnehmen wie alle vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke

Hans-Martin Henning

gemeinsam. Der mögliche Beitrag von Wärmepumpen zur Lastverschiebung ist eng mit deren Dimensionierung, der

Bereits der konventionelle Einsatz der Wärmepumpentech­

Regelung und Parametrierung sowie die Speicherkapazität im

nologie bringt im geeigneten Einsatzbereich wesentliche

Heizsystem und im Gebäude verbunden. In aktuellen Arbeiten

Vorteile mit sich. Bei korrekt geplanten und sorgfältig

am Fraunhofer ISE konnte bereits nachgewiesen werden,

installierten Anlagen werden Effizienzwerte erzielt, die primär-

dass real ausgeführte Systeme meist großzügig dimensioniert

energetische und ökologische Vorteile von Wärmepumpen

sind, um auch in der Kernheizperiode eine ausreichende

gegenüber fossil befeuerten Brennwertgeräten ergeben.

Verschiebung der Betriebszeit zu ermöglichen. Weiterführende

Dies sind nur die wesentlichsten Erkenntnisse, die in den vier

Arbeiten widmen sich der Analyse und Optimierung dieser

bislang vom Fraunhofer ISE durchgeführten Feldtests mir rund

Potenziale sowie der Untersuchung von Auswirkungen einer

300 Anlagen gewonnen werden konnten. Die vorläufigen

stromgeführten Betriebsweise auf die Effizienz der Wärme­

Ergebnisse aus dem aktuellen Projekt »WP Monitor« deuten

pumpenanlage.

zusätzlich auf eine stetige Effizienzverbesserung der Wärme­ pumpenanlagen in den letzten Jahren hin.

28

www.wp-monitor.ise.fraunhofer.de


© Societa per azioni Esercizi Aeroportuali SEA Spa, Milano, Italy.

1

2

CASCADE – Energiemanagement für Flughäfen nach ISO 50001 Flughäfen sind wichtige Verkehrsknotenpunkte und

1 Check-In-Bereich im Terminal 1 des Flughafens Roma-Fiumicino.

stellen öffentlich genutzte Bereiche mit einer hohen

Zur Gewährleistung eines angenehmen Raumklimas werden dort

Energieintensität dar. Mit dem Projekt »CASCADE« wird

große versorgungstechnische Anlagen eingesetzt, deren Betrieb

der technische Teil eines ISO 50001 basierten Energie-

energetisch optimiert werden kann.

managementsystems mit integrierten Methoden zur

2 Ostansicht des Flughafens Milano-Malpensa.

Fehlererkennung und Betriebsoptimierung für gebäudetechnische Versorgungsanlagen an den Demonstrationsflughäfen Rom und Mailand in die Praxis umgesetzt. Der Fokus liegt auf einer informationstechnischen Lösung, die Energiemanager der Flughäfen bei der Identifizierung signifikanter Energieverbraucher und der Umsetzung technischer Energieeinsparmaßnahmen unterstützen soll. Sebastian Burhenne, Sebastian Herkel, Thorsten Müller, Felix Ohr, Nicolas Réhault, Tim Rist, Sebastian Zehnle, Hans-Martin Henning Die Demonstrationsflughäfen Roma-Fiumicino und Milano-

3 Informationstechnische Struktur der CASCADE-Lösung.

Malpensa zählen mit einem jährlichen Aufkommen von 36,3 Mio. bzw. 18,7 Mio. Passagieren zu den größten euro­

Energiemanagementwerkzeuge und zur Durchführung

päischen Flughäfen. Der jährliche Verbrauch von elektrischer

von Tests ausgewählt. Eine Ausweitung des erarbeiteten

Energie liegt in Fiumicino bei rund 175 GWh, in Malpensa

Wissens und erfolgreich getesteter Methoden auf weitere

bei rund 140 GWh. Über 70 % der eingesetzten elektrischen

versorgungstechnische Anlagen kann anschließend

Energie wird für Beleuchtungszwecke sowie für Raumklima-

folgen. Innerhalb der ausgewählten Teilsysteme sollen

und Heizungszwecke aufgewendet.

20 % Primärenergie und 20 % CO2 eingespart werden. Die betreiberseitig eingesetzten Investitionen sollen sich

Die im Rahmen des Projekts »CASCADE« entwickelte infor­

nach maximal drei Jahren amortisieren. Die Ergebnisse des

mationstechnische Lösung (Abb. 3) soll die Flughafenbetreiber

Projekts sind auf andere Flughäfen und Großeinrichtungen

dabei unterstützen, fehlerhafte Anlagenbetriebszustände zu

mit ähnlichen Verbrauchsstrukturen übertragbar.

identifizieren, die zu einem höheren Energieverbrauch führen. Hierbei sollen Algorithmen zur automatisierten Fehlererken­

Das Projekt wird von der Europäischen Kommission

nung und Diagnose (FED) zum Einsatz kommen, die nach

im Rahmen des Seventh Framework Programme (FP7)

Betriebs- und Anlagenfehlern in den versorgungstechnischen

gefördert.

Anlagen suchen. Für eine erste Testimplementierung werden gezielt bestimmte Anlagenteile zur Erarbeitung der innovativen

www.cascade-eu.org

29


© Fraunhofer IBP und Fraunhofer ISE

1

WUFI Plus Therm – Praxistaugliche Gebäude- und Anlagensimulation Die Planung von Gebäuden mit niedrigem Energiebedarf

1 Beispiel einer Simulation mit »WUFI Plus Therm« und möglichen

erfordert vermehrt den Einsatz thermischer Gebäude­

Ergebnisdarstellungen. Die unten links abgebildete Anlagenkon­

simulationsprogramme. Diese ermöglichen die integrale

figuration besteht aus einem thermischen Solarkollektor, einem

Betrachtung des instationären Zusammenwirkens von

Schichtenspeicher, einem Wärmeübergabesystem und einem Gas-

Gebäude, Haustechnik und Nutzer unter realistischen

Brennwertgerät.

Bedingungen. Insbesondere bei der Planung von Nullund Plusenergiegebäuden ist dies notwendig. Das

Es werden Modelle für die am Markt üblichen Anlagentechnik­

Simulationsprogramm »WUFI Plus Therm« wurde auf

varianten entwickelt und implementiert. Dazu gehören unter

Basis des Rechenkerns von »WUFI« entwickelt. Im

anderem Gas-Brennwertkessel, solarthermische Kollektoren,

hier vorgestellten Projekt wird »WUFI Plus Therm«

Wärmepumpen, Schichtenspeicher, Heizkörper, thermoaktive

weiterentwickelt und mit Modellen zur Simulation

Bauteilsysteme, Lüftungs- und Photovoltaikanlagen. Alle An­

von haustechnischen Anlagen erweitert. Dies erfolgt

lagentechnikmodelle sind mit den üblichen Herstellerangaben

in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut

parametrierbar, was für die Praxistauglichkeit wichtig ist. Da

für Bauphysik IBP, wobei das Fraunhofer ISE für die

die am Markt verfügbare technische Gebäudeausrüstung

Anlagentechnik­modelle zuständig ist.

stetig weiterentwickelt wird, liegt ein besonderes Augenmerk auf der Erweiterbarkeit der Anlagentechnikmodelle. Dies

Sebastian Burhenne, Sebastian Herkel, Tobias Klimmt,

wird erreicht, indem Modelle, die mit der Modelliersprache

Felix Ohr, Hans-Martin Henning

Modelica erstellt wurden, verwendet werden. Diese Modelle werden in diversen Projekten am Fraunhofer ISE kontinuierlich

»WUFI Plus Therm« ist ein Programm zur Berechnung des

weiterentwickelt. Somit können aktuelle Forschungsergebnisse

thermischen Gebäudeverhaltens unter Berücksichtigung von

zeitnah in das Gebäudesimulationsprogramm »WUFI Plus

Außenklimawerten, inneren Wärmelasten, Solltemperaturen,

Therm« überführt werden.

Lüftungsstrategien und Anlagentechnik. Die Gebäude- und Anlagenmodelle können mit Hilfe der grafischen Benut­

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und

zeroberfläche erstellt werden. Simulationsergebnisse, z. B.

Technologie (BMWi) unterstützt. Weitere Informationen und

Temperaturverläufe oder Energiebedarf, werden grafisch

die kostenfreie thermische Version des Programms können im

dargestellt und der Nutzer wird bei der Interpretation der

Internet abgerufen werden. Die hygrothermische Version ist

Ergebnisse unterstützt.

kostenpflichtig. www.enob.info/de/software-und-tools

30


Markt

1

Energiemanagement von Gebäuden und Quartieren Das Zusammenspiel des Energiemanagements einzelner

1 Vereinfachtes Schema zum Konzept des Projekts »E-Hub«.

Gebäude innerhalb eines Quartiers mit den übergeord-

Zentrales Element des Projekts ist die Entwicklung von Algorithmen

neten Netzen unterstützt die Integration von dezent-

für das Last- und Erzeugungsmanagement von thermischer und

ralen erneuerbaren Energien. Ausgleich von Über- und

elektrischer Energie für dezentrale Anlagen unter Einbeziehung

Unterangebot erneuerbarer Energien tragen dazu bei,

von energiewirtschaftlichen Steuergrößen.

die Systemstabilität zu erhöhen. Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts werden Zusammenhänge und Verknüpfungen zwischen Strom- und Wärmemarkt auf Quartiersebene aufgezeigt. Dabei werden Regelungsstrategien für das Energiemanagement unter Berücksichtigung unterschiedlicher Kriterien für thermische und elektrische Komponenten innerhalb eines Quartiers

auf Gebäude- und Quartiersebene, die sowohl ökonomische

entwickelt.

als auch ökologische Anforderungen erfüllen. Für die Beur­ teilung von Betriebszuständen und daraus abgeleiteter

Sebastian Herkel, Florian Kagerer, Sattaya Narmsara,

Betriebsoperationen verwenden wir die Multikriterien-Analyse,

Hans-Martin Henning

wobei wir auf Ergebnisse aus dem Projekt »Weingarten 2020« zurückgreifen konnten. Im entwickelten Konzept werden

Das Angebot erneuerbarer Energien stimmt aufgrund von

Energieflüsse innerhalb eines Quartiers identifiziert und zu

Fluktuationen nicht immer mit der Energienachfrage zeitlich

Knoten zusammengefasst. Der Austausch von Energie und

überein. Neben der Speicherung von erneuerbaren Energien

Information an diesen Knoten ermöglicht ein effizientes

sind die intelligente Regelung und Verteilung von verfügbaren

Management von Energiebedarf und Bereitstellung unter­

Energien an unterschiedliche Verbraucher eine vielverspre­

schiedlicher Verbraucher und Erzeuger.

chende Möglichkeit einen stärkeren Ausgleich zu erzielen. Un­ ter Einbeziehung der Interaktion zwischen den Komponenten

Multiagentenbasierte Regelungsalgorithmen helfen die

einzelner Gebäude sowie zwischen den Gebäuden innerhalb

richtigen Entscheidungen zu treffen. Dabei werden thermody­

eines Quartiers kann die Erzeugung, Verteilung und der

namische Zustände einzelner Komponenten und energiewirt­

Verbrauch in effizienter Weise gestaltet werden. Insbesondere

schaftliche Rahmenbedingungen einbezogen, mit dem Ziel,

unter der Berücksichtigung energiewirtschaftlicher Aspekte

maximale Integration und Nutzung von erneuerbaren Energien

ist das Energiemanagement auf Quartiersebene zunehmend

zu ermöglichen.

in den Fokus gerückt. Das Projekt »Weingarten 2020« lieferte umfangreiche Ergebnisse zur Strukturoptimierung, auf deren

Ziel unserer Arbeiten ist es, Methoden und Algorithmen

Basis sich Strategien zur Betriebsoptimierung erarbeiten lassen.

zu entwickeln, die zukünftig von Energieversorgern oder Netzbetreibern zum Energiemanagement auf Quartiersebene

Im Rahmen des EU-Projekts »E-Hub« erarbeiten wir gemein­

verwendet werden können.

sam mit europäischen Partnern effiziente Algorithmen zur Interaktion zwischen den Komponenten von Energiesystemen

Das Projekt wird durch die Europäische Kommission gefördert.

31


SUNRAY   glass  panes  

absorber  

60°  

1

»Cost-Effective« – neue Solarthermieund BIPV-Fassadenkomponenten Ziel des EU-Projekts »Cost-Effective« war es, Fassaden

Teiltransparente solarthermische Fassadenkollektoren

von Bestands-Hochhäusern für die thermische oder

Im Rahmen des Projekts wurden zwei verschiedene Konzepte

photovoltaische Solarenergienutzung zu erschließen.

für die Fassadenintegration von teiltransparenten, flachen

Der Fokus lag auf Bürogebäuden. Im Rahmen des vom

Solarabsorbern entwickelt: Zum einen wurden die Absorber in

Fraunhofer ISE koordinierten Projekts wurden vier neue

gasdicht versiegelte Dreifach-Isolierverglasungen (Abb.1 Mitte)

solare Fassadenkomponenten und ein Lüftungssystem

integriert, zum anderen in die Closed Cavity Façade (CCF)

mit dezentraler Wärmerückgewinnung entwickelt.

eines Projektpartners. Die CCF ist nicht komplett druckdicht, wird aber durch einen konstanten Volumenstrom mit ge­

Sebastian Herkel, Michael Hermann, Korbinian Kramer,

trockneter, sauberer Luft auf Überdruck gehalten, so dass

Tilmann E. Kuhn, Paolo Di Lauro, Christoph Maurer,

kein Schmutz und keine Feuchtigkeit von außen eindringen

Jörn Ruschenburg, Christoph Thoma, Helen Rose Wilson,

können.

Hans-Martin Henning Die Kollektoren eignen sich zum solaren Heizen und für solare (sorptive) Entfeuchtung. Bei beiden Anwendungen sind Kol­ 1 Teiltransparenter thermischer Fassadenkollektor, Pilotinstalla­

lektorbetriebstemperaturen über 55 °C notwendig, die gut in

tion in Slowenien, Integration in eine Closed Cavity Façade-Fassade

der Fassade erreicht werden können. In einigen Fällen können

(links). Integration in eine gasdicht versiegelte Isolierverglasung

die Kollektoren auch für die solare Kühlung (Arbeitstempera­

(Mitte). Der Kollektor blockt hohe Sonnenstände, vermindert

turen über 70 °C) eingesetzt werden. Die multifunktionalen

dadurch den Kühlbedarf und erlaubt trotzdem Durchsicht nach

Kollektoren bieten darüber hinaus Sonnen- und Blendschutz

draußen (Prinzipskizze, rechts).

und erlauben den Sichtkontakt nach draußen. Sie sind für

2 Vakuumröhren-Luftkollektoren im Pilotgebäude in Slowenien.

den Einsatz im Brüstungsbereich konzipiert, bei dem die Nutzer vor allem von innen oben nach außen unten blicken. Darüber hinaus ist der Brüstungsbereich kaum relevant für die Tageslichtversorgung im Raum, so dass sich der verringerte Lichttransmissionsgrad für hohe Sonnenstände wenig bis gar nicht negativ auswirkt. Wichtig ist die Beachtung der Tatsache, dass die neuen, aktiven Fassadensysteme einen g-Wert haben, der sich um den Faktor zwei ändern kann, je nach Temperatur des Solarkollektors. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen und um die Komponenten bei der Gebäudeplanung berück­ sichtigen zu können, wurden neben realen Komponenten auch Modelle für das Gebäudesimulationsprogramm TRNSYS entwickelt und mit kalorimetrischen Messungen validiert.

32


2

Vakuumröhren-Luftkollektoren

Winkelselektiv transparente BIPV-Verglasung

Das Prinzip dieses Luftkollektors beruht darauf, dass ein inne­

Neben den drei thermischen Fassadenkollektoren wurde eine

res, hoch absorbierend und niedrig emittierend beschichtetes

winkelselektiv transparente BIPV-Verglasung entwickelt. Auch

Absorberrohr vom Wärmeträgermedium Luft durchströmt

diese Verglasung ist für den Einsatz im Brüstungsbereich kon­

wird. Das Absorberrohr befindet sich in einem isolierenden

zipiert und bietet neben der Solarstromgewinnung zugleich

äußeren Glasrohr. Im Zwischenraum zwischen äußerem und

Sonnenschutz und Durchsicht.

innerem Rohr befindet sich Vakuum oder Edelgas zur thermi­ schen Isolation. Es wurden im Projekt zwei Röhrenkonzepte

Die Arbeiten wurden von der Europäischen Union im Rahmen

untersucht: Zum einen konventionelle »Sydney«-Röhren, bei

des Projekts »Cost-Effective« gefördert.

denen Luftzu- und -abfuhr über die gleiche Seite mit Ringspalt erfolgt, sowie Röhren, bei denen die Luft auf einer Seite

www.cost-effective-renewables.eu

zuströmt und auf der anderen Seite abströmt. Diese Röhren 0,16

kontinuierlichen Luftkollektorröhren. Der zweite Typ wurde in

0,12

einer Pilotanlage in Slovenien realisiert (Abb. 2). Putzintegrierter, nicht verglaster Kollektor kombiniert mit einer multi-source Wärmepumpe

g-Wert

erlauben durch Aneinandersetzen den Aufbau von langen,

0,08 0,04

Hier bilden in die Putzschicht integrierte Kapilarrohrmatten

0 Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan

einen unverglasten, von außen nicht wahrnehmbaren Kol­

Monat

lektor, der mit einer Wärmepumpe kombiniert ist. Um die Wärmepumpe bei Bedarf auch in Zeiten betreiben zu können, in denen eine Vereisung der Fassade befürchtet

no flow 45 bis 55 °C 45 bis 65 °C

45 bis 75 °C 65 bis 75 °C

werden muss, wurde die Wärmepumpe zusätzlich mit Luft als

3 Mittlere monatliche g-Werte für einen transparenten

Umweltwärmequelle ausgestattet. Ziel ist es, die Wärmepumpe

Fassadenkollektor auf Basis einer Dreifach-Verglasung. Die

möglichst dann zu betreiben, wenn die Fassade besonnt und

rote Linie zeigt den effektiven, monatlichen g-Wert für den

der Heizenergiebedarf aufgrund der passiven Gewinne niedrig

Stagnationsfall (Maxi­malfall). Die anderen Linen zeigen den

ist. Daher wurde auch noch ein Wärmespeicher ins Konzept

g-Wert für verschiedene Betriebsmodi mit unterschiedlichen

aufgenommen.

Absorbertemperaturen.

33


© Kramer GmbH

1

Solare Kühlung – neue Entwicklungen und Systemanalyse Die Nutzung solarthermischer Energie für die Klimati-

hat ein Volumen von ca. 100 m³ sowie einen Vorraum. Die

sierung von Gebäuden findet wachsende Verbreitung,

Pilotanlage ist seit Juli 2012 in Betrieb. Aus den in der Pilot­

vor allem in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung und

anlage gewonnenen Erkenntnissen wird ein Gesamtsystem

hohen Kühllasten. In den vergangenen Jahren wurden

entwickelt, das durch Sparsamkeit, Effizienz und einen hohen

zunehmend Verfahren und Anlagen entwickelt, die

Anteil erneuerbar erzeugter Kälte den Energieverbrauch

solarthermisch angetriebene Kühlverfahren auch für

minimiert, dabei jedoch trotz fluktuierender Kälteproduktion

gewerbliche und industrielle Prozesse nutzbar machen.

die Qualität der verderblichen, zu kühlenden Güter jederzeit

Am Fraunhofer ISE hat das Thema solare Kühlung eine

aufrecht erhält.

lange Tradition. Im vergangenen Jahr konnten wir in einer Vielzahl von Forschungsvorhaben sowohl die

Eine ähnliche Anlage wurde im EU-Projekt »SOLERA« ebenfalls

Entwicklung neuer Verfahren in Kooperation mit indus-

in Freiburg aufgebaut und vermessen. Aktuelle Messergebnis­

triellen Partnern vorantreiben als auch Querschnitts­

se belegen die große Zuverlässigkeit und den stabilen Betrieb.

analysen installierter Anlagen durchführen und die Perspektive der solaren Kühlung in einem Grundlagen-

Gemeinsam mit der Firma Vaillant entwickeln wir ein neu­

projekt umfassend analysieren.

artiges System zur solaren Kühlung, bei dem die Sorptions­ module in den Solarkollektor integriert sind. Dieser Ansatz

Constanze Bongs, Jochen Döll, Gerrit Füldner, Florian Mehling,

erlaubt höhere Desorptionstemperaturen und aufgrund des

Alexander Morgenstern, Björn Nienborg, Lena Schnabel,

Chargenbetriebs eine zeitliche Entkopplung von Solarantrieb

Peter Schossig, Christine Weber, Edo Wiemken,

und Kältebereitstellung. Dadurch lassen sich die niedrigeren

Hans-Martin Henning

Nachttemperaturen zur Rückkühlung nutzen. Als Arbeitspaar werden hygroskopische Salze und Wasser in Betracht gezogen,

Ziel des Projekts »AgroKühl« ist es, ein solar-thermisch

wodurch hohe Speicherdichten erreicht werden. Es wird ein

betriebenes Kühlhaus als integriertes Gesamtkonzept

Leistungsbereich von 3–10 kW Kälteleistung angestrebt. Am

inklusive der Kälteerzeugung aus erneuerbaren Energien und

Fraunhofer ISE steht im Rahmen des Projekts die experimen­

Kältespeicherung zu entwickeln. In der Nähe von Freiburg

telle Charakterisierung des dynamischen Leistungsverhaltens

wurde auf dem Gelände der Firma Kramer – einer der vier

der Sorptionsmodule und Sorptionskollektoren sowie die

Projektpartner des Fraunhofer ISE – eine Pilotanlage errichtet,

simulationsbasierte Komponenten- und Systembeschreibung

um u. a. Erfahrungen über das Zusammenspiel von Kühlraum

und Optimierung mit TRNSYS im Mittelpunkt. Das Vorhaben

und Solarsystem in Abhängigkeit von der Benutzungsart des

»KollSorp« wird vom Bundesministerium für Umwelt, Natur­

Kühlraums zu erhalten. Die errichtete Anlage besteht aus

schutz und Reaktorsicherheit (BMU) unterstützt.

einem 88 m² großen Fresnel-Kollektor, der Prozesswärme bei 180 °C erzeugt, sowie einer einstufigen Wasser-Ammoniak-

Weltweit sind heute viele hunderte solar betriebene Kühlsys­

Absorptionskältemaschine mit integriertem trockenen

teme unterschiedlichster Leistung – von einigen wenigen kW

Rückkühlwerk. Damit kann solarthermisch Kälte deutlich unter

Kälteleistung bis zu Anlagen im MW-Bereich – im Einsatz.

0 °C erzeugt werden, die in zwei konventionellen Eisspeichern

Allerdings zeigt sich bei vielen Anlagen nach wie vor eine

zwischengelagert werden kann. Das neu errichtete Kühllager

nicht-optimale Abstimmung der Komponenten – Solaranla­

34


EER thermisch [-]

12 0,4 8 0,2

4

10:00

2

12:00

14:00

16:00

18:00

0

Zeit

EER elektrisch [-]

16

0,6

0 8:00

Athen, 33%-Auslegung

20 Kosten der PE-Einsparung [€ /kWhPE]

EER thermisch

EER elektrisch

0,8

Athen, 75%-Auslegung 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0

3

Athen, 50%-Auslegung

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

rel. Primärenergieeinsparung

1 Im Projekt »AgroKühl« werden weltweit erstmals solar-

2 Messergebnisse an der solaren Kälteanlage des Projekts

thermische Kollektoren für die Kühlung von Lebens- oder

»SOLERA«. Der EER beschreibt das Verhältnis von Leistungsabgabe

Arzneimitteln in Kühlhäusern eingesetzt.

zu Leistungsaufnahme. Die linke Abszisse zeigt den thermischen EER und die rechte Abszisse den elektrischen EER. Gemittelter Tagesver­

gen, Kältemaschine, Rückkühlwerk, Regelung – sowie

lauf, Beispieltag 23.07.2012.

eine unzureichende Erfahrung im Bereich der Anlagen­

3 Beispiel für den Einfluss der Dimensionierung der thermisch ange­

planung und des Anlagenbaus. Im Projekt »Solcoolsys«

triebenen Kälteversorgung (TKM) in einem Hotel in Athen. Als Kälte-

haben wir daher gemeinsam mit den Firmen Solvis und

Backup ist eine elektrisch betriebene Kompressions-Kältemaschine

Sortech Anlagenkonzepte für den kleinen Leistungs­

vorhanden. Wird die Nennleistung der TKM von 75 % der maxima­

bereich entwickelt und einem Feldtest unterzogen.

len Kühllast im Gebäude reduziert auf 33 % der maximalen Kühllast,

Inzwischen sind fünf Anlagen in vier Ländern installiert

nähern sich die Kosten der Primärenergieeinsparung bereits stark

und mit detaillierter Messtechnik versehen. Sie sollen im

den Kosten des konventionellen Vergleichssystems an (Kosten der

kommenden Jahr dazu genutzt werden, die Regelstrate­

PE-Einsparung > 0: Mehrkosten gegenüber Referenz). Eine zusätzli­

gien zu optimieren und insbesondere Rückkühlkonzepte

che Kostensenkung der Gesamtinvestitionskosten Solarsystem/TKM-

zu erproben.

System um 10 % führt bereits zur wirtschaftlichen Vergleichbarkeit.

Ein Schlüssel für den Erfolg solarer Kühlsysteme ist

Varianten, solarthermische wie solarelektrische Verfahren,

ihre Praxistauglichkeit in der alltäglichen Anwendung.

durch eine Vielzahl von Simulationen und darauf aufbauenden

Im Rahmen des Programms »Solarthermie2000plus«

Parameterstudien hinsichtlich ihrer energetischen Leistungsfä­

des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und

higkeit sowie ihrer Wirtschaftlichkeit untersucht. Im Fokus der

Reaktorsicherheit (BMU) haben wir das Ministerium bei

Untersuchung stehen unterschiedliche Anwendungsbereiche

der Auswahl von geförderten Demonstrationsvorhaben

von Hotels über Bürogebäude bis zu Wohngebäuden und

unterstützt und eine Querschnittsanalyse von Anlagen

unterschiedliche klimatische Bedingungen von kontinental/

der solaren Kühlung durchgeführt. Bei diesem Vorhaben

mediterran bis heiß/sonnig.

konnten wir eine detaillierte Analyse von insgesamt fünf Anlagen vornehmen und wichtige Hinweise zur

Mit der heutigen Kostenstruktur entstehen bei Anlagen der

Verbesserung der Anlagenauslegung und des -betriebs

solaren Kühlung in der Regel Mehrkosten gegenüber einem

liefern.

konventionellen Vergleichssystem. In den Anwendungen mit einstufiger, thermisch betriebener Kältetechnik zeigt sich aber,

In den vergangenen zehn bis 15 Jahren wurden

dass Standorte mit hohen Betriebszeiten der Kälteversorgung

erhebliche Fortschritte bei Anlagen der solaren Kühlung

und einem zusätzlichen hohen Wärmebedarf (z. B. für Brauch­

erreicht. Durch die stark gefallenen Preise für Photovol­

warmwasserversorgung in Hotels) die Anwendung der solaren

taik-Module sind neben solarthermisch angetriebenen

Kühlung begünstigen. Wird darüber hinaus der thermisch

Verfahren heute auch solarelektrische Verfahren eine

angetriebene Teil der Kälteversorgung nicht auf Spitzenlast

wirtschaftlich interessante Option. Gemeinsam mit

dimensioniert, kann bereits in Einzelfällen Wirtschaftlichkeit

dem ZAE Bayern und dem ILK Dresden führen wir eine

erreicht werden. Mit einem Maßnahmenbündel aus Effizi­

durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz

enzsteigerung, moderater Kostensenkung und sorgfältiger

und Reaktorsicherheit (BMU) finanzierte umfangreiche

Anlagenauslegung sowie hoher Ausnutzung des Kollektorfelds

Studie zur mittel- bis langfristigen Perspektive der

auch für weitere Wärmeversorger ist die solare Kühlung an

solaren Kühlung durch (EvaSolK). Dabei werden beide

warmen Standorten wirtschaftlich konkurrenzfähig.

35


© Visiotex

1

Effiziente Wärmeübertragung durch metallische Gewebestrukturen In vielen Anwendungsfeldern spielt die effiziente

1 Die Abbildungen zeigen textile Strukturfertigungsmöglichkeiten

Wärmeübertragung eine Schlüsselrolle für die Erhö-

zur Erzeugung von Strömungsstrukturen durch die Kombination

hung der Energieeffizienz. Dies gilt gleichermaßen für

von Wirk- und Strickverfahren. Auf dem mittleren Bild ist stark

Anwendungen in der Industrie wie auch in der Hei-

vergrößert eine Abstandsgewebestruktur zu erkennen, die als Tur­

zungs- und Kältetechnik. Übliche Vorgehensweisen zur

bulenzstruktur oder vergrößerte Oberfläche für eine Beschichtung

Verbesserung von Wärmeübertragungseigenschaften

dienen könnte. Rechts und links sind Musterkanalstrukturen darge­

sind optimierte Auslegungen, die Verwendung inno-

stellt, die bereits mit Metalldraht gefertigt wurden und im Rahmen

vativer Materialien oder auch das Design optimierter

des Projekts untersucht und bewertet werden.

Strömungsformen. Ein weiterer Ansatz besteht in einem Transfer von Verfahren oder Methoden aus anderen Disziplinen wie hier vorgestellt, der Textiltechnik. Eric Laurenz, Lena Schnabel, Ursula Wittstadt, Hans-Martin Henning Im Projekt »EffiMet« steht die Applikation innovativer textiler

Wärmeübertrager sowie Verdampfer und Kondensatoren.

Fertigungsverfahren zur Umsetzung hocheffizienter Wärme­

Es ist uns bereits gelungen, die textile Fertigungstechnik so zu

übertragerstrukturen im Mittelpunkt. Die Forschungsarbeiten

adaptieren, dass zur Wärmeübertragung geeignete Strukturen

haben die Weiterentwicklung der textilen Fertigungstechnik

aus feinen Metalldrähten gefertigt werden konnten. Zur

für metallische Strukturen zum Ziel. Dabei wird aus den

Modifikation und Stabilisierung der Strukturen sowie zur

Innovationen der letzten Jahre geschöpft, die textilbasierte

Versiegelung der Kanalwandungen werden galvanische,

Produkte mit einer sehr großen geometrischen Vielfalt hervor­

chemische und suspensionsbasierte Beschichtungsverfahren

gebracht haben.

untersucht und weiterentwickelt.

Textile Fertigungsverfahren erlauben aufgrund der hohen

Das vom Fraunhofer ISE initiierte und koordinierte Projekt

Fertigungs- und Materialflexibilität ein optimiertes Design

findet in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für

der Strukturen hinsichtlich volumenspezifischer Oberfläche,

Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Wärmeleitung und Druckverlust. Die Identifikation geeig­

in Dresden sowie der Visiotex GmbH als Textilhersteller und

neter Strukturen wird simulationsbasiert durchgeführt, an

der Hattler & Sohn GmbH als Galvanikbeschichter statt.

Musterproben wird die erreichte Charakteristik vermessen und überprüft. Im Projekt werden insbesondere Wärmeüber­

Das Projekt wird im Rahmen des KMU-innovativ-Programms

tragungsanwendungen adressiert, die eine große spezifische

des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)

oder strukturierte Oberfläche und flexibel dimensionierbare

gefördert.

Geometrien erfordern. Zu nennen sind hier Luft/Wasser-

36


1

Indirekte sorptive Beschichtungen von Wärmeübertragerstrukturen Für sorptiv beschichtete Wärmeübertrager besteht ein

1 Indirekte Beschichtung einer dreidimensionalen Trägerstruktur.

großes Anwendungspotenzial in der Heizungs- und 300

gie in Wärmepumpen oder Kälteprozessen verwendet wird, birgt die Optimierung des Wärme- und Stofftransports großes Potenzial für eine deutliche Effizienzsteigerung. Insbesondere bei Sorptionsanwendungen, z. B. der Adsorption von Wasserdampf an den inneren Oberflächen von porösen Materialien, muss zum einen eine gute Zugänglichkeit des Wasserdampfs an diese Oberflächen gewährleistet sein, zum anderen aber auch die entstehende Wärme schnell abgeführt werden.

Höhe der Blechprobe [µm]

Kältetechnik. Überall dort, wo Wärme als Antriebsener-

200

100

0 -50

0

10000

20000

30000

40000

50000

Position Blechprobe [µm]

Am Fraunhofer ISE konnten wir vielversprechende Beschichtungsverfahren zur Fixierung von verschiedenen

2 Schichtdickencharakterisierung auf einer ebenen Blechprobe mit

Sorptionsmaterialien auf Wärmeübertragerstrukturen

einer maximalen Dicke von 250 µm.

entwickeln. Vollflächige Beschichtungen auf gut wärmeleitenden Stefan Henninger, Harry Kummer, Peter Schossig,

Strukturen (z. B. Metallen) stellen eine attraktive Möglichkeit

Hans-Martin Henning

zur Optimierung bei gleichzeitig guter Adaption an industrielle Fertigungsprozesse (z. B. Tauchbäder) dar. Typische Anwen­

Durch die erfolgreiche Synthese von neuen Sorptionsma­

dungen sind thermisch angetriebene Wärmepumpen oder

terialien mit deutlich gesteigerter Adsorptionskapazität,

Kältemaschinen, aber auch Entfeuchtung, Abgasbehandlung

z. B. Verbindungen aus der Klasse der metall-organischen

oder katalytische Prozesse.

Gerüstmaterialien (MOF), erhöhen sich die Anforderungen an den Stoff- und Wärmetransport. Dadurch muss im Hinblick

Bei der indirekten Beschichtung wird das Sorptionsmaterial

auf die erreichbare Leistungsdichte des Gesamtprozesses eine

mit einem Haftvermittler (Binder) auf die Trägerstruktur aufge­

hohe thermische Ankopplung der Sorptionsmaterialien an die

bracht. Neben der Variation des Binderanteils konnten durch

Trägerstruktur bei gleichzeitig sehr guter Zugänglichkeit der

Zusatz von Hilfsstoffen auch die rheologischen Eigenschaften

Adsorptionszentren erreicht werden.

an die Tauchbeschichtung angepasst werden. Hierbei konnten bereits dreidimensionale Trägerstrukturen mit Abmessungen

Daher haben wir uns intensiv mit der Beschichtung von ver­

von bis zu 10 x 10 cm erfolgreich beschichtet werden. Die

schiedenen Trägerstrukturen aus unterschiedlichen Materialien

Arbeiten zur Beschichtungsentwicklung wurden 2012 mit dem

wie Metallen und Keramiken beschäftigt. Hier ist es uns

2. Hugo-Geiger Preis der Fraunhofer-Gesellschaft ausgezeich­

gelungen, neue Beschichtungsverfahren zu entwickeln und

net. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft

zum Patent anzumelden.

und Technologie (BMWi) unterstützt.

37


Besser mit guter Optik

38


Angewandte Optik und funktionale oberflächen

Solare Energiesysteme wandeln Solarenergie, die in Form von

zur Minderung der Reflexionen oder der Schmutzanlagerung

elektromagnetischer Strahlung auf die Erde trifft, in thermi-

erhöhen die Transmission.

sche, elektrische oder chemische Energie um. Wir entwickeln optische Komponenten und Systeme, um die Solarstrahlung

Verglasungen mit sehr guter Wärmedämmung können

je nach Anforderung besser zu transmittieren, zu reflektieren,

mit hochtransparenten, aber niedrig emittierenden Low-e

zu absorbieren, zu filtern, zu lenken oder zu konzentrieren.

Schichten und Edelgasfüllung erreicht werden, aber auch mit Vakuum oder transparenten Wärmedämmmaterialien. Stabile

Dabei stellen die große Bandbreite des solaren Spektrums

Funktionsschichten können auch auf die Außenseite von Ver-

mit Wellenlängen von 0,3–2,5 µm sowie die Notwendigkeit

glasungen gebracht werden, z. B. um Beschlag zu verhindern

der großflächigen und kostengünstigen Herstellung

oder auch Verstaubung und Verschmutzung zu reduzieren.

von optischen Komponenten und Systemen vielfältige

Transparent leitende Schichten werden für die elektrischen

Herausforderungen dar. Um diesen zu begegnen, verfolgen

Kontakte von Dünnschicht-Photovoltaik und organischen

wir neuartige Lösungsansätze, die ein Zusammenführen von

Solarzellen benötigt.

Materialforschung, optischem Design und Fertigungstechnik erfordern. Für die erfolgreiche Umsetzung in neue Produkte

Mikrostrukturierte Oberflächen ermöglichen Sonnenschutz-

der Solartechnik ist neben optischem Know-how, Kenntnis

systeme, die unerwünschte direkte Solarstrahlung reflektieren

der Materialeigenschaften und enger Zusammenarbeit mit

und dennoch diffuses Tageslicht durchlassen. Photonische

unseren Kunden auch eine umfassende spezifische Kenntnis

Gitter und Lighttrapping-Strukturen erhöhen die Effizienz

der entsprechenden solaren Energiesysteme erforderlich – eine

von organischen und Siliciumsolarzellen. Mit plasmonischen

Voraussetzung, für die am Fraunhofer ISE besonders gute

Strukturen können auch neuartige Konzepte, z. B. Hochkon-

Synergien vorhanden sind.

version von Photonen, verfolgt werden. In photovoltaischen Konzentratormodulen wird die Solarstrahlung auf kleinflä-

Das Geschäftsfeld »Angewandte Optik und funktionale

chige Hochleistungssolarzellen konzentriert. Wir optimieren

Oberflächen« bedient als Querschnittsthema mehrere

Konzentratoroptiken hinsichtlich Wirkungsgrad und Kosten.

Marktsegmente der Solartechnik: Fenster und Fassaden, solarthermische Kollektoren, Konzentratorsysteme für die

Das mikro-optische Know-how und die großflächige

Photovoltaik und für solarthermische Kollektoren. Unsere

Interferenzlithographie haben für das Fraunhofer ISE ein

Expertise wird aber ebenso bei Kunden geschätzt, die nicht

Anwendungsgebiet außerhalb der Solartechnik interessant

aus der Solarbranche kommen. So unterstützen wir auch die

werden lassen: die Displaytechnik. Hier arbeiten wir an

Licht- und die Displaytechnik.

mikrostrukturierten Kunststoff-Filmen, die eine höhere Helligkeit und einen besseren Kontrast von Displays erlauben.

Die effektive Regelung des solaren Licht- und Energiestroms

Lichtlenkung und Lichtstreuung in abbildenden und nichtab-

in der Fassade ist bei großflächig verglasten und energieeffizi-

bildenden Optiken ist zentrales Thema in der Lichttechnik.

enten Gebäuden sehr wichtig. Schaltbare Beschichtungen auf

Aufbauend auf unseren Arbeiten im Bereich der Lichtstreuung

Fensterscheiben erlauben es, die Transmission der Fenster über

und Lichtlenkung bieten wir unsere Expertise zu optischen

eine große Bandbreite zu verändern. Als nicht-mechanische

Material- und Oberflächeneigenschaften auch für optisches

Sonnenschutzsysteme bieten sie z. B. Vorteile bezüglich

Design in der Kunstlichttechnik an.

Durchsicht und Anfälligkeit gegenüber Wind. Beschichtungen

39


Angewandte Optik und funktionale Oberflächen

In den vergangenen Jahren haben wir unsere Modellierungs-

Glassubstrat mit einer durch Nanoimprintlithographie (NIL)

verfahren kontinuierlich erweitert. Sie umfassen grundlegende

strukturierten Lackschicht. In diesem NIL-Prozess wird mit einem

physikalische Modelle wie Effektiv-Medium-Theorien, rigorose

Silikonstempel eine Struktur in eine Lackschicht übertragen und

und skalare Beugungstheorie, Streutheorien, Dünnschicht-

unter UV-Licht ausgehärtet. Die Lackschicht dient danach als

methoden, geometrische und nichtabbildende Optik sowie

Basis für die Herstellung von metallischen Nanostrukturen mit

Planungswerkzeuge, z. B. für die Leuchtenplanung. So

Hilfe eines Lift-Offs (s. S. 42). Metallische Nano­strukturen

können wir bei Anfragen unserer Kunden die Machbarkeit

werden aufgrund ihrer spektral selektiven Eigenschaften für

einer gewünschten optischen Komponente schnell und

die effiziente Lichtausnutzung in Solarzellen untersucht.

effizient klären. Als Fertigungsverfahren stehen uns Vakuumbeschichtungsverfahren und Mikrostrukturierungsverfahren zur Verfügung. Die verfügbaren Charakterisierungsmethoden bieten neben den Standardverfahren auch spezialisierte Sonderaufbauten, z. B. zur Bestimmung der Formtreue von Spiegeln mit Rasterstreifenreflektometrie oder des Verschmutzungsgrads von Spiegeln. In guter Zusammenarbeit mit anerkannten Forschungseinrichtungen innerhalb und außerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft komplettieren wir unser Angebot, wann immer dies notwendig wird. Besondere Einrichtungen: - Vakuumbeschichtungsanlage zur industrienahen Herstellung großflächiger (150 x 400 cm2) komplexer Schichtsysteme - Interferenzlithographieanlagen zur homogenen Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen auf Flächen von bis zu 120 x 120 cm2 - optische Messtechnik: Spektrometrie, Goniometrie, Streulichtmessung, Brechzahlbestimmung, Leuchtdichte messungen mit bildgebenden Verfahren, Streifen reflektometrie, Sonderaufbauten für Konzentratoroptiken, Qualitätssicherung in der Produktion - Oberflächencharakterisierung: optische Profilometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Auger-Elektronenspektroskopie

40


Angewandte Optik und funktionale Oberflächen

A n s p r e c h pa r t n e r Beschichtungen – Technologien und Systeme

Dipl.-Phys. Wolfgang Graf

Telefon +49 761 4588-5946 wolfgang.graf@ise.fraunhofer.de

Mikrostrukturierte Oberflächen

Dr. Benedikt Bläsi

Telefon +49 761 4588-5995 benedikt.blaesi@ise.fraunhofer.de

Fassaden und Fenster

Dipl.-Phys. Tilmann Kuhn

Telefon +49 761 4588-5297 tilmann.kuhn@ise.fraunhofer.de

Lichttechnik Dr.-Ing. Jan Wienold

Telefon +49 761 4588-5133 jan.wienold@ise.fraunhofer.de

Konzentratoroptik Dr. Peter Nitz

Telefon +49 761 4588-5410 peter.nitz@ise.fraunhofer.de

41


2

1

500 nm

Geordnete metallische Nanopartikel für plasmonische Effekte Metallische Nanopartikel erfahren in der Wissenschaft Master

seit einigen Jahren enorme Aufmerksamkeit. Die spek­ tral selektiven, das Licht streuenden und beugenden Eigenschaften dieser Partikel basieren auf Resonanz­

Silikonstempel

phänomenen. Aufgrund dieser Selektivität können sie z. B. für das Photonenmanagement in Solarzellen einge­

1

setzt werden. In schwach absorbierenden Wellenlängen­ bereichen kann durch gezielte Streuung die Weglänge des Lichts innerhalb der Zelle und dadurch die Absorp­ tion erhöht werden. Lokale Feldüberhöhungen aufgrund der plasmonischen Licht-Elektron-Wechsel­wirkung können für die Unterstützung nichtlinearer Effekte (z. B. Hochkonversion) genutzt werden. Eine Heraus­

2

forderung ist die Herstellung großflächiger geordneter Imprinting und Aushärten

Strukturen. Wir haben dazu eine Prozesskette basierend auf Interferenzlithographie, Nanoimprintlithographie und Lift-Off aufgebaut und damit vielversprechende

Geimprintetes Substrat

Ergebnisse erzielt. Benedikt Bläsi, Hubert Hauser, Sabrina Jüchter, Volker Kübler, Sarah-Katharina Meisenheimer,

3

Geätztes Substrat

Christine Wellens, Werner Platzer

4 Metallisierung 5 Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses von geordneten metallischen Nanopartikeln mit NIL- und Lift-OffProzessen. (1) Silikonstempelherstellung – wir verwenden einen zweilagigen Stempel aus einem weicheren Silikonblock als Untergrund und einer härteren Silikonschicht. (2) Strukturierung (Imprint) und Aushärten mit UV-Licht, (3) Substrat nach

5 Lift-Off

42

reaktivem Ionen-Ätzen (RIE), (4) Metallisierung, (5) Lift-Off.


3

20 µm

2 µm

4

Zur Herstellung geordneter plasmonischer Strukturen werden

1 Glassubstrat mit strukturiertem Lack (Abb. 5 Schritt 2) auf

üblicherweise Lithographietechniken genutzt. Viele dieser

einer Fläche von 100 x 100 mm².

Methoden sind auf kleine Flächen beschränkt, z. B. die Elek-

2 – 4 Rasterelektronenmikroskop (REM)-Aufnahmen der

tronenstrahllithographie. Im Gegensatz dazu können wir mit

Masterstruktur in Photoresist (Abb. 2), eines erfolgreichen

Interferenzlithographie (IL) Strukturen auf einer Fläche von bis

Lift-Off von Platin-Partikeln (Periode 1 µm, ∅ 600 nm, Fläche

zu einem Quadratmeter erzeugen. Kombiniert man die IL mit

75 x 75 mm²) – mittig liegt verdreht ein Stück Lack (Abb. 3) –

einer Replikationstechnik wie Nanoimprintlithographie (NIL),

und Silber-Nanopartikel mit einer Periode von 300 nm und

ist die Prozesskette sehr flexibel und die Strukturen sind leicht

einem Durchmesser von ca. 150 nm auf einer Gesamtfläche

und schnell reproduzierbar.

von 100 x 100 mm² (Abb. 4).

Zur Herstellung geordneter Nanostrukturen (Abb. 5) nutzen wir eine mit Interferenzlithographie hergestellte Masterstruktur. Von dieser Master­struktur wird ein Silikonstempel abgeformt. Dieser wird in einen zuvor aufgebrachten Lack geprägt, der dann mit UV-Licht ausgehärtet wird. Nach dem Entformen wird das Substrat geätzt, wodurch die strukturierte Lackschicht bis auf das Substrat geöffnet wird. Im Anschluss wird die Struktur mit Silber metallisiert. Im letzten Schritt folgt ein Lift-Off (Ablösen) des Lacks. Nur die Partikel, die direkten

10

Mit unserer NIL-Prozesskette wurden die in Abb. 3 /4 dar­ gestellten Nanopartikel auf Flächen von 75 x 75 mm² und 100 x 100 mm² hergestellt. Die Silberpartikel zeigen einen plasmonischen Effekt in Form einer erhöhten Reflexion und Absorption zwischen 360 nm und 500 nm (Abb. 6). Die gezeigte Prozesskette ist für die Herstellung geordneter metallischer Nanostrukturen geeignet. Zukünftig soll der

Reflexion / Absorption

Kontakt mit dem Substrat hatten, bleiben dabei haften. 8 6

Reflexion Absorption

4 2 0

0.4

0.5

Herstellungsprozess auf eine Fläche von 156 x 156 mm²

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Wellenlänge [µm]

erweitert werden, indem der einfache Imprintschritt durch einen Rollen-NIL Prozess ersetzt wird.

