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Skalierung von Perowskit-Schichtabscheidung für langzeitstabile große Tandem-Solarzellen, Teilprojekt: Inkjet-Abscheidung

Das Projektvorhaben 'SaPerloT' soll drei aussichtsreiche Verfahren für die industrielle Abscheidung von Perowskitschichten auf Silicium-Unterzellen für Silicium-Perowskit Tandemsolarzellen auf ein vorindustrielles Niveau entwickeln. Das Potential von Silicium-Perowskit Tandemsolarzellen konnte jüngst vom Fraunhofer ISE erneut eindrücklich unter Beweis gestellt werden. So wurde gemeinsam mit Oxford PV ein PV-Modul mit einem Wirkungsgrad von 25 % und einer Leistung von 421 Watt demonstriert. In SaPerloT wird für die Applikation des Perowskit-Absorbers ein kombinierter Abscheideansatz bestehend aus Aufdampfen und nasschemischer Aufbringung verfolgt ('Hybridansatz') erarbeitet. In diesem Teilprojekt erfolgt die Abscheidung ausschließlich mit Inkjet, an Stelle von Sprühen und Schlitzdüse. Die Vorteile von Inkjet sind die gerichtete Abscheidung von Dünnfilmen auf jeglicher Drucksubstratform (auch auf pseudoquadratischen PV-Silciumsubstraten) bei höchster Ressourceneffizienz. So wie der industrielle Reifegrad des Verfahrens in der Silicium-Photovoltaik. So wurde das Verfahren bereits erfolgreich für die Integration von selektiven Emittern eingesetzt

