Der Klimawandel bedroht nicht nur Mensch und Natur, auch vor unseren Kulturgütern macht er nicht Halt. Extreme Hitze und Feuchtigkeit setzen den Kulturgütern in Zukunft verstärkt zu. Ein multidisziplinär zusammengesetztes Team mit 27 Partnern, darunter auch das Fraunhofer ISC, ging im EU-Forschungsprojekt »Climate for Culture« der Frage nach, wie man historische Bauten und ihre Kunstobjekte vor dem Verfall retten kann. Dabei wurden Klimamodelle, Mess- und Prognoseverfahren entwickelt, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Innenräume historischer Gebäude und ihre Kunstsammlungen abschätzen zu können. Zudem wurde untersucht, welchen Aufwand man in Zukunft betreiben muss hinsichtlich einer nachhaltigen Klimatisierung von historischen Gebäuden.
Der Einsatz konventioneller Kleinwasserkraftwerke stößt immer mehr an Grenzen, da sie in das Ökosystem eingreifen und ihre Standorte limitiert sind. Im Projekt DEGREEN verfolgte das Fraunhofer ISC einen neuen Ansatz zur regenerativen Stromerzeugung. Dehnbare Elastomerfolien verwandeln umweltschonend die mechanische Energie von Wasserströmungen in kleinen Flüssen direkt in elektrische Energie. Als modulares und autarkes System lässt sich der Generator an die Strömungsbedingungen vor Ort anpassen und zur dezentralen Stromerzeugung nutzen.
Dieses Jahr feiert die industrielle Entspiegelung von Glasflächen für Solaranlagen ihr zwanzigjähriges Jubiläum – entwickelt und zur Marktreife gebracht vom Fraunhofer ISC und seinen Partnern.
Photovoltaiksysteme (PV-Systeme) und solarthermische Anlagen sind mit Frontscheiben aus Glas ausgerüstet, die wiederum im Sonnenlicht bei ungünstigen Einstrahlwinkeln stark reflektieren. Das reflektierte Licht kann zur Energieumsetzung nicht genutzt werden. Die Entspiegelung der Glasoberfläche wird durch die vom ISC entwickelte Antireflexschicht deutlich minimiert, der Energieertrag somit um 2-3 % erhöht. Heute ist diese Antireflexschicht weltweit Stand der Technik.
Ein Großteil weltweit installierten PV-Kraftwerke werden in ariden bzw. Wüstenregionen installiert, mit den daraus hervorgehenden Problemen. Selbst unter optimierten Reinigungsszenarien reduziert die Verschmutzung die aktuelle globale Solarstromproduktion um mindestens 3 % bis 4 %, wobei jährliche Umsatzverluste von bis zu 5 Mrd. € entstehen.[1]
Das Fraunhofer ISC hat für dieses Problem eine Lösung entwickelt: Eine kombinierte Antireflex-/Antistaub-Beschichtung minimiert nicht nur die Reflexionsverluste sondern verringert auch das Anhaften von Schmutz auf den Solar-Modulen. Mit Hilfe der Funktionsschichten des ISC können so die Unterhaltskosten der Solaranlagen minimiert und deren Energieeffizienz auch bei ungünstigen Rahmenbedingungen verbessert werden.
[1] Ilse et al. : “Techno-Economic Assessment of Soiling Losses and Mitigation Strategies for Solar Power Generation” Joule Pub Date : 2019-09-26 , DOI: 10.1016/j.joule.2019.08.019
Bislang kann die flächendeckende Energieversorgung nicht allein durch regenerative Energien sichergestellt werden. Kohlekraftwerke als konventionelle Energieträger sind für die Energieversorgung derzeit noch notwendig. Doch aufgrund ihres hohen CO2-Austoßes gibt es großen Handlungsbedarf, um die Energiegewinnung effizienter und umweltverträglicher zu gestalten. Das Center of Device Development CeDeD des Fraunhofer ISC konnte in verschiedenen Projekten durch eine Verbesserung der Verbrennungsprozesse nachweisen, dass der Kohlenstoffdioxid-Ausstoß erheblich minimiert und primäre Energie eingespart werden kann. Ein Kohlekraftwerk mit einer Leistung von 4 Gigawatt kann so im Jahr seine CO2 Emission um rund 3 Millionen Tonnen reduzieren.
Bei vielen Prozessen entsteht Wärmeenergie, die als »Abfall« entsorgt wird. Das bedeutet, dass Energiequellen hier nicht effizient genutzt werden. Durch die aktive Kühlung entstehen außerdem nicht nur zusätzliche Kosten, sondern Klima und Umwelt werden weiter belastet. Es gibt jedoch spezielle Materialien, die Wärme besonders gut speichern, sogenannte Latentwärmespeicher oder Phase Change Materials (PCM), die Wärme durch einen Phasenübergang in chemischer Form speichern. Das Fraunhofer ISC hat ein intelligentes Verfahren entwickelt, mit dem solche PCM verkapselt und für unterschiedliche Einsatzgebiete nutzbar gemacht werden können. Statt die Wärme also mit Energieaufwand »wegzukühlen«, kann man sie für später nutzen und spart damit doppelt CO2.
Elektromobilität, wie wir sie heute kennen, benötigt große Mengen an leistungsfähigen Lithium-Ionen-Batterien. Für die Herstellung von solchen Traktionsbatterien werden wertvolle Rohstoffe zu noch wertvolleren Funktionsmaterialien verarbeitet, die nach Lebensende der Batterien möglichst im Wertstoffkreislauf erhalten bleiben sollten. Gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung hat das Fraunhofer ISC ein wirkungsvolles und intelligentes Verfahren zur Abtrennung der seltenen Rohstoffe aus Altbatterien und zur Aufbereitung der zurückgewonnen Funktionsmaterialien entwickelt. Das berührungslose Trennverfahren durch elektrohydraulische Zerkleinerung ist besonders energieeffizient. Wertvolle Batterie-Funktionsmaterialien werden möglichst ressourcenschonend zurückzugewonnen. Der Energiebedarf für die Gewinnung und den Transport neuer Rohstoffe sowie für die Verarbeitung der elementaren Rohstoffe zu den Funktionsmaterialien kann ebenfalls verringert werden. Das spart nicht nur Rohstoffe, sondern auch CO2.
In Gaskraftwerken und Fluggasturbinen geht bei der Wandlung von Verbrennungsenergie in Strom oder Wärme Energie verloren, weil die heute zur Verfügung stehenden metallischen Materialien den hohen Verbrennungstemperaturen nicht gewachsen sind. Im Verbrennungsraum bzw. Heißgasbereich müssen Kühlsysteme dafür sorgen, dass Rohrleitungen und Turbinen nicht überhitzen.
Das Fraunhofer ISC mit seinem Zentrum für Hochtemperaturleichtbau HTL in Bayreuth und seine Partner arbeiten deshalb an der Produktionsentwicklung für neue Faserverbundkeramiken (CMC). CMC halten hohe Temperaturen und die enormen Belastungen besser aus als die heute verwendeten metallischen Werkstoffe, damit ließe sich die Effizienz konventioneller Kraftwerke und Flugzeugantrieben deutlich steigern und deren CO2-Fußabdruck verringern. Überdies sind Bauteile aus Faserverbundkeramik bei gleicher Stabilität deutlich leichter, was wiederum Energie spart.
Die Arbeitsgruppe Keramikfasern des Fraunhofer-Zentrums HTL arbeitet seit Anfang der 1990er Jahre an der Entwicklung von keramischen Verstärkungsfasern in den Stoffsystemen Al-Si-O und Si-C-N-B und deren Herstellung vom Labormaßstab bis hin zum erweiterten Technikumsmaßstab. Dabei wird die komplette Prozesskette von der Synthese der spinnfähigen Rohstoffe bis zur fertig prozessierten und für die Weiterverarbeitung mit einer Schlichte versehene Endlosfaser abgedeckt.
Im Rahmen des Programms »Neue Werkstoffe in Bayern« des Bayerischen Wirtschaftsministerium und der Projektreihe »SiC-Tec« wurden zusammen mit Industriepartnern SiC(N)-Fasern mit einer Zugfestigkeit von 2500 MPa und einem E-Modul von 150 GPa entwickelt. Diese können bereits jetzt in einer Technikumsanlage am Standort Würzburg mit einer Kapazität von ca. 1 kg pro Monat basierend auf einem Trockenspinnverfahren unter Inertgasbedingungen hergestellt werden. Parallel dazu werden mit verschiedenen Partnern Trockenspinnprozesse für Langfasern im Stoffsystem Al-Si-O entwickelt. Angestrebt werden mechanische Eigenschaften, die mit den keramischen Endlosfasern der Firma 3MTM vom Typ NextelTM 610 bzw. 720 oder NITIVY ALFTM 72/28 vergleichbar sind.
Basierend auf den beiden Entwicklungsrouten wird am Standort Bayreuth eine Faserpilotanlage errichtet, die im 24-Stunden-Betrieb für die oxidischen Fasern eine Jahreskapazität von 3 Tonnen und für die nichtoxidischen Verstärkungsfasern im Stoffsystem Si-B-N-C eine Kapazität von mehr als 5 Tonnen ermöglichen wird. Das Gebäude mit seiner gesamten technischen Infrastruktur wurde im April 2019 eröffnet. Im 1. Quartal 2020 nehmen die beiden FuE-Linien ihren Betrieb auf. Neben der eigentlichen Faserherstellung sind in beide Linien auch Anlagen zur keramischen Beschichtung der Endlosfasern integriert. Auf dieser Basis können dann CMC-Werkstoffe und –Bauteile für eine verbesserte Kraftwerkstechnik hergestellt werden.
