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Modulare, intelligente und hochintegrierte Wide-Bandgap-Leistungselektronik für sicheres und energieeffizientes elektrisches Fahren, HiEFFICIENT - Modulare, intelligente und hochintegrierte Wide-Bandgap-Leistungselektronik für sicheres und energieeffizientes elektrisches Fahren

H2020-EU.3.5. - Societal Challenges - Climate action, Environment, Resource Efficiency and Raw Materials - (H2020-EU.3.5. - Gesellschaftliche Herausforderungen - Klimaschutz, Umwelt, Ressourceneffizienz und Rohstoffe), Recovery of Tungsten, Niobium and Tantalum occurring as by-products in mining and processing waste streams (TARANTULA)

Schwerpunktprogramm (SPP) 1708: Materialsynthese nahe Raumtemperatur; Priority program (SPP) 1708: Material Synthesis near Room Temperature, Synthese intermetallischer Phasen in ionischen Flüssigkeiten

Die Präparation intermetallischer Phasen bei niedrigen Temperaturen bleibt eine herausfordernde Aufgabe. In den vergangenen Jahren wurden Redoxreaktionen an reaktiven intermetallischen Präkursoren zu einer vielseitigen Methode, insbesondere für die Herstellung metastabiler intermetallischer Verbindungen, entwickelt. Bisher wurden solche Reaktionen hauptsächlich als Gas-Fest-Reaktionen geführt. Andererseits sind Redoxreaktionen gelöster Cluster-Spezies in Ammoniak oder organischen Aminen bekannt, die Zugang zu neuen Metalloid-Spezies, z. B. zu Clusterpolymeren, bieten. In den meisten Fällen werden hier allerdings Produkte erhalten, die Lösungsmittelmoleküle oder Komplex-Kationen enthalten. In dieser Hinsicht könnten Redoxreaktionen in der Lösung einer ionischen Flüssigkeit einen alternativen Zugang zu neuen rein intermetallischen Phasen bieten. In bisherigen Versuchen, dies zu realisieren, liefen jedoch die Redoxreaktionen aufgrund der zu hohen Reaktivität der eingesetzten Ionischen Flüssigkeiten gegenüber empfindlichen Präkursoren wie den Zintl-Phasen sehr schnell und schwer kontrollierbar sowie vornehmlich heterogen ab, so dass vor allem amorphe Produkte erhalten wurden. Dieses Projekt hat einerseits das Ziel, inerte Ionische Flüssigkeiten zu entwickeln, die sich dazu eignen, intermetallische Phasen mit Zintl-Anionen bei niedriger Temperatur aufzulösen und damit möglich werdende systematische Untersuchungen kontrollierter homogener Redoxreaktionen zu neuen metastabilen intermetallischen Phasen durch gezielte Zugabe geeigneter Oxidationsmittel durchzuführen. Die Anwendbarkeit derartiger Redoxreaktionen auf salzartige Carbide soll ebenso untersucht werden. Dies verspricht Zugang zu neuen Carbiden oder sogar zu Kohlenstoffmodifikationen mit polymeren Strukturmotiven. Andererseits sollen topotaktische Redoxreaktionen geeigneter Präkursoren in gezielt hergestellten Ionischen Flüssigkeiten durchgeführt werden, deren Reaktivität und Lösungsvermögen für Produktspezies eine vollständige Umsetzung des Präkursors erlauben. Dies verspricht Zugang zu technisch interessanten, auf andere Weise jedoch schwierig erhältlichen Produkten wie graphen-analogen Siliciumschichten. Für die Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes werden sogenannte TAAILs (Tunable Alkyl-Aryl Ionic Liquids) gezielt hergestellt, deren Imidazolium-Kationen funktionalisierte Phenylsubstituenten zur Einstellung elektronischer Eigenschaften und somit der Reaktivität als Protonenquelle tragen. Die Alkyl-Seitenketten sollen anionische Gruppen oder Polyether-Reste besitzen, die eine Erhöhung der Löslichkeit von Salzen oder salzartigen Verbindungen durch Komplexierung von Kationen ermöglichen. Die protische Aktivität solcher Ionischen Flüssigkeiten wird weiterhin durch den selektiven Austausch von Wasserstoffen an den Kohlenstoffatomen des Imidazol-Kerns gegen inerte Aryl-Substituenten eingestellt.