6 Optische Charakterisierung der Silber-Nanopartikel auf einem Glassubstrat. Dargestellt sind die mit einer integrierenden Kugel

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft

gemessene Reflexion sowie die berechnete Absorption (A=1-R-T)

(DFG) im Rahmen des Projekts »Nanosun II« gefördert.

über der Wellenlänge.

43


2

1

Entwicklung von robusten Materialien für photochrome Fenster Die von uns entwickelten photochromen Fenstersysteme

1 Elektrochromes System mit neu entwickeltem Redoxelektrolyt

färben sich unter intensiver Sonnenbestrahlung ein und

im entfärbten Zustand.

entfärben sich bei geringer Sonnenintensität wieder.

2 Elektrochromes System mit neu entwickeltem Redoxelektrolyt

Dadurch kann eine Überhitzung von Gebäuden mit

im gefärbten Zustand.

hohem Verglasungsanteil vermieden werden. Aufgrund des einfachen Schichtaufbaus sind die Fertigungskosten gering. Die bisher eingesetzten Materialien weisen zum Teil eine begrenzte Beständigkeit gegenüber Wasser

Das am Fraunhofer ISE entwickelte photochrome Fenster-

und Sauerstoff auf, was eine Versiegelung erforderlich

system basiert auf der Kombination einer Farbstoffsolarzelle

macht. Um die Fertigungskosten zu senken, wollen wir

mit elektrochromem Wolframoxid. Ein Farbstoff wird unter

Materialien entwickeln, die Wasser und Sauerstoff im

Beleuchtung angeregt und gibt ein Elektron über eine

System tolerieren. Dies ermöglicht auch den Einsatz von

Titanoxidschicht an Wolframoxid ab, das sich von transparent

Foliensubstraten.

zu blau verfärbt. Die Ladungskompensation erfolgt über einen Redoxelektrolyten, der Lithium-Ionen und ein Redoxpaar

Shankar Bogati, Andreas Georg, Wolfgang Graf,

enthält. Das Redoxpaar gibt Elektronen an den Farbstoff

Carmen Jerg, Helena Orvalho, Rishabh Raj, Werner Platzer

ab, gleichzeitig gehen Lithium-Ionen aus dem Elektrolyt in das Wolframoxid über. Bisher wurden hier Jodid/Trijodid als Redoxpaar und ein Ruthenium-Komplex als Farbstoff eingesetzt. Beide Materialien tolerieren nur einen sehr kleinen Wasser- und Sauerstoffgehalt im Elektrolyten.

0,7

entfärbt (Tvis = 67,4 %; Tsol = 48,5 %) gefärbt (Tvis = 4,6 %; Tsol = 3,7 %)

Transmission

0,6

Die Aufnahme von Elektronen führt zur Entfärbung. In der Photovoltaik entspräche diese Rückreaktion einem Verlust,

0,5

im photochromen System ist sie erforderlich. Für die photo­

0,4

chromen Systeme können somit Materialien zum Einsatz

0,3

kommen, die für die photovoltaische Anwendung ungeeignet sind. Dies betrifft neben dem Farbstoff auch das Redoxpaar.

0,2 0,1

In der Weiterentwicklung benötigen wir Materialien, die eine höhere Stabilität aufweisen, auch wenn sie in einer

0,0 0,5

1,0

1,5

2,0

Wellenlänge [µm]

Solarzelle zu geringeren Wirkungsgraden führen würden. In einem Materialscreening wurden hierzu besonders geeignete Stoffe ausgewählt und in elektrochromen Teilsystemen

3 Transmission eines elektrochromen Systems mit neu ent­

getestet. Im Rahmen eines von der europäischen Union

wickeltem Redoxelektrolyt im entfärbten (orange) und

geförderten Projekts wird die Entwicklung bis zum kompletten

gefärbten (blau) Zustand.

photochromen System weitergeführt.

44


80 1,5 1,0

60 Konzentration

[mm]

0,5 40

0 -0,5

20

-1,0 -1,5

0 -1,5

1

-1

-0,5

2

0

0,5

1

1,5

[mm]

Sekundäroptik-Charakterisierung für die konzentrierende Photovoltaik Großflächige Halbleiter sammeln das Sonnenlicht bei

1 Messaufbau zur Charakterisierung von Sekundäroptiken. Die

photovoltaischen Flachmodulen ein und wandeln es

Lichtquelle (oben im Bild) beleuchtet eine speziell angefertigte

direkt in elektrische Energie um. Die konzentrierende

Fresnel-Linse (im Bild nicht vorhanden), die in diesem Aufbau als

Photovoltaik (CPV) senkt die Kosten, indem sie nur

Primäroptik dient. Die zu vermessende Sekundäroptik wird mit einer

winzige Solarzellen verwendet und die große Fläche

Justiervorrichtung im Brennpunkt der Fresnel-Linse platziert. Ein

mit Optiken überdeckt, die das Licht fokussieren. Ein

Schirm macht die Lichtverteilung an der Austrittsapertur der Sekun-

weiteres kleines optisches Bauteil direkt auf der

däroptik sichtbar und wird mit einer CCD-Kamera abfotografiert.

Solarzelle kann die optische Konzentration weiter

2 Gemessene Konzentrationsverteilung an der Austrittsapertur

erhöhen und die Bestrahlung der Solarzelle homo-

einer Sekundäroptik. Die Ringstruktur im Bild entsteht durch die

genisieren. Mit diesen Sekundäroptiken ist es möglich,

Störflanken der Fresnel-Linse, die bei der Messung als Primärkonzen-

die Solarzellenfläche zu reduzieren und gleichzeitig

trator eingesetzt wurde. Die gemessene Konzentration ist durch den

den Wirkungsgrad zu erhöhen. An unserem Messplatz

Messaufbau bedingt und muss für ein vollständiges Konzentratorsys-

können wir Sekundäroptiken optisch charakterisieren.

tem, abhängig von der eingesetzten Primäroptik, um einen Faktor

Dies ermöglicht Optimierungen ihrer Geometrie, der

20–25 hochskaliert werden.

Herstellprozesse sowie Qualitätskontrollen. Thorsten Hornung, Peter Nitz, Tobias Schmid, Werner Platzer CPV-Systeme konzentrieren das direkte Sonnenlicht mit einer

In der konzentrierenden Photovoltaik ist die Stromerzeugung

großflächigen Optik, der sogenannten Primäroptik, auf kleine

das entscheidende Maß. Sie hängt sowohl von der auf die

Solarzellen. Oft wird ein zweiter optischer Konzentrator, die

Solarzelle treffenden Strahlungsleistung als auch von deren

sogenannte Sekundäroptik, direkt auf die Solarzelle montiert.

räumlicher Verteilung ab – also genau den Größen, die von

Deren optische Eigenschaften können an unserem neu

unserem Messsystem ermittelt werden. Somit liefert die

entwickelten Messplatz (Abb. 1) charakterisiert werden. Das

optische Charakterisierung von Sekundäroptiken an unserem

Messsystem misst die optische Konzentration ortsaufgelöst

Messplatz eine gute Grundlage zur Ermittlung ihres Einflusses

an der Austrittsapertur der Sekundäroptik (Abb. 2). In einem

auf die Stromerzeugung. Vergleichende Messungen zeigen die

Konzentrator-Photovoltaiksystem würde sich dort die Solar-

Auswirkungen von Variationen in der Sekundäroptikproduk­

zelle befinden, so dass die Messung direkt Rückschlüsse auf

tion. Die gewonnenen Erkenntnisse können eine Grundlage

die räumliche Verteilung der Zellbestrahlung im realen System

zur weiteren Verbesserung eines optischen Konzentratorsys-

ermöglicht.

tems darstellen.

Weil optische Konzentratoren keine abbildenden optischen

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und

Elemente sind, wirken sich Defekte teilweise deutlich anders

Forschung (BMBF) unterstützt.

auf die Funktion des Systems aus als in abbildenden Systemen.

45


W채rme, K채lte, Strom von der Sonne

46


Solarthermie Solarthermische Systeme mit unterschiedlichen Arbeitstempe-

von Absorberrohren in solarthermischen Kraftwerken müssen

raturen finden Einsatz in der Gebäudetechnik in Wohn- und

solche Schichtsysteme aber wesentlich höhere Temperaturen

Geschäftsgebäuden, in der Industrie oder in Freilandanlagen.

(bis zu 650 °C) dauerhaft aushalten. Dafür werden abhängig

Die solar erzeugte Wärme kann entweder direkt genutzt,

von der Absorberrohrvariante zusätzliche Schichten als

über Wärmekraftmaschinen in Strom oder mittels thermischer

Diffusionsbarrieren in das Schichtsystem integriert.

Kältemaschinen in Kälte umgewandelt werden. Generell sind die beiden entscheidenden Faktoren für die Leistungsfähigkeit

Der Wirkungsgrad eines Kollektors hängt aber nicht nur von

der Systeme die Effizienz des optischen Strahlungstransports

den Oberflächeneigenschaften ab, auch die strömungstechni-

und die Minimierung der Wärmeverluste.

schen Eigenschaften sowie die Wärmeübertragung innerhalb des Kollektors sind wesentlich. Eine gleichmäßige Durchströ-

Das Geschäftsfeld »Solarthermie« umfasst den gesamten

mung bei niedrigem Druckverlust bei Flachkollektoren wird

Markt von Nieder- bis Hochtemperaturanwendungen:

mit unserem FracTherm®-Konzept aus der Bionik erreicht. Auf

Solarthermische Kollektoren und Kollektorsysteme auf der

Basis dieses Ansatzes ergeben sich auch gänzlich neue Kon-

Basis von Flach- und Vakuumröhrenkollektoren unterschied-

struktions- und Fertigungsmöglichkeiten für solarthermische

licher Ausprägung haben vielseitige Anwendungen von der

Kollektoren. Wir untersuchen dafür Alternativen zu Aluminium

Brauchwasser- und Solarheizungsanlage über die Kühlung und

und Kupfer, z. B. Stahl, aber auch nicht-metallische Werkstoffe

Kälteerzeugung bis hin zur seewasserfesten Entsalzungsanla-

wie UHP-Beton und Kunststoff.

ge. Neuentwicklungen bei fassadenintegrierten Kollektoren oder Kollektoren mit kombinierter photovoltaischer Stromer-

Offene sorptionsgestützte Klimatisierungsverfahren können

zeugung erweitern das Angebot. Mit linear konzentrierenden

effektiv mit einfachen Flachkollektoren betrieben werden.

Kollektoren können Betriebstemperaturen von 150 °C

Sie ermöglichen eine bedarfsgerechte Konditionierung der

bis zu 550 °C erreicht werden. Sowohl Rinnen- als auch

Frischluft in Bezug auf Temperatur und Luftfeuchte. Andere

Fresnel-Kollektoren werden nicht nur für die solarthermische

thermische Kühlverfahren und Kälteerzeugung benötigen

Stromversorgung von Großkraftwerken eingesetzt, sondern

zum Teil höhere Arbeitstemperaturen. Deswegen werden für

auch in oft einfacheren und kostengünstigeren Varianten

die Optimierung des Gesamtsystems auch konzentrierende

für die Erzeugung von Prozesswärme, Prozessdampf und

Kollektoren eingesetzt.

Antriebswärme von Absorptionskältemaschinen. Prozesswärme in der Industrie wird auf sehr unterschiedlichen Solarthermische Energiesysteme wandeln Solarstrahlung in

Temperaturniveaus in riesigen Mengen benötigt. Je nach

Wärme um. Dabei kann je nach Ausformung der solarther-

Standort und Industrie werden daher unterschiedliche Solar-

mischen Kollektoren eine Temperaturanhebung über die

felder für die Erzeugung von Heißwasser, Dampf oder Heißluft

Umgebungswärme von wenigen Grad bis hin zu mehreren

eingesetzt.

hundert Grad erfolgen. Je geringer die thermischen Verluste eines Empfängers, je besser die optischen Wirkungsgrade und

Solarthermische Kraftwerke besitzen in Ländern mit hoher

je höher die Konzentration der Strahlung, desto höher sind

Direktstrahlung ein riesiges Potenzial, Solarstrom flexibel so-

die möglichen Betriebstemperaturen. Betriebsfeste optische

wohl für den Tagesspitzenbedarf als auch für Zeiten erhöhter

Oberflächen und Materialien sind wichtig für die Realisierung

Last kostengünstig zu erzeugen. Bei hohen Temperaturen wird

effizienter Systeme. Hier liegt die Verbindung zum Geschäfts-

Wasserdampf erzeugt, der wie in einem konventionellen Kraft-

feld »Angewandte Optik und funktionale Oberflächen«.

werk die Turbine antreibt. Im Gegensatz zu fluktuierenden Erzeugern wie PV und Wind lassen sich planbar Laufzeiten

Selektive Absorberschichten solarthermischer Kollektoren

rund um die Uhr realisieren. Erreicht wird dies entweder

(Temperaturen bis 230 °C) werden von uns seit vielen Jahren

über Hybridisierung (Verbindung mit brennstoffgebundenen

entwickelt und in die Industrie transferiert. Als Beschichtung

Wärmeerzeugern) oder über thermische Speicherung.

47


© DLR (CC-BY 3.0)

Solarthermie

Die nichtsolare Wärmeerzeugung kann auch regenerativ

Solarthermische Kraftwerke besitzen in Ländern mit hoher Direkt-

über Biomasse geschehen. Normalerweise wird bei solaren

strahlung enormes Potenzial, Solarstrom flexibel sowohl für den

Kraftwerken an Großprojekte von 20–400 MWel gedacht. Wir

Tagesspitzenbedarf als auch für Zeiten erhöhter Last kostengünstig

untersuchen aber auch die Chancen von mittleren solarthermi-

zu erzeugen. Das Fraunhofer ISE befasst sich sowohl mit der

schen Anlagen im Industriemaßstab, deren Wirtschaftlichkeit

Optimierung der optischen Oberflächen und Materialien als

über die Kraft-Wärme-(Kälte-)Kopplung und einfachere

auch mit Fresnel-Konzepten und entsprechender Anpassung der

Betriebsbedingungen deutlich verbessert werden kann.

Spiegel für das Kollektorfeld. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung neuartiger Latentspeicherkonzepte mit Phasenwech-

Das Fraunhofer ISE verfügt über alle benötigten Kompetenzen

selmaterialien zur Stromproduktion unabhängig vom aktuellen

im Bereich Solarthermie von Materialwissenschaft, Kompo-

Strahlungsangebot.

nentendesign, Charakterisierungs- und Prüfverfahren, theoretischer Modellierung und Simulation, Anlagenregelung bis hin zur Systemtechnik bei den verschiedenen Anwendungen. Besondere Einrichtungen: - Vakuumbeschichtungsanlage zur industrienahen Herstellung komplexer Absorber- und Spiegelprototypen auf planen und gekrümmten Flächen und Rohren (140 x 180 cm2) - materialtechnische Messtechnik (REM, Auger, EDX) zur Untersuchung von Veränderungen der Schichten durch thermische oder andere Belastungen - optische Messtechnik: Spektrometrie, Goniometrie, Leuchtdichtemessungen mit bildgebenden Verfahren, Streifenreflektometrie, Sonderaufbauten für Konzentratoroptiken - wärmetechnisches Labor zur Vermessung der Leistungs fähigkeit und des Transientenverhaltens von Wärmekraft maschinen (bis etwa 50 kWel) und Hochtemperatur speichern - Testlabor für die Leistungsprüfung bei Membrandestillation und Seewasserfestigkeit von Komponenten - TestLab Solar Thermal Systems: zertifiziertes solar thermisches Prüflabor für Kollektoren und Systeme nach Solar Keymark (Leistungs- und Qualifizierungstests, Außen und Innenprüfung, Mitteltemperaturvermessung bis 200 °C), auch geeignet für die Vermessungen von Solar Luftkollektoren

48


Solarthermie

A n s p r e c h pa r t n e r Thermische Solaranlagen

Dr. Wolfgang Kramer

Telefon +49 761 4588-5096 wolfgang.kramer@ise.fraunhofer.de

Energieeffiziente und solare K체hlung

Dr. Doreen Kalz

Telefon +49 761 4588-5403 doreen.kalz@ise.fraunhofer.de

Solare Prozessw채rme

Dr. Werner Platzer

Telefon +49 761 4588-5983 werner.platzer@ise.fraunhofer.de

Solarthermische Kraftwerke

Dr. Thomas Fluri

Telefon +49 761 4588-5994 thomas.fluri@ise.fraunhofer.de

W채rme- und K채ltespeicher

Dr. Peter Schossig

Telefon +49 761 4588-5130 peter.schossig@ise.fraunhofer.de

49


1

Monitoring und Optimierung von SolarAktivHäusern Die Europäische Union fordert in der aktuellen Gebäude-

1 Projekt »HeizSolar«: messtechnisch untersuchtes Gebäude.

richtlinie ab dem Jahr 2020 Fast-Nullenergiegebäude als Stan­dard für Neubauten. Hierfür muss in erster Linie der Energiebedarf der Gebäude an konventio­ nellen, primär­energetisch ungünstig bewerteten Ener-

Für das Konzept des SolarAktivHauses ist die Erzeugung von

gieträgern deutlich reduziert werden. Als SolarAktiv-

Solarwärme gerade während der Heizperiode entscheidend,

Häuser werden hocheffiziente Gebäude bezeichnet,

weshalb die eingesetzten thermischen Kollektoren nach Mög-

in denen mehr als 50 % der zur Raumheizung und

lichkeit mit einem steilen Anstellwinkel nach Süden orientiert

Trinkwarmwasserbereitstellung erforderlichen Wärme

ausgeführt werden. Zielstellung ist die optimale Ausnutzung

solarthermisch direkt am Gebäude erzeugt wird. In

der auf das Gebäude auftreffenden Solarstrahlung primär

einem Monitoring werden neun, den aktuellen Markt

durch aktive Maßnahmen. Entscheidend ist dabei, dass die im

repräsentierende SolarAktivHäuser, messtechnisch

Bilanzraum erzeugte Energie auch in diesem gespeichert und

umfassend untersucht und dabei simulationsgestützt

verbraucht wird. Der Bezug an Energie über die Bilanzgrenze

Optimierungspotenziale abgeleitet.

des Gebäudes kann dadurch signifikant reduziert werden. Für das Monitoring wurden aus mittlerweile ca. 1000 beste-

Andreas Mayer, Axel Oliva, Gerhard Stryi-Hipp,

henden SolarAktivHäusern neun Gebäude ausgewählt, die in

Werner Platzer

ihrer Konstruktion und Anlagentechnik zur Wärmeversorgung

Wärmeinhalt Zusatzheizung Solarwärme

2011

Warmwasseraufbereitung Raumheizung Wärmeverlust des Speichers

Relativer Wärmeinhalt des Speichers

Thermische Energie [kWh]

die Bandbreite des bestehenden Marktes repräsentieren.

2012

Die in den betrachteten Gebäuden eingesetzten Warmwasserspeicher liegen im Bereich von Tages- bis hin zu wesentlich größeren Wochen- oder Saisonspeichern. Für das Laden der Speicher werden marktgängige Techniken wie sequenziell zuschaltbare, innenliegende Wärmetauscher oder Schichtladeeinrichtungen eingesetzt. Die Entladung der Speicher erfolgt in der Regel auf mehreren unterschiedlichen Höhen, so dass zielgerichtet eine Temperatur im Vorlauf eingestellt werden kann. Mit einer modellbasierten Messdatenanalyse werden Optimierungspotenziale in der Betriebsführung sowie Auslegungsempfehlungen und zukunftsweisende Entwicklungspfade für das vorgestellte Konzept erarbeitet.

2 Energiebilanz des thermischen Speichers in einem messtechnisch

Das Projekt »HeizSolar« wird teilweise aus Mitteln des Bundes-

untersuchten Gebäude über ein Jahr. Insbesondere durch die in

ministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

der Winterzeit erzielten Solarerträge kann die über das Zusatz­

(BMU) sowie dem Projektträger Jülich gefördert.

heizsystem bereitzustellende Wärmemenge signifikant um ca. 75 % reduziert werden.

50

w w w. D i e S o l a r H e i z u n g . i n f o


1

UNTERSUCHUNGEN VON WIND- UND SCHNEELASTEN AN KOLLEKTOREN Die europäische Norm Eurocode 1 (EN 1991) regelt die

1 Neuer mechanischer Belastungsprüfstand eingebettet in eine

Anforderungen an Produkte bezüglich mechanischer

Klimakammer. Der Teststand verfügt über vier Traversen bestückt

Stabilität und Sicherheit aufgrund von Wind- und

mit jeweils sechs Pneumatikzylindern.

dem Eurocode 1 sicherstellen. Die Produkte durchlaufen weiterhin einen Zertifizierungsprozess (z. B. Solar Keymark), um Leistungsfähigkeit und Qualität unabhängig zu prüfen. Mit enthalten ist eine mechanische Prüfung. Letztere ist jedoch bei weitem nicht hinreichend, um den Anforderungen des Eurocode 1 gerecht zu werden. Im Rahmen des Projekts »MechTest« wurde u. a. ein neu-

4000

2000

n bestanden

n versagt

2400

0

4400

2400

-2400

ren müssen daher für ihre Produkte die Kon­formität mit

Aufgebrachte Flächenbelastung [Pa]

Schneelasten. Hersteller von solarthermischen Kollekto-

4400

4200

-2400

Zykluswechsel 20 Sek.

-2000 Statisch EN 12975

artiger Belastungsprüfstand entwickelt, um erweiterte

Zyklisch IEC 61646 / 61215

Lasteintrittswinkel 90° Lasteintrittswinkel 60° Statisch EN 12975 angelehnt an Eurocode 1

Testverfahren auszuarbeiten. 2 Es wurden Kollektoren des gleichen Typs (Referenzkollektor) Konstantin Geimer, Korbinian Kramer, Werner Platzer

mit unterschiedlichen Belastungsprozeduren und -arten getestet. Bei einer zyklischen Standardprüfung (PV-Prüfnorm) tritt Versagen

Bisher werden gemäß den einschlägigen mechanischen

auf, während dies bei den gleichen Werten und einer statischen

Prüfungen nach der Kollektortestnorm EN 12975 nur statische

Prüfung (ST-Prüfnorm) nicht der Fall ist. Die Belastungsgrenze

senkrechte Belastungen, sowohl Druck als auch Zug, auf die

reduziert sich um 5 %, wenn der Lasteintrittswinkel von 90° auf

Kollektorabdeckung durchgeführt. Zudem sind Zugbelastun-

60° verringert wird (Schublast).

gen von Vakuumröhrenkollektoren bzw. deren Hinterspiegelungen bisher aufgrund der mangelnden Testmöglichkeit ausgenommen. Im Vergleich zu den Belastungszuständen

EN 12975 besteht, versagt der Kollektor schon beim

des Eurocode 1 werden zyklische und asymmetrische Belas-

ersten Zyklenwechsel bei Anwendung der Prüfnorm aus

tungen, verursacht durch Windböen oder ungleichmäßige

der PV-Branche IEC 61646/IEC 61215. Das Versagen

Schneeanhäufung, nicht berücksichtigt. Ein großer Teil dieser

trat nach einer Haltezeit des Drucks von einer Stunde

realistischen Lastfälle sowie die Untersuchung des Temperatur-

und einem anschließenden Wechsel von +2400 auf

einflusses auf die mechanische Stabilität können nun mit dem

-2400 Pa innerhalb von 20 Sekunden auf. In weiteren

neuartigen Belastungsteststand untersucht werden (Abb. 1).

Arbeiten werden derzeit mit dem neuen mechanischen

Erste erweiterte Versuche an Referenzkollektoren zeigen

Prüfstand der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen

teilweise signifikante Unterschiede gegenüber einer einfachen

sowie die Auswirkungen auf unterschiedliche Kollektor-

statischen Prüfung mit senkrechter Belastungsrichtung.

typen untersucht.

In Abb. 2 sind die Ergebnisse erster Prüfungen an einem Referenzkollektortyp in Abhängigkeit des Prüfverfahrens

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Umwelt,

dargestellt. Während der Kollektor die statische Prüfung nach

Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert.

51


1

Vermessung von Luftkollektoren ohne transparente abdeckung Im Förderprojekt »Luko-E« wurden zusammen mit den

1 Kollektor mit überspannter Folie. Im unteren Bereich befinden

Projektpartnern die Verfahren zum Testen von Luftkol-

sich Windgeneratoren, mit denen die Strömungsgeschwindigkeit

lektoren erarbeitet, welche die Grundlage einer inter-

über dem Absorber eingestellt werden kann. Zur vollständigen

nationalen Norm sein werden. Bislang existierte hierzu

Charakterisierung sind Messungen mit und ohne Folie notwendig.

keine europäische Norm. Eine Förderung von Luftkollektoren war daher nur auf der Basis einer Sondervereinbarung mit dem Fördermittelgeber möglich. Wie bei

Luftkollektoren nutzen Luft als Wärmeträgermedium. Eine der

wassergeführten Kollektoren wird auch bei den Luftkol-

Besonderheiten von Luftkollektoren ist die starke Abhängigkeit

lektoren zwischen Kollektoren mit und ohne transparen-

des Kollektorwirkungsgrads von der durchströmenden Luft-

te Abdeckung unterschieden. Da in der ersten Projekt-

masse. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto besser

phase nur die Kollektoren mit transparenter Abdeckung

ist bei gleichbleibender Dichte die Wärmeübertragung vom

behandelt wurden, ist das Testen von Luftkollektoren

Absorber zum Wärmeträgermedium und demnach auch der

ohne transparente Abdeckung der Schwerpunkt in der

Wirkungsgrad. Soll ein Luftkollektor vollständig charakterisiert

zweiten Projektphase.

werden, so müssen die Wirkungsgrade in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur und von verschiedenen Massenströmen

Korbinian Kramer, Christoph Thoma, Gerhard Stryi-Hipp,

bestimmt werden.

Werner Platzer Zusätzlich ist bei einem Kollektor ohne transparente Abdeckung über dem Absorber eine hohe Abhängigkeit des

Wirkungsgrad [%]

1,0

Wirkungsgrads von der Windgeschwindigkeit zu beobachten.

0,8

Die Windgeschwindigkeit beeinflusst hierbei maßgeblich die

0,6

konvektiven Wärmeverluste des Kollektors. Bei der Vermes-

0,4

sung eines solchen Kollektors muss dafür gesorgt werden,

0,2

dass die genannten Einflussgrößen reproduzierbar eingestellt

0,0 1 dges chw

Win

2 keit

indig

[m/s

]

3

0

800 600 h] | 400 [kg 200 nstrom e s s Ma

sind und konstant bleiben. Um unabgedeckte Luftkollektoren unter Freiluftbedingungen testen zu können, was notwendig wird, wenn z. B. die Baugröße das Testen unter dem Sonnensimulator nicht zulässt,

2 Ergebnis einer Messung eines Luftkollektors ohne transparente

wurde ein eigenständiger Teststand realisiert. Neben einer

Abdeckung im Sonnensimulator bei stabilen Windgeschwindigkei-

definierten Kollektorauflage verfügt der Teststand über einen

ten. Dargestellt sind rot die Wirkungsgrade über der Windgeschwin-

Spannmechanismus für eine hochtransparente Abdeckung,

digkeit und den Massenstrom. Die Einstrahlung beträgt 882,5 W/m²,

die über den Kollektor gespannt werden kann und so einen

die Eintrittstemperatur der Luft ist immer gleich der Umgebungs-

Windkanal mit kontrollierten Strömungsbedingungen über der

temperatur. Das blaue Gitternetz entsteht aus einer nichtlinearen

Absorberfläche bildet. Störgrößen wie schwankende Windge-

Oberflächenanpassung.

schwindigkeiten, z. B. durch Windböen, werden so minimiert.

52


1

Optimierung eines PV-thermischen Hybrid-Kollektors Hohe Anteile Solarenergie an der Strom- und Wärme­

1 Ausschnitt des PVT-Prototypkollektors mit Spiegelungen an

versorgung in Deutschland erfordern eine effiziente

der antireflex-beschichteten Abdeckscheibe (blau) und der Low-e-

Dachflächennutzung. »Abgedeckte« PV-Thermische

beschichteten Abdeckung des Modul-Absorberverbunds (gelb) .

(PVT)-Kollektoren, bei denen sich der Solarzellen-Absor0,9

scheibe befindet, sind vielversprechend, da sie bis zu

0,8

50 % mehr Solar­wärme und -strom pro Flächeneinheit bereitstellen können als separate PV-Module und Solarthermiekollektoren. Bisher verfügbare PVT-Kollektoren weisen allerdings keine zufriedenstellende Effizienz auf. Das Fraunhofer ISE entwickelt daher optimierte abgedeckte PVT-Kollektoren und konnte jetzt durch Integra­ tion einer neu entwickelten Low-e-Schicht eine deutliche Effizienzsteigerung erreichen.

Thermischer Wirkungsgrad

berverbund in einem Kollektorgehäuse unter einer Glas-

Einstrahlung: G=1000W/m 2

0,7 0,6 0,5 0,4

typischer Flachkollektor kommerzieller PVT-Kollektor PVT Prototyp 2010 PVT Prototyp 2012 mit Low-E-Schicht PVT Prototyp 2012 weiter optimiert (Simulation)

0,3 0,2 0,1 0,0

0

20

40

60

80

Temperaturdifferenz Modul-Absorberverbund zur Außenluft [K]

Stefan Fortuin, Wolfgang Graf, Ingrid Hädrich, Thomas Kroyer, Gerhard Stryi-Hipp, Martien Wiese, Werner Platzer

2 Thermische Wirkungsgradkennlinien eines kommerziellen PVT-

PVT-Kollektoren weisen prinzipiell einen etwas geringeren

einem typischen Flachkollektor. Die Differenz der grünen und der

Wirkungsgrad in der Strom- und Wärmeerzeugung im Ver­

gestrichelten Linie wird vornehmlich durch die zusätzliche Strom-

gleich zu separaten PV-Modulen und Solarthermiekollektoren

produktion verursacht.

Kollektors und dreier Prototypen im MPP-Modus im Vergleich zu

auf. Ihr Einsatz ist deshalb nur dann sinnvoll, wenn die ver­­ fügbare Fläche begrenzt ist und sie auf dieser Fläche einen

Heizungsunterstützung erfordert die Erhöhung des PVT-

deutlich höheren Gesamtenergieertrag erzielen. Abgedeckte

Kollektorwirkungsgrads bei höheren Temperaturdifferenzen.

PVT-Kollektoren sollen Solarthermiekollektoren ersetzen und

Deshalb wurde am Fraunhofer ISE eine Low-e-Schicht auf

Trinkwarmwasser auf über 60 °C erwärmen. Dies ist bislang

der Glasabdeckung der Solarzellen aufgebracht, die die

nur im Sommer möglich, denn bei höheren Temperaturdif-

Infrarotstrahlung reduziert. Da die Low-e-Schichten für Wär-

ferenzen zwischen Modul-Absorberverbund und Außenluft

meschutzverglasungen aufgrund mangelnder Transparenz für

ist ihr Wirkungsgrad zu gering, da sie keine spektralselektive

das Sonnenspektrum nicht geeignet sind, wurde eine spezielle

Absorberschicht besitzen. Zur Trinkwassererwärmung

Low-e-Schicht auf Silber-Basis entwickelt und probeweise

benötigen Einfamilienhäuser nur eine Kollektorfläche von

hergestellt. Damit konnte in einem PVT-Prototypkollektor bei

etwa 5 m , weshalb PVT-Kollektoren keinen signifikanten

einer Temperaturdifferenz von 60 °C die Effizienz um 25 %

Vorteil aufweisen. Relevant wird ihr Gesamteffizienzvorteil

erhöht werden.

2

bei größeren Kollektorflächen, die für die Heizungsunterstützung (etwa 12 m2) oder für SolarAktivHäuser erforderlich

Die Arbeiten wurden von der Deutschen Bundesstiftung

sind (über 30 m ).

Umwelt (DBU) gefördert.

2

53


K ondensatorkanal

L uftspalt P e r m e at

M embran

V erdampferkanal

VA G M D

K ondensatorkanal

M embran

P ermeatkanal

PGMD

V erdampferkanal

K ondensatorkanal

M embran

V erdampferkanal

D CM D

2

1

Betrieb von Membrandestillation mit Niedertemperaturwärmequellen Die Aufbereitung von Meer- und Brackwasser ist heu-

1 Membrantestzelle für grundlagenorientierte Untersuchungen zur

te in vielen Ländern ein elementarer Bestandteil der

Membrandestillation.

Trinkwasserversorgung. Neben den etablierten Groß-

2 Varianten der Membrandestillation, die in der Membrantestzelle

technologien gewinnt der Einsatz dezentraler Anlagen

konfiguriert werden können: »Direct Contact (DCMD)«-Verfahren,

zunehmend an Bedeutung. Auch die energieeffiziente

bei dem die Membran direkt den Verdampfer- vom Kondensatorka-

und nachhaltige Aufbereitung industrieller Abwässer

nal trennt, sowie »Permeat-Gap (PGMD)«-, »Air-Gap (AGMD)«- und

gewinnen an Aufmerksamkeit. Steigende Energiekosten,

»Vakuum-Air-Gap (VAGMD)«-Verfahren, bei denen eine zusätzliche

zunehmende Umweltauflagen und weitere gesetzliche

Folie den Destillatraum vom Kondensatorkanal trennt.

Regelungen machen die Entwicklung neuer Technologien notwendig. Dazu werden am Fraunhofer ISE For-

Die Membrandestillation (MD) ist ein thermisches Trennver­

schungsarbeiten zur Membrandestillation durchgeführt,

fahren, bei dem eine Verdampfung durch eine Membran

einem Verfahren, das zur Trennung unterschiedlichster

hindurch stattfindet. Die flüssige Sole wird von der semiper-

Stoffsysteme eingesetzt wird. Dieses eignet sich beson-

meablen Membran zurückgehalten, während Wasserdampf

ders für einen Betrieb mit Niedertemperaturabwärme

hindurchtreten kann. Als Triebkraft dient eine Temperatur-

oder Solarthermie.

differenz zwischen den beiden Grenzflächen der Membran. Am Fraunhofer ISE werden MD-Module und Systeme zur

Julia Braun, David Düver, Florian Groß, Joachim Koschikowski,

Entsalzung sowie zur Trennung anderer Stoffsysteme ent-

Marco Pergher, Christiane Pohlisch, Martin Rolletschek,

wickelt. Zur Optimierung der eingesetzten Materialen, des

Rebecca Schwantes, Daniel Winter, Werner Platzer

Kanalaufbaus und zur Identifikation effizienter Betriebspunkte werden experimentelle Untersuchungen an Testzellen im

Destillatertrag [g/h]

400

DCMD PGMD AGMD

300

V-AGMD 8

12 10

6

200

4 100 0

2 0

50

100

150

200

0 250

Salzgehalt des Speisewassers [g/kg]

Massenstromdicht [kg/(h m2)]

Labormaßstab durchgeführt. Hierbei steht die vergleichende

500

Analyse unterschiedlicher Verfahrensvarianten im Vordergrund. Eine Vielzahl von Membranmustern konnte mit der Testzelle in Kooperation mit Industriepartnern charakterisiert werden. Das Trennverhalten der MD für verschiedene Medien wurde untersucht. Durch die Entwicklung und Validierung eines sehr umfangreichen Simulationswerkzeugs, das auf einem physikalischen Mehrknotenmodell beruht, ist es uns gelungen, Membrandestillationsmodule für verschiedenste Kapazitäten und Anwendungen auszulegen. Das Modell wird auch bei der Auslegung komplexer Gesamtsysteme, z. B. solar betriebener Entsalzungsanlagen, verwendet. Für den Bau von Membran-

3 Vergleichende experimentelle Untersuchungen zu verschiede-

destillationsfeldsystemen haben wir Anlagen zur Herstellung

nen Membrandestillationsverfahren. Die Untersuchungen dienen

und Charakterisierung von Membrandestillationsmodulen

der Beurteilung der Sensitivität der Prozesse gegenüber der

im Labor aufgebaut. Es wurden bereits über 150 Module

Menge an gelösten Salzen in der Sole.

produziert und experimentell untersucht.

54


© Isomorph

1

Vermessung von konzentrierenden nachgeführten Kollektoren Immer mehr Hersteller von thermischen Solarkollektoren

1 Am Fraunhofer ISE charakterisierter Linearspiegel der

sehen die industrielle Prozesswärme als Zukunftsmarkt

Firma Isomorph.

und nehmen entsprechende Produkte in ihr Portfolio auf. Auch die Bundesregierung hat die Bedeutung dieses Sektors erkannt und in der letzten Revision des Marktanreizprogramms die Förderung solcher Anlagen deut0,700

sich besonders konzentrierende Kollektoren für diese

0,600

Anwendungen. Der wachsende und sich diversifizierende Markt für solche Kollektoren zieht einen erhöhten Prüfbedarf nach sich. Das TestLab Solar Thermal Systems hat dieses Jahr erstmals einen konzentrierenden Kollek-

Wirkungsgrad

lich erhöht. Bei höheren Prozesstemperaturen eignen

0,500 0,400 0,300

tor nach dem stationären und dem quasi-dynamischen

0,200

Verfahren der europäischen Norm charakterisiert.

0,100

Sven Fahr, Stefan Hess, Korbinian Kramer, Stefan Mehnert, Werner Platzer

0,000

0

QDT, Testsequenz 1

QDT, Testsequenz 2

SSM, Testsequenz 1

SSM, Testsequenz 2

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

delta T/ G [Km2/W]

Der Bereich der konzentrierenden Kollektoren umfasst ein

2 Die Grafik zeigt für beide Messverfahren die Wirkungsgradkenn-

viel breiteres Technologiespektrum als das der Flach- und

linien bei 1000 W/m² basierend auf zwei Auswertungen für verschie-

Vakuumröhrenkollektoren. Sie unterscheiden sich stark in

dene Testsequenzen mit unterschiedlichen Wetterbedingungen. Das

der Konstruktion ihrer Receiver, der Konzentratoren sowie im

stationäre Verfahren (SSM) liefert für unterschiedliche Diffusstrah-

Konzept der Sonnennachführung. Deshalb ist die zuverlässige

lungsanteile stark abweichende Ergebnisse, während das Ergebnis

Bestimmung des Einflusses von Diffusstrahlungsanteil und

des quasi-dynamischen Verfahrens reproduzierbar ist (QDT).

Einstrahlwinkel (IAM) auf die thermische Leistung für eine allgemeingültige Charakterisierung, und damit für aussage-

Möglichkeit, unbekannte biaxiale IAM-Verläufe mittels erwei-

kräftige Ertragsprognosen, von zentraler Bedeutung.

terter multilinearer Regression zu bestimmen. Im Experiment konnten mit diesem Messverfahren im Einzelfall bereits sehr

Die Charakterisierung von konzentrierenden Kollektoren wirft

gute und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden (Abb.2).

besondere Fragen auf und erfordert die Überprüfung der

Auch die Betriebssicherheit des Kollektors haben wir unter

etablierten Prüfverfahren. Im Versuch konnte gezeigt werden,

Berücksichtigung der kommenden Normrevision durch

dass das stationäre Messverfahren (SSM) in seiner jetzigen

Funktionsprüfungen nachgewiesen. Nach erfolgreichem

Form nicht geeignet ist, um konzentrierende Kollektoren aus-

Abschluss der Prüfungen konnte mit dem von isomorph

reichend zu beschreiben, da es die Diffusstrahlungsakzeptanz

s.r.l. entwickelten Linearspiegel (Abb. 1) zum ersten Mal ein

nicht berücksichtigt. Das quasi-dynamische Messverfahren

konzentrierender Kollektor durch das Fraunhofer ISE zur

(QDT) beschreibt diesen Parameter und bietet zudem die

Zertifizierung vorgeschlagen werden.

55


1

Beschleunigte Alterungstests für solarthermische Kollektoren Sonnenkollektoren sind die am stärksten belasteten

1 Exponierte Kollektoren auf dem Teststand des Fraunhofer ISE

Komponenten einer thermischen Solaranlage, da sie

am maritimen Freibewitterungsstandort auf dem Gelände des

neben hohen Temperaturen auch Belastungen wie

Instituto Tecnológico de Canarias, Pozo Izquierdo, Gran Canaria.

UV-Strahlung, Wind, Salz, Staub und Feuchtigkeit standhalten müssen. Für die Quantifizierung des Alterungsverhaltens von solarthermischen Kollektoren und deren Komponenten werden von der Gruppe »Gebrauchsdaueranalyse« des Fraunhofer ISE Sonnenkollektoren an Standorten mit Extremklimaten exponiert, um angepasste Prüfungen entwickeln und validieren zu können. Markus Heck, Thomas Kaltenbach, Matthis Reinke Kurth, Sandrin Saile, Karl-Anders Weiß, Harry Wirth Die Freibewitterungsstandorte zeichnen sich durch typische

Hierzu wurde ein Verfahren entwickelt, das die reproduzierba-

Kombinationen verschiedener Belastungsfaktoren aus, z. B.

re Beschmutzung der Prüflinge mit Normstäuben erlaubt. Um

hohe UV-Strahlung mit mechanischen Wind- und Schnee-

die Stabilität der Schichten zu testen, wurden ausgewählte

lasten am Standort Zugspitze oder starke Einstrahlungen bei

Prüflinge verschiedenen Alterungsprüfungen unterzogen

hohen Temperaturen und großen Tag-Nacht-Unterschieden

(85 °C mit und ohne UV-Strahlung). Die Degradation der

am Wüstenstandort in Israel. Am maritimen Standort auf

schmutzabweisenden Funktionalität wurde mittels Trans-

Gran Canaria treten neben einer hohen Luftfeuchtigkeit mit

missions- und Kontaktwinkelmessungen sowie durch den

hohem Gehalt an Salz-Aerosolen beträchtliche Windlasten auf

entwickelten Beschmutzungstest untersucht. Es zeigten sich

(Abb. 1). Durch die Kombination dieser Faktoren zeigt sich auf

große Unterschiede in der Leistungsfähigkeit und Beständig-

den Prüfmustern schon nach wenigen Tagen ein »Klebefilm«,

keit. Aktuell wird das Testverfahren weiterentwickelt. Ebenso

der angetragenen Sand zu einer Schmutzschicht auf dem

werden weitere Gläser und Beschichtungen untersucht.

Prüfgut verklebt. Der seltene Regen kann diese Verkrustungen nicht mehr vollständig abwaschen, so dass sie mechanisch ent-

Die Arbeiten werden vom Bundesministerium für Umwelt,

fernt werden müssen. Seitens der Hersteller und der Betreiber

Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) sowie Partnern aus

besteht deshalb ein großes Interesse, die Funktionalität von

der Industrie im Rahmen des Projekts »SpeedColl« unterstützt.

schmutzabweisenden oder selbstreinigenden Oberflächen zu überprüfen. Daher wurden u. a. schmutzabweisende Beschichtungen von Glasabdeckungen auf deren Wirkung und Beständigkeit gegenüber auftretenden Witterungseinflüssen untersucht.

56

www.speedcoll.de


S olarkreis

Speicher 22 °C

LA S T 75 °C

75 °C

2

1

Markt und Systemtechnik für Solare Prozesswärme in Indien Mit seinem hohen solaren Strahlungsangebot und

1 Prozesswärmeanlage mit 150 m² Flachkollektoren und 6,5 m3

seiner schnell wachsenden Wirtschaft ist Indien ein

Pufferspeicher in Neu Delhi. Puffer wird an Tag 1 beladen und

vielversprechender Markt für solare Prozesswärme.

abends manuell in den Nachheizspeicher entladen, der während

Trotz gesetzlicher Verpflichtungen und der Förderung

Tag 2 in vier Einheiten bei 75 °C entladen wird.

thermischer Solaranlagen wächst der Markt für dieses

2 Schema der drucklosen Beispielanlage mit Solarkreis, Puffer- und

Anwendungsfeld dort aber nur langsam. In Zusammen-

Nachheizspeicher (inklusive elektrischer Heizregister). Zwischen den

arbeit mit der GIZ Indien haben wir auf Basis unserer

Speichern befindet sich eine Höhendifferenz von ca. 10 m.

Erfahrungen im Bereich solarthermischer Technologieund Marktentwicklung in Europa, die Möglichkeiten und

wir neben wirtschaftlichen und förderrechtlichen Rahmenbe-

Rahmenbedingungen des Transfers deutscher Solarther-

dingungen auch gängige Planungspraktiken und verfügbare

mie-Technologie nach Indien zur Bereitstellung solarer

Systemtechnik in Indien analysiert und bewertet. Es bestehen

Prozesswärme bewertet. Anhand einzelner Anlagen

wesentliche Unterschiede zwischen Deutschland und Indien,

haben wir die europäische Systemtechnik mit Lösungen

die für einen Technologie- und Wissenstransfer berücksichtigt

indischer Anbieter verglichen und eine Befragung von

werden müssen. Der europäische Stand der Technik lässt

Marktteilnehmern in Indien durchgeführt.

sich nur bedingt auf Indien übertragen, weil hier andere Anforderungen an Komponenten, Systemtechnik, Auslegung,

Annabell Helmke, Stefan Heß, Deepthaa Sampath Kumar,

Regelung und Betriebsführung gestellt werden.

Gerhard Stryi-Hipp, Werner Platzer Charakteristisch für die lokale Ausführung ist ein solares Gegenwärtig hat Solarthermie in Indien teilweise ein negatives

Prozesswärme-System für einen Pharmakonzern in Neu Delhi

Image, weil fehlerhafte Auslegung, Betriebsführung und

(Abb. 1). Auf Wunsch des Anlagenbetreibers wurde von den

Wartung in der Vergangenheit dazu geführt haben, dass die

Anbietern gezielt eine einfache Regelstrategie eingesetzt.

Funktionsfähigkeit und Lebensdauer der Anlagen nicht den

Den Zuschlag erhielt ein kostengünstiges, druckloses System

Erwartungen entsprachen. Im Rahmen der Erarbeitung von

(Abb. 2) mit solarem Vorwärmspeicher, dessen Inhalt am Ende

Maßnahmen für eine verbesserte Marktentwicklung haben

jedes Tages manuell in einen schon bestehenden elektrischen Nachheizspeicher geleitet wird. Wir haben die im Rahmen der

Faktoren Jährlich Einstrahlung kWh/m²/a

Deutschland ca. 1140 Freiburg ca. 970 Bremen

Indien ca. 2370 Jaipur ca. 1640 Neu-Delhi

Systeme druckbeaufschlagt

üblich

Medium Solarkreis Regelung

Wasser-Glykolgemisch Wasser

Das Zwischenergebnis dieser Arbeiten zeigt, dass eine deutlich

komplex

einfach

verbesserte Marktentwicklung solarer Prozesswärme in Indien

Elektronische Ertragsüberwachung

häufig

selten

nicht üblich

Ausschreibung eingereichten Angebote bewertet, Verbesserungen an Regelung und Systemtechnik vorgeschlagen und ein Monitoringkonzept erstellt.

nur möglich ist, wenn die spezifischen Anforderungen an Systemtechnik und Betriebsführung bekannt sind, um angemessene Optimierungen unter Berücksichtigung landesspezifischer

3 Faktoren Technologietransfer Solare Prozesswärme.

Gegebenheiten vorzunehmen.

