Der Klimawandel, den wir als Weltbevölkerung – und hier vor allem in den Industrienationen – mit unserem Hunger nach Energie, Mobilität, Konsum, weltweiter Vernetzung vorantreiben, wird in aller erster Linie uns selbst und unseren nachfolgenden Generationen schaden … an diesen Herausforderungen müssen wir unsere Arbeit messen und für ihre Lösung wollen wir im Fraunhofer ISC essentielle Beiträge leisten.
Seit den 1980er Jahren steigt das gesellschaftliche Bewusstsein für die Notwendigkeit einer Energiewende. Mit dem Übergang von der Verwendung endlicher Ressourcen zu erneuerbaren Energien geht auch die erforderliche Effizienzsteigerung von Solarenergie-Wandlern einher. Selbst Siliciumsolarzellen mit den derzeit höchsten Wirkungsgraden bieten zwar eindeutige Vorteile, stoßen allerdings auch an physikalische Grenzen.
Einerseits liefern hocheffiziente siliciumbasierte Solarzellen kostengünstigen Strom und verbrauchen hierbei weniger Fläche sowie Materialien als einfache Photovoltaikzellen. Andererseits sind auch sie in ihrem Wirkungsgrad nicht beliebig steigerungsfähig. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass ein zukunftsorientierter Forschungsansatz den Blick auf die Kombination aus mehreren Materialien richtet. Das Leitprojekt »MaNiTU« stellt daher die Entwicklung von Tandemsolarzellen ins Zentrum, indem es sich auf die Forschung an Absorbermaterialien konzentriert.
Ausgangspunkt des Leitprojekts ist die Perowskit-Solarzellentechnologie, die in den vergangenen zehn Jahren eine Steigerung ihres Wirkungsgrads von 3,8 % auf 24,2 % erfahren hat. Diese Technologie verspricht hierbei nicht nur Steigerungspotenzial im Hinblick auf den Wirkungsgrad, sondern auch minimale Produktionskosten sowie einfache Herstellungsprozesse. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften eignet sich die Klasse der Perowskit-Materialien außerdem für den Einsatz in Tandemstrukturen, die auf Siliciumsolarzellen basieren. Tandemsolarzellen dieser Art sind besonders interessant, da sie Wirkungsgrade von über 35 % erzielen können.
Mit der EU-Richtlinie RoHS zur Einschränkung der Verwendung giftiger oder kritischer Materialien gestaltet sich der Einsatz von Perwoskiten jedoch problematisch. Denn die Klasse der Perowskit-Materialien ist in der Herstellung von Solarzellen derzeit noch auf das als kritisch klassifizierte Material Blei angewiesen.
Die jährlichen Photovoltaik-Installationen steigen in den nächsten fünf bis zehn Jahren weltweit voraussichtlich auf mehr als 1 TWp. Demzufolge wird der Verzicht auf giftige sowie kritische Materialien bei der Herstellung von Solarmodulen immer wichtiger. Der Einsatz von Perowskiten ohne das Beifügen von Blei ist bisher nicht möglich. Im Leitprojekt »MaNiTU« arbeiten sechs Fraunhofer-Institute gemeinsam an der Entwicklung von neuen bleifreien Absorberschichten sowie Kontakt- und Passivierungsschichten.
Diese Schichten basieren auf bekannten Perwoskitabsorbermaterialien, die dank modernster materialwissenschaftlicher Methoden ohne kritische und giftige Stoffe auskommen. Bei der Kombination aus bleifreier Perowskittechnologie und Siliciumtechnologie können Perowskitsolarzellen direkt auf Siliciumsolarzellen abgeschieden werden. Die einzelnen Solarzellen nutzen hierbei unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums besonders effizient, sodass der Wirkungsgrad insgesamt gesteigert wird. Auf diese Weise produziert die gleiche Solarzellenfläche letztendlich mehr Strom.
Das Fraunhofer ISC übernimmt mit seiner Expertise im Hinblick auf nasschemische Materialsynthese und Elektrodenapplikationen eine wesentliche Rolle im Leitprojekt »MaNiTU«. In Kombination mit der Expertise wird der Tandem-Ansatz die Solarzellenforschung in Deutschland voranbringen und einem auch wirtschaftlich interessanten Innovationsvorsprung ermöglichen.
© Fraunhofer ISE
Große Teile der europäischen Industrie, darunter auch die europäische Automobilindustrie, sind zunehmend auf importierte Lithium-Ionen-Zellen angewiesen. Der europäische »Green Deal« und verschiedene unterstützende Maßnahmen zielen darauf ab, das Beschäftigungs-, Wachstums- und Investitionspotenzial von Batterien zu nutzen. Es soll eine wettbewerbsfähige Wertschöpfungskette »Batterie« in Europa geschaffen werden – nicht zuletzt, um Batterietechnologien umweltfreundlicher und »grüner« zu machen.
Lithium-Ionen-Batterien benötigen neben dem Lithium eine Reihe von speziellen Funktionsmaterialien für ihre Leistungsfähigkeit. Einige davon klingen eher unspektakulär: leitfähige Additive. Tatsächlich sind leitfähige Zusätze wie Leitruß oder Kohlenstoff-Nanoröhren ein entscheidender Baustein für die Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit von Lithium-Ionen-Batterien und sie sind für das Erreichen schneller Lade- und Entladeraten unerlässlich. Im schnell wachsenden Batteriemarkt machen die Rohstoffe den größten Teil der Kosten in der Produktion aus. Kohlenstoff, hier speziell Leitruß, wird in der Regel mit hohem Energie- und Prozessmaterialaufwand hergestellt.
Das vom Fraunhofer ISC koordinierte Verbundprojekt »HiQ-CARB« zielt darauf ab, neue Kohlenstoffe mit einer überlegenen Leistung und einem geringen CO2-Fußabdruck für zukünftige »grünere« Batterien in Europa bereitzustellen.
Der »HiQ-CARB«-Ansatz für »grüne« Kohlenstoff-Additive ist die Kombination von dünnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Acetylenruß, die mit hoher Leitfähigkeit und geringer CO2-Emission bei der Herstellung punkten. In Kombination bilden sie ein nahezu ideal leitendes Netzwerk innerhalb der Batterieelektrode. Dies trägt erheblich zur Verbesserung der Umweltbilanz bei, z. B. durch die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks der Materialherstellung. Darüber hinaus werden die bereits kommerzialisierten Standard-Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nanotubes – CNT) durch neue, noch viel dünnere CNT ersetzt. Das erlaubt es, für die gleiche oder sogar bessere Batterieleistung die Menge an Kohlenstoffmaterialien zu reduzieren, und führt zu einer verbesserten Ressourceneffizienz. Darüber hinaus ist dies das einzige CNT Material weltweit, das aus einem erneuerbaren Bioethanol-Rohstoff hergestellt wird.
Außerdem wird im Rahmen des Projekts eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt, um die Nachhaltigkeit des Produktionsprozesses zu bewerten.
Das Projektteam von »HiQ-CARB« setzt zum einen auf sehr profilierte Unternehmen wie ARKEMA oder ORION für die Herstellung von fortschrittlichen Additiven und Customcells für die Batteriezellproduktion. Zum anderen sind namhafte FuE-Partner wie das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, die Aalto-Universität und die Universität Bordeaux für den wissenschaftlichen Teil der Evaluierung und Erprobung der neuen Materialkombinationen selbst und der daraus hergestellten Batteriezellen beteiligt.
Gefördert wird das Projekt von der Europäischen Union über EIT RawMaterials.