Primärenergieverbrauch

<p>Der Primärenergieverbrauch ist seit Beginn der 1990er Jahre rückläufig. Bis auf Erdgas ist der Einsatz aller konventionellen Primärenergieträger seither zurückgegangen. Dagegen hat die Nutzung erneuerbarer Energien zugenommen. Ihr Anteil ist kontinuierlich angestiegen, besonders seit dem Jahr 2000.</p><p>Definition und Einflussfaktoren</p><p>Der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>⁠ (PEV) bezeichnet den Energiegehalt aller im Inland eingesetzten Energieträger. Der Begriff umfasst sogenannte Primärenergieträger, wie zum Beispiel Braun- und Steinkohle, Mineralöl oder Erdgas, die entweder direkt genutzt oder in sogenannte Sekundärenergieträger, wie zum Beispiel Kohlebriketts, Benzin und Diesel, Strom oder Fernwärme, umgewandelt werden. Berechnet wird er als Summe aller im Inland gewonnenen Energieträger zuzüglich des Saldos der importierten und exportierten Mengen sowie der Lagerbestandsveränderungen abzüglich der auf Hochsee gebunkerten Vorräte.</p><p>Statistisch wird der Primärenergieverbrauch über das Wirkungsgradprinzip ermittelt. Dabei werden die Einsatzmengen der in Feuerungsanlagen verbrannten Energieträger mit ihrem Heizwert multipliziert. Für Strom aus Wind, Wasserkraft oder Photovoltaik wird dabei ein Wirkungsgrad von 100 %, für die Geothermie von 10 % und für die Kernenergie von 33 % angenommen. Im Ergebnis wird durch diese internationale Festlegung für die erneuerbaren Energien ein erheblich niedrigerer PEV errechnet als für fossil-nukleare Brennstoffe. Dies hat in Zeiten der Energiewende methodenbedingte Verzerrungen bei der Trendbetrachtung zur Folge: Der Primärenergieverbrauch sinkt bei fortschreitender Substitution von fossil-nuklearen Brennstoffen durch erneuerbare Energien, selbst wenn die gleiche Menge an Strom zur Nutzung bereitgestellt wird. Dieser rein statistische Effekt überzeichnet den tatsächlichen Verbrauchsrückgang, wie die Entwicklung des <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/umweltindikatoren/indikator-erneuerbare-energien">Bruttoendenergieverbrauchs</a> zeigt, welcher von diesem statistischen Effekt unbeeinflusst ist.</p><p>Der Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Primärenergieverbrauch steigt aufgrund des Wirkungsgradprinzips dagegen unterproportional (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch“). Es wird –bedingt durch oben beschriebene Festlegungen – ein langsamerer Anstieg des Erneuerbaren-Anteils am PEV verzeichnet. Dies kann einen geringeren Ausbaueffekt suggerieren. Diese Effekte werden umso größer, je mehr Stromproduktion aus beispielsweise Kohlekraftwerken durch erneuerbare Energien und/oder Stromimporte (ebenfalls mit Wirkungsgrad von 100 % bewertet) ersetzt werden, weil immer weniger Umwandlungsverluste in die Primärenergiebilanzierung einfließen.</p><p>Der Primärenergieverbrauch wird in erheblichem Maße durch die wirtschaftliche Konjunktur und Struktur, Energieträgerpreise und technische Entwicklungen beeinflusst. Auch die Witterungsverhältnisse und damit verbunden der Bedarf an Raumwärme spielen eine wichtige Rolle.</p><p>Entwicklung und Ziele</p><p>Der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>⁠ in Deutschland ist seit Beginn der 1990er Jahre rückläufig (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch“). Das ergibt sich zum einen aus methodischen Gründen beim Umstieg auf erneuerbare Energien (siehe Abschnitt „Primärenergieverbrauch erklärt“). Zum anderen konnten aber auch ein wirtschaftlicher Strukturwandel sowie Effizienzsteigerungen beobachtet werden – letztere zum Beispiel durch bessere Ausnutzung der in Energieträgern gespeicherten Energie (Brennstoffnutzungsgrad) in <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/kraftwerke-konventionelle-erneuerbare">Kraftwerken</a>, Motoren oder Heizkesseln.</p><p>Im 2023 in Kraft getretenen Energieeffizienzgesetz (EnEfG) hat der Gesetzgeber festgelegt, dass der Primärenergieverbrauch bis zum Jahr 2030 um 39,3 % unter dem Wert des Jahres 2008 liegen soll. In den „<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-in-deutschland/szenarien-projektionen/treibhausgas-projektionen/aktuelle-treibhausgas-projektionen">Treibhausgas-Projektionen 2025</a>“ wurde auf der Basis von Szenarioanalysen untersucht, ob Deutschland seine Klimaziele im Jahr 2030 erreichen kann. Wichtig ist dabei auch die Frage nach der zu erwartenden Entwicklung des Primärenergieverbrauchs. Das Ergebnis der Untersuchung: Wenn alle von der Regierungskoalition geplanten Maßnahmen umgesetzt werden, ist im Jahr 2030 mit einem PEV von etwa 9.800 Petajoule (PJ) zu rechnen (Mit-Maßnahmen-⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/s?tag=Szenario#alphabar">Szenario</a>⁠). Das wäre gegenüber dem Jahr 2008 ein Rückgang von lediglich etwa 32 %. Weitere Maßnahmen zur Senkung des PEV sind also erforderlich, um die Ziele des EnEfG zu erreichen.</p><p>Primärenergieverbrauch nach Energieträgern</p><p>Seit 1990 hat sich der Energieträgermix stark verändert. Der Verbrauch von ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a>⁠ auf Basis von Braunkohle lag im Jahr 2024 um 75 %, der von Steinkohle um etwa 67 % unter dem des Jahres 1990. Der Energieverbrauch auf Basis von Erdgas stieg an: Noch im Jahr 2021 lag das Plus gegenüber dem Jahr 1990 bei 44 %. In der Folge des Krieges in der Ukraine und den daraus erwachsenden Versorgungsengpässen und der wirtschaftlichen Rezession sank der Gasverbrauch in den Jahren 2022 und 2023 gegenüber dem Jahr 2021 jedoch deutlich. Im Jahr 2024 war erneut ein Anstieg zu verzeichnen: Der Energieverbrauch für Erdgas lag 19 % über dem des Jahres 1990. Der Einsatz erneuerbarer Energieträger hat sich seit 1990 mehr als verzehnfacht (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch nach Energieträgern“).</p>

Technologielösungen für hocheffiziente zero-emission H2-Motoren für KWK-Anwendungen, Teilvorhaben: Simulative und experimentelle Analyse und Optimierung von Gemischbildung und Verbrennung

