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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.

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.

Teilprojekt C, Teilprojekt B

Ziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung eines chemisch-biotechnischen Verfahrens zur Herstellung von Phenol aus Biogas. In einem ersten Schritt sollen aus Biogas chemokatalytisch Benzol und die Nebenprodukte Ethen und Naphthalin hergestellt werden. In einem zweiten biotechnologischen Schritt sollen Benzol in Phenol sowie die Nebenprodukte in die Wertstoffe Ethylenoxid und Naphthol umgesetzt werden. Die Ziele des Teilprojekts sind: i) Aufbau einer Testanlage, ii) Einsatzfähige Single-Site Katalysatoren sowie iii) Produktion von Phenol, Naphthol und Ethylenoxid aus Biogas durch Kopplung von Chemo- und Biokatalyse. Für letzteres Ziel optimiert LIKAT drei Klassen von Katalysatoren auf maximale Selektivität für Benzol bei höchstmöglichem Umsatz von Biogas bzw. Methan. MLU stellt eine lösliche Methanmonooxygenase zur Verfügung und screent nach weiteren Benzol und Naphthalin oxidierenden Enzymen, welche rekombinant gewonnen werden sollen. IGB ist zuständig für das Screening nach weiteren Ethen oxidierenden Enzymen, die Untersuchung und Optimierung der Ganzzellkatalyse durch methanotrophe Mikroorganismen, sowie Aufbau und Betrieb einer Versuchsanlage zur Herstellung aller Endprodukte. Danach sollen die in den Teilprojekten erreichten Ergebnisse in der Versuchsanlage durch Kopplung der Chemo- und Biokatalyse vereinigt werden. Die Arbeitsplanung von LIKAT umfasst im Einzelnen folgende Arbeitspakete: 1) Aufbau des Teststandes für die Methanaromatisierung; 2) Synthese geeigneter Single-Site-Katalysatoren, wie Fe, Mo und vergleichbare, auf Trägermaterialien, wie SiO2, SiC, Kohlenstoffallotrope, Zeolithe; 3) Katalysatorcharakterisierung (XRD, BET, TG/DSC, XPS, UV-vis, IR/Raman, Chemisorption, TEM, XANES/EXAFS); 4) Katalysatortests im breiten Parameterraum 5) Optimierung von Katalysatorsynthese und Austestung sowie 6) Chemo- und Biokatalytische Kopplung.

Enkrist: Energieeinsparung bei der Herstellung von besseren Karbid- und Nitrid-Halbleiterkristallen

Neue und verbesserte einkristalline Materialien für Leistungsbauelemente und Leuchtdioden bieten ein enormes Potential der Energieeinsparung. Um dies zu realisieren, ist es erforderlich, die Herstellung der WBG-Kristalle kostengünstiger zu machen. Für die Herstellung der WBG-Kristalle sind hohe Temperaturen und lange Prozesszeiten nötig. Die Reduktion des Energieverbrauchs je verwertbarem WBG Substrat ist ein wesentlicher Hebel für die Kostenreduktion. Verschiedene Materialdefekte (Kristallfehler) sowie weitere verfahrensbedingte Ursachen limitieren die Ausbeute an verwertbarem Kristallmaterial und begrenzen insbesondere verwertbare Kristalldurchmesser und -längen. Als Gesamtziel des Vorhabens soll ein besseres Verhältnis zwischen eingesetzter Energiemenge je Prozess und der Ausbeute an verwertbarem und qualitativ hochwertigem Kristallmaterial hergestellt werden. Dies bedeutet die Herstellung von längeren WBG-Kristallen, bzw. Kristallen mit größerem Durchmesser oder parallel mehr WBG-Kristallen pro Prozess. Gleichzeitig, im Falle des GaN, müssen für die Herstellung alternative Keimsubstrate entwickelt und eingesetzt werden, um diese Ziele zu erreichen. Für die beiden WBG-Materialien werden technologische Wege erarbeitet, die nutzbare Kristallausbeute zu erhöhen, möglichst lange Kristalle herzustellen, den Kristalldurchmesser zu vergrößern oder für GaN einen Mehrfach-Prozess zu entwickeln sowie die Keimherstellung zu verbessern. Die Projektleitung des Gesamtprojekts obliegt dem IISB. Der Arbeitsplan ist in drei Arbeitspakete eingeteilt: AP1 Galliumnitrid AP2 Siliziumkarbid AP3 Charakterisierung Es sind in AP1, 2 je 4 Meilensteine unterlegt. Die ausführliche Darstellung findet sich in der Vorhabensbeschreibung.

