Regenerative/Alternative Energien
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Elektrotechnik
Jahrestagung des FVS 2007 in Hannover - Forschungsergebnisse bisher rasch umgesetzt
ep12/2007, 3 Seiten
Rolle eines Technologieführers behaupten Auf der gemeinsamen Tagung „Produktionstechnologien für die Solarenergie“ des FVS (Forschungsverbund Sonnenenergie) und des BSW (Bundesverband Solarwirtschaft) präsentierten im September an der Leibniz Universität Hannover Institute und Unternehmen aktuelle Forschungsergebnisse und die Früchte ihrer Arbeit. Schwerpunkte der Tagung waren die Photovoltaik, Solarthermie und Solarthermische Kraftwerke, wobei die Palette der Themen von der Material- und Grundlagenforschung bis hin zur Integration in Energieversorgungsnetze reichte. In den Vorträgen und der abschließenden Podiumsdiskussion warben Experten aus Forschung und Wissenschaft für eine deutliche Aufstockung der Forschungsgelder für Erneuerbare Energien und Energieeffizienz um jährlich 20 % für die nächsten fünf Jahre. Nur so ist es möglich, Deutschlands Rolle eines Technologieführers in der weltweiten Solarwirtschaft auch zukünftig zu behaupten, so die Experten. Forschungsergebnisse werden rasch zu Produkten Das Thema der Tagung liegt genau im Trend der Entwicklung: Allein in Deutschland entstehen dieses Jahr 15 neue Solarfabriken, die allesamt mit modernsten Produktionsanlagen auszustatten sind. Kaum eine Branche wächst so schnell, in kaum einer Branche werden aus Forschungsergebnissen so schnell neue Produkte und Fertigungsverfahren. Dank des enormen Marktwachstums in Deutschland konzentriert sich auch die Produktionstechnik hierzulande: Der Spezialmaschinenbau als Zulieferer von einzelnen Schweiß- oder Laminieranlagen bis hin zur schlüsselfertigen Fabrik profitieren vom Solarboom. Allerdings können sich die vorwiegend mittelständischen Unternehmen nicht auf dem erreichten „Know-how“ ausruhen, denn auch hier erfordert die Globalisierung ein immer schnelleres Entwicklungstempo und neue Marktzugänge. Besonders erfolgreich forschen Institute und Unternehmen in Verbundprojekten, die Fördergelder effizient nutzen und Spitzentechnologie in die Industrie überführen sollen. Musterbeispiel ist eine neu entwickelte Rückkontaktsolarzelle, die mit Hilfe der Lasertechnik einen Wirkungsgrad von über 20 % erreicht. Schon nach einem Jahr Projektlaufzeit bereitet der Solarzellenhersteller Q-Cells nun die industrielle Massenproduktion vor. Hohes Potential in Materialien und Verfahren Die Forscher präsentierten eine ganze Reihe von Materialien und Verfahren, die ebenfalls das Potential haben, noch dünnere und bessere Solarzellen schneller, mit weniger Material und Prozessschritten kostengünstiger industriell zu produzieren. So arbeitet beispielsweise die Materialforschung daran, Defekte in Siliziumsolarzellen zu reduzieren. Anderen Forschern gelang es im Labor, den Wirkungsgrad hochwertiger Siliziumzellen durch das Herstellen von Kontakten mittels Laser auf 22 % zu erhöhen. Ultradünne Siliziumsolarzellen wiederum könnten zukünftig nur noch 25 m dick sein, etwa ein Zehntel der heutigen Scheibendicke. Eine interessante Option zur Modulherstellung oder vielleicht sogar -reparatur eröffnet das Verlöten der Zellen auf der Laminierfolie per Laser - teilweise durch das Modulsandwich hindurch. In der Wechselrichtertechnik lassen sich mit neuen Siliziumkarbid-Transistoren (SiC-MOSFETs) Rekordwirkungsgrade von 98,5 % erzielen. Der Kunde kann sich also auf höhere Erträge