MAX-Phasenkomposite: Eine neue Werkstoffklasse für hochtemperaturbelastete Bauteile

Teilvorhaben: effizientes Laden für PKW (Luftstrom-ELP), Teilvorhaben: Auslegungsmethodik luftgekühlter Ladegeräte

Das Teilprojekt des Instituts für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) beschäftigt sich mit der Untersuchung und dem Vergleich von luftgekühlten Ladegeräten für Elektrofahrzeuge. Bei der Auslegung von luftgekühlten leistungselektronischen Systemen gibt es komplexe Wechselbeziehungen zwischen den Systemkenngrößen: Leistung, Gewicht, Halbleitertechnologie, Kosten, Topologie und Geräuschemission. Eine umfassende analytische und simulationsbasierte Betrachtung macht die Abhängigkeiten sichtbar und führt zu einer Methodik, die eine optimale Auslegung der luftgekühlten Leistungselektronik im Betriebsbereich erlaubt. Diese grundlegende Methodik ist zusätzlich auch für andere Anwendungsgebiete außerhalb der Automobiltechnik von Nutzen. Es werden Ladeprofile für aktive und passive Luftkühlung untersucht und miteinander verglichen. In diesem Teilprojekt werden neuartige 'Wide-Band-Gap' (WBG)-Leistungshalbleiter aus Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) betrachtet. WBG-Leistungshalbleiter mit geeignetem Gehäuse erlauben den Betrieb bei erhöhter Sperrschichttemperatur. Nachteilig bei diesem Betrieb ist, dass mit zunehmender Sperrschichttemperatur auch die Durchlass- und Schaltverluste steigen. Denkbar ist ein langsamer Ladevorgang mit reduzierter Leistung und geräuschloser passiver Luftkühlung. Für schnelle Ladevorgänge wird ein Betrieb mit aktiver Luftkühlung bei höheren Verlusten betrachtet. Die Bearbeitung des Teilprojektes erfolgt in fünf Arbeitspaketen: Zunächst werden Schnittstellen und Spezifikationen mit den anderen Projektpartnern definiert. Im darauffolgenden Arbeitspaket geht es um Ladeprofile und Geräuschemissionen. Vergleich von Laden mit aktiver und passiver Luftkühlung. Das nächste Arbeitspaket beschäftigt sich mit Netzrückwirkungen und der Auslegung von geeigneten Filtersystemen. Anschließend werden in den letzten beiden Arbeitspaketen Wandlertopologien verglichen und eine geeignete Auslegungsmethodik entwickelt.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilvorhaben: Fraunhofer ISE

Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungs-/energiebatterie an das Verteilnetz. Für die Entwicklung werden Vorserienmuster von 3,3-kV-SiC-MOSFETs genutzt. Mit diesen Bauelementen sollen SiC-Leistungsmodule zu 150 - 300 A entwickelt werden. Erst die Entwicklung von niederinduktiven HV-SiC-Halbleitermodulen schafft die Grundlage für die Entwicklung von Mittelspannungsumrichtern hoher Leistung. In einem 3,3-kV-Netz ergeben sich hierbei Umrichterleistungen von 250 - 1.000 kVA. Über die Mittelspannungsebene wird der Hochleistungsspeicher eingebunden, der dann in das 110-kV-Netz gekoppelt wird. Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Weiter ermöglichen mehrere Hochleistungsspeicher im Verbund des 110-kV-Netzes den Wiederaufbau des Netzes und das Anfahren von Kraftwerken. Damit können Hochleistungsspeicher neben den klassischen Pumpspeicherseen eine weitere strategisch wichtige Säule zur Schwarzstartfähigkeit der Energieversorgung bilden. Durch die Verbundpartner dieses Vorhabens ist die gesamte wirtschaftliche Wertschöpfungskette vom Komponentenhersteller, Leistungselektronikhersteller, Systemintegrator und Netzbetreiber dargestellt. Die Forschungsaspekte zu Bauelementen, Leistungselektronik, System- und Regelungstechnik werden durch das Fraunhofer ISE flankiert. Semikron wird die Entwicklung der niederinduktiven HV-SiC-Halbleitermodule durchführen. Die Entwicklung der induktiven Leistungsbauelemente und die Durchführung damit verbundener Studien werden von STS übernommen.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilvorhaben: Optimierte Aufbau- und Verbindungstechnik für SiC-Leistungshalbleiter zur Anwendung in Mittelspannungsumrichtern

Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungsenergiebatterie an das Verteilnetz. Innerhalb des Vorhabens 'SiC-MSBat' werden neue leistungselektronische Konzepte basierend auf innovativen Halbleitertechnologien entwickelt, die die Systemkosten senken und damit eine schnellere, unkomplizierte und effiziente Integration von Speichern in Mittelspannungsnetze ermöglichen. Für die Entwicklung werden Vorserienmuster von 3,3 kV SiC MOSFETs und Dioden verwendet. Das Ziel im Teilvorhaben ist damit zuverlässige Leistungselektronikmodule zu konzipieren, die durch ihre Eigenschaften ein gutes Skalierungspotentialbieten. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf hohen Schaltfrequenzen die besondere Herausforderungen mit sich bringen. So muss das Layout der Modulschaltung zu niedrigen Induktivitäten hin optimiert werden, um Schaltverluste zu reduzieren und hohe Überspannungen zu vermeiden.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilprojekt: 'Hochstrom-Mittelspannungs-Drosseln für hohe Schaltfrequenzen'

Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Weiter ermöglichen mehrere Hochleistungsspeicher im Verbund des 110-kV-Netzes den Wiederaufbau des Netzes und das Anfahren von Kraftwerken. Damit können Hochleistungsspeicher neben den klassischen Pumpspeicherseen eine weitere strategisch wichtige Säule zur Schwarzstartfähigkeit der Energieversorgung bilden. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungsenergiebatterie an das Verteilnetz. Im Teilprojekt STS sollen Lösungen für induktive Leistungsbauelemente für solche Umrichter erarbeitet werden. Dabei bestehen heute substanzielle Defizite im Verständnis elementarer Zusammenhänge bei der Dimensionierung und dem Betrieb solcher Bauteile. Die Aufklärung entsprechender Wirkgefüge und deren Verallgemeinerung und Abbildung in mathematische Modelle ist daher wesentlicher Bestandteil des Teil-Projekts, bevor konkrete technische Entwicklungen erfolgen. Auch neue Kühlkonzepte sind zu erarbeiten. Begonnen wird mit konzeptionellen Aspekten, wie Verfügbarkeitsanalysen oder allgemeine Simulationen. Darauf aufbauend erfolgen detaillierte Parameteranalysen und die Entwicklung neuer mathematischer Modelle für induktive Bauelemente. Entsprechend des Arbeitsfortschritts bei der Modellbildung erfolgt die Entwicklung und Charakterisierung von Mittelspannungsdrosseln. Die Inbetriebnahme und der Test des Demonstrators werden durch Teilentladungsmessungen unterstützt. Aus den Testläufen werden zudem Erkenntnisse abgeleitet, die in eine kontinuierliche Verifizierung der Simulationsmodelle und eine Optimierung der Drosseln einfließen.

PV-Kraftwerk2025 - Innovationen für die nächste Generation PV-Kraftwerke: Neue Bauelemente, Systemlösungen und Wechselrichter für eine kostengünstige und netzdienliche Stromversorgung, Teilvorhaben: Entwicklung niederinduktiver Hochstrom-Leistungsmodule mit erhöhter Lebensdauer und Zuverlässigkeit

Das konkrete Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung voll funktionsfähiger, praxistauglicher, optimierter Systemlösungen für vollständige PV-Großkraftwerke, die alle vom jeweiligen Netz gestellten Anforderungen zuverlässig und vor allem auch kostengünstig erfüllen. Dies beinhaltet insbesondere angepasste Komponenten (insb. Wechselrichter), den Einsatz zusätzlicher Systembausteine (wie z.B. Energiespeichereinheiten), neuartige Steuerungs- und Regelungssysteme und Auslegungsverfahren sowie den wissenschaftlichen Nachweis der Funktionalität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit im Betrieb ebenso wie neuartige Halbleiter-Bauelemente auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) für eine neue Generation PV bezogener Leistungselektroniklösungen.