57


E lektrische E nergie [ gw h ] 260 öl

S olarsalz

HITEC

240

220

220 B rutto verfügbare

N etto verfügbare

N etto verfügbare

elektrische E nergie

elektrische E nergie

elektrische E nergie

ohne G efrierschutz

mit G efrierschutz

1

Bewertung von Parabolrinnen-Kraftwerken mit Salzschmelze-Kreislauf Als neue Wärmeträgerfluide in solarthermischen Kraft-

1 Vergleich der erzeugten elektrischen Brutto- und Nettoenergie

werken werden eutektische Mischungen von Salz-

mit und ohne Einfrierschutz durch Begleitheizung bei drei

schmelzen vorgeschlagen, mit denen die Betriebstempe-

Standardwärmeträgern Therminol VP1 (Thermoöl), Solarsalz

ratur der Solarfelder gegenüber dem jetzt verwendeten

KNO3/NaNO3 und Hitec®.

Thermoöl deutlich erhöht werden kann. Höhere Dampftemperaturen im Verdampfer und Überhitzer können dann zu höheren thermodynamischen Wirkungsgraden im Kraftwerksblock führen. Dieses ist ein positiver Faktor, der zu besserer Wirtschaftlichkeit von Parabolrinnen

bei Solarsalz. Bei der Simulation des Abkühlverhaltens im Falle

oder Fresnelkraftwerken führen kann. Negative Fakto-

des nächtlichen Stillstands bzw. bei sehr niedrigen Einstrah-

ren sind dagegen die eventuell höheren Kosten zur Ver-

lungsbedingungen ist es absolut notwendig, in der Simulation

hinderung des Einfrierens der Salzschmelzen im Betrieb

nicht Stundenwerte quasistationär zu verwenden, sondern

und der Korrosion.

das Auskühlverhalten mit Wärmekapazitäten dynamisch mit kurzen Zeitschritten zu beobachten. Dafür haben wir unser

Florian Boess, Raymond Branke, Thomas Fluri, Werner Platzer

Simulationsmodell »ColSim« so erweitert, dass SalzschmelzeKreisläufe dynamisch simuliert werden können. Ebenso

Salzschmelze wird bereits versuchsweise in Parabolrinnen auf

werden Speicher, Solarfelder und Dampfkreisläufe abgebildet.

Sizilien erfolgreich verwendet. Um das Einfrieren des Fluids unterhalb der Schmelztemperatur zu verhindern, wird bei

Für Standorte mit geringer Direktnormalstrahlung (DNI)

Auskühlung eine elektrische Begleitheizung zugeschaltet.

haben wir hohe parasitäre Energieverbräuche durch die

Je nach Schmelztemperatur des Fluids ist dies früher oder

notwendige Begleitheizung gefunden (Abb. 1). Deswegen

später notwendig. Damit ist auch der parasitäre Energiever-

sind in den untersuchten Fällen die Nettoenergiegewinne

brauch unterschiedlich, der obendrein von den hydraulischen

unter Berücksichtigung der Begleitheizung mit Thermoöl

Druckverlusten abhängt, welche die Pumpenergie bestimmen.

und dem kommerziellen HITEC®-Salz deutlich höher als bei

Der Bereich der Betriebstemperaturen des Thermoöls liegt bei

der Solarsalzmischung. Der Nettoenergieertrag für Solarsalz

20–390 °C, von Solarsalz (Mischung 40 % KNO3/60 % NaNO3)

ist dann 4,3 % niedriger als bei Thermoöl, während er mit

bei 260–560 °C und bei 150–540 °C für kommerzielles

16,8 % für HITEC®-Salz 0,4 % höher ist. Die Absenkung

HITEC®-Salz.

des Schmelzpunktes des Flüssigsalzes erscheint daher für eine optimale Verwertung notwendig. Für eine umfassende

Um den parasitären Energiebedarf abschätzen zu können,

Bewertung müssen aber auch andere Faktoren, z. B. Kosten,

wurde ein Modellkraftwerk des Typs ANDASOL 3 simuliert.

berücksichtigt werden. Diese liegen für Salz als Wärmeträger

Hierbei handelt es sich um ein Parabolrinnenkraftwerk mit

niedriger als bei Thermoöl. Auch werden andere Mechanismen

500 000 m2 Aperturfläche und einer 50 MW Turbine sowie

zur Verhinderung der Erstarrung untersucht.

Speicherung. Der nominelle thermodynamische Wirkungsgrad des Dampfkreislaufs erhöht sich wegen der höheren Dampf-

Das Projekt wird von der Europäischen Union im 7. Rahmen-

temperatur von 34,5 % im Falle des Thermoöls auf 39,7 %

programm gefördert.

58


1

© Novatec Solar GmbH

R ezirkulation

R ücklauf

E inspritzregelung

dampf -

trommel

Ü berhitzer

V orlauf

V erdampfer

K raftwerks block

2

P umpe

Optimierung der Frischdampfparameter in einem linearen Fresnelkraftwerk Bei der Entwicklung von solarthermischen Kraftwerks-

1 Kollektorfeld des linearen Fresnelkraftwerks PE2 der

technologien ist ein Trend hin zu höheren Solarfeld-

Novatec Solar GmbH in Spanien.

temperaturen zu beobachten. Das Ziel sind geringere

2 Blockschaubild des implementierten ColSim-Modells

Stromgestehungskosten. Einerseits kann der thermody-

eines linearen Fresnelkraftwerks.

namische Wirkungsgrad des Kraftwerksblocks gesteigert werden. Andererseits fallen höhere Komponentenkosten an und die thermischen Verluste im Solarfeld werden sichtlich minimaler Stromgestehungskosten haben wir ein direktverdampfendes lineares Fresnelkraftwerk als Modell in der Fraunhofer ISE eigenen Software ColSim implementiert und mit einem Kostenmodell verknüpft. Damit konnten wir für verschiedene Standorte und Kraftwerkskonzepte Optimierungen durchführen. Thomas Fluri, Simon Lude, Werner Platzer

LCOE/LCOE 500 °C/ACC_33EVAC

erhöht. Zur Optimierung der Frischdampfparameter hin1,18 1,12 1,06

ACC_33EVAC gestrichelt: 530 °C/120 bar, 570/150 bar ACC_100EVAC durchgehend: 530 °C/90 bar, 570/90 bar WCC_33EVAC WCC_100EVAC

50 bar

70 bar

90 bar

1,00 0,94 0,88 0,82 350

400

450

500

550

600

Frischdampftemperatur [°C]

Die Simulationsumgebung ColSim bietet die Möglichkeit, hydraulische Kreise im dynamischen Modell abzubilden.

3 Berechnete relative Stromgestehungskosten für den Standort

Damit ist es uns möglich unterschiedliche Betriebsstrategien,

Daggett: Optional Trocken- (ACC) oder Nasskühlung (WCC) sowie

neue Technologien und Kraftwerkskonzepte zu simulieren

Vakuumabsorber nur in der Überhitzerstrecke (33EVAC) oder im

und deren Einfluss auf Ertrag oder Betriebsstabilität auch im

kompletten Feld (100EVAC).

Kurzzeitverhalten zu bewerten. Das für diese Studie entwickelte Modell basiert auf der Tech­

500 °C der Frischdampfdruck bei 90 bar gehalten wird. Der

nologie der Novatec Solar GmbH. Das Solarfeld ist in eine

positive Effekt bei den Stromgestehungskosten ist unterhalb

Verdampferstrecke und eine Überhitzerstrecke aufgeteilt.

500 °C mit durchschnittlich 3,0 % / 100 °C deutlicher

Dazwischen befindet sich eine Dampftrommel, um die

ausgeprägt als oberhalb 500 °C mit 1,7 % / 100 °C. Wird der

Flüssig- von der Gasphase zu trennen. Optional wird der

Frischdampfdruck weiter erhöht, wirkt sich der zusätzliche

Kraftwerksblock trocken oder nass gekühlt. Für das Solarfeld

Materialaufwand negativ aus. Die Vorteile von Nasskühlung

stehen ein luftstabiler Absorber und ein Vakuumabsorber zur

gegenüber Trockenkühlung und der Vorteil des Einsatzes von

Verfügung. Der Einfluss der verschiedenen Absorbertypen in

luftstabilen Absorbern gegenüber Vakuumabsorbern in der

beiden wurde für vier Standorte untersucht. Es konnte gezeigt

Verdampferstrecke sind ersichtlich.

werden, dass sich eine höhere Frischdampftemperatur über den gesamten untersuchten Temperaturbereich positiv auf die

Die Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Umwelt,

Stromgestehungskosten auswirkt, jedoch nur, wenn oberhalb

Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert.

59


Strom aus Sonnenlicht

60


Silicium-Photovoltaik

Die Silicium-Photovoltaik hat nach Jahren des erfolgreichen

Wafer anzufertigen. Die wissenschaftlichen Schwerpunkte

Wachstums weltweit eine Produktionskapazität von ca.

unserer Arbeiten liegen in der Verbesserung des Kristallisati-

60 GWp erreicht. Das Marktvolumen für Si-basierte Module

onsprozesses hin zu höchsteffizienzfähigen Siliciumkristallen

lag 2012 dagegen bei ca. 30 GWp. In der Folge sind die

sowie in der Anpassung der Kristallisationsprozesse an das

Modulpreise teilweise unter die Herstellungskosten gefallen

jeweils spezifische Solarsilicium, z. B. gereinigtes metallurgi-

und für einige Betriebe im In- und Ausland führte die damit

sches Silicium (»Upgraded Metallurgical Grade Silicon/UMG«).

verbundene ökonomische Herausforderung in die Insolvenz.

Im Sägebereich beschäftigen wir uns mit der Herstellung

Das Jahr 2012 war somit von einer industriellen Krise geprägt.

dünnerer Wafer und mit Diamantdrahtsäge-Prozessen.

Unsere FuE-Angebote zielen nun darauf ab, gemeinsam mit der Industrie neue innovative Produkte in den Markt zu

Das Konzept der kristallinen Silicium-Dünnschichtsolarzelle

überführen, so dass die Herstellungskosten gesenkt werden

kombiniert qualitativ sehr hochwertige kristalline Silicium-

können und die PV-Industrie in Deutschland und Europa

schichten mit Methoden aus der Dünnschichtsolarzellenher-

kompetitiv produzieren kann.

stellung und kann dadurch potenziell sehr niedrige Kosten für PV-Module erzielen. Für dieses Konzept entwickeln wir

Rund 90 Prozent der hergestellten nominalen Solarzellen-

spezifische Anlagen und Prozesse. Schwerpunkte unserer Ar-

leistung basiert auf kristallinem Silicium. Wirkungsgrad,

beit sind Anlagen für Hochdurchsatz-Siliciumabscheidung und

Preis-/Leistungsverhältnis, Langzeitstabilität und belastbare

-Zonenschmelz-Rekristallisation sowie angepasste Prozesse für

Kostenreduktionspotenziale sprechen dafür, dass dieser

Substrat-, Schicht- und Solarzellenherstellung.

Leistungsträger der terrestrischen Photovoltaik auch künftig marktbeherrschend sein wird. Mit unseren FuE-Angeboten

Eine zentrale Aufgabe unseres ETAlab® ist die Entwicklung

bilden wir die gesamte Wertschöpfungskette der kristallinen

und Analyse von hocheffizienten Solarzellenkonzepten

Silicium-Photovoltaik ab.

und -prozessen, um mit kosteneffektiven Prozessen höhere Wirkungsgrade zu erzielen und damit die Voraussetzung für

Die PV-Materialplattform des Fraunhofer ISE mit dem Silicium

eine substanzielle Kostensenkung in der Silicium-Photovoltaik

Material Technologie und Evaluationscenter SIMTEC in Frei-

zu schaffen. ETA steht dabei für Effizienz, Technologie und

burg, dem gemeinsam mit dem Fraunhofer IISB betriebenen

Analyse. Bei den Solarzellenkonzepten liegt unser Fokus

Technologiezentrum Halbleitermaterialien THM in Freiberg

auf rückseitig kontaktierten Zellen und Strukturen für n-Typ

sowie dem Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Silicium. Das ETAlab® umfasst eine ausgezeichnete Prozess-

in Halle, das gemeinsam mit dem Fraunhofer IWM betrieben

infrastruktur im 500 m2 großen Reinraumlabor, die es uns

wird, deckt alle Forschungsthemen im Bereich des Silicium-

ermöglichte, mehrere internationale Rekordwirkungsgrade zu

materials ab. Im Kristallisationsbereich beschäftigen wir uns

erzielen. Zusätzlich stehen uns ca. 900 m2 Einzellaborflächen

mit Prozesstechnologien wie dem Floatzone- und Czochralski-

zur Verfügung, um effektive Oberflächenpassivierungs-

Verfahren, um monokristallines Silicium herzustellen. Darüber

schichten, neuartige Metallisierungs- und Dotierverfahren,

hinaus entwickeln wir blockkristallisiertes Silicium. Für die

innovative Nanostrukturierungstechnologien und neue

Blockkristallisation verfügen wir über eine Kristallisationsanla-

Charakterisierungsmethoden zu entwickeln. In diesem Jahr

ge, die es uns erlaubt, 15 kg bis 250 kg schwere multikristalli-

haben wir unser Technologieportfolio mit der Installation eines

ne Blöcke herzustellen. Auch die Säge- und Schleiftechnologie

Ionenimplanters zur Herstellung von strukturierten Bor- und

ist vorhanden, um aus den kristallisierten Blöcken Säulen und

Phosphordotierungen nochmals erweitert.

61


S i l i c i u m - P h o t o v o lta i k

In unserem Photovoltaik Technologie Evaluationscenter

Der neu im Reinraum des Fraunhofer ISE installierte Ionen-

PV-TEC können wir auf über 1200 m Technologiefläche im

implanter erlaubt die Dotierung von Silicium mit Bor und

Pilotmaßstab, d. h. mit einem Durchsatz von mehr als 100

Phosphor mit einer sehr exakten lokalen Auflösung. In

Wafern pro Stunde, sowohl Solarzellen mit industriell üblichen

Verbindung mit einem am Fraunhofer ISE entwickelten

siebgedruckten Kontakten als auch mit hochwertiger Ober-

Ausheilschritt konnten wir so Emitter mit sehr geringen

flächenpassivierung und neuartiger Verschaltungsarchitektur

Rekombinationsströmen herstellen. Insbesondere bei

herstellen. Für die verschiedenen Technologiebereiche stehen

Solarzellenstrukturen mit strukturierter Dotierung, z. B.

uns flexible halbautomatische und hochproduktive vollauto-

Rück­seitenkontaktsolarzellen, bietet diese Technologie

matische Anlagen für die Prozessentwicklung zur Verfügung.

große Vorteile.

2

Schwerpunkte der produktionsnahen Technologieentwicklung für die kristalline Silicium-Photovoltaik liegen in den Bereichen Hochtemperatur- und Drucktechnologie, nass- und plasmachemische Verfahren sowie Laser und physikalische Gasphasenabscheidung. Ergänzt wird dieser Technologiepark durch Inline- und Offlinemesstechnik. Alle Material- und Prozessdaten werden in einem zentralen Datenbanksystem erfasst und stellen so unsere hohen Qualitätsanforderungen sicher, die sich auch insbesondere zur Analyse neuer Materialien eignen. Unsere Leistungen reichen von der Entwicklung

Das Photovoltaik Modul-Technologiecenter MTC am

neuer Konzepte auf Pilotniveau über die Bewertung neuer

Fraunhofer ISE ermöglicht schließlich die Verarbeitung neuer

Technologien bis zum Transfer in die Produktionslinien unserer

Zellen und Materialien in aussagekräftigen Stückzahlen und

Kooperationspartner. 2012 haben wir unsere Technologie-

Formaten. Prozessschritte und Anlagentechnik für die Mo-

Plattform für die Herstellung von Solarzellen aus n-leitendem

dulproduktion werden bis zur Vorstufe einer Serienfertigung

Silicium deutlich erweitert.

entwickelt. Kernstücke des Technikums sind ein industrieller Stringer und ein Laminator, ergänzt durch eine Reihe von Pro-

Für alle genannten Technologieschwerpunkte bildet unser

zess- und Analyseplattformen. Weitere Einzelheiten über diese

exzellenter Charakterisierungs- und Simulationspool die

Aktivitäten finden sich im Kapitel Photovoltaische Module und

Grundlage für effektive und wissenschaftlich fundierte Ent-

Systeme (s. S. 88).

wicklungen. Wir sind maßgeblich an der Entwicklung neuer Charakterisierungsverfahren beteiligt, z. B. der bildgebenden

Unsere Aktivitäten im Bereich Siliciummaterial und -solarzellen

Photolumineszenzmethode zur Analyse von Siliciummaterial

am Standort Freiburg werden ergänzt durch das Labor- und

und Zellen.

Servicecenter LSC Gelsenkirchen (s. S. 82).

62


S i l i c i u m - P h o t o v o lta i k

A n sp r e c h p a r t n e r Feedstock, Kristallisation und Wafering

Dr. Stephan Riepe

SIMTEC

Dr. Peter Dold

CSP-LKT

Prof. Hans Joachim Möller

THM

Kristalline Silicium-Dünnschichtsolarzellen

Dr. Stefan Reber

Telefon +49 761 4588-5636 stephan.riepe@ise.fraunhofer.de Telefon + 49 345 5589-428 peter.dold@csp.fraunhofer.de

hans.joachim.moeller@ise.fraunhofer.de

Industrielle und neuartige

Telefon +49 3731 2033-160

Telefon +49 761 4588-5248 stefan.reber@ise.fraunhofer.de

Dr. Stefan Glunz

Solarzellenstrukturen

Telefon +49 761 4588-5191 stefan.glunz@ise.fraunhofer.de

Dr. Ralf Preu

Telefon +49 761 4588-5260 ralf.preu@ise.fraunhofer.de

Module Dr. Harry Wirth Produktionsanlagen und Prozessentwicklung

harry.wirth@ise.fraunhofer.de Dr. Ralf Preu

Telefon +49 761 4588-5858

Telefon +49 761 4588-5260 ralf.preu@ise.fraunhofer.de

Dr. Stefan Glunz

Telefon +49 761 4588-5191 stefan.glunz@ise.fraunhofer.de

Charakterisierung, Qualitätssicherung

Dr. Wilhelm Warta

und Messtechnikentwicklung:

Telefon +49 761 4588-5192 wilhelm.warta@ise.fraunhofer.de

Material, Zellen und Module

63


2

1

Siliciumwaferherstellung mit diamantbesetztem Sägedraht Die Waferherstellung mit diamantbesetztem Sägedraht

1 Hochaufgelöste laser-konfokale 3D-Aufnahme (256 x 256 x 80 µm³)

ist neben dem Sägeprozess mit losem Abrasiv eine neue,

eines kommerziellen diamantbesetzten Sägedrahts.

alternative Technologie. Der technologische Unterschied

2 3D-Aufnahme (128 x 128 µm²) eines Siliciumschrägschliffs. Durch

liegt in erster Linie in der Sägedrahtbestückung mit

Anätzen der Probe wurden Microrisse sichtbar gemacht (schwarze

fest anhaftenden Diamantkörnern. Dadurch liegt ein

Kontraste).

veränderter Abtragsprozess vor. Die Erforschung und Weiterentwicklung dieser Trenntechnologie ist ein Schwerpunkt des Fraunhofer Technologiezentrums für

notwendig. Die technische und analytische Ausrüstung des

Halbleitermaterialien THM. Unsere Ergebnisse zeigen,

Fraunhofer THM wurde auf dieses Forschungsziel ausgerichtet.

dass sich die Oberflächenschädigung und Bruchfestigkeit

Für die Sägeversuche haben wir eine industrielle Vieldrahtsäge

von mono- und multikristallinem Siliciummaterial stark

technisch optimiert und mit zusätzlicher Messtechnik verse-

unterscheiden.

hen. Damit stellten wir Wafer aus mono- und multikristallinem Silicium her und charakterisierten deren Oberflächen-, Riss-

Rajko Buchwald, Marcel Fuchs, Hans Joachim Möller,

und Brucheigenschaften. Die Oberflächencharakterisierung

Stefan Retsch, Sindy Würzner, Andreas Bett

erfolgte mit laser-konfokalen und chromatisch-konfokalen Messsystemen. Zur Risstiefenbestimmung an einem Wafer

Der Einsatz von diamantbesetzten Drähten zur Siliciumwafer-

stellen wir einen Schrägschliff her. Die Risse werden im An­

herstellung ist ein relativ neues Verfahren. Für eine industrielle

schluss durch Strukturätzen hervorgehoben und optisch

Nutzung dieser Technologie sind zum Teil grundlegende

ausgewertet, um die maximale Risstiefe zu bestimmen. Durch

Untersuchungen sowie innovative Prozessoptimierungen

die Auswertung dieser Parameter lässt sich einerseits der Sägeprozess verbessern, andererseits aber auch die Bruchanfälligkeit der Wafer in industriellem Maßstab bestimmen und optimieren. Wir konnten zeigen, dass die maximalen Risstiefen bei monokristallinen Wafern um etwa 15 % geringer sind und

Risstiefe in µm

die Risstiefenschwankung auf einem Wafer um etwa 40 % kleiner ist im Vergleich zu multikristallinen Siliciumwafern (Abb. 3). Das lässt auf eine höhere kritische Bruchspannung für monokristalline Wafer schließen, was durch Bruchtests bestätigt wurde. Die Arbeiten wurden durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), die Bundesministerien für mono-Si

multi-Si

Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) sowie für Bildung und Forschung (BMBF), das Staatsministerium

3 Darstellung der maximalen Risstiefen mehrerer mono- und

für Wissenschaft und Kunst (SMWK) sowie die Sächsische

multikristalliner Siliciumschrägschliffproben.

AufbauBank (SAB) gefördert.

64


1

Herstellung monokristalliner p- und n-Typ Ingots mit Czochralski-Verfahren Die Czochralski-Technik stellt derzeit das Standardver-

1 Czochralski-Einkristall, Durchmesser: 210 mm, Gewicht 55 kg.

fahren für die Herstellung monokristalliner Ingots dar. Mit unserer Czochralski-Anlage sind wir in der Lage, Kristalle von industrieller Größe zu ziehen, mit typischen Widerstand CZ33 [Messung]

Durchmessern von 8“ (210 mm). Aktuelle Herausforderungen liegen in der Bereitstellung von n-Typ Material mit möglichst geringer Variation des Widerstands als

Theoretischer Verlauf (Phosphor) Widerstand CZ35 (Messung)

100

Widerstand CZ33 [Messung] Widerstand CZ35 (Messung)

ner Dotierstoffe und testen unterschiedliche Möglichkeiten, den axialen Widerstandsverlauf zu beeinflussen. Ein

Widerstand [Ωcm]

Halle untersuchen wir das Einbauverhalten verschiede-

Verlauf (Bor)

Theoretischer Verlauf (Phosphor) CZ37 (Messung) Widerstand Theoretischer Verlauf (Phosphor)

Basis für hocheffiziente Zellkonzepte. Im Labor für Kristallisationstechnologie des Fraunhofer CSP (CSP-LKT) in

Theoretischer Widerstand CZ33 [Messung] Widerstand CZ35 (Messung)

Theoretischer Verlauf (Phosphor + Gallium)

Theoretischer Verlauf (Bor)

Theoretischer Verlauf (Bor)

Widerstand CZ37 (Messung)

Widerstand CZ37 (Messung)

Theoretischer Verlauf (Phosphor + Gallium)

Theoretischer Verlauf (Phosphor + Gallium)

10

Ansatz, an dem wir aktuell arbeiten, ist das zusätzliche Dotieren mit Gallium. Eine weitere Möglichkeit ist das Nachführen von Silicium in den Prozess.

1 0

100

200

300

400

500

600

Stablänge [mm]

Rainer Barth, Peter Dold, Thorsten Eckardt, Malte Ernst, André Henkel, Roland Kunert, Stefan Wieczorek, Frank Zobel.

2 Widerstandsprofile verschiedener 8“ Czochralski-Kristalle: berech-

Andreas Bett

neter und mit 4-Punktsonde gemessener Verlauf.

Die Herstellung monokristalliner Ingots als Ausgangsmaterial für die Zellproduktion stellt ein zentrales Thema für das CSP-

Die steigende Nachfrage nach n-Typ Material – als Grundlage

LKT dar. Mit unserer Czochralski-Anlage vom Typ EKZ-2700

für zukünftige Hocheffizienzzellprozesse – stellt höhere

können wir Einwaagen bis 60 kg verarbeiten, was bei einem

Anforderungen an die Kristallisation: Während sich Bor (für

Durchmesser von 210 mm einer Ingotlänge von ungefähr

die Herstellung von p-Typ Material) relativ gleichmäßig in den

600 mm entspricht (oder einem Äquivalent von ungefähr

Kristall einbaut, findet bei der Verwendung von Phosphor zur

2000 Wafern pro Durchlauf). Wesentliche Fragestellungen

Erzeugung von n-Typ Kristallen eine deutliche Anreicherung

sind für uns die Evaluierung von Feedstockmaterialien, die

im hinteren Bereich des Ingots statt, was zu einem starken

Wechselwirkungen zwischen Siliciumschmelze und Tiegel und

Abfall des Widerstands führt. Um einen möglichst stabilen

die Tiegelkorrosion, das Kristallisationsverhalten verschiedener

Zellprozess fahren zu können, ist ein gleichmäßiger, homoge-

Materialtypen, wie z. B. Granulat gegenüber Siliciumbruch,

ner Verlauf des Widerstands erstrebenswert. Möglichkeiten

das Nachführen von Silicium während des Prozesses und

der Steuerung stellen, z. B. das Nachführen (»Feeden«) von

schließlich die Herstellung von Ingots mit bestimmten Dotie-

Silicium, oder die Ko-Dotierung von Gallium zur Phosphor-

rungen und Dotierstoffverläufen.

grunddotierung dar.

65


2

1

Kristallisation von 250 kg SiliciumBlöcken – Optimierung des Gasstroms Multikristalline Ingots zeichnen sich einerseits durch

1 Multikristalliner G4-Block, Gewicht 250 kg.

relativ geringe Sauerstoffkonzentrationen und somit

2 Kristallisation im offenen Tiegelsystem führt zu einer grünlich-

einer reduzierten B-O-Komplexbildung aus, andererseits

grauen Verfärbung der Blockoberfläche (oben – VGF-I), Optimierung

besteht die Gefahr der Kohlenstoffübersättigung und

des Argonstroms resultiert in blanken Oberflächen (unten – VGF-II).

somit der Bildung von SiC-Ausscheidungen. Die Optimierung des Gasstroms in unserem G4-Kristallizer stellt für uns einen wichtigen Arbeitsschwerpunkt dar. Das Ziel ist, die Wechselwirkung zwischen dem CO der Prozessgasatmosphäre und der Oberfläche der Siliciumschmelze zu minimieren, um eine möglichst hohe Ausbeute an Blöcken und an verwertbarem Wafer­material zu

beim Wafern der Blöcke und können zu Kurzschlüssen

erhalten.

(Shunts) in den Zellen führen. Durch das Design der Hot-Box und durch die Optimierung des Argonstroms und der

Rainer Barth, Peter Dold, Thorsten Eckardt, Malte Ernst,

Geometrie des Einlassrohrs eröffnet sich die Möglichkeit, die

André Henkel, Roland Kunert, Stefan Wieczorek, Frank Zobel,

Wechselwirkung zwischen CO und Siliciumschmelze zu kon-

Andreas Bett

trollieren bzw. zu minimieren. Zum besseren Verständnis der chemischen Vorgänge im Gasraum haben wir einen Restgas-

Am CSP-LKT in Halle steht uns mit dem Multikristallizer

analysator implementiert – dies erlaubt uns, die Konzentration

VGF-732 eine Anlage zur Verfügung, in der G4-Blöcke mit

von Restfeuchte, von Sauerstoff oder Kohlenmonoxid oder

einem Gewicht von 250 kg kristallisiert werden können.

von anderen gasförmigen Verunreinigungen als Funktion des

Typische Prozesszeiten liegen im Bereich von 40–50 Stunden,

Prozesszustands und der Prozessparameter zu untersuchen.

mit Erstarrungsgeschwindigkeiten im Bereich von 1 cm/h. Kristallisiert wird im kontinuierlichen Argonstrom. Das Argon dient

Der Übergang von einer offenen zu einer halboffenen und

zum einen der Erzeugung einer Schmelzkonvektion, wodurch

letztendlich zu einer quasi geschlossenen Tiegelanordnung hat

eine bessere Durchmischung der Schmelze erreicht wird. Zum

zu einer kontinuierlichen Reduktion der SiC-Bildung geführt

anderen wird durch Argon der Abtransport von CO aus dem

– war anfangs noch eine grünlich-graue Verfärbung auf der

Innenbereich des Ofens erleichtert. Die sogenannte Hot-Box,

Blockoberfläche vorhanden, sind wir jetzt in der Lage, Blöcke

d. h. der Bereich im Ofen, in dem sich der Tiegel mit dem zu

mit annähernd spiegelnden Oberflächen zu kristallisieren.

prozessierenden Silicium befindet, besteht aus einem Graphit­

Weiteres Optimierungspotenzial besteht in der Flussrate

stütztiegel, Graphitheizern und Graphitisolationsmaterial.

des einströmenden Argons sowie der Geometrie des

Aufgrund der hohen Temperaturen bis 1500 °C führen Spuren

Gaseinströmrohrs. Durch die Verbesserung der Rohrgeometrie

von Sauerstoff oder Restfeuchte zur Bildung von CO. Kommt

in Kombination mit der Verwendung eines quasi geschlosse-

CO in Kontakt mit flüssigem Silicium, wird es absorbiert, in der

nen Tiegelsystems konnten wir den Argonstrom (und somit

Schmelze gelöst und fällt oberhalb einer Grenzkonzentration

den Argonverbrauch) deutlich reduzieren, ohne dass dies

als SiC-Präzipitat aus, das dann in den wachsenden Kristall mit

zu einer merklichen Bildung von SiC im Oberflächenbereich

eingebaut wird. Diese SiC-Ausscheidungen bereiten Probleme

geführt hat.

66


1

2

BLOCKSILICIUM HOHER REINHEIT FüR HOCHEFFIZIENTE SOLARZELLEN Bei der gerichteten Erstarrung von Blocksilicium mit

1 Seitenansicht eines experimentellen Siliciumblocks nach Kristalli-

hoher Materialqualität für die Verwendung in hocheffi-

sation mit einer weiterentwickelten Tiegelbeschichtung.

zienten Solarzellen besteht eine wesentliche Herausfor-

2 Spiegelnde Oberfläche eines experimentellen Siliciumblocks nach

derung darin, während der Kristallisation den Eintrag

Optimierung des Gasmanagements.

von Verunreinigungen aus dem Tiegelsystem und dem Ofenraum in das Silicium zu reduzieren. Am Silicium Material Technologie und Evaluationscenter SIMTEC Verunreinigungselementen aus verschiedenen  Tiegel­ materialien und -beschichtungen sowie den Eintrag von volatilen Verunreinigungen über die Gasphase in das Silicium. Durch Verwendung neuer Materialien im Tiegelsystem sowie durch optimiertes Gasmanagement ha-

Blockhöhe [mm]

erforschen wir die Mechanismen des Übergangs von

ben wir eine signifikante Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des multikristallinen Siliciums erreicht. Fridolin Haas, Stephan Riepe, Claudia Schmid,

Blockbreite [mm]

Mark Schumann, Evariste Wete, Andreas Bett 3 Topographien der Ladungsträgerlebensdauer an einem Das heute industriell eingesetzte Tiegelsystem besteht aus ei-

vertikalen Querschnitt eines G1-Blocks mit herkömmlichem

nem Quarzguttiegel, umgeben von einem zumeist aus Graphit

industriellem Tiegelsystem (linke Hälfte) und hochreinem

hergestellten Stützsystem. Der Quarzguttiegel ist mit einer

experimentellem Tiegelsystem (rechte Hälfte).

Trennschicht aus Siliciumnitrid zum Lösen des Siliciumblocks vom Tiegel beschichtet. Beim Schmelzen und Erstarren des

signifikant verminderte Konzentrationen schädlicher Verun-

Siliciums können Verunreinigungsatome oder kleine Partikel

reinigungen, z. B. Eisen und anderen Übergangsmetallen,

aus dem Tiegelsystem herausgelöst werden und in das Silicium

herstellen (Abb. 3). Die Konzentration von Sauerstoff und

übergehen. Dadurch erfolgt ein Eintrag von Elementen in das

Kohlenstoff konnten wir durch Optimierung des Gasma-

Silicium, die insbesondere im Rand- und Kappenbereich des

nagements im Ofenraum mit Hilfe von Fluidsimulationen und

Blocks die Materialqualität vermindern und Regionen niedriger

Weiterentwicklung des Tiegelsystems signifikant reduzieren.

Ladungsträgerlebensdauer verursachen.

Dies ist an der spiegelnden Blockoberfläche der Siliciumblöcke zu erkennen (Abb. 2).

Durch die Verwendung von experimentellen Tiegeln aus hochreinem Quarzmaterial in einem dafür entwickelten

Die Arbeiten werden von der Fraunhofer-Stiftung und dem

Kristallisationsprozess sowie dem Einsatz von aufgereinigtem

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktor­

Siliciumnitridpulver zur Herstellung der Tiegelbeschichtung

sicherheit (BMU) im Rahmen des Projekts »SolarWins«

können wir Siliciumblöcke mit hoher Materialreinheit durch

unterstützt.

67


1

ENTWICKLUNG SLURRYBASIERTER DRAHT­ SÄGEPROZESSE FÜR DÜNNE WAFER Die industrielle Herstellung von Siliciumwafern für die

1 Monokristalliner 110 µm dicker Wafer, der im 4-Schneiden-Test

Photovoltaik erfolgt durch das Sägen von Kristallen in

auf mechanische Stabilität geprüft wird.

einer Vielspaltdrahtsäge. Bei diesem Prozess wird das Siliciummaterial durch ein Feld von mehreren hundert Drahtschlaufen geführt und mittels eines Abrasivmediums in Wafer zersägt. Am Silicium Material Technologie und Evaluationscenter SIMTEC arbeiten wir an der Wei-

Im industriellen Drahtsägeprozess mittels Vielspaltdrahtsägen

terentwicklung des slurrybasierten Drahtsägeprozesses

werden immer dünnere Wafer für Solarzellen hergestellt.

zur Herstellung dünner Wafer. Dabei untersuchen wir

Zum einen werden durch eine höhere Waferausbeute pro

den Einfluss von Prozessparametern, welche die

Silicium­ingot die Kosten pro Wafer reduziert, zum anderen

Wafergeometrie beeinflussen und die mechanische

können dünnere Solarzellen Vorteile hinsichtlich des Wir-

Festigkeit von Wafern reduzieren können. Basierend

kungsgrads aufweisen. Für Dicken kleiner 110 µm steigen

hierauf haben wir einen Prozess zur Herstellung von

jedoch die Anforderungen an den Sägeprozess, um homogene

Wafern mit einer mittleren Dicke von 110 µm etablieren

Wafergeometrien zu erhalten. Durch Weiterentwicklung des

können.

slurrybasierten Sägeprozesses haben wir Wafer mit einer mittleren Dicke kleiner 110 µm und geringer Dickenvarianz

Philipp Häuber, Teresa Orellana, Stephan Riepe, Devid Sabo,

über die Waferfläche herstellen können (Abb. 2).

Bernd Weber, Andreas Bett Ein wichtiger weiterer Aspekt ist die stark steigende Gefahr von Waferbruch während des Drahtsägeprozesses und der darauffolgenden Prozessschritte. Im Rahmen unserer Entwicklungsarbeiten haben wir daher die Auswirkungen von Faktoren untersucht, welche die mechanische Stabilität von Wafern reduzieren. Besonders signifikant wirken sich Schädigungen am Waferrand aus, was eine weitere Bearbeitung der Blockoberflächen nach dem Zerteilen des Ingots 100

100 80

80 60 m m

40

40 20

unumgänglich macht. Analysen an 110 µm dicken Wafern mit dem 4-Schneiden-Messaufbau (Abb. 1) zeigen, dass durch das

60

Bandsägen eine große Oberflächenschädigung eingebracht

m

wird. Diese kann jedoch sowohl durch Schleifen als auch

m

20 0 0

Ätzen sowie eine Kombination aus beiden weitestgehend reduziert werden. Die Arbeiten wurden durch die Fraunhofer-Stiftung und die

2 Dickenverteilung eines monokristallinen Wafers mit den Abmes-

Europäische Kommission im Rahmen des Projekts »20plµs«

sungen 125 x 125 mm² und einer nominellen Dicke von 110 µm.

unterstützt.

68


2

1

ProConCVD – Kostengünstige Siliciumepitaxie für die Photovoltaik Epitaxie von Silicium ist eine Schlüsseltechnologie,

1 ProConCVD: rechts im Bild Substratträger in der Beladestation,

um zukünftig kristalline Siliciumsolarzellen mit geringer

nach links anschließend die Eingangsgasschleusen sowie der Heiz-

Dicke herstellen zu können. Seit einigen Jahren ent­

ofen. Die Träger verlassen die Anlage auf der linken Seite.

wickeln wir eine Hochdurchsatzanlage für einen produk-

2 In der ProConCVD epitaktisch beschichtete 156 x 156 mm2 große

tionsnahen und kostengünstigen Epitaxieprozess. Nun

multikristalline Wafer. In dem 30 Minuten dauernden Prozess

ist es uns erstmals gelungen, mehrere Quadratmeter

wurden 72 Wafer mit ca. 13 µm Silicium beschichtet.

Substrate mit Silicium in nur einem Durchlauf epitaktisch zu beschichten. Damit ist der Grundstein gelegt, um das Beste aus Mikroelektronik, Dünnschicht- und kristalliner Siliciumsolarzellentechnologie erfolgreich miteinander zu verbinden. Martin Arnold, Philipp Barth, Dirk Krogull, David Pocza, Stefan Reber, Norbert Schillinger, Andreas Bett Aktuell ist eine Reihe von neuen Solarzellenkonzepten in der

zone sorgen dafür, dass kein Gasaustausch zwischen dem

Entwicklung, die auf dünnen, hochqualitativen kristallinen

Anlageninneren und dem Außenbereich entsteht und dass der

Siliciumschichten aufbauen. Entweder kommen dabei ultra­

Transport ohne Unterbrechungen kontinuierlich durchgeführt

dünne Wafer zur Anwendung (»Kerfless Wafers«), oder es

werden kann. Durch die spezielle paarweise Anordnung der

werden modulgroße Flächen beschichtet. Für alle Konzepte

Spuren werden die Substrate im Durchlauf aus der Gasphase

wird eine Abscheidetechnik benötigt, die hochqualitative

mit Silicium beschichtet und das bei maximaler Gasausnutzung

Siliciumschichten liefert. Wir haben dazu die ProConCVD

und ohne jegliche Prozessunterbrechungen durch Lade- und

(Production Continuous Chemical Vapor Deposition) ent­

Entladevorgänge. Mit etwa 5 m2 Fläche der Abscheidezonen

wickelt, bei deren Spezifikation niedrige Herstellungs- und

und einem maximalen Vorschub von zwölf Metern pro

Produktionskosten sowie ein hoher Durchsatz im Vorder­-

Stunde können wir mit unseren Hochtemperaturprozessen

grund standen.

Durchsätze von mehr als 30 m2 oder 1200 Wafern pro Stunde erreichen – etwa 100mal mehr als kommerziell erhältliche

Die Anlage besteht aus sechs Einzelspuren, in denen Subs-

Mikroelektronik-Reaktoren.

tratträger von etwa 0,5 x 0,5 m² Fläche aneinandergereiht werden. Die Trägerreihen werden durch eine Ladezone, dann

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Umwelt

durch zwei geheizte Abscheidezonen und schließlich durch die

und Reaktorsicherheit (BMU) sowie durch die Fraunhofer-

Entladezone geschoben. Gasschleusen an der Be- und Entlade­

Zukunftsstiftung gefördert.

69


1

Solarzellen mit rückseitigem amorphem Silicium-Heteroemitter N-typ Solarzellen mit einem amorph-kristallinen

1 Clusteranlage zur Abscheidung von amorphen Si-Heteroemittern

Silicium-Heteroübergang haben aufgrund der effektiven

mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung

Passivierung der Oberfläche und den damit erreichbaren

(PECVD) und von gesputterten TCO-Schichten (links). Bei der

sehr hohen Spannungen enormes Wirkungsgradpoten-

REM-Aufnahme von einer TCO-Schicht sind deutlich die kolumnare

zial. Ein limitierender Effekt ist jedoch die Verringerung

Struktur und die großen Kornbereiche zu erkennen (rechts).

des Stroms durch die parasitäre Absorption im amor-

2 N-Typ Si-Solarzelle mit amorphem Si-Heteroemitter, a-Si:H(p),

phen Silicium-Heteroemitter und des transparenten

mit (links) und ohne (rechts) TCO(n)-Schicht auf der Rückseite. Zur

leitfähigen Oxids (TCO) auf der lichtzugewandten Seite

Passivierung der Vorderseite wird ein Vorderseitenfeld, c-Si(n+), mit

der Solarzelle. Indem der Silicium-Heteroemitter auf

passivierenden dielektrischen Schichten verwendet.

der Solarzellenrückseite platziert wird, kann dieser Verlustmechanismus reduziert werden. Damit ergeben sich neue Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich Dotierung

Der Wirkungsgrad der Solarzellen ist somit, trotz hoher

und Schichtdicke der amorphen Siliciumschicht und auf

Spannungen, limitiert. Eine Möglichkeit, die parasitäre Ab-

das TCO auf der Vorderseite kann verzichtet werden.

sorption in den amorphen Si-Schichten zu umgehen, besteht darin, den amorphen Si-Heteroemitter auf die Rückseite der

Martin Bivour, Lena Breitenstein, Frank Feldmann,

Solarzelle zu platzieren und zur Passivierung der Vorderseite

Martin Hermle, Nicolas König, Antonio Leimenstoll,

bekannte transparente Methoden wie die Verwendung eines

Christian Reichel, Markus Reusch, Kurt-Ulrich Ritzau,

diffundierten oder implantierten Vorderseitenfelds und/oder

Felix Schätzle, Christian Schetter, Sonja Seitz,

von passivierenden dielektrischen Schichten anzuwenden.

Sebastian Schröer, Harald Steidl, Nadine Weber, Karin Zimmermann, Stefan Glunz

Für einen rückseitigen Si-Heteroemitter ergeben sich neue Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich der Dotierung und

Solarzellen mit einem amorph-kristallinen Silicium-Hetero-

Schichtdicke, da der Si-Heteroemitter nicht auf exzellente

übergang zeichnen sich aufgrund geringer Oberflächenre-

optische Eigenschaften ausgelegt werden muss. In klassischen

kombination durch ein hohes Wirkungsgradpotenzial aus und

Heterosolarzellen wird der p-Typ amorphe Si-Heteroemitter

sind daher ein wichtiger Teil unserer Forschungsaktivitäten im

mit einem n-leitenden TCO kontaktiert. Dabei bildet sich eine

Bereich von n-typ Silicium. Durch die effektive Passivierung der

Schottky-Barriere aus, die den Transport von Ladungsträgern

kristallinen Si-Oberflächen mit amorphen Si-Schichten lassen

behindern und den Füllfaktor der Solarzellen stark beeinflus-

sich für diese Solarzellen sehr hohe Spannungen erreichen. Die

sen kann. Wir konnten zeigen, dass die beleuchtungsabhäng­

hohen Spannungen stehen jedoch meist einem reduzierten

ige Spannungsmessung eine einfache und wertvolle Methode

Strom gegenüber, da in den amorphen Si-Schichten und

zur Untersuchung dieser Barrieren darstellt. In Abb. 4 ist

der benötigten TCO-Schicht auf der lichtzugewandten Seite

exemplarisch dargestellt, dass eine hohe Emitterdotierung

parasitäre Absorption stattfindet – also absorbiertes Licht nicht

den Einfluss dieser Schottky-Barriere verringern kann und die

in Strom umgewandelt wird.

Füllfaktoren dadurch erhöht werden können.

70


2

c-Si(n+)

c-Si(n+)

c-Si(n)

c-Si(n)

a-Si:H(i)

a-Si:H(i)

a-Si:H(p)

a-Si:H(p)

TCO(n)

metal

metal

Ein weiterer Vorteil bei Zellen mit rückseitigen p-Typ Emittern

100

werden kann. Dies ermöglicht die Herstellung einer TCO-freien Heterosolarzelle und damit ergeben sich mehr Freiheitsgrade bei der elektrischen Charakterisierung der Kontakteigenschaften. Die Untersuchung der Kontakteigenschaften kann auf nicht transparente Kontaktschichten erweitert werden und damit einen tieferen Einblick in die limitierenden Mechanismen liefern. Zusätzlich zu den bereits genannten Vorteilen der

Interne Quanteneffizienz [%]

ist, dass prinzipiell auf eine TCO-Kontaktschicht verzichtet

Solarzelle mit rückseitigem amorphem Si-Heteroemitter kann

80

60

40 rückseitiger Si-Heteroemitter vorderseitiger Si-Heteroemitter

20

für die Sammlung der Ladungsträger an der Vorderseite die

0

zusätzliche Leitfähigkeit in der Basis der Solarzelle genutzt

300

600

werden, um hohe Füllfaktoren zu erreichen. Mit solch einem

900

1200

Wellenlänge [nm]

Konzept konnten wir den Wirkungsgrad der Solarzellen in unseren Laboren auf bis zu 22,8 % steigern. Diese Zellen sind

3 Vergleich der internen Quanteneffizienz von Solarzellen mit

nicht nur durch hohe Leerlaufspannungen von bis zu 705 mV

amorph-kristallinem Si-Heteroemitter auf der Vorderseite (rot) und

und Kurzschlussstromdichten von 39,9 mA/cm2 gekennzeich-

Rückseite, wobei die Vorderseite ein transparentes diffundiertes Vor-

net, sondern weisen insbesondere für Heterokontakte sehr

derseitenfeld aufweist (blau). Der schraffierte Bereich symbolisiert

hohe Füllfaktoren von bis zu 81,2 % auf.

den Stromgewinn, der durch die Verwendung der transparenten Vorderseite erreicht werden kann.

Die Arbeiten werden durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert.

Beleuchtungsintensität [Sonnen]

Dotierung

4 Beleuchtungsabhängige Offenklemmspannung von Solarzellen mit amorph-kristallinem Si-Heteroübergang für schwach dotierte (blau) und stark dotierte (rot) amorphe Silicium-Heteroemitter.

