Das Projekt "MAX-Phasenkomposite: Eine neue Werkstoffklasse für hochtemperaturbelastete Bauteile" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-1: Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren durchgeführt. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von Gasturbinenbauteilen, die auf einer neuen Klasse von keramischen Verbundwerkstoffen (CMC) basieren, um die derzeit übliche Betriebstemperatur (kleiner als 1350 Grad Celsius) zu erhöhen. Turbinenschaufeln und Brennkammerauskleidungen sind im Fokus der Entwicklung, da sie den heißesten Temperaturen ausgesetzt sind. Durch die Erhöhung der Betriebstemperatur wird der Energieverbrauch gesenkt, was zu einem effizienteren und umweltschonenderen Prozess führt. Um diese Ziele zu erreichen, sollen neue Materialien genutzt werden, bei welchen Siliziumkarbidfasern (SiC) in eine MAX-Phasen Keramik eingebettet werden. Die Kombination der einzigartigen Eigenschaften von MAX-Phasen mit den hervorragenden mechanischen Eigenschaften von SiC-Kurzfasern führt zu Verbundwerkstoffen mit einer sehr hohen Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit sowie einem exzellenten mechanischen Ansprechverhalten und einfacher Verarbeitbarkeit. Der gesamte Entwicklungsprozess dieser neuen Werkstoffe bis hin zu Komponenten wird in diesem Projekt betrachtet: Synthese und Sintern der Verbundwerkstoffe bis zur Herstellung und Charakterisierung einsatzfähiger Bauteile. Dazu sind vier sequentielle Abschnitte geplant: i) Herstellung der Werkstoffe, ii) Charakterisierung der Eigenschaften bei hohen Temperaturen, iii) Herstellung von Komponenten mittels Net-Shape-Verfahren, und iv) das Testen der Bauteile unter realen Bedingungen. Die industrielle Verfügbarkeit der vorgeschlagenen Herstellungsverfahren erleichtert das Hochskalieren und die Einführung der genannten Bauteile in den Markt. Die Herstellung der MAX-Phasen, das Sintern der Werkstoffe, das Matrix-Faser-Interface und die Wechselwirkung der Verbundwerkstoffe mit der bei Hochtemperaturanwendungen benötigten Wärmedämmschicht werden im Rahmen dieses Projektes detailliert untersucht, um letztendlich das grundlegende Konzept eines neuartigen Verbundwerkstoffes für technisch umsetzbare Bauteile zu verwirklichen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Hochzuverlässige SiC basierte motorintegrierte Leistungselektronik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Robert Bosch GmbH durchgeführt. Die Robert Bosch GmbH wird im Rahmen des Projekts SiCmodul die Entwicklung hochtemperaturstabiler (bis 200°C) und hocheffizienter SiC Leistungsmodule unterstützen und den Fügeprozess für SiC Chips weiterentwickeln. Diese neue Modulaufbautechnologie für SiC wird mittels geeigneter Testvehikel hinsichtlich elektrischer Performance und Robustheit qualifiziert. Als finaler Demonstrator wird eine 800V Asynchronmaschine für die Elektronikintegration in das Maschinengehäuse modifiziert und auf dem Motorprüfstand getestet. Die entwickelte SiC Leistungsmodultechnologie wird parallel auf Modulebene elektrisch charakterisiert.
Das Projekt "Teilvorhaben: Neuartige niederinduktive 1200 V SiC-Powermodule mit Hochtemperatur-Treibern in Leiterplatten-Embeddingtechnik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Schweizer Electronic AG durchgeführt. Forschungsziele von SiCmodul sind Einsatz und Befähigung neuartiger Aufbau- und Verbindungstechnologien (AVT) zur Realisierung eines hochintegrierten, universellen Halbbrücken-Bausteins für leistungselektronische Anwendungen mit schnellschaltenden SiC-Halbleitern. Die Integration von Leistungsschaltern, Snubber-Kondensator und Treiberschaltung in einem Embedded-SiC-Modul ermöglicht einerseits durch Modularisierbarkeit den Einsatz in verschiedenen Applikationen und Leistungsklassen, andererseits die Nutzung der Vorteile von SiC-Halbleitern. Hierzu zählen der Einsatz in Hochtemperatur-Applikationen bei Temperaturen Tj bis 200 Grad Celsius, sowie die Maximierung der Leistungsdichte mittels schneller Schaltvorgänge durch eine Kommutierungsinduktivität kleiner als 4 nH. Der Hauptfokus von Schweizer liegt auf dem Kernstück des Projekts SiCmodul, welches das 1200 V SiC Embedding Leistungsmodul mit Halbbrücken-Funktionalität darstellt. Zu dessen Realisierung werden auf Leadframes gefügte Siliziumcarbid-Halbleiter in hochtemperatur-geeignete, organische Substrate durch Leiterplattenprozesse integriert/embedded und die Leadframes beidseitig galvanische in Mikro Via-Technologie kontaktiert. Zusätzlich sollen ebenfalls passive Bauelemente, Sicherheitssensorik und Gatetreiber in den Modulen integriert werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Modulare Hochtemperatur SiC Power Elektronik für ausfallsichere Leistungssteuerung der Antriebstechnik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration durchgeführt. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM arbeitet an vier Arbeitspaketen im Vorhaben. Der Schwerpunkt der Aktivitäten liegt in der Entwicklung eines niederinduktiven Aufbaus für Schaltzellen mittels Embedding zur effizienten Nutzung schnellschaltender SiC-Leistungshalbleiter, der Erforschung eines Verfahrens zur Erzeugung dicker Cu-Metallisierungen auf den Kontaktflächen vereinzelter Leistungshalbleiter, der Optimierung der Embedding-Technologie mittels Niedertemperatur- / Niederdruck-Ag-Sintern und galvanischer Oberseitenkontaktierung, der Entwicklung eines fertigungstauglichen Verfahrens im Vergleich zum Embedding mittels doppelseitiger Cu-Kontaktierung sowie einer Untersuchung des thermischen Verhaltens im Vergleich zu anderen Embedding-Verfahren und der Untersuchung sowie Optimierung einer modularen Verbindungstechnik zwischen den Komponenten von Leistungsmodulen mittels einer kombinierten Sinter- / Laminier-Technologie. Mit den Kenntnissen zu Methoden und Technologien in der Aufbau- und Verbindungstechnik von mikroelektronischen und mikrosystematischen Bauteilen unterstützt IZM die Verbundpartner bei ihren Arbeiten.
Das Projekt "Teilvorhaben: Innovative, verlustarme Sinusfilter" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Block Transformatoren-Elektronik GmbH durchgeführt. Ziel des Forschungsprojektes Ide3AL ist es, die Verluste im Antriebssystem gegenüber marktetablierten, geregelten Antriebssystemen um durchschnittlich 15% zu senken. Der Einsatz schnellschaltender, verlustarmer SiC-Leistungshalbleiter in Verbindung mit integrierter Filtertechnologie soll zu einer deutlichen Reduktion von Eigen- und Zusatzverlusten führen, die konventionelle Umrichter nach dem Stand der Technik verursachen. Im Teilvorhaben werden folgende Punkte bearbeitet: 1. Auslegung und Realisierung des Sinusfilters; 2. Kern- und Materialauswahl für Wickelgüter; 3. Fertigung der Wickelgüter.
Das Projekt "Teilvorhaben: Fraunhofer ISE" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilvorhaben: Optimierte Aufbau- und Verbindungstechnik für SiC-Leistungshalbleiter zur Anwendung in Mittelspannungsumrichtern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von SEMIKRON Elektronik GmbH & Co. KG durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilprojekt: 'Hochstrom-Mittelspannungs-Drosseln für hohe Schaltfrequenzen'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH & Co. KG durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilvorhaben: Herstellung von Solarzellen mit passivierendem Tunnelkontakt und funktionalen Schichten aus katalytischer und plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-5: Photovoltaik durchgeführt. Ziel des Teilprojekts ist die Herstellung von Solarzellen mit passivierendem Tunnelkontakt und funktionalen Schichten aus katalytischer (Cat-) und plasmaunterstützter (PE-) chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Dabei stehen die Entwicklung von industriell geeigneten Prozessen zur kostengünstigen Abscheidung sowie die Demonstration von passivierten Kontaktsolarzellen mit hohen Wirkungsgraden im Fokus. Die vorhandenen und gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der Herstellung von und des Verständnisses für Siliziumoxid und amorphem Silizium (a-Si:H), die für die Erzeugung passivierter Kontakte in Siliziumsolarzellen optimiert sind, sollen in die Prozess- und Anlagenentwicklung im Verbund einfließen. Des Weiteren wird eine beidseitig kontaktierte Demonstratorsolarzelle mit einer transparenten Vorderseite basierend auf einem Tunneloxid/Siliziumkarbid Schichtstapel gefertigt.
Das Projekt "Teilvorhaben: Entwicklung niederinduktiver Hochstrom-Leistungsmodule mit erhöhter Lebensdauer und Zuverlässigkeit" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Danfoss Silicon Power GmbH durchgeführt. 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.
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