Aufbereitung von Biogas mit Ionenaustauscher- harzen und ... · Referat Grundlagenforschung Energie, 53170 Bonn. Redaktion und Gestaltung. Projektträger Jülich, Forschungszentrum

Aufbereitung von Biogas mit Ionenaustauscher- harzen und Latentwrmespeichermaterialien Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist es, ein innovatives Biogasaufbereitungsverfahren weiter zu verbessern, das an der Universitt Stuttgart entwickelt wurde. Das technisch einfach umzusetzende Verfahren arbeitet drucklos bei konstanter Temperatur und bentigt keine Chemikalien. Dabei wird die Fhigkeit sogenannter Ionenaustauscherharze genutzt, Kohlenstoffdioxid se-lektiv aus der Gasphase zu binden. Zuerst adsorbieren die Harze das CO2. Danach leitet das Verfahren das von CO2 gereinigte Methan als Produktgas ab. Die Verbesserung der Energieeffizienz des Prozesses erfolgt durch den Einsatz von Latentwrmespeichermaterialien. So soll es sich auch fr Betreiber kleinerer Biogasanlagen lohnen, den erneuerbaren Energietrger Biomethan ins Erdgasnetz einzuspeisen.

Zuerst optimieren die Forscherinnen und Forscher die Ionenaustauscherharze bezglich ihrer CO2-Aufnahme-kapazitt und ihrer Standzeit. Dazu untersuchen sie ver-schiedene Harze, um unter anderem die Funktionsweise der CO2-Adsorption und Desorption aufklren zu knnen. Auch ein mglicher Abbau der Harze und dessen Ursache soll betrachtet werden. Alle Versuchsreihen werden be-gleitet von materialwissenschaftlichen Untersuchungen, um zum einen auf vorteilhafte Eigenschaften der Ionen-austauscherharze schlieen zu knnen und zum anderen, um mgliche Vernderungen in ihrer Struktur und der Zusammensetzung erkennen zu knnen.

Danach passen die Wissenschaftlerinnen und Wissen-schaftler das Aufbereitungsverfahren an und optimieren

es. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Wrmepufferung. Da bei der Aufnahme von Kohlenstoffdioxid Wrme frei wird und bei der Desorption Wrme bentigt wird, ist diese von besonderer Bedeutung fr den Prozess. Hierzu soll unter anderem die Integration von Latentwrme-speichern in die Harzschttung untersucht werden. Diese Harze nehmen whrend des Schmelzens Wrme aus der Umgebung auf und geben diese beim Unterschreiten der spezifischen Erstarrungstemperatur wieder ab. Durch die Pufferung der Wrme ber Latentwrmespeicher knnte die zyklische Arbeitskapazitt (aufgenommene CO2-Menge pro kg Harz und Zyklus) der Ionenaustauscherharze deut-lich angehoben werden.

Da das Biogas und die verwendete Umgebungsluft Wasser enthalten, fhren die Forscherinnen und Forscher Ver-suche zu den Auswirkungen von Feuchtigkeit auf das

Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht vor, dass die erneuerbaren Energien bis 2020 insgesamt 35 Prozent am Bruttostromverbrauch ausmachen sollen. Ein Teil dieser Energie kann durch die Produktion von Biogas gedeckt werden. Biogas kann auerdem im Erdgasnetz transportiert und gespeichert werden, was Produktion und Verbrauch zeitlich und rumlich trennt. Voraussetzung dafr ist aber die Aufbereitung des Biogases in Erdgasqualitt, wozu vor allem das Kohlenstoffdioxid aus dem Rohbiogas abgetrennt werden muss. Eine solche Biogasaufbereitung ist zurzeit aber nur fr Groanlagen lohnend. Whrend Einspeiseanlagen durchschnittlich etwa 650 Kubikmeter Methan pro Stunde aufberei-ten, kann eine durchschnittliche Biogasanlage nur etwa ein Fnftel davon produzieren. Wie ein Biogasaufbereitungs-verfahren auch bei kleineren Anlagen wirtschaftlich realisierbar ist, will das Verbundprojekt ABIoLa unter Koordination des Instituts fr Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universitt Stuttgart (IFK) untersuchen.

Ionenaustauscherharze im Grenvergleich mit einer Mnze

Verfahren durch und legen gegebenenfalls Grenzwerte fr die weiteren Untersuchungen fest. Des Weiteren analy-sieren sie, inwieweit es mglich ist, gleichzeitig CO2 und den ebenfalls im Biogas vorhandenen Schwefelwasserstoff in einem Aufbereitungsschritt abzutrennen. Auch diese Versuche werden von materialwissenschaftlichen Unter-suchungen begleitet.

Zudem planen, bauen und betreiben die Wissenschaft-lerinnen und Wissenschaftler eine grere Biogasaufbe-reitungsanlage im Technikumsmastab, die bis zu zwei Kubikmeter Biogas pro Stunde aufbereiten kann. Diese Anlage wird auf einer Biogasanlage installiert, um die Anwendung dieses Verfahrenskonzepts fr die Aufberei-tung realer Biogasstrme nachzuweisen. Abschlieend erfassen die Forscherinnen und Forscher alle relevanten Stoffstrme sowie deren Energieinhalte und nehmen eine stoffliche und energetische Bilanzierung des Verfahrens sowie eine Sensitivitts- und Wirtschaftlichkeitsunter-suchung vor.

FrdermanahmeMaterialforschung fr die Energiewende desBundesministeriums fr Bildung und Forschung im Rahmendes 6. Energieforschungsprogramms

ProjekttitelAufbereitung von Biogas mit Ionenaustauscherharzen und Latentwrmespeichermaterialien ABIoLa

Laufzeit01.09.2014 31.08.2017

Frderkennzeichen03SF0487

Frdervolumen des Verbundesca. 707.000 Euro

KontaktUniversitt StuttgartFakultt 4: Energie-, Verfahrens- und Biotechnik Institut fr Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)Abteilung Brennstoffe und RauchgasreinigungProf. Dr. techn. Gnter ScheffknechtPfaffenwaldring 2370569 Stuttgart Telefon: +49 (0)711 685 63487E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerUniversitt Stuttgart - Fakultt 4:Energie-, Verfahrens- und Biotechnik -Institut fr Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)Rubitherm Technologies GmbH, Berlin

HerausgeberBundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF)Referat Grundlagenforschung Energie, 53170 Bonn

Redaktion und GestaltungProjekttrger Jlich, Forschungszentrum Jlich GmbH

BildnachweisUniversitt Stuttgart (Ionenaustauscherharze)Rubitherm Technologies GmbH (Latentwrmespeicher)

www.bmbf.de

Das Forschungsprojekt untersucht auch, wie sich Latentwrmespeicher in die Harzschttung integrieren lassen.
mailto:guenter.scheffknecht%40ifk.uni-stuttgart.de?subject=http://www.bmbf.de

Aluminium/Luft- und Silizium/Luft-Batterien fr erneuerbare Energie Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Aufgrund ihrer Eigenschaften nehmen insbesondere die Metall/Luft-Systeme eine herausragende Stellung ein. Forscherinnen und Forscher im Verbundforschungs-projekt AlSiBat arbeiten zuerst die vorhandenen Er-fahrungen im Umgang mit verbreiteten Metall-Luft-Systemen, wie Zink-Luft- und Lithium-Luft-Systemen, auf. Darber hinaus prfen sie die Aluminium-Luft- und Silizium-Luft-Batterien hinsichtlich ihrer Chancen und Realisierungsmglichkeiten. Hierbei sollen Eigenschaften, wie Wiederaufladbarkeit, Zyklenfestigkeit und Umwelt-vertrglichkeit, systematisch untersucht und im Labor-mastab erprobt werden. Im Zentrum stehen Anlagen, die Energie aus erneuerbaren Energiequellen speichern.

Da fr eine sptere Kommerzialisierung von Metall-Luft-Systemen vorzugsweise Umgebungsluft anstelle von reinem Sauerstoff verwendet wird, untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Einfluss von Wasser und Kohlendioxid in der Luft auf die Funk-tionsweise von Metall-Luft-Zellen. Die Experimente zur elektrochemischen Charakterisierung fhren sie in speziellen Klimakammern durch, um quantitative Zusam-menhnge erschlieen zu knnen. Insbesondere spielen Reaktionen, die an der Grenzflche zwischen Aktivmate-rialien und Elektrolyt sowie an der Katalysatoroberflche ablaufen, eine zentrale Rolle, weil sie die elektrochemische Arbeitsleistung von Metall-Luft-Batterien mageblich beeinflussen. Die Charakterisierung von Grenzflchen-reaktionen ist wichtig im Hinblick auf die Morphologie der zu whlenden Komponenten.

Im nchsten Schritt identifizieren die Forscherinnen und Forscher schdliche Nebenprodukte, erstellen die Reaktionskinetik und Reaktionsthermodynamik und untersuchen den Einfluss dieser Nebenprodukte auf die Funktionsweise von Metall-Luft-Zellen. Basierend auf diesen Ergebnissen bauen sie ein mechanistisches Modell auf, das die Limitierung auf atomarer Ebene beschreibt. Danach berarbeiten sie die bestehenden Konzepte mit dem Ziel, eine neue Generation von Metall-Luft-Zellen zu entwickeln.

Ein weiteres Ziel ist die Herstellung von Modellanoden, sogenannten porsen Aluminium-Anoden. Diese Porositt kann Volumennderungen beim Laden und Entladen der Batterie kompensieren, was zu einer lngeren Lebens-dauer fhrt. Porses Aluminium wird in einer ionischen Flssigkeit und in Mischungen mit organischen Lse-mitteln trockener Luft ausgesetzt. Die so hergestellten Aluminium-Anoden haben eine groe Oberflche und knnten in einer Aluminium-Luftzelle hochstromfhig sein. In Testzellen messen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Anoden in Kombination mit einer Luftkathode und wollen erste Strom- und Spannungs-kennlinien sowie Kenntnisse zur Reversibilitt gewinnen. Ebenfalls kombinieren Forscherinnen und ForscherSilizium-Anoden mit Luftkathoden, woraus sie auch Test-zellen entwickeln. Von Interesse sind die Entladekenn-linien sowie grundlegende Erkenntnisse zur Reversibilitt.

Im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung entwickeln Wissenschaft und Wirtschaft innovative Lsungen fr eine nachhaltige Energietechnik. Groe leistungsfhige und sichere Energiespeicher sind ein essentieller Baustein fr die Nutzung regenerativer Energien. Speichertechnologien ermglichen die Entkopplung von Stromerzeugung und -nutzung, indem Energie, die nicht direkt genutzt werden kann, gespeichert wird und bei hohem Bedarf wieder ins Stromnetz eingespeist wird. Das Verbundprojekt AlSiBat will wieder aufladbare Metall-Luft-Batterien aufbauen, die auf hufig vorkommenden Rohstoffen basieren. Anstatt des seltenen Lithiums, welches zudem Trockenraumbedingungen fr die grotechnische Produktion von Energiespeichern erfordert, whlen die Wissen-schaftlerinnen und Wissenschaftler Aluminium, Silizium oder Zink. So wollen sie die Einfhrung von kostengnstigen und sicheren Batterien beschleunigen. Es gilt zudem ihre Effizienz zu steigern, langfristig Umweltvertrglichkeit und Nachhaltigkeit der Materialien sowie sicherheitsrelevante Fragestellungen zu untersuchen.

Aufbauend auf der Gehuse- und Dichtungstechnologie fr demontierbare sowie einmalig verwendete Testzellen werden Demonstrator-Vollzellen unter Verwendung vielversprechender Anoden und Gasdiffusionselektroden fr Aluminium-, Silizium- und Zink-Luft-Systeme aufgebaut und charakterisiert.