100

4300 ppm FF = 79.4 % 2400 ppm

10

FF = 79.1 % 1400 ppm FF = 76.7 %

1 600

650

700

750

800

Offenklemmspannung [mV]

71


1

EINFLUSS VON PRÄZIPITATVERTEILUNGEN AUF DIE SILICIUMMATERIALQUALITÄT In Solarzellen aus blockgegossenem Silicium begren­-

1 Die Mikrospektroskopische Messung um ein skizziertes Metall-

zen metallische Verunreinigungen die erreichbare

präzipitat in der Nähe des Kreuzungspunktes von drei Korngrenzen

Materialqualität und damit das Wirkungsgradpotenzial.

zeigt einen deutlichen Abfall der Ladungsträgerlebensdauer in der

Dabei hängt der Einfluss einer Verunreinigung auf die

Umgebung des Präzipitats.

Ladungs­trägerlebensdauer und damit auf die Solarzellenqualität maßgeblich von deren Verteilung ab. Die Dichte und die Größenverteilung von Metallpräzipitaten sind sehr empfindlich auf die Temperaturführung beim

In der Regel sind in Präzipitaten konzentrierte Metalle zwar

Kristallisations- und Zellprozess. Mithilfe der entwick­

weniger schädlich für die Solarzelle als in gelöster Form,

elten Modelle lassen sich die Herstellungsprozesse

allerdings liegen die Konzentrationen von präzipitierten

diesbezüglich optimieren und so die Materialqualität

Verunreinigungen in Solarzellen aus blockgegossenem Silicium

verbessern.

oft Größenordnungen über denen von gelösten Metallen. Die Prozessschritte, die zu einer Reinigung während der

Alireza Abdollahinia, Jonas Schön, Martin C. Schubert,

Solarzellenherstellung führen, entfernen in erster Linie gelöste

Wilhelm Warta, Stefan Glunz

Metalle, so dass die Bedeutung der Präzipitate während der Prozessierung zunimmt.

Die Limitierung des Wirkungsgradpotenzials von Solarzellen durch metallische Verunreinigungen hängt vom verwen-

Mithilfe eines am Fraunhofer ISE entwickelten zweidimensio-

deten Ausgangsmaterial ab. Allerdings führt selbst bei

nalen Modells wird die Verteilung ausgewählter metallischer

der Verwendung von hochreinem Silicium die Eindiffusion

Verunreinigungen in Abhängigkeit des Ausgangsmaterials und

von metallischen Verunreinigungen aus den Tiegelwänden

des Herstellungsprozesses simuliert. Neben der ausgezeich-

während der Blockkristallisation zu einer Limitierung der

neten Vorhersagequalität für die gelöste Eisenkonzentration

Materialqualität durch Metalle, global und insbesondere in

demonstriert der Vergleich mit aktuellen Messungen zur

tiegelnahen Gebieten.

Größenverteilung von Eisenpräzipitaten die hohe Güte

Präzipitatdichte [Präzipitate/µm]

des Modells (Abb. 2). Aus diesen Ergebnissen wird für die Sim. Sim.

100 10-1

die Limitierung der Ladungsträgerlebensdauer bestimmt, die als Grundlage für Optimierungsprozeduren dient.

experimentell nicht zugänglich

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Umwelt, Natur-

10-2

schutz und Reaktorsicherheit (BMU) unterstützt.

10-3

2 Vergleich von simulierter und gemessener Präzipitatdichte ent10-4

lang einer Korngrenze in Abhängigkeit von der Präzipitatgröße vor 101

102

103

104

105

Präzipitatgröße [Fe-Atome/Präzipitat]

72

verschiedenen Präzipitate und die homogen verteilten Atome

Exp. nach Kristallisation Exp. nach Emitterdiffusion

106

107

und nach einer Emitterdiffusion. Während der Emitterdiffusion werden hauptsächlich kleine und mittlere Präzipitate entfernt.


2

1

Charakterisierung auf Basis zeit­modulierter Lumineszenz Zeitmodulierte Lumineszenz ist ein Verfahren zur

1 Multikristalliner Siliciumwafer in unserem Messaufbau – zeit-

Bestimmung von Ladungsträgerlebensdauern in

modulierte Lumineszenz wird zur Messung der Ladungsträgerlebens-

Siliciumwafern und Solarzellen. Sie zeichnet sich

dauer von Wafern und Solarzellen verwendet.

durch eine sehr geringe Anfälligkeit gegenüber bei

2 Skizze des am Fraunhofer ISE verwendeten zeitmodulierten

Lebensdauermessungen häufig auftretenden Arte­­-

Lumineszenz-Messaufbaus.

fakten sowie durch eine hohe Vielseitigkeit ihrer materialwissenschaftlichen Anwendungen aus. Anknüpfend an die Arbeiten und theoretischen Erkenntnisse der vergangenen Jahre konnten 2012

10-4

neue Anwendungen erschlossen werden. Johannes Giesecke, Martin Schubert, Wilhelm Warta,

τeff /s

das Verständnis dieser Methode weiter vertieft und

10-5

Stefan Glunz Bei zeitmodulierter (quasi-statischer) Lumineszenz wird die Ladungsträgerlebensdauer eines optisch oder elektrisch

10-6 108

109

angeregten Halbleitersubstrats aus der Phasenverschiebung

1010

1011

1012

1013

1014

1015

1016

-3

Dn/cm

zwischen dem Zeitverlauf der Anregung freier Ladungsträger und deren strahlender Rekombination bestimmt. Obgleich

3 Effektive Ladungsträgerlebensdauer τeff eines Siliciumwafers,

diese Phasenverschiebung im Allgemeinen nicht identisch

bestimmt als Funktion der Überschussladungsträgerdichte Δn

mit der Ladungsträgerlebensdauer ist, kann anhand eines

anhand eines am Fraunhofer ISE entwickelten Verfahrens auf

am Fraunhofer ISE entwickelten Iterationsverfahrens die

der Basis dynamischer Photolumineszenz.

tatsächliche injektionsabhängige Lebensdauer aus dieser Phasenverschiebung bestimmt werden. Es konnte ferner gezeigt

- Verfahren zur Bestimmung der effektiven Lebensdauer über

werden, dass die Phasenverschiebung eines quasi-statisch

einen sehr breiten Injektionsbereich (Abb. 3). Die Messung

zeitmodulierten Experiments einer sogenannten differenziellen

bei sehr geringen Injektionsdichten ist für diverse material-

Lebensdauer entspricht. Die zugrundeliegende Theorie

wissenschaftliche Anwendungen von hoher Relevanz.

ermöglicht die analytische Bestimmung der tatsächlichen

- Verfahren zur Bestimmung der Nettodotierung von

Lebensdauer aus der messbaren differenziellen Lebensdauer.

Siliciumsubstraten

Dies bedeutet für alle differenziellen Lebensdauermessungen

- Lebensdauerbestimmung an Solarzellen mittels dynamischer

eine drastische Verringerung des experimentellen Aufwands.

Elektrolumineszenz

Folgende Anwendungen zeitmodulierter Lumineszenz wurden

Die Arbeiten wurden von der Fraunhofer-Gesellschaft im

neu entwickelt:

Rahmen des Projekts »SiliconBEACON« unterstützt.

73


1

2

Druck-Galvanik Hybridkontakte mit kostengünstigen Materialien Die Materialkosten und speziell die Metallisierung

1 Solarzelle nach Verkupfern, vor Aufwachsen der Deckschicht

bieten das größte Potenzial zur Kostensenkung von

aus Silber oder Zinn.

kristallinen Silicium-Standardsolarzellen. Der Ersatz

2 Beispiel für eine siebgedruckte Saatschicht mit sehr geringer

von teurem Silber durch kostengünstiges Kupfer für die

Breite (ca. 30 µm) und sehr geringem Materialaufwand

Vorderseitenmetallisierung bietet große Chancen, ist

(ca. 40 mg Paste).

aber technologisch anspruchsvoll. Hybridkontakte vereinfachen die Einführung von Kupfer, erfordern aber

Mehrschichtige Kontaktierungssysteme für Solarzellen werden

ein detailliertes Verständnis der Interaktion zwischen

aufgrund ihrer Flexibilität schon seit Längerem intensiv

den kontaktierenden Druckpasten und den galvanischen

erforscht. Eine der interessantesten Techniken zur Aufbringung

Verstärkungslösungen. Mit diesem Wissen ist es mög-

der Metalle ist dabei die galvanische Abscheidung aufgrund

lich, haftfeste und langzeitstabile Hybridkontakte aus

der hohen Leitfähigkeit der Metallschichten, der niedrigen

Silber, Nickel und Kupfer zu erzeugen, die eine Ersparnis

Prozesstemperaturen und der geringen Kosten.

der Materialkosten von bis zu 90 % erlauben. Die einfachste Einführung eines solchen Prozesses in die Jonas Bartsch, Markus Glatthaar, Achim Kraft,

Produktion von Solarzellen ist die galvanische Verdickung von

Andrew Mondon, Markus Wendling, Stefan Glunz

gedruckten Kontaktsaatschichten. Für den damit entstehenden Hybridkontakt sind nur sehr geringe Änderungen der bestehenden Fertigungslinien erforderlich, da der Druck der Saatschichten mit bereits heute eingesetzten Technologien durchgeführt werden kann. Dennoch lassen sich mit dieser Technik bei den Materialkosten große Einsparungen erreichen. Diese Punkte stehen im Einklang mit den aktuellen Erfordernissen der Solarzellenindustrie nach Kostensenkungsstrategien ohne großen Investitionsbedarf und ohne massive Eingriffe in den Produktionsablauf.

74


3

Das Kostensenkungspotenzial besteht durch die Möglichkeit,

3 Querschliff und REM-Aufnahme eines Solarzellen-Hybridkontakts

Silber als Kontaktmaterial zum größten Teil durch Kupfer

(links) und zugehöriges Elementmapping aus energiedispersiver

zu ersetzen. Je nach Druckverfahren zur Erzeugung der

Röntgenspektroskopie (EDX, rechts). Zu erkennen sind im EDX:

Saatschicht werden statt ca. 100 mg Silber (industrieller

gedruckte Silber-Saatschicht (gelb), Nickel-Diffusionsbarriere (grün),

Siebdruck im Vollaufbau) nur noch ca. 30 mg Silberpaste

Kupfer-Leitschicht (rot) und Zinn-Cappingschicht (blau).

(Feinlinien-Siebdruck Saatschicht) oder sogar nur noch 8–15 mg Silberpaste (Aerosoldruck bzw. Inkjetdruck) benötigt. Dadurch können die Produktionskosten signifikant gesenkt

zwischen der Glasmatrix des Kontaktes und einigen

werden. Zudem ist perspektivisch die Verfügbarkeit von Kupfer

Reaktionsprodukten des Kontaktfeuerns und bestimm-

in Zukunft deutlich günstiger als die von Silber.

ten ionischen Spezies der Elektrolytlösungen sowie Feuchtigkeit und erhöhte Temperatur beeinträchtigen

Während die galvanische Abscheidung von Silber auf gedruck-

die Haftung der Kontakte. Durch eine Anpassung des

te Saatschichten bereits weitgehend beherrscht ist, bestehen

galvanischen Prozesses ist es uns gelungen, die Haf-

noch offene technologische Fragestellungen hinsichtlich der

tung auf das geforderte Niveau zu heben und somit

Nutzung von Kupfer in Hybridkontakten. Zunächst muss zur

eine Umsetzung dieser Metallisierungsstrategie bis ins

Unterbindung der Kupferdiffusion in die Solarzelle eine Barri-

Modul zu ermöglichen. Nachdem erste Abschätzungen

ereschicht aus Nickel aufgewachsen werden. Hier besteht zum

eine sehr gute Langzeitstabilität dieser Kontakte

einen die Fragestellung nach der benötigten Beschaffenheit

prognostizieren, sollen Modultests gemäß der Norm

dieser Schicht (Stärke/Homogenität/Imperfektionen). Zum

IEC 61215 diese Ergebnisse untermauern. Dadurch

anderen mindern sowohl galvanische Nickel- als auch Kupfer-

wird der Weg für die industrielle Umsetzung dieser

elektrolyte unter bestimmten Bedingungen die Haftfestigkeit

kostengünstigen Metallisierung vorbereitet.

der gedruckten Kontaktschichten auf der Waferoberfläche. Durch chemische Analysen und mikrostrukturelle Untersu-

Die Arbeiten werden vom Bundesministerium für

chungen konnte ein detailliertes Verständnis der Interaktionen

Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) in

zwischen Paste und Elektrolyt erarbeitet werden. Reaktionen

den Projekten »KuLi« und »Sonne« unterstützt.

75


1

2

Schnelle Inline ALD Abscheidung von Aluminiumoxid Die Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition,

1 Inline ALD Anlage.

ALD) von Al2O3 zur Passivierung von p-dotierten, insbe-

2 Schematischer Querschnitt durch die Reaktorzone der Inline ALD.

sondere hochdotierten Oberflächen, ermöglicht hervorragende Passivierungsergebnisse bereits bei geringsten Schichtdicken. Mit einer Inline ALD Anlage, bei der die sequenzielle Abscheidung der Prozessgase durch räumli-

Über die letzten Jahre stieg das Interesse der Silicium-

che Trennung der Prozesskammern realisiert wird, ist es

Photovoltaik an Aluminiumoxid (Al2O3) stark an. Hintergrund

uns gelungen, die Qualität der Schichten, die mit einer

ist die Tatsache, dass Aluminiumoxid insbesondere Bor-dotierte

Laboranlage erzielt wurden, auch auf einer industriell

Oberflächen sehr effektiv passiviert. Al2O3 ist somit für unter-

einsetzbaren Anlage zu erreichen.

schiedlichste Solarzellenkonzepte interessant, insbesondere für die Rückseite von p-Typ Solarzellen bzw. für die Passivierung

Jan Benick, Martin Hermle, Antonio Leimenstoll,

des Bor-Emitters von n-Typ Solarzellen.

Armin Richter, Felix Schätzle, Christian Schetter, David Schuldis, Harald Steidl, Karin Zimmermann,

Mittels Atomlagenabscheidung konnten hierbei bisher die

Stefan Glunz

besten Ergebnisse erzielt werden. Durch die sequenzielle Abscheidung von Aluminium und Sauerstoff wächst Al2O3 dabei Monolage für Monolage auf. Mit den kürzlich von der Industrie entwickelten Inline ALD Reaktoren kann die Prozesszeit deutlich verringert werden, wodurch ein Einsatz in der industriellen Solarzellenproduktion möglich wird. Im Unter­ schied zur sequenziell ablaufenden ALD sind die Reaktionen bei der Inline ALD auf unterschiedliche Reaktorzonen verteilt, welche die Wafer auf einem Luftkissen durchfliegen (Abb. 2). Typische Schichtdicken von 4 nm können in einer Prozesszeit von ~15 Sekunden erreicht werden. Durch Optimierung der Prozesse konnten wir mit einem Inline ALD Reaktor der Firma SoLayTec Al2O3-Schichten entwickeln, die sowohl auf niedrig- also auch auf hochdotierten p-Typ Oberflächen eine sehr effektive Passivierung ermöglichen. Insbesondere nach dem für die Kontaktbildung von gedruckten Metallpasten benötigten Feuerprozess konnten hervorragende Ergebnisse erzielt werden. In Abb. 3 ist dies exemplarisch für

3 Emittersättigungsstromdichte als Funktion der Al2O3 Schicht­­-

einen Bor-Emitter gezeigt, der mit einer Stapelschicht aus

dicke, gemessen an Bor-dotierten Emittern, die mit Al2O3/SiNx

Al2O3/SiNx passiviert wurde. Für n-Typ Solarzellen erlaubt diese

Stapelschichten passiviert wurden.

Passivierung somit ein VOC-Potenzial von über 700 mV.

76


125 125

681 681

100 100

686 686

75 75

694 694

50 50

704 704

25

722 722

00 0.0 0.0

1

2

1.0x1015 1.0x10

15

2.0x1015 2.0x10

15

3.0x1015 3.0x10

15

-15 4.0x1015 4.0x10

-2 -2] Dosis Dose [cm[cm ]

Ionenimplantation für die Photovoltaik Viele Zellkonzepte für hocheffiziente Siliciumsolarzel-

1 Ionenimplanter im Reinraum des Fraunhofer ISE zur Dotierung

len weisen lokale Dotierungen auf, z. B. hochdotierte

von Silicium mit Bor und Phosphor mit einer sehr exakten lokalen

Bereiche unter den Kontakten. Für die Realisierung

Auflösung.

solcher lokalen, hochdotierten Bereiche erweist sich die

2 Emittersättigungsstromdichte und maximale Offenklemmen-

Ionenimplantation als ideale Technologie, da sich die

spannungen als Funktion der Implantationsdosis für SiO2 passivierte

Strukturierung in-situ mittels Schattenmasken erzeugen

Phosphorprofile.

lassen. Aufgrund der hohen Energien der implantierten Ionen wird jedoch die Kristalloberfläche während der Implantation geschädigt oder sogar komplett amorphisiert. Diese Oberflächenschädigung muss in einem anschließenden Hochtemperaturschritt ausgeheilt werden, wobei gleichzeitig eine SiO2-Passivierschicht erzeugt werden kann. Durch Optimierung des Implantations-

Die elektrische Qualität solcher implantierter Emitter ist in

prozesses sowie der Ausheilschritte ist es uns gelungen,

Abb. 2 dargestellt. Gezeigt sind hierbei die Sättigungsstrom-

eine vollständig implantierte Siliciumsolarzelle mit

dichten und die sich daraus ergebenden maximale Offenklem-

einem Wirkungsgrad von über 22 % zu realisieren.

menspannungen verschiedener implantierter Phosphoremitter (Variation der Implantationsdosis), die während des Ausheil-

Jan Benick, Martin Hermle, Antonio Leimenstoll,

schritts mit SiO2 passiviert wurden. Man erkennt deutlich, dass

Andreas Lösel, Ralf Müller, Felix Schätzle, Christian Schetter,

mit geringerer Dosis und damit höherem Schichtwiderstand

Sonja Seitz, Nadine Weber, Stefan Glunz

niedrigere Sättigungsstromdichten (bis zu 20 fA / cm²) erreicht werden können.

Dotierte Bereiche werden in der Photovoltaik klassischerweise mittels Diffusion (Rohrofen) erzeugt. Bei diesem Prozess

Mit einem optimiertem Ausheilschritt lassen sich die

wird jedoch der ganze Wafer mit Dotierstoff belegt, sodass

Kristallschäden sowohl für die Bor- als auch die Phosphor-

lokale Dotierungen nur durch die Verwendung strukturierter

Implantation gemeinsam ausheilen, sodass nur ein Hoch-

Diffusionsbarrieren erzeugt werden können. Mit der Ionenim-

temperaturschritt hierfür notwendig ist. Zur Evaluierung der

plantation lässt sich hingegen durch Verwendung einer Schat-

entwickelten Prozesse haben wir Solarzellen mit ganzflächiger

tenmaske, d. h. ohne zusätzliche Prozessschritte, eine lokale

Bor-Implantation auf der Vorderseite und ebenfalls ganzflä-

Dotierung erzeugen. Auch in Bezug auf Reproduzierbarkeit

chiger Phosphor-Implantation auf der Rückseite realisiert und

und Homogenität der Dotierung ist die Implantation anderen

Wirkungsgrade über 22 % erzielt, der höchste je erreichte

Dotierprozessen, z. B. der Rohrofendiffusion, überlegen. Zur

Wirkungsgrad einer vollimplantierten Solarzelle mit beidsei-

Ausheilung der durch die Implantation erzeugten Kristallschä-

tiger Kontaktierung. Der nun am Fraunhofer ISE installierte

den ist ein Hochtemperaturschritt notwendig. Dieser Schritt

Ionenimplanter ermöglicht uns unterschiedlichste Konzepte

kann aber im Solarzellenprozess gleichzeitig dazu verwendet

und Technologien zu evaluieren und das Wirkungsgradniveau

werden, ein qualitativ hochwertiges thermisches Oxid zur

von ionenimplantierten Solarzellen in Zukunft weiter zu

Passivierung der Oberfläche aufzubringen.

steigern.

77

0c

676 676

max. V0cV[mV] max. [mV]

J [fA/cm2]

2 0e J0e [fA/cm ]

150 150


1

MASSGESCHNEIDERTE DOTIERSTRUKTUREN FÜR RÜCKSEITENKONTAKTZELLEN Mit dem Einsatz von Inkjet-Prozessen lassen sich sehr

1 156 x 156 mm2 große BC-BJ Solarzelle mit Vorder-

fein strukturierte und präzise definierbare Strukturen

und Rückseite, hergestellt mit industriellen Prozessen

erzeugen. Am Fraunhofer ISE haben wir in Zusam-

im Photovoltaik Technologie Evaluationscenter PV-TEC.

menarbeit mit Materialherstellern direkt verdruckbare Inkjet-Tinten eingesetzt, welche als Diffusionsbarriere fungieren. Die Barrierewirkung ist dabei maßgeblich von der Dicke der gedruckten Schicht abhängig. Dieser elegante Prozessschritt ist insbesondere bei der sogenannten Rückseitenkontaktsolarzelle (Back-Contact Back-Junction, BC-BJ) interessant, weil er die Anzahl der Prozessschritte für die Herstellung dieser Solarzellen deutlich reduzieren kann. Daniel Biro, Raphael Efinger, Philip Hartmann, Mike Jahn, Roman Keding, Achim Kimmerle, Jan Specht, David Stüwe, Robert Woehl, Ralf Preu

Antireflexschicht Pa ss i v i e r u n g n-Silicium

V o r d e r s e i t e n n +- D o t i e r u n g Emitter BSF

Pa ss i v i e r u n g

M e ta l l k o n ta k t e

2 Die Hocheffizienz BC-BJ-Solarzelle verwendet n-Typ Si-Material und weist eine Vorderseite auf, die auf Lichteinfang und gute elektrische Eigenschaften optimiert ist. Der Emitter, das Back Surface Field (BSF) und beide Metallkontakte befinden sich auf der Rückseite der Solarzelle.

78


Die in der gegenwärtigen Industrieproduktion vorwiegend hergestellte Standardsolarzelle wird mit relativ wenigen und n-BUSBAR

zum großen Teil einfachen und ganzflächig agierenden Prozessschritten hergestellt. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser

300 µm

Solarzellen hierdurch limitiert. Ein sehr hohes Wirkungsgradpo-

n-FINGER

tenzial besitzt die Rückseitenkontaktsolarzelle (BC-BJ, Abb. 1), mit dem einsammelnden Emitter und beiden Kontaktpolaritä-

10

21

10

20

10

19

10

18

10

17

10

16

10

15

T Diff = 950°C

ten auf der Rückseite. Die Herausforderung besteht nun darin, industriell umsetzbaren Prozessschritten herzustellen. Im Zuge dessen entwickeln wir einerseits Prozesscluster, die es erlauben, in einem Hochtemperaturschritt mehrere Dotierstrukturen einzutreiben (Co-Diffusion). Andererseits müssen diese Strukturen mit einer hohen Genauigkeit lokal hergestellt werden. Dafür bietet sich das »Drop on Demand«-Prinzip der

Bor-Dotierkonzentration [cm -3 ]

die komplexere Solarzellenstruktur mit möglichst wenigen und

T Diff = 1000°C T Diff = 1000°C, Inkjet

Inkjet-Technologie an, die auch in gewöhnlichen Tintenstrahldruckern Verwendung findet und in der Industrie weit

T Diff = 950°C, Inkjet

0.0

verbreitet ist. Diese kontaktlose Drucktechnologie ermöglicht

0.5

1.0 Tiefe [µm]

es, Dotiergläser mittels Ätzmasken zurückzuätzen oder aber Diffusionsstoffe und Diffusionsbarrieren lokal zu verdrucken. Zu diesem Zweck wurde zunächst der Inkjet-Prozess auf das

3 Gedruckte Diffusionsbarriere zur Definition des n-Gebiets mit Do-

Verdrucken von Diffusionsbarrieren optimiert. Zur Erzeugung

tierprofilen. Bei Diffusionstemperaturen Tdiff ≤ 1000 °C verhindert die

feiner Strukturen wurden für den Druckprozess verschiedenste

gedruckte Diffusionsbarriere vollständig die Diffusion von Bor in den

Prozessparameter, z. B. die Druckauflösung, variiert. Damit

Si-Wafer.

lassen sich zuverlässig Dicke und Breite der Diffusionsbarrierenstruktur einstellen. Darüber hinaus konnten Parameter bestimmt werden, mit denen sich lokale Strukturen realisieren lassen, die eine optimale Barrierewirkung gegen Phosphorsowie Bordiffusion aufweisen.

79


1

Simultane Co-Diffusionsprozesse für n-Typ Solarzellen Im Vergleich zu industriellen Solarzellen aus p-dotiertem

1 Industrieller Rohrofen für Bor-Diffusion und Co-Diffusionsprozesse

Silicium weisen Solarzellen aus n-dotiertem Silicium ein

zur Herstellung von n-Typ Siliciumsolarzellen im PV-TEC.

erhöhtes Wirkungsgradpotenzial auf. Da zur Herstellung hocheffizienter n-Typ Solarzellen typischerweise mehre-

Gegenwärtig werden mehrere Solarzellenkonzepte für

re sequenzielle Maskierungs- und Diffusionsschritte zur

n-dotierte Siliciumwafer intensiv untersucht. Diese weisen

Ausbildung hoch n- bzw. p-dotierter Bereiche notwendig

zumeist hochdotierte Bereiche unterschiedlichen Dotiertyps

sind, ist der Fertigungsprozess jedoch aufwändig. Eine

auf der Vorder- und Rückseite des Wafers auf. Je nach Solar-

Möglichkeit zur Verringerung der Anzahl der benötigten

zellenkonzept werden dabei verschiedenste Anforderungen an

Prozessschritte ist die Verwendung simultaner Co-

die Oberflächenkonzentration und die Tiefe des Dotierprofils

Diffusionsprozesse, bei denen parallel zur Diffusion aus

gestellt. Die Ausbildung der hochdotierten Bereiche erfolgt

der Gasphase zuvor aufgebrachte dotierstoffhaltige

typischerweise durch Diffusion aus der Gasphase. Bei simul-

Schichten als Diffusionsquelle dienen. Die Ausbildung

tanen Co-Diffusionsprozessen wird zusätzlich schon vor dem

der hochdotierten Bereiche erfolgt dann in einem

Hochtemperaturschritt eine Feststoffdiffusionsquelle auf die

einzigen Hochtemperaturschritt.

Probe in Form einer dünnen Schicht aufgebracht, z. B. mittels plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung (PECVD) oder

Daniel Biro, Arne Fallisch, Roman Keding, Sebastian Mack,

einer Abscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD).

Philip Rothhardt, Robert Woehl, Andreas Wolf, Ralf Preu

-3

Aktive Dotierstoffkonzentration Ndop [cm ]

10

10

Die Wahl der Prozessgase während der Abscheidung

21

ermöglicht es, Phosphorsilikat- (PSG) oder Borsilikatgläser

Phosphor aus POCl 3 , 78 Ω/sq

(BSG) als Feststoffdiffusionsquellen mit verschiedenen Dotier-

Phosphor aus PSG, 31 Ω/sq Phosphor aus PSG, 270 Ω/sq

20

stoffkonzentrationen aufzubringen und damit eine n- oder

Bor aus BSG, 64 Ω/sq Bor aus BSG, 280 Ω/sq 10

19

10

18

p-Dotierung des Wafers in einem folgenden Hochtemperaturschritt zu erzeugen. In Kombination mit der konventionellen Gasphasendiffusion, z. B. einer POCl3- oder BBr3-Diffusion, können durch

10

17

10

16

Anpassung der Prozessparameter mit dieser Vorgehensweise auf derselben Probe sehr kostengünstig unterschiedliche Tiefenprofile verschiedenen Dotiertyps in einem einzigen

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Tiefe x (µm)

Hochtemperaturschritt simultan erzeugt werden (Abb. 2). Im PV-TEC des Fraunhofer ISE stehen für solche Prozesse industrielle Rohröfen zur Verfügung (Abb. 1).

2 Dotierstofftiefenprofile, diffundiert aus einer gasförmigen (POCl3) oder abgeschiedenen (PSG oder BSG) Dotierstoffquelle.

Die Arbeiten werden durch die Europäische Union und das

Für alle gezeigten Tiefenprofile wird der gleiche Hochtemperatur-

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktor­

schritt zur Erzeugung verwendet.

sicherheit (BMU) unterstützt.

80


100 µm 1

2

Neuartige Druckverfahren für industrielle SiliciumSolarzellen Zur Stromentnahme werden bei Siliciumsolarzellen

1 Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer Dispensiernadel.

sowohl auf der Vorder- als auch der Rückseite Metall­

2 Simuliertes Geschwindigkeitsprofil eines 10fach Paralleldispens-

kontakte aufgebracht. Auf der Vorderseite ist es we-

Druckkopfs.

sentlich, eine hohe Leitfähigkeit der Kontaktfinger bei gleichzeitig möglichst geringer Abschattung der Solar-

20,0

zelle zu erzielen. Neben der kontinuierlichen VerbesseSolarzellenherstellung zur Metallisierung fast ausschließlich verwendet wird, arbeiten wir mit Hochdruck an der Entwicklung neuartiger Druckprozesse, insbesondere dem Schablonendruck-, dem Dispensierverfahren und an Rotationsdruckverfahren. Daniel Biro, Florian Clement, Denis Erath, Harald Gentischer, Boris Hamouda, Markus Klawitter, Martin Kuchler, Michael Linse, Elmar Lohmüller, Andreas Lorenz,

η (%)

rung des Siebdruckverfahrens, das in der industriellen 19,5

19,0 Si-Material 1 Si-Material 2 18,5 Sieb

Schablone

Maximilian Pospischil, Jan Specht, Benjamin Thaidigsmann,

3 Wirkungsgradverteilung großflächiger HIP-MWT-Solarzellen, aus

Ralf Preu

zwei verschiedenen Cz-Si-Materialien (156 x 156 mm²). Die Vorderseitenmetallisierung mit Hybridschablonen ermöglicht Wirkungs-

Beim Schablonendruck mit Hybridschablonen wird die Metall-

gradsteigerungen und erhöhte Prozessstabilität.

paste in einem Druckschritt durch ein fein strukturiertes Blech gepresst, das auf der Unterseite mit einer Emulsion beschichtet

Wirkungsgrade bis zu 20,6 % ermöglicht. Hierbei wird die

ist. Dabei wird die Gitterstruktur des Blechs durch dünne Stege

Metallpaste durch eine sich über dem Wafer bewegende dün-

zusammengehalten. Mit diesem Verfahren ist es möglich,

ne Dosiernadel gedrückt und linienweise aufgetragen (Abb. 1).

sowohl die Homogenität der Kontaktfinger zu verbessern, als

Dadurch können Homogenität und Fingergeometrie nochmals

auch die Schichtdicke bei gleichbleibender Kontaktbreite zu

verbessert (Linienbreiten unter 40 µm bereits demonstriert)

erhöhen. Die dadurch erhöhte Fingerleitfähigkeit ermöglicht

und die mechanische Belastung für den Wafer deutlich

Wirkungsgradvorteile von bis zu 0,3 % abs. im Vergleich

reduziert werden. Mithilfe rheologischer Untersuchungen und

zum Standard-Siebdruckverfahren. Mit beidseitig passivierten

anschließender fluiddynamischer Simulationen (Abb. 2) ist es

HIP-MWT Solarzellen, hergestellt aus großflächigen p-Typ

uns gelungen, den Dispensierprozess realitätsnah abzubilden

Cz-Siliciumwafern, konnten mittels Schablonendruckverfahren

und daraus Rückschlüsse für eine folgende Skalierung des

bereits Wirkungsgrade bis zu 20,2 % erzielt werden (Abb. 3).

Druckkopfes zu ziehen.

Eine weitere mögliche Alternative zum etablierten Siebdruck-

Die Arbeiten werden durch das Bundesministerium für

verfahren bietet das Dispensierverfahren, das angewandt auf

Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) und ein

MWT-PERC Solarzellen aus p-dotiertem FZ-Silicium bereits

Industriekonsortium unterstützt.

81


1

Messtechnik für die SiliciumDünnschichttechnologie Am Fraunhofer ISE Labor- und Servicecenter (LSC)

1 BlockIV-System zur Vermessung von Hell- und Dunkelkennlinien

Gelsenkirchen haben wir 2012, parallel zur Erweiterung

von Silicium-Dünnschichtzellen.

der Silicium-Dünnschichttechnologie, unsere Messtechnik speziell für die Schichtcharakterisierung und Vermessung von Dünnschichtsolarzellen weiter ausgebaut. Ziel ist es, die wichtigsten Eigenschaften von amorphen und mikrokristallinen Siliciumschichten vor Ort messen zu können. Ein neu entwickelter Messblock ermöglicht

Wir haben unser FAKIR System zur schnellen Messung von

uns die vollautomatische Messung der Hell- und Dunkel-

Schichtwiderständen speziell für die Vermessung von transpa-

kennlinien unserer Dünnschichtsolarzellen.

renten, leitenden Oxidschichten optimiert. Das FAKIR System ist zehnmal schneller als konventionelle Systeme.

Dietmar Borchert, Martina Dörenthal, Stefan Hohage, Sven Holinski, Sinje Keipert-Colberg, Britt-Marie Meiners,

Für die Bestimmung der Schichtqualitäten unserer amorphen

Amada L. Montesdeoca-Santana, Markus Rinio, Petra Schäfer,

und mikrokristallinen Siliciumschichten messen wir mit

Ralf Preu

unserem SigmaT-Messplatz die Temperaturabhängkeit der Leitfähigkeit. Die aus dieser Messung ermittelten Hell- und Dunkelleitfähigkeiten bei Raumtemperatur sind ein wichtiges Qualitätskriterium für die Güte unserer Abscheideprozesse.

0,8

Auf unserem SpecLab-System haben wir zwei Messmetho-

0,7

den implementiert. Zum einen vermessen wir die spektrale

0,6

Empfindlichkeit bzw. die externe Quanteneffizienz (EQE) unserer Dünnschichtsolarzellen. Zum anderen haben wir in das

EQE

0,5

System die CPM-Methode (Constant Photocurrent Method) integriert. Sie erlaubt die Bestimmung der Defektdichte in

0,4

amorphen Siliciumschichten.

0,3 0,2

Für die Vermessung der Hell- bzw. Dunkelkennlinien haben

0,1

wir einen speziellen Messblock (BlockIV) entwickelt, der eine automatische Vermessung aller Einzelzellen auf unseren

0,0 400

600

800

1000

1200

Wellenlänge [nm]

Testsubstraten erlaubt. Der Block verfügt über eine interne Temperierung, die Einzelzellen werden von der Messsoftware über eine automatische Schaltbox angesteuert.

2 Externe Quanteneffizienz (EQE) einer Silicium-Tandemzelle gemessen mit dem SpecLab-System. In Blau dargestellt die

Alle von uns entwickelten Messsysteme bauen wir auf Wunsch

Quanteneffizienz der oberen Teilzelle, in Rot die der unteren Zelle.

auch für unsere Projektpartner und externe Kunden auf.

82


1

Multifunktionale O3-basierte Reinigungen für Solarzellen Wirksame Reinigungen zur Entfernung von metallischen

1 Prozessbecken mit blau-violett leuchtendem ozonisiertem Wasser.

Verunreinigungen sind eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung hochwertiger Passivierungen 40 Rsh Differenz

Wasserstoffperoxid werden bei hohen Temperaturen

Ätzabtrag

betrieben und reinigen sehr effizient. Aufgrund der hohen Prozesstemperatur kommt es jedoch zu einem schnellen Zerfall des Wasserstoffperoxids. Durch Nachchargieren des zerfallenen Wasserstoffperoxids kann zwar die Konzentration konstant gehalten werden, der hohe Chemikalienverbrauch macht derartige Prozesse jedoch unwirtschaftlich. Ozon-basierte Reinigungsbäder sind vielseitig anwendbar und kostengünstig.

Schichtwiderstandsdifferenz [Ωsq]

Siliciumsolarzellen. Reinigungsbäder auf der Basis von

14

12

30 10 Ätzabtrag [nm]

auf der Oberfläche von kristallinen Hocheffizienz-

8

20

6

4

10

Anamaria Moldovan, Jochen Rentsch, Martin Zimmer,

2

Ralf Preu 0

0

Der Ersatz von Wasserstoffperoxid durch Ozon eröffnet prozesstechnisch völlig neue Wege: Ozon als starkes

0

1

2

3

4

5

Prozesszeit [min]

Oxidationsmittel kann bereits bei niedrigen Temperaturen und Konzentrationen die Funktion des Wasserstoffperoxids

2 Abhängigkeit der Schichtwiderstandsdifferenz und des Ätzab-

übernehmen. In einer automatisierten Batch-Prozessanlage

trags von der Ozonkonzentration (bei 1 Minute Prozesszeit und

wurde ein an die Bedürfnisse der Photovoltaikindustrie ange-

gleichbleibender Flusssäure- und Salzsäurekonzentration).

passter Ozongenerator-Prototyp eingebaut, der aus Sauerstoff kontinuierlich Ozon erzeugt und ins Prozessbad nachspeist.

Da sich Ätz- und Reinigungswirkung durch verschiedene

Um die oxidierten Verunreinigungen in Lösung zu bringen,

Parameter separat voneinander einstellen lassen, kann mit

wird ein System aus verdünnter Salz- und Flusssäure verwen-

derartigen Ozon-basierten Reinigungsprozessen nicht nur

det. Die Zugabe von Salzsäure unterstützt das Lösevermögen

eine Vereinfachung und Kostenreduktion im Vergleich zu

oxidierter Metalle, Flusssäure ätzt, in Kombination mit Ozon,

bisherigen Reinigungsprozessen erzielt werden, es können

kontrolliert einige Nanometer der Siliciumoberfläche ab. Dies

darüber hinaus auch Reinigungs- und Konditionierschritte

führt zum einen zur Freilegung von dicht unter der Oberfläche

zusammengefasst werden, was eine weitere Vereinfachung

liegenden Verunreinigungen und somit zu einer Tiefenwirkung

von Prozessketten für hocheffiziente Solarzellen ermöglicht.

der Reinigung. Zum anderen kann der Effekt genutzt werden, um die Oberflächenkonzentration eines evtl. bereits existieren-

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Umwelt, Natur-

den Emitters zu justieren.

schutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert.

83


process gases RF power

wafer

© Manz AG, Reutlingen

carrier

1

plasma volume

to pump

Antireflex- und Passivierungsschichten aus Plasmaabscheidungen In Kooperation mit der Manz AG haben wir ein hoch-

1 Beschichtungsanlage im industriellen Maßstab, wie sie von der

durchsatzfähiges Vakuum-Anlagen- und Prozesskonzept

Manz AG basierend auf dem Projektergebnis entwickelt worden ist.

zur Herstellung dünner funktionaler Schichten für die

Blick in das Waferhandlingsystem der PECVD-Anlage (links). Schema

c-Si-Photovoltaikindustrie entwickelt. Erstes Ziel des

des Aufbaus der Prozesskammer, in der die Beschichtung durchge-

Projekts waren hochqualitative Siliciumnitridschichten

führt wird (rechts).

für die Antireflexbeschichtung der Solarzellen. Uns ist es gelungen, hohe Schichtdichten bereits bei geringen Prozesstemperaturen und hohe Beschichtungsraten zu erreichen. schaften auch eine Verbesserung der Volumenqualität von Marc Hofmann, Norbert Kohn, Saskia Kühnhold,

multikristallinen Solarzellen (Volumenpassivierung) und eine

Jochen Rentsch, Pierre Saint-Cast, Daniel Trogus,

Oberflächenpassivierung gewährleisten kann. SiNx:H-Schichten

Dirk Wagenmann, Ralf Preu

werden aus diesem Grund vielfach in der c-Si-PV-Industrie eingesetzt.

Zur Entspiegelung kristalliner Siliciumsolarzellen bietet es sich an, eine dünne Schicht mit einem Brechungsindex im Bereich

Die Manz AG entwickelte in Kooperation mit dem Fraunhofer

von 2,1 und einer Dicke von etwa 80 nm zu verwenden.

ISE ein neues innovatives Anlagenkonzept zur Vakuum-

Wasserstoffhaltiges Siliciumnitrid (SiNx:H) ist als Material sehr

Abscheidung dünner funktionaler Schichten über plasma-

gut geeignet, da es neben den gewünschten optischen Eigen­

angeregte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD). Die Anlage zeichnet sich durch folgende Spezifika aus: - Hochleistungsplasma: sehr effiziente Zerlegung der

Massendichte [g/cm 3 ]

3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 300

350

400

450

Substrattemperatur [°C]

Wasserstoffkonzentration [at%]

Prozessgase und damit hoher Gasausnutzungsgrad und hohe Abscheiderate

12

- vertikale, verschattungsfreie Halterung der Wafer während

11

der Beschichtung: homogene Abscheidung der Schichten

10 9

ohne Haltemarken

8

- gleichzeitige Beschichtung von Wafern auf zwei Carriern,

7

rechts und links der Plasmazone: sehr hohe Gasausnutzung

6 300

350

400

450

Substrattemperatur [°C]

Ein zusätzlicher Vorteil der Hochleistungsplasmatechnologie ist die Möglichkeit der Herstellung von Schichten mit hoher

2 Massendichte der SiNx:H-Schichten in Abhängigkeit der Substrat-

Massendichte auch bei relativ niedrigen Prozesstemperaturen

temperatur während der Abscheidung (links). Wasserstoffgehalt der

unterhalb von 400 °C.

SiNx:H-Schichten in Abhängigkeit der Substrattemperatur während der Abscheidung (rechts). Alle Schichten besitzen etwa den gleichen

Die Arbeiten werden durch das Bundesministerium für Bildung

Brechungsindex von 2,1.

und Forschung (BMBF) gefördert.

84


2.0 x 10+20 Z

X

1

G(900 nm) [1/cm3/s]

Y

2.0 x 10+19

Optische Simulation passivierter Solarzellen mit rauer Rückseite Solarzellen mit dielektrischer Vorder- und Rückseiten-

1 Die hier nur in ausgewählten Tiefen des optischen Symmetrie-

passivierung vereinen hervorragende elektrische und

elements mit einer Viertel-Pyramide (links) und der rauen Rückseite

optische Eigenschaften miteinander. Die Rauheit und

(rechts) für λ = 900 nm dargestellte, ortsaufgelöste Generationsrate

die Beschichtung der Solarzellenrückseite sind dabei

lässt sich mit dem physikalischen Ansatz präzise simulieren.

ausschlaggebende Parameter für den Wirkungsgrad. Die von uns verwendete physikalische Simulation des optischen Einflusses dieser Parameter erlaubt es

Um die Eigenschaften von rauen Solarzellenrückseiten zu

erstmals, für gegebene Passivierungsschichten und

beschreiben, wurde bislang das Phong-Beleuchtungsmodell

Oberflächenstrukturen die spektrale hemisphärische

verwendet. Meist können die zwei freien Parameter des

Reflexion und den in der Solarzelle generierten Strom

Phong-Modells so gewählt werden, dass die Simulation der

vorherzusagen, wie der Vergleich der Simulationen

spektralen Reflexion der zu modellierenden Solarzellen mit

mit Messungen zeigt. Die optischen Eigenschaften

der Messung übereinstimmt. Aufgrund dieses empirischen

verschiedener Beschichtungsmaterialien und Rückseiten-

Charakters des Phong-Modells ist es nur sehr eingeschränkt

morphologien auf der Solarzelle können daher mittels

möglich, die optischen Eigenschaften von Solarzellen mit

Simulationen bereits am Computer analysiert und

rauen Rückseiten vorherzusagen.

optimiert werden. Der neue Ansatz zur Simulation der optischen Eigenschaften Johannes Greulich, Stefan Rein, Christoph Schwab,

rauer Oberflächen mit dielektrischen Passivierungsschichten

Nico Wöhrle, Ralf Preu

besteht darin, zunächst das dreidimensionale Höhenprofil der Oberfläche, z. B. mit einem konfokalen Mikroskop, genau

70 Messung

hemisphärische Reflexion R [%]

60 50 40

zu bestimmen. Das Höhenprofil wird anschließend in kleine

Simulation

Pass. 1, Morph. A

Dreiecke zerlegt und in das Symmetrieelement der optischen

Pass. 2, Morph. B

Simulation eingebaut (Abb. 1). In der als Strahlverfolgung

Pass. 1, Morph. C

durchgeführten Simulation wird das Auftreffen eines Strahls auf ein solches kleines Dreieck entsprechend dem Snellius’schen Brechungsgesetz und den Fresnel’schen Glei-

30

chungen mit dem Transfermatrix-Formalismus beschrieben.

20

Dabei werden als Eingangsgrößen nur die Brechungsindizes und die Dicken der Rückseitenbeschichtungen benötigt.

10

Dies ermöglicht es, mit diesem Ansatz Vorhersagen über die

0 0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

Wellenlänge l [µm]

Ladungsträgergeneration (Abb. 1) und die Reflexion (Abb. 2) zu treffen, die ohne Anpassung von Parametern präzise mit den Messungen übereinstimmen.

2 Die simulierte Reflexion stimmt präzise mit der gemessenen überein, hier exemplarisch für drei Rückseitenmorphologien (A, B, C) und

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und

zwei Passivierungsstapel (1, 2) dargestellt.

Forschung (BMBF) unterstützt.

85


17,5 %

17,8 %

17,2 %

17,0 %

16,7 %

16,3 %

1

PL-BASIERTE QUALITÄTSKONTROLLE VON QUASI-MONO WAFERN Quasi-mono Silicium, das seit zwei Jahren als neue

1 Fotos (oben) und PL-Bilder (unten) von quasi-mono Wafern aus

Materialklasse Einzug in die Solarzellenfertigung hält,

verschiedenen Positionen der Säule vom Boden (links) zur Kappe

soll die Kostenvorteile des multikristallinen Siliciums mit

(rechts). Während die Fotos gleichbleibend hohe Qualität aufweisen,

den Qualitätsvorteilen des monokristallinen Siliciums

zeigen die PL-Bilder zur Kappe hin eine starke Zunahme an Verset-

vereinen und so hohe Wirkungsgrade bei geringeren

zungen.

Herstellungskosten ermöglichen. Das Fraunhofer ISE hat quasi-mono Wafer verschiedener Hersteller untersucht

Das Fraunhofer ISE hat quasi-mono Wafer verschiedener Her-

und deutliche Qualitätsunterschiede festgestellt. Die

steller untersucht, um die Eignung dieser neuen Materialklasse

Wirkungsgrade reichen von 15,7 % bis 18,1 % für

zu prüfen, begrenzende Defekte zu identifizieren und eine

Standardsolarzellen und von 16,3 % bis 19,7 % für

Qualitätsbewertung zu entwickeln.

Solarzellen mit passivierter Rückseite. Diese Unterschiede konnten auf diverse Materialdefekte zurückgeführt

Abb. 1 zeigt eine Serie von Wafern vom Boden bis zur Kappe

werden, welche die Möglichkeit einer zuverlässigen

einer Säule. Wie an den Digitalbildern (oben) zu sehen ist,

Qualitätsbewertung vor Beginn der Solarzellenfertigung

bleibt die monokristalline Struktur der Wafer entlang der

eröffnen.

gesamten Säule gut erhalten. Dennoch werden in den Photolumineszenz (PL)-Aufnahmen (unten) rekombinationsaktive

Juliane Broisch, Teodora Chipei, Jonas Haunschild,

Defekte in einem kreuzförmigen Bereich sichtbar, der sich mit

Stefan Rein, Isolde Reis, Ralf Preu

zunehmender Säulenhöhe über den ganzen Wafer ausbreitet und einen kontinuierlichen Rückgang der resultierenden Wirkungsgrade von 17,8 % auf 16,3 % zur Folge hat. Phy-

20,0

sikalische Ursache sind Kristallbaufehler, sogenannte Verset-

19,5

Standardsolarzellen

zungen, die von den Stoßkanten nicht optimal ausgerichteter

PERC-Solarzellen

Saatplatten ausgehen.

Wirkungsgrad [%]

19,0 18,5

Da die limitierenden Defekte bereits anhand von PL-Bildern

18,0

der as-cut Wafer identifiziert werden können, ist eine Qualitätsbewertung im Eingangstest theoretisch möglich.

17,5

Anhand der Strukturen in den PL-Bildern wurden die Wafer

17,0

probeweise in fünf verschiedene Klassen aufgeteilt und zu Standardsolarzellen mit Aluminium-Back-Surface-Field (Al-BSF)

16,5 16,0

bzw. Solarzellen mit passivierter Rückseite (PERC) prozessiert. 1

2

3

4

5

Qualitätsklasse im Eingangstest

Abb. 2 zeigt, dass sich die Abstufung dieser experimentell ermittelten Qualitätsklassen für beide Prozesse sehr deutlich in

2 Mittlere Solarzelleneffizienz zweier Solarzellenprozesse aufge-

kontinuierlich abnehmenden Wirkungsgraden widerspiegelt.

tragen gegen die Qualitätsklasse, die in einem PL-Imaging basierten

Zusätzlich erlaubt die PL-Analyse auch eine Optimierung der

Eingangstest festgestellt wurde.

Kristallisation, da Startpunkt, Ausbreitung und Einfluss der Defekte im Kristall genau bestimmt werden können.

86


n ++ d o t i e r t e r E m i t t e r

p dotiertes c-Si 1

10 µm

2

LASERDIFFUSION FÜR SOLARZELLEN AUS KRISTALLINEM SILICIUM Durch selektive Laserdiffusion können lokal veränderte

1 Vorderseite einer monokristallinen p-Typ Solarzelle mit passi-

Dotierstrukturen in kristallinen Siliciumsolarzellen

vierten Oberflächen und laserdotiertem, selektivem Emitter mit

hergestellt werden. Am Fraunhofer ISE wurden Prozesse

einem Wirkungsgrad von 20 %.

entwickelt, die es ermöglichen, Hochdotierungen unter

2 REM-Aufnahme einer mit dem Laser erzeugten Hochdotierung

den Metallkontakten in hocheffizienten Solarzellen zu

auf texturierter, monokristalliner Siliciumoberfläche.

erzeugen und somit die Kontaktqualität zu verbessern. Zusätzlich werden durch die eingebrachte hohe Dotie-

nationsstrom der Zelle zusätzlich ab und erlaubt höhere Leer-

rung Verluste von Ladungsträgern durch Rekombination

laufspannungen. Somit können durch laserdotierte, selektive

am Metall-Halbleiterkontakt unterdrückt.

Emitter-Strukturen höchste Wirkungsgrade erreicht werden. Im Vergleich zu einem homogen dotieren Emitter konnte der

Susana Fernandez Robledo, Ulrich Jäger, Jan Nekarda,

Wirkungsgrad von beidseitig kontaktierten Solarzellen mit

Andreas Wolf, Ralf Preu

passivierten Oberflächen um bis zu 0,6 % gesteigert werden, wobei Wirkungsgrade von bis zu 20,0 % erreicht wurden.

Mittels laserinduzierter Diffusion können in kurzer Zeit (t < 10 µs) Dotierungen von bis zu mehreren Mikrometern

Die Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für

Tiefe erreicht werden. Grund hierfür ist, dass in der flüssigen

Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) unterstützt.

Phase Diffusionsprozesse in kristallinem Silicium um bis zu zehn Größenordnungen schneller ablaufen können, als in der

20

Solarzellen mit passivierten Oberflächen weisen ein hohes Wirkungsgradpotenzial auf, da in diesem Konzept, neben der Implementierung einer optimierten Optik für die Rückseite der Zelle, zusätzlich Rekombinationsverluste verringert werden. Dies geschieht durch die Passivierung der Oberflächen und

Wirkungsgrad η [%]

festen Phase. 19

Vorderseite kontaktierbar + zusätzliche Unterdrückung der Rekombination am Kontakt

höhere Leerlaufspannung, Vorderseite jedoch nicht kontaktierbar 18

die Verwendung niedrig dotierter Phosphoremitter. Diese erlauben jedoch keinen ausreichenden, elektrischen Kontakt zu Silberpasten, die üblicherweise auf der Vorderseite einer

17

Solarzelle mittels Siebdruck aufgetragen werden. Durch

homogener

niedrig dot.,

selektiver

eine selektive Nachdotierung mit dem Laser kann unter den

Emitter

homogener

Emitter

Kontakten ein erhöhtes Niveau an Dotierung eingebracht

(Referenz)

Emitter

werden und so ein ohmscher Kontakt zwischen Emitter und Vorderseitenelektrode sichergestellt werden. Aufgrund der

3 Wirkungsgradvorteil durch Implementierung eines selektiven

hohen Dotierung unter dem Metallkontakt werden durch

Emitters in Solarzellen mit passivierten Oberflächen. Durch die

den Feldeffekt die Ladungsträger vom hochrekombinativen

Einführung einer Hochdotierung unter den Kontakten kann die

Metall-Halbleiterkontakt abgehalten. Dies senkt den Rekombi-

Zelleffizienz gegenüber der Referenz gesteigert werden.

87


Strom aus Sonnenlicht

88


Photovoltaische Module und Systeme Modultechnologie verwandelt Solarzellen in ein beständiges

Gebrauchsdaueranalyse und Umweltsimulation

Produkt für den sicheren Betrieb in PV-Kraftwerken. Wir

Entscheidend für die Rentabilität eines PV-Kraftwerks ist neben

unterstützen Produktentwicklungen in Richtung optimaler

der Systemeffizienz die Lebensdauer seiner Komponenten.

Wirkungsgrade, reduzierter Kosten und höchster Zuverlässig-

Wir untersuchen das Verhalten von Produkten, Komponenten

keit. Für die Qualitätssicherung von Modulen und Kraftwerken

und Materialien über ihre Lebens- bzw. Gebrauchsdauer. Dazu

bieten wir umfassende Dienstleistungen von der Präzisions-

gehören u. a. Materialprüfungen und Computersimulationen

messung bis zum Monitoring an.

von Belastungstests und Alterungserscheinungen an verschiedenen Materialien, Komponenten und Produkten, z. B.

Modultechnologie

PV-Modulen.

Unser Photovoltaik Modul-Technologiecenter (MTC) verfügt über eine große Bandbreite an Prozess- und Analyse-

Mit unserer Analytik untersuchen wir den Einfluss der klimati-

plattformen für die Materialerprobung, die Produkt- und

schen Belastung. Dabei geht es um das möglichst frühzeitige

Prozessentwicklung. Die Wissenschaftler können aus dem

Erkennen von Alterungsmechanismen, deren Ursachen und

Laborstadium heraus den direkten Weg zu aussagekräftigen

Wirkung auf das Material, die Produktkomponenten und das

Modulstück­zahlen und -formaten einschlagen. Als Referenz

ganze Produkt. Diese Untersuchungen erfolgen weitestgehend

für die Zellverbindung dient ein vollautomatischer Tabber-

mithilfe von zerstörungsfreien Methoden, wie z. B. optischer

Stringer. Für die Fertigung von Modulen stehen Laminatoren

Mikroskopie, Ramanspektroskopie, FTIR-Spektroskopie und

mit Nutzflächen bis 1700 mm x 1000 mm zur Verfügung.

Elektrolumineszenzaufnahmen. Auch die Entwicklung von neuen oder kombinierten Charakterisierungsmethoden gehört

Umfassende Charakterisierungen in allen Fertigungsstufen er-

zu unseren Aufgaben. Ziel dieser Anstrengungen ist u. a. in

möglichen eine zielgenaue Produkt- und Prozessoptimierung.

Zukunft zerstörende Messmethoden durch zerstörungsfreie zu

Die Qualitätssicherung beginnt mit Eingangsuntersuchungen

ersetzen.

an den Materialien, von der Zelle über Zellverbinder und Folien bis hin zum Glas. Die Qualität der Fügestellen kann

Das Verständnis und die Definition der Ursachen der Alterung

im Photovoltaik Modul-Technologiecenter (MTC) durch

ist Aufgabe der Umweltsimulation, bei der im Feld das

Benetzungsuntersuchungen, Schälprüfungen, Schliffbilder

Verhalten von Prüflingen, z. B. PV-Modulen, an ausgewählten

und hochauflösende Röntgenaufnahmen geprüft werden;

Standorten genauestens beobachtet und dokumentiert

die Qualität des Laminationsprozesses anhand von DMA-,

wird. Wir nutzen Standorte in Freiburg (gemäßigtes Klima),

DSC- und Gelgehaltsbestimmungen. Über stufenweise

unterhalb der Zugspitze (alpines Klima), in der Negev-Wüste

Charakterisierung können Leistung und Integrität der Zelle

(subtropisches Klima), auf Gran Canaria (maritimes Klima)

vom Lieferzustand über die Verstringung und Einkapselung

und in Jakarta (tropisches Klima). Die Arbeiten im Bereich der

bis in das fertige Modul verfolgt werden.

Umweltsimulation sollen dazu führen, das Alterungsverhalten von neuen Materialien, Komponenten und Produkten wäh-

Die experimentellen Methoden werden ergänzt durch

rend ihrer Lebens- bzw. Gebrauchsdauer besser verstehen und

zahlreiche Simulationsmodelle. Sie ermöglichen eine Analyse

prognostizieren zu können.

von Gewinn- und Verlustfaktoren bei der Verschaltung und Verkapselung von Solarzellen, sie geben Aufschluss über me-

Für die Prüfung stehen nicht nur die Einrichtungen unseres

chanische Beanspruchung und über elektrische und optische

seit 2006 akkreditierten TestLab PV Modules zur Verfügung,

Effekte im Modul.

sondern auch spezielle Prüfanlagen zur Kombination oder Verschärfung von Belastungen.

89


P h o t o v o lta i s c h e M o d u l e und Systeme

Qualitätssicherung PV-Module, -Systeme

Thermographische Untersuchung des Solargenerators in einem

und -Kraftwerke

Photovoltaik-Kraftwerk. Das hochaufgelöste Infrarotbild eines

Mit den vier Phasen des Fraunhofer ISE Qualitätszirkels –

fehlerhaften Moduls ist dem Digitalfoto überlagert und zeigt

Ertragsgutachten, Modulmessungen, Anlagenprüfung und

einzelne Solarzellen mit auffällig erhöhten Betriebstemperaturen.

Monitoring – stellen wir eine umfassende Qualitätssicherung

Der Befund ist ein klarer Hinweis auf Ertragseinbußen und auf

von PV-Modulen und -Kraftwerken sicher. Neben einer

weitergehende Risiken in der Zuverlässigkeit des betroffenen

guten Planung und dem Einsatz hochwertiger Komponenten

Moduls.

entscheidet sie über den effizienten Betrieb einer PV-Anlage. In der Planungsphase einer PV-Anlage greifen wir auf aussagekräftige Strahlungs- und Wetterdaten zurück und simulieren

Hat eine PV-Anlage den Betrieb aufgenommen, so gibt eine

den Aufbau der Anlage exakt. Ertragsmindernde Faktoren wie

umfangreiche Vor-Ort-Analyse Aufschluss über die Qualität

Verschmutzung und Verschattung werden präzise ermittelt.

der Anlage. Unser Leistungsangebot umfasst unter anderem

Durch eine starke Vernetzung innerhalb des Fraunhofer ISE

die visuelle Anlagenprüfung, die Anfertigung von thermogra-

und weltweite Kooperationen ist gewährleistet, dass aktuelle

phischen Aufnahmen und die Ermittlung der tatsächlichen

Forschungsergebnisse in die eigens entwickelte Simulations-

Leistung. Minderleistung, Schwachstellen und Abweichung

software einfließen.

von technischen Standards können somit frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Zur präzisen Messung und Charakterisierung von PV-Modulen bietet unser CalLab PV Modules eine Vielzahl an Standard-

Über die komplette Betriebsdauer einer PV-Anlage hinweg

und Präzisionsmessungen für Forschung, Entwicklung und

bietet unser kundenspezifisches PV-Monitoring eine präzise

Produktion an. Das CalLab PV Modules des Fraunhofer ISE

Analyse der Effizienz von Systemen und Komponenten. Es

zählt mit einer Messunsicherheit von weniger als 1,8 % bei

basiert auf langjähriger Erfahrung mit nationalen und inter-

kristallinen Modulen zu den führenden Labors weltweit.

nationalen Projekten und auf dem hohen wissenschaftlichen

Wir kalibrieren Referenzmodule für Produktionslinien und

Niveau unserer Arbeiten. Das Fraunhofer ISE sichert durch eine

überprüfen an ausgewählten Stichproben die Einhaltung der

lückenlose Qualitätssicherung für PV-Module und -Kraftwerke

garantierten Leistung nach internationalen Standards.

optimale Erträge.

90


P h o t o v o lta i s c h e M o d u l e und Systeme

A n sp r e c h p a r t n e r Modultechnologie Dr. Ulrich Eitner

Telefon +49 761 4588-5825

ulrich.eitner@ise.fraunhofer.de Gebrauchsdaueranalyse und

Dipl.-Phys. Dipl.-Ing. (Arch.)

Umweltsimulation

Claudio Ferrara

Qualit채tssicherung PV-Module,

Dipl.-Ing. Klaus Kiefer

-Systeme und -Kraftwerke

Telefon +49 761 4588-5650 claudio.ferrara@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5218 klaus.kiefer@ise.fraunhofer.de

91


1

Rückkontakt-Modultechnologie mit strukturierten Zellverbindern Neuartige Hocheffizienzsolarzellen mit rückseitigen

1 MWT-Rückkontaktmodul mit Verschaltungstechnologie auf Basis

Kontakten stellen für die Modultechnologie eine große

des strukturierten Zellverbinders.

Herausforderung dar. Die einseitige Verschaltung mit konventionellen Flachdrähten führt zu starken mecha­ nischen Spannungen und Verwölbungen. Das am

Hohe Zellwirkungsgrade helfen, die flächenproportionalen

Fraunhofer ISE entwickelte Konzept der strukturierten

Kosten im Modul und später im System zu reduzieren – beides

Zellverbinder vermeidet dies durch ein spezielles Design.

senkt die Gestehungskosten für PV-Strom. Für die Integration

Es konnte an 120 µm dünnen MWT-Zellen erfolgreich

von hocheffizienten MWT-Rückkontaktsolarzellen in Module

umgesetzt werden. Die Demonstrationsmodule

gibt es verschiedene Konzepte, von denen sich bisher keines

erreichen Wirkungsgrade von 17% bei einem Zell-zu-

am Markt durchgesetzt hat. Unser Modulkonzept ist so ange-

Modul-Verlust von lediglich 1% absolut. Der Vorteil

legt, dass die Fertigungsprozesse und verwendeten Materialien

gegenüber einer leitfähigen Rückseitenfolie liegt in der

sehr nah am Standardmodulkonzept sind. Das senkt die

nur geringfügigen Modifikation des Standardmodulkon-

Markteintrittsschwelle und Modulzuverlässigkeitsrisiken.

zepts. Mehrkosten- und Materialzuverlässigkeitsrisiken sind deutlich reduziert.

Das Design des Zellverbinders sieht eine Trennung von elektrisch leitenden Elementen und zu lötenden Kontaktstellen

Dirk Eberlein, Ulrich Eitner, Ingrid Hädrich, Marco Tranitz,

vor. Es ermöglicht niedrige ohmsche Verluste durch genügend

Martin Wiese, Harry Wirth

große Leitungsquerschnitte bei gleichzeitig verringerter thermomechanischer Spannung nach dem Lötprozess. Eine spezielle EVA-Schicht zwischen Zellrückseite und Verbinder verhindert, dass Kurzschlüsse entstehen. Für die Designoptimierung wird ein FEM-Simulationsmodell verwendet, das auf partiellen Differentialgleichungen der Elektrostatik beruht. Anhand von Demonstratormodulen im 10- und 16-Zellenformat konnten Wirkungsgrade von 17.0% und Füllfaktoren von 77.7% erreicht werden. Qualitative Untersuchungen wie Elektrolumineszenzaufnahmen (EL) bestätigen die Unversehrtheit des Moduls nach den einzelnen Produktionsprozessen. Auch nach beschleunigter Alterung mit 200 Temperaturzyklen zwischen -40°C und +85°C konnte kein Leistungseinbruch und kein Schaden in der EL-Aufnahme festgestellt werden.

2 FEM-Simulation des Stromtransports in einem strukturierten Zell-

Das Projekt wurde von der Europäischen Union im 7th Frame­

verbinder: ohmsche Verluste (Farbe), Stromrichtungen (Pfeile).

work Programme im Rahmen des Projekts ››Ultimate‹‹ unterstützt.

92


1

Zuverlässigkeit von Zellmetalli­sierungen im PV-Modulbau Zellmetallisierungen dienen als Substrat zur elektrischen

1 REM-Aufnahme eines Querschliffs einer bleihaltigen Lötstelle

Kontaktierung von Solarzellen und sind damit ein

nach Warmlagerung (links) mit korrespondierender Zinnverteilung,

zentraler Faktor für die Modulintegration. Löten ist die

gemessen mit EDX (rechts).

industrieübliche und bewährte Kontaktierungstechnologie. Aktuell werden neuartige Metallisierungskonzepte, Fügetechnologien und Materialien für ihre Verwendung in der Photovoltaik intensiv bewertet. Treibende Kräfte für die Substitution sind Kostendruck (z. B. durch teure Rohstoffe wie Silber) sowie ökologische Risiken. Die umfassende Untersuchung der Zuverlässigkeit von Lötstellen ist von besonderer Wichtigkeit. Ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Stabilität sind Diffusionsprozesse in den Fügekomponenten. Dirk Eberlein, Ulrich Eitner, Peter Schmitt, Marco Tranitz, Harry Wirth Die Qualität und Zuverlässigkeit von Lötstellen werden in großem Maße durch Diffusionsprozesse während ihrer Lebensdauer beeinflusst. Dies führt zur Ausbildung intermetallischer Phasen und zur Diffusion von Lotbestandteilen (Zinn) in die Metallisierung. Intermetallische Phasen sind Verbindungen, die aus Materialien der Fügestelle (Zinn, Silber und Kupfer) bestehen und die sich in ihren Eigenschaften von

2 Lötstellen nach isothermer Warmlagerung zeigen eine Verrin-

den Ausgangsmetallen unterscheiden. Diese Phasen bilden

gerung der Haftkräfte bei beiden Lotmaterialien in verschiedenen

sich im Lot und an der Grenzfläche zur Zellmetallisierung und

Maßen.

zum Kupferkern des Zellverbinders. Sie beeinflussen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Lötstelle. Der deutliche Einfluss der Diffusion von Zinn in die poröse Matrix

und Eindringtiefe des Zinns in die poröse Matrix die Haftung

der Metallisierung auf die mechanischen Eigenschaften konnte

der Metallisierung auf dem Wafer sinkt. Dieses Verhalten

nachgewiesen werden. Mit optischen Qualifizierungsmetho-

variiert für verschiedene Lotlegierungen und Metallisierungen.

den und Schälprüfungen wurde eine Korrelation zwischen

Die wesentlichen Parameter dabei sind die Porosität der gefeu-

Diffusion und mechanischer Zuverlässigkeit der Lötstellen

erten Metallisierung und die Lotlegierungszusammensetzung.

hergestellt. Die Degradationsvorgänge wurden mithilfe von

Unsere Ergebnisse erlauben eine Optimierung der Lötstellen

isothermer Auslagerung über unterschiedliche Zeitspannen

durch die Materialauswahl, den Aufbau der Komponenten

beschleunigt. Es zeigte sich, dass mit zunehmender Menge

und die Prozessparameter.

93


1

2

Prüfung von Anti-Soiling Schichten auf Verglasungsmaterialien Untersuchungen des Fraunhofer ISE an einer stark

1 Auf Gran Canaria exponierte Glasprobe mit hoher Verschmutzung.

verschmutzten Photovoltaikanlage auf Gran Canaria

2 Glasprobe unbeschmutzt und mit appliziertem Arizona-Staub.

haben im Jahr 2010 Rückgänge des Ertrages von bis zu 80% festgestellt. Anti-Soiling Beschichtungen sollen

Die in Wüsten vorherrschenden Verhältnisse begünstigen das

Verschmutzungen verhindern und den Ertrag von

Soiling der dortigen Solaranlagen. Diese Regionen sind jedoch

solarthermischen und PV-Anlagen sicherstellen. Dabei

für die Nutzung der Solarenergie besonders wegen der hohen

müssen die Beschichtungen beständig gegenüber den

Einstrahlungssummen gefragt.

lokalen Witterungseinflüssen sein. Zudem darf die Beschichtung keinen negativen Einfluss auf die solare

Das Fraunhofer ISE betreibt sowohl in der Negev-Wüste als

Transmission haben. Beide Forderungen können viele

auch auf den Kanarischen Inseln (Abb. 1) in Kooperation mit

Systeme am Markt momentan noch nicht erfüllen.

Instituten vor Ort Freibewitterungsteststände, auf denen unter anderem auch Soiling-Effekte im Rahmen des Verbundprojekts

Thomas Kaltenbach, Christian Schill, Karolina Slamova,

SpeedColl untersucht werden. SpeedColl wird unterstützt

Harry Wirth

durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) sowie durch Industriebeteiligung

95

(www.speedcoll.de).

Solarer Transmissionsgrad (AM1,5) [%]

Hydrophil

Am Fraunhofer ISE wurde im Rahmen einer Marktstudie ein Überblick über die angebotenen Beschichtungen erstellt. Ein

90

Verfahren, welches die reproduzierbare Beschmutzung der

Hydrophob

Prüflinge mit Normstäuben (Abb. 2) erlaubt, wurde entwickelt und an ausgewählten Proben getestet.

85

Zur Prüfung der Stabilität der Schichten wurden die Prüflinge Photokatalytisch

verschiedenen beschleunigten Alterungsprüfungen unterzo-

80

gen (Temperatur bei 85 °C, mit und ohne UV-Strahlung). Eine mögliche Degradation der schmutzabweisenden Eigenschaften wurde mittels Transmissions- und Kontaktwinkelmessungen

75

sowie durch den entwickelten Beschmutzungstest untersucht. Referenz

0

250

500

Bewitterung (85°C +UV) [h]

Mit diesem Testverfahren wurde nachgewiesen, dass die solare Transmission (Abb. 3) durch keine der untersuchten

3 Solarer Transmissionsgrad der drei untersuchten Beschichtungen.

Beschichtungen negativ beeinflusst wird. Die Beschichtungen

Referenz: unbeschmutzte Probe, dazu beschmutzte/gereinigte Probe

verlieren jedoch zum Teil ihre schmutzabweisende Wirkung

jeweils nach 0h und nach Alterungsstufen 250h und 500h bei 85°C

schon nach 250 Stunden UV-Bestrahlung und erscheinen

und UV- Strahlung.

damit für solarthermische Anlagen nicht geeignet.

94


1

Potentialinduzierte Degradation im Indoor- und Outdoorversuch In den letzten Jahren beschäftigt die PV-Industrie in

1 Teststand auf Gran Canaria zur Ermittlung klimatischer Einflüsse

zunehmendem Maße ein Phänomen, das einen schlei­

auf die Potentialinduzierte Degradation. Die Leistungs- und Leck-

chenden, aber reversiblen Leistungsverlust von PV-

stromdaten der Module sowie die Klimadaten werden permanent

Generatoren zur Folge hat. Dieses Phänomen, das

gemessen.

bei PV-Modulen am negativen Ende eines Strings

10000

auftauchen kann, ist unter dem Namen Potentialinduzierte Degradation (PID) bekannt. Um hinsichtlich Verschaltung oder Wechselrichter im Systemaufbau

I Sonne I Regen

1000

keine Einschränkungen hinnehmen zu müssen, sollte nahmen auf Zell- und Modulebene gelöst werden. Um deren Wirksamkeit schnell überprüfen zu können, wird

100 ILeck / nA

das Problem der PID bereits durch Stabilisierungsmaß-

10

im Rahmen eines BMBF-geförderten Projekts sowohl an Schnelltests als auch an verifizierenden Langzeittests in der Freibewitterung gearbeitet. Stephan Hoffmann, Michael Köhl, Harry Wirth

1

0,1 00:00

04:00

08:00

12:00

16:00

20:00

24:00

Uhrzeit / hh:mm

Mit Schnelltests auf Basis des IEC-Normentwurfs 62804 können wir die Beständigkeit eines PV-Moduls gegen PID testen.

2 Vergleich des Leckstroms an einem Tag mit Regenereignis (bis

Mittels Potentialdifferenz zwischen Erdung und Zellen mithilfe

ca. 10:30 Uhr) und an einem trockenen Tag. Durch den Wasserfilm

einer geerdeten leitfähigen Folie auf der Verglasung bei

auf dem Modul fließt ein um zwei Größenordnungen höherer Leck-

trockenem Raumklima oder in Klimakammern bei definierter

strom. Im weiteren Tagesverlauf (nach Abtrocknung) zeigen die

Temperatur und hoher, definierter Luftfeuchtigkeit erlauben

gemessenen Leckströme ein ähnliches Niveau.

unsere Untersuchungen der Abhängigkeiten von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Moduls die Modellierung des Leckstroms. Wir konnten zeigen, dass

Neben den Labor-Untersuchungen wird das Langzeitverhalten

bei verschiedenen Varianten der Erdung dieselbe exponentielle

der Module durch Exposition an den klimatisch stark unter-

Temperaturabhängigkeit des Leckstroms und damit auch die-

schiedlichen Freibewitterungsstandorten in Freiburg und auf

selbe Aktivierungsenergie auftritt. Allerdings ist der Leckstrom

Gran Canaria (Abb. 1) untersucht. Während für den Standort

bei hoher Feuchte (85%) eine Größenordnung höher als in

Freiburg Regenereignisse durch ihre hohe elektrische Leitfähig-

trockener Luft und wiederum eine weitere Größenordnung

keit als hohe Gefährdung identifiziert wurden (Abb. 2), bildete

höher bei ganzflächiger Erdung der Verglasung mittels Alumi-

sich auf Gran Canaria durch die hohe Salz- und Staubbelas-

niumfolie. Die Feuchte stellt erst ab Werten von ca. 60% eine

tung eine vollflächige Schmutzschicht auf den Modulen, die zu

hinreichende, reproduzierbare Erdung sicher, weil dann eine

einer permanent hohen Leitfähigkeit auf der Verglasung und

Perkolation des Feuchtefilms auf dem Glas auftritt.

damit zu hohen Leckströmen führt.

95


1

2

Elektrolumineszenz-Tests an PV-Modulen Elektrolumineszenzmessungen werden am Fraunhofer

1 EL-Aufnahme eines neuwertigen polykristallinen Moduls.

ISE seit 2007 zur Untersuchung und Charakterisierung

2 Die EL-Aufnahme des gleichen Moduls nach einer Temperatur­

von PV-Modulen eingesetzt. Mithilfe dieser Messungen

wechselprüfung zeigt inaktive Zellbereiche (rot).

können Fehler oder Auffälligkeiten, die mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sind, sichtbar gemacht werden. Deshalb spielen Elektrolumineszenzmessungen eine zu-

Elektrolumineszenz-Tests (EL-Tests) spielen von der Zellent-

nehmend wichtige Rolle im Rahmen der Qualitätssiche-

wicklung bis hin zur Qualitätssicherung für handelsübliche

rung für PV-Module. Nicht immer ist jedoch klar, welche

PV-Module eine wichtige Rolle. Der Test gibt Aufschluss

Schlüsse aus den Aufnahmen gezogen werden können.

über Fehler oder Besonderheiten in den Solarzellen. Typische

Die steigenden Anforderungen und Fragestellungen

Auffälligkeiten sind Zellrisse, inaktive Zellbereiche oder

unserer Kunden erfordern eine fundierte Bewertung der

Kontaktflächenfehler.

Auffälligkeiten besonders im Hinblick auf die Langzeitstabilität.

Bei etwa 4750 Modulen wurde bisher zusätzlich zur Leistungsmessung der EL-Test durchgeführt, in beiden Fällen ohne

Daniela Dirnberger, Boris Farnung, Stephan Hoffmann,

vorherige belastende Prüfungen. Die detaillierte Analyse von

Klaus Kiefer, Carlos Moschella, Frank Neuberger,

1830 Modulen ergab, dass 62 Prozent der Module Zellrisse

Sandor Stecklum, Daniel Philipp, Karl-Anders Weiß,

aufweisen. Bei einem Teil der betroffenen Module (12 Prozent

Harry Wirth

der gesamten Prüfcharge) wurden inaktive Zellbereiche entdeckt. Eine Korrelation zwischen dem Anteil der gerissenen Zellen und Abweichungen von der Nennleistung konnte nicht

Anteil betroffener Zellen im Modul [%]

festgestellt werden (Abb. 3).

-15

Über zusätzliche Belastungsprüfungen wird ermittelt, welche Schadensbilder eine Zunahme der Risse und damit Leistungseinbußen im späteren Betrieb erwarten lassen. In Abb. 1 sind mehrere Risse zu erkennen, die nach einer Lastprüfung zur Deaktivierung von Zellbereichen geführt haben (Abb. 2). Das Modul zeigte nach der Lastprüfung einen Leistungsverlust von 3,9%. -10

-5

0

5

10

15

Abweichung von der Nennleistung [%]

Nicht alle Auffälligkeiten sind bezüglich der Langzeitstabilität der Leistung eines PV-Moduls kritisch zu bewerten. Ein wichtiger Aspekt bei unseren Untersuchungen ist deshalb die

3 Anteil der gerissenen Zellen pro Modul aufgetragen über die

Weiterentwicklung vorhandener Fehler im Betrieb der Module

Abweichung der gemessenen Modulleistung von der Nennleistung.

und deren Auswirkungen auf die Lebensdauer und den Ertrag.

96


1

»Energy Rating« – Neue Bewertungskriterien für PV-Module Bei fallenden Investitionskosten wird die Rendite eines

1 PV-Kraftwerk mit einer nominalen Leistung von 10 MW.

PV-Kraftwerkes mehr und mehr durch den Ertrag über die gesamte Laufzeit bestimmt. Das „Energy Rating“ betrachtet nicht nur die Leistung der Solarmodule unter STC Bedingungen sondern, liefert eine ganzheitliche Leistungsbewertung. Das Schwachlichtverhalten und die Temperaturabhängigkeit sind die zwei wichtigsten Einflussgrößen auf den Jahresertrag. Beide Charakteristika können im CalLab PV Modules präzise gemessen

1.05

die Unsicherheiten bei der Messung dieser Größen zu minimieren, haben wir neue Verfahren entwickelt und die Messtechnik optimiert. Daniela Dirnberger, Klaus Kiefer, Ulli Kräling, Björn Müller, Frank Neuberger, Christian Reise, Harry Wirth Für präzise Ertragsprognosen sind hochwertige Wetterdaten für den geplanten Standort und sämtliche Eigenschaften

Relativer Modulwirkungsgrad

und für die Prognosemodelle verwendet werden. Um 1.00

0.95

0.90 kristallines Silicium, richtig

0.85

Einfluss durch nicht optimale Homogenität Cadmiumtellurid, richtig

0.80

Einfluss durch nicht korrigierten spektralen Mismatchfaktor

0

200

der Komponenten erforderlich. Zu der Abhängigkeit des

400

600

800

1000

Bestrahlungsstärke [W/m²]

Wirkungsgrads bzw. der Leistung von der solaren Einstrahlung gibt es im Datenblatt der Hersteller nicht immer ausreichend

2 Bei nicht optimierten Messsystemen und -prozeduren können

Informationen. Werden die Größen mit den von uns ent-

erhebliche Fehler (rot) in der gemessenen Bestrahlungsstärkeab­

wickelten Verfahren und einem optimierten Messsystem

hängigkeit enthalten sein.

gemessen, liegen die Messunsicherheiten für sämtliche Mess­ punkte bei ±0.5%. Bei der von uns durchgeführten Analyse für drei Standorte in Norddeutschland, Süddeutschland und Südspanien ergeben sich Beiträge zu Gesamtunsicherheit für den prognostizierten Ertrag von maximal ±1% für Module mit kristallinen Silicium-Zellen und ±2% für CadmiumtelluridModule. Bei der Verwendung herkömmlicher Verfahren oder Datenblattangaben der Her­steller können leicht zusätzliche Abweichungen von 0.5 bis 2.5% entstehen. Für das Energy Rating und eine präzise Ertragsprognose ist eine präzise Modulcharakterisierung daher unumgänglich.

97


Strom aus Sonnenlicht

98


Alternative PhotovoltaikTechnologien In Ergänzung zur Silicium-Photovoltaik erstreckt sich

Möglichkeit, gestalterische Aspekte umzusetzen, wurde in

unsere Solarzellenforschung und -entwicklung auf weitere

Prototypen gezeigt. Die Beständigkeit der Module wird im

Photovoltaik-Technologien: III-V-basierende Halbleiter, Farb-

Labor und unter Außenbewitterung getestet. Prototypen von

stoffsolarzellen und organische Solarzellen, die Konzentrator-

Farbstoffsolarmodulen in einer kommerziell interessanten

technologie sowie Nanomaterialien und neuartige Konzepte

Größe (60 cm x 100 cm) auf ungeteilten Substraten wurden

für die Photovoltaik.

bereits hergestellt. Die Aufskalierbarkeit des Herstellungskonzepts ist damit nachgewiesen.

III-V-basierende Halbleiter Mehrfachsolarzellen auf Basis von III-V Halbleitern wie

Organische Solarzellen

Galliumindiumphosphid, Aluminiumgalliumarsenid, Gallium-

Organische Solarzellen sind insbesondere aufgrund der erwar­

arsenid oder Galliumindiumnitridarsenid erzielen heute die

teten niedrigen Herstellungskosten attraktiv. Die hohe me-

höchsten Wirkungsgrade aller Solarzellen von bis zu 44 %.

chanische Flexibilität und das geringe Gewicht erweitern die

Dreifachsolarzellen aus GaInP/GaInAs/Ge werden erfolgreich

zukünftigen Einsatzgebiete für Photovoltaik. Wir entwickeln

im Weltraum und auf der Erde im Zusammenspiel mit der

neue Zellarchitekturen, die basierend auf kostengünstigen Ma-

optischen Konzentration des Sonnenlichts eingesetzt.

terialien mit effizienten Verfahren hergestellt werden können.

Neben den beiden genannten Märkten bedienen wir mit

Ziel dieser Entwicklungen ist die Produktion im Rolle-zu-Rolle-

den III-V Solarzellen noch Spezialmärkte wie die Laser-

Verfahren. So konnten wir erste Solarzellenmodule mit Tech-

Leistungsübertragung, die Thermophotovoltaik und weitere

nologien herstellen, die sich in eine kontinuierliche Produktion

Sonderanwendungen.

überführen lassen. Auf dem Weg zu höheren Effizienzen und Lebensdauern untersuchen wir neue organische Halbleiter und

Für die Anwendung in Satelliten arbeiten wir derzeit

Elektroden sowie in beschleunigten Alterungstests die Eignung

schwerpunktmäßig an strahlungsresistenten Tripel- bis

von Verkapselungsmaterialien. Lebensdauern von einigen

Sextupel-Zellen. Besonders vorteilhaft sind dabei Zellen

Jahren sind inzwischen realistisch.

mit geringem Gewicht. Wir entwickeln sehr dünne Zellen mit nur wenigen Mikrometern Dicke. Dazu verwenden wir

Konzentratortechnologie

Techniken, welche die Solarzellenstrukturen vom Substrat

Für den terrestrischen Einsatz von III-V-basierenden Solarzellen

trennen und auf andere Träger übertragen lassen. Unter

entwickeln wir im ConTEC, dem Concentrator Technology and

anderem haben wir das sogenannte »Wafer-Bonding«

Evaluation Center, Module und Systeme, die das Sonnenlicht

sehr erfolgreich eingesetzt und können hierdurch neue

um einen Faktor >300 konzentrieren. Für Konzentrationsfak-

Materialkombinationen realisieren. Weiterhin arbeiten wir

toren <100 setzen wir Siliciumsolarzellen ein. Wir entwickeln

daran, III-V Halbleiterstrukturen direkt auf ein Silicium-

und untersuchen langzeitstabile Löt- und Klebeverbindungen

Sub­strat zu epitaxieren. Dabei erforschen wir zentrale Fragen

mit einer hohen Temperaturzyklenfestigkeit. Zusätzlich simu-

im Materialbereich, wie Techniken zur Überwindung von

lieren wir die thermomechanischen Effekte in Konzentrator-

Gitterfehlanpassung und Spannungskompensation.

modulen und führen beschleunigte Alterungstests durch bzw. entwickeln neue angepasste Testverfahren. Ein Beispiel für

Farbstoffsolarzellen

die erfolgreiche Modulentwicklung ist die am Fraunhofer ISE

Die Technologie der Farbstoffsolarzellen hat sich in den

entwickelte FLATCON®-Technologie, die heute von Soitec Solar

letzten Jahren deutlich über den Labormaßstab hinaus

in Freiburg erfolgreich kommerziell als ConcentrixTM Modul

entwickelt. Wir konnten zeigen, dass mit Siebdruck- und

produziert wird. In aktuellen Forschungsarbeiten untersuchen

neuen Versiegelungstechniken Farbstoffsolarzellenmodule

wir die Co-Generation von Wärme und Elektrizität in einem

in industrienahen Techniken gefertigt werden können. Die

konzentrierenden System.

99


© Fraunhofer ISE/Foto: Andy Ridder

A l t e r na t iv e P ho t ovo l t aik - T e c hno l o g i e n

Neuartige Solarzellenkonzepte und

Farbstoffsolarmodule stehen kurz vor der breiten

Photonenmanagement

Einführung in den Markt. Da sie sowohl transparent

Wir entwickeln Konzepte und Technologien, mit denen

als auch opak gestaltet werden können, eröffnen sich

sich die prinzipiellen Beschränkungen des Wirkungsgrads

vor allem im Bereich der gebäudeintegrierten Photo-

herkömmlicher Solarzellen überwinden lassen. Ein Konzept ist

voltaik interessante Anwendungsmöglichkeiten. 2012

das Photonenmanagement. Es zielt darauf ab, den Wirkungs-

haben wir ein 60 cm x 100 cm großes Modul mit lang-

grad zu erhöhen, indem das Sonnenspektrum aufgeteilt oder

zeitstabiler Glaslotversiegelung und interner serieller

verändert wird, bevor es von Solarzellen absorbiert wird. Ein

Verschaltung im Siebdruckprozess reproduzierbar

Beispiel ist die Hochkonversion. Hierbei werden nicht nutzbare

hergestellt (s. S.106). Test­module werden zu DEMO-

langwellige Photonen in kurzwellige Photonen umgewandelt.

Zwecken in eine Laborfassade integriert.

Diese lassen sich dann mit Standardsolarzellen nutzen. Außerdem entwickeln wir Solarzellen aus Quantenpunktmaterialien. Silicium-Quantenpunkte sind ein vielversprechendes Material für die Herstellung von Tandemsolarzellen auf Siliciumbasis, dessen Eigenschaften, z. B. die Bandlücke, sich für die Anwendung einstellen lassen. Wir konnten eine Quantenpunktmembranzelle herstellen, die weltweit erstmals die Anwendbarkeit dieses Nanomaterials als Solarzelle einwandfrei bestätigt. Weitere Konzepte sind u. a. Fluoreszenzkonzentratoren, thermophotovoltaische Systeme und Solarzellen für die kabellose Energieübertragung mit Laserstrahlen.

100


A l t e r na t iv e P ho t ovo l t aik - T e c hno l o g i e n

A nsp r e c hpa r t n e r III-V Epitaxie, Solarzellen und Bauelemente

Dr. Frank Dimroth

Telefon +49 761 4588-5258 frank.dimroth@ise.fraunhofer.de

Farbstoff- und organische Solarzellen

Dr. Uli W端rfel

Telefon +49 761 203-4796 uli.wuerfel@ise.fraunhofer.de

Konzentratorsysteme

M.Sc. Maike Wiesenfarth

Telefon +49 761 4588-5470 maike.wiesenfarth@ise.fraunhofer.de

Neuartige Solarzellenkonzepte und Photonenmanagement

Dr. Jan Christoph Goldschmidt

Telefon +49 761 4588-5475

jan.christoph.goldschmidt@ise.fraunhofer.de

101


1

2

Optimierung punktfokussierender Konzentratormodule In der Konzentratorphotovoltaik werden Linsenoptiken

1 Die ortsaufgelöste Temperaturverteilung in einem linsenbasier-

eingesetzt, welche die Strahlung auf sehr kleine Solar-

ten Konzentratormodul ist von großem Interesse. In der Mitte ist das

zellen fokussieren. Seit vielen Jahren entwickeln und

untersuchte Konzentratormodul abgebildet, links die simulierte und

optimieren wir punktfokussierende Konzentratormo­

rechts die gemessene Temperaturverteilung auf der Modulrückseite

dule. Unser FLATCON®-Modul erreicht in Außenmes­

dargestellt. Die Temperaturverteilung stimmt in beiden Fällen sehr

sungen einen Wirkungsgrad von 32,1 %. Für die

gut überein.

weitere Optimierung dieser Module ist das thermische Verhalten wichtiges Gestaltungsmerkmal. Wir nutzen

der Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt. Wir

Finite Elemente Simulation sowie Computational Fluid

haben unsere FLATCON®-Module mit von AZUR Space Solar

Dynamic Modelle, um Module optimal zu gestalten. Die

Power industriell gefertigten Solarzellen bestückt und Wir-

Simulationsmodelle validieren wir mittels Experimenten.

kungsgrade von 32,1 % erreicht (Abb. 2). Die restliche Energie wird hauptsächlich in thermische Energie umgewandelt und

Armin Bösch, Tobias Dörsam, Harald Kraus, Marc Steiner,

an die Umgebung abgegeben. Um geringe Solarzellentempe-

Maike Wiesenfarth, Andreas Bett

raturen zur erreichen, muss dieser Wärmeübergang sorgfältig ausgelegt werden. Wir nutzen Simulationen zur Untersuchung

Die Konzentration von Solarstrahlung bedeutet einen hohen

der thermomechanischen Beanspruchung und Temperatur-

Energieeintrag auf die Solarzelle. Durch den Einsatz von

verteilung. Diese überprüfen wir dann mit experimentellen

hocheffizienten Mehrfachsolarzellen wird mehr als 30 %

Untersuchungen unter realen Außenbedingungen. Ein Beispiel ist in Abb. 1 gezeigt. Die mittels Computational Fluid Dynamic (CFD) Modelle simulierte Temperaturverteilung auf der Modul-

700

rückseite entspricht der mit einer Infrarotkamera gemessenen Temperaturverteilung.

Strom [mA]

600 500

Eine weitere Möglichkeit des thermischen Managements ist

400

die Nutzung der thermischen Energie. Dies ist der effizienteste Weg, das Sonnenlicht zu nutzen. Die thermische Energie

300

wird in Wärmemedien gespeichert und als Prozesswärme zur

200

Verfügung gestellt. Auch diese sogenannten CPVT Systeme

100

(engl. »Concentrator Photovoltaic and Thermal«) untersuchen wir am Fraunhofer ISE, wobei einer unserer Schwerpunkte die

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Spannung [V]

Entwicklung des Strahlungsempfängers und die Optimierung des Zusammenspiels von Optik und Receiver ist.

2 I-V Kennlinie und Foto des FLATCON®-Moduls. Die Messung wurde

Unserer Arbeiten werden vom Bundesministerium für Umwelt,

am Außenteststand in Freiburg am 18.8.2012 aufgenommen. Der Wir-

Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) und durch die

kungsgrad des Moduls mit einer Fläche von 832 cm² betrug 32,1 %.

Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) unterstützt.

102


1

200 nm

MULTI-QUANTENWELL SOLARZELLEN FÜR DEN WELTRAUM Der Industriestandard für Solarzellen zum Einsatz in

1 Elektronenmikroskopischer Schnitt durch eine Quantenwellsolar-

Satelliten im Weltraum sind III-V basierende Dreifach­

zelle. Deutlich sind die abwechselnden Schichten der Quantenwell­

solarzellen. Die Schichtstruktur wird aus unterschied-

region zu sehen, die von den übrigen Solarzellschichten umgeben ist.

lichen Elementen der Gruppen III und V des Perioden­ systems hergestellt. Dies garantiert einen hohen Wirkungsgrad von über 30 % bei extraterrestrischen Einstrahlungsbedingungen. Zusammen mit unserem Industriepartner AZUR SPACE Solar Power haben wir im Rahmen des Projekts »Nanospace II« untersucht, ob eine neue Solarzellenstruktur auf Basis von Quantenwells die bisherigen Wirkungsgrade verbessern kann. Stephanie Essig, Peter Fuss-Kailuweit, David Lackner,

100

Gerald Siefer, Frank Dimroth, Andreas Bett

ohne Quantenwells mit Quantenwells

Heutige Weltraumsolarzellen bestehen aus drei Teilsolarzellen,

80

nutzt. Kosmische, hochenergetische Teilchenstrahlung erzeugt nun Defekte in der Kristallstruktur, welche die Effizienz der Solarzelle kontinuierlich mindern. Die strahlungsinduzierte Schädigung müssen wir daher bereits beim Design der Solar­ zelle berücksichtigen.

Quantenausbeute [%]

von der jede einen anderen Spektralbereich des Sonnenlichts 60

40

In einer Quantenwellsolarzelle wird zwischen die p-dotierte Basis und den n-dotierten Emitter eine Vielfachschicht aus

20

zwei alternierend abgeschiedenen Materialien eingefügt. Die Schichtdicke beträgt dabei nur wenige Atomlagen, weshalb wir quantenmechanische Effekte beobachten. Sie wird daher Quantenwellstapel genannt und von uns so konzipiert, dass im Vergleich zur herkömmlichen Solarzelle zusätzliches Licht bei

0 800

900

1000

Wellenlänge [nm]

längeren Wellenlängen absorbiert wird (Abb. 1). So können wir die Stromanpassung der einzelnen Teilsolarzellen besser

2 Anteil des Lichts, das von je einer Teilsolarzelle mit und ohne

aufeinander abstimmen und dem Schädigungseffekt durch

Quantenwells bei verschiedenen Wellenlängen in elektrischen Strom

Teilchenstrahlung im Weltraum entgegenwirken.

umgewandelt wird (Quantenausbeute). Deutlich ist zu sehen, wie die Quantenwellzelle noch Wellenlängenbereiche des Lichts aus-

Das Projekt wurde von der European Space Agency finanziert.

nutzt, die von der gewöhnlichen Zelle nicht mehr absorbiert werden.

