Highlight-Artikel Q4-2025

Smart Energy | Volume 20 | November 2025 | 100188

Theda Zoschke , Christian Wolff, Armin Nurkanović, Gregor Rohbogner, Daniel Weiß, Lilli Frison, Moritz Diehl, Axel Oliva

In der heutigen Energieversorgung mit Wärmenetzen gewinnen dezentrale Einspeiser zunehmend an Bedeutung, da die Netze wachsen und verstärkt Abwärmequellen oder erneuerbare Erzeuger zum Einsatz kommen, die nicht mehr in einer einzigen Energiezentrale integrierbar sind. Die modellprädiktive Regelung (MPC) stellt eine vielversprechende Methode dar, um die Erzeugereinsatzplanung in solchen mehrquelligen Wärmenetzen zu optimieren. Durch vorausschauende Steuerung ermöglicht MPC eine effiziente Nutzung der verfügbaren Ressourcen, wodurch sie maßgeblich zu Kostensenkungen beiträgt. Während auf Erzeugerebene eine lineare Formulierung für das integrierte Optimierungsproblem ausreicht, erfordert die Berücksichtigung thermohydraulischer Restriktionen eine nicht-lineare Formulierung, was häufig zu Konvergenzproblemen bei der Lösung führen kann.

In dieser Untersuchung wurde am Beispiel des Wärmenetzes in Weil am Rhein analysiert, welche thermohydraulischen Effekte in einer MPC-Formulierung tatsächlich erforderlich sind, um die Anzahl der Gleichungen auf ein Minimum zu reduzieren. Ein wärmebasierter linearer Ansatz wurde mit Hydrauliksimulationen (pandapipes) und Monitoringdaten abgeglichen, um Mindestanforderungen für das Optimierungsproblem abzuleiten.

Die Ergebnisse zeigen signifikante Kostensenkungen durch die Implementierung von MPC. Erwartete Einsparungen liegen bei etwa 17,8 % unter idealen Bedingungen und 14,3 % bei einem Prognosefehler von ±20 %. Diese Einsparungen ergeben sich hauptsächlich aus einer Reduzierung des fossilen Brennstoffverbrauchs durch eine bessere Speicherausnutzung zur Spitzenlastabdeckung und einen erhöhten Einsatz von KWK-Anlagen.

Die Bedeutung der Hydraulik wurde als kritisch identifiziert: Die maximale Förderhöhe der Pumpen können physikalisch bestimmte Erzeugerkombinationen bei hoher Last einschränken, sodass Druckverluste und Pumpengrenzen in die MPC integriert werden sollten. Während Pumpenergiekosten eine untergeordnete Rolle für die Einsatzreihenfolge spielen, erweist sich die Vorlauftemperatur-Optimierung als zusätzlicher Hebel, der moderate Einsparungen von etwa 1,8 % ermöglichen kann.

Für die Umsetzung der MPC wird empfohlen, zunächst Druckverlust-Nebenbedingungen und Pumpenlimits zu integrieren, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen. Die Berücksichtigung der Vorlauftemperatur als Entscheidungsvariable bringt ein zusätzliches Einsparpotenzial. Insgesamt zeigt die Studie, dass eine vorausschauende, wärmebasierte MPC von erheblichem Wert ist, insbesondere in einem sich wandelnden Energiemarkt, in dem dezentrale Einspeiser eine immer wichtigere Rolle spielen.

Progress in Photovoltaics: Research and Applications | Volume 33, Issue 8 | Aug 2025 | Pages 813-922

David Chojniak, Alexandra Schmid, Jochen Hohl-Ebinger, Gerald Siefer, Stefan W. Glunz

Perowskit Silizium Tandem-Solarzellen verbinden geringe Produktionskosten mit hohen Wirkungsgraden und haben somit das Potenzial die heute im Photovoltaik-Markt dominierende Silizium-Solarzelle zu ersetzen. Dies führte in den letzten Jahren zu einer rasanten und erfolgreichen Entwicklung der Perowskit Silizium Tandemtechnologie.

Dennoch gibt es nach wie vor verschiedene Herausforderungen, welche einem erfolgreichen Markteintritt dieser neuen Solarzelltechnologie entgegenstehen. Ein in diesem Kontext selten berücksichtigter Aspekt ist der Mangel an geeigneten Messgeräten und den entsprechenden Messmethoden, die eine zuverlässige und rückverfolgbare Effizienzbestimmung für Perowskit Silizium Tandem-Module wirtschaftlich relevanter Größen ermöglichen.

In dieser Arbeit wird dieser Herausforderung mit Hilfe eines großflächigen LED basierten Sonnensimulators begegnet. Dabei wird aufgezeigt, wie eine vollständige Kalibrierung großflächiger Perowskit Silizium Tandem-Module durch eine konsequente Nutzung der spektralen Variabilität des Sonnensimulators ermöglicht werden kann. Neben der Effizienzbestimmung unter präzise angepassten Spektralbedingungen beinhaltet dies auch die Messung der externen Quanteneffizienz, die Bestimmung von Temperaturkoeffizienten sowie eine Charakterisierung der Moduleigenschaften unter verschiedenen spektralen Bedingungen. Die unterschiedlichen Messmethoden werden beispielhaft an einem großflächigen Perowskit Silizium Tandemmodul der Firma Oxford PV durchgeführt, welches einen Wirkungsgrad von 25% erzielt. Diese Messung stellt somit die erste vollständig rückverfolgbare Kalibrierung eines großflächigen Perowskit Silizium Tandem-Moduls dar.

