Forschungsnetzwerk Erneuerbare Energien

Windenergieanlagen spiegeln sich in einem Photovoltaikmodul.
(Bild: ©Alberto Masnovo - stock.adobe.com)

Im Forschungsnetzwerk Erneuerbare Energien tauschen sich Experten aus Industrie, Hochschulen, Forschungsinstituten und Politik über die Nutzung regenerativer Quellen aus. Sie leiten Anregungen für die Schwerpunktsetzung in der Forschung erneuerbarer Energien an das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie weiter und geben konkrete Umsetzungsideen für Themen oder Förderkonzepte.

Die Mitglieder des Netzwerks erarbeiten Forschungsroadmaps, Positions- und Strategiepapiere und informieren die Öffentlichkeit über Fortschritte und Innovationen im Bereich der erneuerbaren Energien. Mit den Themen Windenergie und Photovoltaik sind in dem Netzwerk zunächst die Technologien vertreten, die innerhalb Deutschlands den größten Anteil an Strom aus erneuerbaren Energiequellen liefern.

Aktuelle Studien belegen, dass sich der abgestimmte Einsatz von Photovoltaik und Windkraft sehr gut eignet, um die Energieversorgung sicher, wirtschaftlich und umweltverträglich zu gestalten. Netzschwankungen, verursacht durch Wechsel der lokalen Sonneneinstrahlung und Windgeschwindigkeit, werden durch die Kombination beider Technologien gemindert. Deshalb gelten diese sich gut ergänzenden nachhaltigen Energieerzeugungsarten als tragende Säulen der Energiewende und des Strommarkts der Zukunft. Der Ausbau der erneuerbaren Energien erfordert auch den Umbau des Energiesystems. Eine besondere Rolle spielen hierbei sektorenübergreifende Verbindungen von Strom, Wärme und Verkehr.

Im Forschungsnetzwerk bearbeiten die Mitglieder fachspezifische Themen, darüber hinaus gibt es auch übergreifende Themen und Veranstaltungen: zum Beispiel zu Industrie 4.0, Digitalisierung und Systemdienstleistungen. Sie werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert, um den Transfer von Wissenschaft zur Marktreife zu begleiten.

Forschungsbereich Photovoltaik

Im Bereich Photovoltaik verfolgt das Forschungsnetzwerk Erneuerbare Energien zwei Schwerpunkte: eine verbesserte Einbindung der Photovoltaik in die Energiesysteme und eine weitere Reduzierung der Stromgestehungskosten. So soll etwa Solarstrom eine immer bessere Alternative zu Energie aus fossilen Energieträgern werden.

Hochreines kristallines Silizium ist mit einem Marktanteil von über 90 Prozent das dominierende absorbierende Halbleitermaterial in Photovoltaik (PV) -Modulen. Die Forschung im Bereich Siliziumzellen und Module konzentriert sich auf die zu erreichenden Solarzellen-Wirkungsgrade und Kosteneinsparungen. Weitere Ziele sind ein erhöhter Durchsatz in der Produktion und die unmittelbare Kostensenkung für die Kristallisation und das Wafering von Silizium. In den nächsten fünf Jahren soll hierfür die Ladungsträgerlebensdauer der Wafer stabile Wirkungsgrade von mehr als 23 Prozent im industriellen Umfeld mit oberflächenpassivierten Solarzellen ermöglichen. Außerdem sollen Sägetechnologien entwickelt werden, die durch eine geeignete Reduzierung des Sägeverlustes und der Waferdicke in Verbindung mit einer Vergrößerung der Waferoberfläche den Einsatz an Silizium und Energie pro erbrachte Leistung in Watt halbieren.

Die Steigerung des Energieertrages von PV-Modulen ist ein zentraler Hebel für die Senkung der Stromgestehungskosten. Dies soll insbesondere durch passivierte Solarzellen realisiert werden. Wichtig sind dabei der Einsatz hocheffizienter Solarzellen und ein großer aktiver Flächenanteil im Modul. Dieser hohe Flächenanteil wird insbesondere durch weniger abgeschattete Bereiche bei neuen Zellverbindungskonzepten, weniger Zellzwischenräume und Randbereiche, den Einsatz lichtleitender Elemente oder eine Bifazialität der Zellen erreicht. Darüber hinaus können durch neue und verbesserte Fertigungsprozesse Rohstoffe und Produktionskosten eingespart werden.