103


1

2

Entwicklung und Charakterisierung von Konzentratorsolarzellen Mehrfachsolarzellen aus III-V Verbindungshalbleitern

1 Metallfinger einer Konzentratorsolarzelle mit 1 mm Durchmesser

erzielen heute die höchsten Wirkungsgrade für die

(links) und Kalibrierung der Zelle unter AM1.5d Normbedingungen

Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom.

(rechts).

Wir arbeiten seit mehr als 15 Jahren an dieser Tech-

2 XSIM Sonnensimulator zur exakten Vermessung von Solarzellen

nologie und 2009 haben wir einen Wirkungsgrad von

mit bis zu sechs pn-Übergängen.

41,1 % unter konzentriertem Licht erreicht. Dabei wurde eine Solarzelle mit drei pn-Übergängen eingesetzt. In einem von der Europäischen Union geförderten For-

passte Schichten aus Ga1-xInxAs, wobei die Bandlückenenergie

schungsvorhaben arbeiten wir heute gemeinsam mit

über die Konzentration an Indium im Kristall eingestellt wird.

Projektpartnern in Europa und Japan an der Herstellung

Eine Herausforderung ist der Wechsel der atomaren Abstände

und präzisen Vermessung der nächsten Generation von

in diesen Kristallschichten. Hierdurch können Versetzungen

Mehrfachsolarzellen mit vier pn-Übergängen.

entstehen, die sich negativ auf die Bauelementeigenschaften auswirken. Einer unserer Schwerpunkte ist die Entwicklung

Frank Dimroth, Stephanie Essig, Elvira Fehrenbacher,

von Übergangsschichten zwischen den Materialien. Weiterhin

Stephan Heckelmann, Ranke Koch, David Lackner,

optimieren wir die Materialqualität anhand von Teststrukturen

Karin Mayer, Markus Niemeyer, Eduard Oliva, Inessa Semke,

und Solarzellen.

Gerald Siefer, Michael Schachtner, Manuela Scheer, Katrin Wagner, Alexander Wekkeli, Andreas Bett

Die Charakterisierung von Vierfachsolarzellen ist ein weiteres Entwicklungsfeld. Aufgrund der seriellen Verschaltung

In III-V Mehrfachsolarzellen werden mehrere pn-Übergänge

der Teilzellen muss das Spektrum des Sonnensimulators

mit Empfindlichkeit im blauen bis infraroten Spektralbereich

so eingestellt werden, dass unter den Messbedingungen

übereinander gestapelt. Diese Solarzellen werden heute im

identische Photoströme generiert werden, wie unter AM1.5d

Weltraum und in photovoltaischen Konzentratorsystemen auf

Normbedingungen. Hierzu werden von uns konzipierte neue

der Erde eingesetzt. Der Industriestandard besteht aus einer

Sonnensimulatoren eingesetzt (Abb. 2), die es erlauben,

Dreifachsolarzelle mit drei separaten pn-Übergängen in den

das Spektrum in den verschiedenen Wellenlängenbereichen

Materialien GaInP, GaAs und Ge.

separat einzustellen. Wir nehmen auch an internationalen Messvergleichen teil, bei denen wir zeigen konnten, dass

Die nächste Generation dieser Hocheffizienzzellen soll aus vier

Messungen am Fraunhofer ISE und bei AIST (Japan) eine gute

oder fünf Teilzellen bestehen, um so die Effizienz der Ener-

Übereinstimmung aufweisen.

gieumwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom noch weiter zu erhöhen. Gemeinsam mit unseren Projektpartnern

Die Forschungsarbeiten werden durch die Europäische Union

arbeiten wir an diesen neuen Solarzellenkonzepten. Hierbei

im Rahmen des Projekts »NGCPV« gefördert.

wird ein neues Material mit einer Bandlücke von 1,0 eV in die heutige Struktur eingebaut. Wir verwenden gitterfehlange-

104

www.III-V.de


rel. Wirkungsgrad 0.0

1E19

n-Dotierung Akzeptor [cm-3]

0.2 0.3 0.5

0.8 1.0

1E17

1

0.7

1E18

0

1E17

2

1E18

1E19

p-Dotierung Donor [cm ] -3

Zweidimensionale Modellierung organischer Solarzellen Anders als bei herkömmlichen Solarzellen besteht die

1 ITO-freies organisches Solarzellenmodul auf flexiblem Substrat.

photoaktive Schicht organischer Solarzellen aus zwei

2 Wirkungsgrad (relativ) einer organischen Donor/Akzeptor

verschiedenen Materialien, einer Donor- und einer

Solarzelle als Funktion der p-Dotierung der Donorphase und der

Akzeptorphase, die beide zur Generation von Ladungs-

n-Dotierung der Akzeptorphase.

trägerpaaren beitragen. Die Löcher werden im Donor transportiert, die Elektronen im Akzeptor. Die theoretische Beschreibung organischer Solarzellen wird üblicher-

einer Verarmungszone mit entsprechender Bandverbiegung.

weise mit 1-dimensionalen Modellen vorgenommen, die

Die Ladungsträgerkonzentration ist daher an der Grenzfläche

den 2-Phasencharakter der photoaktiven Schicht nicht

am niedrigsten und erreicht in der Mitte der Phasen ihren

wiedergeben. Aus diesem Grund haben wir ein 2-dimen-

jeweils höchsten Wert. Dies ermöglicht einen wesentlich

sionales Modell entwickelt, das beide Komponenten der

effektiveren Transport zu den Kontakten, was sich positiv auf

photoaktiven Schicht explizit berücksichtigt. Dieses wur-

den Füllfaktor und damit auf den Wirkungsgrad auswirkt.

de erfolgreich auf die Bestimmung der Auswirkungen

Abb. 3 zeigt, dass die Ladungsträger im undotierten Fall relativ

einer Dotierung beider Komponenten angewendet.

homogen verteilt zu den Elektroden transportiert werden, wohingegen für stark dotierte Phasen sich die Ladungsträger

Martin Andreas Fischer, Felix Stelzl, Uli Würfel,

zunächst senkrecht zur Grenzfläche in die Mitte der jeweiligen

Birger Zimmermann, Stefan Glunz

Phasen bewegen, bevor sie in den Bereichen höchster Leitfähigkeit zu den Elektroden transportiert werden.

In bisherigen Simulationen wurde das Modell des effektiven Halbleiters verwendet, dessen Elektronen (Löcher)-Transport-

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und

Niveau dem des Akzeptors (Donors) entspricht. Damit können

Forschung (BMBF) und von der Deutschen Forschungsgemein-

u. a. die Auswirkungen der Ladungsträgermobilitäten, Selekti-

schaft unterstützt.

vität der Kontakte oder einer p- oder n-Dotierung der photoaktiven Schicht gut abgebildet werden. Die Unter­suchung des Effekts einer Dotierung beider Phasen ist mit diesem Modell aber nicht möglich, da Kompensation auftritt. Unser erweitertes 2-D Modell ermöglicht dies, da hier beide Phasen explizit berücksichtigt werden. Abb. 2 zeigt, dass die Effizienz dadurch erheblich gesteigert werden könnte. Grund hierfür ist, dass es sich bei der organischen Solarzelle um ein reines Majoritätsladungsträgerbauteil handelt, da sich die

3 Ortsabhängigkeit der Stromdichte im Kurzschluss für den Fall der

Elektronen in der Akzeptorphase und die Löcher in der Do-

undotierten Phasen (links) und für den Fall eines stark n-dotierten

norphase befinden. Die Generation und Rekombination findet

Akzeptors und eines stark p-dotierten Donors (rechts). IL steht für

ausschließlich an der Grenzfläche der beiden Phasen statt.

Grenzflächenschicht (Interfacial Layer), in der die Ladungsträger

Durch die verschiedene Dotierung kommt es zur Aus­bildung

rekombinieren.

105


1

Produktentwicklung von Farbstoffsolarmodulen Farbstoffsolarzellen stehen kurz vor der breiten Einfüh-

1 Mobiler Showroom für großflächige Farbstoffsolarmodule

rung in den Markt. Bereits verwirklicht werden Anwen-

zur Präsentation auf Messen und Konferenzen.

dungen in Lifestyle-Produkten. Da Farbstoffsolarzellen sowohl transparent als auch opak gestaltet werden können, stellen sie darüber hinaus eine interessante Applikation für die gebäudeintegrierte Photovoltaik dar. Am Fraunhofer ISE wird an der Entwicklung von photovoltaisch aktivem Architekturglas gearbeitet. Die 60 cm x 100 cm großen Module mit langzeitstabiler Glaslotversiegelung und interner serieller Verschaltung

10 cm x 10 cm großen Modulen auch für die aufskalierten,

können nun reproduzierbar hergestellt werden.

60 cm x 100 cm großen Module erreichbar sind. Hierbei konnte bereits ein Wirkungsgrad von 6,6 % auf aktiver Fläche

Katarzyna Bialecka, Henning Brandt, Katrine Flarup-Jensen,

erzielt werden. Wichtig für die Langzeitstabilität von Farbstoff-

Andreas Hinsch, Ramiro Loayza Aguirre, Welmoed Veurman,

solarzellen ist die Elektrolytentwicklung. Mit Projektpartnern

Stefan Glunz

haben wir in standardisierten Testzellen eine breite Palette von Materialien mit PV-üblichen Standardtestverfahren auf ihre

Anders als bei herkömmlichen Solarzellen wandelt bei

Stabilität getestet. Vielversprechende Materialen werden nun

Farbstoffsolarzellen ein organischer Farbstoff Licht in

in den großflächigen Modulen eingesetzt.

elektrische Energie um. Die Module werden mit einfachem Siebdruck hergestellt und mit Glaslot in einem thermischen

Der Schwerpunkt unserer derzeitigen Arbeiten liegt neben der

Prozess versiegelt. Das Einfärben der aktiven Schicht mit dem

Materialentwicklung in der Optimierung des Modulkonzepts

Farbstoff und die Befüllung des Moduls durch Elektrolyt wird

und an der weiteren Umsetzung der Prozessschritte in eine

mit am Fraunhofer ISE entwickelten Maschinen-Prototypen

industrietaugliche Umgebung. Hierfür arbeiten wir gezielt mit

durchgeführt, die sich im laufenden Optimierungsprozess

Unternehmen aus den Bereichen zusammen, die Interesse an

befinden. Die Herstellung von Farbstoffsolarmodulen kann in

Herstellungs- und Vermarktungskooperationen für Farbstoff­

bestehende Prozesse zur Veredelung von Flachglas integriert

solarzellen haben.

werden. Die Arbeiten wurden im Rahmen von Verbundprojekten durch Der großflächige Siebdruckprozess konnte in kleinen Prototy-

die Baden-Württemberg-Stiftung, das Bundesministerium

pen-Produktionen bei Projektpartnern reproduziert werden.

für Bildung und Forschung (BMBF) und im Rahmen eines

Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass frühere Resultate von

Eigenforschungsprogramms gefördert.

106


2 2

1

Nano-Strukturen für ein effizientes Photonenmanagement Photonenmanagement bezeichnet Techniken, die den

1 REM-Aufnahme einer Filterstruktur aus amorphen SiC-Verbindun-

Weg des Lichts und dessen spektrale Zusammensetzung

gen. Die Schichten wurden mit PECVD auf Silicium abgeschieden.

beeinflussen, um so prinzipielle Beschränkungen des

Die Struktur ist für eine hohe Reflexion von Licht mit Wellenlängen

Wirkungsgrads herkömmlicher Solarzellen zu überwin-

größer als 1500 nm optimiert.

den. Wichtige Bausteine für Systeme zum Photonenma-

2 Selektiver Reflektor für den sichtbaren Spektralbereich, der

nagement sind spektral selektiv reflektierende Struktu-

durch eine abwechselnde Rotationsbeschichtung von PMMA und

ren. Diese lassen sich z. B. zur Effizienzsteigerung der

TiO2 Nanopartikeln hergestellt wurde.

Hochkonversion, zur Verbesserung der Lichtsammlung in Fluoreszenzkonzentratoren oder direkt zur Absorptionserhöhung in Solarzellen einsetzen.

Für sichtbares Licht lassen sich Multischichtsysteme auch durch kostengünstige Rotationsbeschichtung herstellen (Abb. 2). Da-

Benedikt Bläsi, Johannes Eisenlohr, Stefan Fischer,

mit kann eine selektive Reflexion von nahezu 100 % erreicht

Judith Frank, Benjamin Fröhlich, Johannes Gutmann,

werden (Abb. 3). Durch eine Variation der Schichtdicken lassen

Jan Christoph Goldschmidt, Martin Hermle, Barbara Herter,

sich die spektrale Position des Reflexionspeaks verschieben

Stefan Janz, Janina Löffler, Janina Posdziech, Tim Rist,

und Nebenmaxima unterdrücken.

Heiko Steinkemper, Sebastian Wolf, Stefan Glunz Die Arbeiten im Bereich Photonenmanagement werden durch Je nach Einsatzzweck stellen wir selektiv reflektierende

die Deutsche Forschungsgemeinschaft, das Bundesministerium

Strukturen aus unterschiedlichen Materialsystemen her.

für Bildung und Forschung (BMBF) und die Europäische Union

Für das nahe Infrarot eignen sich Multischichtsysteme aus

unterstützt.

unterschiedlichen Siliciumcarbid-Verbindungen (SiC) mit 100

jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes (Abb. 1). Diese lassen sich mit Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition

80

lässt sich sehr gut in die Prozesse der Solarzellenherstellung integrieren. So lassen sich z. B. Rückseitenverspiegelungen von Solarzellen realisieren, die gleichzeitig die elektrische Oberflächenpassivierung unterstützen. Eine andere Einsatzmöglichkeit sind Resonatorstrukturen, welche die Effizienz

Reflexion [%]

(PECVD) abscheiden. Die Abscheidung von SiC mittels PECVD

60 40 20

von Hochkonversionsprozessen erhöhen. Hierbei werden vom Silicium nicht nutzbare Photonen mit niedriger Energie in nutzbare, höherenergetische Photonen umgewandelt. Durch

0

400

800

1200

1600

2000

Wellenlänge [nm]

ein geschicktes Design der Resonanzwellenlängen lassen sich mithilfe der Multischichtsysteme die Absorption der einfal-

3 Reflexion eines sogenannten Bragg-Filters, der durch PECVD von

lenden Photonen und die gewünschte Emission nutzbarer

SiO2 und SiN hergestellt wurde. Es wird eine selektive Reflexion von

Photonen verstärken.

nahezu 100 % erreicht.

107


Stromversorgung Effizient

108


regenerative stromversorgung

Im ersten Halbjahr 2012 hat der Anteil der erneuerbaren

sichern, müssen bei sinkender Förderrate auch die Kosten

Energien bei der Stromerzeugung in Deutschland erstmalig

für die Systemtechnik weiter gesenkt werden. Dies gilt

die 25 Prozent-Marke überschritten. Bis 2050 soll dieser Anteil

insbesondere für Wechselrichter zur Netzeinspeisung, einem

auf 80 Prozent steigen. Die wesentlichen Zuwächse kommen

Produktbereich, in dem deutsche Hersteller nach wie vor

von Windkraft und Photovoltaik. Beides sind wetterabhängige,

den Markt dominieren. Neue Schaltungskonzepte, digitale

fluktuierende Erzeugungsarten, die bei weiter steigendem

Regelungstechnik, Fortschritte bei Leistungshalbleitern sowie

Ausbau eine weitreichende Anpassung unseres Energiever-

bei passiven Bauelementen bieten aber noch erhebliches

sorgungssystems erfordern. Um den damit verbundenen

Potenzial zur Effizienzsteigerung und Kostensenkung. Ferner

technischen, ökologischen und ökonomischen Anforderungen

müssen Wechselrichter bei weiter steigendem Anteil fluktu-

gerecht zu werden, entwickeln wir neue Konzepte und

ierender Erzeugung zukünftig mehr und mehr netzstützende

Komponenten für das Energiemanagement von dezentralen

Funktionen übernehmen. Hierzu bieten wir für das gesamte

Erzeugern und Verbrauchern im Verteilnetz auf Basis

Leistungsspektrum bis in den Megawatt-Bereich spezifisches

modernster Kommunikationstechnologie. Das Einbeziehen der

Know-how an, insbesondere in den Bereichen Schaltungs-

Stromkunden über Nutzungsverhalten, Verbrauchsvisualisie-

design sowie Dimensionierung und Implementierung von

rung und effiziente Abrechnungsmethoden (Smart Metering)

analogen und digitalen Reglern. Darüber hinaus führen wir

spielt dabei eine zunehmend wichtigere Rolle.

für unsere Kunden alle in den neuen Netzanschluss-Richtlinien geforderten Tests an Umrichtern mit Nennleistungen bis über

Besondere Bedeutung beim Ausbau der erneuerbaren

1 MW durch.

Energien kommt elektrischen Speichern zu, die Unterschiede in Erzeugung und Verbrauch effektiv ausgleichen können.

Rund 1,4 Milliarden Menschen in ländlichen Regionen,

Speicherlösungen werden aber auch in autarken, nicht-

unzählige technische Anlagen in der Telekommunikation,

netzgekoppelten Energiesystemen und zum Antrieb von

Umweltmesstechnik sowie vier Milliarden tragbare Elektro-

Elektrofahrzeugen benötigt. Wir arbeiten deshalb intensiv

nikgeräte haben eines gemeinsam: Sie alle brauchen eine

an der Entwicklung und Optimierung von Batteriesystemen

netzunabhängige Stromversorgung. Hierfür werden zuneh-

für stationäre und mobile Anwendungen (Elektrofahrzeuge).

mend regenerative Energien bzw. innovative Energiewandler

Schwerpunkte sind dabei die Erhöhung der Leistungs- und

eingesetzt. Ein steigender Anteil der weltweit verkauften

Speicherfähigkeit, verbesserte Betriebsführungsstrategien und

Photovoltaikmodule geht in diese Märkte, die sich zum Teil

die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen für alle

bereits ohne Fördermittel ökonomisch selbst tragen. Zudem

gängigen Technologien.

gibt es einen riesigen Markt für Technologien zur dezentralen Wasserentsalzung und -entkeimung auf der Basis von erneu-

Von allen erneuerbaren Energiearten weist die Photovoltaik

erbaren Energien. Für dieses breite Anwendungsspektrum

die größte Dynamik auf. Ihr Anteil an der Stromerzeugung

entwickeln wir Konzepte, Komponenten und Systeme zur

in Deutschland lag Ende des ersten Halbjahrs 2012 bereits

autonomen Stromversorgung auf der Basis von Photovoltaik,

bei 5,1 Prozent. Um dieses Wachstum auch weiterhin zu

Brennstoffzellen sowie Wind- und Wasserkraft.

109


R e g e n e r a t i v e S t r o m v e rs o r g u n g

Zukünftig werden Fahrzeuge teil- bzw. vollelektrische Antriebe

Im Rahmen des Projekts »Fraunhofer Systemforschung Elektro­

besitzen und ihre Energie aus dem Stromnetz beziehen (Elekt-

mobilität« entwickelten Ingenieure des Fraunhofer ISE eine

ro- und Plug-In-Fahrzeuge). Das Fraunhofer ISE arbeitet an der

universelle Ladesäule. Sie bietet sowohl die Infrastruktur zur

Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Stromnetz an Konzepten

Beladung von Elektrofahrzeugen über ihre On-Board-Ladegeräte

für eine umweltverträgliche Energieversorgung, einer optima-

als auch die Schnellladung über einen eigens entwickelten, in die

len Einbindung der Fahrzeuge in das Stromnetz und entwickelt

Säule eingebauten, extrem kompakten 22 kW-Umrichter. Neben

zusammen mit Partnern aus der Automobil- und Versorgungs-

Laden und Rückspeisen sind weitere Funktionen, wie Energiemes­

industrie Komponenten für das Energiemanagement und für

sung (Metering) und Abrechnung, die Fahrzeugauthentifizierung

die bidirektionale Energieübertragung zwischen Fahrzeug und

sowie Kommunikationslösungen integriert.

Netz sowie universelle Metering- und Abrechnungssysteme. Für die solare Stromerzeugung im größeren Maßstab und vorzugsweise für den Einsatz in südlichen Ländern arbeitet das Fraunhofer ISE an Technologien für solarthermische Kraftwerke. Unsere Laborausstattung im Überblick: - Leistungselektroniklabor mit modernster Geräte- und Softwareausstattung für Leistungen bis 1 MW - Labor zur Zertifizierung von Wechselrichtern (Fault-Ride Through, Wirkungsgradmessung, Power Quality etc.) - Entwicklungsumgebungen für Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren (DSP) und Embedded Systems - Messlabor für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - IuK-Technologie-Labor für Energieanlagen und Steuerungssysteme - SmartEnergyLab zur Entwicklung und Test von Smart-Grid- Lösungen - Mess- und Kalibrierlabor für Solarmodule - Freiland-Testfeld zur Erprobung von Solarkomponenten - Batterielabor für Entwicklung und Tests vom Kleinleistungs- bis zum Automotive-Bereich - Lichtlabor - Teststände für Brennstoffzellen im Betrieb mit Wasserstoff und Methanol - Entwicklungslabor für Redox-Flow-Batteriesysteme - Test- und Entwicklungslabor für Trinkwasseraufbereitungs- systeme

110


R e g e n e r a t i v e S t r o m v e rs o r g u n g

A n s p r e c h pa r t n e r Autarke Stromversorgungen und Inselnetze

Dr. Matthias Vetter

Dezentrale, netzgekoppelte Energiesysteme

Telefon +49 761 4588-5600 matthias.vetter@ise.fraunhofer.de

Dr. Christof Wittwer

(Smart Grids)

Telefon +49 761 4588-5115 christof.wittwer@ise.fraunhofer.de

Dr. Thomas Erge

Leistungselektronik und Regelungstechnik

Telefon +49 761 4588-5337 thomas.erge@ise.fraunhofer.de

Prof. Dr. Bruno Burger

Telefon +49 761 4588-5237 bruno.burger@ise.fraunhofer.de

Elektrische Speichersysteme

Dr. Matthias Vetter

Telefon +49 761 4588-5600 matthias.vetter@ise.fraunhofer.de

Solare Kraftwerke

Dr. Thomas Fluri

Telefon +49 761 4588-5994 thomas.fluri@ise.fraunhofer.de

Dezentrale Wasseraufbereitung

Dr. Joachim Koschikowski

Telefon +49 761 4588-5294 joachim.koschikowski@ise.fraunhofer.de

Dr. Joachim Went

Telefon +49 761 4588-5240 joachim.went@ise.fraunhofer.de

Elektromobilit채t Dr. G체nther Ebert

Telefon +49 761 4588-5229 guenther.ebert@ise.fraunhofer.de

111


2

1

Feldtest mit PV-betriebenen Umkehrosmoseanlagen (PV-RO) Ende 2011 konnten wir zwei photovoltaisch betriebene

1 Korrodiertes Ventil; Lochfraß an der Grundplatte des 3/2-Wege­

Umkehrosmoseanlagen zur Meerwasseraufbereitung

ventils, dem Herzstück der Energierückgewinnungseinheit.

auf Zypern in Betrieb nehmen. Es handelt sich dabei

2 PV-RO-Anlage auf Zypern (Pentakomo Lab).

um die weltweit ersten Umkehrosmoseanlagen, deren Leistungsaufnahme sich dem momentanen Leistungs-

Batteriespeicher. Die Verwendung kleiner Batteriespeicher ist

angebot der Sonne dynamisch anpassen lässt. Auf die

zur Aufrechterhaltung der Automatisierungsfunktion und In-

Zwischenspeicherung von Energie in Batterien kann

ternetverbindung zum Datenmonitoring sowie Remotezugriff

aufgrund der dynamischen Fahrweise idealerweise

sehr vorteilhaft. Die wechselnde mechanische Belastung der

vollständig verzichtet werden. Nach einem Jahr können

Umkehrosmosemembranen hat bisher zu keiner verfrühten

wir nun ein überwiegend erfreuliches Resümee bzgl.

Degradation geführt. Biofouling und Scaling konnten durch

Auslegung, spezifischem Energiebedarf, Betrieb mit

Flutung der Anlage mit Süßwasser über Nacht gemindert

minimiertem Batteriespeicher, Regelungsalgorithmen,

werden. Die Zuverlässigkeit einiger zugekaufter Kompo-

Degradation von Membranen und Zuverlässigkeit der

nenten war ungenügend: Eine defekte Befüllpumpe musste

verbauten Komponenten ziehen.

ausgetauscht werden und ein 3/2-Wegeventil, Herzstück der Energierückgewinnungseinheit, korrodierte trotz Verwendung

Julian Anhalt, Marcel Klemm, Sebastian Rauscher,

meerwasserbeständiger Stähle stark. Für zukünftige Anlagen

Alexander Schies, Matthias Vetter, Joachim Went,

setzen wir auf die Vermeidung dieser kritischen Ventilkompo-

Günther Ebert

nente durch eine neue Erfindung, die für PV-RO Anlagen einen noch geringeren spezifischen Energiebedarf bei sinkender

Der Feldversuch bestätigte, dass mit der entwickelten Aus­

Komplexität und Anlagenkosten erwarten lässt.

legungsmethode eine hohe Genauigkeit erreicht werden und Technologie (BMWi) im Programm InnoNet und unseren

flexiblen Energierückgewinnungseinheit ein sehr niedriger

Partnerfirmen Pairan Elektronik GmbH, IBC Solar AG, Gather

spezifischer Energiebedarf von unter 4,6 kWh / m³ erreicht

Industrie GmbH, MAT Plasmatec GmbH, Katadyn Produkte AG

werden (Abb. 3). Der Entsalzungsprozess benötigt keinen

und Technisches Büro Becker unterstützt.

6000

6

4000

4

2000

2

0

0 18:00

6:00

8:00

10:00

12:00

14:00

16:00

Wasserfluss [m3/h] Permeatvolumen [m3]

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft

Teillastbetrieb der Anlagen führt, konnte mithilfe unserer

Leistung_PV-MPP [W] Genutzte Leistung [W]

kann. Obwohl die dynamische Betriebsweise zum häufigen

PV-Leistung im MPP Filtratfluss Ultrafiltration Permeatfluss Permeatvolumen Genutzte Leistung

Zeit [hh:mm]

3 Repräsentativer Tagesverlauf des Anlagenbetriebs vom 24.05.2012. Über die Ortszeit sind die Kenngrößen von ver­ fügbarer und genutzter PV-Leistung, der Permeatfluss der Umkehrosmosestufe, der Filtratfluss der Ultrafiltration sowie das produzierte Süßwasservolumen aufgetragen.

112


1

Optimierte Ladezustandsbestimmung für Bleibatterien Bleibatterien sind die am weitesten verbreiteten Akku-

1 Die Rappenecker Hütte ist ein Beispiel für netzunabhängige

mulatoren und werden nicht nur in autarken PV-Syste-

Stromversorgung.

men und Inselnetzen in Schwellen- und Entwicklungsländern eingesetzt, sondern stellen auch eine Option 1.4

für Speichersysteme zur Erhöhung des Eigenstromverbrauchs dar. Um eine genaue Aussage über die verblei-

hatten bisherige Verfahren massive Schwierigkeiten, da Zuverlässigkeit und Genauigkeit in vielen Betriebs- und Ladezuständen zu wünschen übrig ließen. Wir haben ein neues auf stochastischen Filtern basierendes Verfahren entwickelt, das den Ladezustand für alle Arten von Bleibatterien genau und zuverlässig bestimmt. Georg Bopp, Johannes Kehl, Simon Schwunk,

Ladezustand

bende Energiemenge machen zu können, sind Algorithmen zur Ladezustandsbestimmung notwendig. Hierbei

neues Verfahren

Referenz

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

50

100

Matthias Vetter, Günther Ebert

150

200

250

300

350

400

450

500

Zeit [h]

Vor allem in netzunabhängigen Stromversorgungen stellt die

2 Dargestellt ist der vom entwickelten Verfahren zur Zustands­

Ladezustandsbestimmung eine Herausforderung dar. Bei An-

bestimmung präzise ermittelte Ladezustand und die Referenz. An­

wendungen im Gabelstapler mit einem sehr zyklischen Betrieb

wendungsfall ist eine photovoltaisch betriebene netzunabhängige

oder in unterbrechungsfreien Stromversorgungen, in denen

Stromversorgung.

die Batterien beinahe ständig im Vollladezustand sind, ist eine Ladezustandsbestimmung anhand einer Vollladungserkennung und einer Bilanzierung des Batteriestroms vergleichsweise

Ladezustands. Bisherige Verfahren litten entweder an den feh-

einfach. Bei photovoltaisch betriebenen Stromversorgungen

lenden Möglichkeiten zur Korrektur oder waren nur für eine

mit langen Zeiten im mittleren Ladezustand ist diese Aufgabe

bestimmte Art von Bleibatterie entwickelt. Durch die Arbeiten

deutlich komplexer. Wenn Strom fließt, ist ein Rückschluss von

des Fraunhofer ISE ist es nun gelungen, das Verfahren auf alle

der Klemmenspannung einer Batterie auf den Ladezustand

Arten von Bleibatterien zu übertragen und in jedem Betriebs-

nicht ohne weiteres möglich. Viele Prozesse in der Batterie

punkt ständig zu korrigieren. Stochastische Verfahren lassen

sorgen für eine Abweichung von der Ruhespannung.

sich auch hervorragend auf andere Batterietypen anwenden.

Das neue Verfahren nutzt sehr viele von diesen Klemmenspan-

Die Arbeiten wurden im Rahmen des vom Bundesministeriums

nungsmessungen, filtert diese Messungen und kombiniert

für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) ge-

sie mit einer Bilanzierung des Batteriestroms über die Zeit.

förderten Projekts »Pilebi« zusammen mit der Firma Steca

Dadurch erhält man schließlich eine gute Schätzung des

durchgeführt.

113


1

Innovative Systemtechnik für Dorfstromversorgungen von morgen Eine flächendeckende Energieversorgung ist in vielen

Die wesentlichen Komponenten der Dorfstromversorgung

Gebieten der Erde nicht gegeben, da diese entweder

sind ein PV-Generator, ein hybrides Batteriesystem, ein Wech-

sehr abgelegen oder nicht ausreichend entwickelt sind.

selrichter, ein PV-Batterieladegerät sowie ein übergeordnetes

Dennoch gibt es dort einen Bedarf an elektrischem

Energiemanagement. Die photovoltaisch erzeugte Energie

Strom, der bisher hauptsächlich durch Dieselgenerato-

wird über das Ladegerät im hybriden Batteriesystem zwischen-

ren gedeckt wird. Da dies mit hohen Kosten und starker

gespeichert, sollte der aktuelle Verbrauch nicht hoch genug

Umweltbelastung verbunden ist, arbeiten wir an neuen

sein. Kann die benötigte Energie nicht über Photovoltaik

technischen Lösungen, mit dem Ziel, die Energiever­

bereitgestellt werden, so wird sie aus der Batterie entnommen.

sorgung effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger

Das System arbeitet mit Spannungen von bis zu 1000 V, um

zu gestalten. In den betroffenen Gebieten bietet sich

einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

die Photovoltaik als elektrische Energiequelle an. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen eines Forschungs-

Ein wesentlicher Kostenfaktor, über die Lebensdauer einer

projekts die Systemtechnik für PV-Hybridsysteme weiter

solchen Stromversorgung gesehen, war bisher die Batterie.

entwickelt.

Üblicherweise werden Bleibatterien eingesetzt, die zwar günstig in der Anschaffung sind, aber gerade in solchen

Bruno Burger, Michael Eberlin, Max Jung, Severin Philipp,

Anwendungen oft nur über eine sehr begrenzte Lebensdauer

Florian Reiners, Simon Schwunk, Olivier Stalter,

verfügen. Lithium-Ionen-Batterien würden sich aufgrund ihrer

Matthias Vetter, Günther Ebert

technischen Eigenschaften weit besser für solche Systeme eignen, sind aber bisher noch zu teuer. Durch die Kombination beider Systeme gelingt es, die Alterung der Bleibatterie um bis zu 40 % zu verringern. Die zusätzlichen Systemkosten, welche sich aus der Zusammenschaltung ergeben, sind gering, da zusätzliche Leistungselektronik vermieden werden konnte. In Abb. 4 ist ein solcher Umschaltvorgang dargestellt. Man erkennt, dass kurzzeitig beide Batteriesysteme Energie liefern.

Strom [A]

10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60

Spannung [V]

Bleibatteriestrang

60 58 56 54 52 50

0

20

40

60

80

100

4 Umschaltvorgang vom Lithium-Ionen- auf den Bleibatteriestrang. Zunächst versorgt die Lithium-Ionen-Batterie die Last, dann teilt sich der Strom kurzfristig auf beide Batterien auf. Nach kurzer Zeit

0

20

40

60 Zeit [ms]

114

Bei geeigneter Umschaltstrategie lassen sich für die Batterien

Lithiumbatteriestrang

80

100

wird dann die Lithium-Ionen-Batterie vom DC-Bus getrennt und die Bleibatterie versorgt die Last alleine.


2 1

gefährlich hohe Umschaltströme vermeiden, so dass hierdurch

3

1 Platine eines hochvoltfähigen Modulmanagementsystems für

kein Sicherheitsrisiko und auch keine Verringerung der

Lithium-Ionen-Batterien. Die Platine misst die Zellspannung,

Lebens­dauer resultieren. Das Fraunhofer ISE hat das gesamte

symmetriert die Zellen und bestimmt den Zustand der Batterien.

Batteriesystem konzeptioniert und entwickelt, inklusive des

2 Lithium-Ionen-Batteriemodul für ein hybrides Batteriesystem.

hochspannungsfähigen und modularen Batteriemanage-

Die Zellen sind in Serie verschaltet, werden luftgekühlt und von

mentsystems, der Ladezustands- und Alterungsbestimmung,

mehreren Modulmanagementplatinen überwacht.

der Modulkonstruktion, der Umschaltvorrichtungen und der

3 Dorfstromversorgung mit Photovoltaik, Wind, Biomasse und

Umschaltstrategien.

Dieselgenerator. Das Netz wird über den zentralen Inselwechsel­ richter gebildet, die dezentralen Photovoltaikwechselrichter

Neben der Batteriesystemtechnik wurden am Fraunhofer ISE

arbeiten netzgeführt.

die für ein Dorfstromversorgungssystem notwendigen leistungselektronischen Komponenten entwickelt: ein 120 kW Batteriewechselrichter und ein 51 kW PV-Batterieladegerät. Der Schwerpunkt lag dabei auf einem möglichst effizienten, zuverlässigen und kostengünstigen Aufbau. Entgegen bisher verfügbaren Inselwechselrichtern wurde bei dem entwickelten System auf Hochsetzsteller und Transformatoren verzichtet, und stattdessen auf eine hohe DC-seitige Systemspannung gesetzt. In Verbindung mit einer hocheffizienten NPC-Topologie können so Wirkungsgrade über 98 % erreicht werden. Üblich sind heute maximal 95 %. Auch die hohe Ausgangsleistung ist bisher unerreicht.

98,5

Generatoren auf ihren Maximum Power Point (MPP). Durch die gewählte Hochtiefsetzsteller-Topologie ergibt sich ein PV-Spannungsbereich von 350 V bis 1200 V, während die Batteriespannung zwischen 650 V und 1000 V liegen darf. Dieser große Spannungsbereich trägt zu einer hohen Flexibilität bei

Efficiency [%]

Das entwickelte PV-Batterieladegerät ermöglicht eine getrennte Regelung von bis zu sechs verschiedenen PV-

V_bat: 680 V

98

V_bat: 900 V

97,5 97 96,5 96 0

20

der Systemauslegung bei. Um die Umwandlungsverluste zu

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Output power [kW]

minimieren, kommen Super-Junction-Feldeffekttransistoren, sowie Siliciumcarbid-Dioden der neuesten Generation zum

5 Wirkungsgrade des entwickelten Inselwechselrichters bei

Einsatz. Wie auch beim Inselwechselrichter, wurde auf einen

verschiedenen Spannungen. Der Spitzenwirkungsgrad liegt über

Transformator verzichtet. In ersten Messungen konnten

98 %, der Verlauf des Wirkungsgrades ist über einen weiten

Wirkungsgrade bis 99 % erreicht werden.

Bereich konstant.

115


1

2

Qualitätssicherung von PV-Leuchten: Neue Batterie-Testmethoden Das Fraunhofer ISE wurde von der Gesellschaft für

1 Typische Vertreter photovoltaisch versorgter Leuchten verschie­

Inter­nationale Zusammenarbeit (GIZ) beauftragt, die im

dener Leistungsklassen.

Rahmen des »Lighting Africa« Programms der Welt-

2 Elektrische Speicher, die in Solarleuchten eingesetzt werden:

­­bank / IFC entwickelten Prozeduren zur Qualitätssiche-

Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Ionen- und Bleibatterien (v. l. n. r.).

rung von solar versorgten Leuchten zu erweitern und zu verbessern. Verschiedene Untersuchungen und Feldtests zeigten, dass insbesondere die Qualitätsprüfung von Batterien nicht ausreichend und umfassend genug war. Neue Batterie-Testmethoden erlauben nun, die Qualität besser und praxisnäher zu spezifizieren. Die Testverfah-

Zur Qualifizierung solcher Produkte wurden von der »Lighting

ren wurden zudem auf aktuelle Speichertechnologien

Africa«-Organisation, der GIZ und dem Fraunhofer ISE

wie Lithium-Ionen-Batterien erweitert.

umfangreiche Testverfahren entwickelt und kontinuierlich verbessert. Feldtestergebnisse erforderten jedoch weitere

Georg Bopp, Evandro Augusto Dresch, Norbert Pfanner,

Optimierung im Bereich der elektrischen Speicher.

Friedemar Schreiber, Matthias Vetter, Günther Ebert PV-Leuchten nutzen verschiedene Batterietechnologien, Weltweit haben 1,4 Milliarden Menschen keinen Zugang zu

von Bleibatterien bis zu Lithium-Ionen-Zellen. Bei manchen

Elektrizität. Zur Beleuchtung dienen häufig Petroleumlampen

Produkten wird trotz Berücksichtigung angepasster Betriebs-

mit hohen Betriebsfolgekosten. Solarleuchten sind eine

und Lagerungsbedingungen nur eine sehr kurze Lebensdauer

umweltfreundliche und kostengünstige Alternative, weisen

erreicht. Neue Testprozeduren, die eine vorzeitige Alterung für

jedoch deutliche Qualitätsunterschiede auf.

Blei-, NiMH- und Lithium-Ionen-Batterien nachweisen können, regelmäßigen Gebrauch und die Lagerung der Leuchten und

140

140%

berücksichtigen die höheren Umgebungstemperaturen.

+19% -­‐‑7% +19% -7%

120

120%

-­‐‑2%

-2%

100

100%

-­‐‑26% -26% -­‐‑43% -­‐‑ 45% -45% -43%

80

80%

Wir konnten zeigen, dass die neu entwickelten Testverfahren sowohl bei hoch- als auch minderwertigen Batterien einen

60

schnellen und einfachen Qualitätsnachweis bieten. Besonders

40

bei der Lagerung wurden aussagekräftige Ergebnisse bereits

0%

Vor  der  Lagerung Vor der Lagerung Probe  2 Probe  3 In Blau: namhafter Hersteller Probe  1

In  Blau:  Namhafter  Hersteller Hersteller

Probe 6

Probe 5

Probe 4

Probe 3

Probe 2

Probe 1

Probe 6

Probe 5

0

Probe 4

20

20%

Probe 3

40%

Probe 2

60%

Probe 1

Entladene Kapazität in Bezug

auf die Nennkapazität [%] Entladene  Kapazität  im  Bezug  auf  die  Nennkapazität

wurden hierfür entwickelt. Diese Testverfahren simulieren den Ergebnisse  des  Lagerungstests  für  Bleiakkumulatoren  

nachNach  der  Lagerung der Lagerung Probe  5 Probe  6 In Rot: unbekannter Hersteller Probe  4

In  Rot:  Unbekannter  

nach wenigen Wochen erzielt. Die neuen Testverfahren erlauben nun auch bei Produkten mit offensichtlich guter Zyklenlebensdauer nachzuweisen, ob sie den besonderen Anforderungen, z. B. eines langen Transportwegs, standhalten.

3 Ergebnisse eines Batterietests: Die Proben eines unbekannten Herstellers zeigten deutliche Kapazitätsabnahmen und große

Die Arbeiten wurden durch die Gesellschaft für Internationale

Streu­ungen (schwarze Linien).

Zusammenarbeit (GIZ) gefördert.

116


1

Hocheffiziente Leistungselektronik im Megahertzbereich Halbleiter mit großer Bandlücke sind von großem

1 Erstes Labormuster des entwickelten Resonanzwandlers mit 600 V-

Interesse für leistungselektronische Anwendungen.

GaN-Leistungstransistor-Prototypen. Durch weitere Optimierungen,

Neben den bereits auf dem Markt etablierten Leistungs-

wie Einsparung des Kühlkörpers und Stapelung der Platine, kann das

transistoren aus Siliziumkarbid (SiC), sind nun erste

Volumen weiter gesenkt und die Leistungsdichte gesteigert werden.

600 V-Leistungstransistor-Prototypen aus Galliumnitrid

95,0

(GaN) verfügbar. Diese zeichnen sich aufgrund ihres lateralen Aufbaus durch sehr geringe Schaltenergien

90,0

aus und ermöglichen dadurch wesentlich höhere Schaltfrequenzen als Bauelemente aus Silizium (Si) oder

85,0

Bauelemente leistungselektronischer Schaltungen kleiner ausgelegt werden. Dies steigert die Leistungsdichte

η/ %

SiC. Mit steigender Schaltfrequenz können die passiven

80,0

und reduziert neben Volumen und Gewicht auch die Produktionskosten des Gesamtsystems.

75,0

Bruno Burger, Dirk Kranzer, Arne Hendrik Wienhausen,

70,0

Günther Ebert DC/DC-Wandler sind in den unterschiedlichsten Leistungs-

65,0 200

Pout Pout Pout Pout

= 1 kW = 0.75 kW = 0.5 kW = 0.25 kW 250

300 U out / V

350

400

klassen und Anwendungsgebieten von Consumer-Elektronik über Solarwechselrichter bis hin zu Ladegeräten von Elektro-

2 Wirkungsgrad des entwickelten Resonanzwandlers, aufgetragen

fahrzeugen zu finden. Neben dem elektrischen Wirkungsgrad

gegen die Ausgangsspannung und für verschiedene Leistungen. Der

sind Volumen, Gewicht und Kosten des Wandlers von großem

Abfall zu geringeren Leistungen ist dabei topologiebedingt.

Interesse. Im Fall von mobilen Systemen, z. B. Luft- und Straßenfahrzeugen, kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems durch Gewichtsreduktion gesteigert werden. Zudem können

tors ein Wirkungsgrad von 94,1 % erreicht werden. Nahezu

schädliche Emissionen gesenkt werden. Moderne resonante

alle Verluste konnten dabei in den Wicklungen des Trans-

DC/DC-Wandler mit 600 V-Si-Superjunction-MOSFETs werden

formators lokalisiert werden. Die GaN-Leistungstransistoren

mit Schaltfrequenzen bis zu 350 kHz betrieben.

erfuhren selbst bei einer übertragenen Leistung von 1 kW und einer Schaltfrequenz von 1 MHz nur eine kaum messbare Tem-

In einer internen Studie wurde am Fraunhofer ISE ein LLC-

peraturerhöhung. Dies zeigt zum einen die hervorragenden

Resonanzwandler mit einer maximalen Schaltfrequenz von

Halbleitereigenschaften von GaN, zum anderen den großen

1,4 MHz und einer Leistung von 1 kW entwickelt (Abb. 1).

Forschungsbedarf im Bereich der induktiven Bauelemente.

Dank modernster GaN-Leistungstransistor-Prototypen konnte

Man kann davon ausgehen, dass Galliumnitrid die Welt der

trotz einer um den Faktor 4 höheren Schaltfrequenz und eines

Leistungselektronik – besonders im Bereich der PV und der

nicht für diesen Anwendungszweck optimierten Transforma-

resonanten Spannungswandler – dauerhaft verändern wird.

117


© Werner Rütz

1

2

Brandgefahren, Brandschutz und Brandvermeidung in PV-Anlagen In den letzten Jahren machten Brandfälle, bei denen

1 Brand einer PV-Anlage auf einem Flachdach. Der Gutachter fand

Gebäude mit Photovoltaikanlagen betroffen waren,

Modulreste, die schlechte Lötverbindungen als Ursache sehr wahr­

bundesweit Schlagzeilen. Das war für das Fraunhofer

scheinlich machen.

ISE gemeinsam mit dem TÜV Rheinland und weiteren

2 Lokale Überhitzung an einer mangelhaften Lötstelle im Infrarot­

Partnern Anlass, systematisch zu untersuchen, welche

bild und dieselbe Stelle in Nahaufnahme.

Gefahren von PV-Anlagen bei Bränden ausgehen und was man tun kann, um die Risiken zu verringern. Dabei

Recherchen in Medien und Kontakte mit Gutachtern und

haben wir einige der öffentlichkeitswirksamen Brandfäl-

Versicherungen versuchen wir, die jeweilige Schadensursache

le mit PV analysiert sowie Detailrecherchen zu Schadens-

zu ermitteln. Über einen Zeitraum von 20 Jahren sind uns bei

verläufen durchgeführt. Weitere Arbeitsschwerpunkte

einer derzeit in Deutschland installierten Anzahl von ca. 1,3

sind Maßnahmen gegen Lichtbogenentstehung, Verfah-

Millionen PV-Anlagen etwa 75 Fälle bekannt, bei denen durch

ren zur automatischen Erkennung und Abschaltung von

eine PV-Anlage ein größerer Brandschaden an einem Gebäude

Lichtbögen sowie Methoden zur zuverlässigen Prüfung

entstand. In etwa 40 weiteren Fällen wurden Komponenten

entsprechender Geräte.

nur mit Überhitzungsspuren, ohne Brand, entdeckt. Abb. 3 zeigt, wie häufig welcher Anlagenteil von Brand- oder Hitze­

Georg Bopp, Robin Grab, Hermann Laukamp, Severin Phillip,

schaden betroffen war. Nimmt man die Fälle hinzu, in denen

Heribert Schmidt, Günther Ebert

Gebäude mit PV-Anlagen aus anderen Gründen in Brand gerieten, so kommt man auf ca. 350 Brandfälle mit Feuerwehreinsatz.