Sustainable Energy Fuels | 2025 | 9, 5151

Ali Elwalily, Emma Verkama, Franz Mantei, Adiya Kaliyeva, Andrew Pounder, Jörg Sauer and Florian Nestler  

Der Einsatz nachhaltiger Flugkraftstoffe (Engl.: Sustainable Aviation Fuel, SAF) wird zur Erreichung der Nachhaltigkeitsziele der EU in den kommenden Jahren eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Die Herstellung synthetischer Flugkraftstoffe basierend auf CO₂-neutral hergestelltem Methanol bietet gegenüber anderen Verfahren Vorteile wie beispielsweise eine hohe SAF-Ausbeute, einen niedrigen Flächenbedarf, die Möglichkeit zum dynamischen Prozessbetrieb bei Schwankungen der Stromverfügbarkeit sowie potenziell niedrige Kosten.

In diesem Review-Artikel wird die Prozesskette zur Herstellung von SAF aus Wasserstoff und CO₂ via Methanol umfassend analysiert, um Potenziale zur Steigerung von Effizienz und Produktausbeute zu identifizieren und daraus offene Forschungsfragen abzuleiten. 

Ein Hauptaugenmerk sollte in zukünftigen Studien auf das Zusammenspiel der Teilprozesse Methanolsynthese, Methanol-to-Olefins (MTO) Synthese, Oligomerisierung und Hydrierung gelegt werden. Als Schlüssel für weitere Prozessoptimierungen wurde insbesondere ein verbessertes kinetisches Verständnis des Prozessschrittes der MTO-Synthese identifiziert, da dieser die nachgelagerte Prozesskette sowie die Ausbeute an Flugkraftstoffen maßgeblich beeinflusst.

In den Labors des Fraunhofer ISE werden aktuell im Rahmen des Projekts »SAFari« Messungen durchgeführt, um insbesondere die Einflüsse der Eduktzusammensetzung auf das komplexe Reaktionsnetzwerk zu verstehen und anschließend mithilfe detaillierter Prozesssimulationen das Gesamtverfahren zu optimieren.

SCIENCE | Volume 390 | Issue 6772 | 30 Oct 2025 | DOI: 10.1126/science.adx1745

Oussama Er-raji, Christoph Messmer, Rakesh R. Pradhan, Oliver Fischer, Vladyslav Hnapovskyi, Sofiia Kosar, Marco Marengo, Mathias List, Jared Faisst, José P. Jurado, Oleksandr Matiash, Hannu Pasanen, Adi Prasetio, Badri Vishal, Shynggys Zhumagali, Anil R. Pininti, Yashika Gupta, Clemens Baretzky, Esma Ugur, Christopher E. Petoukhoff, Martin Bivour, Erkan Aydin, Randi Azmi, Jonas Schön, Florian Schindler, Martin C. Schubert, Udo Schwingenschlögl, Frédéric Laquai, Ahmed A. Said, Juliane Borchert, Patricia S. C. Schulze, Stefaan De Wolf, Stefan W. Glunz

Perowskit-Silizium-Solarzellen sind eine vielversprechende Technologie-Route, um die Photovoltaik noch günstiger und ressourceneffizienter zu machen. Sie bieten einen Energieumwandlungswirkungsgrad (PCE) von bis zu 34,85 % bei minimalen zusätzlichen Herstellungskosten. Ihre wirtschaftliche Rentabilität hängt von industrietauglichen Zell-Architekturen ab, wie beispielsweise monolithische, vollständig strukturierte Tandems mit Standard-Siliziumpyramidengrößen (>1 μm). In dieser Konfiguration wird die Perowskit-Schicht durch einen hybriden Verdampfungs-/Spin-Coating-Prozess aufgebracht. Dabei entsteht eine strukturierte Grenzfläche, die optische Reflexionsverluste effektiv minimiert. Dennoch wird der Wirkungsgrad von Solarzellen mit dieser Architektur durch Photospannungs- und Ladungstransportverluste an der Grenzfläche zwischen Perowskit und Elektronentransportschicht (ETL) begrenzt.

Um diese Einschränkungen zu mildern, wurden im Rahmen einer optoelektrischen Simulationsstudie zwei Strategien zur Passivierung der Grenzfläche untersucht: chemische Passivierung und Feldeffektpassivierung. Letztere zeigte einen völlig neuartigen Vorteil in der Perowskit-Halbzelle: Die Elektronenakkumulation dehnt sich über die Grenzfläche hinaus in den kompletten Absorber hinein, wodurch die Leitfähigkeit verbessert und Transportverluste reduziert werden. Experimentell ergab die Anwendung von 1,3-Diaminopropandi-dihydroiodid (PDAI) an der Grenzfläche zwischen Perowskit und ETL einen Wirkungsgrad von 33,1 %, eine Leerlaufspannung von 2,01 V und eine verbesserte Langlebigkeit der Solarzellen, getestet an der Küste des Roten Meeres. Diese Ergebnisse bestätigen, dass große Pyramidenstrukturen eine effektive Passivierung nicht behindern, eine wichtige Voraussetzung für die Industrialisierung von hocheffizienten, vollständig strukturierten Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen.