Forschungsnetzwerk Erneuerbare Energien

Ziel der Forschungsaktivitäten ist es, die technologische Basis zu schaffen für Innovationen bezüglich

1) der weiteren Steigerung der Modulwirkungsgrade hauptsächlich durch Tandemkonzepte und

2) der Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten bzw. Märkte der Photovoltaik in integrierten Lösungen zur Nutzung von bereits versiegelten Flächen und zur Elektrifizierung der Sektoren Wärme und Mobilität durch neue Materialien, Konzepte und Technologien.

Alle Tandemlösungen enthalten zumindest eine Dünnschichtzelle. Dünnschichttechnik hat bei vergleichbaren Wirkungsgraden Vorteile im Energie- und Ressourcenverbrauch und hinsichtlich überschaubarer, resilienterer Lieferketten. Ebenso müssen die bestehenden Technologien in Richtung energieeffizienter Produktion entwickelt werden. Beim Equipment (Dünnschichtverfahren) für alternative Konzepte und Materialien (Perowskite, CIGS, CdTe, OPV, III/V) haben Unternehmen in Deutschland weiterhin ein Alleinstellungsmerkmal, welches strategisch unterstützt und genutzt werden muss.

Technologisch am weitesten fortgeschritten sind Tandemkonzepte basierend auf kristallinem Silizium und auf Verbindungshalbleitern aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid/Sulfid (CIGS) als sogenannte Bottomzellen in Verbindung mit Topzellen aus Perowskiten oder CIGS sowie Mehrschichtsolarzellen aus sogenannten (III/V)-Halbleitern (zum Beispiel GaAs, GaInP). Die Dünnschichttechnologien, die als Topzelle im Tandem zum Einsatz kommen, weisen noch erhebliche Verbesserungspotenziale auf – je nach Materialsystem hinsichtlich Langzeitstabilität, Skalierung, Produktionskosten und industriellem Wirkungsgrad. Sie müssen mit intensiver Forschung und Entwicklung flankiert und dann industriell qualifiziert werden. Des Weiteren werden hocheffiziente Dünnschichtsolarzellen auf kostengünstigen, leichten und flexiblen Folien entwickelt und neue (an)organische Materialien und Bauelemente qualifiziert.

Künftig werden sich neue Märkte und Anwendungsmöglichkeiten ergeben, die neben der reinen Stromerzeugung weitere Funktionalitäten nutzen: Fassaden von Gebäuden, Freifeldanlagen, die auch landwirtschaftlich genutzt werden, in Transportmittel integrierte PV oder die autarke Versorgung mobiler Elektronik und Sensorik für Industrie 4.0. Diese neuen Märkte erfordern spezialisierte Lösungen und Technologien. Die Anwendungen bieten die Möglichkeit, bereits versiegelte Flächen zur Stromgeneration zu nutzen, entlasten damit den Naturverbrauch und bieten lokal am Ort der Stromerzeugung neue Möglichkeiten für die Elektrifizierung der Sektoren Wärme und Mobilität.

Ansprechpersonen
Prof. Dr. Michael Powalla
E-Mail: michael.powalla@zsw-bw.de
Website: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

Prof. Dr. Rutger Schlatmann
E-Mail: rutger.schlatmann@helmholtz-berlin.de
Website: Helmholtz-Zentrum Berlin

Dr. Thomas Dalibor
E-Mail: thomas.dalibor@avancis.de
Website: AVANCIS, www.skalafacade.com