Ultrahochvakuumanlage zur Oberflchenanalyse


ProjekttitelMetall/Luft-Systeme,insbesondere Al- und Si-Luft Batterien AlSiBat

Laufzeit01.09.2014 31.08.2017


Frdervolumen des Verbundesca. 2,6 Millionen Euro

KontaktTechnische Universitt ClausthalInstitut fr ElektrochemieProf. Dr. Frank EndresArnold-Sommerfeld-Strae 638678 Clausthal-ZellerfeldTelefon: +49 (0)5323 72 3141E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerDECHEMA Forschungsinstitut, Frankfurt a.M.Forschungszentrum Jlich GmbH -Institut fr Energie- und Klimaforschung (IEK) Technische Universitt Berlin - Fakultt IV -Elektrotechnik und Informatik - Institut fr Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien IoLiTec Ionic Liquids Technologies GmbH, Heilbronn



BildnachweisTechnische Universitt Clausthal,Institut fr Elektrochemie

www.bmbf.de
mailto:frank.endres%40tu-clausthal.de?subject=http://www.bmbf.de

Ein Flammschutzsystem fr den nachhaltigen Biokunststoff Celluloseacetat Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Im Sinne eines nachhaltigen und umweltschonenden Wirtschaftens wre es wnschenswert, auf Erdl basie-rende polymere Schaumstoffe durch solche zu ersetzen, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden knnen. Ein mglicher Kandidat hierfr ist das CA. Es ist schumbar, kommt in geschumter Form aber bislang nicht zum Einsatz. Grund dafr sind seine Brennbarkeit und das Fehlen eines kompatiblen Flammschutzmittels.

Nach der REACH-Verordnung darf seit August 2015 das in Wrmedmmstoffen auf Polystyrolbasis (EPS und XPS) eingesetzte Flammschutzmittel HBCD (Hexa-bromcaclododecan) nicht weiter verwendet werden. Flammschutzanforderungen sind in Schumen wegen ihrer Porositt hufig schwieriger umzusetzen als in einem ungeschumten Kunststoffprodukt. Auerdem beein-flussen Flammschutzmittel whrend der Produktion das Schaumverhalten oft negativ. Forscherinnen und For-scher im Verbund CA-Flammschutz entwickeln ein neues Flammschutz-system, das zustzlich als Nukleierungs-mittel und als Weichmacher dient. Nukleierungsmittel verbessern die mechanischen Eigenschaften des Dmm-stoffs und optimieren den Produktionsprozess, indem sie die Erstarrungszeit verkrzen.

Das neue flammgeschtzte und schumfhige CA-Ma-terial soll ein Anwendungspotenzial bieten, das ber den Bereich der Schaumherstellung hinausgeht. Aufgrund der Eigenschaften des CA ergeben sich zudem viele konkrete Anwendungsbeispiele, die zur Umsetzung der Energie-wende beitragen. Die Energieeffizienz von Gebuden kann beispielsweise durch den Einsatz von Hochleistungs-

Dmmplatten aus CA gesteigert werden, wodurch weniger Primrenergie verbraucht wird. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass mit dem neuen Werkstoff weniger Materialeinsatz bentigt wird. Sie fhren dies auf die hervorragenden mechanischen Ei-genschaften und der in Voruntersuchungen beobachteten Gleichfrmigkeit der Zellstruktur zurck.

Neben der Energieeffizienz spielt auch das Raumklima, insbesondere das Feuchtigkeitsmanagement, eine wichtige Rolle, um vor allem Schimmelbildung zu verhindern. Der Werkstoff CA ist hydrophil und bietet somit zum einen eine ausgezeichnete Atmungsaktivitt sowie Wasser-dampfdurchlssigkeit. Zum anderen hat er das Potenzial, die Diffusionseigenschaften fr Wasser durch die Material-zusammensetzung sowie durch die Schaumherstellung gezielt einstellen zu knnen.

Die Energiewende stellt unsere Gesellschaft vor eine groe Herausforderung. Eine zentrale Rolle spielt die nachhaltige Produktion von ressourcenschonenden Materialien, die sowohl bei der Herstellung als auch in der Anwendung Primrenergie sparen. Als Beispiele sind unter anderem hochwirksame Dmmstoffe und neuartige Leichtbaumaterialien zu nennen. Fr die Erzeugung solcher Materialien ist die Verschumung von Kunststoffen eine Schlsseltechnologie. Auch gilt es erdlbasierte Kunststoffe, durch solche aus nachwachsenden Rohstoffquellen zu ersetzen. Celluloseacetat (CA) ist ein aus nachwachsenden Rohstoffen produzierter, schumfhiger Biokunststoff, der zudem nicht toxisch sowie antiallergen ist. Ziel des Forschungs-projektes CA-Flammschutz ist es, ein hochwirksames Flammschutzsystem fr den nachwachsenden Biokunststoff CA zu entwickeln, der im Baubereich als Wrmedmmstoff genutzt werden soll.

Produktion von Schaumfolie aus Celluloseacetat

Bislang galt Polystyrol als Kernmaterial fr Schume, stt aber mit zunehmender Bauteilgre an sein Leistungslimit. CA besitzt gegenber Polystyrol (PS) eine hhere Steifigkeit, so dass ein Einsatz in greren Bauteilen, etwa als Kernma-terial fr Rotorbltter von Windkraftanlagen, mglich wird. Auerdem knnte geschumtes CA wegen seiner hohen gewichtsspezifischen Steifigkeit auch als Sandwichelement im Leichtbau verwendet werden. Schlielich knnte es als Leichtbauelement mit integraler Schaumstruktur auch in der Fahrzeugverkleidung eingesetzt werden. ber die Gewichtsreduzierung wrde der Energieverbrauch des Fahrzeuges gesenkt. In diesen Anwendungen ist ein Flammschutz des Materials unbedingt erforderlich.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln am Fraunhofer-Institut fr Umwelt-, Sicherheits- und Energie-technik UMSICHT im Rahmen des Forschungsprojektes CA-Flammschutz neue Flammschutzrezepturen, die auf dem Biokunststoff Celluloseacetat basieren. Sie kombi-nieren die Eigenschaften Flammschutz, Weichmacher und Nukleierungsmittel. Forscherinnen und Forscher unterziehen die entwickelten Verbundstoffe einschlgi-gen Flammtests, um ihre Wirksamkeit zu untersuchen. Von den erfolgversprechenden Rezepturen untersucht anschlieend die Rheinisch-Westflische Technische Hochschule Aachen (RWTH) Schumeigenschaften in der Schaumextrusion. Fraunhofer UMSICHT und RWTH optimieren die Rezepturen anschlieend hinsichtlich Flammschutzeigenschaften, mechanischen Eigenschaften und Schaumverarbeitung unter Bercksichtigung der im Baubereich geltenden Anforderungen. Schlielich whlen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die beste Rezeptur aus. Anschlieend arbeitet der Industriepartner FKuR den Kunststoff grotechnisch auf und produziert ihn. JACKON Insulation verarbeitet ihn auf Produktions-anlagen zu Dmmplatten.

FrdermanahmeMaterialforschung fr die Energiewende desBundesministeriums fr Bildung und Forschung im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms

ProjekttitelMechanochemie als nachhaltiges Prinzip zur Synthese und Entwicklung eines Flammschutzsystems fr den nachhaltigen Biokunststoff Celluloseacetat zum Einsatz in ressourcenschonenden Schaumwaren CA-Flamm-schutz

Laufzeit01.05.2015 30.04.2018



KontaktFKuR Kunststoff GmbHDr.-Ing. Frank van LckSiemensring 7947877 WillichTelefon: +49 (0)2154 9251 19E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerFKuR Kunststoff GmbHFraunhofer-Institut fr Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHTJACKON Insulation GmbHRheinisch-Westflische Technische Hochschule Aachen, Fakultt fr Maschinenwesen, Lehrstuhl fr Kunststoffverarbeitung (IKV)

HerausgeberBundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF)Referat Grundlagenforschung Energie53170 Bonn


BildnachweisRheinisch-Westflische Technische Hochschule Aachen

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mailto:Frank.van.Lueck%40fkur.com?subject=http://www.bmbf.de

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verbinden CIGS-Zelle mit neuartiger Perowskit-SolarzelleMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Whrend CIGS-Solarzellen seit mehr als 30 Jahren erforscht und weiterentwickelt werden und mittlerweile eine weitgehend ausgereifte Technologie darstellen, steht die Forschung bei den Perowskit-Dnnschicht-Solarzellen noch am Anfang. Dennoch entwickelt sich der Solarzellen-typ der Perowskite mit einer enormen Geschwindigkeit.

Die Perowskit-Dnnschicht-Solarzelle sollte durch ihre Nhe zu organischen und farbstoff-sensibilisierten Solar-zellen hervorragend fr eine kostengnstige Tandemso-larzelle in Kombination mit einer CIGS-Solarzelle geeignet sein. Berechnungen zeigen, dass ein Wirkungsgrad zwischen 25 und 30 Prozent erreicht werden knnte. Die Anwenderin und der Anwender wrden damit also hhere Jahresertrge bei gleicher Modulflche erzielen knnen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im For-schungsprojekt CISOVSKIT wollen eine effiziente und kostengnstige Tandem-Solarzelle realisieren, die aus den Solarzellentypen Perowskit und CIGS zusammenge-setzt ist. Ziel ist es, eine Hocheffizienz-CIGS-Solarzelle zu

entwickeln und schrittweise zu optimieren. Auerdem entwickeln die Forscherinnen und Forscher eine neuartige auf Perowskit basierte Solarzellen-Architektur, die in halbtransparenten Einfachzellen und Tandemstrukturen eingesetzt wird. Das Forscherteam peilt ein tiefgehendes Verstndnis des Materials und der Bauelemente an, um eine optimale Ladungstrgergeneration und -sammlung in kompletten Tandemzellen zu gewhrleisten.

Hierzu passen Forscherinnen und Forscher die bewhrten CIGS-Solarzellen an, um sie als Basiszelle in einer Perows-kitCIGS-Tandemzelle einzusetzen. Gleichzeitig arbeiten sie an den neuartigen Perowskit-Absorbermaterialien, um die Absorption und den Ladungstransport fr den Einsatz als Oberzelle der CIGSPerowskit-Tandem-Zelle zu optimieren. Durch begleitende tiefgehende spektroskopische Analysen verschiedener Perowskit-Modifikationen wird hierbei ein detailliertes Verstndnis der elektronischen und optischen Eigenschaften angestrebt, auf dessen Grundlage die Aus-wahl der am besten geeigneten Materialien erfolgen kann.

Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Herzstck jeder Solarzelle ist ein Halbleitermaterial, das bei sogenannten CIGS-Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) zusammengesetzt ist. Die Werk-stoffe wandeln das Sonnenlicht besonders gut in elektrische Energie um, so dass der Wirkungsgrad den Spitzenwert von 21,7 Prozent erreicht. Der Wirkungsgrad von Solarzellen lsst sich weiter steigern, indem zwei Solarzellen mit unterschiedlichen spektralen Absorptionsbereichen in einem Tandem miteinander verknpft werden. Das Projekt CISOVSKIT will dafr die CIGS-Zelle mit der neuartigen Perowskit-Solarzelle verbinden. Es gilt, sowohl jede Teilzelle fr sich als auch den Aufbau und die Herstellung des Tandems zu optimieren.

Perowskit-basierter Solarzellenprototyp zum Effizienzvergleich neu entwickelter Perowskitmaterialien

Versuchsaufbau zur Bestimmung der mikroskopischen Diffusions- eigenschaften der neu entwickelten Perowskit- und CIGS-Materialien.

