Zielsetzung:
Die Solarenergie ist neben der Windenergie eine der Hauptsäulen der Energiewende. Damit die Klimaziele erreicht werden, ist es notwendig die Solarindustrie weltweit massiv zu skalieren. Pierre Verlinden, einer der weltweit führendsten Solarexperten, äußert sich dazu 2020 im Journal of Renewable and Sustainable Energie wie folgt: “The [PV] industry has demonstrated that it is capable to grow at a very high rate and to continuously reduce the cost of manufacturing. There are no challenges related to the technology, manufacturing cost, or sustainability, except for the consumption of silver, which needs to be reduced by at least a factor of 4 […].”
Silber ist die einzige kritische Ressource in der Solarzellenproduktion. Derzeit werden bereits weltweit ca. 17 % des jährlich in Minen abgebauten Silbers für die Solarzellenfertigung beansprucht. Gleichzeitig wächst die Fertigungskapazität für Solarzellen exponentiell um 20 - 30 % pro Jahr. Ohne technologische Innovation würde die Solarindustrie bereits im Jahr 2030 das gesamte weltweit verfügbare Silber aus dem Bergbau nachfragen. Es versteht sich von selbst, dass dies kein tragfähiges Szenario ist, zumal auch andere Zukunftstechnologien, wie die Elektromobilität, einen zunehmend hohen Silberbedarf anmelden.
Expert*innen sind sich einig, dass die Versorgung der Solarindustrie mit Silber für die elektrischen Kontakte der Solarzellen bereits in 2 - 4 Jahren das größte Problem für das nötige Wachstum der Solarindustrie sein wird und somit auch zum Flaschenhals für die gesamte Energiewende wird.
Das Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, PV2+, hat eine patentierte Galvaniktechnologie entwickelt, die es Solarzellenherstellern erlaubt mithilfe eines speziell entwickelten Elektrolyten, in Solarzellenkontakten Silber durch Kupfer zu substituieren. Dies ermöglicht die Skalierung der Solarindustrie und löst somit eine der zentralen Nachhaltigkeitsherausforderungen unserer Zeit.
Fazit:
Das Förderprojekt PV2+ verfolgte das Ziel, Silber durch Kupfer in Solarzellenkontakten zu ersetzen, um Kosten zu senken, die Rohstoffabhängigkeit zu verringern und die ökologische Nachhaltigkeit der Photovoltaikbranche zu stärken. Die gewählte technische Vorgehensweise erwies sich als sehr erfolgreich: Prozesse wie Sputtern und Laserablation wurden optimiert und auf Industrieanlagen übertragen, eine neue Galvanikanlage ermöglichte die homogene Kupferabscheidung auf über 500 Zellen bei stabilisiertem Elektrolyt. Der Proof of Concept wurde durch bessere Zellleistungen auf Industriewafern und einem ROI < 1 Jahr erbracht. Auch erste Umsätze durch Kundenbemusterungen bestätigen den Marktbedarf.
Strategisch war eine Kurskorrektur nötig: Aufgrund des Rückgangs der europäischen Solarindustrie wurde der Fokus erfolgreich auf Asien und die USA sowie auf eigene pilotähnliche Demoproduktion verlagert. Diese Neuausrichtung erwies sich als essenziell für Markteintritt und Skalierung.
Alternative technische Ansätze wie Kupfer-Nanopartikel oder Polymermasken wurden geprüft, boten jedoch keine vergleichbare Leistung, Wirtschaftlichkeit oder Umweltbilanz wie das patentierte Galvanikverfahren von PV2+. Die zentrale alternative Idee war daher nicht technologischer, sondern strategischer Natur und sie trug maßgeblich zur Zielerreichung bei.
