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Themen/Topics

Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien für die dezentrale Speicherung regenerativer Energien: Experimentelle Unter-suchung und modellbasierte Optimierung

Prof. Dr. habil. Wolfgang Bessler

Die unzureichende Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien ist heute maßgeblicher Kostentreiber für die Stromspeicherung in dezentralen nachhaltigen Energiesystemen. Ziel des Promotionsvorhabens ist die Entwicklung von Lebensdauer-verlängernden Design- und Betriebsführungsstrategien eines PV-gekoppelten Batteriesystems. Lithium-Ionen-Batteriezellen werden experimentell unter realistischen Betriebsbedingungen charakterisiert, um Leistung und Alterungsverhalten zu bewerten. Ortsaufgelöste physikalisch-chemische Alterungsmodelle werden entwickelt und für die Optimierung von Zell- und Systemdesign eingesetzt. Im Ergebnis werden PV/Batterie-Kopplungsstrategien und ein Lade-/Entlademangement für lange Lebensdauern realisiert.

  

Prädikatives Lademanagement für die Energiespeicher eines Smart Grids mit erneuerbaren Energiequellen auf Basis von Demand-Side-Management

Prof. Elmar Bollin, Hochschule Offenburg

Am Institut für Energiesystemtechnik INES wird ein Smart Grid aufgebaut und betrieben, das seine Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind bezieht. Daraus lassen sich elektrischer Strom und Wärme gewinnen bzw. Wasserstoff und Methan als Energieträger. Diese Energieformen können im INES Smart Grid zum Heizen und Kühlen sowie zur Eigenstromversorgung genutzt werden sowie für den Betrieb eines E-Mobils. Als Energiepuffer stehen verschiedene Batteriespeicher, ein Wasserstoffspeicher und thermische Speicher zur Verfügung. Die einzelnen Verbraucher des INES lassen sich entsprechend der Angebotssituation und der Netzauslastung steuern. Diese Systemkonstellation ausgestattet mit einem umfangreichen Anlagenmonitoring und einer Speicher-Programmierbaren-Steuerung SPS stellt eine hervorragende Entwicklungsumgebung für ein neuartiges prädiktives Speicherlademanagement dar.


 

Kommunikation/Konzepte für verteilte Messwert-Datenbanken in Smart Grid-Strukturen

Prof. Dr. Andreas Christ

Im Smart Grid Bereich fallen zahlreiche und vielfältige Messdaten an, die es optimal zu speichern und zu analysieren gilt. Hybride Software-Strukturen aus dezentralen Peer-to-Peer- (P2P) und hierarchischen Client-Server-Architekturen werden anhand ihren Eigenschaften zur Verwaltung/Aggregation/Abfrage und effizienter Übertragung der Messdaten hin untersucht. Neue Konzepte werden bewertet sowie prototypenhaft implementiert.

   

Kleinskalige Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung als netzreaktives System zur energieeffizienten Biogas/Erdgas-Nutzung

Prof. Dr. Jens Pfafferott       

Die Bereitstellung von Kälte aus Abwärme ist eine Möglichkeit, Kälte sehr energieeffizient bereitzustellen. Ein großes Potenzial für Adsorptionskältemaschinen liegt in der Leistungs-klasse unter 10 kW Kälteleistung. Hier kommen Mikro-Blockheizkraftwerke als Antrieb in Frage. In einem Laboraufbau im INES-Technikum und einer modellbasierten, theoretischen Untersuchung wird diese Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mit einem warmen und einem kalten Speicher unter den Aspekten Energieeffizienz und netzreaktiver Betrieb bewertet. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Effizienzverbesserung durch Schichtenspeicher.