TIBET: Hochtransparente, leitfähige und passivierende Elektroden für hocheffiziente Solarzellen, Teilvorhaben: Entwicklung amorpher und mikrokristalliner Halbleiter mittels VHF PECVD und Vergleich mit Hot-Wire CVD

In diesem Verbundprojekt sollen neuartige Elektrodenmaterialien entwickelt werden, die sich durch drei wesentliche Materialeigenschaften auszeichnen: Hohe Passivierwirkung, sehr gute optische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit. Es werden Elektroden entwickelt, die auf dielektrischen Schichten basieren und mit der PERC Anlagentechnik und Prozessführung kompatibel sind. Weiterhin werden Elektroden mit verbesserter Transparenz und besserer passivierender Wirkung für a Si:H/c Si Heterokontaktsolarzellen angestrebt. Für TUD: Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung amorpher und mikrokristalliner Halbleiter mittels VHF PECVD und Vergleich mit Hot-Wire CVD. Es werden drei wissenschaftliche Ansätze verfolgt. Zum einen sollen heutige dielektrische Passivierungsschichten durch Dotierung und Einführung von Laminatstrukturen weiterentwickelt werden. Im zweite Ansatz werden amorphe und mikrokristallinen Halbleitern mit hohen Bandlücken (a SiOx, a SiC und Mikro c SiOx) entwickelt. Um die Passivierungswirkung dieser Materialien weiter zu erhöhen, werden im dritten Ansatz neue Abscheideverfahren mit extrem geringer Grenzflächenschädigung für Heterokontakt-Solarzellen entwickelt. Für die drei Ansätze werden zunächst die neue Prozessanlagentechnik und die entsprechenden Prozesse entwickelt. Danach findet die Materialentwicklung und abschließende die Demonstration und Verifikation in funktionierenden Solarzellen statt.

TIBET: Hochtransparente, leitfähige und passivierende Elektroden für hocheffiziente Solarzellen, Teilvorhaben: 'Entwicklung und Verifikation dielektrischer Nanolaminate'

In diesem Verbundprojekt sollen neuartige Elektrodenmaterialien entwickelt werden, die sich durch drei wesentliche Materialeigenschaften auszeichnen: Hohe Passivierwirkung, sehr gute optische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit. Es werden Elektroden entwickelt, die auf dielektrischen Schichten basieren und mit der PERC Anlagentechnik und Prozessführung kompatibel sind. Weiterhin werden Elektroden mit verbesserter Transparenz und besserer passivierender Wirkung für a Si:H/c Si Heterokontaktsolarzellen angestrebt. Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung der benötigten Nanolaminate und deren Verifikation. Es werden drei wissenschaftliche Ansätze verfolgt. Zum einen sollen heutige dielektrische Passivierungsschichten durch Dotierung und Einführung von Laminatstrukturen weiterentwickelt werden. Im zweite Ansatz werden amorphe und mikrokristallinen Halbleitern mit hohen Bandlücken (a SiOx, a SiC und Mikro c SiOx) entwickelt. Um die Passivierungswirkung dieser Materialien weiter zu erhöhen, werden im dritten Ansatz neue Abscheideverfahren mit extrem geringer Grenzflächenschädigung für Heterokontakt-Solarzellen entwickelt. Für die drei Ansätze werden zunächst die neue Prozessanlagentechnik und die entsprechenden Prozesse entwickelt. Danach findet die Materialentwicklung und abschließende die Demonstration und Verifikation in funktionierenden Solarzellen statt.

Anti-adhesion surfaces for high temperature applications

Corrosion, erosion, sticking, and caking are widespread problems in power plants, caused by aggressive flue ashes with corrosive components such as sulfur, chlorine, and alkali-based low-melting salts. Furthermore, the use/co-firing of a diversity of biomass or alternative fuels with lower quality enhance the problems arising from adhesion (caking, sticking) and the corrosion and erosion issues. As a result, the efficiency of the power plant decreases (lower heat transfer) and periodically service maintenance shutdowns have to be planned in order to clean the facilities and to change damaged parts, generating costs from 100,000 to €1 Million/day. The innovative concept proposed in this research project combines thermally sprayed coatings functionalized with a sol-gel layer providing low wettability/sticking. FeCrAl alloy-based thermally sprayed coatings including targeted hard materials, such as Cr-carbides, will provide a suitable corrosion and erosion protection. The thin sol-gel layer, in combination with the thermally sprayed coatings, will reduce the sticking ability of aggressive liquid phases or solid flue ash particles. The project is a collaboration between DECHEMA-Forschungsinstitut (Germany), Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT (Germany), and MateriaNOVA (Belgium).

Smart PVI-Box (Smart Photovoltaikinverter-Box), Teilvorhaben: Weiterentwicklung eines Lötstopplackes für Hochtemperaturanwendungen größer als 200 Grad C

Im Rahmen des Verbundvorhabens werden innovative Aufbau- und Verbindungskonzepte auf Basis von neuen, organischen Hochtemperatur-Leiterplatten-Substraten entwickelt. Mit innovativen Schaltungstopologien, neuen Bauelementen (Siliziumkarbid(SiC)- beziehungsweise Galliumnitrid(GaN)-Leistungshalbleiter) und deren Integration in die Leiterplatte sowie entsprechenden Entwärmungskonzepten werden hocheffiziente, materialsparende, kompaktere und damit kostengünstigere leistungselektronische Systeme entwickelt. Die Validierung der Systemauslegung und der hochtemperaturbeständigen Materialien werden anhand eines Demonstrators für einen Photovoltaikwechselrichter gezeigt.

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