Im Vergleich zu erdgasbetriebenen Aggregaten können mit baugleichen Wasserstoffmotoren bisher nur geringere spezifische Leistungen erbracht werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Systems verringert, sodass die Technologie noch nicht als wirtschaftliche Alternative zu Erdgassystemen in Frage kommt. Im vorliegenden Teilvorhaben soll eine Erhöhung der spezifischen Leistung mittels aufwendiger messtechnischer sowie simulativer Methoden erreicht werden. Auf Basis der optischen Analyse von Gemischbildung und Verbrennung im aktuellen Entwicklungsstand des H2-BHKW von 2G soll durch numerische Strömungssimulation (CFD, computational fluid dynamics) ein optimiertes Brennraumdesign sowie eine optimierte Form der Brenngaseinbringung gefunden und am Prüfstand umgesetzt und validiert werden. Bei erfolgreicher Leistungs- und Effizienzerhöhung können die gewonnenen Erkenntnisse durch 2G in den nächsten Modellgenerationen übernommen und somit wirtschaftlich verwertet werden.

Statistik der öffentlichen Wasserversorgung und der öffentlichen Abwasserbeseitigung

1.Wasserversorgung: Gewinnung und Bezug von Grundwasser, Quellwasser und Oberflächenwasser, getrennt nach Gewinnungsanlagen. Abgabe von Wasser nach Menge und Zahl der versorgten Einwohner. 2.Abwasserbeseitigung: Menge und Herkunft des Abwassers; Art und Wirkungsgrad der Abwasserbehandlung; an Kanalisation und Kläranlagen angeschlossene/nicht angeschl. Einwohner; Schädlichkeit des Abwassers; Sammlung und Ableitung des Abwassers über die öffentliche Kanalisation; Menge, Behandlung, Verwendung und Beseitigung des Klärschlamms.

Hocheffiziente und CO2 neutrale Heißgaserzeugung mittels induktiver Suszeptorerwärmung für industrielle Anwendungen, Teilvorhaben: Entwicklung eines Induktionserwärmungssystems

Ziel des Verbundvorhabens ist es, die Energiewende voranzutreiben und Industrieunternehmen die Möglichkeit zu bieten, Prozesswärme ohne fossile Brennstoffe weltweit wettbewerbsfähig herzustellen. Hierzu wird ein Heißgaserzeuger entwickelt, der nahezu verlustfrei Heißgas mittels eines durch Induktion erwärmten Suszeptors erzeugt, der von Umgebungsluft oder Prozessgasen durchströmt wird. Durch die Nutzung erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung für die Induktionserwärmung kann der Heißgaserzeuger vollständig CO2-neutral betrieben werden. Es soll ein funktionsfähiger Demonstrator entwickelt werden. Ein mediendurchlässiger Suszeptor wird von einer Induktionsspule homogen durchwärmt. Die im Suszeptor erzeugte Temperatur wird auf das durchdringende Medium, idealerweise Umgebungsluft oder Prozessgas, übertragen, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Die Induktionsspule kann außerhalb des Suszeptors angeordnet werden, was eine optimale Strömung des zu erwärmenden Mediums ermöglicht. Der angesaugte Luftstrom kühlt die Induktionsspule und wird vorgewärmt, was die Energieeffizienz des Gesamtsystems erhöht. Induktionsspulen werden meist aus Kupferrohren gefertigt und mit Kühlwasser durchflossen, um Überhitzung zu verhindern. Im geplanten System soll die Kühlenergie zur Vorwärmung der Gase genutzt werden, was den Wirkungsgrad erheblich steigert. Für Temperaturen kleiner oder größer 1200°C werden unterschiedliche Ansätze gewählt. Das Konzept bleibt dabei unverändert, jedoch wird das Material für Suszeptor, Gehäuse und Gasführung an die jeweiligen Temperaturen angepasst. Unter 1.200°C können metallische Werkstoffe verwendet werden; bei höheren Temperaturen müssen keramische Werkstoffe eingesetzt werden. Zusammengefasst zielt das Projekt darauf ab, eine effiziente und CO2-neutrale Methode zur industriellen Prozesswärmeerzeugung zu entwickeln, die den Anforderungen verschiedener Temperatur- und Leistungsklassen gerecht wird und den Einsatz erneuerbarer Energien fördert.

