Insgesamt erzielten 221 Auszubildende im Kammerbereich Würzburg-Schweinfurt herausragende Leistungen. 95 davon belegten in ihren jeweiligen Ausbildungsberufen den ersten Platz, unter ihnen Leslie Ullerich, die ihre dreijährige Ausbildung zur Physiklaborantin im Bereich EF des ZAE Bayern absolvierte. Darüber hinaus erzielte sie auch das beste Prüfungsergebnis in ganz Bayern. Ihre hervorragende Prüfungsleistung wurde im Rahmen einer Feierstunde bei der IHK Würzburg-Schweinfurt in Würzburg gewürdigt. Voller Stolz nahm sie ihre Auszeichnung von IHK-Vizepräsidentin Caroline Trips und dem stellvertretenden IHK-Hauptgeschäftsführer Jürgen Bode entgegen.

Die Berufsausbildung hat neben der Qualifikation von wissenschaftlichen Nachwuchs am ZAE Bayern einen hohen Stellenwert. So sind wir seit 23 Jahren anerkannter Ausbildungsbetrieb. Die gelernten Physiklaborantinnen und -laboranten unterstützen unsere Wissenschaftler bei ihren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.

Das entwickelte System transportiert Niedertemperaturwärme aus dem Untergrund (Standortabhängig ca. 10–14°C) an die Oberfläche, um diese Eisfrei zu halten. Dazu nutzt es einen Thermosiphon, der mittels Verdampfung und Kondensation eines Kältemittels, hier CO₂, auch bei relativ kleinen Temperaturunterschieden große Wärmemengen vom Erdreich (Verdampfung) an die Oberfläche (Kondensation) transportieren kann. Der Prozess ist rein thermisch betrieben, benötigt also keinerlei Zufuhr von Hilfsenergie, wie man sie zum Beispiel zum Antrieb einer Wärme- oder Umwälzpumpe aufbringen müsste. Zudem ist das System selbstregulierend und, bei richtiger Ausführung, vollständig wartungsfrei. Es verursacht, im Gegensatz zu elektrischen Heizsystemen, keine laufenden Stromkosten und macht darüber hinaus auch den Einsatz umweltschädlicher Abtausalze unnötig.

Zur Messung dieser Kurve wird derzeit die Versuchsanlage ALAN umgerüstet, die ursprünglich der Überprüfung der Zyklenstabilität von Sorbentien diente (ALAN steht als Akronym für ALterungsANlage). Darin werden Materialproben unter Vakuum mit Wasserdampf beaufschlagt, um ihre Beladung verifizieren zu können. Die Anforderungen, die dabei an die Dichtigkeit des Systems gestellt werden, sind höher als bei den bisherigen Zyklenstabilitätsmessungen. Doch durch eine Umgestaltung der Probenbehälter ist ALAN jetzt dicht genug, um seine neue Aufgabe erfüllen zu können.

Ziel des Projekts EmboPlate ist die Entwicklung einfacher und wirtschaftlicher Herstellungsprozesse für leistungsfähigere Mono- und Bipolarplatten.

Die Bipolarplatten werden als Verbund aus expandiertem Graphit und Graphit-Polymer-Bipolarfolie verpresst. In diese Verbundplatten können durch Prägung kostengünstig Flussfelder bzw. Kanalstrukturen eingebracht werden. So werden mehrere Verlustmechanismen des Batteriesystems gleichzeitig reduziert.

Die Monopolarplatten bilden jeweils die Enden eines Stacks und stehen in Kontakt mit den Stromabnehmern. Ein zu hoher elektrischer Widerstand kann an diesen Stellen die Leistung des Stacks mindern. Daher soll dieser Widerstand durch eine stoffliche Verbindung von Monopolarplatte und Stromabnehmer reduziert werden.

Das Projekt wird gemeinsam mit zwei Partnern aus der Industrie bearbeitet und im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms durch das BMWi unterstützt.

