Fraunhofer-Allianz Energie c/o Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg
Deutschland

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Energy Storage Europe 2018 Hallenplan (Halle 8b): Stand B39

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Energy Storage Europe 2018 Geländeplan: Halle 8b

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Simone Ringelstein

Geschäftsführung | Fraunhofer-Allianz Energie

c/o Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

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Produktkategorie: Forschungsinstitute und Projekte

1 MWh Redox-Flow Netzspeicher

Zur Entwicklung eines skalierbaren Stromspeichers mit einer elektrischen Leistung von 100 kWel und einer Kapazität von 1 MWhel beschäftigen wir uns am Fraunhofer ISE mit der Stack- und Systementwicklung  sowie mit dem Management von Redox-Flow-Batterien. Durch die simulationsgestützte Analyse und Auslegung von Redox-Flow-Batterien identifizieren wir Optimierungspotenziale auf Zell- und Stackebene und nutzen sie für die Weiterentwicklung des Designs. Im Rahmen Projekts »1 MWh Redox-Flow Netzspeicher« haben wir einen optimierten Zellstapel mit einer Leistung von 5 kWel für die Anwendung in Inselsystemen oder netzgekoppelten Speichersystemen entwickelt. Auf Stackebene werden Zyklen-Wirkungsgrade von über 80 % erreicht werden. Die aktuellen Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die weitere Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte sowie die Reduktion der Herstellkosten eines 5 kWel Zellstapels.

Mittels multiphysikalischer Modellierung werden grundlegende Fragestellungen zur Optimierung auf Zellebene beantwortet. Hierdurch können wir ein tieferes Verständnis für die ablaufenden Prozesse und die Verlustmechanismen entwickeln. Gezielte in-situ Messungen an Einzelzellen und ex-situ Messungen an Elektrode, Membran und Elektrolyt ermöglichen die Charakterisierung von Lade- und Entladevorgängen sowie die Erhebung von Stoffparametern als essentielle Datengrundlage für Modellierungs- und Simulationsarbeiten. Für die experimentellen Arbeiten an Einzelzellen wurde ein vollautomatisierter Teststand mit detaillierten Testprotokollen entwickelt. Er steht für umfassende Materialcharakterisierungen zur Verfügung.

Im laufenden Jahr konnte die Entwicklung und der Probebetrieb eines 5 kWel Zellstapels erfolgreich abgeschlossen werden. Diese Leistungsklasse eignet sich sehr gut, um systemrelevante Prozessparameter zu untersuchen und zu optimieren. Basierend auf den Erfahrungen dieser Entwicklungsarbeiten optimieren wir das Stackdesign weiter und verfolgen alternative Zellkonzepte zur Steigerung der Leistungsdichten und Reduktion der Herstellungskosten.

Aufgrund der aussichtsreichen Ergebnisse der Entwicklungsarbeiten auf Material- und Stack- und Systemebene wurde ein Redox-Flow-Batteriesystems mit Netzkoppelung mit einer Leistung von 5 kWel und 20 kWh aufgebaut und in Betrieb genommen. Aktuell werden Betriebsdaten in einem Feldtest erfasst und ausgewertet.

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Produktkategorie: Forschungsinstitute und Projekte

ALCHEMI– A Low Cost, High Efficiency, Optoelectronic HCPV Module for 1000 Sun Operation

In der (hoch) konzentrierenden Photovoltaik ((H)CPV) wird Licht auf kleine aber hoch effiziente Solarzellen fokussiert, wodurch höchste Wirkungsgrade erzielt werden. Die Erhöhung der Wirkungsgrade und kostengünstige Fertigungstechnologien tragen zur weiteren Kostensenkung bei.

Im Projekt ALCHEMI soll in einem europäischen Konsortium ein hochkonzentrierendes HCPV Modul prototypisch entwickelt werden, wobei zentrale Komponenten (Primäroptik, Zelle) potenziell von deutschen Lieferanten beigesteuert werden. Die Sekundäroptik wird durch in der Optoelektronik etablierte Verfahren gefertigt. Das Fraunhofer ISE optimiert das Design der hier zweistufigen Konzentratoroptik und charakterisiert Prototypen. Auch das thermische Design wird vom Fraunhofer ISE bearbeitet.

Im Projekt ALCHEMI soll der Wirkungsgrad einer HCPV Technologie weiter erhöht und durch industrielle Fertigungsverfahren die Kosten weiter gesenkt werden. Der Lösungsansatz im Gesamtprojekt besteht darin, durch die Verwendung etablierter Herstellverfahren aus der LED-Industrie bzw. Optoelektronik HCPV Module kostengünstig und bei gleichzeitig sehr hoher Effizienz herzustellen und damit insgesamt eine Senkung der Stromgestehungskosten mittels HCPV zu erzielen.

Im Bereich des Optikdesigns und des thermischen Managements bedeutet dies, ein Design auf die in diesen Herstellprozessen verfügbaren Materialien, Dimensionen und sonstigen Randbedingungen abzustimmen.