Ziel des Projektes war die Ermittlung eines vereinfachten ökobilanziellen Ansatzes zum Emissionsvergleich verschiedener Verwertungs- und Entsorgungsoptionen von Bioabfall. Die Vereinfachung sollte über die CO2-Äquivalente erfolgen, da Kohlendioxid bezüglich der Masse die größten Emissionen darstellt und somit gut als maßgebendes Kriterium herangezogen werden kann. Trotz Reduktion, und der damit zwangsläufig verbundenen ungenaueren Emissionsaussage, sollte es möglich sein, verschiedene biologische Prozesse der Abfallbehandlung miteinander zu vergleichen und zu beurteilen. Ziel war es, ein Handwerkszeug zu schaffen, mit dem schnell, einfach und kostengünstig eine Entscheidungshilfe zum 'günstigsten' Weg des Bioabfalls gegeben werden kann. Bei der Verwertung des Bioabfalls zum Kompost wird, anders als bei der Behandlung zusammen mit Restmüll, die Möglichkeit einer längerfristigen Einbindung des enthaltenen Kohlenstoffs in Boden und Pflanzen gegeben. Dieser wird dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf längerfristig entzogen, und trägt somit nicht zum Treibhauseffekt bei. Unter dem Aspekt des Treibhauseffektes ist die Bioabfallverwertung daher eine sinnvolle ökologische Verwertungsoption. So leistet Kompost auf Grund der Gehalte an organischer Substanz einen wichtigen Beitrag zur Bodenverbesserung. Weiterhin kann durch die im Kompost enthaltenen Nährstoffe mineralischer Dünger zum Teil substituiert werden. Das Projekt wird gemeinsam mit Fachgebiet Abfallwirtschaft/Abfalltechnik der Universität GH Essen bearbeitet.
Bioraffineriekonzepte, zu welchen das hier beantragte Projekt gehört, werden in Zukunft mehr und mehr dazu beitragen, fossile durch heimische und biobasierte Rohstoffquellen zu ersetzen. Ein bereits lange bestehendes Konzept resultiert aus der Zellstoffproduktion. Hierfür werden schon immer biobasierte Produkte eingesetzt. Jedoch werden die Reststoffe der Zellstoffproduktion meist nur energetisch genutzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an Lignin und den enthaltenen Fettsäuren aber stetig gewachsen, wobei bis heute noch kein industrieller Prozess zur stark wertgesteigerten Verwertung dieser Reststoffe, und somit eine Erweiterung des Bioraffineriekonzeptes zur Herstellung von Spezialchemikalien, erreicht werden konnte. Dies soll mit dem hier beschriebenen Projekt erfolgen. Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung (i) der chemischen Umsetzung von Fettsäuren mittels Kolbe-Elektrolyse (ii) eines passgenauen Elektrolyseurs und (iii) der Hochskalierung zur Herstellung von Mustermengen an Weiß- bzw. Paraffinölen auf Basis von biobasierten Fettsäuren aus der Tallöldestillation. Diese sollen in Formulierungen für Kosmetik- oder Bauprodukten getestet werden. Am Ende soll ein technischer Elektrosyntheseprozess grundlegend etabliert sein und dessen Wirtschaftlichkeit inkl. einer ersten LCA abgeschätzt werden. Dazu sollen im Projekt mehrere Teilziele erarbeitet werden.