freuen. Zudem sind durch technische Weiterentwicklungen weitere Kostenreduktionen in Sicht. Ziel beispielsweise des Herstellers SMA sind Reduktionen von 15 auf 20 Eurocent pro W bis 2020. Forschungen laufen derzeit auch zur Bewertung der Qualität und Lebensdauer von PV-Systemen sowie der Leistungsfähigkeit und Standardisierung der PV-Komponenten und -anlagen. Da es bisher keine konkreten Ergebnisse in Hannover gab, bleibt das jeweilige Projektende 2008 und 2009 mit Spannung abzuwarten. In der Dünnschichttechnik ist viel Bewegung In der Dünnschichttechnik ist nach wie vor viel Bewegung. 21 von den weltweit 130 Firmen, die sich mit der Dünnschichttechnik befassen, haben 2006 schon Module produziert. Viele Firmen stehen in den Startlöchern. Dabei erlebt vor allem das amorphe Silizium eine Renaissance - entweder pur oder in Kombination mit mikrokristallinen Zellen in so genannten mikromorphen Modulen. Die Ursachen liegen in neuen Fertigungsanlagen und im Potential, Module unschlagbar günstig in Masse herzustellen. Bis 2015 wird Dünnschichtmodulen ein Anteil von 20 bis 30 % am riesigen Markt prognostiziert, wobei jedoch die Unterscheidung Dick-/ Dünnschicht zunehmend verschwimmen wird. Hohe Kosteneinsparungen versprechen größere Modulformate. Als Beispiel rechnete die Firma Von Ardenne vor, wie sich der transparente Frontkontakt um mehr als 30 % billiger sputtern lässt, wenn statt den heute üblichen 1,1 x 1.3 m2 großen Modulformaten Gläser im „Jumbo-Format“ (3,3 x 6,0 m2) beschichtet werden. Eine neue Dimension der Kostenreduzierung erlauben Rolle-zu-Rolle-Prozesse. Dabei werden die Solarzellenschichten nicht auf einzelne Glasscheiben aufgetragen, sondern es werden flexible Substrate wie Metallfolien am laufenden Band beschichtet. Daueraufgabe bleiben höhere Wirkungsgrade. Dünnschichtmodule auf der Basis von Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) beispielsweise können langfristig Wirkungsgrade im Bereich von 15 bis 18 % erreichen. Höhere Werte lassen sich nur mit Multispektralzellen erreichen, die aus mehreren übereinander gestapelten Einzelzellen unterschiedlicher Farbempfindlichkeit bestehen. In Entwicklung befinden sich zudem ein Punktkontaktkonzept, das ca. 10 % Wirkungsgradsteigerung einbringt, sowie cadmiumfreie Pufferschichten und Frontkontakte. Langfristig sollen die CIS-Zellen nämlich möglichst ohne das giftige Schwermetall auskommen. Besser zu erforschen bleibt die Langzeitstabilität. 35 bis 40 Jahre Lebensdauer sollten möglich sein, sind aber aufgrund der fehlenden Langzeiterfahrungen noch schwierig nachzuweisen. Solarzellen aus Cadmiumtellurid (CdTe) werden zurzeit offensichtlich auf eigene Rechnung von der Industrie erforscht. So war diese Technologie auf der Tagung nicht vertreten. Organische Zellen brauchen noch Forschung Das jüngste und derzeit viel beachtete Kind in der Dünnschichtfamilie sind organische Solarzellen (Bild ). Sie bestehen aus organischen Halbleitern (Kunststoffen) und funktionieren nach dem umgekehrten Prinzip wie Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 12 1052 BRANCHE AKTUELL Jahrestagung des FVS 2007 in Hannover Forschungsergebnisse bisher rasch umgesetzt Auf der Jahrestagung des FVS (Forschungsverbund Sonnenenergie) präsentierten Institute und Unternehmen aktuelle Forschungsergebnisse. Schwerpunkte der Tagung waren die Photovoltaik, Solarthermie und Solarthermische Kraftwerke. Die Themen reichten von der Material- und Grundlagenforschung bis hin zur Integration in Energieversorgungsnetze. Organische Solarzellen befinden sich noch am Anfang ihrer Entwicklung Foto: ZAE Bayern Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 12 1054 BRANCHE AKTUELL organische LEDs. Die Kostenperspektive ist wegen der einfachen Herstellungsverfahren wie Tintenstrahldruck und Filmziehen äußerst vielversprechend. Beim Filmziehen wird das Halbleitermaterial in einem Lösungsmittel verflüssigt, auf das Substrat geträufelt und mit einer Klinge in kleinem Abstand zu einem dünnen Film gezogen. Die Schwächen der Kunststoffsolarzellen liegen sowohl in ihrem niedrigen Wirkungsgrad, der bei Tandemzellen momentan (Stand 2007) maximal 6,5 % beträgt, als auch in ihrer Stabilität. Da zum Erreichen der Mindestanforderung an die Stabilität (3 bis 5 Jahre) noch Grundlagenforschung nötig ist, werden wohl in üblichen PV-Anlagen für Dächer oder Freiflächen die leichten und flexiblen organischen Zellen vorerst nicht zum Einsatz kommen. Vielmehr zielen die Hersteller auf die Stromversorgung mobiler Kleingeräte, so genannter Outdoor-Produkte und „Low-Budget“-Anwendungen ab. Solarthermie hofft auf verlässliche Bedingungen Gegenüber der Photovoltaik hat die Solarthermie sowohl in der Forschung als auch in der Produktionsautomatisierung Nachholbedarf. Das spiegelte sich nicht nur in den Schwerpunkten der Vorträge wider, sondern auch in der Anzahl der Zuhörer. Schuld ist der wesentlich weniger üppige und überdies unstete Markt. Für 2007 rechnet der BSW sogar mit einem Marktrückgang. Die Branche hofft hier, dass das seit langem angekündigte Wärmegesetz kommt und endlich verlässliche Rahmenbedingungen schaffen wird. Den Produktionstechnologien sollen die europäische und die vor wenigen Monaten ins Leben gerufene deutsche Technologieplattform neuen Schub geben. Die auf der Tagung präsentierten Entwicklungstrends galten im Wesentlichen den Flachkollektoren, die mit 90 % Anteil den Markt dominieren. Neben Antireflexglas und besseren und beständigen Absorberbeschichtungen lassen sich auch die Absorberrohre noch optimieren, denn statisch würden wesentlich dünnere Rohrwände und damit weniger Material ausreichen. Mit den noch stärker als beim Aluminium gestiegenen Kupferpreisen sind bei den Absorberblechen schon einige Hersteller auf Aluminium umgestiegen. Auch bei Absorberrohren wird Aluminium Kupfer weiter verdrängen. Als Ersatz untersucht werden zudem Stahl und Kunststoff (Polymere). Unter dem Motto „Messen statt Drosseln“ stellten die Firmen Grundfos und Resol intelligente Mikrosensoren vor, die in Solarstationen von Resol die konventionellen Durchflussmesser ersetzen. Sie messen mit +/-1,5 % Genauigkeit bewegungslos den Durchfluss, in dem sie die Wirbelfrequenz erfassen, und gleichzeitig Druck und Temperatur (Bild a) und b)). So erlauben sie eine einfache Wärmemengenzählung ohne hydraulischen Widerstand und eine Drehzahlregelung der Pumpe. Zur Funktionskontrolle und Ertragssicherung solarthermischer Anlagen hat das Institut für Solarenergieforschung ISFH bereits vor einigen Jahren das „Input/Output“-Verfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren wird die Solareinstrahlung gemessen und daraus täglich ein erwarteter Ertrag simuliert, um ihn mit dem gemessenen Solarertrag zu vergleichen. Aufgrund der verhältnismäßig hohen Kosten für eine Kleinanlage für 3 bis 4 Personen erscheint das Verfahren jedoch bislang nur für Großanlagen geeignet. Solarthermische Kraftwerke in Spanien In ungleich größerem Stil entstehen derzeit in Spanien solarthermische Parabolrinnenkraftwerke. Als führender Hersteller von Receivern für solche Anlagen hat Schott die Forschungsmittel für die Entwicklung von Technologien verwendet, um trotz der starken mechanischen und thermischen Belastungen mindestens eine Lebensdauer von 20 Jahren und ein stabiles Vakuum zu gewährleisten. Damit über 95 % der von den Kollektorspiegeln reflektierten Sonnenstrahlen die Absorberrohre treffen, muss das riesige Solarfeld aus Tausenden von Konzentratormodulen äußerst exakt gefertigt und montiert werden. Dazu wurden am DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) Montagehilfen, Überwachungstechnik und hochgenaue optische Messverfahren zur Qualitätssicherung entwickelt. Die Firma Flagsol zeigte, welcher beachtlichen Logistik es bedarf, für eine Kraftwerkseinheit mit 50 MW das Solarfeld (den „Boiler“) mit etwa 500000 m2 Aperturfläche in 2-jähriger Bauzeit zu errichten. Ohne EEG Anstieg der CO2-Emissionen Als übergreifendes Leitthema der Tagung kam der Klimaschutz immer wieder zur Sprache, gleichsam als Motivation und Bestätigung. Denn ohne den Ausbau der erneuerbaren Energien mit Hilfe des EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) hätte Deutschland einen Anstieg der CO2-Emissionen zu verbuchen. Die professionelle Entwicklung der erneuerbaren Energien führte innerhalb von sechs Jahren zu einer Verdoppelung des Anteils am Primärenergieverbrauch. Mit einer viertel Million Arbeitsplätzen ist die Branche als Wirtschaftsgröße nicht mehr wegzudenken. Laut der Leitstudie des Umweltministeriums wirkt der Ausbau der erneuerbaren Energien aufgrund der Exporte auch unter dem Strich positiv, das heißt stärker als Jobmotor denn als Jobkiller. Deutsche Firmen sind beispielsweise in allen Bereichen der Photovoltaik-Wertschöpfungskette gut aufgestellt. Dazu trägt auch der „Exportschlager“ EEG bei, denn in über 40 Ländern wurden inzwischen EEG-ähnliche Fördersysteme übernommen. Wenn die internationalen Märkte sich entwickeln, steigt aber der Innovationsdruck. Das Umweltministerium sieht daher eine Kostenhalbierung in 7 Jahren vor. Der Forschungsverbund sieht die Branche durchaus in der Lage dazu, hält dafür jedoch eine Anhebung der Forschungsmittel um 20 % pro Jahr und eine angemessene Degression der Einspeisevergütung im EEG für notwendig. Die Meinungen darüber, ob für Solarstrom nun 5 %, an denen die Industrie festhalten möchte, oder eine höhere Degression angemessen ist, gehen naturgemäß auseinander. Fazit Einig sind sich Forscher und Industrie in ihrer Botschaft an die Politik. Die „Hightechstrategie“ der Bundesregierung geht in der Solartechnik voll auf, ist aber kein Selbstläufer. So braucht Forschung und Entwicklung Geld, Zeit und ein Miteinander, um guten Köpfen Freiraum und eine langfristige Perspektive zu geben. Ein drängendes Problem lässt sich jedoch allein mit mehr Geld nicht lösen: der massive Mangel gut ausgebildeter Kräfte. Nachwuchsforscher verlassen Institute viel zu schnell in Richtung Industrie, die ihren ständig wachsenden Bedarf an Fachkräften ebenfalls nur schwer decken kann. Nachholbedarf besteht also auch in der Aus- und Weiterbildung. 2008 soll sich die Tagung deswegen diesem Thema annehmen und gezielt an Studenten richten. C. Hemmerle a) Ohne bewegliche Teile Durchfluss, Druck und Temperatur im Solarkreis mit Mikrosensoren messen. b) Um den Durchfluss zu messen, erfasst der Mikrosensor die Wirbelfrequenz nach dem Vortex-Prinzip. Quelle: Grundfos a) b)
Autor
- C. Hemmerle
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