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-Wafer mit stark reduziertem Materialverbrauch. Dabei steht neben den Fertigungsverfahren auch die Materialgüte im Fokus. Außerdem sollen noch effizientere Zelltechnologien entwickelt werden, welche die hochproduktive Prozessierung der Si-Wafer erlauben. Eine Leitlinie der Forschungspolitik ist die Reduktion des Herstellungsaufwands. Besonders erfolgversprechend ist hierbei die Erforschung beidseitig 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 Photovoltaic) können die Kosten weiter senken und neue Märkte erschließen.

Alle Alternativmaterialien zu „Wafer-Silizium“ werden in Form sehr dünner Halbleiter- und Metallschichten meist großflächig hergestellt. Technologisch am weitesten fortgeschritten sind die Verbindungshalbleiter aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid/Sulfid (CIGS) und aus sogenannten (III-V)-Halbleitern (z.B. GaAs, GaInP). Seit wenigen Jahren zeigen auch andere Verbindungshalbleiter wie Kesterite und Perowskite sowie Solarzellen aus organischen Materialien gute Ergebnisse im Labor.

Ziel der Forschungsaktivitäten ist es, die technologische Basis zu schaffen, um neue Märkte zu erschließen. Insbesondere werden eine flexible Fertigungsstrategie und neue, innovative Integrationskonzepte erarbeitet. Die Dünnschichttechnologien sind bereits heute zum Teil schon wettbewerbsfähig, wenn mit großen Produktionseinheiten produziert werden kann. Allerdings haben die Dünnschicht- und die III-V-basierenden Konzentrator-Technologien noch erhebliche Verbesserungspotenziale hinsichtlich Produktionskosten und industriellem Wirkungsgrad. Sie müssen mit intensiver Forschung und Entwicklung flankiert und dann industriell qualifiziert werden.

Künftig werden sich neue Märkte 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. Hier können die oben genannten Dünnschichttechnologien zum Einsatz kommen.

Zukünftige Photovoltaik (PV) -Kraftwerke müssen verstärkt dazu beitragen, das Stromnetz zu stabilisieren. Sie müssen also 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 Netz-stabilisierende Systemdienstleistungen anbietet oder für ein optimales Verhältnis zwischen Stromproduktion und Verbrauchernachfrage sorgt.

Ziel der Forschungsförderung ist es, dank der PV-Systemtechnik den Wandel von PV-Anlagen, die bisher nur auf Netzeinspeisung ausgelegt sind, hin zu PV-Systemen zu schaffen, die in lokale oder übergeordnete Systemlösungen eingebunden werden. Darüber hinaus soll auch weiterhin eine deutliche Kostenreduktion erreicht werden, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Hersteller zu erhalten und eine kostengünstige Stromversorgung sicherzustellen.

Neben reinen PV-Systemen rücken zunehmend PV-Eigenverbrauchsanlagen und PV-Diesel-Lösungen stärker in den Vordergrund. Erstere zeichnen sich dadurch aus, dass mithilfe von Batteriesystemen oder durch die Kopplung mit steuerbaren Verbrauchern, z. B. Wärmepumpen, ein höherer lokaler Verbrauch der erzeugten Energie realisiert wird. PV-Diesel-Lösungen wiederum kommen vor allem in Inselnetzen und netzfernen Regionen zum Einsatz, um den Dieselverbrauch zu reduzieren.

Quantitative Methoden sind das entscheidende Mittel, um neue Technologien oder Prozesse hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit, Rentabilität und Zuverlässigkeit zu beurteilen. In der Photovoltaik  beinhaltet dies sowohl neue Messmethoden und Messgeräte sowie deren Überführung in Standards und Normen, als auch die quantitative Beschreibung der Alterung und Degradation sowie der Ökonomie durch Kosten- und Ertragsmodelle. Aufbauend auf früheren Entwicklungen sollen vor allem Methoden entwickelt werden, die eine ganzheitliche Betrachtung und Analyse vom Basismaterial über Zelle und Modul bis zum Megawatt-Park erlauben. Dank dieser Big-data-basierten Datenanalyse werden die einzelnen Wertschöpfungsstufen miteinander vernetzt und somit neue Synergien erzielt.

Die hohe Innovationsdynamik in der PV erfordert die intensive Analyse von Alterungsprozessen und Wechselwirkungen in neuen Materialien, auch im Hinblick auf Märkte mit extremem Klima. Durch die Aufklärung von Degradationseffekten kann die Qualitätssicherung verbessert und Kostensenkung und Akzeptanz der PV vorangetrieben werden.

Gesundheits- und umweltgefährdende Materialien sollen in der Herstellung so weit wie möglich vermieden werden. Knappe Ressourcen gilt es zu schonen. Die konsequente Verwertung nach Gebrauch dient der Nachhaltigkeit von PV-Systemen. Gleichzeitig sollen begleitende Untersuchungen zu sozioökonomischen Aspekten sowie Lebenszyklusanalysen durchgeführt werden.

Forschungsbereich Windenergie

Im Bereich Windenergie verfolgen die Akteure insbesondere das Ziel, den Strom aus Windenergieanlagen noch kostengünstiger und verlässlicher bereitzustellen. So sollen der Ertrag aus den Anlagen gesteigert und ein gesicherter Betrieb gewährleistet werden.

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.

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.

Fragen der mechanischen Belastung oder möglicher Schallauswirkungen im Betrieb erfordern eine genaue Kenntnis des einströmenden Winds sowie – auf See - von Welle und Meeresströmung. 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.

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.

Windräder im Abendhimmel
(Foto: ©kasto - stock.adobe.com)

Fachausschuss Windenergie: Offshore und Onshore

Im Bereich Windenergie beschäftigen sich jeweils ein Fachausschuss mit der On- und Offshore-Windenergie. Ein Fokus im Fachausschuss Onshore liegt auf der Standortanalyse, um so den Ertrag einzelner Anlagen zu steigern. Zusätzlich betrachtet er logistische Innovationen, die Windenergieanlagen auch in anspruchsvollem Terrain ermöglichen. Der Fachausschuss Offshore betrachtet unter anderem die Netzanbindung, Logistik und Zuverlässigkeit von Windparks sowie innovative Konstruktionsansätze.

Fachausschuss Offshore-Windenergie

Hier geht es zum einen um die Netzanbindung und Logistik für Offshore-Windparks: Hohe Stromkapazitäten müssen über eine große Distanz transportiert werden. Gefragt sind neuartige Netzanschlusskonzepte und -komponenten.  Die Installation und der Betrieb von Offshore-Windparks erfordern effiziente und zuverlässige Logistikkonzepte. Eine besondere Priorität haben angesichts der (Nicht-)Erreichbarkeit der Anlagen auf hoher See die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Anlagen.

Zum anderen befassen sich die Mitglieder mit innovativen Tragstrukturen und Gründungselementen. Während in den Windparks in der Nord- und Ostsee Monopiles und Jackets dominieren, werden für internationale Standorte in tiefen Gewässern zunehmend schwimmende Fundamente entwickelt. Hier liegt viel Potenzial für alternative Lösungen.

Fachausschuss Onshore-Windenergie

Windenergieanlagen an Land dominieren weiterhin den Ausbau der Windenergie. Standorte im flachen Gelände werden jedoch immer seltener. Erhebliches Potenzial für weitere Windparks existiert in hügeligen und bewaldeten Gebieten, auch mit weniger starken mittleren Windgeschwindigkeiten. Die jüngeren technischen Entwicklungen, etwa höhere Türme, versprechen auch an diesen Standorten einen ökonomischen Betrieb von Windenergieanlagen auch bei größeren Investitionen. Das Windgeschwindigkeitsprofil kann jedoch im komplexen Gelände stark variieren. Zusätzlich führt die Interaktion des Windes mit dem Gelände und der Vegetation zu erhöhter Turbulenz. Untersucht wird deshalb, wie die Standorte einzelner Anlagen innerhalb eines Windparks so bestimmt werden können, dass der Energieertrag maximiert wird, ohne gleichzeitig die mechanischen Entwurfslasten der Anlagen zu überschreiten.

Transport und Logistik stellen ebenfalls große Herausforderungen dar, wenn Windenergieanlagen in bergig-komplexem Gelände und bewaldeten Gebieten errichtet werden sollen. Deshalb müssen die Anlagenkomponenten möglichst transportfreundlich ausgelegt werden. Außerdem sind Transportkonzepte für große und schwere Komponenten zu entwickeln.

Forschungsnetzwerk Erneuerbare Energien - Photovoltaik

Expertenempfehlung für das 7. Energieforschungs-programm

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Forschungsnetzwerk Erneuerbare Energien - Windenergie

Expertenempfehlung für das 7. Energieforschungs-programm

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Kontakt

Dr. Thomas Simons
Projektträger Jülich

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