Zunchst evaluieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Leistungsfhigkeit der Materialien in Einfachzellen. Insbesondere werden hierbei die auftre-tenden Verlustmechanismen in den Bauelementen mit spektroskopischen Methoden analysiert. Danach setzen die Forscherinnen und Forscher die Ergebnisse ein, um das Herstellungsverfahren zu vereinfachen.

Ein wichtiges Zwischenziel auf dem Weg zu Tandemzellen ist dann die Herstellung von effizienten halbtransparenten Perowskit-Solarzellen. Dieser Materialtyp enthlt zwar keine seltenen und teuren Rohstoffe; das in geringen Mengen enthaltene giftige Schwermetall Blei knnte sich aber als problematisch erweisen. Deswegen untersuchen die Forscherinnen und Forscher bleifreie Alternativen, um eine umweltvertrgliche Produktion zu evaluieren.

Die neu entwickelten Perowskit-Zellen kommen schlielich in mechanisch gestapelten Tandemzellen zum Einsatz, bei denen die beiden Teilzellen elektrisch getrennt sind. Erst durch eine externe Verschaltung kann die Gesamtleis-tung des kombinierten Bauelements abgegriffen werden. Dieser Aufbau bietet zwar eine relativ groe Flexibilitt, aber den Nachteil zustzlicher Kontakte fr jede Teilzelle. Schlussendlich entstehen kompakt verschaltete Tandem-zellen, bei denen die halbtransparente Perowskit-Zelle direkt auf der CIGS-Zelle abgeschieden wird. Der gesamte Abscheidungsprozess kann vakuumfrei aus der Lsung realisiert werden. Whrend dieser Beschichtungstechnik werden Salze aus einer Lsung abgetrennt. Die Methode zeichnet sich durch niedrige Kosten aus, da keine teure Anlagentechnik notwendig ist, beispielsweise entfllt eine Vakuumanlage. Sie gilt auch als einfach bertragbar auf grere Mastbe.

FrdermanahmeMaterialforschung fr die Energiewende desBundesministeriums fr Bildung und Forschung imRahmen des 6. Energieforschungsprogramms

ProjekttitelEntwicklung hocheffizienter Hybrid-Solarzellen aus CIGS- und Perowskit- Materialien CISOVSKIT

Laufzeit01.09.2015 31.08.2018



KontaktZentrum fr Sonnenenergie- undWasserstoff-Forschung Baden-Wrttemberg (ZSW)Photovoltaik: MaterialforschungDr. Erik AhlswedeIndustriestrae 670565 StuttgartTelefon: +49 (0)711 7870 247E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerZentrum fr Sonnenenergie- undWasserstoff-Forschung Baden-Wrttemberg (ZSW)Ludwig-Maximilians-Universitt Mnchen, Fakulttfr Chemie und Pharmazie, Department Chemie Karlsruher Institut fr Technologie, Lichttechnisches Institut



BildnachweisLudwigs-Maximilians-Universitt Mnchen

www.bmbf.de
http://mailto:erik.ahlswede%40zsw-bw.de?subject=http://www.bmbf.de

Elektrokatalysatorsystem fr stoffliche Energie-speicherung durch gekoppelte Wasserelektrolyse und CO2-UmwandlungMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Eine wichtige CO2-basierte Technologie stellt die gekoppelte Wasser-CO2-Elektrolyse an katalytisch aktiven Elektroden dar. Hier soll Strom aus erneuerbaren Quellen ber den Prozess der Elektrolyse in Wasserstoff oder auch Methan umgewandelt und in das regionale Ferngasnetz eingespeist werden. So knnte das Gas dann als Energiespeicher genutzt werden und am Ende in der Wrmeversorgung und Indus-trie, aber auch als Treibstoff fr Autos oder auch wieder zur Stromproduktion in Gaskraftwerken verwendet werden.

Eine solche CO2-Wasser-Elektrolyse ist bisher aber noch nicht lohnend. Um die elektrochemischen Reaktionspro-zesse wirtschaftlicher zu machen, muss der Einfluss der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Elektroden und Katalysatormaterialien auf deren Leistungsfhigkeit untersucht werden. Auch gilt es, die Stabilitt der Elektro-den und Katalysatormaterialien sowie die Produktausbeute und Produktverteilung nher zu betrachten. Wissen-schaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungsprojekt CO2EKAT wollen die chemisch-materialwissenschaftlichen Grundlagen fr eine Effizienzsteigerung legen, und dass bis zur technologischen Verwertbarkeit.

Die Forscherinnen und Forscher untersuchen zunchst den Zusammenhang zwischen Katalysatorstruktur und dessen Reaktivitt. Ein Ziel ist, den erforderlichen Energieeintrag fr die Reaktionen an Anode und Kathode zu minimieren, indem Reaktionsbeschleuniger, sogenannte Elektroka-talysatoren, eingesetzt werden. Neue nanostrukturierte Katalysatormaterialien sollen - ausgehend von Vergleichs-materialien - in systematischer Weise entwickelt werden.

Diese Katalysatoren sollen besonders im Hinblick auf Aktivitt und Stabilitt verbessert werden, wobei in die-sem Zusammenhang verschiedene Modifizierungsstrate-gien verfolgt werden.

An der Kathode findet die direkte elektrochemische Reduk-tion von CO2 zu unterschiedlichen chemischen Produkten statt. Bisher ist die Energieeffizienz niedrig, die Produktver-teilung hufig unkontrolliert und die Zahl der bekannten praktisch verwendbaren Katalysatormaterialien begrenzt. Hier ist die Steuerung der durch den Katalysator erzielten Produktzusammensetzung von besonderem Interesse. Whrend Metalle wie Gold oder Silber die CO2-Umsetzung eher zu Kohlenstoffmonoxid begnstigen, werden Kohlen-wasserstoffe in bedeutenden Mengen nahezu ausschlielich ber kupferbasierte Materialien gebildet. Bei letzterem ist je nach Anwendungszweck eine kontrollierte Produktion von Kohlenwasserstoffen von hoher technischer Bedeutung, da sie Ausgangsprodukt fr weitere Energietrger sein knnen. Propan und Butan beispielsweise lassen sich verflssigen und als Flssiggas (z.B. Autogas) nutzen. Forscherinnen und Forscher untersuchen wie durch gezielte Vernderung von Struktur und Zusammensetzung der Kupfer-Katalysatoren be-stimmte Kohlenwasserstoffe hervorgebracht werden knnen.

Zunchst charakterisieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die chemische Zusammensetzung der Katalysatoren. Sie legen den Fokus auf ihre Oberflche, an der die Reaktion stattfindet, und wenden bildgebende und spektroskopische Verfahren an. Dabei ergnzen sich die Forschenden durch verschiedene moderne Analysetech-

Die Energiewende ist eine soziale, wirtschaftliche und technische Aufgabe fr Deutschland. Auf der einen Seite sollen zuver-lssige und kostengnstige Speicher, Strom aus erneuerbaren Energiequellen speichern und so die Energieproduktion vom Verbrauch entkoppeln. Auf der anderen Seite gilt es, Kohlenstoffdioxid (CO2)-Emissionen zu reduzieren. Forscherinnen und Forscher arbeiten daher an neuen Technologien, CO2 aus Abgasen als chemischen Rohstoff zu nutzen. Dabei knnte CO2 und regenerative Wind- und Solarelektrizitt mit Hilfe von skalierbaren elektrochemischen Prozessen und Anlagen in molekulare, speicherbare Brennstoffe oder Chemikalien umgewandelt werden. Langfristig sollen dadurch die regenerativen Energiequellen grundlastfhig gemacht werden und die Zahl der konventionellen Kraftwerke minimiert werden. An den Grundlagen fr diesen Prozess arbeitet das Forschungsprojekt CO2EKAT unter Koordination der Technischen Universitt Berlin.

niken, welche auerhalb (ex situ) und whrend (in situ) der katalytischen Reaktion zum Einsatz kommen. Somit wird einerseits feststellbar, welche Syntheseparameter bestimmend sein knnen. Gleichzeitig fhren die Wissen-schaftlerinnen und Wissenschaftler auch Untersuchungen zu aktiven Zentren, Zwischenprodukten oder Instabilitts-grnden durch.

Forscherinnen und Forscher testen Katalysatoren zunchst in elektrokatalytischen Halbzellen und optimieren die Zellbedingungen so, dass mehr und genau die Kohlenwas-serstoffe entstehen, die gefragt sind. Dazu gehrt vor allem die Anpassung des Elektrolytsystems, dessen Anionen und Kationen sowohl die Eigenschaften des Katalysators und des Stofftransports, um die katalytische Reaktion mageb-lich zu beeinflussen.

In der Anwendung wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Material- und Zelleigenschaften so optimieren, dass die Energie, die fr den gemeinsamen Ablauf von Anoden- und Kathodenreaktion erforderlich ist, minimiert wird. Ist dies erreicht, gilt es schlielich noch die Praxistauglichkeit der entwickelten Systeme nachzuweisen.

Regenerativ erzeugter Strom aus Wind- oder Solarquellen unterliegt stetig hohen Fluktuationen. Um den ber-schussstrom unter solchen Bedingungen voll verwerten zu knnen, untersuchen die Forscherinnen und Forscher auch die Stabilitt der Materialien im Langzeitexperiment unter wiederholten elektrischen Lastwechseln. Katalysatoren, die diese Tests berstehen, werden zum Schluss in realen kleinskaligen Elektrolysezelldemonstratoren eingebaut.

FrdermanahmeMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms

ProjekttitelElektrokatalysatorsystem fr stoffliche Energiespeicherung durch gekoppelte Wasserelektrolyse und CO2-Umwandlung - CO2EKAT

Laufzeit01.10.2015 30.09.2018



KontaktTechnische Universitt Berlin (TUB)Fachgebiet Elektrochemie und elektrochemische Energiespeicherung Institut fr ChemieProf. Dr. Peter StrasserFak. II Sekretariat TC-3Strae des 17. Juni 124, 10623 BerlinTelefon: +49 (0)30 314 29542Fax: +49 (0)30 314 22261E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerTechnische Universitt Berlin, Institut fr Chemie Freie Universitt Berlin, Institut fr ExperimentalphysikRuhr-Universitt Bochum, Institut fr Experimentalphysik IV Festkrperphysik



Bildnachweis Ruhr-Universitt Bochum

www.bmbf.de

Ultrahoch-Vakuum-Apparatur fr die Oberflchencharakterisierung von nanostrukturierten Katalysatoren.
mailto:pstrasser%40tu-berlin.de?subject=http://www.bmbf.de

DESIREE entwickelt Kathodenmaterialien fr Lithium-Ionen-HochleistungsbatterienMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Das vom Forschungszentrum Jlich koordinierte Ver-bundprojekt DESIREE entwickelt Kathodenmaterialien fr Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien der nchsten Generation. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schneidern dazu Aktivmaterialien mit schnellen Ionen-transportvorgngen fr Hochleistungsanwendungen systematisch zu. Das langfristige Ziel ist die Integration regenerativer Energietrger, insbesondere der Wind- und Solarenergie, in eine grundlastfhige und witte-rungsunabhngige Energieversorgung.