  

Chemische Wasserstoffspeicherung

Prof. Dr. Holger Reinecke

Bei diesem Projekt soll das Konzept, die Fabrikation und die Charakterisierung eines in ein Brennstoffzellensystem integrierten Mikroreaktors bearbeitet werden. Dabei soll das System ohne Gasverteilerstrukturen und externe Wasserstoffleitungen basierend auf den MEMS Technologien aufgebaut werden. Bisher waren die µ-PEM-Brennstoffzellen (Mikro-Polymerelektrolytbrennstoffzellen) auf Grund ihrer hohen volumetrischen Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren und anderen Energiesystemen ein geeigneter Kandidat zur Energieversorgung von autonomen Mikrosystemen. Der limitierende Faktor bei den µ-PEMs ist die geringe Menge an gespeichertem Wasserstoff, dies kann aber durch die Integration eines Wasserstoffreaktors gelöst werden. Besonders problematisch bei der Kombination eines Reaktors mit einer µ-PEM sind die notwendigen Wasserstoffleitungen zum Aufladen der Wasserstoffspeicher. Bei den State-of-the-art-Systemen werden externe Leitungen für den Transport des erzeugten Wasserstoffs vom Reaktor zu den Gasverteilerstrukturen der Brennstoffzelle benötigt.

 

Partizipation von Bürgern und Stakeholder-Gruppen an Handlungsfeldern der Energie-wende auf unterschiedlichen Ebenen und deren Wirkungen – Analyse am Beispiel des Ausbaus von Stromnetzen und EE-Anlagen in Deutschland

Dr. Chantal Ruppert-Winkel, PD Dr. Georg Winkel, Universität Freiburg

In den letzten Jahren sind im Rahmen der Energiewende unterschiedliche Partizipationsformen zu verschiedenen Handlungsfeldern auf regionaler und nationaler Ebene entstanden - beispielsweise regionale Energiegenossenschaften oder die Plattform des BMWi „Zukünftige Energienetze“. Mit diesem Forschungsvorhaben soll analysiert werden, welche Partizipationsmöglichkeiten es in Deutschland im Rahmen der Entscheidungen über den Ausbau von Stromnetzen und EE-Anlagen auf verschiedenen politischen Ebenen gibt, welche innovativen Formen von Partizipation sich entwickelt haben, wer sich wie beteiligt, und welche Wirkungen unterschiedliche Partizipationstypen entfachen. Hierbei wird mit vergleichenden Fallstudien zu unterschiedlichen Partizipationsformen gearbeitet.

 

Heterogene Robuste Cyber-Physische Systeme für verteiltes Energiemanagement

Prof. Dr. Christian Schindelhauer, Institut für Informatik, Universität Freiburg

Für die Erfassung und Steuerung von Stromerzeugern, Stromspeichern und Stromverbrauchern in Privathaushalten existiert eine Vielzahl kommerzieller Insellösungen, die unterschiedliche Netzwerke verwenden, wie Bluetooth, WLAN, NFC, Mobilfunk, sowie proprietäre Lösungen im ISM-Band. Die Verbindung dieser Insellösungen durch ein Overlay-Netzwerk schafft neue Möglichkeiten zur Erfassung, Steuerung und das intelligente Management dieser Geräte. So ein Netzwerk mit Designmerkmalen eines cyber-physischen Systems (CPS) bindet in einem verteilten Peer-to-Peer-Ansatz Mess- und Steuerungseinheiten ein, die zwischen verschiedenen Protokollen standardisiert vermitteln und verteilte kommunizierende Agenten bereitstellen. Hierbei sind die CPS-eigenen Entwicklungsziele Konnektivität, Robustheit, Echtzeitfähigkeit und Sicherheit von zentraler Bedeutung.