Wir erfassen und analysieren systematisch Berichte zu Brandschäden in PV-Anlagen, um Anlagentechnik und Errichtungspraxis weiter zu verbessern. Über eine gemeinsam mit

In einigen Staaten der USA wird seit 2012 in netzgekoppelten

dem TÜV Rheinland durchgeführte internet-basierte Umfrage,

PV-Anlagen der Einbau eines Lichtbogendetektors gefordert, der die Anlage bei Auftreten eines Lichtbogens abschalten

AC Verteilung

soll. Um die deutsche Industrie bei der Entwicklung und dem

Wechselrichter

Test solcher Detektoren zu unterstützen, werden im Rahmen des Projekts Untersuchungen zur Entstehung, Ausbreitung

GAK

und Detektion von Lichtbögen durchgeführt. Am Fraunhofer

DC Schalter

ISE werden dazu Lichtbögen in möglichst realistischen Ver-

DC Stecker

suchsbedingungen in einer realen PV-Anlage erzeugt. Unser

DC Leitung

Ziel ist es, Referenzspektren zur reproduzierbaren Prüfung von Lichtbogendetektoren zu erzeugen.

Modul 0

10

20

30

3 Bei welcher System-Komponente sind wie viele Hitze- und

40

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) unterstützt.

Brandschäden aufgetreten? Anzahl der Fehler auf Basis von ca. 100 Brandfällen in PV-Anlagen.

118

www.pv-brandsicherheit.de


Preis

BHKW

Thermische Last

1

2

Vorhersagebasierte Betriebsführungsstrategien im Smart Grid Im Zuge der Smart Grid-Entwicklung steigen die

1 Webbasierte Konfigurationsoberfläche der OpenMUC-Software

Anforderungen an dezentrale Erzeuger, Verbraucher

zur Steuerung und zum Monitoring der Anlagen.

und Speichersysteme. Dezentrale Einheiten sollen

2 Optimierter Fahrplan für ein Blockheizkraftwerk auf Basis der

neben ihrer lokalen Kernaufgabe (z. B. Sicherstellung

vorhergesagten thermischen Last sowie einer Preiskurve.

der Wärmeversorgung bei einem Blockheizkraftwerk) dazu beitragen, die schwankende Erzeugung aus

Erst die vorausschauende Einsatzplanung der lokalen Erzeuger

erneuerbaren Energien auszugleichen, und gleichzeitig

sowie die Nutzung der zur Verfügung stehenden Speicher­

Netzserviceleistungen anbieten. Innovative Steuerungs-

systeme ermöglicht jedoch z. B. optimale Stromerzeugung

strategien ermöglichen eine vorausschauende Betriebs-

in Zeiten hoher Nachfrage, Glättung der PV-Einspeise- und

weise, die kurzfristig auf dynamische Anreize reagiert

Strombezugsspitze und priorisierte Nutzung von Strom aus

und Flexibilität optimal ausnutzt. Wir entwickeln hierzu

regenerativer Erzeugung.

Betriebsführungsalgorithmen, die Vorhersagen als Basis

für die Berechnung optimaler Anlagenfahrpläne nutzen

Unser Algorithmus besteht aus drei Stufen:

und in Steuerbefehle umsetzen.

1. Erstellung von Prognosen (z. B. lokaler Wärmebedarf) 2. Erstellung des idealen Fahrplans auf Basis der Vorhersage

Thomas Erge, Raphael Hollinger, Bernhard Wille-Haußmann,

und ggf. externer Anreize

Christof Wittwer, Günther Ebert

3. Steuerung der Anlage mit möglichst geringen Abweichungen vom erstellten Fahrplan

Vorausschauendes Planen, für den Menschen eine Selbstverständlichkeit, spielt bei der Steuerung dezentraler Anlagen

Diese werden, während des kontinuierlichen Betriebs, regel-

im Energiesystem heute keine Rolle. Für konventionelle

mäßig nach dem Prinzip des gleitenden Horizonts wiederholt,

Kraftwerke müssen individuelle Fahrpläne angemeldet

um dynamisch auf veränderte Anreize und Abweichungen

werden. Somit ist für diese Kraftwerke eine vorhersagebasierte

bei der Vorhersage reagieren zu können. Der Algorithmus

Fahr­planoptimierung alltäglich. Dezentrale Kraftwerke,

wurde bereits erfolgreich für langfristige Zeithorizonte wie den

Verbraucher und Speicher hingegen werden meist lediglich

Day-Ahead-Handel von Strom aus dezentralen Erzeugern und

auf Basis momentaner Leistungsanforderungen betrieben

für kurzfristige Zeithorizonte (Optimierung alle 15 Minuten) im

(z. B. wärmegeführter Betrieb eines Blockheizkraftwerks).

Zuge einer modellprädiktiven Steuerung eingesetzt.

strategie für ein Gebäude mit PV-Anlage, mit dem Ziel, die Einspeisespitze sowie Lastspitze zu redu­ zieren und den Eigenver­ brauch zu maximieren.

100

0.8

80

0.6

60

0.4

40

0.2

20

0 29.06.11

30.06.11 Batterieentladung PV-Erzeugung

01.07.11 02.07.11 03.07.11 PV-Einspeisung OHNE Speicher PV-Einspeisung MIT Speicher

04.07.11

05.07.11 Ladezustand

Ladezustand [%]

3 Optimale Batterielade­

Leistung [kW]

1

0 06.07.11

119


1

2

Konzepte und Feldversuche für Elektrofahrzeuge im Smart Grid Elektrofahrzeuge im Verteilnetz sind bei entsprechender

1 Die Ladestation für Elektrofahrzeuge am Fraunhofer ISE ist

Verbreitung nicht nur eine Herausforderung, sondern

mit dem Smart Energy Lab verbunden. Dies ermöglicht Tests von

auch eine Chance für einen stabilen Netzbetrieb. Sowohl

Kommunikationsprotokollen und Betriebsführungsstrategien im

für die Vermeidung von Lastspitzen als auch für die

Smart Home.

Dämpfung des Solarpeaks zur Mittagszeit kann das Last-

2 Als zentraler Lademanager ist der mobile Smart Meter (mSM)

verschiebungspotenzial von Elektrofahrzeugen genutzt

sowohl im Fahrzeug (CAN-Bus) als auch über die Lade­station mit

werden. Hierfür entwickelt und erprobt die Abteilung

dem Energieversorger oder Netzbetreiber vernetzt.

»Smart Grids« des Fraunhofer ISE innovative Lösungen und Pilotsysteme. 2012 ist der vom Bundesumweltministerium geförderte »Flottenversuch Elektromobilität« erfolgreich beendet worden. Gleich mehrere Nachfolge-

System erfolgreich im Feldversuch erprobt. Über ein im mSM

projekte sind im Lauf des Jahres gestartet.

hinterlegtes Batteriemodell wird die Batteriedegradation berücksichtigt. Eine Rückspeisung findet nur statt, wenn diese

Robert Kohrs, Michael Mierau, Dominik Noeren,

für den Nutzer wirtschaftlich ist.

Christof Wittwer, Günther Ebert Dieses Konzept soll im Projekt »iZEUS« mit der Adam Opel AG Elektromobilität ist heute ein ernsthaftes Marktsegment,

und weiteren Partnern weitergeführt und erweitert werden.

alle namhaften Hersteller arbeiten an Serienfahrzeugen und

Schwerpunkt ist die hochaufgelöste Netzüberwachung im

Netzintegrationsfragen. Auch die Bundesregierung hat ihr Ziel

Fahrzeug und eine daraus abgeleitete eigenständige Anpas-

von einer Million Elektrofahrzeugen im Jahr 2020 bekräftigt.

sung der Ladeparameter. Das Projekt wird vom Bundesministe-

Entsprechend relevant werden Konzepte zur Lastverschiebung,

rium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Netzdienstleistungen und Speichernutzung im Smart Grid sowie spezielle Netzanschlussbedingungen.

Ebenfalls seit Anfang 2012 erarbeitet das Fraunhofer ISE im Rahmen des Fraunhofer Zukunftsthemen-Projekts

Arbeitsschwerpunkt des Fraunhofer ISE beim »Flottenversuch

»Gemeinschaftlich-e-Mobilität« ein intelligentes, induktives

Elektromobilität«, ein vom Bundesministerium für Umwelt,

Ladesystem mit einem zentralen Energiemanagementsystem

Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördertes Projekt,

für die urbane Mobilität von übermorgen.

war die Entwicklung eines tarifgesteuerten Ladesystems, das auch die Rückspeisung der Energie ins Stromnetz erlaubt.

Als Teilprojekt des Schaufensters Elektromobilität »LivingLab

Das Besondere an dem umgesetzten Konzept: Der Optimie-

BWe mobil« wird in der Stadt Fellbach die Integration von

rungsalgorithmus läuft im Fahrzeug, im dafür entwickelten

Elektrofahrzeugen in das Energiesystem einer Passivhausgrup-

sogenannten mobilen Smart Meter (mSM). Zeitvariable Tarife

pe demonstriert. Hier kommt u. a. das am Fraunhofer ISE

spiegeln Erzeugung und Last im Netz wider und werden

entwickelte Energiemanagement-Framework openMUC

neben Nutzerwünschen und Batterieparametern zur Berech-

(www.openMUC.org) zum Einsatz.

nung eines kostenoptimalen Ladefahrplans verarbeitet. Nach umfangreichen Tests in den Werkstätten von VW wurde das

120

www.izeus.de www.gemo.fraunhofer.de


© Stadtmobil Südbaden AG

1

Potenzialstudie zu Elektroautos in der CarSharing-Flotte Im Projekt »Lörrach elektrisch mobil« untersuchte das

1 Ein erster Vorgeschmack auf die kommende Einführung von

Fraunhofer ISE, ob die Hälfte der Autos im Fuhrpark des

Elektrofahrzeugen in die CarSharing-Flotte von Stadtmobil. Projekt­

CarSharing-Anbieters Stadtmobil durch Elektroautos

partner Michael Nowack (Stadtmobil), Christine Wegner-Sänger und

ersetzt werden können. Das Fraunhofer ISE führte

Arne Lüers (beide Stadt Lörrach) neben einem Elektroauto.

eine zweistufige Analyse durch, bei der zuerst das technische Potenzial von Elektroautos bestimmt wurde. Anschließend wurden CarSharing-Nutzer befragt, um die Bedürfnisse an Mobilität und die wahrgenommene Pas-

Ladevorgang

sung mit Elektromobilität zu ermitteln. Das Fraunhofer

Infrastruktur

ISE konnte ein technisches Potenzial von Elektroautos im CarSharing feststellen, das durch die Befragung bestätigt wurde: 80 % der Kunden bewerten die Einführung von Elektroautos als positiv. Über 60 % können sich eine bevorzugte Nutzung von Elektroautos vorstellen.

Reichweite Informationen Akzeptanz CO2-Bilanz Technische Probleme Sicherheit Anzahl der Fahrzeuge

Sebastian Gölz, Ulf Hahnel, Dominik Noeren,

Kosten

Christof Wittwer, Günther Ebert

0%

5% 10% 15% 20% Prozentualer Anteil Nennungen

25%

Die Stadt Lörrach als Energiestadt® möchte in Zusammenarbeit

2 Prozentualer Anteil der von den Kunden genannten Heraus­

mit CarSharing eine klimafreundliche Mobilität fördern. Im

forderungen für das CarSharing durch die Einführung von Elektro­

Rahmen der Potenzialstudie des Projekts »Lörrach elektrisch

fahrzeugen.

mobil« untersuchte das Fraunhofer ISE, ob die Hälfte der Fahrzeuge im Fuhrpark des lokalen CarSharing-Anbieters Stadtmobil durch Elektroautos ersetzt werden können.

einem Elektroauto »liegen bleiben« könnten. Größte

Bei diesem Projekt lag der Fokus auf zwei Fragen: Sind

wahrgenommene Herausforderungen waren die Ladezeit

Elektroautos angesichts des bisherigen Mobilitätsverhaltens

und die Notwendigkeit einer angemessenen Infrastruktur

der CarSharing-Kunden als Fahrzeuge geeignet? Und stoßen

(Abb. 2). Dennoch scheint dies die meisten Nutzer nicht

Elektroautos auf Akzeptanz bei den aktuellen Kunden von

daran zu hindern, ein Elektroauto ausleihen zu wollen. Ein

CarSharing, bzw. bieten sie möglicherweise eine besondere

solches Angebot wird als Möglichkeit gesehen, Elektroautos

Attraktivität? Anhand bisheriger Mobilitätsdaten, deren

auszuprobieren und bisherige fehlende Erfahrungen mit

Auswertung das Fraunhofer ISE begleitete, sowie aus den

E-Fahrzeugen zu sammeln. Nach den positiven Ergebnissen

Erkenntnissen einer Befragung des Fraunhofer ISE mit

der Studie des Fraunhofer ISE folgt nun die Einführung von

aktuellen CarSharing-Kunden konnte gezeigt werden, dass

Elektroautos in den Fahrzeug-Pool von Stadtmobil.

von einem Potenzial für Elektrofahrzeuge im CarSharing-Pool ausgegangen werden kann. Das Fraunhofer ISE stellte fest,

Das Projekt »Lörrach elektrisch mobil« wurde vom badenova

dass die allgemeine Hauptsorge der Nutzer ist, dass sie mit

Innovationsfonds Klima- und Wasserschutz gefördert.

121


Strom aus Wasserstoff

122


Wasserstofftechnologie

Wasserstoff setzt bei der Reaktion mit Sauerstoff in einer

Im Geschäftsfeld »Wasserstofftechnologie« erforschen

Brennstoffzelle nutzbare Energie in Form von Strom und

wir innovative Technologien zur Gewinnung und hocheffizi-

Wärme frei. Da Wasserstoff in der Natur jedoch nicht in

enten Umwandlung von Wasserstoff in Strom und Wärme.

Reinform vorliegt, muss er aus seinen vielfältigen chemischen

Zusammen mit unseren Partnern aus Industrie und Wissen-

Verbindungen gewonnen werden. Dies geschieht unter

schaft entwickeln wir Komponenten bis hin zu kompletten

Einsatz von Energie. Im Idealfall wird erneuerbare Energie

Systemen, überwiegend für netzferne, portable und mobile

in Form von regenerativ erzeugtem Strom für Elektrolyse-

Anwendungen.

verfahren verwendet. Ein weiterer Weg ist die Reformierung von gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoffen, sogenannten

Wir entwickeln Reformer- und Pyrolysesysteme zur Um-

Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen.

wandlung flüssiger Kohlenwasserstoffe oder Alkohole. Die Anlagen umfassen den eigentlichen Reformierreaktor und,

Wasserstoff ist zwar keine Energiequelle, als universeller

abhängig vom Typ der nachgeschalteten Brennstoffzelle, auch

Energieträger wird er aber ein wichtiger Baustein einer künf-

die Gas­aufbereitung zur Erhöhung des Wasserstoffanteils und

tigen nachhaltigen Energiewirtschaft sein. Langfristig kann

Reduzierung des Anteils an katalysatorschädigendem Kohlen-

Wasserstoff beispielsweise zeitlich fluktuierende erneuerbare

monoxid und Schwefel im Reformatgas. Die Einsatzgebiete

Energie, z. B. in Kavernen oder im vorhandenen Gasnetz,

dieser Systeme reichen von der stationären Kraft-Wärme-

zwischenspeichern, so dass alle gewünschten Energiedienst-

Kopplung über die Bordstromversorgung (Auxiliary Power

leistungen mit der gewohnten Zuverlässigkeit bereitgestellt

Units) bis hin zur netzunabhängigen Stromversorgung.

werden. Das Anwendungspotenzial von Wasserstoff ist sehr groß: In der dezentralen Energieversorgung können

Um unseren Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung

Brennstoffzellen Wärme und Strom aus Erdgas mit bis zu

zu leisten, erweitern wir unser Portfolio mit Blick auf die

90 Prozent Gesamtwirkungsgrad erzeugen. Brennstoffzellen

Umwandlung und Nutzung von Biomasse. So haben wir eine

dienen in mobilen Anwendungen zusammen mit Elektromo-

Technikumsanlage zur Holzvergasung in Betrieb genommen,

toren als schadstofffreie Antriebsaggregate für Automobile,

mit der wir ein neues, am Fraunhofer ISE mitentwickeltes Ver-

LKWs und Busse. Außerdem können Brennstoffzellen in

fahren demonstrieren. Außerdem nutzen wir Pyrolyseverfahren

Auxiliary Power Units (APU) für die Bordnetzstromversorgung

zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe aus Biomasse und

sorgen. Schließlich eignen sich Mikrobrennstoffzellen wegen

konventionellen Brennstoffen.

der hohen Energiedichte von Wasserstoff oder Alkohol als Ergänzung zu wiederaufladbaren Batterien in der netzfernen

Für die Wasserstoffgewinnung aus Wasser realisieren wir

Stromversorgung oder in portablen Elektrogeräten.

geregelte Membran-Elektrolyse-Systeme mit Leistungen von

123


Wasserstofftechnologie

wenigen Watt bis mehreren kW elektrischer Leistung, die

Das Fraunhofer ISE hat 2012 eine solare Wasserstoff-Tankstelle

einer Produktion von mehreren hundert Litern Wasserstoff

eingeweiht. Gefördert vom Umweltministerium Baden-Württem-

pro Stunde entsprechen. Zum vertieften Verständnis der Vor-

berg stellt die öffentlich zugängliche Tankstelle nicht nur eine

gänge an den Elektroden setzen wir eine Reihe verschiedener

Forschungsplattform dar, sie ist gleichzeitig ein Meilenstein im

Charakterisierungsmethoden wie Rasterelektronenmikroskopie

Wasserstoff-Tanknetz des Landes. Die Freiburger solare Wasserstoff-

oder Zyklovoltammetrie ein. Anfang 2012 eröffneten wir eine

Tankstelle ist eine von wenigen, die die gesamte Energiekette – vom

öffentliche Wasserstoff-Tankstelle mit solarer Wasserstoff­

regenerativ erzeugten Strom über die Elektrolyse bis zur Betankung

erzeugung zur Betankung von Brennstoffzellen-Fahrrädern,

– aufweist (s. S. 131). Das Fraunhofer ISE befasst sich seit seiner

-PKW und -Bussen.

Gründung mit der Elektrolysetechnik und dem Wasserstoff als Treibstoff für Brennstoffzellen sowie als Speichermedium für regenerativ

Als effiziente, umweltfreundliche, geräusch- und wartungsarme Energiewandler im Leistungsbereich von mW bis fünf Kilowatt setzen wir auf Membranbrennstoffzellen inklusive deren Versorgung mit Wasserstoff oder Methanol. Zur Charakterisierung solcher Brennstoffzellen haben wir unser Testzentrum Brennstoffzelle eingerichtet. Darüber hinaus kooperieren wir mit dem VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut zur Beratung für eine normengerechte Entwicklung, zur normgerechten Prüfung und zur Zertifizierung von Brennstoffzellen und -systemen. Neben der Komponenten- und Anlagenentwicklung arbeiten wir an der Integration von Brennstoffzellensystemen in übergeordnete Systeme. Wir konzipieren und realisieren die elektrische Systemauslegung inklusive Spannungsaufbereitung und Sicherheitstechnik. Damit schaffen wir die Grundlagen für marktfähige Brennstoffzellensysteme. Unser Angebot umfasst insbesondere Brennstoffzellensysteme zur Bordnetzversorgung in Automobilen, Lastkraftwagen, auf Schiffen oder in Flug­ zeugen sowie autonome Stromversorgungen für netzferne Anwendungen, Notstromversorgungen und für portable elektronische Geräte.

124

erzeugten Strom.


Wasserstofftechnologie

A n s p r e c h pa r t n e r Brennstoffzellensysteme Dipl.-Ing. Ulf Groos

Telefon +49 761 4588-5202 ulf.groos@ise.fraunhofer.de

Mikroenergietechnik Dr. Christopher Hebling

Telefon +49 761 4588-5195 christopher.hebling@ise.fraunhofer.de

Wasserstofferzeugung und -speicherung

Dr. Thomas Aicher

Telefon +49 761 4588-5194 thomas.aicher@ise.fraunhofer.de

Dr. Tom Smolinka

Telefon +49 761 4588-5212 tom.smolinka@ise.fraunhofer.de

125


1

WASSERMANAGEMENT IN POLYMER­­ELEK­TROLYT-MEMBRAN-BRENNSTOFFZELLEN Im Rahmen des Verbundprojekts »PEM-Ca-D« arbeiten

1 Zeitliche Entwicklung des kapillaren Transports von flüssigem

wir in enger Kooperation mit führenden kanadischen

Wasser durch eine Gasdiffusionsschicht in einem hochauflösenden

und deutschen Forschungseinrichtungen an der Opti-

ESEM-Aufbau.

mierung des Wassermanagements in PolymerelektrolytMembran-Brennstoffzellen. Mithilfe von innovativen in-situ und ex-situ Charakterisierungstechniken, kombiniert mit computergestützten Modellierungsarbeiten, wird an grundlegenden Fragestellungen bezüglich des Transports und der Verteilung von Wasser sowie dessen Auswirkung auf die Brennstoffzellenleistung und deren

Unterschiedlichste Kompetenzen, wie die 3D-Rekonstruktion

Stabilität geforscht. Unser Ziel ist es, Optimierungs-

der Katalysatorschicht mittels FIB-SEM, die Visualisierung

potenzial herauszuarbeiten, um daraus verbesserte

von flüssigem Wasser in-operando durch Synchrotron-

Material­strukturen zu entwickeln.

Radiographie oder die ortsaufgelösten Stromdichtemessung und elektrochemische Impedanzspektroskopie, werden durch

Robert Alink, Dietmar Gerteisen, Ulf Groos, Nada Zamel,

unsere Partner wie dem Zentrum für Sonnenenergie- und

Christopher Hebling

Wasserstoff-Forschung (ZSW), dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg, dem Fraunhofer

Wasser ist das Lebenselixier von Polymerelektrolyt-Membran-

ITWM, dem Institut für Technische Thermodynamik des DLR in

Brennstoffzellen. Es wird bei der Redox-Reaktion von Wasser-

das Projekt eingebracht.

stoff und Sauerstoff gebildet und ist für die Protonenleitung in der Membran und Katalysatorschicht notwendig. Gleichzei-

Am Fraunhofer ISE arbeiten wir an der Optimierung des

tig muss die Flutung der für den Gastransport notwendigen

Transports von flüssigem Wasser von der Katalysatorschicht

porösen Strukturen verhindert werden. Ein unzureichendes

zur Gasverteilerstruktur. Dazu untersuchen wir den Effekt

Wassermanagement im Betrieb der Brennstoffzelle kann

der Strukturierung von Gasdiffusionsschicht (GDL) und der

deren Leistungsdichte reduzieren, temporäre Leistungsein-

Mikroporösen Schicht (MPL) auf den Wasseraustrag. Um

brüche verursachen sowie die Lebensdauer vermindern.

beispielweise den Einfluss einer GDL-Perforierung auf den

Wassermanagement ist deshalb ein entscheidender Faktor,

Wassertransport hochauflösend zu visualisieren, haben wir

der die Prozesse in den Brennstoffzellenkomponenten auf

eine innovative Bildgebungsmethode mit einem Environmental

allen Skalenebenen beeinflusst.

Scanning Electron Microscope (ESEM) entwickelt.

126


1

Über einen definiert erzwungenen Temperaturgradient innerhalb der GDL-Probe konnten wir erstmalig die zeitliche Akkumulation und den durch Druckanstieg resultierenden kapillaren Transport von flüssigem Wasser örtlich hochaufgelöst visualisieren. Zur Simulation des Flüssigwassertransports in porösen Strukturen wie der Gasdiffusionsschicht haben wir ein neuartiges faserbasiertes Perkolationsnetzwerkmodell entwickelt. Grundlage dieses Modells ist ein Algorithmus, der stabile sphärische Wassermenisken zwischen den GDL-Fasern mit variablen Kontaktwinkeln sucht, um so bei gegebenem Was-

land

Pre-Prozess zur Generierung des Wasserpfadnetzwerks zahlt sich durch eine schnelle Rechenzeit bei der Kopplung mit einem Kontinuum-Brennstoffzellenmodell aus. Durch die

y-coord. [µm]

serdruck die Perkolation zu simulieren. Dieser rechenintensive

des Brennstoffzellenmodells die Stromproduktion simuliert und zur Materialoptimierung eingesetzt werden. Die Simulationen zeigen zum einen sehr starke Massentrans-

jO2 [mmol/s/m2]

Bestimmung der Wasserverteilung in der GDL kann mittels

channel

saturation 0,8

100

0,6

200

0,4

300

0,2

50

0

0

500

1000

x-coordinate [µm]

porthemmung, verursacht durch die Akkumulation von Wasser am Übergang zur Katalysatorschicht, und zum anderen

2 Oben: Simulation der Sättigungsverteilung von Wasser in der

Möglichkeiten, wie die GDL gezielt entwässert werden kann.

GDL unter der Annahme von Kondensation unterhalb des Stegs. Unten: Die molare Sauerstoffflussdichte am Übergang zur Kata­

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und

lysatorschicht (CL), die über das Faraday-Gesetz linear mit der

Forschung (BMBF) unterstützt.

Stromproduktion skaliert, zeigt den starken Einfluss der Wasser­ akkumulation in der Nähe der GDL/CL-Grenzschicht (unterer Rand

www.pem-ca-d.com

der Simulation).

127


2

1

Chemische Beständigkeit von Brennstoffzellensystemkomponenten Komponenten von Brennstoffzellensystemen müssen im

1 Korrodierte Ventilteile in DI-Wasser.

Dauerbetrieb harten Belastungen standhalten. Sie sind

2 REM / EDX Messung: Cr, Mn, Fe, Ni, Ca Ablagerungen auf einer

in Kontakt mit Produktwasser und mit durch Nebenreak-

Gasdiffusionslage nach Dauerbetrieb.

tionen entstehenden Säuren, und das bei Temperaturen zwischen -40 °C und +80 °C. Viele Komponenten korrodieren unter diesen Bedingungen. Dies kann zum Ausfall

Komponenten (z. B. Schläuche, Verbinder, Pumpen) wurden

der Komponente führen, aber auch zur Schädigung der

folgenden Beständigkeitstest ausgesetzt:

Brennstoffzelle durch sich herauslösende Materialien.

- Gefrier-Auftau-Zyklen (-20 bis +50 °C, 5 mal je 10 h)

Die Datenblätter sind für die Beurteilung einer Eignung

- Erhitzen in de-ionisiertem (DI) Wasser (100 °C, 5 mal 24 h)

für Brennstoffzellensysteme nicht ausreichend. Deshalb

- Einlagern der medienberührenden Teile in DI-Wasser

wurden realitätsnahe Beständigkeitstests entwickelt,

und in H2O2 (8 Wochen)

die für die Auswahl der Komponenten wichtige Hin­ weise liefern.

Letztere Lösungen wurden einer Elementanalyse mit ICP-MS (Inductively Coupled Plasma – Mass Spectroscopy) unterzogen

Anneke Georg, Ulf Groos, Wolfgang Koch, Lisabeth Wagner,

(Abb. 3). Die Komponentenoberflächen wurden mit Licht- und

Christopher Hebling

Elektronenmikroskop (REM) und ihre Elementzusammensetzung mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) untersucht (Abb. 2).

Mn

10000

Fe

5000 Mn

1000

zellensystemen stark korrodieren können (Abb. 1). Die Korrosionsanfälligkeit von Edelstählen kann sich durch die

Ba

800 µg/l

Cr 600 400 200

Es zeigte sich, dass Edelstahlkomponenten in Brennstoff-

weitere Bearbeitung oder durch Kontakt mit edleren Metallen verstärken. Aus den Komponenten herausgelöste Elemente finden sich auch im Produktwasser. Sie können in der Brenn-

Mg

stoffzelle Ablagerungen bilden (Abb. 2), oder die chemische

Si

Si

Beständigkeit oder die Leitfähigkeit der Membran verringern.

Fe

Ca

Cu

Si

Schmiermittel oder Beschichtungen werden vom Hersteller oft

0 g

tun Dich

er

Fed

Kern

r

pe Kör

r

Roh

nicht angegeben. Insgesamt erwiesen sich die Beständigkeitstests, verbunden mit Elementanalyse, als wichtige Hilfsmittel für die Komponentenauswahl für Brennstoffzellensysteme.

3 ICP-MS Analyse von Ventilteilen nach 8 Wochen in DI-Wasser. Die Mangan-Konzentration ist sehr hoch. Besonders bedenklich ist

Das Projekt wurde im Rahmen des Brennstoffzellen-Kleinge-

das sich herauslösende Eisen wegen der zerstörerischen Wirkung auf

räteprogramms mit dem Partner DMT Produktentwicklung

die Membran. Trotz laut Datenblatt gleichen Materialien lösen sich

AG vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

unterschiedliche Elemente aus den Ventilteilen.

(BMWi) gefördert.

128


1

Dynamische Modellierung eines Power-to-Gas EnergiespeicherSystems Regenerativ gewonnener Strom fällt zeitlich fluktuie-

1 Druckelektrolysestack zur Charakterisierung des dynamischen

rend an, aus dem Netz wird Strom jedoch nach Bedarf

Verhaltens unter flukturierender Betriebsweise.

entnommen. Daher steigt die Notwendigkeit, große Mengen an elektrischer Energie flexibel zwischen­

ten der einzelnen Systemkomponenten beschreibt. Eine Be-

speichern zu können. Eine Variante ist die chemischen

sonderheit solcher Energiespeichersysteme, die ins Erdgasnetz

Speicherung der elektrischen Energie in Form von Sub­

einspeisen, ist, dass sie von beiden Enden her beschränkt sind.

stitute Natural Gas (SNG) im Erdgasnetz. Dabei erzeugt

Vor allem der Verlauf des eingespeisten Stroms, aber auch

ein PEM-Elektrolyseur Wasserstoff, der anschließend zu

mögliche Begrenzungen bei der Einspeisung des erzeugten

Methan umgesetzt wird. Während der PEM-Elektroly-

SNG in das Erdgasnetz spielen eine bedeutende Rolle bei

seur der fluktuierenden Stromeinspeisung weitgehend

der Ermittlung der optimalen Größe des Elektrolyseurs, des

folgen kann, wird der Methanisierungsreaktor im Ideal-

Wasserstoff-Zwischenspeichers und der Synthesen. Daneben

fall bei konstanter Last betrieben. Daraus ergibt sich die

müssen auch die Nutzung der Abwärme, des Sauerstoffs

Notwendigkeit, den Wasserstoff aus der Elektrolyse im

aus der Elektrolyse sowie die Quellen für das Kohlendioxid

System zu puffern. Zur Auslegung des Gesamtsystems

berücksichtigt werden.

wurde ein dynamisches Systemmodell aufgestellt. Das Verbundprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung Thomas Aicher, Christopher Hebling

und Forschung (BMBF) unterstützt. Weitere Partner sind das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die DVGW-EBI und die

Zur Speicherung elektrischer Energie im Erdgasnetz wird ne-

Firmen EnBW, h-tec, IoLiTec und Outotec.

ben der direkten Einspeisung von Wasserstoff die Einspeisung O2

Methan umzuwandeln und auch im geringen Umfang leichte Kohlenwasserstoffe mittels Fischer-Tropsch-Synthese aus Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen (Brennwertanpassung)

H2-Speicher

Flukturierende Stromeinspeisung

PEMElektrolyse

und dem Methan beizumischen.

Methanisierung

H2

Brennwertanpassung

Bypass

H2O

Die Architektur eines solchen Systems ist in Abb. 2 zu sehen.

C1 C2-C4

CO2

Erdgasnetz Transportleitung

von SNG erwogen. Dazu ist es erforderlich, den Wasserstoff in

H 2O Abwärme

Sie sieht nach dem PEM-Elektrolyseur einen WasserstoffSpeicher vor, weil im System ein Puffer vorgesehen werden

2 Blockfließbild eines Power-to-Gas Energiespeichersystems, das

muss, um die anschließende Methanisierung und Brennwert-

fluktuierenden Strom, z. B. aus regenerativen Quellen, in sog.

anpassung nicht allzu starken Lastschwankungen auszusetzen,

Substitute Natural Gas (SNG) umwandelt, um es im Erdgasnetz zu

weil chemische Anlagen nur in begrenztem Maße modulierend

speichern. Die elektrische Energie wird zunächst in Wasserstoff

betrieben werden können.

umgewandelt, der anschließend in einen Zwischenspeicher geht, um die sich anschließenden Synthesereaktoren (Methanisierung

Auf Basis dieses Fließbilds erstellten die Fraunhofer-Forscher

und Brennwertanpassung) mit einem nahezu gleichbleibenden

ein Matlab/Simulink-Modell, welches das dynamische Verhal-

Wasserstoffstrom versorgen zu können.

129


1

Recycling von H2, SiCl und HCl bei Si-CVD-Prozessen Zur Herstellung von polykristallinem Silicium wird Tri-

1 Vier der sechs Adsorber, zu sehen sind die Reaktoren mit Heiz-

chlorsilan (SiHCl3) mit Wasserstoff( H2) reduziert. Das

bändern und Thermoelementen (grün), noch ohne Wärmeisolierung.

Silicium fällt als Feststoff aus und ein Abgas entsteht, das neben bis zu 95 % Wasserstoff auch Tetrachlorsilan (SiCl4), Chlorwasserstoff (HCl) und nicht umgesetztes

Das Fraunhofer ISE hat ein neues Verfahren für das Recycling

Trichlorsilan enthält. Um diesen Prozess wirtschaftlich

von Chlorsilanen, Wasserstoff und Chlorwasserstoff im Labor

zu gestalten, müssen der Wasserstoff, der Chlorwasser-

entwickelt. Bei diesem Verfahren werden diese Stoffe auf

stoff und die Chlorsilane aufgetrennt und dem Reaktor

unterschiedlichen kommerziellen Adsorptionsmaterialen

zugeführt werden. Da die bisherigen Lösungen erst bei

getrennt (Abb. 2).

Jahreskapazitäten von 10 000 Tonnen und mehr wirtschaftlich sind, ist eine Alternative wünschenswert. Eine

Das Abgas wird zunächst über einen Adsorber 1 geleitet,

Anwendung am Fraunhofer ISE ist eine CVD-Anlage.

dabei wird Tri- und Tetrachlorsilan adsorbiert. Das Abgas enthält nur noch Wasserstoff und Chlorwasserstoff und wird

Thomas Aicher, Stefan Reber, Alexander Susdorf,

über einen Adsorber 2 geleitet, in dem selektiv der Chlorwas-

Christopher Hebling

serstoff adsorbiert wird. Daher ist das Abgas aus Adsorber 2 reiner Wasserstoff, der wieder dem CVD-Prozess zugeführt werden kann. Bei der Regeneration des Adsorbers 1 werden die zuvor adsorbierten Stoffe Tri- und Tetrachlorsilan mit einem Trägergas thermisch desorbiert. Um diese Stoffe zu trennen, werden sie über einem dritten Adsorber 3 zugeführt. Dabei wird Trichlorsilan selektiv adsorbiert und vom Tetrachlorsilan

Abgas aus Si-CVD-Anlage H2, HCl, SiCl4, SiHCl3

abgetrennt. Bei der Regeneration des Adsorber 3 kann reines Trichlorsilan und bei der Regeneration des Adsorber 2 reiner Chlorwasserstoff gewonnen werden. Beide Stoffe können in

Adsorber 1

die CVD-Anlage zurückgeführt werden. Diese Verfahren zur kontinuierlichen Abtrennung der Chlorsi-

H2

130

H2, HCl

SiCl4, SiHCl3

Adsorber 2

Adsorber 3

HCl

SiCl4,

SiHCl3

lane und des Chlorwasserstoffs aus Wasserstoff wird derzeit in einer Pilotanlage erprobt. Diese Arbeit wurde im Rahmen eines Eigenforschungsprojekts gefördert.

2 Prozess-Schema zur Auftrennung von Wasserstoff, Chlorsilanen und Chlorwasserstoff aus dem Abgas einer Si-CVD-Anlage.


1

Inbetriebnahme einer solar gestützten 700 bar-Wasserstoff-Tankstelle Seit März 2012 betreibt das Fraunhofer ISE eine öffent­

1 700 bar-Wasserstoff-Tankstelle am Fraunhofer ISE mit einem

lich zugängliche 700 bar-Wasserstoff-Tankstelle mit

der beiden Brennstoffzellen-Fahrzeuge, die dem Institut zur

eigener Wasserstofferzeugung durch fortschrittliche

Verfügung stehen.

PEM-Elektrolyse. Zwei PV-Anlagen ergänzen den

2 700 bar Füllstutzen zur Schnellbetankung von Brennstoff-

Strom­bedarf der Tankstelle und zeigen so die Mög-

zellen-Fahrzeugen.

lichkeit einer nachhaltigen Wasserstofferzeugung durch erneu­erbare Energien auf. Die Tankstelle erlaubt eine norm­gerechte Schnellbetankung von 700 bar-Drucktanks innerhalb von drei bis fünf Minuten und kann

Neben ihrer eigentlichen Aufgabe, der Betankung von Wasser-

damit von allen Wasserstoff-Fahrzeugen der neuesten

stoff-Fahrzeugen, bietet die Tankstelle weitere Möglichkeiten

Generation genutzt werden. Auch 350 bar-Drucktanks

als Forschungs- und Technologieplattform. Sie verfügt über

können befüllt werden. Zwei Brennstoffzellen-Fahr­

eine umfangreiche Messtechnik zum Monitoring der gesamten

zeuge stehen dem Institut zur Verfügung und können

Anlage. Die Steuerung erlaubt eine flexible Betriebsführung.

im täglichen Einsatz die Alltagstauglichkeit der Techno-

Einige Komponenten wurden so ausgelegt, dass jenseits der

logie beweisen.

Wasserstoff-Mobilität weitere FuE-Vorhaben zum Test von Tankstellenkomponenten, zum Demand-Side-Management

Tom Smolinka, Christopher Voglstätter, Christopher Hebling

oder aus dem Bereich Power-to-Gas durchgeführt werden können.

Die Tankstelle wurde in Containerbauweise realisiert. Im Elektrolysecontainer wird durch ein modernes Membranverfahren

Durch die günstige Lage Freiburgs integriert sich die Tankstelle

Wasserstoff bei 30 bar erzeugt und aufbereitet. Der zweite

ideal in das im Aufbau befindliche Netz an Wasserstoff-

Container beinhaltet zwei Verdichter, die Wasserstoffvorküh-

Tankstellen im Land und stellt für die Stadt einen wichtigen

lung sowie die Steuerungseinheit. Der Wasserstoff wird in der

Eckstein zur nachhaltigen Mobilität dar.

ersten Stufe auf 450 bar verdichtet und zwischengespeichert. Zur Schnellbetankung wird danach das Gas auf bis zu

Die Investition wurde durch das Ministerium für Umwelt, Klima

950 bar komprimiert und in einem Hochdrucktank gelagert.

und Energiewirtschaft Baden-Württemberg mit Mitteln aus

Neben den beiden Dispenser-Einheiten zur automatischen

dem Landesinfrastrukturprogramm unterstützt. Der Betrieb

Betankung für 350 und 700 bar Zieldruck wurde zusätzlich

der Tankstelle wird durch das Nationale Innovationsprogramm

eine 200 bar/300 bar-Abfüllstation für Sonderanwendungen

Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie teilweise

installiert.

gefördert.

131


2

1

Nanostrukturierte Elektroden zur effizienten H2-Produktion Die Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren

1 50 bar-Druckelektrolyseteststand für PEM-Elektrolyse-

Energien durch Elektrolyse ist eine wichtige Schlüssel-

Laborzellen.

technologie zur Speicherung großer Energiemengen.

2 25 cm²-Laborzelle mit integrierten Referenzelektroden zur

PEM-Elektrolyseure, die mit einem sauren Festelektro-

Messung anodischer und kathodischer Überspannungen.

lyten arbeiten, eignen sich besonders zur Kopplung mit erneuerbaren Energien. Sie besitzen eine sehr schnelle Dynamik, einen sehr großen Teil- und Überlastbereich und ein einfaches Systemlayout. Allerdings müssen Edelmetalle als Katalysatoren für das saure Milieu eingesetzt werden. Durch den Einsatz nanostrukturierter Elektroden können kinetische Verluste und die Beladung der Edelmetallkatalysatoren minimiert werden. Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Untersuchung des Langzeitverhaltens und die Identifikation wichtiger Degradationseffekte neuentwickelter Elektroden. Sebastian Rau, Tom Smolinka, Christopher Hebling

Ein vorrangiges Ziel in der aktuellen Elektrodenentwicklung Cell voltage [V]

ist die Reduzierung der Edelmetallbeladung bei gleichzeitig hoher Robustheit der Elektroden. Ein Ansatz sind geträgerte Katalysatorsysteme, auf denen zielgerichtet Nanopartikel von Edelmetallen aufgebracht werden. Vor allem Niob-dotiertes

Current Density [A/cm2]

Titandioxid ist ein geeigneter Katalysatorträger für die PEMCurrent [A]

Elektrolyse. Zusammen mit unserem Partner, der University of South Carolina (Arbeitsgruppe von Prof. John Weidner), haben wir verschiedene Elektroden auf Basis von Iridium-Ruthenium und deren Oxiden entwickelt. In Langzeitmessungen mit dynamischen Leistungsprofilen untersuchen wir deren StabiliZeit [h]

tät (Abb. 3). Dabei wird eine am Institut entwickelte Testzelle eingesetzt, die es erlaubt, Überspannungen der Anode und

3 Galvanostatische Dauermessung einer PEM-Elektrolysezelle

Kathode getrennt zu messen.

mit nanostrukturierten Elektroden über 1000 h (Simulation des Leistungsprofils einer Windkraftanlage). Die roten Werte geben

Die Arbeiten wurden durch die E.ON International Research

die Degradation der Zelle in Mikrovolt pro Stunde an.

Initiative gefördert.

132


1

Betriebserfahrungen mit Brennstoffzellenfahrzeugen Im Zuge der Eröffnung der Solaren Wasserstofftankstelle

1 Auf Tempo 100 km / h beschleunigt

betreibt das Fraunhofer ISE seit März 2012 zwei Elektro­

die B-Klasse in 11,4 Sekunden.

fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb. Gemeinsam haben sie bisher eine Fahrleistung von mehr als 10 000 km erbracht. Basis des F-Cell genannten Vorserienfahrzeugs ist eine B-Klasse Baureihe T 245 von Daimler. Wesent­

Elektromotor

liche Fahrwerte werden in einem speziellen Fahrtenbuch dokumentiert und erlauben die Analyse der realisier-

Luftmodul

baren Reichweite. Für beide Fahrzeuge liegen die ermittelten Durchschnittsverbräuche bei 1,3 bzw. 1,24 kg H2 / 100 km, entsprechend einer Reichweite von ca. 280 km. Eine Fahrt von Freiburg nach Stuttgart ist mit einer F-Cell genauso schnell und komfortabel möglich wie gewohnt. Thomas Jungmann, Stefan Keller, Christopher Hebling Elektrofahrzeuge, die Strom aus einer Brennstoffzelle zur Verfügung stellen, ermöglichen eine größere Reichweite im Vergleich zu rein batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen und können innerhalb von drei Minuten betankt werden. Moderne Brennstoffzellenfahrzeuge sind kaltstartfähig bis unter -20 °C und weisen dabei keinen Reichweitenverlust

Lithium-Ionen Batterie

Wasserstofftanks Wasserstoffmodul Brennstoffzellen-Stack

2 Schnittdarstellung der F-Cell. © Daimler

auf. Die F-Cell beschleunigt mithilfe des 100 kW starken Elektromotors bis auf eine Höchstgeschwindigkeit von

Bei Fahrten über Land und speziell auf der Autobahn zeigt

170 km / h. Die F-Cell ist ein Hybridfahrzeug mit einer

sich ein im Vergleich zu den Herstellerangaben oft höherer

1,4 kWh Lithium-Ionen Batterie.

Verbrauch. Über alle Durchschnittsverbräuche der Fahrten hinweg ergibt sich eine Spannweite von 0,93–2,01 kg H2

Im neuen europäischen Fahrzyklus liegt der Wasserstoffver-

pro 100 km. Die längste Fahrt mit einer Tankfüllung betrug

brauch der F-Cell bei 0,97 kg H2 / 100 km. Zusammen mit

291 km, am Ende befanden sich noch 300 g Wasserstoff im

dem 3,7 kg Wasserstoff fassenden Tanksystem ergibt sich

Tank. Prinzipiell ist die Verbrauchszunahme bei zunehmender

eine rechnerische Reichweite von 385 km. Dabei müssen

Geschwindigkeit höher als bei konventionellen Fahrzeugen.

die Insassen auf keinen Komfort verzichten, sowohl das

Da Brennstoffzellen auch im Teillastbereich eine sehr hohe

Raumangebot als auch die Ausstattung entsprechen denen

Effizienz aufweisen, ist jedoch das Verbrauchsä­quivalent

der vergleichbaren Verbrennungsmotorfahrzeuge.

deutlich unterhalb konventioneller Fahrzeuge.

133


Qualit채t setzt sich durch

134


Servicebereiche In Ergänzung zu unserer Forschung und Entwicklung

Das TestLab Solar Façades erhielt die Akkreditierung nach

bieten wir Kunden Prüf- und Zertifizierungsverfahren an.

DIN EN ISO/IEC 17025 im Jahr 2006. Es bietet Entwicklern,

Derzeit verfügt das Fraunhofer ISE über vier akkreditierte

Herstellern und Planern von Fassaden(-komponenten) und

Testeinrichtungen: TestLab Solar Thermal Systems, TestLab

Fenstern, einschließlich Sonnenschutz, ein umfassendes

Solar Façades, TestLab PV Modules und das Kalibrierlabor mit

Dienstleistungsangebot zur Charakterisierung von innovativen

dem CalLab PV Cells und CalLab PV Modules. Zu unseren

Bauteilen oder Materialien. Das Leistungsspektrum umfasst

weiteren Servicebereichen zählen ein Batterie-Prüflabor, ein

insbesondere die Charakterisierung von Komponenten, die

Wechselrichterlabor, ein Lichtlabor, eine Testeinrichtung für

auch zur aktiven Solarenergienutzung dienen (trans­parente

Wärmepumpen und Verdampfer, ein Labor für die Charakteri-

Fassadenkollektoren und BIPV). Neben den akkreditierten

sierung von Phasenwechselmaterialien (PCM), ein Prüflabor für

Prüfungen werden umfangreiche Dienstleistungen zum Thema

Adsorptions- und poröse Materialien und ein Testzentrum für

Blendschutz und Tageslichtversorgung angeboten (s. S. 142).

