In der internen Organisationsstruktur des ZSW bilden die beiden Geschäftsbereiche "Photovoltaik" bzw. "Elektrochemische Energietechnologien" sowie der Bereich "Energiepolitik und Energieträger" größere Schwerpunkte, deren Leiter jeweils ein Mitglied des Vorstands ist. Diese Geschäftsbereiche sind in insgesamt zehn Fachgebiete gegliedert.
Im Forschungsalltag werden Projekte und Aufgaben jedoch auch quer zu den Fachgebieten bearbeitet, was dem Kunden eine größere thematische Breite und optimale Synergieeffekte bietet. Ein Beispiel: Beratungs- und Test-Dienstleistungen im Zusammenhang mit Photovoltaik-Speichersystemen werden von den beiden Fachgebieten "Photovoltaik: Module Systeme Anwendungen (MSA)" und "Akkumulatoren" (ECA) gemeinsam bearbeitet.
Die administrativen Bereiche Verwaltung, Öffentlichkeitsarbeit, Finanzen, Controlling, Personal und Organisation sind im Zentralbereich "Finanzen, Personal und Recht" unter der Leitung des geschäftsführenden Vorstands zusammengefasst.
Nicht erst die Sommerhitze im Jahr 2018, die mit „Heißzeit“ zum Wort des Jahres 2018 wurde, war ein deutliches Indiz dafür, dass der Klimawandel signifikant negative Folgen hat – nicht nur für die Landwirtschaft, sondern gerade auch für die Energiewirtschaft und weitere Bereiche der Volkswirtschaft. Er wird für die Gesellschaft zunehmend spürbar.
Das Fachgebiet Systemanalyse gestaltet mit seinen Arbeiten auf unterschiedlichsten Ebenen die Transformationsprozesse aktiv mit, die für das Erreichen der Klimaschutzziele von Paris (1,5 bzw. maximal 2°C Erwärmung) erforderlich sind. Die strategische Systemanalyse arbeitet dabei intensiv an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Politik. Sie übernimmt im Kontext der Politikberatung beispielsweise Monitoring- und Evaluationsaufgaben, um Fortschritte ebenso wie Hemmnisse aufzuzeigen, Lösungsräume auszuloten und neue, wirkungsvolle Instrumente zu entwickeln, die die Energiewende und den Klimaschutz auf Bundes- und Landesebene voranbringen. Ergänzt wird dies durch Potenzial- und Entwicklungsanalysen auf Technologieebene und profundes Wissen aus der Innovationsforschung, um robuste Zukunftspfade zu identifizieren und No-Regret-Strategien abzuleiten.
Das Team „Simulation und Optimierung“ setzt verstärkt auf der technischen Ebene an und nutzt Verfahren aus dem Bereich des maschinellen Lernens für die verschiedensten Anwendungsbereiche – von der Prozessoptimierung in der Photovoltaikproduktion bis zur Bilderkennung für die Entwicklung von technischen Systemen zum Schutz gefährdeter Vogelarten an Windenergieanlagen. Das Team „Windenergie“ arbeitet zusammen mit dem Forschungscluster WindForS intensiv am Aufbau und der Inbetriebnahme des weltweit ersten Windenergieforschungstestfelds in bergig-komplexem Gelände, um zukünftig durch neue Forschungsergebnisse die Energiewende auf dieser Ebene voranzubringen. Hierzu zählt auch die Naturschutzbegleitforschung, die einen eigenen Forschungsschwerpunkt auf dem Testfeld darstellt.
Die Themen des Fachgebiets Systemanalyse im Überblick
Energiewende & Systemoptimierung
„Die Energiewende ist aufgrund ihrer Komplexität auf umfassendes transformatives Wissen angewiesen. Für ihren Erfolg ist die Systemanalyse deshalb von großer Bedeutung, weil sie dies bietet und wichtige Impulse für Entscheidungen in Politik und Wirtschaft geben kann.“
Der Einsatz von Dünnschichttechnologien bietet ein hohes Potenzial zur Kostensenkung bei der Herstellung von Photovoltaikmodulen zur Gewinnung von Solarstrom. Das ZSW hat bereits die CIGS-Technologie mit einem Industriepartner erfolgreich zur Marktreife geführt. Heute arbeiten wir mit Hochdruck an der nächsten Generation der Photovoltaik (PV), den Tandem-Solarmodulen: hocheffizient, flexibel, leicht und kostengünstig in der Herstellung. Diese bieten die Möglichkeit, einen Wirkungsgrad oberhalb des praktischen Effizienz-Limits der marktbeherrschenden PV-Technologie aus kristallinem Silizium zu erreichen. Dazu werden zwei Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien kombiniert, die mit ihrem jeweils unterschiedlichen Absorptionsbereich das Sonnenspektrum optimal auszunutzen. Das ZSW setzt dabei auf Stapelzellen aus einer Perowskit-Solarzelle mit unterschiedlichen Tandempartnern: Silizium, CIGS oder einem zweiten Perowskiten. Die Perowskit-Technologie bietet zudem die Möglichkeit, kostengünstige Drucktechnologien einzusetzen.
Zum tieferen Verständnis werden am ZSW grundlegende Arbeiten an Solarzellen und den entsprechenden Herstellungsprozessen zunächst in typischen Laboranlagen durchgeführt, bevor sie im industrienahen Technikum auf größere Flächen übertragen werden. Dort können Module auf Glas bis zu einer Größe von 30 x 30 cm² entwickelt und hergestellt werden. Dabei setzen wir weitgehend Durchlaufprozesse und damit sehr industrienahe Verfahren ein. Dies ermöglicht uns den schnellen Transfer neuer Forschungsergebnisse und Prozesse in die industrielle Fertigung. Auf flexiblen Substraten wie Polymer- oder Metallfolien entwickeln wir im Rolle-zu-Rolle-Verfahren Prozesse für Dünnschichtmodule mit einer beliebigen Länge bei einer Breite von bis zu 30 cm. Die Anwendungen liegen vor allem in der integrierten Photovoltaik: PV-Anlagen an der Gebäudefassade über Obstplantagen oder im Fahrzeugdach haben großes Potenzial und bieten oft sogar einen Zusatznutzen für die jeweilige Anwendung (z.B. Wetterschutz oder Abschattung).
Auf Basis unserer langjährigen Erfahrungen mit der Entwicklung und Charakterisierung von Dünnschicht-Solarmodulen bearbeiten wir im Kundenauftrag vielfältige prozesstechnische und materialanalytische Aufgabenstellungen.
„Photovoltaik ist aktiver Klimaschutz. Darum unterstützen wir unsere Partner bei der kostengünstigen Herstellung flexibler, leichter und hocheffizienter Dünnschichtsolarmodule für neue Anwendungen."
Die Sicherung der Qualität und Stabilität von Photovoltaikmodulen (PV-Modulen) sowie der effiziente Einsatz des Solarstroms im Energiesystem sind die beiden wichtigen Themenfelder des Fachgebiets und seiner Kunden. Auf der Basis von 30 Jahren Testerfahrung mit PV-Modulen aus kristallinem Silizium (c-Si) und aus Dünnschichtmaterialien werden im Modultestlabor Solab Untersuchungen zum Energieertrag sowie zur Langzeitstabilität von PV-Modulen und -Systemen durchgeführt. Einen neuen Schwerpunkt bilden Analysen von Qualitätsproblemen von polymerbasierten Modulrückseiten. Betroffene Module werden sowohl im Testlabor als auch direkt im Solarpark vor Ort untersucht.
Zu unserer Beratungskompetenz gehören neben der Qualitätskontrolle von PV-Modulen und der Wirkanalyse von Störfaktoren (Klima, mechanische Belastung, Verschmutzung, elektrische Spannung) die Prüfungen („Due Diligence“) von PV-Großanlagen und von PV-Produktionsstätten im Auftrag von finanzierenden Banken, von Projektierern oder Betreibern.
Photovoltaiksysteme tragen wesentlich zur nachhaltigen Stromversorgung bei. Die geeignete Verknüpfung mit elektrischen Speichern, die Kopplung der Sektoren und Verschiebung von Lasten erhöhen die lokale Nutzung von Solarstrom, entlasten die Verteilnetze und tragen dezentral zum Ausgleich von Stromerzeugung und -verbrauch bei. Die Analyse entsprechender Potenziale sowie die Entwicklung von Algorithmen für den optimierten Betrieb von Erzeugern, Speichern und Lasten, einschließlich des geeigneten Lademanagements für die Elektromobilität, sind daher weiterführende Themen. Das Fachgebiet berät bei der Entwicklung und Anwendung entsprechender Algorithmen. In Zusammenarbeit mit dem ZSW-Fachgebiet Systemanalyse werden Prognosen von Erzeugung, Last und Flexibilität für den optimierten Netzbetrieb, den Datenaustausch zwischen den Netzbetreibern und für den Energiemarkt geliefert.
Qualität von PV-Modulen und -Systemen
„Gespeist von der Sonne, liefert die Photovoltaik weltweit Strom zur Verteilung über Netze oder als lokale Quelle. Wir kümmern uns um die Qualität der Solarmodule und um die effiziente Nutzung von Solarstrom in den Sektoren Strom, Wärme und Mobilität."
Die Kernkompetenzen des Fachgebiets Regenerative Energieträger und Verfahren sind die Erzeugung regenerativer Brenn- und Kraftstoffe im Kontext von Power-to-X (P2X) sowie die Realisierung geschlossener Stoffkreisläufe, z. B. mit Verfahren zum Phosphor- Recycling.
Mit unserem verfahrenstechnischen Know-how werden anwendungsnahe Technologiebausteine zur strombasierten Herstellung von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen entwickelt und im technischen Maßstab umgesetzt und erprobt.
Wir entwickeln serientaugliche und skalierbare Materialien und Fertigungsmethoden für Elektrolyseure und verfügen über eigene Elektrolyseblock- und Systemtechnologien bis in den Megawattmaßstab. Wir bieten unseren Kunden aber auch vielfältige Testmöglichkeiten sowohl in den ZSW-eigenen Labors als auch in Realumgebung, z. B. in unserer Forschungsplattform am Power-to-Hydrogen-Standort Grenzach-Wyhlen. Als weiteres Kernelement für P2X-Prozesse entwickeln wir Verfahren zur effizienten regenerativen CO2-Bereitstellung, z. B. aus Biomasse oder Luft, und verfügen über langjährige Erfahrungen im Bereich von P2X-Syntheseprozessen, z. B. zu Methan oder Methanol. Mit unserem Engineering- und System-Know-how haben wir bereits drei eigene Power-to-Gas- bzw. Elektrolyseanlagen in den Leistungsklassen 25 kWel, 250 kWel und 1 MWel am ZSW errichtet und beraten Industriekunden vom Basic Engineering bis zur Inbetriebsetzung kommerzieller Anlagen wie auch beim anschließenden Technologiemonitoring.
Neben unseren P2X-Aktivitäten entwickeln wir innovative Verfahren zum Thema Reststoffverwertung und Rohstoffrecycling. So erforschen wir Konzepte zum Recycling von Phosphor bzw. zur rohstofflichen Verwertung von Kunststoffabfällen.
Die Themen des Fachgebiets REG im Überblick:
„Wir entwickeln anwendungsnahe Technologiebausteine im Kontext von P2X und unterstützen unsere Industriekunden bei der Umsetzung.“
Das Fachgebiet ECG erforscht Elektroden in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), Elektrolyseuren und elektrochemischen Hochleistungsspeichern mit wässrigem Elektrolyt. Ziele dieser Arbeiten sind, die Leistungsdichte und Lebensdauer zu steigern und Kosten zu reduzieren. Um die Leistungsdichte zu steigern und den Edelmetallbedarf von PEMFC zu verringern, optimiert das Fachgebiet die Zusammensetzung und Mikrostruktur der Katalysatorschichten. Die Expertise umfasst mikrostrukturelle Analysen und Analysen der Polymerverteilung in den Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnung (MEAs).
