Die Umweltstation ist als Nullenergiehaus konzipiert, was durch eine innovative Eisspeicherheizung beheizt und gekühlt wird. Zum Beheizen des Gebäudes kommt eine Wärmepumpe zum Einsatz, die als Kältesenke einen Wasser-/Eisspeicher nutzt. Bei milderem Klima wird der Eisspeicher mit Umweltwärme wieder aufgetaut oder die Kälte zum Kühlen des Gebäudes genutzt. Diese noch neue Technik wird durch ein vom ZAE Bayern maßgeschneidertes Monitoring-System überwacht und derzeit im Betrieb optimiert. Teilaspekte des Monitorings werden ab November als Visualisierung in der Umweltstation diese Technologie veranschaulichen.

Weiterhin wurde in der Umweltstation erstmalig in Bayern Recyclingbeton verbaut. Anstatt auf Bauschuttdeponien zu lagern wird hier das Abbruchmaterial abgerissener Gebäude wiederverwendet. Vom ZAE Bayern wurde dazu eine Lebenszyklusanalyse der Umweltstation durchgeführt um aufzuzeigen, wie hoch die Umweltbelastung in den unterschiedlichen Lebensphasen Bau, Betrieb und Rückbau ist und wie man durch umweltgerechte Materialien und intelligente Energiekonzepte die Belastung möglichst gering hält.

Fotonachweis: Michael Lauricella

Die Integration eines PCM-Latentwärmespeichers in ein elektrisch betriebenes Kühlsystem sollte sowohl dessen Effizienz bei der Entladung des Speichers als auch die Anpassungsfähigkeit an volatile Stromquellen verbessern. Das System sollte netzdienlicher werden, indem der Speicher Spitzen in der Netzeinspeisung reduzierte. Da das Speichermaterial über einen Wärmetauscher in direktem Kontakt mit dem Kältemittelkreislauf stand, wurde die Effizienz des Kühlsystems dabei nicht verringert.

Verschiedene Regelungsstrategien wurden erprobt und bewertet, ein detaillierter Vergleich mit dem Betrieb des Systems ohne Speicher durchgeführt. Außerdem erlaubte ein eigens entwickeltes Messgerät die Überwachung des Ladezustands anhand des Dichteunterschieds zwischen geschmolzenem und festem Speichermaterial.

Das Ergebnis: Im Vergleich zum Betrieb ohne Speicher waren – je nach Höhe der Kühllast – Leistungssteigerungen zwischen 9 und 28 Prozent möglich. Der Eigenverbrauch an PV-Strom erhöhte sich um 5 bis 8 Prozent. Das konnte die Jury überzeugen.

Dies ist der höchste, jemals für ein organisches Photovoltaikmodul gemeldete Wert. Er wurde durch eine zertifizierte kalibrierte Messung unter Standardprüfbedingungen im unabhängigen Zertifizierungslabor des Fraunhofer ISE (Freiburg) im September 2019 bestätigt. Das mehrzellige Modul entstand in der Solarfabrik der Zukunft am Energie Campus Nürnberg (EnCN) in einem Beschichtungslabor mit einer einzigartigen Megawatt-Pilotlinie für Dünnschicht-Photovoltaik, die mit finanzieller Unterstützung des Bayerischen Wirtschaftsministeriums konzipiert und realisiert wurde.

„Dieser Durchbruch zeigt, dass Bayern nicht nur im Ausbau der Photovoltaik führend ist, sondern auch bei der Entwicklung der Zukunftstechnologien eine Spitzenposition einnimmt“, betont Staatsminister Hubert Aiwanger, Bayerischer Staatsminister für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie.

Organische Solarzellen bestehen zumeist aus zwei verschiedenen organischen Komponenten, die die erforderlichen Halbleitereigenschaften mit sich bringen. Im Unterschied zum herkömmlich verwendeten Silizium, das energieintensiv aus der Schmelze gezogen wird, können organische Halbleiter aus einer Lösung heraus direkt auf eine Trägerfolie oder einen Glasträger aufgebracht werden.

Zum einen verringert das die Herstellungskosten, zum anderen ermöglicht die Verwendung biegsamer, leichter Materialien neue Anwendungen, etwa in mobilen Geräten oder Kleidung, auch wenn die Effizienz noch nicht mit der klassischer Siliziumsolarzellen vergleichbar ist.

„Dieser Meilenstein in der Forschung an organischen Halbleitern zeigt, dass die jüngsten Leistungsentwicklungen mit zertifizierten Zellwirkungsgraden von über 16 Prozent nicht auf den Labormaßstab beschränkt sind, sondern bereits bis auf Modul- und Prototypenebene skaliert werden können“, erklärt Prof. Christoph Brabec von der FAU, Direktor am HI ERN und wissenschaftlicher Leiter der Solarfabrik der Zukunft, einer Forschungsgruppe des ZAE Bayern.

Konstruktionsbedingt liegt die Effizienz kompletter Photovoltaikmodule immer etwas niedriger als die der einzelnen Zelle. Ein Teil der Modulfläche ist zum Beispiel immer inaktiv, da dieser Bereich zur Verschaltung der Einzelzellen verwendet wird. Mit zunehmender Fläche des Moduls wachsen auch die Verluste durch den elektrischen Widerstand der Elektroden.

Das Rekordmodul besteht aus zwölf in Reihe geschalteten Zellen und verfügt über einen geometrischen Füllfaktor von über 95 Prozent. Dieser Anteil der Modulfläche trägt aktiv zur Stromerzeugung bei. Bezogen auf die aktive Fläche erzielt es sogar einen Wirkungsgrad von 13,2 Prozent. Die Minimierung inaktiver Flächen gelang mittels hochauflösender Laserstrukturierung, wie sie in den letzten Jahren in der „Solarfabrik der Zukunft“ entwickelt und optimiert wurde.

Das Technical Collaboration Programme der International Energy Agency unterstützt 38 unabhängige, internationale Expertengruppen in ihrer Arbeit. Diese ermöglichen Regierungen und Industrien weltweit, ein breites Spektrum an Programmen und Projekten zu Energietechnologien und verwandten Themen zu verfolgen.

Das TCP zum Thema Energiespeicher (ES TCP) verfolgt das Ziel, die Erforschung, Entwicklung, Umsetzung und Integration von Energiespeichertechnologien zu erleichtern. Speichertechnologien sind ein zentraler Bestandteil energieeffizienter und nachhaltiger Energiesysteme. Mit ihrer Hilfe kann eine Effizienzoptimierung erreicht und so eine zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien ermöglicht werden.

Da Energiespeicherung ein Querschnittsthema ist, das Expertenwissen aus vielen Fachbereichen heranzieht, fördert das ES TCP den Gewinn übergreifender Erkenntnisse, die Ausnutzung von Synergien und die interdisziplinäre Koordination von Arbeitsplänen und Forschungszielen. So kann mit gemeinsamer Anstrengung das Ziel einer erneuerten Energieversorgung verfolgt werden.

Weitere Informationen finden Sie unter: www.iea-eces.org

An Stand A3.360 informieren wir über unsere aktuellen Forschungstätigkeiten in den Bereichen PV, PV-T, Building Integrated Photovoltaics (BIPV), OPV, Wärme- und Energiespeicherung, Energieoptimierte Gebäude und Quartiere.

Am Stand wird eine Solarzelle mit einem neuartigen integrierten Kurzzeitspeicher als Demonstrator gezeigt. Die bei Photovoltaik natürlicherweise auftretenden und unvermeidbaren schnellen Leistungsfluktuationen – beispielsweise durch Wolken verursacht – stellen für viele Anwendungen ein großes Problem dar. Der neuartige, in die Solarzelle integrierter Speicher dient dazu, solche Leistungsfluktuationen zu glätten.

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Der Neubau der Umweltstation der Stadt Würzburg geht in Betrieb: ein ökologisch vorbildliches, hochmodernes Gebäude mit Vorbildcharakter.