Im Rahmen des eigenfinanzierten Innovationsprogramms der FraunhoferGesellschaft wurde das Vorhaben DeCaBo (DeCarbonisation of Buildings and Operation) auf den Weg gebracht. Das Projekt untersuchte mit einer Laufzeit von nur fünf Monaten Lösungen für vier relevante Technologiebereiche, die das Ziel der Fraunhofer-Gesellschaft unterstützen, ab dem Jahr 2030 klimaneutral zu sein: CO2-arme Bauprodukte, Planung und Betrieb von Gebäuden sowie das Recycling von Baustoffen.
Das breite Know-how von 16 Fraunhofer-Instituten floss in die unterschiedlichen Fragestellungen ein. Mit dem Ziel, Methoden und Werkzeuge für die Transformation der Fraunhofer-Gesellschaft hin zu einem klimaneutralen Betrieb zu entwickeln, wurden Leistungsbilder für Sanierungsfahrpläne sowie Potentiale für erneuerbare Energieträger ermittelt. Für die Digitalisierung des Gebäudebetriebs zur Steigerung der Energieperformance wurde eine Roadmap für die flächendeckende Einführung eines intelligenten Gebäudemonitorings aufgestellt und erste innovative Finanzierungsmodelle auch für die öffentliche Hand entwickelt.
Doch auch neue Lösungen für die Herstellung, den Einsatz und das effiziente Recycling von Baumaterialien wurden gesucht, denn die Entwicklung neuer Baustoffe und Verfahren kann einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten. Neben Methoden und Verfahren für neue Bauprodukte wie z. B. Dämmstoffe aus Rotorblattrecycling und nachwachsenden Rohstoffe oder hybride Holz-Beton-Bauteile wurden auch Sanierputze und neue Technologien und Materialien für Wärmedämmverbundsysteme erfolgreich angearbeitet. Das Fraunhofer ISC war hier maßgeblich an der Entwicklung von Fügetechnologien in der Glastechnik mit induktiv schmelzbaren Glasloten für energiesparende Vakuumisolierverglasungen beteiligt, die eine schnelle und energiesparende gasdichte Verbindung der Glasscheiben ermöglichen. Schlüssel zum Erfolg war hier die Verbindung von speziellen Magnetpartikeln (MagSilica®), mit niedrigschmelzenden Gläsern.
Auch umweltfreundlichere Alternativen für PVC-Rahmenprofile und Dichtungscompounds auf der Basis nachwachsender Rohstoffe in Verbindung mit rPET/rHDPE Recyclaten wurden getestet. Das Fraunhofer ISC steuerte hier mit seinen ORMOCER®-Lacken Know-how und Material für den langfristigen Temperatur- und UV-Schutz der neuartigen Extrusionsmaterialien bei. Das ORMOCER®-Know-how kam darüber hinaus bei der Verbesserung von naturfaser-bewehrten Geopolymeren zum Einsatz, die eine deutlich bessere CO2-Bilanz aufweisen als Beton mit Stahlbewehrung.
Neben rein mineralischem Bauschutt – wie auf dem Bild gezeigt – gibt es heute eine Reihe von Verbund-Baustoffen mit einem komplexen mineralisch – organisch – metallischen Materialmix. Solche Verbundsysteme möglichst gut und einfach zu trennen, ist eine der Aufgaben im Projekt DeCaBo
© Fraunhofer (Grafik), Pixabay (Foto)
Eine zentrale Herausforderung beim Recycling von Baustoffen ist das Trennen der unterschiedlichen Materialkomponenten. Im Rahmen des Projektes wurden Verfahren zur Anwendung thermischer Trennverfahren bei Klebstoffen erfolgreich weiterentwickelt. Auch hier kamen speziell adaptierte MagSilica®-Partikel aus dem ISC zum Einsatz, die sich in Harzsystemen gut dispergieren lassen. Damit konnten induktive Verfahren zur einfachen Auftrennung von Klebeverbindungen von Wärmedämm-Verbundsystemen und Beton-Fertigteilen erfolgreich eingesetzt werden.