Bioraffineriekonzepte, zu welchen das hier beantragte Projekt gehört, werden in Zukunft mehr und mehr dazu beitragen, fossile durch heimische und biobasierte Rohstoffquellen zu ersetzen. Ein bereits lange bestehendes Konzept resultiert aus der Zellstoffproduktion. Hierfür werden schon immer biobasierte Produkte eingesetzt. Jedoch werden die Reststoffe der Zellstoffproduktion meist nur energetisch genutzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an Lignin und den enthaltenen Fettsäuren aber stetig gewachsen, wobei bis heute noch kein industrieller Prozess zur stark wertgesteigerten Verwertung dieser Reststoffe, und somit eine Erweiterung des Bioraffineriekonzeptes zur Herstellung von Spezialchemikalien, erreicht werden konnte. Dies soll mit dem hier beschriebenen Projekt erfolgen. Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung (i) der chemischen Umsetzung von Fettsäuren mittels Kolbe-Elektrolyse (ii) eines passgenauen Elektrolyseurs und (iii) der Hochskalierung zur Herstellung von Mustermengen an Weiß- bzw. Paraffinölen auf Basis von biobasierten Fettsäuren aus der Tallöldestillation. Diese sollen in Formulierungen für Kosmetik- oder Bauprodukten getestet werden. Am Ende soll ein technischer Elektrosyntheseprozess grundlegend etabliert sein und dessen Wirtschaftlichkeit inkl. einer ersten LCA abgeschätzt werden. Dazu sollen im Projekt mehrere Teilziele erarbeitet werden.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens:
Das Bauwesen und die damit verbundenen Berufe stehen vor bedeutenden Herausforderungen, die durch die Verknappung fossiler Energieträger, Umweltkatastrophen und die begrenzte Verfügbarkeit mineralischer Baustoffe verursacht werden. Die zunehmende Komplexität im Bauwesen sowie Nachhaltigkeitskriterien auf dem Immobilienmarkt verschärfen diese Probleme. Prognosen zufolge wird der Anteil an Neubauten am gesamten Gebäudebestand bis 2035 weniger als 10 % betragen. Der bestehende Gebäudebestand, einschließlich erhaltenswerter Gebäude, spielt daher eine wesentliche Rolle, insbesondere im Hinblick auf die in den Materialien enthaltene graue Energie und das Konzept des ‚Urban Mining‘.
Derzeit berücksichtigen gesetzliche Vorschriften und Förderungen weder die Ressourceneffizienz noch die Ressourcenschonung im Bestand oder bei Denkmälern. Es ist notwendig, die Gebäudebewertung anzupassen, da der aktuelle Energieausweis lediglich die Betriebseffizienz für Heizwärme und Warmwasser erfasst und für Denkmäler nicht verpflichtend ist. Um die Dekarbonisierung des Bauwesens voranzutreiben, muss eine Grundlage geschaffen werden, die es ermöglicht, diese Potenziale einzubeziehen. Die Metastudie untersucht, wie ökologische Aspekte in denkmalgeschützten Beständen berücksichtigt werden können und welche Potenziale durch Bewertungen einfließen sollten, einschließlich einer Analyse möglicher Bewertungsverfahren unter Berücksichtigung der Ökobilanzierung.
Das Ziel der Studie besteht darin, einen umfassenden Überblick über die Einbindung der ökologischen Aspekte von Baustoffen in denkmalgeschützten Beständen zu geben. Referenzprojekte mit Ökobilanzierung werden identifiziert und analysiert, um darauf basierende Handlungsempfehlungen abzuleiten. Es soll eine Überarbeitung der Systematik für Baudenkmale mit einer Lebensdauer von mehr als 50 Jahren vorgeschlagen werden, wobei die Priorisierung von Bauteilen und die Bewertung der Betriebseffizienz im Vergleich zu Suffizienzstrategien berücksichtigt werden sollen. Es wird angestrebt, Hinweise für zukünftige Maßnahmen zur Bewältigung des Klimawandels, einschließlich des Einsatzes erneuerbarer Energien, zu geben. Die Studie bietet Empfehlungen zur Verbesserung der Beurteilungskriterien in Denkmälern und zeigt Potenziale zur Implementierung in Bewertungssystemen auf, einschließlich der Berücksichtigung von Ausnahmeregelungen für Kulturdenkmäler. Es soll erfasst und analysiert werden, wie Ökobilanzen in verschiedenen Bewertungsmethoden für historische Gebäude verwendet wurden. Eine Übersicht über Denkmalprojekte, die erneuerbare Energien nutzen, sowie deren Effizienz- und Ökobilanzbewertung wird erstellt. Die Unterschiede und Auswirkungen von Lebenszyklusanalysen werden untersucht, um Handlungsempfehlungen für zukünftige Systemmodifikationen und Nachhaltigkeitsbewertungen bereitzustellen.