Die Bereitstellung von effizienten und zugleich wirt-schaftlichen Energiespeichern ist ein zentraler Punkt fr eine nachhaltige Energieversorgung. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades gelten elektrochemische Energiespeicher, wie Batterien, fr mobile und statio-nre Anwendungen als besonders effektiv. Neben einer hohen Energiedichte ist auch eine hohe Leistungsdich-te relevant, um kurzzeitige Schwankungen im Strom-netz auszu-gleichen. Fr zuknftige Generationen von Hochleistungsbatterien mssen daher Aktivmaterialien

entwickelt werden, die beide Eigenschaften besitzen. Eine besonders attraktive Materialklasse sind diesbe-zglich die Spinelle. Sie erlauben eine schnellere Einla-gerung von Lithium-Ionen in chemische Verbindungen als herkmmliche Kathodenmaterialien. Dieser Prozess muss schnell und zuverlssig ablaufen, damit Energie effizient gespeichert werden kann. Das Projekt DESIREE erforscht 5 V-Aktivmaterialien mit schnellem Ionentransport fr zuknftige Hochleis-tungsbatterien mit hoher Energiedichte. Die ionische Leitfhigkeit soll durch eine gezielte Dotierung und Nicht-Stchiometrie systematisch verbessert werden. In einem weiteren Schritt werden dann Strategien fr eine Material- und Designverbesserung entwickelt. Ein wissenschaftliches Arbeitsziel des Vorhabens besteht daher auch in der Aufklrung der thermodynamischen und kinetischen Prozesse whrend der Batterieentla-dung. Darauf aufbauend sind die Gefge-Eigenschaft-Beziehungen hinsichtlich der Leitungsmechanismen zu betrachten.

Kernspinresonanz-Spektrometer (NMR)

Im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms gilt es, Konzepte und Lsungen fr eine nachhaltige Energietechnik zu entwickeln. Neuartige Speichertechnologien spielen dabei eine herausragende Rolle. Bei den zurzeit am Markt verfgbaren Lithium-Ionen-Batterien nimmt aber hufig die speicherbare Energie ab, wenn sie mit hohen Stromdich-ten be- oder entladen werden. Dies steht einem flchendeckenden Einsatz als effektivem stationrem Energiespeicher bisher entgegen. Ein Grund ist die begrenzte ionische Leitfhigkeit der Kathodenmaterialien.

Elektronenspinresonanz-Spektrometer (EPR)

Die Modifikation der Spinell-Defektstruktur von Kathodenmaterialien fr Lithium-Ionen-Batterien auf atomarer Ebene soll den Platzwechsel von Ionen begnstigen und damit die ionische Leitfhigkeit der Materialien erhhen. Derartige Mechanismen sind fr Interkalationsbatterien typisch. Sie werden derzeit auch fr andere Batteriekonzepte, wie etwa Magnesium- oder Aluminium-Batterien, als eine massive Limitierung angesehen. Ein weiterer Aspekt fr effiziente Hochleistungsbatteriezellen sind nanostrukturierte Materialien. Die Verwendung von Katho-denmaterialien mit besonders kleinen Partikeln kann einen positiven Einfluss auf den Ionentransport durch das Material ausben.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler charakteri-sieren die Kathodenmaterialien mittels moderner Beu-gungs-, Tracer- und spektroskopischer Methoden. Die so erzielten Ergebnisse werden in einem Gesamtansatz zusammengefhrt, um zunchst diejenigen Mechanis-men zu beschreiben, die bei hohen Stromdichten zu einer Reduktion der Speicherkapazitt fhren. Diese Ergebnisse flieen dann in ein Multiskalen-Modell ein, aus dem Anstze zur Verbesserung der Materialien ge-wonnen werden. Diese Erkenntnisse werden wiederum zur spteren Herstellung eines Gesamtbauteils verwen-det. Das Verbundprojekt fhrt materialwissenschaft-liche Grundlagenforschung fr die elektrochemische Speicherung regenerativ erzeugter elektrischer Energie durch. Das vertiefte Verstndnis der thermodynami-schen und kinetischen Elektrodenprozesse wird zu einer gezielten Materialverbesserung von Hochleis-tungskathodenmaterialien fhren.

FrdermanahmeMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung im Rahmen des 6. Energieforschungs-programms

ProjekttitelDefektspinelle als Hochenergie- und Hochleistungsmaterialien zur elektrochemischen Energiespeicherung - DESIREE

Laufzeit01.09.2014 - 31.08.2017



KontaktForschungszentrum Jlich GmbHInstitut fr Energie- und Klimaforschung Prof. Dr. Rdiger A. EichelGrundlagen der Elektrochemie (IEK-9)Telefon: +49 (0)2461 61 46 44E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerForschungszentrum Jlich GmbH, Institut fr Energie- und KlimaforschungRheinisch-Westflische Technische Hochschule Aachen, Institut fr Anorganische Chemie Rheinisch-Westflische Technische Hochschule Aachen, Institut fr Physikalische Chemie Karlsruher Institut fr Technologie, Institut fr Angewandte Materialien

Internetwww.fz-juelich.de



BildnachweisForschungszentrum Jlich GmbH

www.bmbf.de
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Supraleiter fr neuartige Windturbinen Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Supraleitende Motoren und Generatoren sind im Vergleich zu konventionellen elektrischen Maschinen extrem klein, leicht und arbeiten sehr energieeffizient. Allerdings ist die Menge an Supraleitermaterial insbesondere fr Wind-kraftanlagen sehr gro: ein zehn Megawatt-Generator braucht beispielsweise zwischen 30 und 300 Kilometer Supraleiterdraht. Daher muss ein Material entwickelt werden, das gnstig hergestellt werden kann, um dem im Windenergiemarkt allgemein sehr hohen Kostendruck gerecht zu werden. Wenn ein kostengnstiger Supraleiter verfgbar wre, knnte dies fr einen Innovationsschub sorgen, der auch anderen potentiellen Anwendungen der Supraleitung in der Energietechnik, zum Beispiel den Energiebertragungskabeln, den Wasserkraft- oder Kraft-werksgeneratoren, nutzen knnte.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Verbund DIAMANT wenden die Aerosolbeschichtungsmethode als neuartige, skalierbare und kostengnstige Herstellungs-methode auf das Supraleitermaterial Magnesiumdiborid (MgB2) an. Sie whlen dieses Material mit hervorragenden supraleitenden Eigenschaften, weil es eine geringe Dichte aufweist und im Vergleich zu anderen Supraleitern ein-facher und kostengnstiger prozessierbar ist.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Verbund DIAMANT wollen aus diesem quasikeramischen und da-mit sprden und schwer zu verdichtenden Material einen effizienten technischen Leiter herstellen, der folgende Eigenschaften erfllen soll:

technisch relevante Gesamtstromtragfhigkeit (mehrere hundert Ampere pro Band)

mechanische Festigkeit, gute Biegsamkeit Resistenz gegen Vibrationen, elektrische Stabilitt,

einfache Kontaktierbarkeit

grundstzlich gegebene Handhabbarkeit im industriellen Wickelprozess fr Spulen

Fr die Herstellung von Drhten und Kabeln aus MgB2 sind zwar vorindustrielle Prozesse vorhanden, diese so-genannten Pulver-in-Rohr-Prozesse sind aber hufig auf-wndig und kostenintensiv. Zudem schrnken die dabei ntigen hohen Prozesstemperaturen die Materialauswahl und Leiterarchitekturen ein. Forscherinnen und Forscher im Verbund DIAMANT wenden alternativ die Aerosolbe-schichtungsmethode (aerosol deposition method, ADM) an. Bei dieser Methode knnen sie dichte keramische Schichten ohne Hochtemperaturprozesse direkt aus dem Ausgangspulver auf fast beliebige Substratmaterialien aufbringen.

Mit dem Energiekonzept strebt die Bundesregierung eine umweltschonende, zuverlssige und bezahlbare Energie-versorgung an. Dabei nehmen Windenergieanlagen auf See eine wichtige Rolle ein. Ziel ist es, mehr als zehn Megawatt Leistung je Anlage erreichen zu knnen. Hersteller von Gro-Windanlagen steigern zwar kontinuierlich die Leistung der Turbinen, mit wachsender Leistung wachsen aber auch Turmkopfmasse und -volumen berproportional an. Aus diesen Grnden mssen Hersteller die Leistungsdichte der Anlagen erhhen. Die Leistungsdichte von Generatoren, als eines der schwersten und grten Komponenten des Turmkopfes, kann beispielsweise vergrert werden, indem Supraleiter in den Magnetspulen des Rotors verwendet werden. Wegen der hohen Supraleitermenge pro Anlage ist da-fr aber eine gnstige Herstellungsmethode fr supraleitende Drhte und Bnder notwendig. Der Verbund DIAMANT will nun einen effizienten Herstellungsprozess entwickeln, der grundstzlich eine reproduzierbare, wirtschaftliche Fertigung groer Leiterlngen in industriellem Mastab ermglichen soll.

Transport des Turmkopfes einer Windkraftanlage inklusive des Generators

Durch eine Pulverschttung hindurch wird ein Prozessgas geleitet. Dadurch entsteht ein Aerosol, also ein Gemisch aus festen Schwebeteilchen und einem Gas. Eine Druck-differenz erwirkt eine Beschleunigung des Partikels vom Aerosolerzeuger in die Vakuumkammer. Dort wird das Aerosol auf mehrere 100 Meter pro Sekunde beschleunigt und auf das zu beschichtende Substrat gelenkt. Dabei ent-stehen fest anhaftende, dichte Beschichtungen von z. B. 1 m bis 300 m Dicke. Die Materialeigenschaften der erzeugten Schicht sind dabei hnlich dem Ausgangsmaterial. Nach Ausbildung einer Verankerungsschicht auf dem Substrat kommt es zu einem kontinuierlichen Aufbau und einer Verdichtung der Schicht. Dieser Vorgang wird als Room Temperature Impact Consolidation (RTIC) bezeichnet.

Welche Eigenschaften aber muss das MgB2-Ausgangspul-ver haben, um es bei der Aerosolbeschichtungsmethode einsetzen zu knnen? Wie kann Pulver mit diesen Eigen-schaften kommerziell beschafft oder selber hergestellt werden? Wie sieht ein industieller Herstellungsprozess fr Leiterbahnen aus? Wie soll die Qualittskontrolle aus-sehen? Welche Substratmaterialien und Deckschichten sind zielfhrend? Welche Stromdichte kann in der Schicht erreicht werden? Diese und weitere Fragen bearbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt DIAMANT.

Fr die Aerosolbeschichtung ermitteln die Forscherinnen und Forscher geeignete Prozessparameter. Vorhandene Laboranlagen bauen sie dafr um oder neue Anlagen auf. Auerdem stellen sie Funktionsmuster (Schicht- und Lei-terproben) her und charakterisieren mit elektrischen und magnetischen Methoden, Mikroskopie, Struktur- sowie chemischer Analyse.

Die Ergebnisse benutzen sie wiederum, um den Prozess zu optimieren und die Reproduzierbarkeit sicherzustellen. Ziel ist es, ein Konzept fr eine zuknftige Hochskalierung des Prozesses auf eine industrielle Leiterfertigung auszu-arbeiten. Am Projektende will das Team die Machbarkeit dieser Herstellungsmethode demonstrieren und bewerten, und zwar durch Herstellung und Test einer signifikanten Leiterlnge oder einer kleinen Versuchsspule.