Im Fokus der Arbeiten steht die Integration von verschiedenen erneuerbaren Energien und von Abwärme in das bestehende Energieversorgungssystem. Das reicht von Solar- und Windstrom über die Erzeugung von grünem Strom mittels Biogas-BHKWs und ORC-Prozess bis hin zur Abwärmenutzung auf dem Areal. Unterstützt werden soll dieses System durch die Einbindung eines großen thermischen Speichers sowie eines elektrischen Quartiersspeichers. Auch weitere Aspekte wie Ladesäulen für Elektromobilität und Fahrradständer mit integrierter Photovoltaik-Überdachung werden eingebracht. Dazu müssen neue Technologien erdacht und getestet werden.

Wie lassen sich verschiedene Vorteile von Energiespeichersystemen in einen monetären Wert übersetzen? Warum sind vier Temperaturen notwendig, um die Speicherkapazität sorptiver Speichermaterialien unter Anwendungsbedingungen zu ermitteln? Wie funktioniert ein Absorptionskältespeicher, in dem wässrige Lithiumbromidlösung teilweise kristallisiert? Wie lässt sich das Verständnis der Nukleation organischer PCM mit Mikroskopie und molekulardynamischen Simulationen verbessern? Was ist bei der Entwicklung neuer PCM anhand von Phasendiagrammen zu beachten? Warum ist es wichtig, die Kristallisationsgeschwindigkeit von PCM in Abhängigkeit der Unterkühlung zu messen? Welche Vorteile bietet die Kopplung von Gebäudesimulation mit Echtzeitmessungen von PCM-Komponenten?

Diesen Fragen widmen sich die Beiträge des ZAE Bayern zur diesjährigen ENERSTOCK, die vom National Institute of Chemistry, Department of Inorganic Chemistry and Technology und der University of Ljubljana, Faculty of Mechanical Engineering aus Ljubljana, Slowenien, organisiert wurde. Das Book of Abstracts kann auf der Webseite der Konferenz heruntergeladen werden.

Simulationen erlauben es, durch Modellvariation die Auswirkungen veränderter Rahmenbedingungen, veränderter Eingangsgrößen sowie veränderter Komponenten auf ein System zu erproben. Anders als bei einem realen System, ist der Aufwand dafür bei Simulationen vergleichsweise gering. Verbesserungspotenziale können ohne großen technischen oder finanziellen Aufwand geprüft werden.

Zusammen mit den Projektpartnern PTW TU Darmstadt , LTX Simulation GmbH , ISM+D TU Darmstadt , ETA-Solutions GmbH , Fraunhofer ISE und IWT Bremen wird im Teilprojekt „Anwenderorientierte Werkzeuge zur Planung von Energieeffizienzmaßnahmen im Bestand“ eine Simulationsbibliothek für bestehende Fabriken der Metall verarbeitenden Industrie entwickelt. Dazu werden Systemkomponenten wie Maschinen, technische Gebäudeausrüstung und das Gebäude selbst modelliert, um schließlich energetisch relevante Prozesse effizient abbilden zu können.

Ziel ist es, Anwendern eine energetische Analyse sowie die Erprobung und Bewertung technischer Potenziale zur Energieeffizienzsteigerung in Bestandsfabriken zu ermöglichen.

Die World Sustainable Energy Days in Wels (Österreich) ist eine der führenden Tagungen im Bereich Energieeffizienz und Nachhaltigkeit mit über 600 Teilnehmern aus über 60 Ländern. Im Rahmen dieser Tagung werden jedes Jahr junge Wissenschaftler für ihre hervorragenden Leistungen auf die Young Researchers Conference eingeladen.