Brennstoffzellen. Desweiteren haben wir am Fraunhofer ISE 2012 damit begonnen, ein Entwicklungs- und Prüfzentrum für

Geprüft werden im Rahmen der Akkreditierung:

Systeme zur Wärmetransformation aufzubauen. Dort können

g-Wert (auch kalorimetrisch), Transmissionsgrad (spektral und

in Zukunft elektrisch wie thermisch angetriebene Wärmepum-

integral), Reflexionsgrad (spektral und integral) und U-Wert.

pen vermessen und weiterentwickelt werden. Das TestLab PV Modules besitzt seit 2006 die Akkreditierung Über ihre Dienstleistungen hinaus haben diese Einrichtungen

für die Bauartzulassung von PV-Modulen gemäß IEC 61215

auch eine Forschungsfunktion. Die bei Charakterisierung, Prü-

und IEC 61646 sowie seit 2011 für die Sicherheitsnorm

fung oder Test gewonnenen Erkenntnisse können ein­gebettet

IEC 61730. Ziel der Testeinrichtung ist die Qualitätssicherung

werden in neue Forschungsthemen – sei es in der Produktent-

der Zuverlässigkeit von PV-Modulen. Im Rahmen der Koopera-

wicklung oder -verbesserung, bei der Weiterentwicklung von

tion mit dem VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut übernimmt

Testmethoden und Standards oder bei der Theorieentwick-

das Fraunhofer ISE alle Performance-Prüfungen, das VDE Prüf-

lung, z. B. im Bereich der modellbasierten Alterungsprognose.

und Zertifizierungsinstitut stellt nach erfolgreicher Prüfung die Zertifikate aus. Neben den Prüfungen für die Bauartzertifizie-

Das TestLab Solar Thermal Systems ist seit Mai 2005 akkredi-

rung werden entwicklungsbegleitende Prüfungen für Module

tiert. Die Testeinrichtungen sind:

und Modulkomponenten nach Anforderungen der Hersteller

- Solarluftkollektorteststand

durchgeführt. Das TestLab PV Modules arbeitet dabei eng mit

- Hagelschlagteststand

dem Kalibrierlabor am Fraunhofer ISE – CalLab PV Cells und

- System- und Speicherteststand

CalLab PV Modules – zusammen (s. S. 138/139).

- Außenteststand mit Trackern und dynamischem Rack - Innenteststand mit Solarsimulator

Das vierte Labor, mit Akkreditierung seit November 2006, ist

(max. Aperturfläche 3 x 3,5 m )

unser Kalibrierlabor mit dem CalLab PV Cells und CalLab PV

- Kollektorteststand bis 200 °C

Modules, das zu den weltweit führenden seiner Art zählt. Das

- 5 x 3 m großer mechanischer Lasttestand in Klimakammer

Kalibrieren von Solarmodulen spielt eine wichtige Rolle bei

2

2

Produktvergleichen und bei der Qualitätssicherung von PVAm TestLab Solar Thermal Systems werden in erster Linie

Kraftwerken. Die Zellkalibrierung im CalLab PV Cells, das seit

Industrieaufträge zur Prüfung von Kollektoren nach euro­

Ende 2008 als Kalibrierlabor beim Deutschen Kalibrierdienst

päischen und internationalen Kollektor-, System-, Speicher­-

(DKD) akkreditiert ist, dient als Referenz für Industrie und

normen für Qualitätslabel, z. B. das »Solar Keymark« des

Forschung. Die Modulkalibrierung im CalLab PV Modules

CEN, durchgeführt. Einzigartig ist die Möglichkeit der

ist einerseits Bestandteil der Modul-Zertifizierung und dient

mechanischen Lastprüfung bei Temperaturen von -40 °C

andererseits der Qualitätssicherung von Anlagen sowie der

bis 90 °C (s. S. 141).

Unterstützung bei der Entwicklung.

135


Servicebereiche

A n sp r e c h pa r t n e r CalLab PV Cells

Dr. Wilhelm Warta

Telefon +49 761 4588-5192

wilhelm.warta@ise.fraunhofer.de Jutta Zielonka

Telefon +49 761 4588-5146

cells@callab.de

Dr. Gerald Siefer

Mehrfach- und Konzentratorzellen

Telefon +49 761 4588-5433

CalLab PV Modules

Dipl.-Ing. (FH) Frank Neuberger

gerald.siefer@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5280 frank.neuberger@ise.fraunhofer.de

Dr. Gerald Siefer

Konzentratormodule

TestLab PV Modules

Dipl.-Phys. Dipl.-Ing. (Arch.)

Claudio Ferrara

Dipl.-Ing. Daniel Philipp

TestLab Solar Thermal Systems

Dipl.-Ing. (FH) Korbinian Kramer

Telefon +49 761 4588-5354

Dipl.-Ing. (FH) Stefan Mehnert

testlab-sts@ise.fraunhofer.de

TestLab Solar Façades

Dipl.-Phys. Tilmann Kuhn

Passive und aktive thermische

Solarnutzung, Sonnenschutz

Dr. Helen Rose Wilson

Spektrometrie und BIPV

Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Amann

Telefon +49 761 4588-5142

g-Wert Prüfung

ulrich.amann@ise.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Jan Wienold

Tageslichtmessräume

136

Telefon +49 761 4588-5433 gerald.siefer@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5650 claudio.ferrara@ise.fraunhofer.de

Telefon +49 761 4588-5414 daniel.philipp@ise.fraunhofer.de

Telefon +49 761 4588-5297 tilmann.kuhn@ise.fraunhofer.de

Telefon +49 761 4588-5149 helen.rose.wilson@ise.fraunhofer.de

Telefon +49 761 4588-5133 jan.wienold@ise.fraunhofer.de


Das Fraunhofer ISE hat 2012 einen neuen Prüfstand für solarthermische Kollektoren in Betrieb genommen. Mit diesem können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter extremen klimatischen Bedingungen mechanische Lasten, z. B. Windeinwirkung oder Schneelasten, simulieren und deren Auswirkungen auf die Kollektoren auswerten. Für die Untersuchung der Stabilität und Sicherheit der solarthermischen Kollektoren bei Wind- und Schneelasten ist der Prüfstand in eine Klimakammer eingebettet (s. S. 51).

Qualitätssicherung von PV-Kraftwerken

Dr. Christian Reise

Telefon +49 761 4588-5282

christian.reise@ise.fraunhofer.de

Photovoltaik Leistungselektronik

Prof. Dr. Bruno Burger

Charakterisierung von

Telefon +49 761 4588-5237 bruno.burger@ise.fraunhofer.de

Wechselrichtern Wechselrichterlabor

Dipl.-Ing. Sönke Rogalla

Batterie-Prüflabor

Dipl.-Ing. Stephan Lux

Lichtlabor

Dipl.-Ing. (FH) Norbert Pfanner

Telefon +49 761 4588-5454 soenke.rogalla@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5419 stephan.lux@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5224 norbert.pfanner@ise.fraunhofer.de

Lüftungsgeräte und Wärmepumpen

Dipl.-Ing. Thore Oltersdorf

Telefon +49 761 4588-5239

Prüfstand

thore.oltersdorf@ise.fraunhofer.de

Wärmetransformation

Dr.-Ing. Lena Schnabel

PCM-Labor

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann

Prüflabor für Adsorptionsmaterialien

Dr. Stefan Henninger

und poröse Materialien Testzentrum Brennstoffzelle

Dipl.-Ing. Ulf Groos

Telefon +49 761 4588-5412 lena.schnabel@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5351 thomas.haussmann@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5104 stefan.henninger@ise.fraunhofer.de Telefon +49 761 4588-5202 ulf.groos@ise.fraunhofer.de

137


1

Kalibrieren von Solarzellen nach internationalen Standards Das CalLab PV Cells bietet die Messung/Kalibrierung

1 Spektrale Empfindlichkeiten werden auch an großflächigen

von Solarzellen verschiedenster PV-Technologien an

Solarzellen mit hoher Genauigkeit und mit exakter Angabe der

und arbeitet national und international mit Firmen und

Messunsicherheiten bestimmt.

Instituten an der Entwicklung präziser Messungen für neue Technologien. Das CalLab PV Cells zählt zu den weltweit führenden PV-Kalibrier­labors. Es ist Referenz

Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Projekt zur Optimierung

für Forschung und Industrie, Solarzellenhersteller lassen

des maximalen Jahresertrags von Hocheffizienzsolarzellen ein.

ihre Referenzsolarzellen für die Produktion nach internationalen Standards bei uns kalibrieren.

Um die Vergleichbarkeit von verschiedenen Solarzellentechnologien zu gewährleisten, arbeiten wir weiter an der Entwick-

Tobias Gandy, Jochen Hohl-Ebinger, Thomas Hultzsch,

lung von Messverfahren für neuartige Solarzellen. Wichtig sind

Robert Köhn, Katinka Kordelos, Markus Mundus,

hier vor allem einseitig kontaktierte sowie bifaciale Strukturen.

Simone Petermann, Michael Schachtner, Wendy Schneider,

Aber auch organische und Dünnschicht-Solarzellentechnologi-

Holger Seifert, Astrid Semeraro, Karin Siebert, Gerald Siefer,

en, und hier wiederum die Mehrfachzellstrukturen, stellen eine

Wilhelm Warta, Jan Weiß, Jutta Zielonka

besondere Herausforderung dar. Dabei können wir vorteilhaft unsere Erfahrungen mit der Kalibrierung von Mehrfachsolar-

Das CalLab PV Cells ist gemäß ISO/IEC 17025 als Kalibrierlabor

zellen für Weltraum- und terrestrische Konzentratoranwen-

für die Solarzellenkalibrierung beim Deutschen Kalibrierdienst

dungen einbringen. Mit der Erweiterung unserer Kalibrier-

DKD akkreditiert. Im Zuge der Vereinheitlichung der Kali-

möglichkeiten von Mehrfachzellen aus Dünnschichtmaterialien

brierung in Europa wird die Akkreditierung derzeit auf die

konnten wir die Technologieentwicklung noch besser durch

Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS), der deutschen Unter-

präzise Messungen unterstützen. Die spektrale Empfindlichkeit

zeichnerorganisation des »ILAC Mutual Recognition Arrange-

bzw. externe Quanteneffizienz von Mehrfachsolarzellen wird

ment (MRA)« übertragen. In Kooperation mit PV-Herstellern

an unserem Gittermonochromatormessplatz bestimmt, der

und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Umwelt,

speziell für die Vermessung von Mehrfachsolarzellen erweitert

Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) arbeiten wir an der

wurde. Die Strom-Spannungskennlinie von Zweifach- und

kontinuierlichen Verbesserung der Messunsicherheiten und der

Dreifachsolarzellen messen wir mit unserem Dreilichtquellen­

Entwicklung neuer Messverfahren. So spielt die Entwicklung

simulator unter nahezu beliebigen Normbedingungen,

der Solarzellenparameter zu höheren Temperaturen eine

z. B. AM0 (ISO 15387) für Weltraum- und AM1.5d

entscheidende Rolle für den Ertrag im praktischen Einsatz.

(ASTM G173-03) für Konzentratoranwendungen. Konzen-

Ein neues Verfahren, das es uns erlaubt, die Temperaturko-

tratorsolarzellen können mit unserem Blitzlichtsimulator bei

effizienten mit bisher unerreichter Präzision zu bestimmen,

bis zu 5000facher Konzentration vermessen werden. Zusätz-

wird inzwischen von Solarzellenherstellern rege nachgefragt.

lich haben wir einen Sonnensimulator mit sechs unabhängigen

Das Besondere bei unserem Verfahren ist die Messung der

Lichtquellen zur kalibrierten Vermessung von Solarzellen mit

temperaturabhängigen spektralen Empfindlichkeit. Diese

bis zu sechs pn-Übergängen in Betrieb genommen.

und weitere Spezialmessungen setzen wir seit diesem Jahr in einem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und

138

www.callab.de


2

© Fraunhofer ISE / Foto: Thomas Klink

1

KALIBRIEREN VON PV- UND CPV-MODULEN Seit über 25 Jahren zählt das akkreditierte Kalibrierlabor

1 Präzise Kalibrierung eines PV-Moduls im CalLab PV Modules.

CalLab PV Modules zu den weltweit führenden Laboren.

2 Justage eines CPV-Moduls am Labormessplatz für Konzentrator-

Mit einer Messunsicherheit von 1,8 % für Solarmodule

module.

mit kristallinen Zellen konnte diese Spitzenstellung im internationalen Vergleich nun weiter ausgebaut werden. Daniela Dirnberger, Boris Farnung, Martin Jantsch, Klaus Kiefer, Ulli Kräling, Frank Neuberger, Michael Schachtner, Gerald Siefer Das CalLab PV Modules hat seine Genauigkeit bei der

Vermessung von Konzentratormodulen

Präzi­sionsmessung von Solarmodulen erneut gesteigert. Die

Die Vermessung von Konzentratormodulen erfolgt gewöhnlich

weltweit einmalige Messunsicherheit von 1,8 Prozent nützt vor

unter Freilandbedingungen. Hierzu stehen uns mehrere

allem den Modulherstellern. Die sehr geringen Messtoleranzen

Nachführeinheiten mit Messdatenerfassung zur Verfügung, die

bei der Kalibrierung der Referenzmodule für die Produktionsli-

neben der Strom-Spannungskennlinie auch alle relevanten Ein-

nien sorgen für eine höhere Sicherheit bei der Ausweisung der

strahlungs- und Wetterdaten aufnehmen. Zusätzlich betreiben

Nennleistung und der Toleranzen.

wir einen Labormessplatz zur Vermessung von Konzentratormodulen. Kernstück dieses Messplatzes ist die Parallelisierung

Für die Bewertung des Ertrags von PV-Modulen sind neben

des Lichts einer Blitzlampe durch einen Parabolspiegel mit 2 m

der Leistung weitere Eigenschaften wie Anfangsdegradation,

Durchmesser.

Schwachlichtverhalten und Temperaturabhängigkeit wichtig. Die präzise Messung dieser Einflussfaktoren ermöglicht genaue Ertragssimulationen für verschiedene Klimazonen und

www.callab.de

liefert für Investoren ein Benchmarking als Entscheidungshilfe für die Auswahl des Herstellers. Zur Überprüfung der Modulleistung bei großen PV-Kraft­ werken haben wir ein Verfahren zur repräsentativen Stichprobenziehung entwickelt. Dieses bietet dem Investor schon bei Messung von 10–50 Modulen eine belastbare Aussage zur tatsächlichen Modulleistung.

139


1

2

TestLab PV Modules Das TestLab PV Modules bietet ein weites Spektrum an

1 In der kombinierten UV- und Feuchte-Wärme-Klimakammer

Dienstleistungen rund um Qualitäts- und Zuverlässig-

können PV-Module bei einer maximalen UV-Dosis von 200 W/m²,

keitsprüfungen an. In unserem nach ISO 17025 akkre­

einer maximalen Feuchte von 60 % r. F. und einer maximalen

ditierten Labor betreiben wir modernste und innovative

Temperatur von 90 °C gealtert werden. Über die Standardanfor-

Prüfanlagen. Nicht zuletzt durch unsere langjährige

derungen hinaus kann somit das gleichzeitige Einwirken mehrerer

wissenschaftliche Erfahrung im Bereich der Gebrauchs-

Degradationsfaktoren simuliert werden.

daueranalyse sind wir unseren Kunden ein kompetenter

2 Der mechanische Lasttest erlaubt sowohl die automatisierte

und unabhängiger Ansprechpartner.

Durchführung von IEC-konformen Prüfungen als auch von Prüfungen, die darüber hinausgehen (maximale Druck- und

Stefan Ali, Holger Ambrosi, Heinrich Berg, Ilie Cretu,

Sogleistung 10 kPa, max. Frequenz: 0,2 Hz).

Claudio Ferrara, Philipp Hog, Georg Mülhöfer, Daniel Philipp, Sandor Stecklum, Carola Völker, Jeanette Wolf Das TestLab PV Modules wurde 2006 als Servicebereich des

Beurteilung und Analyse von

Fraunhofer ISE gegründet. In Zusammenarbeit mit der Gruppe

Fehlerbildern, Risikominimierung

Gebrauchsdauerprüfung entwickeln wir Tests und Verfahren

Potential Induced Degradation (PID), sogenannte Schnecken-

zur Sicherstellung von Qualität und Zuverlässigkeit von PV-

spuren und Yellowing sind nur einige typische Fehlerbilder,

Modulen. Hierfür verwenden wir innovative Anlagen, deren

mit denen Kunden häufig an uns herantreten. Wir bieten

Anwendungsbereich deutlich über die Standardprüfungen

die Möglichkeit, diese und andere Fehlerbilder systematisch

hinausgeht. Dadurch können wir Degradationsfaktoren sehr

zu analysieren sowie Ursachen und Auswirkungen zu

real simulieren. Unser Fokus liegt auf den folgenden Dienst­

identifizieren. Unser Ziel ist es, das Auftreten derartiger Fehler

leistungsangeboten:

insgesamt zu verringern. Daher bietet das TestLab PV Modules für viele typische Fehlerbilder zielgerichtete Prüfungen und

Beratung und Durchführung von kunden-

Prüfsequenzen an.

und anwendungsspezifischen Prüfungen Individuelle Fragen erfordern individuelle Antworten. In

Qualitätsprüfungen nach internationalen Standards

diesem Sinne bieten wir unseren Kunden kompetente, ziel-

In enger Kooperation mit unserem Partner, dem VDE Prüf-

gerichtete Dienstleistungen an. Unabhängig davon, ob es um

und Zertifizierungsinstitut, führen wir Zertifizierungen ent-

vergleichende Modulprüfungen (Benchmarking) oder um die

sprechend internationaler Qualitäts- und Sicherheitsstandards

Qualifizierung einer speziellen Modultechnologie für besonde-

(IEC 61215, IEC 61646, IEC 61730) durch. In internationalen

re Einsatzbedingungen geht, das Erarbeiten individueller und

Arbeitsgruppen setzen wir uns für die Weiterentwicklung

kosteneffizienter Kundenlösungen hat im TestLab PV Modules

dieser Standards ein.

stets höchste Priorität.

140


21

2

1

PRÜFEN UND MITGESTALTEN AM TestLab SOLAR THERMAL SYSTEMS Das TestLab Solar Thermal Systems ist eine durch DIN

1 Großer mechanischer Lastprüfstand integriert in eine Klimakam-

CERTCO, CERTIF und SRCC anerkannte Prüfstelle und

mer für umfangreiche Tests bei Temperaturen von -40 °C bis 90 °C.

durch die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) voll

2 Wissenschaftler des Fraunhofer ISE beim Aufbau eines Speicher-

akkreditiert (ISO 17025). Wir prüfen Sonnenkollektoren,

tests, um die Leistungsperformance für die Bewertung nach dem

Speicher sowie Komplettsysteme und unterstützen

Energy Label der EU zu bestimmen.

damit unsere Kunden weltweit bei der Entwicklung von solarthermischen Anlagenkomponenten. Sven Fahr, Korbinian Kramer, Stefan Mehnert, Arim Schäfer, Christian Schmidt, Christoph Thoma, Jasmin Veser Systemuntersuchungen, insbesondere auch SpeichervermesWir begleiten unsere Kunden bei der Produktzertifizierung, 

sung nach DIN EN 12977-3,4 können in unserem System- und

z. B. für das europäische Qualitätslabel Solar Keymark oder

Speicherlabor durchgeführt werden. Hier werden auch die

das amerikanische Qualitätslabel der Solar Rating and Certi-

notwendigen Kennzahlen zur Bewertung von Speichern nach

fication Corporation SRCC. Bei Aufträgen zur Vorbereitung

dem Energy Label der EU ermittelt, das 2013 eingeführt wird.

einer solchen Zertifizierung bieten wir auch Produktions­ inspektionen vor Ort an. 2012 wurde unser großer Prüfstand

Seit 2002 betreiben wir im TestLab Solar Thermal Systems

für mechanische Lasten fertig gestellt. Dieser ist in eine Klima­

einen Solarsimulator. Hier konnten wir 2012 eine weitergehen-

kammer integriert, was das Testen von unterschiedlichsten

de Automatisierung des Laborbetriebs umsetzen, welche die

Lastfällen bei gleichzeitig eingestellter Umgebungstemperatur

gewohnt hohe Wiederholgenauigkeit noch unkomplizierter

(-40 °C bis 90 °C) ermöglicht (s. Beitrag S. 51). Die Beson-

erreichen lässt.

derheiten sind dabei die große Prüffläche mit 3 m x 5 m, die möglichen hohen Lasten mit bis zu 10 t sowie die Abbildung

In Kombination mit unserem Präzisionstracker konnten wir

von verschiedenen Lastfällen, z. B. wechselnde Belastung,

unseren Mitteltemperatur-Teststand einsetzen, um Wirkungs-

gradierte Lasten, Schublasten.

gradkennlinien mit Arbeitspunkten bis zu 200 °C zu bestim­ men. Dadurch sind im TestLab Solar Thermal Systems

Weitergeführt wurden auch vergleichende Untersuchungen zu

experimentelle Entwicklungsarbeiten zu konzentrierenden

PV-solarthermischen Hybridkollektoren (PVT). Damit steht für

Prozesswärmekollektoren (z. B. für solarthermisch angetriebe-

viele Varianten dieser Technologie eine Methodik zur Charak-

ne Klimatisierung) möglich.

terisierung im TestLab Solar Thermal Systems zur Verfügung. 2012 konnten auch in der Normungsarbeit, die von unseren Abgeschlossen wurden die intensiven und langjährigen Arbei-

Mitarbeitern geleistet wird, viele methodische Weiterent-

ten an unserem Solarluftkollektorteststand. Eine technische

wicklungen umgesetzt werden, die sich in neuen Normen

Charakterisierung ähnlich wie für flüssigkeitsführende Kollek-

wiederfinden werden.

toren ist möglich. Hier wurde außerdem eine Erweiterung der Testmöglichkeiten für unabgedeckte Luftkollektoren realisiert.

www.kollektortest.de

141


1

Vermessung von Fassaden und transparenten Bauteilen Entwicklern, Herstellern und Planern von Fassaden,

1 Solarkalorimeter am Fraunhofer ISE zur Bestimmung

-komponenten und solaren Komponenten bieten wir

des Gesamtenergiedurchlassgrads (g-Wert).

im TestLab Solar Façades ein umfassendes Dienstleistungsangebot zur Charakterisierung von innovativen Bauteilen oder Materialien an. Für transparente Bauteile und Sonnenschutzsysteme stehen Speziallabors zur Bestimmung der optischen und thermischen Eigenschaften

Das Labor ist seit 2006 nach DIN EN ISO/IEC17025 akkredi-

zur Verfügung. Bei Fassaden zur aktiven Solarenergie-

tiert. Dabei handelt es sich um eine flexible Akkreditierung,

nutzung (mit PV und/oder Solarthermie) bieten wir eine

die auch am Fraunhofer ISE entwickelte und über den

umfassende Charakterisierung an, die auch die Wechsel-

Stand der Technik hinausgehende Verfahren für g-Wert,

wirkung zwischen Ertrag, Komfort und passiven Solar-

Transmission, Reflexion und U-Wert umfasst. Das Prüflabor

gewinnen berücksichtigt. Außerdem verfügen wir über

darf baurechtlich bei der Bestimmung des bauphysikalischen

einen Tageslicht-Container und einen Außenprüfstand.

Kennwerts g (Gesamtenergiedurchlassgrad) einbezogen werden. Die Entwicklung der Prüfverfahren wurde teilweise

Ulrich Amann, Johannes Hanek, Angelika Helde,

öffentlich gefördert.

Tilmann Kuhn, Jan Wienold, Helen Rose Wilson Tageslichtmessräume Wir charakterisieren transparente und transluzente Materi-

Die Tageslichtmessräume bestehen aus zwei identischen

alien, prüfen Bauteile, z. B. Verglasungen und bewerten die

Büroräumen. Sie sind drehbar und ermöglichen beliebige

energetischen, thermischen und optischen Eigenschaften von

Fassadenorientierungen.

kompletten Fassaden.

- Blendschutzprüfungen - Nutzerakzeptanzuntersuchungen

Folgende Prüfstände stehen zur Verfügung:

- Vergleich der Beleuchtungssituation hinter

- Solarkalorimeter zur Bestimmung des Gesamtenergie-

zwei Fassadensystemen

durchlassgrads (g-Werts), auch für aktive Solarfassaden - Wirkungsgradmessung

Fassadenprüfstand

- U-Wert Prüfstand für Verglasungen

Zusätzlich zu Labormessungen bieten wir die Vermessung

- winkelabhängige Transmissions- und Reflexionsmessungen

von kompletten Fassaden unter realen Klimabedingungen

mit großen Ulbrichtkugeln, auch spektral

an. Langzeituntersuchungen ermöglichen Aussagen über

- UV-vis-NIR Spektrometer zur Bestimmung der spektralen

Stabilität, Schaltverhalten und Belastungen der Fassade. Die

Eigenschaften von Gläsern, Folien und Oberflächen

Optimierung von Reglern kann experimentell validiert werden.

142


1

2

Qualitätssicherung von PV-Kraftwerken

Batterie-Prüflabor

Mit den vier Phasen des Fraunhofer ISE Qualitätszirkels –

Wir prüfen Batterien und Systeme auf der Basis von z. B. Blei,

Ertragsgutachten, Modulcharakterisierung, Anlagenprüfung

NiCd, NiMH, Li-Ionen-Zellen, Redox-Flow- sowie Hochtem-

und Monitoring – bieten wir eine durchgehende Qualitäts-

peraturbatterien und Doppelschichtkondensatoren. Es sind

bewertung von der Planung bis zum laufenden Betrieb von

Batterietestsysteme und Impedanzspektrometer vorhanden,

PV-Kraftwerken:

mit denen nach Norm oder nach Kundenanforderung in der Klimakammer oder im Wasserbad getestet wird.

- Bereits in der Planungsphase einer PV-Anlage setzen unsere qualitätssichernden Leistungen an. Unsere unabhängigen

Langzeittests

Ertragsgutachten liefern genaue Aussagen über sämtliche

Für Lebensdauertests von Batterien und Batteriesystemen

Einflussparameter auf den Ertrag sowie deren Unsicher-

bieten wir auch mehrmonatige Langzeittests an.

heiten. - Damit unsere Kunden sicher sein können, dass ihr Kraftwerk

Automotive-Bereich

auch wirklich dem Stand der Technik entspricht und die

Wir testen Systeme bis zu 250 kW bei Strömen bis zu 600 A

versprochene Leistung bringt, bieten wir eine umfangreiche

und Spannungen bis zu 1000 V und können die Systeme über

Vollprüfung des gesamten Kraftwerks an. Hat eine

CAN-Bus ansteuern.

PV-Anlage den Betrieb aufgenommen, gibt eine Vor-Ort-Analyse mit visueller Überprüfung, thermo-

Stationäre Solarspeicher

graphischen Aufnahmen und tatsächlicher Leistungs-

Die dezentrale Speicherung elektrischer Energie in Batteriesys-

ermittlung Aufschluss über die Qualität der Anlage.

temen wird immer wichtiger. Wir testen mit Solarsimulatoren,

- Über die komplette Betriebsdauer einer PV-Anlage hinweg

Dieselgeneratoren und unserer modernen Ausstattung an

bietet unser kundenspezifisches PV-Monitoring eine präzise

Wechselrichtern und Ladereglern elektrische Speichersysteme

Analyse der Effizienz von Systemen und Komponenten.

in einer realitätsnahen Umgebung.

Laura Hardt, Klaus Kiefer, Anselm Kröger-Vodde,

Georg Bopp, Nikolaus Lang, Stephan Lux, Stefan Rinne,

Christian Reise, Andreas Steinhüser

Simon Schwunk, Matthias Vetter

1 10 MWp Solarkraftwerk in Masdar, Abu Dhabi.

2 Batteriespeicher, z. B. für den Automotive-Bereich, können bei Leistungen bis zu 250 kW getestet werden.

143


1

2

Wechselrichterlabor

Lichtlabor

Unser Megawattlabor bietet alle notwendigen Einrichtungen

Charakterisierung

für die Prüfung von Zentralwechselrichtern bis zu einer

Wir führen präzise Messungen lichttechnischer Größen

Leistung von 1 MW nach diversen Netzeinspeiserichtlinien.

an LED- und Leuchtstofflampen, Leuchten und Beleuch-

Eine mittelspannungsseitige »Low Voltage Ride Through«-

tungssystemen durch, z. B. Messung des Lichtstroms, der

Prüfeinrichtung erlaubt es uns, das Verhalten von Wechsel­

Lichtausbeute und der Beleuchtungsstärkeverteilung, sowie

richtern während kurzzeitiger Netzfehler zu untersuchen.

das lichttechnische Betriebs- und Langzeitverhalten unter ver-

Mit unserer hochpräzisen Messtechnik können zudem sowohl

schiedenen Umgebungsbedingungen. Wir erfassen ebenfalls

der Umwandlungs- als auch der Anpassungswirkungsgrad

die elektrischen Eigenschaften von Betriebselektronik und Vor-

(MPPT-Verhalten) zuverlässig bestimmt werden.

schaltgeräten wie Wirkungsgrad, Betriebsführungsverhalten und Fehlerverhalten.

Dank internationaler Kooperationen sind wir in der Lage, bei Fragestellungen zu nationalen (BDEW) wie auch interna-

Apparative Ausstattung

tionalen Richtlinien (China, Spanien etc.) Unterstützung zu

- softwaregesteuerter Lichtmessstand mit einem

leisten. Zudem können wir unseren Kunden umfangreiche

Kugelphotometer mit 1,50 m Durchmesser

Simulationsdienstleistungen sowohl für die Einheiten- und

- softwaregesteuertes Spektrometer zur automatisierten

Anlagenzertifizierung als auch zu spezifischen Problemen in

Messung der spektralen Lichtverteilung, der Lichtfarbe

PV-Parks anbieten.

und der Farbwiedergabe - Leuchtdichtekamera, Luxmeter und Langzeitteststände

Bruno Burger, Robin Grab, Sönke Rogalla

- breitbandige, präzise Wattmeter, Digitaloszilloskope - programmierbare, langzeitstabile Stromversorgungen Georg Bopp, Norbert Pfanner, Matthias Vetter

1 Unsere Ausstattung und unser erfahrenes Personal ermöglichen

2 Kugelphotometer des Lichtlabors zur Erfassung des Lichtstroms

eine detaillierte Analyse von Wechselrichtern bis 1 MW hinsichtlich

und der Lichtausbeute sowie des Langzeitverhaltens von Licht-

Performance und Verhalten am Netz.

quellen und Leuchten.

144


1

2

SmartEnergyLab – thermischelektrische Gebäudeenergiesysteme

Teststand für Wärmepumpen

Die zunehmend wirtschaftlichen dezentralen Erzeuger erobern

Für die Prüfung von Wärmepumpen steht uns ein Teststand

unsere Wohngebäude und erzeugen Energie dort, wo sie

zur Verfügung, um die wichtigsten Formen von Quellen und

verbraucht wird. Veränderungen in der Förderstruktur führen

Senken (Erdreich, Grundwasser, Luft) zu simulieren (Hardware-

zu neuen Betriebsstrategien, von der reinen Volleinspeisung

in-the-Loop). Dabei wird ein Heizleistungsbereich von 4 kW

hin zur Eigenversorgung mit lokalen Regelungskonzepten.

bis zu 12 kW abgedeckt. Die Vermessung erfolgt gemäß EN 14511 und EN 14825 für den Heizfall und nach EN 16147

Das SmartEnergyLab verfügt über eine vollständige Ausstat-

für den Warmwasserbetrieb. Bei den luftbeaufschlagten

tung von dezentralen Erzeugungstechnologien und Speichern

Anlagen können derzeit nur Wärmepumpen in Kanalbauweise

zukünftiger Wohngebäude. Das Labor arbeitet mit einem

vermessen werden. Der Verdampferteststand orientiert sich an

leistungsfähigen Simulationsrechner, der den modellbasierten

den Vorgaben aus der EN 328, dient aber vor allem der Neu-

»Hardware-in-the-Loop«-Betrieb ermöglicht. So können

entwicklung von Verdampfern. Die Erweiterung des prüfbaren

beliebige dynamische Szenarien für Last und Erzeugung im

Leistungsbereichs und die Erweiterung zur Abdeckung aller

häuslichen Kontext aufgeprägt werden.

gängigen Wärmepumpentypen werden 2013 abgeschlossen sein. Eine Akkreditierung nach ISO/IEC 17025 und Registrie-

Die Infrastruktur des SmartEnergyLab erlaubt es, Systeman­

rung als offizielles Prüfzentrum für das EHPA-Gütesiegel wird

bietern sowohl ihre Einzelsysteme als auch Gesamtkonzepte

in diesem Zusammenhang angestrebt.

in einer realitätsnahen Umgebung zu testen und zu evaluieren. Diese Analysen beinhalten z. B. Effizienzbewertungen sowie

Simon Braungardt, Sebastian Helmling, Thomas Kramer,

die Bewertung und Entwicklung von Energiemanagement-

Marek Miara, Thore Oltersdorf, Christian Sonner,

Gateways oder lokalen Regelungskonzepten.

Jeannette Wapler

Bernhard Wille-Haußmann, Christof Wittwer

1 Leitrechner im SmartEnergyLab.

2 Vermessung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe kleiner Leistung.

145


1

2

Prüfung und Entwicklung von Wärmeübertragern

PCM-Labor: Charakterisierung von Latentwärmespeichermaterialien

Zur Bewertung von Wärmeübertragern stehen verschiedene

Im PCM-Labor (PCM = Phase Change Materials) werden

Prüfstände zur Verfügung:

Latentwärmespeichermaterialien, -verbünde, -objekte und

- Luft-/Wasser-Wärmeübertrager (Luft: 10–1200 m³/h bei

-systeme gemäß den Prüfkriterien nach RAL GZ 869 vermes-

definierter Eintrittsfeuchte und -temperatur, Wasser:

sen. Das Labor ist zugelassene Zertifizierungsstelle für dieses

60–1800 l/h bei definierter Eintrittstemperatur)

Gütezeichen.

- Luft-/Luft-Wärmeübertrager (150–500 m³/h bei definierter Eintrittsfeuchte und -temperatur, auch für offene Sorption

Außerdem stehen Messgeräte für folgende Materialparameter

geeignet)

zur Verfügung:

- Verdampfer (für die Arbeitsmittel Wasser und Kohlen-

- Wärmeleitfähigkeit und U-Wert von Baustoffen und Wand-

wasserstoffe) und Adsorber (nur Wasser) (Verdampfungs-

aufbauten

leistung bis 2,5 kW, Adsorptionskapazität bis 8 kg)

- spezifische und latente Wärmespeicherkapazität, Nukleationstemperatur und Unterkühlung mittels Calvet-

Die Sensorik der Prüfstände erlaubt die Bestimmung der

und Heatflux-Differentialkalorimetern

Übertragungsleistung, des Wärmedurchgangs und der Wär-

- Zyklierungsapparaturen

meübergangskoeffizienten. Die experimentelle Expertise wird

- adiabater Testraum entsprechend DIN EN 14240 zur

ergänzt durch die simulationsbasierte Bewertung. Hier werden

statischen und dynamischen Vermessung von Heiz- und

je nach Fragestellung Werkzeuge wie COMSOL Multiphysics,

Kühlsystemen

OpenFoam, CoilDesigner, IMST-ART, Modelica oder eigene

- Testräume mit Außenbezug zur Vermessung von

Software verwendet.

PCM-Systemen - speziell für Phasenwechselfluide PCS-Aufbauten zur

Zur Untersuchung der Strömungscharakteristik, der Fluid- und

Materialcharakterisierung:

Temperaturverteilung sowie der Wärme- und Stofftransportdy-

- Dichte

namik sind weitere Prüf- und Simulationsverfahren vorhanden,

- Wärmeleitfähigkeit

die für charakteristische Elemente eines Wärmeübertragers die

- Partikelgrößen

Identifikation der relevanten Einflussgrößen ermöglichen.

- Viskosität - Stabilitätsanalyse

Gerrit Füldner, Michael Herrmann, Alexander Morgenstern,

- Teststände zur Herstellung, Charakterisierung und

Thore Oltersdorf, Lena Schnabel, Peter Schossig,

Zyklierung von Emulsionen

Ursula Wittstadt Stefan Gschwander, Thomas Haussmann, Peter Schossig

1 Prüfstand zur Vermessung der Adsorptionskapazität und

2 Calvet DSC zur thermischen Charakterisierung von Latentwärme-

-dynamik von Adsorptionswärmeübertragern.

speichermaterialien.

146


1

2

Prüflabor für poröse Materialien und Werkstoffe

Testzentrum Brennstoffzelle

Die Labore für Thermo- und Strukturanalytik bieten ein breites

Wir charakterisieren, testen und prüfen Membran-Brenn­

Spektrum an Analysemöglichkeiten rund um die Material-

stoffzellen und -Systeme mit elektrischen Leistungen bis

entwicklung und zu Fragestellungen bezüglich Oberfläche,

5 kWel sowie Mikrobrennstoffzellen. In Kooperation mit dem

Porenstruktur und Porosität, Adsorptionscharakteristik bezüg-

VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut bieten wir Beratung,

lich verschiedener Gase sowie der Morphologie von porösen

normgerechte Prüfungen und eine Zertifizierung an.

Materialien und Werkstoffen. Bei der Charakterisierung von Brennstoffzellen legen wir Wert Unsere Möglichkeiten umfassen hierbei isotherme Gassorpti-

auf eine detaillierte Untersuchung lokaler Vorgänge. Mithilfe

onsmessungen mit verschiedenen Prüfgasen (N2, CO2, EtOH,

der elektrochemischen Impedanzspektroskopie können wir die

MeOH, H2O) zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche,

einzelnen chemisch-physikalischen Prozesse hinsichtlich ihrer

des Porenvolumens und der Porengrößenverteilung sowie

Abhängigkeit von Materialeigenschaften, Konstruktion und

der gesamten Adsorptionscharakteristik mit volumetrischen

Betriebsführung analysieren.

Methoden. Unsere begehbare Klimakammer ermöglicht Untersuchungen Zusätzlich stehen für die Messgase H2O, EtOH und MeOH

in einem Temperaturbereich von -20 °C bis +60 °C. Die

auch thermogravimetrische Methoden, d. h. Bestimmung der

relative Feuchte kann dabei ab +5 °C zwischen 10 % und

Adsorptivaufnahme in Abhängigkeit von Druck und Tempe-

95 % variiert werden. Hervorzuheben ist der hohe Durchsatz

ratur durch Isobaren oder Isothermen, zur Verfügung. Geräte

klimatisierter Luft von bis zu 2000 m³ pro Stunde.

zur Makroporencharakterisierung durch Quecksilberintrusion sowie zur Dichtebestimmung durch Helium-Pyknometrie

Dietmar Gerteisen, Ulf Groos, Jürgen Wolf

runden das Profil ab. Im Hinblick auf Wärmekapazität und -leitfähigkeit stehen verschiedene Kalorimeter in unterschiedlichen Größen- und Temperaturbereichen sowie zwei Laser-Flash-Anlagen zur Verfügung. Die morphologischen Untersuchungsmethoden umfassen Licht- und Laser-Scanning-Mikroskopie zur Bestimmung von Teilchenform und Teilchengrößenverteilungen, Rauigkeit sowie Homogenität von Oberflächen sowie Röntgenpulverdiffraktometrie zur Strukturanalyse. Stefan Henninger, Peter Schossig 1 Thermowaage zur Bestimmung der Wasserdampfaufnahme-

2 Klimakammer zur Charakterisierung von Brennstoffzellenstapeln

kapazität großer Verbundproben in Abhängigkeit von Druck und

und -systemen mit Leistungen bis 5 kWel.

Temperatur.

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Gastwissenschaftler Dr. Hatem Bentaher

Rodrigo Lopes Sauaia

Higher Institute of Industrial Systems, Gabes, Tunesien

Pontifical Catholic University of Rio Grande do Sul,

1.7.–31.12.2012, Arbeitsgebiet: Solare Kühlung

Porto Alegre/RS, Brasilien 1.12.2011–31.1.2013, Arbeitsgebiet: Laser Structuring with LCP

Julius Denafas Baltic Solar Energy, Vilnius, Litauen

Raymond Sterling Garay

1.2.2012–31.1.2013, Arbeitsgebiet: Herstellung und

National University of Ireland, Galway, Ireland

Charakterisierung von Metallkontaktstrukturen

1.9.–30.11.2012, Arbeitsgebiet: Energieeffiziente Gebäude

Karoline Fath

Ieva Meiere

Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe

Riga Technical University, Riga, Litauen

1.11.2010–31.10.2013, Arbeitsgebiet: Lebenszyklusanalyse von

1.2.2012–31.1.2013, Arbeitsgebiet: Korrosionsuntersuchungen an

gebäudeintegrierten PV-Anlagen

Bipolarplatten für PEM-Elektrolyse

Jesús Febres Pascual

Daisuhe Nishi

National University of Ireland, Galway, Ireland

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology

1.9.–30.11.2012, Arbeitsgebiet: Energieeffiziente Gebäude

(AIST), Tsukaba, Japan , 27.8.–21.9.2012, Arbeitsgebiet: Charakterisierung von III-V-Mehrfachsolarzellen

Simon Fey Hochschule Offenburg, Offenburg

Dr. Wattana Ratismith

1.9.2011–31.7.2014, Arbeitsgebiet: Energie-Gateway

Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand 2.–26.10.2012, Arbeitsgebiet: Stationär konzentrierende solarthermi-

Matteo Greppi

sche Kollektoren

Università di Bologna, Bologna, Italien 3.2.–3.6.2012, Arbeitsgebiet: Photovoltaisch Thermische Hybrid-

Salla Päivikki Repo

Kollektoren

Aalto University, School of Electrical Engineering, Aalto, Finnland 5.3.2012–28.2.2013, Arbeitsgebiet: Zusammenarbeit mit Charakte-

Antti Haarahiltunen

risierung und Technologie im Bereich AI2O3, Black Silicon, Material-

Aalto University, School of Electrical Engineering, Aalto, Finnland

charakterisierung

1.5.–31.7.2012, Arbeitsgebiet: Simulation von Verunreinigungen in Silicium

Seok-Jun Seo Gwangju Institute of Science and Technology (GIFT),

Dr. Henner Kampwerth

Gwangju, Südkorea

University of New South Wales, Photovoltaics Centre of Excellence,

1.3.2011–28.2.2012, Arbeitsgebiet: Elektrochemische Eigenschaften

Sydney, Australien

von porösen Substraten für Farbstoffsolarzellen

16.–23.10.2012, Arbeitsgebiet: Charakterisierung von Silicium und Solarzellen

Prof. Dr. Melkon Tatlier Istanbul Technical University, Istanbul, Türkei

Antanas Katalevskis

1.10.2012–30.9.2013, Arbeitsgebiet: Energieeffiziente Gebäude

Kaunas University of Technology, Kaunas, Litauen 1.2.2011–31.1.2012, Arbeitsgebiet: Fe-Imaging mit

Dr. Nada Zamel

Photolumineszenz

University of Waterloo, Waterloo, Kanada 1.10.2011–30.9.2013, Arbeitsgebiet: Wassermanagement und Brennstoffzellen

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Kongresse, Tagungen und Seminare PV Rollout, 2nd European American Solar Deployment Conference,

Intersolar Europe Conference, München, 11.–14.6.2012

Boston, MA, USA, 9./10.2.2012 3. VDI Konferenz »Wärmepumpen – Umweltwärme effizient 27. Symposium Photovoltaische Solarenergie (OTTI), Kloster Banz,

nutzen«, Düsseldorf, 19./20.6.2012

Bad Staffelstein, 29.2.–2.3.2012 2nd Seminar Power Electronics for Photovoltaics, San Francisco, CA, SiliconFOREST, Falkau, 4.–7.3.2012

USA, 9.7.2012

Energy Storage, Düsseldorf, 13./14.3.2012

1st International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, San Francisco, CA, USA, 9.–11.7.2012

SiliconPV, 2nd International Conference on Silicon Photovoltaics, Leuven, Belgien, 3.–5.4.2012

Intersolar North America Conference, San Francisco, CA, USA, 9.–12.7.2012

CPV-8, 8 International Conference on Concentrating Photovoltaic th

Systems, Toledo, Spanien, 16.–18.4.2012

Fachforum »Netzferne Stromversorgung mit Photovoltaik« (OTTI), Freiburg, 17./18.9.2012

Workshop »Induktive Ladesysteme«, Forum ElektroMobilität e. V., Berlin, 17.4.2012

27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition Frankfurt, 24.–28.9.2012

Workshop »Industriearbeitskreis zum Projekt OGEMA 2.0«, 20.4.2012, Kassel

4. VDI-Fachtagung »Solarthermie – Heizen und Kühlen mit der Sonne«, Ludwigsburg, 27./28.9.2012

Workshop »PV-Module Reliability«, Lugano, Schweiz, 3./4.5.2012 FVEE-Jahrestagung, Berlin, 16./17.10.2012 22. Symposium Thermische Solarenergie (OTTI), Kloster Banz, Bad Staffelstein, 9.–11.5.2012

Solar Summit Freiburg, Freiburg, 18./19.10.2012

Fraunhofer-Energietage, Berlin, 10./11.5.2012

VDI-Fachkonferenz »Thermische Energiespeicher in der Energieversorgung«, Ludwigsburg, 23./24.10.2012

KONGRESS, Forum ElektroMobilität e. V., Berlin, 15./16.5.2012 Workshop »ModQS – Automatisierte Fehlerdiagnose in HeizungsWorkshop »Chancen und Anforderungen für Kunststoffe in der

systemen«, Freiburg, 8./9.11.2012

Solarthermie«, Berlin, 16.5.2012 7th International Renewable Energy Storage Conference and Berliner Energie-Tage, Berlin, 23.–25.5.2012

Exhibition (IRES 2012), 12.–14.11.2012, Berlin, Germany

38th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Austin, TX, USA,

4th Workshop on MWT Solar Cell and Module Technology,

3.–8.6.2012

Amsterdam, Niederlande, 20./21.11.2012

7th Seminar Power Electronics for Photovoltaics (OTTI), MünchenDornach, 11./12.6.2012 Die genannten Kongresse, Tagungen und Seminare hat Fachforum »Quality of PV-Systems« (OTTI), München, 12.6.2012

das Fraunhofer ISE 2012 (mit-)organisiert.

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Promotionen Jonathan Hampel

Christoph Maurer

»HCl Gas Gettering of 3d Transition Metals for Crystalline Silicon

»Theoretical and Experimental Analysis and Optimization of

Solar Cell Concepts«

Semi-Transparent Solar Thermal Façade Collectors«

Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Mainz, 2012

Karlsruhe, 2012

Jonas Haunschild

Nilofar Moghbel

»PL-Imaging – Vom Block zum Modul«

»Development of a Model of Evaluating Veiling Reflection on

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg,

Monitor Screens under Daylight in Office Rooms«

Freiburg, 2012

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Karlsruhe, 2012

Dirk Jacob »Gebäudebetriebsoptimierung. Verbesserung von Optimierungs-

Jan-Frederik Nekarda

methoden und Optimierung unter unsicheren Randbedingungen«

»Laser Fired Contacts (LFC) – Charakterisierung, Optimierung und

Universität Karlsruhe

Modellierung eines Verfahrens zur lokalen Rückseitenkontaktierung

Karlsruhe, 2012

dielektrisch passivierter Silizium-Solarzellen« Universität Konstanz

Annerose Knorz

Konstanz, 2012

»Entwicklung und Charakterisierung von Laserablationsverfahren für die Silizium-Solarzellenherstellung«

Dirk Reinwand

Universität Konstanz

»Dynamisches Magnetron-Sputterverfahren zur Vorderseiten-

Konstanz, 2012

metallisierung kristalliner Silicium-Solarzellen« Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Stefan Lindekugel

Freiburg, 2012

»Process Optimisations for Improved Performance of Recrystallised Wafer Equivalent Solar Cells«

Robert Woehl

Universität Konstanz

»Entwicklung und Charakterisierung einer rückseitig kon