ProjekttitelDirekt-Abscheidung von Magnesium-Diborid-Supraleitern fr Neuartige Windturbinen DIAMANT

Laufzeit01.09.2014 31.08.2017



KontaktSiemens AG, Corporate TechnologyAbteilung CT RTC PET SUCDr. Marijn OomenGnther-Scharowsky-Strae 191058 ErlangenTel.: +49 (0)9131 735 331Fax: +49 (0)9131 733 323E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerSiemens AG, Corporate TechnologyUniversitt Bayreuth,Fakultt VI Angewandte Naturwissenschaften,Lehrstuhl fr FunktionsmaterialienKarlsruhe Institut fr Technologie,Institut fr Technische PhysikPalas GmbH, Karlsruhe



BildnachweisSiemens AG, WindPower & Renewables

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Duale Solarenergienutzung: Wasserstofferzeugung bei der AbwasserreinigungMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Fr eine wirtschaftliche, solarchemische Wasserstoff-erzeugung sind die Effizienz und die Lebensdauer der derzeit bekannten, reproduzierbaren photoelektrochemischen Systeme noch zu gering. Eine Ursache ist, dass die photo-katalytische Wasserspaltung ein komplexer Prozess ist, der vielfltige Anforderungen an die zu verwendenden Photoka-talysatoren stellt. Es mssen Materialien gefunden werden, die verschiedene und zum Teil gegenlufige Eigenschaften in sich vereinen, beispielsweise ein geeignetes Energieniveau fr die Wasserreduktion und -oxidation. Die genannten Faktoren sind hufig nicht unabhngig voneinander optimierbar.

Zuerst trennen die Forscherinnen und Forscher in diesem Projekt die Teilreaktionen Wasserreduktion und die Oxidati-onsreaktion rumlich voneinander. Dazu werden eine Photo-anode zur Aufnahme der Elektronen und eine Photokathode zur Wasserstofferzeugung in einem photoelektrochemischen Zweikammersystem angeordnet. Die Materialien fr die Anoden und Kathoden knnen fr die beiden Teilreaktionen unabhngig voneinander verbessert, gleichzeitig die Rckre-aktion von Wasserstoff mit Sauerstoff unterbunden und so eine deutliche Effizienzsteigerung gegenber Einkammer-systemen erreicht werden. Weiterhin sind die Produktgase der anodischen und der kathodischen Reaktion rumlich voneinander getrennt, so dass reiner Wasserstoff ohne eine kostenaufwndige Gastrennung produziert werden kann.

Um eine mglichst hohe Effizienz hinsichtlich der Was-serstoffentwicklung zu erreichen, wurden bisher nahezu alle Systeme zur photokatalytischen Wasserstofferzeu-

gung unter Zusatz von Methanol und anderen Alkoholen konzipiert. Methanol aber wird grotechnisch selbst aus Wasserstoff hergestellt, was die Anwendung als technisch umsetzbares Konzept hufig hemmt. Anstatt des Methanols untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wis-senschaftler im Projekt DuaSol alternative Elektronendo-natoren. Hier sollen Elektrolyte mit organischen Abws-sern, die im berfluss verfgbar wren, eingesetzt werden, beispielsweise Abwsser in kommunalen Klranlagen oder Industrieabflle, wie Glycerol, das als Nebenprodukt der Biodieselproduktion in groen Mengen anfllt. Durch Verwendung von im Abwasser enthaltenen organischen Verunreinigungen als Elektronendonatoren kann die solarchemische Wasserstofferzeugung wirtschaftlich und kologisch effizient werden. Der Gesamtprozess wandelt unter Bestrahlung mit Sonnenlicht unerwnschte Schad-stoffe in den wichtigen Energietrger Wasserstoff um.

Fr die Energiewende gilt es, mit innovativen Technologien Speicher zu entwickeln, die Solarenergie fr Perioden mit geringer Sonneneinstrahlung zur Verfgung stellen. Auf der anderen Seite gibt es Wasserverunreinigungen. Neue Technologien, mit deren Hilfe die Energie- und Wasserprobleme simultan gelst werden knnen, sind von groer Bedeutung. Das Projekt DuaSol will ein wirtschaftliches und grotechnisch umsetzbares Konzept aufbauen, das in Zukunft Wasserstoff als chemischen Energiespeicher fr Solarenergie nutzt und gleichzeitig Abwsser reinigt. Wissen-schaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln dazu eine photoelektrochemische Tandemzelle mit kaltgasgespritzten Elektroden, die mit Sonnenlicht photokatalytisch Wasserstoff erzeugt und dabei Abwsser klrt. DuaSol deckt dabei die gesamte Entwicklungskette ab: angefangen von der Herstellung von Photokatalysatoren ber die Optimierung des Photokatalysator-Pulvers und den Bau der Elektroden bis hin zur Analyse von photoelektrochemischen Prozessen an den Elektroden sowie der Anwendungsuntersuchung.

Die Demonstrationsanlage SOWARLA am DLR-Zentrum Lampoldshausen umfasst ca. 350 Quadratmeter. Sie dient der Wasseraufbereitung durch solare Photokatalyse.

Ein spezielles Beschichtungsverfahren, das Kaltgasspritzen, trgt das Material fr die Photoelektroden pulverfrmig und sehr schnell auf metallische Elektrodentrger auf. Das Kaltgasspritzen gilt unter den bisher untersuchten Verfah-ren zur Herstellung von Photoelektroden hinsichtlich der erreichbaren Effizienzen als besonders vielversprechend, ist kostengnstig und im technischen Mastab umsetzbar. Dennoch ist es fr die Erzeugung von Schichten fr die Photokatalyse bislang nur wenig untersucht worden. Fr die Photoelektroden whlen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler insbesondere die chemischen Verbin-dungen Niobate und Tantalate. Die Materialien sollen fr den Einsatz beim Kaltgasspritzen hinsichtlich ihrer Partikel- morphologie optimiert und mageschneidert werden.


ProjekttitelDuale Solarenergienutzung: Wasserstofferzeugung bei der Abwasserreinigung DuaSol

Laufzeit01.09.2014 31.08.2017



KontaktH.C. Starck GmbHDr. Sven AlbrechtIm Schleeke 78-9138642 GoslarTel.: +49 (0)5321 751 3735E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerH.C. Starck GmbH,Zentralbereich Forschung & EntwicklungGottfried Wilhelm Leibniz Universitt Hannover,Institut fr Technische ChemieJustus-Liebig-Universitt Gieen,Physikalisch-Chemisches InstitutDeutsches Zentrum fr Luft- und Raumfahrt,Institut fr SolarforschungHelmut-Schmidt-Universitt Hamburg,Institut fr Werkstofftechnik



BildnachweisDeutsches Zentrum fr Luft- und Raumfahrt

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Teststand SoCRatus fr photokatalytischer Systeme mit Solarstrahlung
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Innovative Oberflchenbeschichtung verhindert Eisbildung Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Oberflchen knnen durch thermische und elektrische Energie, wie durch beheizte Flchen, eingebettete Wider-standsschichten oder -drhte, enteist werden. Weitere Mglichkeiten sind die mechanische Enteisung oder der Einsatz von Chemikalien. Um Eisbildung aber erst gar nicht entstehen zu lassen, gibt es zwei Mglichkeiten: Zum einen knnen Betreiber von technischen Anlagen Manahmen ergreifen, die die Eisbildungstemperatur senken. Zum anderen knnen sie Mechanismen einsetzen, die eine Eisanhaftung minimieren. Die Forscherinnen und Forscher im Forschungsprojekt EISAB kombinieren diese bekannten Prinzipien zur Eisinhibition mit einem neuartigen pyroelektrischen Prinzip. Sie entwickeln eine Oberflchenbeschichtung, die die Vereisungstemperatur an der Oberflche zu einem tieferen Wert verschiebt und gebildete Eiskeime mit jedem erneuten Temperaturwech-sel ablst.

Fr dieses neue Schichtkonzept kombinieren die Wis-senschaftlerinnen und Wissenschaftler ein besonderes Oberflchencluster mit wasserliebenden und wassermei-denden Flchen, eine Schmelzpunkterniedrigung sowie einen Werkstoff, der sich bei Temperaturnderung elek-trisch aufldt. Diese drei physikalischen Effekte fhren die Forscherinnen und Forscher in einer Schicht zusammen und entwickeln eine effektive Anti-Eis-Beschichtung. Eine solche Kombination stellt eine neue Herangehensweise zur Entwicklung von eisabweisenden Oberflchen dar. Sie beinhaltet im Einzelnen die Umsetzung

des Tausalzeffektes: Eine Immobilisierung von was-serlslichen Polymeren senkt den Gefrierpunkt an der Grenzflche zwischen Eis und dem Bauteil.

des hydrophob/hydrophilen Domneneffektes: Das Eis bildet sich auf diskreten, nanoskopisch verteilten Kristallisationspunkten und haftet nur lose auf der beschichteten Oberflche.

des pyroelektrischen Effektes: Ein temperaturgesteuerter Ladungsaufbau greift in die Verbindung zwischen Wasser und Bauteil ein. Eis kann an schon gebildeten Eiskeimen nicht mehr anhaften und lst sich so besser ab. Darber hinaus unterbindet die freiwerdende Wrme das Anhaften von Eiskeimen an der Oberflche.

Eine solche Beschichtung lsst sich durch eine einfache Tauchbeschichtung auf ein Rotorblatt oder andere Ober-flchen aufbringen und kann in einem zweiten Schritt beispielsweise ber einen photoinduzierten Pfropfungs-prozess mit variablen Komponenten und Struktur aus-gerstet werden. Auf diese Weise steht eine gut haftende, vollstndig polymere, pyroelektrisch wirksame Oberfl-chenbeschichtung fr beliebige Untergrnde zur Verf-gung. Die Forscherinnen und Forscher erwarten wegen des Einsatzes organischer pyroelektrischer Precursoren in Kombination mit gngigen Polymeren einen geringen finanziellen Aufwand ohne Beschaffungsengpsse.

Deutschland baut seine Energieversorgung um. Fr die Umsetzung der Energiewende gilt es, die notwendigen technolo-gischen Voraussetzungen und Innovationen fr eine langfristig gesicherte, bezahlbare und umweltvertrgliche Energie-versorgung zu schaffen. Eis- und Raureifbildung an technischen Anlagen, wie Windkraftanlagen, Starkstromleitungen und Telekommunikationseinrichtungen, verhindern aber einen reibungslosen Betrieb. Sie senken den Wirkungsgrad, erhhen den Wartungsaufwand, verursachen Stillstandzeiten und stellen zudem ein hohes Sicherheitsrisiko dar. Das Forschungsprojekt EISAB unter Koordination der Technischen Universitt Dresden will eine aktive Folienbeschichtung entwickeln, die Eisbildung und dauerhafte Eisanhaftung an Oberflchen von technischen Anlagen verhindert.

ENERCON Rothenseer Rotor-blattfertigung GmbH, eno energy GmbH (ohne Frderung)

Forschungspartner:TU Dresden IfWW +Leibniz-Institut fr Polymerforschung Dresden

BWEBundesverband fr Windenergie (ohne Frderung)

Anwender:Rotorblatthersteller,Windanlagenbetreiber,Reparaturbetriebe fr Windanlagen

Technologie- und Wissenstransfer:TU Dresden CIMTT

Formuliert praxis-bezogene Anforderungen, untersttzt Demons-tratorbau

Realisiert Technologie- und Wissenstransfer im Konsortium und in die ffentlichkeit

Entwickelt Schichtzu-sammensetzung und Beschichtungstechnologie fr eisabweisende Ober-chen bei Rotorblttern

Kommuniziert und transferiert in die Praxis, bndelt Experten-wissen in den Arbeits-kreisen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler demonstrieren die Wirkungsweise eines solchen eisabweisenden und -ablsenden Beschichtungssystems auf Rotorblttern und Gehuseteilen im Auenbereich der Windenergie-gewinnung, fr die sie wegen der natrlichen Temperatur-schwankungen besonders geeignet scheinen. Ebenfalls sehr vielversprechend ist die Verwendung in hufig frequentierten Klimakammern der Biotechnologie oder der Lebensmittelindustrie.