Photovoltaik auf Basis kristalliner Silizium (Si) -Module ist die weltweit dominierende Photovoltaiktechnologie. Weitere große Schritte bei der Effizienzsteigerung und Kostensenkung sind möglich und können der europäischen Photovoltaik-Industrie einen technologischen Vorsprung im internationalen Wettbewerb bringen. Diese Chance bieten insbesondere innovative, neue Technologieentwicklungen. Hierzu zählen neue Fertigungsverfahren für Si-Ingot und Si-Wafer mit stark reduziertem Materialverbrauch. Dabei steht neben den Fertigungsverfahren mit erhöhtem Durchsatz auch die Materialgüte im Fokus. Außerdem sollen noch effizientere Zelltechnologien mit Wirkungsgraden über 25 Prozent entwickelt werden, welche die hochproduktive Prozessierung der Si-Wafer erlauben. Besonders erfolgversprechend ist hierbei die Erforschung allseitig passivierender Kontaktschemata und Si-Tandemsolarzellen, die das Sonnenspektrum besser ausnutzen können. Alle neuen Wafer- und Zelltechnologien bedürfen einer angepassten Modultechnologie, die mit den neuen Materialien und Zellkontakten kompatibel sein muss. Neue Verbindungstechniken, die mögliche kostensparende Integration von Zusatzfunktionen, etwa integrierte Wechselrichter oder Displays, eine erhöhte Lebensdauer der Module sowie anwendungsangepasste Module, beispielsweise für gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV, kurz für: Building Integrated Photovoltaics) können die Kosten weiter senken und neue Märkte erschließen. Die Steigerung des Energieertrages von PV-Modulen ist ein zentraler Hebel für die Senkung der Stromgestehungskosten. Innovative technische Lösungen für eine ressourcenschonende Photovoltaik-Produktion entlang der Wertschöpfungskette mit zunehmend geschlossener Kreislaufwirtschaft dienen der Nachhaltigkeit und gesellschaftlichen Akzeptanz. Die gute Kooperation der Kompetenzträger aus Material-, Solarzellen- und Modulherstellung, Maschinenbau und Forschungseinrichtungen ist der Garant für eine erfolgreiche Photovoltaik-Produktionsforschung.

Ansprechpersonen
Prof. Dr.-Ing habil. Rolf Brendel
E-Mail: brendel@isfh.de
Website: Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH)

PD Dr.-Ing. Ralf Preu
E-Mail: ralf.preu@ise.fraunhofer.de
Website: Fraunhofer ISE

Dr. Radovan Kopecek
E-Mail: radovan.kopecek@isc-konstanz.de
Website: ISC Konstanz

Andreas Waltinger
E-Mail: andreas.waltinger@meyerburger.com
Website: Meyer Burger

Dr. Peter Fath
E-Mail: peter.fath@rct-solutions.com
Website: RCT Solutions

Photovoltaik ist ein essenzieller Baustein für die volkswirtschaftlich kostenminimale Realisierung der Energiewende. Obwohl die Kosten einer erzeugten Kilowattstunde nur zu circa einem Drittel von den Investitionen abhängig sind, werden Kosten für PV häufig mit den Aufwendungen für den Systembau gleichgesetzt und die Folgekosten ignoriert. Dabei fallen wesentliche Ausgaben über den Lebenszyklus der Investitionen an. Wesentliche Beiträge sind die Risikobewertung (= Finanzierungskosten), Qualitätskosten und Betriebsführung.
Es fehlt an grundlegendem Verständnis, wie Produktionsprozesse, Materialauswahl und Qualitätssicherungsstrategien inklusive Betriebsführung die Stromgestehungskosten beeinflussen. Minimale Produktionskosten und maximaler Wirkungsgrad sind kein Garant für niedrige Stromgestehungskosten. Ein Beispiel war ein bis dato unbekannter Fehler in einer Premiumrückseitenfolie, der zur Halbierung der Lebensdauer der Module geführt hat und somit die Stromgestehungskosten mehr als verdoppelt hat. Es fehlen Materialverständnis und Tests, solche Risiken zu minimieren. Der derzeitige Ansatz ist kostenminimierte Empirie, welcher zu wirtschaftlichen Schäden führen kann. Derartige Probleme können sich wiederholen bei den extrem schnellen Innovationszyklen, der wachsenden Heterogenität der Produkte und sich schnell ändernden Materialkombinationen. Die Fehlermechanismen sind dabei keinesfalls auf die Solarmodule limitiert – Stecker, Wechselrichter oder anderen Komponenten sind auch wichtig.
Die AG Perfomance bewertet Technologien aufgrund des LCoE über die Lebensdauer des Systems und nicht der heute üblichen ausgangswirkungsgradbasierten Betrachtung. Themen, die zu einer signifikanten Senkung der Stromgestehungskosten führen, sind zum Beispiel Fehlervorhersage und  tests (Entwickeln relevanter Testzyklen speziell für neue Technologien), Risikovorhersage, Berechnung von Qualitätskosten über den Lebenszyklus, Digitalisierung der Betriebsführung inklusive fragenspezifische Anwendungen von KI.