Um den höchsten Wirkungsgrad des Gesamtmoduls zu erreichen, ist eine Optimierung des Moduls im Gesamten entscheidend. Die einzelnen Komponenten der Solarzelle, der Optik und der elektrischen Kontaktierung sowie das gesamte Moduldesign wie Verschaltung und Wärmeabfuhr müssen dabei möglichst gut aufeinander abgestimmt sein.

Ziel des vorliegenden (Teil-)Projekts am Fraunhofer ISE ist das Design und die Charakterisierung einer zweistufigen Konzentratoroptik für neue HCPV Module. Diese setzt sich zusammen aus einer refraktiven Optik bestehend aus einer Silikon-auf-Glas (engl. Silicone-on-Glass SOG) Fresnellinse als Primäroptik (engl. Primary Optical Element POE) und einer Sekundäroptik aus transparentem Silikon (engl. Secondary Optical Element SOE), die direkt auf die Zelle geprägt werden soll.

Das Design wird mittels Strahlverfolgungsverfahren ermittelt und hat einerseits zum Ziel, bei Erhalt einer hohen optischen Effizienz die Brennweite der PEO zu minimieren um eine geringe Bauhöhe bei wenig Gewicht und Materialaufwand zu erzielen. Andererseits soll das SOE Design die Bestrahlung der Zelle homogenisieren bei gleichzeitig hohem Akzeptanzwinkel der gesamten Optik. Insgesamt berücksichtigt das Design die Randbedingungen der industriellen Herstellbarkeit (“designed for manufacture”). Darüber hinaus unterstützt das Fraunhofer ISE das Moduldesign durch Untersuchungen zum thermischen Management, wo es gilt die Wärmeabfuhr zu optimieren und damit die Betriebstemperaturen der Zellen zu minimieren und die Beständigkeit zu sichern.

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Produktkategorie: Forschungsinstitute und Projekte

APV-RESOLA – Agrophotovoltaik – Ein Beitrag zur ressourceneffizienten Landnutzung

Die Kosten für Photovoltaik-Anlagen auf Freiflächen sinken kontinuierlich. Experten erwarten, dass PV- Anlagen schon in ca. fünf bis acht Jahren auch ohne finanzielle Förderung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wirtschaftlich rentabel werden. Dadurch entstehen zunehmend Geschäftsmodelle mit neuen Nutzungsformen für Kulturlandschaft, die zugleich neue Herausforderungen an den ländlichen Raum - z. B. eine steigende Flächennachfrage - mit sich bringen: Durch die zunehmende Flächennutzungskonkurrenz steigen Pachtpreise in der Landwirtschaft. Die Innovationsgruppe APV-RESOLA entwickelt und untersucht daher eine neue Form von PV-Anlagen, in der neben der Stromerzeugung auch die landwirtschaftliche Fläche zum Nutzpflanzenanbau erhalten bleibt.
Bei der Fertigung von Siliciumsolarzellen wird heutzutage der rückseitige Metallkontakt standardmäßig mittels Siebdruck einer aluminiumhaltigen Paste hergestellt. Dabei wird in einem kurzen Hochtemperatur-Feuerschritt das Aluminium in die Silicium-Oberfläche einlegiert und der Kontakt ausgebildet. Es entsteht ein mehrere Mikrometer tiefer Al-dotierter p+-Bereich im Siliciumkristall, das sogenannte Al-Rückseitenfeld (back surface field, BSF, Abb. 1). Derartige Kontakte sind bei Al-BSF-Solarzellen vollflächig und bei PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) -Solarzellen lokal (punkt-/linienförmig). Das Modell des Legierungsprozesses, das am Fraunhofer ISE entwickelt wurde, geht auf das binäre Al-Si-Phasendiagramm zurück und beschreibt quantitativ die beim Aluminium-Legieren in Silicium ablaufenden Mechanismen. Die Zusammensetzung der Al-Si-Schmelze, die sich während des Legierens auf der Oberfläche des Si-Wafers bildet, sowie die Rekristallisation von Si an dieser Si-Oberfläche werden modelliert und verschiedene wichtige Einflussfaktoren wie u. a. die Temperatur bei der Kontaktausbildung, die aufgedruckte Menge an Paste sowie zusätzliche Dotierstoffe wie Bor in der Paste berücksichtigt. Mithilfe des Modells lassen sich nun die Dotierprofile der Al-B-dotierten p+-Bereiche präzise berechnen (Abb. 2) und der strukturelle Aufbau sowie die elektrische Qualität dieser Kontakte vorhersagen. Damit wurde eine Grundlage für die detaillierte Optimierung Al-legierter Kontakte geschaffen, die wesentlich zur weiteren Leistungssteigerung der heute weltweit dominierenden Al-BSF- und PERC-Solarzellen beitragen kann.

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Über uns

Firmenporträt

Die Fraunhofer-Allianz Energie bietet Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen in den Bereichen Erneuerbare Energien, Speichertechnologien, Energieeffizienz, Digitalisierung und Analysen des Energiesystems sowie Komponenten und Konzepte für Anlagen, Gebäude und Quartiere. 

Kleine und mittelständische Betriebe erhalten ebenso wie Industrieunternehmen, politische Organisationen und Institutionen Lösungen aus einer Hand. Mit über 2.000 Mitarbeitern ist sie einer der größten Energieforschungsverbünde Europas.

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