Die Forschungsarbeiten zu eisabweisenden Oberflchen richtet das Forschungsprojekt EISAB am konkreten Bedarf der Wirtschaft aus. Whrend der Projektlaufzeit streben sie den Transfer von Forschungsergebnissen in die Praxis an. Ein Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie assoziierten Projektpartnern der Windenergiebran-che hat sich zusammengeschlossen, um fr Windkraft-anlagenhersteller und Nutzergruppen den Wissens- und Technologietransfer zu begleiten


ProjekttitelAktive eisabweisende Oberflchen auf Rotorblttern EISAB

Laufzeit01.09.2014 31.08.2017


Frdervolumen des Verbundesca. 1 Million Euro

KontaktTechnische Universitt DresdenFakultt Maschinenwesen Institut fr WerkstoffwissenschaftDr.-Ing. Ute BergmannHelmholtzstrae 701062 DresdenTelefon: +49 (0)351 4633 3895E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerLeibniz-Institut fr Polymerforschung Dresden e.V.

Assoziierte ProjektpartnerBundesverband WindEnergie e.V., BerlinENERCON GmbH, Magdeburgeno energy GmbH, Rostock



BildnachweisTechnische Universitt Dresden (Konsortium)Bundesverband WindEnergie e.V. (Windkraftanlagen)

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Die Wirkungsweise eines eisabweisenden Beschichtungssystems wird auf Rotorblttern und Gehuseteilen im Auenbereich der Windenergiegewinnung demonstriert.
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Katalysatoren ohne Platin fr die Niedertemperatur-Brennstoffzelle Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle eine Klasse der Niedertemperatur-Brennstoffzellen ist eine vielver-sprechende Technologie fr eine umweltschonende und saubere Energieumwandlung. Dabei wird unter Verwen-dung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elek-trische Energie umgewandelt. Kme der ntige Wasser-stoff aus Wasserelektrolyseuren, die man beispielsweise mit Solar- oder Windkraftanlagen betreibt, wrde ihre grotechnische Anwendung die Treibhausgasemission senken. Auch wrde ihre Einfhrung den weltweiten Erdlverbrauch deutlich verringern.

Das Herzstck in einer Niedertemperatur-Brennstoff-zelle ist eine Membran-Elektroden-Anordnung, die aus einer Anode, einer Kathode und einer protonenleitenden Membran besteht. Dieser Aufbau ist im Vergleich zu den restlichen Komponenten das teuerste Stck und macht bis zu 34 Prozent der Gesamtkosten aus. In der Regel werden als Standardkatalysator in der Membran-Elek-troden-Anordnung reine Platin-Nanopartikel verwendet, die auf einem Kohlenstoff-Trgermaterial fein verteilt sind.

Die Aufgabe des Katalysators ist es, die elektrochemi-schen Reaktionen in der Brennstoffzelle zu beschleu-nigen und somit zu kleinen berspannungen an den Elektroden zu fhren. Bisher wird als Katalysator das teure Edelmetall Platin bentigt. Dennoch sind die Eigenschaften und die Lebensdauer dieser Katalysatoren fr eine wirtschaftliche Anwendung unzureichend.

Bei einem der erfolgreichsten Katalysatorkonzepte wird dem Platin ein unedleres Metall zugegeben, um die Eigen-schaften der platinbasierten Partikel in einer Brennstoff-zelle zu verbessern. Haben das unedlere Metall und das Platin auf dem Katalysator zueinander eine geringe Ent-

fernung, werden die elektronischen und geometrischen Eigenschaften von Platin verndert. Das unedlere Metall lst sich aber trotz einer platinreichen Partikeloberflche unter den Bedingungen in einer Brennstoffzelle auf. Die Aktivitt einer Brennstoffzelle nimmt so ber einen lngeren Zeitraum ab.

Ein ideales Trgermaterial muss also mehrere Eigen-schaften mit sich bringen: gute elektrische Leitfhigkeit gute Haftungseigenschaften fr eine starke Wechsel-

wirkung zwischen Partikel und Trgermaterial

hohe spezifische Oberflche fr eine gute Verteilung der Nanopartikel

hohe Porositt zur Vergrerung der Dreiphasen-grenzflche

gute wasseranziehende Oberflcheneigenschaften, um das gebildete Wasser von der Kathode abzutrans-portieren

gute Korrosionsresistenz

Das Forschungsprojekt arbeitet an Strategien und Konzep-ten, um die katalytischen Eigenschaften und besonders die elektrochemische Resistenz der Elektrodenmaterialien zu verbessern und gleichzeitig Materialkosten zu reduzieren. In diesem Projekt werden als kostengnstige Katalysatoren platinarme Legierungsnanopartikel auf Kohlenstoff mit guter katalytischer Aktivitt und Lebensdauer sowohl fr die Kathodenreaktion als auch fr die Anodenreaktion entwickelt.

Diese Nanopartikel werden mittels moderner nass-chemischer Imprgnierungsmethoden hergestellt, da diese Art der Synthese fr die Industrie grotechnisch und kostengnstig realisierbar ist. Durch die Kontrolle der Partikeldurchmesser, der chemischen Zusammen-

Niedertemperatur-Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Die Brennstoffzellen gelten als sauber, effizient und vielseitig nutzbar, beispielsweise als Fahrzeugantrieb oder in der Hausenergie. Fr die Herstellung wer-den aber seltene und teure Elektrodenmaterialien bentigt, die eine breite Markteinfhrung hemmen. Die Nachwuchsgruppe ECat-PEMFC entwickelt effiziente und robuste Elektrokatalysatoren, die sie mit modernen Methoden verbessern.

setzung und der Kristallinitt sollen die katalytischen Eigenschaften der platinarmen Nanopartikel fr die beiden Halbzellen-reaktionen gesteuert werden.

Weiterhin wird die Lebensdauer des Katalysators durch eine vernderte Oberflche des Kohlenstoffs verbessert. Dadurch kann deren Resistenz erhht und insgesamt der Partikelabtrag, welcher ein Grund fr den Alterungs-prozess dieser Katalysatoren ist, minimiert werden.

Zwei Fragen stehen im Zentrum der Arbeiten der Wissen-schaftlerinnen und Wissenschaftler: Sie wollen erstens die strukturellen und chemischen Parameter identifi-zieren, die das Zusammenspiel zwischen den platinar-men Nanopartikeln und dem auf Kohlenstoff basierten Trgermaterial verbessern. Zum zweiten mchten sie den Mechanismus aufklren, der dafr verantwortlich ist, dass sich das unedlere Metall aus dem Inneren der platinbasierten Nanopartikel auflst.

Zuerst werden die whrend der Forschungsarbeiten entwickelten Katalysatoren fr die jeweiligen Halb- zellenreaktionen optimiert. Anschlieend werden die Katalysatoren auch in einer realen Wasserstoff-Sauer-stoff-Brennstoffzelle untersucht. Zum Schluss wird die Nachwuchsgruppe die Katalysatoren in die Membran-Elektroden-Anordnung berfhren.

Teststand fr eine Brennstoffzelle


ProjekttitelAktive und stabile Platin-arme Elektrodenkatalysatoren fr die Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle PEMFC

Laufzeit01.07.2016 30.06.2021



KontaktCarl von Ossietzky Universitt OldenburgJun. Prof. Mehtap Oezaslan Fakultt V Mathematik und Naturwissenschaften Institut fr Chemie Carl-von-Ossietzky-Str. 9-11 26129 OldenburgTelefon: +49 (0) 441 798 3917Fax: +49 (0) 441 798 3979E-Mail: [email protected]



BildnachweisGreenlight Innovation GmbH

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Werkstoffverhalten in lastflexibel betriebenen Kraftwerken im Rahmen der Energiewende Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Hohe Temperaturen und Drcke sowie aggressive Rauch-gas- und Wasserdampfatmosphren sind die enormen Einsatzbedingungen, denen Bauteile in konventionellen Kraftwerken ausgesetzt sind. Fr diese hohe Beanspru-chung kommen zwar speziell entwickelte hochwarmfeste Sthle zum Einsatz, im Rahmen der Energiewende aber verndern sich ihre Einsatzbedingungen. Die zunehmend zyklische Betriebsweise der Anlagen mit hufigen Starts oder Lastwechseln kann eine starke Korrosionsbean-spruchung und gleichzeitig eine verstrkte mechanische Beanspruchung der Anlagenteile verursachen.

Unter den Betriebsbedingungen, die Kraftwerke im Rahmen der Energiewende erfllen, kann es daher sowohl zu einer Kombination bereits bekannter Schadensmechanismen als auch zum Auftreten unerwarteter neuer Schdigungs-

prozesse kommen. Ob das bekannte Werkstoffverhalten unter den bisher stationren Betriebsbedingungen auf die neuen Betriebsprofile beim Einsatz erneuerbarer Energien bertragbar ist, ist bisher kaum erforscht. Die Nachwuchs-gruppe FLEXIKON untersucht am Beispiel hochwarm-fester Sthle mit einem Chromgehalt zwischen neun und zwlf Prozent, welche Auswirkungen eine regelmige Vernderung von Temperatur, mechanischer Belastung und Rauchgaszusammensetzung auf die Schdigungspro-zesse und die Lebensdauer dieser Sthle hat.

Zur Simulation der realen Beanspruchung fhren die Forscherinnen und Forscher Korrosionsversuche unter Dampf und Rauchgas mit wechselnden Temperaturen und Zusammensetzungen durch. Sie machen auch mechani-sche Untersuchungen mit Temperatur- und Lastwechseln, teils auch unter Rauchgas. Die Werkstoffreaktion prfen sie durch umfangreiche Untersuchungen der Mikro-struktur der Materialien. Ziel ist, smtliche auftretenden Vernderungen der Mikrostruktur, Oberflchenmerkmale und mechanischen Eigenschaften sowie die Schdigungs-prozesse bis hin zum Versagen detailliert zu betrachten.

Auf diese Weise erhalten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Beschreibung des Schdigungs-verlaufs und seiner Mechanismen auf der Nano- bis Millimeterskala. Die Ursachen der beobachteten Material-vernderungen sowie ihre Auswirkungen auf das Lang-zeitverhalten der Werkstoffe untersuchen die Mitar-beiterinnen und Mitarbeiter auch mit flankierenden kinetischen/thermodynamischen Modellrechnungen

Trotz des stetig wachsenden Anteils regenerativer Energiequellen an der Stromerzeugung kommt konventionellen Kraftwerken weiterhin eine entscheidende Rolle zu. Sie gleichen die wetter- und jahreszeitbedingt schwankenden Bei-trge der Windkraft- und Solarenergie aus und stabilisieren so die Stromversorgung. Hierzu ist ein lastflexibler Betrieb der Kraftwerke mit hufigen Starts und Lastwechseln erforderlich. Starts und Lastwechsel fhren zu Temperaturwech-seln und zeitlich schwankenden mechanischen Lasten, die die Bauteile in vernderter Weise verglichen zu heutigen Fahrweisen beanspruchen. Dabei kann eine beschleunigte Werkstoffschdigung mit frhzeitigen und unerwarteten Schden an Bauteilen oder Anlagen auftreten. Die Nachwuchsforschungsgruppe FLEXIKON der Bundesanstalt fr Materialforschung und -prfung (BAM) untersucht am Beispiel hochwarmfester Sthle, inwieweit die Erfahrungen zum Verhalten dieser Werkstoffe unter stationren Kraftwerksbedingungen auf einen zyklischen Anlagenbetrieb im Rahmen der Energiewende bertragbar sind.

Schaden an einem berhitzerrohr fr Dampfkraftwerke im Laborversuch. Es ist eine rtliche Schdigung und Aufweitung des Rohrs durch lokale Korrosion und den hohen Dampf-Innendruck der Rohrleitung. Schlielich kommt es zur Bildung eines Risses.

sowie speziell angepassten Verformungs- und Lebens-dauermodellen.