Ansprechpersonen
Prof. Dr. Ralph Gottschalg
E-Mail: ralph.gottschalg@csp.fraunhofer.de
Website: Fraunhofer CSP

Dr. Claudia Buerhop-Lutz
E-Mail: c.buerhop-lutz@fz-juelich.de

Dr. Björn Müller
E-Mail: bjoern.mueller@enmova.de

Der massive Ausbau der Photovoltaik (PV) verlangt nach passgenauer Integration. Wie können PV-Module auf bereits genutzten Flächen unterkommen, wie passt der PV-Strom in das sich wandelnde Energiesystem? Mit der Integration von PV in die Hüllen von Gebäuden, Fahrzeugen und Verkehrswegen und ihrer Einbindung in Agrar- und Wasserflächen werden große, bereits genutzte Flächen für die Solarstromerzeugung erschlossen. Integrierte PV löst Flächennutzungskonflikte und schafft Synergieeffekte, etwa bei Klimaresilienz oder Materialeffizienz. Es gilt, die vielfältigen Synergiepotenziale zu erforschen und anwendungsspezifische PV-Technologien zu entwickeln.

Zukünftige Photovoltaik-Kraftwerke müssen verstärkt dazu beitragen, das Stromnetz zu stabilisieren. Sie müssen Funktionen übernehmen, die bisher von konventionellen Kraftwerken bereitgestellt werden. Deswegen muss die Systemtechnik, also alle Komponenten, die eine PV-Anlage ausmachen, stetig weiterentwickelt werden. Sie macht die Photovoltaik effizient und nutzbar – zum Beispiel, indem sie netzstabilisierende Systemdienstleistungen anbietet oder für ein optimales Verhältnis zwischen Stromproduktion und -verbrauch sorgt.

Ziel der Forschungsförderung für PV-Systemtechnik ist es, den Wandel von PV-Anlagen, die in der Vergangenheit nur auf Netzeinspeisung ausgelegt waren, hin zu PV-Systemen zu schaffen, die optimal in lokale und übergeordnete Systemlösungen eingebunden sind. Darüber hinaus soll eine deutliche Kostenreduktion und Wirtschaftlichkeitsverbesserung im Betrieb erreicht werden, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Hersteller und Lösungsanbieter zu erhalten und eine kostengünstige Stromversorgung sicherzustellen.

Neben reinen PV-Systemen rücken zunehmend auch komplexe, resiliente Systemlösungen mit PV-Kombisystemen und Sektorenkopplung in den Vordergrund. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass bei verbrauchernahen Anlagen mit Batteriesystemen oder steuerbaren Verbrauchern, zum Beispiel Wärmepumpen und Ladestationen, der lokale Verbrauch gesteigert und eine optimale Markt- und Netzintegration für den Energieaustausch mit dem Verbundnetz möglich wird. Große Solarkraftwerkslösungen bauen das Verbundnetz mit auf oder steigern als Kombikraftwerk mit Wind und Elektrolyse die Wirtschaftlichkeit.

Ansprechpersonen
Dr. Oliver Fuehrer
E-Mail:  oliver.fuehrer@sma.de
Website: SMA Solar Technology AG

Dr. Philipp Strauss
E-Mail: philipp.strauss@iee.fraunhofer.de
Website: Fraunhofer IEE

Harry Wirth
E-Mail: harry.wirth@ise.fraunhofer.de
Website: Fraunhofer ISE

Für die Arbeitsgruppe Nachhaltigkeit der Photovoltaik sind die folgenden Themen von zentraler Bedeutung.

Eine wichtige Rolle spielen Recycling und „Easy-to-Recycle“-Produktdesign. Hierbei sind bisherige und zukünftige Modulgenerationen (Tandem, Perowskit etc.) und Sonderanwendungen zu beachten, zu denen beispielsweise Vehicle Integrated Photovoltaics (VIPV) oder Building Integrated Photovoltaics (BIPV) gehören.

Ebenfalls relevant ist Repair und Re-Use von Photovoltaikmodulen, wobei Regulatorik bezüglich Produkt-, Entsorgungs- und Weiterverwertungsrichtlinien ein Schlüsselthema für diese Bereiche sind.

Daneben gehören die Themen Standardisierung und Bau-Normen als wichtige Aspekte hinzu, die Hindernisse beseitigen – zum Beispiel Überkopf-Verglasung, standardisierte Montagesysteme für Fassaden etc.

Auch Umweltaspekte und Fragen zur Akzeptanz fließen in die Arbeitsgruppe mit ein. Dabei sind die eingesetzten Materialien, der Einfluss auf Fläche und Biotope oder die Doppelnutzung von Fläche entscheidende Kenngrößen.

Schließlich ist der nachhaltige Photovoltaikausbau ein Anliegen der Arbeitsgruppe und damit die Regulatorik des Energiemarkts, Vergütungsstrukturen, Vereinheitlichung der Netzanfragen und Anmeldeprozeduren bei Netzbetreibern sowie die Absicherung der Finanzierung.

Ziel ist es, die Interessenvertreter zu den genannten Themen zusammenzuführen und in Austausch zu bringen (siehe zum Beispiel Runder Tisch „nationale Kreislaufwirtschaftsstrategie zur Photovoltaik“), F&E-Fragestellungen zu formulieren und Expertenkreise für die Diskussion von Lösungsansätzen aus Forschungsprojekten zu bilden. Nicht zuletzt muss die Ableitung von wirtschaftlichen Industrieprozessen (höhere Technology Readiness Level) Gegenstand von geförderten Projekten sein.

Ansprechpersonen
Dr. Jann Binder
E-Mail:  jann.binder@zsw-bw.de
Website: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Prof. Dr. Peter Dold
E-Mail: peter.dold@iwks.fraunhofer.de
Website: Fraunhofer IWKS

Konzentrierende Solarsysteme bieten insbesondere in sonnenreichen Regionen die Möglichkeit, Wärme und Strom kostengünstig und bedarfsgerecht bereitzustellen. Die verwendeten Wärmespeicher sind auch in anderen Anwendungen bedeutsam, zum Beispiel bei der Strom-Wärme-Strom-Speicherung oder bei der flexiblen Nutzung industrieller Abwärme. Kostensenkungen und Vergleiche unterschiedlicher Kollektoren haben zudem gezeigt, dass die Technologie für industrielle Prozesswärme zwischen 80 und 400 Grad Celsius auch in Zentraleuropa einen kostengünstigen und effizienten grünen Deckungsbeitrag leisten kann. Energie aus regenerativen Energiequellen wird auch benötigt, um chemische Energieträger wie grünen Wasserstoff zu produzieren. Daher wird die Forschung im Bereich konzentrierender Solarsysteme in Kombination mit thermischen Speichertechnologien im 8. Energieforschungsprogramm des BMWK adressiert.

Die AG Solarthermische Kraftwerke und thermische Speicher bringt Teilnehmende aus Industrie und Forschung zusammen, um sich zu den Forschungsergebnissen und -bedarfen auszutauschen und abzustimmen sowie um das BMWK bezüglich der Ausrichtung der Forschungsförderung zu beraten. Die Schwerpunkte sind:

• Entwicklung von Integrationskonzepten für solarthermische Kraftwerke und Wärmespeicher im Verbund mit anderen erneuerbaren Energiequellen
• Techno-ökonomische Effizienzsteigerung und Erhöhung der Zuverlässigkeit durch eine systematische technologische Weiterentwicklung der Schlüsselkomponenten von thermischen (Hochtemperatur-) Speichern und konzentrierenden Kollektoren
• Anwendung von Digitalisierungstechnologien zur effizienten Zustandsüberwachung und Steuerung sowie vorausschauenden Wartung für einen effizienten und sicheren Betrieb
• Pränormative Forschung zur Vorbereitung von Standards, die die Qualität und Vergleichbarkeit von Komponenten, Systemen und Verfahren absichern
• Exploration von Konzepten zur Produktion von chemischen Energieträgern (beispielsweise Synthetische Kraftstoffe) mittels konzentrierender Solarsysteme unter Einbindung von Strom und Wärme
  