Toxikologische, physikalisch-chemische und gesellschaftliche Erforschung innovativer Materialien und Prozesse der Optoelektronik (TEMPO), Teilvorhaben: Stoffflussanalyse und Freisetzungen von Halbleiterstoffen über den gesamten Lebenszyklus

Deutsche Unternehmen der Opto- und Elektronikindustrie sind auf den Einsatz von Spezialwerkstoffen der Hochtechnologie angewiesen. Deutschland hat sich im Bereich der Opto- und Elektronikindustrie aufgrund aufwendiger, langjähriger Forschungsarbeit eine herausragende internationale Position erarbeitet. Es folgt darin auch den Ansprüchen der europäischen und deutschen Chemikaliengesetzgebung an Gesundheits- und Umweltschutz sowie Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit. In den letzten Jahren wurden Verfahren zur Bewertung, Einstufung und Kennzeichnung solcher nach Tonnage eher kleiner, technologisch aber hoch bedeutender Materialien (z.B. Galliumarsenid, Indiumphosphid) durch die Fachbehörden der Europäischen Union nach REACh/CLP durchgeführt. Diese Materialien sind die Funktionswerkstoffe in Leuchtdioden, Lasern in Medizin und Materialbearbeitung, Datennetzen, Mobilfunktechnik, Auto- und Flugzeugradar und konzentrierter Photovoltaik. Die Einstufungsverfahren bilden die Grundlage für mögliche nachfolgende Regulierungs- und Beschränkungsprozesse unter REACH und die Ausstrahlung in ca. 20 weitere Rechtsgebiete. Forschung und Industrie stimmen darin überein, dass die von den EU-Fachbehörden zur Umsetzung der CLP-Verordnung verwendete Informationsbasis für die Bewertung und Einstufung der Materialien in vielen Fällen unzureichend ist. So stehen beispielsweise Bewertungs- und Einstufungsergebnisse zum Schlüsselwerkstoff Galliumarsenid im Widerspruch zu übereinstimmenden Empfehlungen beteiligter Toxikologen wie auch aktuellen wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Die europäischen Ansprüche an nachhaltige Chemikaliennutzung, Gesundheits- und Umweltschutz als auch industrielle Wettbewerbsfähigkeit in Balance zu bringen, erfordert deshalb zwingend, weitere wissenschaftliche Grundlagen zu erarbeiten, die eine fachlich korrekte Bewertung und Einstufung der Materialien und Ihrer industriellen und gesellschaftlichen Anwendungspraxis ermöglichen. Das Ziel des vom Bundesforschungsministerium geförderten Verbundprojekts TEMPO (Toxikologische, physikalisch-chemische und gesellschaftliche Erforschung innovativer Materialien und Prozesse der Optoelektronik) besteht darin, diese wissenschaftliche Grundlage für die Stoffe Galliumnitrid, Galliumarsenid, Siliziumcarbid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und Galliumantimonid substanziell mit einem ganzheitlichen Ansatz zu vertiefen. Dazu wird vorhandenes (Material-)Wissen konzentriert, es werden Wissensdefizite identifiziert und durch experimentelle Untersuchungen, u.a. zu toxikologischen Schlüsselfragen wie Lungenwechselwirkungen und Bioverfügbarkeit, geschlossen. Der Projektschwerpunkt liegt darüber hinaus auch auf der Analyse der Expositionsrisiken und der vorhandenen Risikomanagementpraxis während des ganzen Lebenszyklus der betreffenden Stoffe von den Arbeitsplätzen bei der Herstellung bis hin zum Produktrecycling.

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