Solar-Reports:

Kreativität und Kontinuität - Solarforschung in Theorie und Praxis

von Rolf Hug
15.11.2000

Bis zum Jahr 2050 soll weltweit mehr als die Hälfte des Energiebedarfs aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden. Die Potenziale von Sonnenwärme und Photovoltaik sind beachtlich. Damit sie ausgeschöpft werden können, arbeiten in Deutschland zahlreiche Forscher in verschiedenen Einrichtungen.

In loser Folge stellen wir Institute und Forschungsschwerpunkte vor. Den Anfang macht die dienstälteste Einrichtung, das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. Weitere Porträts folgen.

Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme I

Angewandte Forschung

Das Institut für Solare Energiesysteme (ISE) ist Teil der Fraunhofer-Gesellschaft, die sich als Mittler zwischen Grundlagenforschung und industrieller Praxis versteht.
Die Non-Profit-Organisation finanziert sich zum größten Teil selbst: Durch angewandte Forschung und Dienstleistungen. Die Marktchancen der Solartechnik im Blick und kreative, wirtschaftliche Lösungen als Ziel arbeiten über 100 Wissenschaftler sowie 160 weitere Mitarbeiter für eine sonnige Zukunft, darunter zahlreiche Diplomanden und Doktoranden. Die Bandbreite ist groß: Das Institut beschäftigt Physikerinnen und Chemiker, Elektro- und Bauingenieure, Betriebswirte und Verwaltungsfachleute.

Auch Psychologen und Soziologen zählen zum Team: Sie begleiten die Einführung der photovoltaischen "Solar Home Systems" in Entwicklungsländern. Aus guten Ideen, so das Motto des ISE, sollen auch gute Produkte werden. Das gilt seit 1981, als das erste deutsche Solar-Institut unter der Leitung von Professor Adolf Götzberger mit damals 18 Mitarbeitern und der Technologie des Fluoreszenzkollektors, der diffuses Licht konzentriert, an den Start ging.

Bild: Kleine Photovoltaikanlage in Pulimarang, dem ersten mit Solar Home Systemen versorgten Dorf im zentralen Himalaya. Foto: ISE.


Die Forschung konzentriert sich auf solares Bauen, die Anwendung der Photovolatik, die Nutzung der Sonnenwärme und die Energiewandlung, besonders mit der Brennstoffzelle.
Den Gesamtetat von rund 15 Millionen Euro teilen sich vier Abteilungen: Thermische und optische Systeme, Energietechnik, Solarzellen und elektrische Energiesysteme. Der Praxisbezug wurde sogar in den Visionen der Forscher sichtbar. Das "energieautarke Solarhaus", 1992 gebaut, war damals Symbol des technisch Machbaren. Inzwischen haben die Experten des ISE aus diesem Konzept Komponenten entwickelt, die industriell hergestellt werden und nun auch wirtschaftlich überzeugen können. Das Engagement der Forscher macht sich bezahlt: Ein gutes Drittel der Einnahmen erzielt das ISE mit direkten Aufträgen aus der Wirtschaft. Der hohe Eigenfinanzierungsanteil bestätigt die Linie des Institutsleiters, Professor Joachim Lutter, und zeigt, dass die Forscher des ISE sich erfolgreich am Markt orientieren.


Solares Bauen: effizient und umweltfreundlich

Verwaltungsgebäude Athmer in Arnsberg
Verwaltungsgebäude Athmer in Arnsberg,
ausgezeichnet mit dem Architekturpreis NiedrigEnergieBau 1999. Foto: ISE


Nicht erst die gegenwärtigen Ölpreise, sondern die Einsicht in die "Grenzen des Wachstums" in den 70er Jahren wies den Weg: Der Heizenergiebedarf von Haushalten und Unternehmen wurde in den vergangenen Jahren laufend gesenkt.
Die Zusammenarbeit von Architekten und Haustechnikern bei der "integrierten Planung" und der Einsatz neuer technischer Elemente ermöglichen gesteigerte Energieeffizienz bei gleich bleibenden Kosten. Die Spezialisten des ISE setzten integrierte Planungen bei Sanierungen und Neubauten um - vom eigenen Institutsgebäude bis zur Siedlung mit Solar-Passivhäusern. Selbst für Gewerbebauten wurden ganzheitliche Energiekonzepte umgesetzt. Kollektoren zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung sind ein wichtiger Bestandteil dieser Gebäude. Auch sie werden ständig weiterentwickelt. Das ISE entwickelte einen selektiven Absorber, sichert die Qualität der Kollektoren über die Zertifizierung nach DIN und liefert kundenorientierte Lösungen zur Fassadenintergration.

Neue Märkte will das ISE mit korrosionsbeständigen Kollektoren zur Meerwasserentsalzung und dem Einsatz von Sorptionsmaterialien erschließen. Letztere eigenen sich sowohl als Langzeit-Wärmespeicher für die solare Heizung im Winter als auch zur Klimatisierung. Mit dem Feuchtigkeitspuffer "Silikagel" und Wasser als Kältemittel können Klimaanlagen auch über Solarkollektoren betrieben werden.

Dass es funktioniert beweist das ISE vor Ort: Die Freiburger Universitätsklinik nutzt solar erwärmtes Wasser zur Kühlung der Zuluft von Laboratorien.

 

Bild: Kollektorfeld der Anlage zur solarthermischen Kälteerzeugung auf dem Dach eines Laborgebäudes des Uniklinikums Freiburg. Foto: ISE

Kollektorfeld Uniklinikum Freiburg


In Zukunft werden Neubauten ganz ohne Heizkörper auskommen können.
Solar-Passivhäuser beziehen die nötige Energie aus ihrer eigenen Abwärme, aus Sonnenkollektoren und von Wärmepumpen - wenn sie entsprechend gegen Wärmeverluste gedämmt sind. Eine solche Sieldlung steht in Neuenburg am Rhein. Das Haustechnik-Konzept wurde vom ISE mit seinen Industrie-Partnern umgesetzt. Serienreife Heizungen mit Mini-Brennstoffzellen, die mehr Strom und Wärme produzieren als im Haushalt verbraucht wird, sind schon in wenigen Jahren zu erwarten.


Photovoltaik-Rekorde vom laufenden Band

Dieses Jahr brachte das 100.000-Dächer Programm gemeinsam mit der 99-Pfennig-Solarstromvergütung die Branche in Schwung. Letztes Jahr machte die Forschung einen entscheidenen Sprung nach vorne: Die Abteilung "Solarzellen - Werkstoffe und Technologie" stellte eine 10 cm2 große Zelle aus Czochralski-Silizium (CzSI) mit einem Wirkungsgrad von über 20 % her.

Damit halten die Physiker und Ingenieure des Fraunhofer-Instituts den Weltrekord. Heute werden etwa 50 % aller Solarzellen aus Silizium hergestellt. Das ISE untersucht in diesem Bereich, was den Wirkunsgrad beschränkt und entwickelt eigene Lösungen. Auch die Verbesserung und Vereinfachung der Zellstruktur steht auf dem Forschungsprogramm.




Bild: Solarzelle aus galliumdotiertem Czochralski-Silicium. Wirkungsgrad: 20,2 %. Foto: ISE

Solarzelle aus galliumdotiertem Czochralski-Silicium

Solarzellen auf der Basis von III/V-Materialien wie beispielsweise Galliumarsenid (GaAS) erzielen Wirkungsgrade, die noch spektakulärer sind. Die ISE-Forscher haben Zellen mit mehreren positiv-negativ-Übergängen in unterschiedlichen Materialien entwickelt, die das Licht noch wirksamer umwandeln. Mit so genannten Tandemzellen sind Wirkungsgrade über 30 % möglich. Sie werden mechanisch gestapelt oder in einen Block integriert. Die obere Galliumarsenidzelle verwandelt das Licht von Wellenlängen im Bereich von 300-870 Nanometern (nm); die Unterzelle aus Galliumantimonid das Spektrum von 870-1800 nm.

Tandemzellen kommen in Konzentratormodulen zum Einsatz, in denen das Sonnenlicht mit Linsen und Spiegeln hundert bis tausendfach gebündelt wird. So können Modulflächen verkleinert und Kosten gesenkt werden.



Bild: Konzentratorzellenmodul auf Nachführeinheit. Wirkungsgrad: >19 %, bei "Outdoor-Messung"
Foto: ISE.

Konzentratorzellenmodul

 

Zukunftsenergie für unterwegs - mobile Brennstoffzellen

Der Strom für das Notebook oder andere elektrische Kleingeräte kommt noch überwiegend aus Batterien. Das wird sich ändern, versprechen die Forscher der Abteilung Energietechnik am ISE. Sie arbeiten an alternativen Speicherkonzepten, mit denen solar gewonnene Energie Tag und Nacht und rund ums Jahr in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Dabei nutzen sie die hohe Speicherdichte und geringe Selbstentladung chemischer Energien beim Bau von Sorptionsspeichern oder dem Einsatz der Brennstoffzelle.

Die Mikroenergietechnik verspricht viel: Mit einer kompakten, vom ISE entwickelten Streifenmembran-Brennstoffzelle werden Laptops wirklich netzunabhängig. Sie laufen dann bis zu 10 Stunden. Auch für den Leistungsbereich unter 100 Kilowatt machen die Experten des ISE gute Marktchancen der Brennstoffzelle aus.

 

Bild:Brennstoffzelle mit integriertem Spannungswandler und Hydridspeicher zum Langzeitbetrieb eines Laptops. Foto: ISE


Der Solarserver dankt der Pressestelle des ISE und Herrn Dr. Klaus Heidler für die freundliche Unterstützung durch Bilder und Informationsmaterial.


Infos:
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Oltmannsstr. 5, D-79100 Freiburg, Tel.: +49 (0) 4588-0, Fax: +49 (0) 4588-100, email: info@ise.fhg.de web: www.ise.fhg.de

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