Radialverdichter mit betriebsbereichserweiterndem Casing Treatment für effiziente wasserstoffbasierte Power-to-X-Technologien

Wasserstoff nimmt in der zukünftigen Energieversorgung einen wichtigen Stellenwert ein. Zur Verdichtung und Verflüssigung von Wasserstoff und anderen Energieträgern werden häufig Radialverdichter als Anlagenkomponente eingesetzt. Diese sind aufgrund ihrer hohen Stufendruckverhältnisse, ihrer Robustheit, ihrer niedrigen Investitionskosten sowie der guten Regelbarkeit besonders geeignet. Eine Erweiterung ihres stabilen Betriebsbereiches ist aufgrund der fluktuierenden Überschüsse der erneuerbaren Energien durch den zusätzlichen Einsatz eines Casing Treatments (CT) wünschenswert. Im Rahmen dieses Vorhabens wird ein CT für eine industrielle Radialverdichterstufe mit Vorleitrad (VIGV) ausgelegt und in den bestehenden Prüfstand integriert. Aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen dem Laufrad und dem CT muss der Aspekt der Instationarität bereits in der Auslegung berücksichtigt werden, um ein effektives Design zu entwickeln. Aus diesem Grund wird die Auslegung bzw. Optimierung erstmalig mit Hilfe eines Frequenzbereichsverfahrens durchgeführt werden. Die Verwendung effizienter Simulationsverfahren ermöglicht es, komplexe instationäre Problemstellungen auch mit hoher Anzahl an freien Parametern mit vertretbaren Ressourcenaufwand zu lösen. Die experimentellen Messkampagnen untersuchen erstmalig, in welchem Maße bei verschiedenen Drehzahlen die Kennfeldbreite des Radialverdichters mithilfe der Kombination aus CT und VIGV erweitert wird. Es soll geklärt werden, inwiefern der Vordrall des VIGVs die Wirksamkeit des CTs beziehungsweise die Stabilität der Stufe beeinflusst. Von besonderem Interesse sind der Entstehungsort und der Mechanismus der Strömungsphänomene, die zur Stabilitätsminderung führen. Zuletzt wird der Einfluss des CTs auf den Wirkungsgrad des Radialverdichters untersucht. Die gleichzeitig durchgeführten instationären Strömungssimulationen vervollständigen das physikalische Verständnis der geplanten Messkampagne.

Verschaltung von Zellen mit ECA und Bleieinfang und Stabilität der Rückwärtsspannung von Perowskit-Solarzellen und Perowskit-Si-Tandemsolarzellen (Stabile und leistungsstarke Perowskit/Silizium-Tandemsolarmodule hergestellt in Deutschland), Teilvorhaben: Erforschung industrienaher Prozesse der PVSK/Si Tandemzelle

Solarmodule mit Tandemsolarzellen werden als die nächste Generation von Solarmodulen gesehen, mit denen deutlich höhere Wirkungsgrade als mit heutigen Solarmodulen erreicht werden können. Diese Technologie wird zudem für den Wiedereinstieg Deutschlands in die Herstellung von Solarmodulen entscheidend sein. Große Chancen werden dabei Modulen aus sogenannten monolithischen Perowskit-Silizium Tandem-Solarzellen zugeschrieben, da diese dem jetzigen Standardprodukt im Aufbau sehr ähnlich sind und das Zellkonzept auf der heutigen Silizium Zelltechnologie aufbaut. Voraussetzung für ihren Erfolg wird aber eine vergleichbare Lebensdauer sein. Im Teilvorhaben von Oxford PV geht es um das Herzstück solcher Module nämlich den Perowskit/Silizium Tandemzellen. Diese befinden sich noch in einem vorkommerziellen Stadium bzw. Technology Readiness Level im Gegensatz zu den sonstigen Technologien, die im Verbund erforscht werden. Somit trägt Oxford PV das größte Risiko der Partner. Auf Grund der noch sehr dynamischen Entwicklungen im Feld der Perowskit-Solarzellen sind Änderungen an mehreren Prozessschritten geplant, konkret bei der Metallisierung, welche mit der Verbindungstechnologie von den Modul-Partnern abgestimmt werden muss, bei den Kontaktschichten sowie bei der Absorberschicht.

Drohnengestütztes LiDAR-System zur Messung von Partikelstreuung in Solarkraftwerken, Teilvorhaben: Methodenentwicklung und Übertragung auf LiDAR-Technologie

Klimaschutzmodellregion Sauerland, Teilvorhaben: Entwicklung eines Mikrowellenplasmalyse-Demonstrators zur Wasserstoffherstellung

Kondensationskraftmaschine zur Nutzung von Niedertemperaturabwärme im Bereich 80 - 150 °C, Teilvorhaben: Mechanikentwicklung und Erprobung

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