So ließe sich in Zukunft die Effizienz konventioneller Kraftwerke und Flugzeugantriebe deutlich steigern und deren CO2-Fußabdruck verringern.
Für eine klimaneutrale Energieversorgung werden Alternativen für fossile Brennstoffe benötigt. Die Natur hat in Jahrmilliarden das Prinzip der Photosynthese entwickelt, mit dem Pflanzen aus Sonnenlicht Energie für ihr Wachstum gewinnen. Dieses Vorbild macht sich die Initiative SUNRISE zunutze, die Sonnenenergie u. a. mit künstlicher Photosynthese für die Erzeugung von Wasserstoff einsetzen möchte. In dieser Initiative plant das Fraunhofer ISC mit seinen Partnern die Entwicklung eines hocheffizienten, umweltfreundlichen und skalierbaren Systems für die solare Wasserhydrolyse, den Elektronentransport und die Wasserstofferzeugung. Damit soll zukünftig Wasserstoff als leistungsstarker Brennstoff ohne CO2-Emission zur Verfügung gestellt werden können.
Die Energiewende ist in vollem Gang, regenerative Energieträger decken schon heute 40 % des Energiemixes zur Stromerzeugung. Der Umbau der Mobilität vollzieht sich etwas langsamer – nicht zuletzt wegen der hohen Kosten für Elektrofahrzeuge. In beiden Bereichen werden zuverlässige, leistungsstarke und kostengünstige Batterien mit unterschiedlichen Eigenschaften benötigt. Das Fraunhofer FuE-Zentrum Elektromobilität FZEB am Fraunhofer ISC trägt mit seinen Entwicklungen von Batteriesystemen – von der optimierten Bleibatterie bis hin zur Lithium-Festkörperbatterie – dazu bei, Europa mit den Batterien von morgen zu versorgen: für klimaneutrale, flexible, regenerative Energieversorgung und Mobilität.
Baustoffe werden in großen Mengen benötigt und mit z. T. erheblichem Energieeinsatz und CO2-Freisetzung hergestellt. Besonders die Aufbereitung von Tonmineralien und Kalkstein zu sogenanntem Zementklinker ist energieintensiv und setzt etwa 1000 kg CO2 pro Tonne Zement frei. Alternativ können Hüttensande aus Hochofenschlacken eingesetzt werden, dadurch lässt sich der CO2-Ausstoß auf rund 300 kg pro Tonne senken. Ein Nachteil von Hüttensandzementen ist jedoch bisher das deutlich langsamere Abbindeverhalten, was den Einsatz im Baubereich stark einschränkt. Das Zentrum für Angewandte Analytik des Fraunhofer ISC konnte Wege aufzeigen, wie sich Hüttensande so aufbereiten lassen, dass sie in der gewünschten Zeit abbinden. Neben dem Einsparen von Tonmineralien und Kalkstein aus natürlichen Vorkommen können damit auch Energiebedarf und CO2-Ausstoß bei der Zementherstellung reduziert werden – prima fürs Klima und den Erhalt der Umwelt!
Energiesparen ist das Zauberwort, wenn es um die Senkung der CO2-Emissionen geht. Große Bedeutung kommt hier der energetischen Sanierung von Gebäuden zu. Für die gesundheitliche Unbedenklichkeit von Mineralwolle Dämmstoffen sorgen in der EU Prüfungen nach RAL- und EUCEB-Richtlinien. Das Zentrum für Angewandte Analytik des Fraunhofer ISC trägt als von RAL und EUCEB zugelassenes unabhängiges Prüfinstitut zur Qualitätssicherung bei den energiesparenden anorganischen Dämmstoffen bei.
Solarzellen mit höchsten Wirkungsgraden liefern kostengünstig Strom und verbrauchen dabei weniger Fläche und Ressourcen. Der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen lässt sich aufgrund von physikalischen Grenzen nicht mehr beliebig steigern. Mit Tandemsolarzellen aus mehreren lichtabsorbierenden Schichten sind dagegen Wirkungsgrade von über 35 % möglich. Im Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU« entwickeln sechs Fraunhofer-Institute nachhaltige, höchsteffiziente und kostengünstige Tandemsolarzellen auf Basis neuer Absorbermaterialien. Das Fraunhofer ISC ist hier für die nasschemische Materialsynthese und Elektrodenapplikation verantwortlich. Mit den neuen Zellen werden z. B. Elektroautos möglich, die sich über Solarzellen aufladen lassen – gut fürs Klima!
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