Der ausgezeichnete Beitrag trägt den Titel “Performance enhancement of building-integrated PV using phase change materials”. Darin zeigten Johannes Greß und die Co-Autoren Andreas Stephan, Bastian Büttner und Stephan Weismann wie man durch den Einsatz von Phasenwechselmaterialien (PCM) Temperaturspitzen in neu entwickelten ultraschlanken fassadenintegrierten PV-Modulen dämpfen und damit in deren Wirkungsgrad steigern kann. Dazu wurde in dynamischen Simulationen das Optimum für die Schmelztemperatur und die Menge des PCM ermittelt, so dass einerseits eine maximale Reduktion der Übertemperaturstunden erzielt wird und andererseits die nächtliche Regeneration des PCMs durch passive Wärmeabgabe sichergestellt ist.

Weiterhin wurden zwei seriennahe Prototypen dieser PV-Module auf dem Versuchsdach des ZAE Bayern unter Realbedingungen getestet und die Steigerung des Wirkungsgrades bestätigt.

Momentan werden die Kommunalen Gebäude auf dem Schyrenareal und zwei weitere untersuchte Bauwerke noch mit Öl geheizt. Vor-Ort-Begehungen und eine detaillierte Messdatenerhebung in einzelnen Räumen und dem Nahwärmenetz lieferten Daten, die den Vergleich verschiedener Sanierungsmaßnahmen mittels der Simulationssoftware ZUB Helena ermöglichten.

Anfang Mai wurden die Ergebnisse der durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle geförderten Untersuchung im Gemeinderat vorgestellt. Neben energetischen Optimierungsmaßnahmen wie Fassadendämmung, Fenstertausch und neuer Heizungstechnik wurden eine Erneuerung des Nahwärmenetzes und die Umstellung von Erdöl auf Hackschnitzel als Energieträger empfohlen.

Der darin neu vorgeschlagene Mechanismus erklärt mehrere Aspekte des Elektrodenverhaltens, die bisher unstimmig erschienen, jetzt aber ein zusammenhängendes Bild ergeben: Teile der Elektrodenoberfläche werden durch die Adsorption von Vanadium als V2+ inaktiv, die Reaktion wird gebremst. Dieser Effekt ist allerdings reversibel. Das adsorbierte Vanadium kann durch Oxidation wieder von der Oberfläche der Elektrode entfernt werden, die so ihre ursprüngliche Leistungsfähigkeit zurückerhält.

Neben der Klärung einer lange unbeantworteten Forschungsfrage bietet diese Erkenntnis auch die Möglichkeit, entsprechende Betriebsstrategien zu entwickeln. So können die Gesamtperformance von Vanadium Redox-Flow-Batterien und somit auch ihre Wirtschaftlichkeit gesteigert werden.

Hier setzt das Forschungsprojekt „SunBeltChiller: Solarthermisches Energiesystem für Kälte und Prozesswärme im Sunbelt“ an. Das hier entwickelte solarthermische Kühlsystem kommt ohne Nasskühlturm aus und ist dabei hocheffizient. Erreicht wird dies durch konzentrierende Fresnel-Solarkollektoren, die eine zweistufige Absorptionskälteanlage mit großem Temperaturhub antreiben, in Kombination mit einer einstufigen Absorptionskälteanlage, Kalt- und Warmwasserspeichern. Neben den Vorteilen der Nutzung erneuerbarer Energien verspricht dieses System gegenüber konventionellen Lösungen auch wirtschaftliche Vorteile.

Neben der Erarbeitung von Steuerungs- und Auslegungsroutinen und der Bewertung von Standorten ist die Demonstration des Systems im kleinen Maßstab, zunächst im Labor des ZAE, später in einer realen Anwendung, geplant. Das Forschungsprojekt wird durch die Verbundpartner Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Industrial Solar und das ZAE Bayern bearbeitet. Öffentliche Förderung erfolgt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und in Zusammenarbeit mit dem Projektträger Jülich (FKZ: 03ETW026).

Die Studie umfasst mehrere Szenarien für ein erneuerbares bayerisches Energiesystem im Jahr 2040 unter Berücksichtigung der lokalen Besonderheiten. Sie zeigt insbesondere auf, dass für die Strombereitstellung aus Solarstrahlung und Wind die bestehenden Ausbaupotenziale nahezu vollständig genutzt werden müssen. Darüber hinaus wird auch ein starker Ausbau klimaneutraler Technologien zur Sektorenkopplung sowie zum zeitlichen Ausgleich von Bereitstellung und Nachfrage notwendig. Trotz all dieser Herausforderungen ist ein zu 100 % erneuerbares Energiesystem technisch umsetzbar, wodurch Bayern eine Vorreiterrolle bei der ganzheitlichen Energiewende einnehmen könnte.

Unter https://www.mw.tum.de/es/publikationen/bayernstudie/ kann die gesamte Studie ab dem 11.05.2021 heruntergeladen werden. Außerdem ist dort die Anmeldung zur Onlineveranstaltung zur Erstveröffentlichung am 11.05.2021 von 15:30–17:30 Uhr möglich.

Molekulardynamik ist eine Methode zur Simulation und Analyse physikalischer Bewegungen von Atomen und Molekülen. Bereits in den 1950er Jahren entwickelt kommt sie, dank der seither stetig gewachsenen verfügbaren Rechenleistung, heutzutage in vielen Forschungsgebieten zur Anwendung.

Das ZAE Bayern und sein Projektpartner, das Fraunhofer ISE, nutzen sie nun, um Einblick in den Keimbildungsprozess in PCM zu erhalten. Die Keimbildung zu verstehen ist der Schlüssel, um in Latentwärmespeichern Unterkühlung zu verhindern, bei der die Speichermaterialien unter ihre Schmelztemperatur abgekühlt werden können, ohne zu kristallisieren. Bisher verhindert unter anderem dieser Effekt die breite Anwendung von Latentwärmespeichern. Durch gezielten Einsatz von Fremdkeimen kann er allerdings verhindert und so die Verbreitung dieses Speichertyps vorangebracht werden.

Das am ZAE entwickelte und getestete System wurde als ökonomisch und ökologisch sinnvolle Heizeinheit mit einer thermischen Nennleistung von etwa 100 kW konzipiert. Durch die Option, damit ganzjährig Kälte für Klimatisierung oder industrielle Anwendungen bereitzustellen, wachsen möglicher Einsatzbereich und Jahresnutzungsgrad.

Die direkte Kopplung von Verbrennung und Absorptionswärmepumpe (Arbeitsstoffpaar: Wasser und wässrige Lithiumbromidlösung) erlaubt die Nutzung einer Umweltwärmequelle mit niedriger Temperatur. Der Wärmepumpenprozess verdoppelt dabei die Effizienz des Kessels im Vergleich zu herkömmlichen Modellen, die anfallenden Emissionen schrumpfen entsprechend um bis zu 50 %. Der Strombedarf des Systems liegt bei maximal 2 % der Nutzenergie. Diese Sparsamkeit macht es nahezu unempfindlich gegenüber der Volatilität erneuerbarer Stromerzeuger wie Windkraft oder Photovoltaik. Außerdem belastet das mit Biomasse gefeuerte Wärmepumpensystem das Stromnetz deutlich weniger als konventionelle Varianten.

Ein wichtiges Ziel des Projektes war es, die Anlage so zu konzipieren, dass sie mit in der Biomassekesselherstellung üblichen Fertigungsschritten produziert werden kann. Das ermöglicht eine preisgünstige Herstellung und eröffnet so zahlreiche Anwendungen in Wohn- und Betriebsgebäuden, speziell im Hinblick auf den weltweit wachsenden Kühlbedarf.

Im Projekt wurde nachgewiesen, dass ein solches System günstig gefertigt und stabil betrieben werden kann. Die Ergebnisse der Labormessungen decken sich sehr gut mit den im Vorfeld simulativ ermittelten Werten. Erste Prognosen zur Wirtschaftlichkeit in Grundlastanwendungen bescheinigen dem Konzept Marktnähe. Die Projektpartner HDG Bavaria und ZAE Bayern analysieren nun weitere Schritte, um Feldtestanlagen zu Demonstrationszwecken zu ermöglichen.

Nach vier Jahren endete Anfang 2021 das Projekt C/sells, Teil des Forschungsprogramms SINTEG. Darin wurde erprobt, wie die verschiedenen Ebenen und Regionen unseres Energiesystems besser auf eine Art und Weise zusammenarbeiten können, die seiner Struktur entspricht: zellulär, partizipativ und vielfältig.

Wenn in Zukunft das Stromnetz nicht mehr nur durch wenige Großkraftwerke, sondern durch Millionen dezentraler Erzeuger versorgt wird, steigt die Zahl der Akteure darin drastisch an. Um deren reibungslose Zusammenarbeit zu ermöglichen, wurden in C/sells standardisierte Werkzeuge und Infrastruktur entwickelt und in Demonstratoren umgesetzt. Eine von 35 dieser Demonstrationszellen ist das Testzentrum des ZAE in Arzberg. Seit 2015 wird dort erforscht, wie Speicher die Integration von Photovoltaik in das Niederspannungsnetz unterstützen können.

Als nächster Schritt wurde im Dezember 2020 der Abruf flexibler Leistung auf höchster Ebene, in den Übertragungsnetzen, erprobt. Der Versuchsaufbau folgte dem Leitgedanken des Projekts: Autonome Zellen stabilisieren koordiniert ein Gesamtsystem. Über die neue Smart-Meter-Gateway-Infrastruktur und die Flexibilitätsplattform der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. wurde erfolgreich durch den Netzbetreiber TenneT Leistung abgerufen und durch das Testzentrum bereitgestellt.

Die notwendige Flexibilität liefern in Arzberg Redox-Flow-Batterien. Bei dieser noch relativ jungen Technologie dient ein flüssiger Elektrolyt zur Speicherung elektrischer Energie. Bei der Erforschung der temperaturabhängigen Performance derselben kamen die klimatischen Bedingungen in Arzberg den Forschenden sehr entgegen: Die knackigen Winter im Fichtelgebirge bescherten ihnen ein breites Spektrum an Betriebstemperaturen. Ein Modell, das auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse solche Batteriezellen simuliert, wurde letzte Woche auf der Konferenz IRES 21 vorgestellt. Es soll künftig dabei helfen, Prognosen für den Batterieeinsatz zu verbessern. Denn obwohl die Wirkung einer einzelnen Zelle in Arzberg überschaubar ist, wird das zukünftige Gesamtsystem von einer riesigen Zahl solcher dezentralen Bausteine abhängen; seine Stabilität davon, wie planbar deren Einsatz ist.

Viel PV-Strom ist gut – aber wie lassen sich schnelle Leistungsfluktuationen nachhaltig in den Griff bekommen? Die vor allem durch Wolkenbewegung hervorgerufenen Fluktuationen der solaren Einstrahlung sind unvermeidlich. Sie stellen aber für die Photovoltaik ein Problem dar, da sie einerseits die Leistungselektronik und evtl. vorhandene Langzeitspeicher, wie Batterien, belasten und andererseits die Netzstabilität negativ beeinflussen. Zur Lösung des Problems können ultraschnelle Kurzzeitspeicher, sogenannte Ultrakondensatoren helfen.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Wandler-Speicher-Einheit, bestehend aus Photovoltaik (PV)-Modulen Kurzzeitspeichern und Elektronik, die Leistungs-schwankungen von PV-Anlagen im Bereich von Sekunden bis Minuten deutlich glätten und somit erneuerbare Energien in netzdienlicher Qualität bereitstellen soll.

Der Clou ist die Kombination von Photovoltaikmodulen mit speziell angepassten Ultrakondensatoren mit einer ausgeklügelten Regelelektronik. Nach einer dreijährigen Entwicklungs- und Optimierungsphase auf Laborebene soll das neue System bereits in einer Demonstrationsanlage im Netz installiert und in einer einjährigen Monitoringphase unter Realbedingungen bewertet werden. Das interdisziplinäre Projektteam setzt sich aus Wissenschaftlern und Ingenieuren der beteiligten Forschungseinrichtungen, ZAE Bayern und Institut für leistungselektronische Systeme ELSYS (TH Nürnberg) sowie Partnern aus der Industrie und Energiewirtschaft, wie SUNSET Energietechnik, DHG Engineering, Skeleton Technologies und ÜZ Mainfranken zusammen.

Im Projekt AMThES werden daher Sorptionsprozesse identifiziert, die sich für die thermische Energiespeicherung im Gebäude- und Industriebereich eignen. Dazu müssen die verwendeten Materialen die technischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung – Speicherkapazität, Lade- und Entladeleistung und Zyklenstabilität – über die zu erwartende Zyklenzahl erfüllen. Außerdem muss ein damit konstruierter Speicher wirtschaftlich zu betreiben sein.

Im Mittelpunkt dieser Suche steht die Charakterisierung von Sorptionsmaterialien unter Anwendungsbedingungen – ein Feld, in dem die Kooperationspartner langjährige experimentelle Kompetenz mitbringen. Ziel ist es, sowohl ungeeignete Paarungen von Speichermaterial und Anwendung zu identifizieren und auszuschließen als auch aussichtsreiche Kombinationen in Zusammenarbeit mit der Industrie zu einer Demonstrationsanlage oder bis zur Marktreife weiterzuentwickeln.

Für die siebenköpfige Jury unter dem Vorsitz von Dipl.-Ing. Univ. Helmut Schütz, Amtschef im Bayerischen Staatsministerium für Wohnen, Bau und Verkehr, standen bei der Beurteilung der eingereichten Projekte die Kriterien Innovation, Nachhaltigkeit, technische Kreativität, Wirtschaftlichkeit und das interdisziplinäre, partnerschaftliche Arbeiten im Mittelpunkt.

Als erstes öffentliches Gebäude in Bayern wurde die Umweltstation der Stadt Würzburg aus Recycling-Beton mit einem hinsichtlich des CO2-Äquivalentes optimierten Zementes (CEM III) errichtet. 650 m³ Beton wurden verbaut – zu 74 Prozent sind darin Inhaltsstoffe enthalten, die aus einer nahegelegenen, rückgebauten Autobahnbrücke stammen.

In der Umweltstation kommt ein innovatives Eisspeichersystem zum Einsatz. Das Eisspeicherheizungssystem besteht aus einer Wärmepumpe als zentrales Element, welche einen Solarabsorber oder einen Wasser-/Eisspeicher als Wärmequelle nutzen kann um damit die Umweltstation energieeffizient zu heizen. Das im Winter beim Heizen als „Nebenprodukt“ entstandene Eis im Eisspeichertank wird im Sommer zum Kühlen über einen Wärmetauscher verwendet. Das Eisspeichersystem wird mit einem vom ZAE Bayern maßgeschneiderten Monitoring-System überwacht und im laufenden Betrieb optimiert. Die Messdaten werden automatisch von der Umweltstation an das ZAE Bayern übertragen, dort ausgewertet und visualisiert.

Ergänzend wurde eine umfangreiche Lebenszyklusanalyse 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. Aktuelle Monitoringdaten unter:

Aktuelle Impfstoffe gegen COVID-19 benötigen eine Lagertemperatur von etwa -70 °C bis -60 °C. Da sie in großer Menge weltweit verteilt werden müssen, ist die Einhaltung dieser Temperaturgrenzen für die Logistik eine große Herausforderung. Eine Temperierung mit Trockeneis ist aus Sicherheits- und Umweltschutzgründen kritisch zu betrachten und nicht nur in Frachtflugzeugen stark reglementiert.

Zur unterbrechungsfreien und energieeffizienteren Einhaltung der Kühlkette könnten stattdessen spezielle Transportbehälter mit Phasenwechselmaterialien (PCM) eingesetzt werden. PCM sind wiederverwendbar und durchlaufen wiederholte Schmelz- und Kristallisationsübergänge, um Kälte zu speichern und wieder abzugeben. Die Regenerierung der Kühlakkus mittels Einfrieren kann mit geeigneten Kältemaschinen deutlich energieeffizienter erfolgen als die Herstellung von Trockeneis.

Im Rahmen des Vorhabens coCO2vac sollen durch die va-Q-tec AG und das ZAE Bayern PCM für den Temperaturbereich von -70 °C bis -60 °C entwickelt werden. Dieses Forschungsziel erfordert die Untersuchung potenziell nutzbarer PCM im Labormaßstab, anwendungsnahe Tests der Materialien in Kühlakkus sowie Versuche zur PCM-Herstellung im Technikums-Maßstab.

Links:
• https://www.industrie-energieforschung.de/news/de/covid19_impfstoff_phasenwechselmaterial_kuehlakkus
• https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Pressemitteilungen/2020/12/20201210-energieforschung-fuer-den-klimafreundlichen-impfstofftransport.html

Zementherstellung ist mit hohem Energieeinsatz verbunden. Deshalb macht es ökologisch und ökonomisch Sinn, intensiv nach energetisch weniger fordernden Syntheserouten zu suchen.

Chemische Zusammensetzung, Kristallphasen und Strukturen auf der Längenskala von einigen Nanometer sind wesentliche Kenngrößen der Calcium-Silikat-Phasen im Zement, die durch Parameter in der Prozessführung beeinflusst werden. Eine quantitative Analyse der Nanostruktur findet in der Regel mit einem DIN-Verfahren, nämlich der N2-Adsorptionsanalyse statt. Hierbei nehmen detaillierte Analysen 12 bis 24 Stunden in Anspruch; ein beschleunigter Analysevorgang mit geringerer Informationsdichte benötigt in der Regel einschließlich Probenvorbereitung mehrere Stunden. Die N2-Adsorptionsanalyse stellt damit ein Nadelöhr in der Materialentwicklung bzw. Prozess- und Qualitätskontrolle dar.

Schwenk Zement KG ist es nun mit der Expertise des ZAE Bayern in Würzburg gelungen, in der Zement-Analyse ein Tool zu etablieren, das bisher hauptsächlich der Grundlagenforschung vorbehalten war. Die Rede ist von der sogenannten Röntgenkleinwinkelstreuung oder kurz SAXS (small angle X-ray scattering). Die Methode ist vergleichbar mit der Streuung eines Laserstrahls beim Durchgang durch eine Glasscheibe mit aufgerauter Oberfläche: die Aufweitung des Strahls durch Streuung ist charakteristisch für die Oberflächenrauigkeit der Scheibe. Ähnlich verhält es sich bei der Röntgenkleinwinkelstreuung: Da der „Testmaßstab“ bei SAXS weniger als 1/100 der Wellenlänge des sichtbaren Lichts beträgt, ist die Methode besonders auf Nanostrukturen im Bereich ca. 0,1-100 nm empfindlich.

Das Streusignal, das bei SAXS von einem Detektor erfasst wird, liefert innerhalb von Minuten den strukturellen Fingerabdruck der Zement-Phasen. Aus den Daten kann u.a. die spezifische innere Oberfläche der Zementpulver bestimmt werden. In enger Kooperation von Schwenk Zement mit dem ZAE Bayern wurde diese, aus SAXS bestimmte Kenngröße mit Hilfe von vergleichenden Messungen mit N2-Adsorptionsanalyse validiert. Damit konnten ZAE Bayern und Schwenk Zement KG die SAXS-Methode als Charakterisierungsmethode für die Zementindustrie etablieren.

Schwenk Zement KG kann die Methode nun nutzen um die Materialentwicklung zügiger voran zu bringen. Zusätzlich bietet sich das schnelle Verfahren auch für die Qualitätskontrolle in der Produktion an. Nach den ersten systematischen Vorversuchen des ZAE Bayern in Würzburg konnte Herr Neumann (Schwenk Zement KG) nur begeistert feststellen: „Ich habe gehofft, dass das Analyse-Verfahren uns weiterhilft, dass es aber so gut funktioniert, hätte ich nicht erwartet“. Schon jetzt werden bei Schwenk Zement KG in kurzen Abständen Proben aus der Produktion entnommen und von einem Analyse-Roboter automatisiert untersucht. Die Bestimmung der spezifischen Oberfläche konnte bisher noch nicht im gleichen schnellen Rhythmus wie andere Kenngrößen erfolgen. Dies wird sich in Zukunft mit Unterstützung des ZAE Bayern durch die schnelle SAXS-Methode ändern.

In den letzten Jahren hat eine Gruppe von Forschern der Chalmers University of Technology in Schweden ein speziell entworfenes Molekül und ein Energiesystem mit einzigartigen Fähigkeiten zum Einfangen und Speichern von Sonnenenergie entwickelt.

Nun sollen im Rahmen eines von der Chalmers University of Technology geleiteten EU-Projekts MOST (Molecular Solar Thermal Energy Storage System) Prototypen der neuen Technologie für Anwendungen wie Heizsysteme in Gebäuden entwickelt werden.

Um die nur volatil verfügbare Solarenergie in vollem Umfang nutzen zu können, ist es erforderlich, sie zu speichern und bei Bedarf zu nutzen. An der Chalmers University of Technology wurden dazu in den letzten Jahren organische Substanzen entwickelt, die durch den Effekt der Photoisomerie den UV-Anteil der solaren Einstrahlung chemisch speichern können. Durch das UV-Licht werden die Moleküle in ein Isomer, also ein Molekül gleicher chemischer Zusammensetzung aber in einer energiereicheren Struktur, umgewandelt. Dieses energetisch aufgeladene Isomer kann in Tanks verlustfrei über mehrere Jahre gespeichert werden.
In einem weiteren Schritt kann mittels eines Katalysators das Isomer unter Abgabe von Wärme über einen Wärmetauscher wieder in den energieärmeren Zustand zurückgeführt werden.

Vorstoß in Richtung reale Anwendungen Im Rahmen des Projekts soll die Technologie weiterentwickelt werden, dass sie effizienter, kostengünstiger, umweltfreundlicher und damit reif für den Praxiseinsatz wird. Starke Forschungsteams von Universitäten und Instituten aus Schweden, Dänemark, Großbritannien, Spanien und Deutschland haben sich dazu in einem EU-Projekt zusammengeschlossen. "Ein sehr aufregender Aspekt des Projekts ist die Art und Weise, wie wir exzellente interdisziplinäre Forschung im Moleküldesign mit dem Wissen bezüglich Hybridtechnologie für Energiegewinnung, Speicherung und die Umwandlung in Wärme mit dem Aspekt des Niedrigenergie-Gebäudedesign mit low-ex Heiztechnik kombinieren", sagt Kasper Moth-Poulsen, Koordinator des Projekts und Professor an der Chalmers University of Technology in Schweden.

Das Forscherteam des ZAE Bayern in der Arbeitsgruppe Energieoptimierte Gebäude in Würzburg haben im Projekt die Aufgabe, einen speziellen Hybridkollektor für die Anforderungen im Projekt, die deutlich von handelsüblichen Kollektoren abweichen, vom Funktionsmuster im Labormaßstab in mehreren Stufen zur Praxisreife zu entwickeln.

Mehr darüber: Das EU-Projekt Das EU-Projekt MOST hat eine Laufzeit von 3,5 Jahren und wird mit 4,3 Millionen Euro gefördert. Zu den Partnern des Projekts gehören die Chalmers University of Technology, Universität Kopenhagen, Universität Rioja, das Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme in Freiburg, Johnson Matthey plc sowie das ZAE Bayern in Würzburg.

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.

Wir freuen uns auf Ihren Besuch!

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.