Für die alkalische Wasserelektrolyse, für Hochleistungsspeicher mit wässrig alkalischen Elektrolyten und zur Herstellung bifunktioneller Sauerstoffelektroden konnten Untersuchungen mit verschiedenen Arten nanostrukturierter Nickelmaterialien durchgeführt werden, die bereits hohe Aktivitäten und Zyklenfestigkeiten aufweisen. Besonders bedeutsam ist die Entwicklung einer in stark alkalischen Elektrolyten zyklenfesten Manganoxid-Hochleistungselektrode.
Das Team verfügt über langjährige Erfahrung und die nötige Infrastruktur, um neue technologische Ansätze aufzugreifen und schnell im Labor zu verifizieren und demonstrieren. Durch die enge Kooperation mit den anderen ZSW-Fachgebieten sind auch umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Modellelektroden und Modellzellen mittels Modellierungs- und Simulationstechniken sowie Tests in großformatigen Zellen und Stacks effizient durchführbar.
Unsere Themen im Überblick:
"MEAs, Katalysatoren und Elektroden"
"H2 & Wasserelektrolyse"
„Katalysatoren, Elektroden und Zellen sind eine
wesentliche Voraussetzung zur Verbesserung
von Brennstoffzellen und Akkumulatoren. Die
Konzentration auf wässrige Elektrolyten bietet
hohe Leitfähigkeiten bei gleichzeitig größtmöglicher
Sicherheit.“
Das Fachgebiet ECB ist spezialisiert auf die Entwicklung der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen-(PEMFC)-Technologie mit Fokus auf Konstruktion, Charakterisierung und Simulation von Brennstoffzellen-Stacks und Komponenten sowie auf den Bau von Prototypen und die Entwicklung von Fertigungs- und Prüftechnologien. Der Leistungsbereich erstreckt sich von wenigen Watt bis zu 100 kWel. Brennstoffzellen können auf Leistung, Lebensdauer, Wirkungsgrad und Kompaktheit optimiert werden. Das umfasst u. a. die Untersuchung und Prognose von Alterungs-prozessen und Fehleranalysen. Weitere Schwerpunkte sind die Entwicklung von manuellen und automatisierten Herstelltechniken und die Charakterisierung von PEMFC-Komponenten, -Zellen und -Stacks einschließlich automobiltauglicher Brennstoffzellen.
Strukturen von Komponenten und Betriebsbedingungen können mittels Modellierung und Simulation der Vorgänge in Brennstoffzellen zügig optimiert werden. Das schließt auch die Entwicklung und Etablierung völlig neuer Ansätze mittels modernster Simulationssoftware ein, die an aussagekräftiger Hardware und mit realitätsnahen Experimenten verifiziert werden kann. Beispielsweise wird das Wassermanagement innerhalb der Gasdiffusionselektroden (GDL) und Gasverteilerstrukturen mittels einer μ-CT-Anlage validiert. Mit dieser Anlage können GDL-Strukturen auch unter komprimierten Zuständen einschließlich ihres Wasserhaushalts untersucht werden. Ergänzend stehen mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) entwickelte Verfahren zur Neutronen- und Synchrotronradiografie und -tomografie zur Visualisierung von Komponenten, Zellen und Stacks zur Verfügung, deren zeitliche und räumliche Auflösungen zu den weltweit besten gehören.
Unsere Themen zu Brennstoffzellen im Überblick:
"Komponenten"
"Modellierung & Simulation"
"Stacktechnologie"
„Im Mittelpunkt unserer Arbeit steht die Optimierung von Brennstoffzellen mit allen ihren Komponenten in Bezug auf Leistung, Lebensdauer und Fertigung.“
Das Fachgebiet ECS betreibt seit mehr als 20 Jahren ein Brennstoffzellen- Testzentrum mit über 30 vollautomatisierten Testständen von 0,1 bis 160 Kilowatt zur professionellen Rund-um-die- Uhr-Charakterisierung von Brennstoffzellen-Stacks, -Systemen und -Systemkomponenten. Im Zentrum stehen Tests zu Lebensdauer, Gesamtwirkungsgrad und Robustheit. Ein großes Thema hierbei sind Dauertests an Brennstoffzellen-Stacks, die mittels umfangreicher Analytik sowie komplexer Methoden zur Fehleranalyse ausgewertet werden können. Das Testdatenarchiv umfasst mittlerweile über 360.000 Betriebsstunden.
In die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen und Systemkomponenten für stationäre Anlagen, Bordstrom- und Notstromversorgungen und Fahrzeugsysteme fließen viele Jahre Forschungsarbeit des ZSW ein. Das Leistungsspektrum umfasst komplette Prototypen einschließlich der Steuerung und Hybridisierung mit Batterien und DC/AC-Wandlern. Daneben werden meist in Industrieprojekten Sicherheitsbewertungen, Packaging-Studien und Produktzertifizierungen durchgeführt. Mit öffentlich geförderten Projekten werden Erkenntnisse generiert, die der Allgemeinheit zur Verfügung stehen.
ECS untersucht außerdem Wasserstoff für seinen Einsatz als Kraftstoff im Verkehr. Das Fachgebiet mit seinem tiefen Verständnis der Brennstoffzellentechnik und damit der Nutzung von Wasserstoff ist durch mehrere Projekte in den Aufbau der europäischen Wasserstoffinfrastruktur eingebunden. Hierbei geht es um die Einhaltung internationaler Betankungsprotokolle für Wasserstofftankstellen (SAE J2601/CEP) bezüglich der Abnahme nach DIN EN 17127 sowie um die Einhaltung der für den Brennstoffzellenbetrieb notwendigen Wasserstoffqualität gemäß DIN EN 17124.
„Langfristig sind die weltweiten Klimaziele ohne Wasserstofftechnologien nicht zu erreichen. Jetzt geht es darum, den Wasserstoff in unseren Alltag zu integrieren.“
Das Fachgebiet ECM entwickelt Materialien und Prozesse für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien sowie alternative Speichertechnologien wie Natrium-Ionen und Post-Lithium-Systeme mit Magnesium oder Kalzium. Die Substitution kritischer Rohstoffe und das Recycling von Batteriematerialien sind weitere wichtige Aspekte.
Ein Alleinstellungsmerkmal ist die Möglichkeit der Hochskalierung der Pulversynthese in den Pilotmaßstab. Im Rahmen des vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts »Powder-Up!« wird der Aufbau eines Technikums zur Synthese von Kathodenmaterialien von 10 kg bis 100 kg vorangetrieben. Ziel ist die Errichtung einer modularen, industrienahen Forschungsproduktionsanlage zur Herstellung wettbewerbsfähiger Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Das Technikum, dessen Bau 2023 mit Hochdruck betrieben wurde, wird im September 2024 in Betrieb gehen.
ECM entwickelt neue Prozesse für die Elektrodenherstellung, um giftige Lösungsmittel zu vermeiden und wasserbasierte, PFAS-freie Binder zu verwenden. Eine neue Pilotanlage für die Trockenprozessierung mit Extruder, Direktbeschichtung und Kalandrierung wurde erfolgreich installiert. Die Elektroden werden in kleinen Pouch- oder zylindrischen Zellen der Formate 18650 und 21700 evaluiert. Für die Wickelzellen steht die Adaptierung neuer Fertigungsprozesse zur Optimierung des Zell-designs in Bezug auf Energieinhalt und Leistung im Vordergrund.
Zur Bewertung neuer Zellen und für Schadensanalysen ist das Fachgebiet auf die Weiterentwicklung von Post-Mortem-Analysen und inline-Methoden spezialisiert. Sie sind essenziell für das Verständnis von Alterungsprozessen, potenziellen Sicherheitsrisiken sowie für die Optimierung des Zelldesigns.
Unsere Themen im Überblick:
"Materialforschung" + "Post-Mortem-Analysen" II "Entwicklung von Elektroden & Zellen" II "Neue Schwerpunkte"
„E-Mobilität und erneuerbare Energien erfordern neue Energiespeichersysteme. Wir bilden die komplette Wertschöpfungskette vom Pulver bis zur fertigen Zelle ab und können hierdurch einen wichtigen Beitrag leisten.“
Die serienmäßige Produktion großer Lithium-Ionen-Zellen, wie sie in Elektrofahrzeugen oder in stationären Speichern verwendet werden, stellt besondere Anforderungen an die Stabilität und Genauigkeit der Prozesse. Je höher deren Qualität und Reproduzierbarkeit werden, desto zuverlässiger, langlebiger und kostengünstiger wird der Speicher.
Im Fokus der Arbeit des Fachgebiets steht der Betrieb einer vorwettbewerblichen „Forschungsplattform für die industrielle Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen“, die den industriellen Gesamtproduktionsprozess für Hardcase-Zellen (PHEV-1-Zellen, >25 Ah) abbildet. Hierbei stehen Untersuchungen zum Zusammenspiel von Zellchemie, Zelldesign und Herstelltechnologie in Bezug auf Qualität, Sicherheit und Herstellkosten sowie Fragen zur Inline-Sensorik, zu Fertigungstoleranzen oder zu kosteneffizienten Abläufen im Zentrum. Bei neuen Materialien und Komponenten geht es um die Evaluierung von Verarbeitbarkeit und Qualität im industrierelevanten Maßstab.
Kernaufgabe des ECP-Teams ist es, im Rahmen von Industrieaufträgen und Forschungsvorhaben industrielle Produktionsprozesse zu optimieren oder fortschrittliche Zellchemie in Musterserien von Standardzellen zu verifizieren. Die Forschungskompetenz umfasst alle produktionsnahen Fragestellungen, von der Anlagenentwicklung über die Verbesserung von Einzelschritten bis zu den Qualitätssicherungsverfahren. Des Weiteren verfügt das Team durch den inzwischen mehrjährigen Betrieb der Pilotanlage über eine wichtige Beratungskompetenz bezüglich Zellfertigung und Kostenbetrachtungen.
Unsere Themen im Überblick:
„Mit der Forschungsplattform stellen wir nun unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft eine stabile Basis für gemeinsame Projekte zur Produktionsforschung zur Verfügung.“
Das Fachgebiet untersucht und entwickelt elektrochemische Energiespeichersysteme. Damit Akkumulatoren auch unter schwierigsten Bedingungen sicher und leistungsfähig sind, stehen deren Charakterisierung unter verschiedenen Betriebsbedingungen und die Untersuchung des Verhaltens bei Fehlbedienung oder in Unfallsituationen im Mittelpunkt der Arbeiten. Die betrachteten Einsatzbereiche der Batterien umfassen die stationäre Energiespeicherung in Heimsystemen und elektrischen Netzen, in portablen Geräten genauso wie in elektrifizierten Antriebssträngen – ob zu Land, zu Wasser oder für die Luftfahrt.
Im elektrischen Batterietest werden Zellen, Module und Systeme auf Funktionalität geprüft, ihre Leistungsfähigkeit vermessen und die zu erwartende Lebensdauer unter definierten Belastungen und Umgebungsbedingungen bestimmt. Mittels Belastungen im Grenzbereich oder zerstörerischer Tests werden die Reaktionen und Gefahrenpotenziale von Akkumulatoren bei extremen Schädigungen sowie deren Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedenen Missbrauchsbedingungen und Fehlbedienung beurteilt. Schwerpunkte bilden dabei die Unterdrückung der Fehlerausbreitung im System (Propagation) und die Brandlöschung bzw. Brandkontrolle.
Herzstück der Batteriesystemtechnik sind die thermische und elektrische Modellierung und Simulation von Zellen und Batteriesystemen, das Batteriemanagement sowie die Batteriezustandsbestimmung. Erforscht werden modellbasierte Algorithmen zur Zustandsbestimmung (Ladezustand und Alterung), zur Vorhersage der Systemleistungsfähigkeit, zur optimalen Laderegelung insbesondere unter Schnelladebedingungen und zum Energiemanagement. Weitere Untersuchungen betreffen den Einfluss von externen Parametern wie Rippelströmen oder mechanischen Kompressionskräften auf die Performance und Lebensdauer.
Unsere Themen im Überblick:
„Im eLaB erforschen, testen und untersuchen wir Batterien und Systeme flexibel, normgerecht und innovativ.“