Photovoltaik auf der Überholspur

Im vergangenen Jahr zog der Energiebedarf in Deutschland nach der Corona-Delle in 2020 wieder spürbar an. Doch der Anteil des Stroms aus erneuerbaren Quellen lag trotz steigender Solarstrom­produktion nur bei etwa 42 Prozent im Vergleich zu 46 Prozent im Vorjahr. Der Grund findet sich besonders in der Witterung und weniger Wind, so dass die Windkraftanlagen nur 91 Milliarden Kilowattstunden erzeugten und damit deutlich weniger als im guten Windjahr 2020 mit 105 Milliarden Kilowattstunden. Doch global gesehen zeigen die Erneuerbaren weiter eine sehr dynamische Entwicklung. Mit einem Zuwachs an Anlagen mit insgesamt 290 Gigawatt Leistung setzte das Jahr 2021 nach Angaben der Internationalen Energie­agentur in Paris einen neuen Rekordwert. Allein die Photovoltaik zeichnete für rund 160 Gigawatt verantwortlich und behauptet sich als der wesentliche Treiber für die weltweite Energie­wende.

Immer günstigere Solarmodule auf der Basis von Silizium stellen weiterhin den dominierenden Löwenanteil in Solar­kraftwerken. Weithin ausgereift erobern sie nach Solarparks an Land neue Flächen. Schwimmende Photovoltaik-Kraftwerke ermöglichen den Ausbau erneuerbarer Energien, ohne neue Land­flächen in Anspruch zu nehmen. Dieses Ziel verfolgt die Technische Universität Cottbus-Senftenberg BTU gemeinsam mit weiteren Partnern im Rahmen des Forschungs­projekts „PV2Float“. Mehrere Floating-PV-Anlagen mit unterschiedlichen Systemdesigns werden in den kommenden Jahren einem intensiven Praxistest unterzogen. Ein geeigneter Tagebausee für die Durchführung wird derzeit ausgewählt. Auch Fassaden bieten ein großes Potenzial für die Gewinnung von Solarenergie. Dazu hat das Leibniz-Institut für ökologische Raum­entwicklung hat gemeinsam mit dem Fraunhofer ISE das theoretische Flächen­potenzial für Photovoltaik an Fassaden für ganz Deutschland erhoben. Es ist doppelt so groß wie das der Dächer. Und mit einem durchsichtigen, nanostrukturiertem Material auf der Vorderseite von Silizium-Solarzellen konnten Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich den Wirkungsgrad weiter erhöhen. Ein erster Prototyp dieser TPC-Solarzelle – die Abkürzung steht für „Transparent Passivating Contact“ – erreichte im Labor einen Wirkungsgrad von 24 Prozent.

Wie in den Vorjahren wurden auch bei Perowskit-Solarzellen als Ergänzung zu den Stromwandlern aus Silizium große Fortschritte gemacht. Perowskit-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von bis zu 25,5 Prozent erreicht. Für weitere Steigerungen haben Forscher am Institut für Mikrostrukturtechnik und am Lichttechnischen Institut des Karlsruhe Institut für Technologie gemeinsam mit Wissenschaftlern des Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universität Heidelberg sowie der Technischen Universität Dresden ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photo­lumineszenz-Quanten­ausbeute von Perowskit-Schichten erstmals zuverlässig und exakt bestimmen lässt. Am Helmholtz-Zentrum Berlin HZB gelang es, den Wirkungsgrad von Perowskit-Silizium-Tandem­solarzellen sogar auf einen neuen Rekordwert von 29,8 Prozent zu steigern. Damit rückt die 30-Prozent-Marke in greifbare Nähe. Für die kommende Serienfertigung von Perowskit-Solarzellen kooordiniert ebenfalls das HZB das 2021 gestartete Verbundprojekt Viperlab, um neue Chancen für die europäische Solarindustrie zu erschließen. An dem Projekt beteiligen sich 15 renommierte Forschungs­einrichtungen aus Europa, der Schweiz und Großbritannien.

In der Windkraft setzt sich der Trend zu immer größeren Anlagen mit derzeit bis zu 15 Megawatt Leistung fort. Solche Anlagen sind vor allem für den Offshore-Einsatz auf offener See vorgesehen. Zusätzlich zur Anlagen­technik wird intensiv an der Optimierung von Windparks und deren Betrieb gearbeitet. Forscher der Technischen Universität Braunschweig nehmen dazu die leistungs­mindernden Wirbelschleppen in Windfeldern von Offshore-Windparks unter die Lupe. Für das Projekt X-Wakes waren bei einer Messkampagne zwei Flugzeuge im Einsatz, um die räumliche Verteilung und die Erholung des Windfeldes vor und hinter Offshore-Windparks zu untersuchen. Da langsam auch relativ flache Seegebiete für Offshore-Windparks mit festem Fundament knapp werden, steigt das Interesse an schwimm­fähigen Windparks, um das weitere Wachstum der Branche gewährleisten zu können. Doch die Technologie ist noch nicht ausgereift. Mit vier Millionen Euro förderte ab 2021 die EU das Horizon 2020-Projekt „Floatech“ über drei Jahre. Für eine bessere Prognose für Windstrom­ausbeuten untersuchte das Fraunhofer-Institut für Wind­energiesysteme IWES gemeinsam mit dem Climate Service Center Germany den Einfluss des Klimawandels auf die Windenergie-Standort­bewertung in den kommenden Jahrzehnten. Daraus sollen konkrete Handlungs­empfehlungen für die zukünftige Ermittlung von Ertrags­gutachten für Windparks abgeleitet werden.

Zusätzlich zur regenerativen Stromerzeugung ist der Energieträger Wasserstoff für eine erfolgreiche Energiewende unverzichtbar. 2021 wurden auf dem Weg zu einer deutschen Wasserstoff­wirtschaft die zentralen Leitprojekte gestartet. Die Ziele: großskalige Elektrolyseure in die Serienfertigung bekommen (H₂Giga), die Wasserstoff­erzeugung auf See erforschen (H₂Mare) und Transport­technologien für Wasserstoff etablieren (TransHyDE). Für die Entwicklung von Elektrolyseuren im großen Maßstab startete die Technische Universität Ilmenau das Forschungsprojekt StacIE, um den Einsatz der PEM-Elektrolyse mit Gigawatt-Leistungen zu untersuchen. Weiter in der Zukunft könnte nicht nur die rein elektrische Elektrolyse, sondern auch die photo­elektrochemische Wasserspaltung eine Rolle spielen. Berliner Materialforscher identifizierten Wolframat als geeigneten Werkstoff für Anoden für die Erzeugung von solarem Wasserstoff. Diese speziellen Elektrolyse könnte auch in extrem kalten Regionen deutlich effizienter sein, wenn PV-Module direkt am Elektrolyseur angebracht und thermisch gekoppelt werden. Denn die Abwärme aus den PV-Modulen steigert die Effizienz der Elektrolyse wie ein Team vom Helmholtz Zentrum Berlin, der Universität Ulm und der Universität Heidelberg ermittelt hat.

Große Mengen an grünem Wasserstoff werden in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Dekarbonisierung von Industrie­prozesse liefern. Aber Wasserstoff ist auch eine Basis für klima­freundlichere Treibstoffe. So startete 2021 das Institut für Maritime Energiesysteme im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), um Technologien für eine Dekarbonisierung der Schifffahrt zu entwickeln. Wissenschaftler der ETH Zürich haben eine Anlage gebaut, mit der sich aus Sonnenlicht und Luft CO2-neutrale Treibstoffe herstellen lassen. Ein weiteres Verfahren ist die photo­thermische Methanisierung, bei der CO2 und Wasserstoff unter Bestrahlung mit Sonnenlicht katalytisch in Methan und Wasser umgewandelt werden. Forscher der King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal, Saudi-Arabien, haben mit nano­strukturiertem Nickel einen effizienten und wirtschaftlichen Katalysator dafür entwickelt. Unabhängig vom Einsatz von grünem Wasserstoff konzipierten Wissenschaftler am Nano-Institut der Universität München LMU eine Technik, um kohlenstoffhaltige Brennstoffe in kohlenstofffreie Brennstoffe umzuwandeln, ohne dabei CO2 frei werden zu lassen. Der Kohlenstoff wurde dabei als Karbonat gebunden.

Werden Schiffe und Flugzeuge in Zukunft ohne synthetische Kraftstoffe nicht auskommen, wird der Straßenverkehr immer stärker von batterie­elektrischen Antrieben bestimmt. Damit in Zukunft nicht nur in Asien, sondern auch in Europa Batterien gefertigt werden, hat 2021 die Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle FFB in Münster ihre Arbeit aufgenommen. Auch in Stuttgart hat das Fraunhofer-Institut für Produktions­technik und Automatisierung IPA zusammen mit Partnern das Projekt DigiBattPro4.0 gestartet, um die Digitalisierung der gesamten Batterie­zell­produktion voranzutreiben. Neue Wege zum Batterie-Recycling gehen Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie KIT mit den Batterie­forschungs­clustern „greenBatt“ und „BattNutzung“. Und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf wurde ein innovatives Konzept entwickelt, um Graphit aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien mit dem Einsatz von Schäumen einfacher zu recyceln.

Mit hoher Wahrscheinlichkeit werden in naher Zukunft nicht mehr allein Lithium-Ionen-Batterien den Speichermarkt dominieren. Am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden stehen Lithium-Schwefel-Batterien in mehrlagigen Pouchzellen vor dem Sprung in die industrielle Anwendung. Am HZDR-Instituts für Fluiddynamik konnte eine neuartige Lithium-Blei-Flüssig­metall­batterie signifikant optimiert werden. Das Forscherteam konnte den Strom­wirkungs­grad auf nahezu 100 Prozent steigern und die Energiedichte gleichzeitig um 45 Prozent erhöhen. Und am MEET Batterie­forschungs­zentrum in Münster gelang es, mit einem nicht-alkalischen, wässrigen Elektrolyten eine Zink-Luft-Batterie mit einer hohen Zyklen­festigkeit zu entwickeln.

Ergänzend zu Batterien taugen Super­kondensatoren für die Stromspeicherung. An der Technischen Universität Chemnitz entstand ein biokompatibler Super­kondensator im Nanoformat, der beispielsweise mikroelektronische Sensoren in Blutbahnen mit Strom versorgen könnte. Forscher von der schweizerischen Material­forschungs­anstalt Empa haben sogar einen kompostierbaren Mini-Kondensator entwickelt, der lediglich aus Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz besteht und mit einem 3D-Drucker hergestellt werden kann. Weitaus größere Strommengen von bis zu 500 Kilo­watt­stunden speicherte in Boxberg in der Oberlausitz ein rotations­kinetischer Speicher, auch Schwungrad genannt. Solche Speicher sind für den dezentralen Einsatz in Windparks vorgesehen. Und einen völlig überraschenden Speicher für Wasserstoff fanden Forscher am Fraunhofer-Institut für Fertigungs­technik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden. Sie entwickelten eine „Powerpaste“ auf der Basis von Magnesium­hydrid, die Wasserstoff bei Raum­temperatur und Umgebungs­druck chemisch speichern und bedarfsgerecht wieder freisetzen kann.

Solche ungewöhnlichen Erfindungen wurden 2021 nicht nur für die Speicherung von Energie, sondern auch für die Erzeugung gemacht. Eine Arbeits­gruppe an der ETH Zürich entwickelte ein Minikraftwerk aus Holz. Seines Lignins beraupt entstand ein piezo­elektrisches Zellulose-Material, dass unter Belastung Spannungs­pulse von etwa 0,6 Volt erzeugte. Am Karlsruher Institut für Technologie stellten Forscher kleine, thermo­elektrische Generatoren in einem Siebdruck-Verfahren her. Diese Technologie erlaubt es, energie­autarke Sensoren für das Internet der Dinge oder in Smartwatches, Fitness­armbänder oder digitale Brillen ohne Batterien zu betreiben. Und eine  Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe beobachtete einen überraschend großen thermoelektrischen Effekt in einem Antiferromagneten.

Viele Fortschritte wurden im vergangenen Jahr auch auf dem Gebiet der Fusions­forschung gemacht, obwohl der Fusionsreaktor ITER in Südfrankreich die für 2025 geplante Erzeugung des ersten Plasmas abermals verschieben musste. Dafür erreichte die Fusions­anlage Wendelstein 7-X am MPI für Plasmaphysik IPP in Greifswald eines der wichtigsten Optimierungsziele. In dem optimierten Magnetfeldkäfig ließen sich die Energie­verluste des Plasmas in gewünschter Weise reduzieren. Zudem zeigten theoretische Physiker am IPP, dass digitale Zwillinge komplexe Fusionsplasmen gut beschreiben können. Schnelle Teilchen, die durch die zielgenau eingesetzte Heizung des Plasmas mit Radiowellen erzeugt wurden, ließen im Zentrum des Plasmas einen Bereich mit den erwarteten verbesserten Einschluss­eigenschaften entstehen. Und nicht zuletzt haben Physiker der Rice Universität in Houston eine Möglichkeit gefunden, das kälteste Plasma der Welt in mag­netischen Flaschen zu speichern – ein technologischer Fortschritt, der neue Möglichkeiten für die Erforschung von Fusions­prozessen, Weltraumwetter und astrophysikalischen Vorgängen eröffnet.

Oliver Löfken

Weitere Infos

• J. O. Löfken: Wind, Sonne und Wasserstoff – Energietechnologien im Jahresrückblick 2020, pro-physik.de, 11. Januar 2021
• J. O. Löfken: Erneuerbare auf dem Vormarsch – Energietechnologien im Jahresrückblick 2019, pro-physik.de, 6. Januar 2020

Weitere Beiträge

• Dossier: Energiewende (Physik Journal)
• Dossier: Fusionsforschung (Physik Journal)

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