Ziel ist der Entwurf und die Implementation eines solchen Netzwerks im Rahmen einer Dissertation mit prototypischen Anwendungen für intelligentes Home-Management mit heterogenen Komponenten und drahtlosen oder drahtgebundenen Netzwerken

 

Smarte Nutzung regenerativer Energien: Psychologische Barrieren und ihre Überwindung

Prof. Dr. Hans Spada

In den kommenden Jahren wird die Energiewende hohe Anforderungen an die Bereitschaft und Fähigkeit deutscher Haushalte stellen, sich an die verändernde Stromerzeugung anzupassen. Dies betrifft u. a. höhere Stromkosten, eine komplexere Stromkostenstruktur und neue, technisch smarte aber nicht immer Nutzer freundliche Technologien. Psychologische Akzeptanzforschung kann zum Verständnis der Bedürfnisse und Fähigkeiten der Menschen beitragen und Wege aufzeigen, Hürden in Einstellungen und Verhalten zu überwinden. Das Energieangebot und nachhaltige, auf erneuerbaren Energien basierende, Produkte können mit Hilfe dieser Erkenntnisse angepasst werden. Das zukünftige Promotionsprojekt wird an die laufenden Arbeiten zur Akzeptanz von Photovoltaikanlagen und zur Bereitschaft zum Kauf von Elektrofahrzeugen anschließe

 

 

Untersuchungen zum technisch-wirtschaftlichen Optimum bei der Eigenerzeugung von Elektrizität aus erneuerbaren Energien aus Sicht von Endenergieanwender und Verteilnetzbetreiber

Prof. Dr. Peter Treffinger

In vielen Ländern führt die zunehmende Akzeptanz und Unterstützung von erneuerbaren Energien zu einem signifikanten Ausbau der entsprechenden Erzeugungskapazitäten (z. B. Photovoltaik und/oder Windenergie). Diese Erzeugungseinheiten werden oft an das Verteilnetz angeschlossen und in zunehmender Zahl Energiespeichern kombiniert. Unter günstigen Witterungsbedingungen übersteigt die durch diese Erzeugungseinheiten dem Verteilnetz zugeführten Leistung die Nachfrage in der jeweiligen Region, was vorübergehend zu einer Umkehrung des Energieflusses im Verteilnetz führt. Jedoch wird bei ungünstigen Witterungsverhältnissen die Last nahezu vollständig über das Verteilnetz gedeckt und damit in der Regel durch konventionelle Kraftwerke getragen. In diesem Szenario ist es für die Verteilnetzbetreiber eine technische und wirtschaftliche Herausforderung, die Funktionsfähigkeit des Netzes zu erhalten. Die dabei auftretenden Fragestellungen hängen stark vom spezifischen Charakter des Teilnetzes im jeweiligen Netzgebiet ab. Wahrscheinlich ist es zielführend zwischen Städten, dörflichen Strukturen, Dörfer mit Industriegebieten, ländlichen Strukturen mit relativ geringer Bevölkerungsdichte zu unterscheiden.

Im Rahmen der Untersuchung soll eine technisch-wirtschaftliche Untersuchung der oben beschriebene Fragestellung erfolgen, wobei sowohl die Sicht der Energienutzer als auch der Verteilnetzbetreiber beleuchtet werden soll. In einem ersten Schritt könnten Modelle von Teilnetzen, die repräsentativ für Teilnetze sind, entwickelt werden. Basierend auf diesen Modellen können verschiedene Szenarien untersucht werden. Die vergleichende Analyse der mit Hilfe der Szenarien gewonnenen Ergebnisse könnte zu Vorschlägen führen, wie gleichzeitig ein Nutzen für Endenergieanwender und Verteilnetzbetreibern erreicht werden kann.

Ein wesentlicher Teil der Arbeit könnte die Entwicklung der repräsentativen technischen Modelle für die Netzstrukturen sein. Auch wirtschaftliche Aspekte und die Verständnis für regulatorische Rahmenbedingungen werden benötigt. Das Thema dürfte daher gut für eine/n Stipendiat/in mit Interesse für Energiesysteme, einschließlich erneuerbare Energien, für Modellierung von Systemen sowie auch für wirtschaftliche Aspekte.

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Zusammenarbeit mit einem regionalen Energieversorger angestrebt.

  

Netzkooperative Betriebsführung von thermisch-elektrischen hybriden Erzeugungs-systemen auf Basis lokal optimierter Ertragsprognosen

Prof. Dr. Eicke Weber, Prof. Dr. Christof Wittwer, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

PV-Anlagen in Kombination mit Strom und Wärmespeichersystemen gewinnen zunehmend an Bedeutung, da Speicherpotentiale medienübergreifend nutzbar werden. Neben der lokalen Optimierung werden sie aber auch zunehmend für den netzdienlichen Betrieb interessant, der im Smart Grid durch die Verwendung von Datenmodellen möglich wird. Das lokale Energiemanagementsystem muss einerseits die internen Lastflüsse und Speicherzustände erfassen, andererseits die Prognosen für Last und Erzeugung prognostizieren. Die ortsaufgelösten Wetterprognosen von professionellen Dienstleistern sind zwar verfügbar, aber meist durch die lokalen Einflüsse noch erheblich fehlerbehaftet. Durch die lokale Erfassung der Lastflüsse,  kann eine verbesserte Vorhersage erreicht werden, gerade wenn auch die umliegenden PV-Anlagen  einbezogen werden. Mithilfe einer detaillierten Lastflusssimulation eines hybriden thermisch-elektrischen Systems werden die Potentiale ermittelt, die durch die informationstechnische Einbindung der Anlagen in eine übergeordnete Netzbetriebsführung erreicht werden kann.

  

Simulation, Entwurf und Aufbau eines robusten Gassensorssystems für den optimalen Betrieb von Biogasanlagen

Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein, IPM

Für den reibungslosen Betrieb der Biogasanlage sowie für das frühzeitige Erkennen von Korrosionsproblemen ist es wichtig die Gaszusammensetzung im Fermeter zu kennen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Bestimmung des  Methan- und Schwefelwasserstoffgehalts. Die Biogaszusammensetzung gibt Auskunft darüber, ob der Gärprozess im Fermenter optimal abläuft und hilft bei der Definition prozesstechnischer Änderungen. So können z.B. niedrigere CH4 Werte auf einen unvollständigen Substratabbau oder substratbedingte Hemmung hinweisen. Die Bestimmung des Methangehaltes gibt zusätzlich Aufschluss über den Brennwert des Biogases. Für die an die Biogasanlage angeschlossenen Verbrennungsmotoren ist die Messung und Einhaltung der H2S-Grnzwerte wichtig. Durch die kontinuierliche Überwachung des H2S Gehaltes kann Korrosionsschäden frühzeitig vorgebeugt werden. Angestrebt wird deshalb die Entwicklung eines robusten Sensorsystems zur Bestimmung  der Methan und H2S-Konzentration in Biogasanlagen, da bestehende Lösungen entweder sehr querempfindlich, teuer bzw. nicht langzeitstabil sind.

 

Elektronisch-Funktionale ALD-Nanoschichten für neuartige Solarzellenstrukturen

Prof. Dr. Margit Zacharias

Zinkoxid wird bei amorphen Silizium-Dünnschichtsolarzellen und bei organischen Solarzellen oft als transparentes Oxid verwendet. Allerdings ist eine normale Abscheidung von sogenannten transparenten Oxiden (TCO) häufig auf fluordotierten Zinnoxids basiert. Die Abscheidung von TCO auf der Basis von Zinkoxid z.B. dotiert mit Aliminium z.B. mittels ALD oder einem LPCVD Prozess hat den Vorteil von niedrigen Depositionstemperaturen von rund 200°C und eröffnet eine breite Substratwahl. Zusätzlich bietet der ALD Prozess den Vorteil einer konformen Abscheidung 3D auch über Nanostrukturen. In dem hier vorgeschlagen Thema sollen systematisch die Grundlagen gelegt werden, mit einer bei uns vorhandenen experimentellen Anlage die Abscheidung von TCO (ZnO/Al2O3, TiO) zu etablieren. Es sollen die elektrischen Eigenschaften und die photonischen Absorptionseigenschaften untersucht und der Trade-off zwischen Schichtdicke/Leitfähigkeit und Absorptionsverlusten untersucht werden. Zusätzlich sollen die Schichten in ihren Eigenschaften für Oberflächenpassivierung und für Tunnelbarrieren charakterisiert werden.

 

 

ENGLISH VERSION

 

Lifetime of lithium-ion batteries for decentralized storage of renewable energies: Experimental investigations and model-based optimization.

Prof. Dr. habil. Wolfgang Bessler, Offenburg University of Applied Sciences

The limited lifetime of lithium-ion batteries is today a dominating cost factor of electrical energy storage in decentralized sustainable energy systems. Goal of the PhD project is the development of lifetime-extending design and operation strategies of a PV-coupled battery system. Lithium-ion battery cells will be investigated experimentally under realistic operating conditions in order to assess performance and ageing behavior. Spatially resolved physicochemical cell ageing models will be developed and used for optimization of cell and system design. As a result, long-lifetime PV/battery coupling strategies, including charge/discharge management, will be realized

 

Battery Management for Smart Grids with Renewable Energy Sources Based on Predictive Control and Demand-Side-Management

Prof. Elmar Bollin, Offenburg University of Applied Sciences

At the research institute for energy systems INES a Smart Grid using renewable energy sources like sun and wind is installed. This system provides electricity and heat respectively hydrogen or methane as an energy transfer medium. The energy is used to cover the power, heating and cooling needs of the INES and to operate an E-Mobil. The energy can be stored in a hydrogen storage and in different types of batteries as well as thermal storages. Based on the availability of the energy sources and the workload of the public grid the demand of the different energy consumers at INES can be controlled. This INES Smart Grid constellation equipped with a detailed monitoring and a stored programmable control SPS in addition with system modelling based on the simulation programs Matlab and Labview offer an outstanding development environment for a novel predictive battery management.

 

Concepts for distributed databases for smart grid measurements

Prof. Dr. Andreas Christ, Offenburg University of Applied Sciences

Smart grids generate numerous and manifold measurement data which have to be stored and analyzed. The amount of data of an individual measurement is often small, but the many different, widely spatially distributed components of the smart grid as a whole deliver a huge amount of data, part of which must be responded to within a very short timeframe. Peer-to-peer (P2P) networks and hybrid software structures, combined with decentralized peer-to-peer and hierarchical client-server architectures, will be analyzed with respect to administration, aggregation, storage, retrieval and efficient transmission of measurement data. The concepts will be evaluated and extended concerning their benefit for smart grid applications. A prototype will be implemented for verification.

 

Small scale combined heat-power-cooling as grid reactive system for energy-efficient

biogas/natural gas use

Prof. Dr. Jens Pfafferott, Offenburg University of Applied Sciences        

Thermally driven cooling concepts have a strong potential for the energy efficient production of cold for cooling of buildings and air-conditioning, respectively. There is a huge market for small scale adsorption chillers in industrial and commercial applications. Both available mid-temperature exhaust heat from technical processes and small scale cogeneration units may deliver the driving heat. The tri-generation is demonstrated in the energy lab (with a hot a cold storage) at the Institute for Energy Systems at the Offenburg University of Applied Sciences. Based on these monitoring results, the overall system is evaluated with numerical simulation for the improvement of energy efficiency and advanced demand side management in the electrical grid. The optimization considers both thermal and electrical efficiency

 

Chemical Hydrogen Storage

Prof. Dr. Holger Reinecke, IMTEK, University of Freiburg

The aim of the project is the investigation of the design, fabrication and testing of an integrated micro reactor and fuel cell system based on MEMS fabrication technology without flow fields, external hydrogen feed connector.

In recent years, hydrogen based micro Proton exchange membrane Fuel Cells (µ-PFCs) have been the same or more promising candidate than the miniaturised lithium ion accumulators and other energy systems due to its high volumetric energy density for autonomous microsystem. The limiting factor for the µ-PFCs is the low amount of on-board hydrogen storage, which can be overcome by integrating a hydrogen producing micro reactor. The major factor that hinders the usage of micro reactor in combination with µ-PFCs for recharging is the presence of external hydrogen feed connectors. In the state-of-the-art system there is a usage of external feed connector for the transport of hydrogen form the reactor to the flow fields of the fuel cell.

 

Public Participation and the German “Energy Turn Policy” – Analyzing case studies related to grid expansion and the construction of renewable energy facilities

Dr. Chantal Ruppert-Winkel, PD Dr. Georg Winkel, University of Freiburg

 In recent years, German energy policy underwent a much-noticed energy turn (“Energiewende”). This change encompasses several elements and addresses different policy levels, reaching from the local up to the national level. Moreover, different measures related to this change, inter alia the construction of new renewable energy facilities and the extension of the grid, entail significant potential for conflicts. Public and stakeholder participation has been highlighted in rhetoric and is partially applied as a strategy to deal with these conflicts, and to facilitate socio-technological change. In this PhD project, the researcher analyses the occurrence, types, meaning and effects of public and stakeholder participation related to the energy turn policy using case study research at different policy levels. Drawing on the social and political science literature on public participation, the project aims to contribute to the knowledge about participatory governance and how it relates to environmental conflicts.

 

Smart use of renewable energy systems: Psychological barriers and how they may be overcome.

Prof. Dr. Hans Spada, Department of Psychology, University of Freiburg

Smart use of renewable energy systems: Psychological barriers and how they may be overcome

The energy revolution (Energiewende) will result in a substantial challenge for German households in the coming years. Consumers will have to adapt to a dynamically changing energy market accompanied by higher costs, a more complex cost structure, as well as novel and smart, but not always user-friendly technologies.  Psychological research on consumer acceptance may provide information on human needs and competencies in coping with these challenges. This research may also reveal and open ways to overcome psychological barriers in the diffusion and implementation of new technologies. Based on these insights, technological innovations can be adapted to the needs of consumers. The PhD project will be embedded in the current research activities of our group, such as on the acceptance of photovoltaic systems and E-mobility.

 

Robust Heterogeneous Cyber-Physical Systems for Distributed Energy Management  

Prof. Dr. Christian Schindelhauer, Department of Computer Science, University of Freiburg   

For the acquisition and control of power generators, power storage and power consumers in private households, there is a variety of commercial stand-alone solutions using various networks, such as Bluetooth, Wi-Fi, NFC, mobile communications, as well as proprietary solutions in the ISM band. The connection of these islands through an overlay network creates new possibilities for detecting, controlling, and the intelligent management of these devices. Such a network with design features of a cyber-physical system (CPS) combines in a distributed peer-to-peer approach measurement and control units, which deploy gateways between different network protocols and provide standardized distributed interacting agents. Here, the CPS goals of connectivity, robustness, real-time capability and safety are of paramount importance.

The goal of this project is the design and implementation of such a network with prototypical applications for smart home management with heterogeneous components connecting different wireless or wired networks.

 

 

Investigations to the techno-economic optimum of own energy generation from renewable energy sources from the point of view of energy user and distribution grid operator.

Prof. Dr. Peter Treffinger, Offenburg University of Applied Sciences

In many countries the increasing acceptance and support of renewable energies leads to significant expansion of renewable energy capacities (e.g. photovoltaics and/or wind power). These generation units are often connected to the distribution grid and in increasing numbers combined with energy storages. Under favorable weather conditions the power supplied by these generation units exceeds the demand in the respective area, which leads temporarily to a reverse energy flow in the distribution grid. However, under bad weather conditions the load must be solely provided through other generation units through the distribution grid. Therefore the distribution grid provider faces technical and economic challenges to maintain the operability of the grid. The issues depend strongly on the specific character of the sub-grid in the respective area. There could be differences between e.g. towns, villages, villages with industrial zones, and country-side with relative low population density.

Within the work a techno-economic investigation of the above described situation shall be performed and highlighted from the view-point of the energy-user and of the distribution grid operator. In a first step could be developed several models of sub-grids representing typical configurations. Based on these models different scenarios could be tested. The comparative analysis of the results obtained with the scenarios could lead to proposals how a benefit can be achieved for energy-user and distribution grid operators. A significant part of the work could be the development of the representative technical models. However, also economic considerations and the understanding regulatory constraints are necessary. It seems that the topic would be fine for a person with good understanding of energy systems, including Renewables, an interest into modeling and interest in economic analysis as well.

In this work, collaboration with a local utility is sought.

 

Grid-cooperative operation control of thermo-electrical hybrid bulk power systems based on lokally optimized earning forecasts

Prof. Dr. Eicke Weber, Prof. Dr. Christof Wittwer, Fraunhofer-Institute for Solar Energy Systems

PV systems combined with thermo-electrical storage systems gain in significance, as their storage potential can be used more and more intermedial. In addition to local optimization, they also gain importance for applying grid-beneficial operations, which can be realized in the Smart Grid by the usage of data models. On the one hand, the local energy management system has to cover all intern load flows and storage conditions. On the other hand, it has to provide the predictions for future load and electricity generation. Weather forecasts services in high spatial resolution are accessible via professional suppliers, but are commonly afflicted with errors due to regional influences. Improved forecasts can be achieved by recording load flows, in especially if surrounding PV systems are taken into account. A detailed simulation of the load flows of a thermo-electrical hybrid system will be used to identify the potentials gained by the integration of the system in the network control systems in terms of information technology.

 

Design and Development of a reliable gas measurement system for an efficient operation of biogas plants

Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein, IPM, IMTEK

A reliable, undisturbed operation of biogas plants demands the knowledge of the composition of the produced gas, especially in terms of possible corrosions caused by occurring hydrogen sulfide. Co-generation plants attached to the biogas fermenter demand for complying limits of H2S concentration to minimize damage to the combustion engines. A continuous monitoring of the H2S content can prevent corrosion induced failure on an early stage.

In parallel, the level of methane (CH4) provides basic information on the fundamental digestion processes. Low CH4 levels indicate inhibitions in the biochemical reaction chain and incomplete decomposition. Measuring the content is thus prerequisite for defining changes in the digestion routine. In addition it allows for determination of the calorific value, crucial when upgrading to biomethane, a highly significant emerging scenario. Almost all future facilities are configured for gas upgrading, as it offers efficient energy storage and distribution.

Based on the described requirements and challenges reliable and accurate sensory units shall be developed, which are able to measure both the methane and the hydrogen sulfide concentration selectively. This shall lead to an innovative, competitive measurement unit, superior to existing solutions, which are either lacking of selectivity or long-term stability or are too expensive for a broad applicability.

 

Electronic-functional ALD nano layers for novel solar cell structures

Prof. Dr. Margit Zacharias, IMTEK, University of Freiburg

Zinc oxide is often used as transparent conductive oxide (TCO) for amorphous Si thin film solar cells or organic solar cells. However, the usual deposition of a TCO is based on fluorine doped tin oxide. The deposition of a TCO based on zinc oxide e.g. doped with aluminum and deposited via ALD or LPCVD has the advantage of very low deposition temperatures of around 200°C which allows for a broad choice of substrates. In addition ALD allows for a conformal deposition over 3D nanostructures. The topic focuses on the systematic development of fundamentals of ZnO/Al2O3 or TiO deposition in our experimental system. The electrical properties and photonic absorption properties shall be measured and the trade-off between conductivity and absorption losses has to be investigated. Additionally, the layer properties shall be characterized towards their utility for surface passivation and as tunneling barriers.

 

 

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