Kernziel des Projekts ist, ein umfassendes Verstndnis der unter flexiblen Betriebsbedingungen auftretenden Werkstoffvernderungen und Schdigungsprozesse zu entwickeln. Die Interpretation der Befunde baut auf dem Wissensstand zum Werkstoffverhalten unter stationren Bedingungen auf und zeigt die relevanten Unterschiede des zyklischen Materialverhaltens. Die Forscherinnen und Forscher mchten herausfinden, welche Materialvernde-rungen und Schadensmechanismen unter zyklischen Be-dingungen dominieren und wie Schden durch betriebs-seitige und werkstofftechnische Manahmen vermieden oder reduziert werden knnen.

Auf diese Weise ermglichen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Abschtzung der grundstz-lichen Eignung bestehender Kraftwerke fr den lang-fristigen zyklischen Einsatz. Gleichzeitig ergeben sich Ansatzpunkte fr eine zielgerichtete Weiterentwicklung der Werkstoffe sowie fr neue Schutzkonzepte, die knftig durch den Austausch kritischer Bauteile von bestehenden Anlagen sowie in der Konzeption neuer Anlagen berck-sichtigt werden knnen.


ProjekttitelHochwarmfeste Dampferzeugerwerkstoffe frlastflexible konventionelle Kraftwerke: Betriebsverhalten, Schdigungsprozesse und Optimierungspotentiale fr knftige Einsatzbedingungen FLEXIKON

Laufzeit01.09.2014 31.08.2017


Frdervolumen des Verbundesca. 1 Million Euro

KontaktBundesanstalt fr Materialforschung und -prfung (BAM)Nachwuchsgruppenleiter Dr.-Ing. Jrgen OlbrichtFachbereich 5.2 - Experimentelle und modellbasierte WerkstoffmechanikUnter den Eichen 87 12205 BerlinTelefon: +49 (0)30 8104 3137Telefax: +49 (0)30 8104 1527E-Mail: [email protected]



BildnachweisBundesanstalt fr Materialforschung und -prfung (BAM)

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Frhes Stadium der Rissbildung mit aufgerissener Oxidschicht auf der Oberflche eines Rohrs. Es bildet sich ein trichterfrmiger Anriss (Bildmitte unten), da der Werkstoff hier nicht mehr vor der Dampfatmosphre geschtzt ist.
mailto:juergen.olbricht%40bam.de?subject=http://www.bam.dehttp://www.bmbf.de

Neue Verfahren zur Strukturierung von Photoelektroden zur Wasserstofferzeugung Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Zahlreiche Forschungsaktivitten konzentrieren sich auf die Entwicklung neuer halbleitender Materialien fr die photoelektrochemische Wasserspaltung. Im Zentrum stehen meist nur kleine experimentelle Elektrodenflchen, die der Charakterisierung im Labor dienen. Ein Scale-up auf grere technisch anwendbare Elektroden ist mit den blicherweise verwendeten Verfahren schwer zu realisieren. Mit dem jungen Verfahren des Kaltgasspritzens knnen photoelektrochemisch aktive Materialien fr die Wasser-oxidation kostengnstig auf kleine oder groe Flchen aufgebracht werden, so dass die konomische Produktion von Elektroden auf technischem Mastab ermglicht wird. Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Werkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trgermaterial aufgebracht wird. Fr das Modellsystem Titandioxid sind fr photoelektro-chemisch aktive Elektroden sogar um einen Faktor vier bis fnf hhere Photostrme erreicht worden als mit der blichen Labortechnik.

Allerdings existieren kaum Untersuchungen zur Anbindung der Partikel an das Substrat und dem daraus resultierenden Ladungstransport in den kaltgasgespritzten Photoelektroden, die die Basis fr eine weitere Prozessoptimierung und Effizienzsteigerung darstellen. Weiterhin fehlen bislang Untersuchungen zur Anwendbarkeit des Verfahrens fr andere Materialien wie Bismutvanadat- oder Eisenoxid, die das Sonnenlicht besser ausnutzen knnen.

Das Ziel der Nachwuchsgruppe unterteilt sich in zwei Schwerpunkte. Zum einen sollen grundlegende Kenntnisse erarbeitet werden zum Anbindungsmechanismus von

halbleitenden Partikeln auf das technische Substrat whrend des Spritzverfahrens. Zum anderen geht es um den Einfluss der Oberflchenstruktur der Photoelektroden auf das Licht- und Gasmanagement. Dabei konzentrieren sich die Arbeiten vorerst auf Photoanoden fr die Wasseroxidation, die auf der Basis von Metalloxiden aufgebaut sind. Die Wasseroxidation ist die Gegenreaktion bei der Herstellung von Wasserstoff ber die Elektrolyse von Wasser und stellt aufgrund der komplexen Reaktionskinetik zurzeit den limitierenden Faktor bei der Gesamteffizienz der Wasser-spaltung dar.

Die Umwandlung von regenerativer Energie in ein nutzbares Gas als sekundrer Energietrger kann eine wichtige Rolle bei der Energiewende einnehmen. Erneuerbarer Strom knnte in Wasserstoff bzw. Methan umgewandelt werden. Diese Gase knnen in der Gasinfrastruktur transportiert, gespeichert und anschlieend genutzt werden. In Demonstrations- anlagen ist bisher eine Kombination aus Photovoltaik und technischen Elektrolyseuren realisiert worden; diese hat sich jedoch als sehr kostenintensiv herausgestellt. Kostengnstiger kann die Wasserstoffproduktion in einem Schritt mit Hilfe von photoaktiven Halbleiterelektroden durchgefhrt werden. Die Nachwuchsgruppe Focus-H2 will mit dem Verfahren des Kaltgasspritzens strukturierte groflchige Photoelektroden mit hoher Effizienz fr die solare Wasserstoffproduktion entwickeln.

In der Demonstrationszelle wird unter Ausnutzung von Sonnenenergie Wasserstoff erzeugt.

Der Einfluss der Oberflchenstruktur auf die photochemische Aktivitt wird zunchst an Modellsystemen untersucht. Die in diesen Arbeiten gewonnenen Erkenntnisse sollen im Verlauf des Projekts dann auf gespritzte Photoanoden bertragen werden.

ber das herkmmliche Kaltgasspritzen ist hufig die erforderliche Oberflchenstruktur kaum zu erreichen. Deswegen kommt ein noch nicht etabliertes Verfahren, das Aerosol-Kaltgasspritzen, zum Einsatz. Es ist in der Lage, auch Strukturen im sub-m Mastab przise zu erzeugen. Die Prozesse whrend des Spritzverfahrens, insbesondere die Anbindung der Partikel an die Ober-flche, werden zunchst an planaren kaltgasgespritzten Proben untersucht. Nach Aufbau und Inbetriebnahme der Aerosol-Kaltgasspritzanlage sollen diese Erkenntnisse auf das Aerosol-Kaltgasspritzen auf geeignete oberflchen-strukturierte Elektroden mit hoher Wandlungseffizienz bertragen werden.

Ziel ist es, kostengnstige Elektroden fr Prototypmodule bereitstellen zu knnen. Diese sollen dann schlussendlich in Kombination mit Photokathoden zur Wasserstoff- erzeugung effiziente lichtbetriebene Elektrolyseure bilden.

FrdermanahmeMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms

ProjekttitelNeuartige Verfahren zur Strukturierung von Photoelek-troden zur Wasserstofferzeugung Nachwuchsgruppe Focus-H2

Laufzeit01.09.2014 31.08.2019



KontaktHelmut-Schmidt-UniversittUniversitt der BundeswehrDr. Maria Teresa Villa VidallerInstitut fr WerkstofftechnikHolstenhofweg 8522043 HamburgTel.: +49 (0)40 6541 2261E-Mail: [email protected]



BildnachweisHelmut-Schmidt-Universitt, U. Schrder

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Absorberschichten fr den Einsatz in umweltvertrglichen DnnschichtsolarzellenMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Der Erfolg einer Photovoltaiktechnologie ist abhngig von nachhaltig verfgbaren und umweltvertrglichen Ausgangs-materialien. Daher wird die Materialklasse der Kesterite (Typ Cu2ZnSn(S1-zSez)4), welche auf den verfgbaren und umweltvertrglichen Metallen Kupfer, Zink und Zinn aufbaut, als aussichtsreiches Absorbermaterial fr die Dnnschicht-photovoltaik der nchsten Generation diskutiert. Kesterit-Solarzellen konnten im Labormastab bereits 12,7 Prozent der Energie des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln. Um diese Effizienzen zuverlssig zu erreichen und weiter zu steigern, mssen Wissenslcken beispielsweise zum Schichtwachstum, den elektronischen Eigenschaften von Kesteriten und den Grenzflchen zum Vorder- und Rckkontakt geschlossen werden.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungs-projekt FREE-INCA wollen mit materialwissenschaftlicher Grundlagenforschung dazu beitragen, den Weg fr wirt-schaftlich relevante Solarzellenwirkungsgrade im Bereich von 15 Prozent zu ebnen. Das Projekt adressiert somit die Schnittstelle zwischen Materialforschung und Energieer-zeugung. Hier spielen die Bereiche Materialentwicklung und -charakterisierung, Grenzflchenforschung, Solarzellen-entwicklung und Beschichtungstechnologie eine Rolle. Forschende arbeiten an der materialwissenschaftlich-zielgerichteten Entwicklung defekt- und sekundr-phasen-armer Kesterit-Dnnschichten und ihrer Optimierung fr den Einsatz in Dnnschichtsolarzellen mit einem verwer-tungsnahen Wirkungsgrad von mindestens 13 Prozent.

Eine der Herausforderungen bei der Herstellung von Kesterit-Absorbern ist das Auftreten von sogenannten Neben- bzw. Sekundrphasen, welche hufig dazu fhren,

dass der Wirkungsgrad der Solarzelle sinkt. Diese Neben- phasen knnen durch chemische und physikalische Pro- zesse whrend der Schichtherstellung neben der erwnsch-ten Kesterit-Phase entstehen, sollen aber vermieden werden. Im Forschungsprojekt unter Koordination der Universitt Oldenburg und Beteiligung des Zentrums fr Sonnenener-gie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Wrttemberg (ZSW) sowie des Karlsruher Instituts fr Technologie (KIT) testen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter-schiedliche Strategien, wie diese Nebenphasen vermieden werden knnen. Die Reinheit der Kesterit-Schicht kann beispielsweise durch eine optimierte Prozessfhrung beeinflusst werden.

Photovoltaik ist ein wichtiger Baustein der zuknftigen Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen. Wie knnen Material- und Herstellungskosten weiter gesenkt werden? Welche Techniken lassen den Wirkungsgrad weiter steigen? Diese Fragen stehen im Zentrum der Forschungsarbeiten zur Photovoltaik, um die Konkurrenzfhigkeit auch ohne wirtschaftliche Frderung zu gewhrleisten. Wegen ihres geringen Rohstoffbedarfs gewinnen die Dnnschichttechnologien verstrkt an Bedeutung. Hier kommt beispielsweise das seltene Technologiemetall Indium sowie das rare und toxische Element Cadmium zum Einsatz. Forscherinnen und Forscher wollen im Projekt FREE-INCA Absorberschichten fr den Einsatz in indium- und cadmiumfreien Dnnschichtsolarzellen entwickeln und optimieren.

Photovoltaik ist ein wichtiger Baustein der zuknftigen Energiever-sorgung aus erneuerbaren Energiequellen.

Fr die Konzeption einer nachhaltigen Kesterit-Solarzellen-struktur sind zudem neuartige und umweltvertrgliche, das heit cadmiumfreie Puffermaterialien vorgesehen. Eine Pufferschicht wird bei diesem Materialsystem fr den Aufbau einer Solarzelle bentigt und knnte Verluste minimieren. Sie puffert den elektronischen bergang vom Absorber, der die Energie des Sonnenlichts aufnimmt, zum Frontkontakt ab. Der ist notwendig, damit die Solarzelle einen Stromfluss liefern kann. Das zurzeit noch gngigste Material fr Pufferschichten fr Kesterite, welches seit einigen Jahren bereits die industrielle Reife erlangt hat, ist Cadmiumsulfid. Statt dieser chemischen Verbindung wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um-weltvertrglichere Alternativen einsetzen. Damit wrden sie sowohl die seltenen Technologiemetalle wie Indium und Tellur ersetzen als auch nicht mehr das toxische Metall Cadmium verwenden.

Um elektronisch hochwertige Absorber zu entwickeln, werden mehrere industrierelevante Herstellungsvarianten eingesetzt und verglichen.

Bei allen Herstellungsverfahren sind:

1. das phasenreine Wachstum von Kesteritschichten,

2. die Optimierung des Rckkontakts sowie

3. die energetische Optimierung der Grenzflche Halbleiter/Puffer wichtige Zwischenziele des Foschungsprojekts.

Auf dieser Basis sollen die Grundlagen fr ein verwertungs-nahes Wirkungsgradpotential fr Kesterit-Dnnschicht-solarzellen geschaffen werden. Fr die hergestellten Labor-muster erfolgt zum Ende des Vorhabens eine Bewertung, welche Material- und Grenzflcheneigenschaften den Wirkungsgrad limitieren und welche Herstellungsver-fahren hinsichtlich eines Transfers auf industrierelevante Substratgren aussichtsreich erscheinen.


ProjekttitelEntwicklung und Optimierung von CZT(S,Se)- Kesteritschichten fr den Einsatz in Dnnschichtsolarzellen auf Basis nachhaltig verfgbaren und umweltvertrglichen Ausgangsmaterialien Free Inca

Laufzeit01.10.2015 30.09.2018



KontaktCarl von Ossietzky Universitt Oldenburg Institut fr PhysikDr. Levent Gtay Carl-von-Ossietzky-Str. 9-11, 26129 OldenburgTelefon: +49 (0)441 7983749 Fax: +49 (0)441 7983990E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerKarlsruher Institut fr Technologie (KIT)Zentrum fr Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Wrttemberg (ZSW)



BildnachweisSolar Panels from Oregon Department of Transportation (CC BY 2.0 )

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Das Potential der Perowskit-Photovoltaik bestimmenMaterialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungs-projekt HYPER wollen eine relevante Gre definieren, um das Potential der Perowskit-Materialien fr die Photovoltaik experimentell und theoretisch herauszuarbeiten. Auf diese Weise soll ihre Konkurrenzfhigkeit im Vergleich zu den weiteren anorganischen und organischen Dnnschicht-Photovoltaik-Technologien anhand eines zu ermittelnden Gtefaktors (figure of merit) bestimmt werden.

Darber hinaus wollen die beteiligten Forscherinnen und Forscher die Grundlagen fr zuknftige gezielte Opti-mierungen der Absorber- und Transportschichten fr Perowskit-Solarzellen schaffen. Denn in diesen Schichten wird das einfallende Sonnenlicht in Ladungstrger bzw. elektrischen Strom umgewandelt und der erzeugte Strom wird von diesen zu den Elektroden transportiert.

Ein Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der kristal-linen Perowskit-Schicht sowie der Grenzflchen zu den Transport-Schichten bzw. Elektroden und den darin stattfindenden Generations-, Transport- und Rekom-binationsprozessen der Ladungstrger. Dabei soll die Auswirkung dieser Prozesse auf die Schlsselparameter der Solarzellen gezielt ermittelt werden. Dazu zhlen die Leerlaufspannung, Voc, der Kurzschlussstrom, Jsc, der Fllfaktor, FF, und der Wirkungsgrad. Neben der separaten Untersuchung der genannten Prozesse wird besonderer Wert auf die Korrelation von elektronischen Defekten und Bandlckenzustnden mit der Ladungs-trgerbeweglichkeit sowie der Effizienz der strahlenden im Vergleich zur nichtstrahlenden Rekombination der Ladungstrger gelegt.

Das abgestimmte Forschungsprogramm beinhaltet die Materialsynthese, die Schicht-Charakterisierung, die opto-elektronische Charakterisierung von Materialien und Bau-elementen sowie Simulationen und Defektspektroskopie bis hin zur Herstellung und Optimierung von effizienten Perowskit-Solarzellen.

Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen flssig- prozessierte Perowskit-Solarzellen im Labormastab, die mittels spin-coating und Rakel- bzw. Druckprozessen hergestellt werden.

Als Referenz dienen durch Aufdampfverfahren hergestellte Perowskit-Solarzellen von externen Partnern. Die gewon-nenen experimentellen Ergebnisse setzen die Wissenschaft-lerinnen und Wissenschaftler dabei mit der Kristallinitt, Homogenitt und Zusammensetzung der Perowskit-Absor-berschicht in Beziehung. Auch ermitteln sie den Einfluss der Zwischenschichten und der entsprechenden Grenzflchen.

Mit neuartigen Dnnschicht-Solarzellen auf der Basis von kristallinen Perowskit-Halbleitern gelang es bereits nach kurzer Entwicklungszeit, Wirkungsgrade von ber 20 Prozent im Labor zu realisieren. Es stellt sich die Frage, welches Wirkungsgrad- Potential die Perowskit-Technologie insbesondere im Vergleich zu herkmmlichen Technologien - noch besitzt, den thermodynamischen Grenzen des Wirkungsgrads noch nher zu kommen. In diesem sich rasant entwickelnden Feld ist es daher wichtig, auch im Hinblick auf die Materialsynthese und die Bauelemententwicklung, eine relevante Gre (figure of merit) zu definieren, die das Potential der Perowskit-Materialien fr die Photovoltaik und ihre Konkurrenzfhigkeit im Vergleich zu den weiteren anorganischen und organischen Photovoltaik-Technologien beschreibt. Die Ermittlung einer derartigen technologieber-greifenden Gre ist das Ziel des Forschungsprojekts HYPER. Dazu wird ein Ansatz mit abgestimmten materialwissenschaftlichen, experimentellen und theoretischen Aspekten von der Universitt Wrzburg, der Technischen Universitt Chemnitz und dem Bayerischen Zentrum fr angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) verfolgt.

Perowskit Vielfalt: Vom Material zur Solarzelle

Neben der grundlegenden Charakterisierung der ent-sprechenden Solarzellen bezglich Absorption, externer Quantenausbeute und der Solarzellenparameter (Voc, Jsc, FF) werden verschiedene Rekombinationsprozesse der Ladungstrger quantitativ untersucht. Die Rekombination von Ladungstrgern fhrt zu Verlusten an elektrischem Strom und mindert so den Wirkungsgrad der Solarzelle. Es werden sowohl strahlende als auch nicht-strahlende Verlustmechanismen mittels Elektrolumineszenz- und Photolumineszenzmessungen im Gleichgewicht sowie zeitlich aufgelst mittels transienter Messmethoden untersucht. Die detaillierte Analyse der so gemessenen Spektren erlaubt die Berechnung eines Gtefaktors (figure of merit).

Zustzlich werden Ladungstrger-Rekombination und -Transport mit weiteren, auch optischen und elektrischen Methoden temperaturabhngig untersucht. So gelingt es, ein umfassendes Bild von den elektrischen und optischen Eigenschaften der Perowskit-Materialien zu erhalten und den Einfluss von Defekten auf den Transport und die Beweglichkeit der Ladungstrger in den Solarzellen zu bestimmen.

Darber hinaus wird die etablierte Solarzellen-Simulation auf die Eigenschaften und Effekte von Perowskit-Solarzellen angepasst. Die mit den oben beschriebenen experimentellen Methoden ermittelten Eingangsparameter werden dann fr Bauelement-Simulationen genutzt. So wird es mglich, Strom-Spannungs-Charakteristiken (J-V) zu berechnen und mit den experimentellen Daten zu vergleichen. Auf diese Weise untersttzen die Simulationen die physikalische Beschreibung von Ladungstrger-Transport- und Verlust-mechanismen und ermglichen, neue und bewhrte Modelle der grundlegenden Prozesse zu identifizieren bzw. zu verifizieren.

Die als Zielstellung definierten und angestrebten grund-legenden Erkenntnisse aus diesem Projektvorhaben betreffen das etablierte Perowskit-Material. Darber hinaus erffnen sich damit Wege fr eine quantitative Abschtzung des Potentials von neu synthetisierten Perowskit-Materialien.


ProjekttitelPotential der Perowskit-Photovoltaik: Untersuchung relevanter physikalischer Parameter und Materialeigenschaften sowie effizienzlimitierender Faktoren in Hybrid-Perowskit-Solarzellen HYPER

Laufzeit01.10.2015 30.09.2018



KontaktJulius-Maximilians-Universitt Wrzburg Prof. Dr. Vladimir DyakonovFakultt fr Physik und AstronomieLehrstuhl fr Energieforschung (Experimentelle Physik VI)Am Hubland97070 WrzburgTelefon: +49 (0)931 31 83111Fax: +49 (0)931 31 83109E-Mail: [email protected]

ProjektpartnerBayerisches Zentrum fr Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE)Technische Universitt Chemnitz



BildnachweisBayerischen Zentrum fr angewandte Energieforschung (ZAE Bayern)

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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln Redox-Flow-Batterie mit Ionischen Flssigkeiten Materialforschung fr die Energiewende des Bundesministeriums fr Bildung und Forschung

Eine Mglichkeit Energie aus fluktuierenden regenera-tiven Energiequellen zu speichern, ist der Einsatz von Redox-Flow-Batterien. Dabei handelt es sich um Batterien, in denen die energiespeichernden Materialien sowohl im geladenen als auch im entladenen Zustand in Lsungsmit-teln gelst sind. Eine der Besonderheiten der Redox-Flow-Batterie ist, dass sich Leistung und Kapazitt unabhngig voneinander skalieren lassen. Die Leistung hngt von der Anzahl der Zellen in einem Block und der Oberflche der verwendeten Elektroden ab. Die Kapazitt lsst sich durch die Konzentration der energiespeichernden Spezies in der Lsung und durch das Volumen des Elektrolyten einstellen. Weitere Vorteile sind die hohe Effizienz, die schnelle Reak-tionszeit sowie die Mglichkeit des modularen Aufbaus.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, eine alternative Redox-Flow-Batterie zu entwickeln, in der Ionische Flssig- keiten (Ionic Liquids, ILs) als Energietrger eingesetzt werden. Bei Ionischen Flssigkeiten handelt es sich um Salze, die einen Schmelzpunkt unter 100 C aufweisen. Raumtempe-ratur Ionische Flssigkeiten (Room temperature Ionic Liquids, RTILs) sind Salze, die bereits unter Raumtemperatur flssig sind. Diese Flssigkeiten vereinen Eigenschaften, die in dieser Kombination in keiner anderen Substanzklasse auftreten: hohe Leitfhigkeit, niedrige Viskositt, enorme Flssigkeitsbereiche, niedrige Dampfdrcke, groe elektro-chemische Stabilitt sowie niedrige Entflammbarkei

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Aufbereitung von Biogas mit Ionenaustauscher- harzen und ... · Referat Grundlagenforschung Energie, 53170 Bonn. Redaktion und Gestaltung. Projektträger Jülich, Forschungszentrum