Das ZAE Bayern führte daran, im Rahmen eines durch die Deutsche Bundestiftung Umwelt geförderten Projekts, umfangreiche Lebenszyklusanalysen (Life Cycle Assessment) durch. Dabei wurden die emissionsbedingten Umwelteinwirkungen (z. B. Treibhauspotenzial, Versauerungspotenzial) und der Ressourcenverbrauch (Primärenergie) für die Konstruktion sowie der Energieverbrauch über eine Lebensdauer von 50 Jahren betrachtet. Das umfasst auch eine energetische Bewertung der Baumaterialien von ihrer Herstellung bis zum Recycling. Für die Umweltstation ergab sich gemäß der DGNB-Bewertung die Höchstpunktzahl, womit eine Platin-Auszeichnung im Teilbereich Ökobilanz möglich wäre.

Ergänzend zu einer hervorragenden Dämmung der Gebäudehülle wurden Teile der Rohbaukonstruktion in Recyclingbeton ausgeführt. Das recycelte Material wurde aus dem Rückbau von Betongebäuden gewonnen, aufbereitet und den neuen Betonmischungen hinzugefügt. So wurde die Menge an zu deponierendem Bauschutt verringert und ein weiterer Abbau von natürlichem Kies unnötig.

Zur Gebäudebeheizung und -kühlung kommt als innovative Technik eine Eisspeicheranlage zum Einsatz. Dieser sorgt im Sommer für nahezu kostenlose, umweltfreundliche Gebäudekühlung und erhöht im Winter, im Zusammenspiel mit Solarabsorbern auf dem Gebäudedach, die Effizienz der Wärmepumpe, die das Gebäude umweltschonend beheizt. Der Strom für die Wärmepumpe wird dabei größtenteils mittels einer Photovoltaikanlage auf dem Dach regenerativ erzeugt.

Derzeit beginnt ein, ebenfalls durch das ZAE Bayern ausgeführtes, umfangreiches Monitoringprogramm, das einen energieeffizienten Betrieb der Umweltstation sicherstellt. Ein Teil der gewonnenen Daten wird in der Umweltstation online visualisiert.

Die Gäste, allesamt vom Fach und in der Entwicklung oder Herstellung von PCM oder ihrer Anwendung in Wärmespeichern tätig, bekamen einen Einblick in die Ausführung und Ergebnisse des Projektes „properPCM“ präsentiert.

In Vorträgen und einer Ausstellung von Laborexponaten wurde gezeigt, wie am ZAE neue Phasenwechselmaterialien entwickelt und evaluiert wurden. Von der grundlegenden Motivation über die theoretische Suche nach nutzbaren Salzhydraten bis zur experimentellen Verifikation und Langzeitprüfung wurde auf alle Details eingegangen.

Außerdem hatten die Gastvortragenden, Sebastian Pinnau von der TU Dresden und Rebecca Ravotti von der Hochschule Luzern, Interessantes über das Screening eutektischer Gemische und Ester als PCM zu berichten.

Nach einer angeregten Diskussion folgte schlussendlich noch ein Impulsvortrag zur ökologischen Bewertung von PCM von Rafael Horn, Universität Stuttgart. Nach diesem beschränkte sich die verbliebene Aufnahmefähigkeit der Teilnehmer auf Kuchen, einen der schmackhaftesten Energiespeicher, die der menschliche Erfindergeist bisher zu schaffen vermochte.

Der englischsprachige Masterstudiengang richtet sich an Studenten, die die Energiewende nicht nur abwarten, sondern aktiv mitgestalten wollen. In seinem Rahmen werden Fähigkeiten und Wissen zu allen Aspekten der künftigen Energieversorgung, von Energieeffizienz über erneuerbare Gewinnung bis hin zur Distribution über dezentrale Netze, vermittelt. Unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner ließ sich die Gruppe theoretisch erklären und praktisch demonstrieren, wie sich die spätere Anwendung einer solchen Ausbildung gestaltet.