Technologiespezifische Rohstoffe zeigen in der Ökobilanz sehr kurze Nutzungsdauer

Wie lange werden metallische und mineralische Rohstoffe im Wirtschaftskreislauf genutzt – und wann endet ihre Verwendbarkeit? Diese Fragen zur Ökobilanz von 61 Metallen beantworten Forschende aus Bordeaux, Augsburg und Bayreuth. In einer mehrjährigen Forschungskooperation wurden veröffentlichte und auch selbst erfasste Daten zu 61 Metallen analysiert. Wichtigste Erkenntnis: gerade die technologiekritischen Rohstoffe haben eine sehr kurze Nutzungsdauer.

 Verteilung von Metallverlusten je Phase im Nutzungskreislauf und durchschnittliche Lebensdauer von Metallen in der Wirtschaft. © Nature Sustainability

Verteilung von Metallverlusten je Phase im Nutzungskreislauf und durchschnittliche Lebensdauer von Metallen in der Wirtschaft. © Nature Sustainability

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Indoor Photovoltaik

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Klima und Energie sind aktuell zwei zen­trale Themen in Gesellschaft, Politik und Wirtschaft. Dies spiegelt sich auch im Bereich der Forschung und Entwicklung damit verbundener Technologien wider. Als nachhaltige Systeme zur Stromerzeugung spielen hier auch die verschiedenen Formen der Photovoltaik (PV) eine besondere Rolle. Bei dem speziellen Anwendungsbereich der Indoor Photovoltaik (IPV) werden Solarzellen in Innenräumen genutzt, in denen gedämpftes Tageslicht sowie Licht aus künstlichen Quellen (z. B. Glühlampen, Halogenlampen, Leuchtstofflampen und LED-Lampen) vorherrschen. Neben einer deutlich geringeren Lichtintensität (200-1000 Lux, Sonnenlicht: ~100.000 Lux), handelt es sich auch um Licht mit spezifischen Wellenlängen, die ausschließlich im sichtbaren Bereich liegen und deren Absorption bei herkömmlichen Solarzellen weniger gut ausgeprägt ist. Die IPV hat die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich gezogen, weil sie eine nachhaltige Energiequelle für die Stromversorgung z. B. von kleinen und kleinsten Verbrauchern in Innenräumen darstellen kann. Gerade in Gebäuden wie beispielsweise Krankenhäusern, Polizeiwachen oder Forschungs- und Bildungseinrichtungen ist das Licht bis zu 24 Stunden am Tag an. Hier könnten zum Beispiel Sensoren für Temperatur, Luftfeuchte, CO2 oder tragbare Elektronik dauerhaft mit IPV betrieben werden. Weiterlesen

Licht macht Ionen beweglich

Lithium-Ionen-Akkus, Brennstoffzellen und viele andere Devices sind auf eine gute Beweglichkeit von Ionen angewiesen. Doch dieser steht eine Vielzahl von Hindernissen entgegen. Ein Forschungsteam um Jennifer L. M. Rupp von der Technischen Universität München (TUM) und Harry L. Tuller vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun erstmals gezeigt, dass sich Licht nutzen lässt, um die Beweglichkeit der Ionen zu erhöhen und die Leistung entsprechender Geräte zu verbessern.

Prof. Dr. Jennifer Rupp, Professorin für Chemie der Festkörperelektrolyte in ihrem Labor im Gebäude der Fakultät für Chemie der Technischen Universität München. Bild: Uli Benz / TUM

Prof. Dr. Jennifer Rupp, Professorin für Chemie der Festkörperelektrolyte in ihrem Labor im Gebäude der Fakultät für Chemie der Technischen Universität München.
Bild: Uli Benz / TUM

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Verlängerung der Lebensdauer von Hauptwellenlagern in Windkraftanlagen

Das Wachstum der Windkraftindustrie weltweit und die Einführung von Windkraftanlagen mit einer typischen Leistung von mehr als 1 MW haben zur Folge, dass höhere Belastungen und die damit verbundenen Auswirkungen die Lebensdauer der Hauptwellenlager und der Getriebelager beeinträchtigen. Schadens-und Versagensmodi treten früher auf als erwartet und für viele Windparkbetreiber addieren sich die Kosten unerwarteter Reparaturen, die nicht am Turm durchgeführt werden können.

Die Windkraftindustrie fordert deshalb längere Standzeiten für Hauptwellen- und Getriebelager, und die Hersteller arbeiten an Lösungen für den Markt.

„Betreiber planen eine oder vielleicht zwei größere Überholungen der Windkraftanlage über ihren Lebenszyklus“, sagt Tony Fierro, Anwendungsingenieur der Timken Company. „Die Herausforderung besteht darin, dass viele Windkraftanlagen eine größere Überholung noch innerhalb der ersten 7 bis 10 Jahre benötigen. Das bedeutet höhere Ausgaben für Betrieb und Wartung über den Lebenszyklus der Windkraftanlage.

Windkraftanlagen sind mit mehreren verschiedenen Wälzlagern bestückt, die unterschiedlich schnell verschleißen. Die heutzutage in größeren Windkraftanlagen auftretenden höheren Belastungen stel- len konventionelle Lagerausführungen auf die Probe – besonders bei Hauptwellenlagern

Windkraftanlagen sind mit mehreren verschiedenen Wälzlagern bestückt, die unterschiedlich schnell verschleißen. Die heutzutage in größeren Windkraftanlagen auftretenden höheren Belastungen stellen konventionelle Lagerausführungen auf die Probe – besonders bei Hauptwellenlagern

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Solarzellen ultrahochauflösend drucken

Für den präzisen 3D-Druck hat das Team den 3D-Druck in Atomlagen entwickelt. Die Atome werden dabei einzeln auf die Oberfläche aufgetragen (Grafik: Bachmann).

Für den präzisen 3D-Druck hat das Team den 3D-Druck in Atomlagen entwickelt. Die Atome werden dabei einzeln auf die Oberfläche aufgetragen (Grafik: Bachmann).

Besonders dünne Solarzellen mit einem 3D-Drucker herstellen, aus nachhaltigen Materialien und präzise bis auf den Nanometer: Daran forscht Prof. Dr. Julien Bachmann, Lehrstuhl für Chemistry of Thin Film Materials an der FAU. Für sein Projekt erhält er nun den ERC Proof of Concept Grant. Der ERC Proof of Concept Grant wird an Forschende vergeben, die bereits einen ERC Grant erhalten haben und nun ausloten, wie ihre Ergebnisse in der Praxis ökonomischen oder sozialen Mehrwert bringen können.

In seiner früheren Forschung konnte Prof. Bachmann zeigen, wie die Oberflächenstruktur der Halbleiter auf kleinster Ebene die Effizienz der Solarzellen beeinflusst. Mit einem hochauflösenden 3D-Drucker, der auf 0,000001 Millimeter genau ist, will er nun systematisch austesten, bei welche Oberflächengestaltung der Halbleiter am leistungsfähigsten ist. Für den Einsatz nachhaltiger Materialien im Bereich der erneuerbaren Energien ist diese Optimierung notwendig. Weiterlesen

Photonen-Recycling – der Schlüssel zu hocheffizienten Perowskit-Solarzellen

Forschende der TU Dresden haben in Kooperation mit Teams der Seoul National University (SNU) und der Korea University (KU) die wichtige Rolle der Wiederverwendung von Photonen (bekannt als „Photonenrecycling“) und von Lichtstreuungseffekten in Perowskit-Solarzellen und damit einen Weg zu einer hocheffizienten Solarenergieumwandlung gezeigt.

Zusätzliche Lichtemission wird durch wiederholtes Recycling eingefangener Photonen in Perowskiten erreicht. (© Dr. Changsoon Cho)

Zusätzliche Lichtemission wird durch wiederholtes Recycling eingefangener Photonen in Perowskiten erreicht. (© Dr. Changsoon Cho)

Metallhalogenid-Perowskite sind auf großes Interesse als Halbleiter der nächsten Generation für die Solarenergieumwandlung gestoßen. Seit der ersten Demonstration eines Wirkungsgrades von 3,8 % im Jahr 2009 sind diese rapide gestiegen und hochmoderne Perowskit-Solarzellen weisen Wirkungsgrade von über 25 % auf, nahe den Rekordwirkungsgraden der Silizium-Photovoltaik. Dieses schnelle Wachstum während des letzten Jahrzehnts wirft die Frage auf, ob Perowskit-Solarzellen in der Lage sein werden, die obere (thermodynamische) Grenze des photovoltaischen Wirkungsgrads zu erreichen, die bei 34 % liegt. Um diesem Ziel näher zu kommen, muss die Solarzelle nicht nur ein guter Lichtabsorber, sondern auch ein guter Lichtemitter sein. Weiterlesen

Neue Weichmacher-Generation aus nachwachsenden Rohstoffen

Verbundprojekt entwickelt Alternative als Teil der Kreislaufwirtschaft

Plastik ist heute weltweit ein selbstverständlicher Bestandteil des Alltags. Zu finden ist es unter anderem in Autoreifen, Lebensmittelverpackungen, Spielzeug und Infusionsschläuchen. Viele Kunststoffe enthalten Weichmacher – Studien zeigen jedoch, dass sie toxisch wirken, auch ist für ihre Herstellung klimaschädliches Erdöl nötig. In einem Verbund-Forschungsprojekt der Technischen Universität Hamburg, dem Chemieunternehmen BASF SE und der Universität Bielefeld ist es nun gelungen, nachwachsende Ausgangsstoffe für eine biobasierte Alternative zu nutzen. Leiter des Bielefelder Teilprojekts ist Professor Dr. Harald Gröger von der Arbeitsgruppe Industrielle Organische Chemie und Biotechnologie. Weiterlesen

Grüner Wasserstoff zu wirtschaftli­chem Preis

© panthermedia

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Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Das Erreichen der Klimaneutralität in Deutschland bis zum Jahr 2045 erfordert eine Transformation in nahezu allen Lebensbereichen. Erneuerbare Energien werden zukünftig das Rückgrat moderner Volkswirtschaften darstellen. Häufig müssen etablierte Technologien, die auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe basieren, durch elektrische Alternativen ersetzt werden. Dies wird besonders beim Thema Elektromobilität deutlich. In der Praxis können jedoch nicht alle Prozesse auf die Nutzung energiereicher Brennstoffe verzichten. So sind zum Beispiel die Stahlindustrie oder der Flugverkehr auf energiereiche Brennstoffe angewiesen. Gleichzeitig stellt die hohe Volatilität, also die intensiven Schwankungen regenerativer Energiequellen, die Elektroenergieversorgung vor große Herausforderungen. Für beide Probleme stellt die Erzeugung von Grünem Wasserstoff eine attraktive Lösung dar. So kann mit überschüssiger Elektroenergie Wasserstoff erzeugt und als regenerativer Brennstoff verwendet werden. Allein in Deutschland wird der zukünftige jährliche Wasserstoff-Bedarf mehrere Hundertmillionen Tonnen betragen. Das Thema Wasserstoff stellt für die deutsche Industrie eine große Chance dar, die Zukunft zu gestalten. Notwendig sind effiziente, langlebige, robuste, kostengünstige, skalierbare und netzfreundliche Elektrolyseanlagen. Weiterlesen

Umweltfreundliche Herstellung von Batterieelektroden

© Fraunhofer IWS Dresden DRYtraec®-Anlagen benötigen keine langen Trocknungsstrecken und nehmen daher deutlich weniger Platz ein als herkömmliche Anlagen zur Herstellung von Batterieelektroden.

© Fraunhofer IWS Dresden DRYtraec®-Anlagen benötigen keine langen Trocknungsstrecken und nehmen daher deutlich weniger Platz ein als herkömmliche Anlagen zur Herstellung von Batterieelektroden.

Herkömmliche Prozesse zur Herstellung von Batterieelektroden sind auf den Einsatz von meist toxischen Lösungsmitteln angewiesen und benötigen viel Platz und Energie. Nicht so DRYtraec® – ein neu entwickeltes Trockenbeschichtungsverfahren des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. Die Technologie ist umweltfreundlich und kosteneffizient, kann breit eingesetzt werden und hat so das Potenzial, die Batterieelektrodenherstellung zu revolutionieren. Weiterlesen

Bleifreie Perowskit-Solarzellen – Wie Fluor-Additive die Qualität verbessern

Die Beigabe von Fluor-Additiven steigert die Qualität der Perowskit-Schicht. Analysen an BESSY II zeigen nun, warum. © M. Künsting/HZB

Die Beigabe von Fluor-Additiven steigert die Qualität der Perowskit-Schicht. Analysen an BESSY II zeigen nun, warum. © M. Künsting/HZB

Zinnhalogenid-Perowskite gelten aktuell als beste Alternative zu den bleihaltigen Analogen, sind jedoch im Vergleich zu diesen noch deutlich weniger effizient und stabil. Nun hat ein Team um Prof. Antonio Abate aus dem HZB die chemischen Prozesse in der Perowskit-Vorläuferlösung und deren Fluoridchemie eingehend analysiert. Durch eine raffinierte Kombination von Messmethoden an BESSY II mit Kernspinresonanz konnten sie zeigen, dass Fluorid die Oxidation von Zinn verhindert, was zu einer homogeneren Filmbildung mit weniger Defekten führt und die Qualität der Halbleiterschicht erhöht. Weiterlesen