Mit dem Vorhaben DeCaBo wurden eine Reihe von interessanten und kreativen Lösungsideen angedacht und getestet, die viel zum CO2-sparenden Bau und Betrieb von Gebäuden beitragen können. Was zunächst Ideen für die Fraunhofer-Gesellschaft selbst generiert hat, wird auch für die Bauindustrie in Zukunft wichtige Impulse geben können zur Weiterentwicklung von Baustoffen und Verfahren, um die hohen CO2-Emissionen aus diesem Sektor zu senken.
MagSilica®: eingetragene Marke von Evonik
Im Rahmen des EU-Förderprogramms Horizon 2020 soll der Transformationsprozess energieintensiver Produktionsindustrien zur CO2-Neutralität in 2050 unterstützt werden. Im SPIRE-Verbundprojekt »FORGE« werden vier zentrale Herausforderungen – H2-Versprödung, Korrosion, Abrasion sowie mechanische und thermische Schädigung – in den vier Schlüsseltechnologien Zement-, Stahl, Aluminium- und Keramikherstellung adressiert.
Die derzeit in energieintensiven Industriezweigen eingesetzten Anlagen sind anfällig für Korrosion und Erosion sowie für Sprödbruch und Rissbildung, die durch die Gasatmosphäre und die thermische Belastung im Ofenbetrieb entstehen. Die Produktionseffizienz und Lebensdauer von Anlagenkomponenten zu erhöhen, ist von wesentlicher Bedeutung für eine umweltfreundlichere Zement-, Stahl, Aluminium und Keramikherstellung, auch im Hinblick auf für die Zukunft geplante Anlagen mit verringerter CO2-Emission. Das von der EU finanzierte »FORGE«-Projekt will neue kostengünstige Beschichtungslösungen speziell für den Schutz besonders gefährdeter Anlagenkomponenten entwickeln. Im Fokus stehen dafür neuartige, sogenannte Compositionally Complex Materials, die in der Theorie aufgrund ihrer speziellen Zusammensetzung eine besondere mechanische, chemische und thermische Stabilität versprechen. FORGE wird diesen neuen Werkstoffraum der sogenannte Compositionally Complex Alloys (CCA) und Compositionally Complex Ceramics (CCC) erforschen.
Das Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperaturleichtbau HTL ist in »FORGE« für die Entwicklung neuartiger Beschichtungen zur Verringerung der thermischen und korrosiven Degradation des Feuerfestmaterials in Tunnelöfen verantwortlich. Im Zentrum stehen keramische Beschichtungen auf der Basis von CCC mit komplexen, entropie-stabilisierten Zusammensetzungen.
Diese Zusammensetzungen sollen durch die Kombination von Methoden des maschinellen Lernens, Künstlicher Intelligenz, Computational Chemistry sowie durch thermodynamische Betrachtungen und High-Throughput-Experimente entwickelt werden.
Im Rahmen des Projekts werden die neuen CCA- und CCC-Hochleistungsbeschichtungen in besonders anfälligen Prozessschritten wie CO2-Abscheidung und Abwärmerückgewinnung sowie direkt in den Öfen eingesetzt, um die dort auftretenden Degradationskräfte zu bekämpfen. Es wird erwartet, dass als Ergebnis des FORGE-Projekts die Betriebsdauer der anfälligen Komponenten in den adressierten Industriezweigen wesentlich erhöht werden kann und damit eine signifikante Minimierung der Kosten sowie der CO2-Emissionen erreicht wird.