  

Ansprechpersonen
Prof. Dr.-Ing. Robert Pitz-Paal
E-Mail: robert.pitz-paal@dlr.de
Website: www.dlr.de/sf

Dr. Gerhard Weinrebe
E-Mail: gerhard.weinrebe@glasspoint.com
Website: www.glasspoint.com

Die Anlagentechnik ist neben dem Standort entscheidend für die Höhe der Stromgestehungskosten. Deren weitere Reduzierung ist das übergeordnete Ziel der Förderung in diesem Bereich. Maßgeblich sind die Effizienz der Energiewandlung, die Herstellungskosten aller Komponenten und des Gesamtsystems sowie die damit verbundenen Betriebskosten über den gesamten Lebenszyklus der Windenergieanlagen. Besonders wichtig ist dabei ein ganzheitlicher Anlagenentwurf: Bereits in der Designphase soll berücksichtigt werden, welcher Aufwand für Herstellung, Betrieb, Rückbau und Recycling nötig ist und wie die Anlagen bzw. Windparks in das Stromnetz integriert werden können.

Gleichzeitig steigen die technischen Herausforderungen an die einzelnen Bauteile und die Gesamtanlage stetig: Rotorblätter werden immer größer, die zu erschließenden Standorte anspruchsvoller und die Anforderungen an das Systemverhalten vielfältiger. Im Fokus stehen Großkomponenten wie Rotorblätter und Triebstränge, die den steigenden Anforderungen sowohl hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften als auch ihrer Auslegung entsprechen müssen. Ergänzt wird dieses Thema durch eine stärkere Modularisierung und die Etablierung von Standards in vielen Schritten der Wertschöpfungskette. Schließlich tragen die Erarbeitung von systemischen Ansätzen im Bereich der hochbeanspruchten Leistungselektronik sowie die Netzanbindung dazu bei, der zunehmenden Anforderungsvielfalt und den steigenden Belastungen begegnen zu können.

Ansprechpartner
Prof. Dr. Jan Wenske
E-Mail: jan.wenske@iwes.fraunhofer.de
Website: Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme

Jens Demtröder
E-Mail: jde@vestas.com
Website: Vestas Deutschland GmbH

Um die Kosten der Windenergie weiter zu senken und sie optimal in das Energiesystem zu integrieren, müssen Windenergieanlagen und -parks intelligent und flexibel betrieben werden. Dazu sind auch für komplexe Standorte fortschrittliche Regelungsstrategien notwendig, die genaue Prognosen der zu erwartenden Einspeisung liefern. Durch diese verbesserten Vorhersagemodelle sollen Windparks zuverlässig in Stromnetze integriert und in hybriden Kraftwerksverbünden gesteuert werden können. Hierbei kann eine neue und verbesserte Sensorik eine Vielzahl von Daten liefern, deren Management und Analyse (Big Data) vielfältige Ansätze zur Optimierung bieten. Dank einer besseren Auswertung der Messdaten sollen Anlagen oder Windparks in Zukunft präziser bewertet werden. So können präventive Wartungen oder Reparaturen eingesetzt werden, um Stillstandzeiten zu vermeiden oder diese in Schwachwindphasen durchzuführen.

Je mehr Strom Windenergieanlagen in das Netz einspeisen, desto wichtiger ist die Frage, wie sich der produzierte Strom gut in das Energiesystem integrieren lässt und inwieweit Windparks systemdienliche Leistungen erbringen können, zum Beispiel die Unterstützung beim Netzwiederaufbau durch Schwarzstartfähigkeit.

Ansprechpartner
Dr. Jan Teßmer
E-Mail: jan.tessmer@dlr.de
Website: Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Fragen der mechanischen Belastung oder möglicher Schallauswirkungen im Betrieb erfordern eine genaue Kenntnis des einströmenden Winds sowie von Welle und Meeresströmung auf See. Je besser die Eigenschaften der Energieressource Wind bekannt sind, umso effektiver kann man sie nutzen. Die präzise Beschreibung und Vorhersage von Windverhältnissen hängt unmittelbar mit den grundlegenden Schwierigkeiten der nicht-linearen und turbulenten Strömungsphysik zusammen. Hierbei geht es konkret um die Aerodynamik, Aeroelastik und Aeroakustik von Windenergieanlagen und speziell ihrer Rotorblätter. Dies ist auch für die Auslegung von Windparks entscheidend, da die Windenergieanlagen die Windverhältnisse für die im Abwind stehenden Anlagen verändern.

Mit zunehmender Größe moderner Windenergieanlagen kommen immer mehr Bauteile an die Grenzen der Materialeigenschaften. Neue Materialien, beispielsweise zur Gewichtsreduktion oder erhöhten Zuverlässigkeit, sind für einen effektiven und kostengünstigen Anlagenbau zentral. Deshalb soll das Materialverhalten von Rotorblättern, Türmen, Gründungsstrukturen und weiteren Bauteilen besser erfasst werden. Es wird neue oder verbesserte Messtechnik benötigt, um diese Materialeigenschaften und deren Ermüdungsverhalten unter Lasten optimal und zuverlässig zu erfassen.

Die Schallabstrahlung von Windenergieanlagen hat entscheidenden Einfluss auf die soziale Akzeptanz der Windenergie. Deshalb soll die Erforschung der Prinzipien der Schallentstehung, -ausbreitung und -wahrnehmung vorangetrieben werden, um Schall so weit wie möglich zu reduzieren, besser vorhersagen und modellieren zu können. Auch verbesserte Modelle könnten künftig Betriebsbedingungen identifizieren, die besonders zur Lärmminderung beitragen.

Ansprechpartner
Prof. Dr. Joachim Peinke
E-Mail: peinke@uni-oldenburg.de
Website: Universität Oldenburg

Damit der Ausbau der Windenergie gesellschaftlich akzeptiert wird, müssen Umweltauswirkungen auf ein Minimum begrenzt werden. Fragen zur Akzeptanz und Wechselwirkung mit der Umwelt sowie zur Infrastruktur gewinnen deshalb an Bedeutung. Aktuelle Debatten zu den Kosten und zur Systemdienlichkeit von Windenergie im Energiesystem beeinflussen den weiteren Ausbau.

Bei der Onshore-Windenergie dreht sich die öffentliche Diskussion häufig um Fragen zu Einfluss, Integration und Wechselwirkung mit der Umgebung bei der Flächennutzung und räumlichen Gestaltung von Windparks. Dies umfasst insbesondere die Abstandsregelung und Landschaftsintegration, aber auch Themen wie Wasserschutz oder Flugsicherheit. Die Geräuschminderung spielt bei der Akzeptanz bei Anwohnern eine große Rolle, ebenso wie die nächtliche Sicherheitsbefeuerung der Windenergieanlagen. Daher sollen kostengünstige und zuverlässige technische Methoden für eine bedarfsgerechte Befeuerung erforscht werden.

Auch die Einwirkungen und Wechselwirkungen von Windenergieanlagen auf Fauna, Flora und Klima sind von zentraler Bedeutung für die gesellschaftliche Akzeptanz. Hier sollen Systeme entwickelt werden, welche die Störwirkungen auf Umwelt und Fauna reduzieren. Bei der Offshore-Windenergie müssen die potenziellen Folgen für das ökologische Gesamtsystem, beispielsweise für Seevögel und marine Säugetiere, mitbedacht und beim Bau und Betrieb der Anlagen berücksichtigt werden. An Land muss ein vogel- und fledermausfreundlicher Betrieb der Anlagen sichergestellt werden.

Da zukünftig immer mehr Windenergieanlagen ihr Lebensdauerende erreichen und die Materialvolumina, die in die Windenergie fließen, kontinuierlich hoch sind, müssen auch Fragen des Rückbaus und der Wiederverwertbarkeit geklärt werden. Idealerweise sind die Werkstoffe für künftige Anlagengenerationen bereits so ausgewählt, dass sie leicht und hochwertig wiederverwendet werden können.

Ansprechpartner
Dr. Michaela Herr
E-Mail: michaela.herr@dlr.de
Website: DLR – Windenergieforschung

Dr. Dirk Sudhaus
E-Mail: sudhaus@fa-wind.de
Website: Fachagentur Windenergie an Land