Im Bereich der Luftfahrt stehen Gewichtsreduzierung und Energieeffizienz ganz oben bei den Anforderungen – auch für neue Materialien und Komponenten. Keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC) bieten im Hinblick auf den Einsatz in Fluggasturbinen dabei wesentliche Vorteile: Bei CMC-Komponenten beträgt die Dichte nur ein Drittel im Vergleich zu konventionellen Metallbauteilen, damit tragen sie zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung bei. Auch können sie bei bis zu 300 K höheren Temperaturen eingesetzt werden. Im Heißbereich von Gasturbinen ermöglichen CMC-Bauteile deshalb eine effizientere und vollständigere Verbrennung, sparen Treibstoff und verringern so die CO2-Emissionen. Mit oxidkeramischen Verbundwerkstoffen (O-CMC) ist außerdem naturgemäß eine hohe Oxidationsbeständigkeit sowie eine geringe Korrosionsneigung in der Verbrennungsatmosphäre gewährleistet, damit lässt sich die Betriebsdauer der Komponenten erhöhen.
Das Fraunhofer-Zentrum HTL arbeitet seit Anfang 2021 im Rahmen des Projekts »AirfOx«, gefördert über das bayerische Luftfahrtprogramm BayLu25, daran, einen automatisierungsfähigen Prozess und Technologien zu entwickeln, mit denen eine endkonturnahe Fertigung von Triebwerksschaufeln für Fluggasturbinen (Airfoils) aus oxidischen Keramikfasern integral und serientauglich möglich ist.
Durch den Einsatz von Multiskalensimulation und CAD-Programmen zur lastgerechten Faserauslegung soll am Beispiel der Airfoil aufgezeigt werden, wie die Entwicklung einer komplexen 3D-Preform in der CMC-Herstellung ablaufen kann. Mit innovativen Webtechniken wird eine neue Herstellungsmethode für dreidimensionale Gewebe-Preforms aus keramischen Verstärkungsfasern für CMC-Komponenten mit unterschiedlich langen Deckflächen entwickelt, wobei gleichzeitig Stützstrukturen in Form von Stegen eingewebt werden können. Auch lokal auftretende Spannungsspitzen, die bei der Modellierung erkannt werden, können so bereits bei der Gewebeauslegung berücksichtigt werden. Dabei ist die Übertragung textiler 3D-Webtechniken auf keramische Fasern aufgrund deren Sprödigkeit eine besondere Herausforderung. Mit der speziellen Fertigungstechnologie werden die textilkeramischen 3D-Preforms endkonturnah an einem Stück hergestellt. So kann im Fertigungsprozess eine hohe Ressourceneffizienz gewährleistet werden.
Im Projekt wird ein Digitalisierungskonzept für die Fertigung der Preform entwickelt, um die Produktionsdaten, die wesentlich für die Bauteileigenschaften sind, während der webtechnischen Umsetzung des textilen Halbzeugs kontinuierlich zu erfassen und zu bewerten. Ziel ist der Aufbau eines Daten-Management-Systems als vorbereitende Maßnahme für Zertifizierungen zur Gewährleistung der Rückverfolgbarkeit aller Prozessparameter, um so spätere Luftfahrtzulassung zu erleichtern.
Das textile Halbzeug wird in vier Schritten zu einem CMC-Bauteil umgesetzt, wobei das spezielle Verfahren für die Infiltration erstmals für diese Art von 3D-Preforms zur Anwendung kommt. Neben der Technologieentwicklung des Infiltrationsverfahrens steht die Automatisierbarkeit des Prozesses im Fokus.
CMC-Airfoils können signifikant dazu beitragen, den Treibstoffverbrauch zu reduzieren und den CO2-Ausstoß zu verringern. »AirfOx« wird hier einen wesentlichen Beitrag in Richtung einer Serienfertigung leisten und soll den Weg ebnen, um die neue ressourceneffiziente Technologie zur Herstellung von komplexen 3D-Faserprefoms für CMCs zu etablieren, die dann auch für andere CMC-Typen, z. B. SiC/SiC-CMC, eingesetzt werden können.
© Fraunhofer-Anwendungszentrum Textile Faserkeramik/Fraunhofer-Zentrum HTL
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC