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Periodical volume

Full text: Ergebnisse Issue 2015

//	 ERGEBNISSE
RESULTS

2015

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

// Inhalt
Contents

2	

Vorwort / Foreword

4	

Leitbild / The Mission

6	

Stiftung / Foundation

7	

Mitglieder des Kuratoriums / Members of the Board of Trustees

8	

Erfolge 2015 / Achievements 2015

16	

Schwerpunktbericht / Focus Report

	

Energie als System betrachtet

	

Energy considered as a system

32	

Fachgebiete und Projekte / Departments and Research Projects

34 	

Systemanalyse / Systems Analysis

38 	

Photovoltaik: Materialforschung / Photovoltaics: Materials Research

42	

Photovoltaik: Module Systeme Anwendungen / Photovoltaics: Modules Systems Applications

46 	

Regenerative Energieträger und Verfahren / Renewable Fuels and Processes

50 	

Akkumulatoren Materialforschung / Accumulators Materials Research

54 	

Produktionsforschung / Production Research

56 	

Akkumulatoren / Accumulators

60 	

Brennstoffzellen Grundlagen / Fuel Cell Fundamentals

64 	

Brennstoffzellen Stacks / Fuel Cell Stacks

68 	

Brennstoffzellen Systeme / Fuel Cell Systems

70	

Öffentlichkeitsarbeit / Public Relations

78	Dokumentation / Documentation

// Copyright
Das Urheberrecht steht dem Herausgeber zu. Veröffentlichungen und auszugsweise Verwendung sind ohne
ausdrückliche Genehmigung des Herausgebers nicht zulässig. Zuwiderhandlung wird rechtlich verfolgt.
// Copyright
The copyright is held by the publisher. Publications and the use of excerpts are not permitted without the
express permission of the publisher. Any contraventions will result in legal action.

80 	

Finanzielle Entwicklung / Financial Development

82 	

Personalentwicklung / Staff Development

84 	

Ausgewählte Veröffentlichungen / Selected Publications

88 	

Organigramme / Organisational Charts

90 	

Standorte / Locations

92 	

Abkürzungen / Abbreviations

93	

Impressum / Imprint

// Vorwort
Foreword

Mit dem Abkommen der Weltklimakonferenz in Paris haben 195
Staaten beschlossen, die globale Erwärmung auf deutlich unter
2 °C und möglichst unter 1,5 °C gegenüber der vorindustriellen
Zeit zu begrenzen. Dazu muss die Schrittgeschwindigkeit zur Reduktion von Treibhausgasemissionen deutlich erhöht werden. Das
gilt auch für Deutschland. Die Energiewende verlief in einigen Bereichen zwar sehr positiv und hat u. a. dazu geführt, dass bereits
heute jede dritte Kilowattstunde Strom regenerativ erzeugt wird.
In anderen Bereichen wie dem Verkehr, der nach wie vor nahezu
vollständig auf fossilen Energieträgern basiert, bleibt die Entwicklung allerdings deutlich hinter den gesteckten Zielen zurück.

With the agreement reached at the UN Climate Change Conference
in Paris, 195 countries resolved to limit global warming to well
below 2°C and preferably to under 1.5°C versus the pre-industrial
period. To do so, the pace of the reduction in greenhouse gas
emissions must be markedly increased. This also applies to Germany.
In some fields the energy turnaround has proceeded extremely
positively indeed, and one of the results is that today every third
kilowatt hour of electricity is generated using a renewable energy
source. However, progress in other sectors has lagged considerably behind the objectives, for example, in the transport sector,
which continues to be almost entirely based on fossil fuels.

Die Energiewende sollte deshalb stärker als bisher als integriertes
Gesamtsystem gedacht werden. Strom-, Wärme- und Mobilitätssystem sind intelligent zu koppeln, damit die geeignetste Energieform jeweils am richtigen Ort und zur richtigen Zeit zuverlässig,
kosteneffizient und klimaverträglich zur Verfügung steht. Das
Thema Sektorkopplung bildet den Schwerpunkt unseres Jahresberichts 2015. Der Bericht präsentiert darüber hinaus weitere
wissenschaftliche Highlights aus unseren Themenfeldern. Dazu
zählen Dünnschicht-Solarzellen mit höchster Effizienz, die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen für Fahrzeuge im Minutentakt
oder erfolgreiche Dauertests von Brennstoffzellen der 100-kWKlasse mit äquivalenten Fahrleistungen von 5.600 km pro Woche.

Therefore, more than has previously been the case, the energy
turnaround should be thought of as an integrated whole system.
Electricity, heating and mobility systems are to be linked intelligently so that the most suitable form of energy is always reliably
and cost-effectively available at the right place and at the right
time in an environmentally compatible manner. Sector coupling is
the focus of our 2015 Annual Report. Furthermore, the Report
presents further scientific highlights from our range of topics, including thin-film solar cells with highest efficiencies, the production
of lithium-ion cells for vehicles at minute intervals and successful
endurance tests on fuel cells in the 100 kW class with the equivalent weekly mileage of 5,600 kilometres.

Wir freuen uns über das anhaltend hohe Interesse an unseren Arbeiten, das wir in vielen Gesprächen und einer erfreulich intensiven
Berichterstattung in den Medien erfahren. Dies ist das Verdienst
aller Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, für deren großartigen Einsatz sich der Vorstand zuallererst bedanken möchte. Besonderer
Dank gilt auch den Mitgliedern des Kuratoriums und dessen Vorsitzendem, Prof. Christian Mohrdieck. Dem Land Baden-Württemberg danken wir für die finanzielle Förderung und hervorragende
Zusammenarbeit ebenso wie unseren Partnern aus Unternehmen,
öffentlicher Forschungsförderung und Wissenschaft.

We are pleased with the continuing great interest in our work,
which we experience in many discussions and the intensive media
coverage. This is owed to all of our employees who, first and foremost, the Board would like to thank for their outstanding commitment. In particular, we would also like to thank the members of the
Board of Trustees and its Chairman, Prof. Christian Mohrdieck. We
would also like to thank the Federal State of Baden-Württemberg
for its financial support and excellent cooperation and our partners
from companies, public research funding and science.

// Prof. Dr. Frithjof Staiß
// Prof. Dr. Werner Tillmetz
// Prof. Dr. Michael Powalla

We hope you enjoy reading the ZSW Annual Report!
Allen Leserinnen und Lesern des ZSW-Jahresberichts wünschen
wir eine interessante Lektüre!

2

3

// Leitbild des ZSW
The Mission of ZSW

// Energie mit Zukunft
Ohne Energie kein Wohlstand, ohne Energie keine Entwicklung.
Energie ist Treiber für Innovation und selbst Gegenstand von
Innovation. Ökonomisch, ökologisch und gesellschaftlich tragfähige Energiekonzepte sind untrennbar mit der Nutzung erneuerbarer Energien und der Steigerung der Energieeffizienz verbunden.
Dafür arbeitet das ZSW: Wir erforschen und entwickeln Photovoltaik, regenerative Energieträger (wie Wasserstoff und Methan
als Erdgasersatz), Batterie- und Brennstoffzellentechnologien
und erstellen ökonomische Analysen von Energiesystemen.
// Wissenschaft mit klarem Fokus
In unseren Arbeitsgebieten zählen wir zu den international führenden Forschungseinrichtungen. Nur wer sich im Forschungswettbewerb behauptet, ist in der Lage, Schlüsseltechnologien
erfolgreich zu entwickeln und mit der Wirtschaft umzusetzen.
Dafür spielt die Vernetzung von Wissensdisziplinen aus Natur-,
Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften am ZSW eine große
Rolle.
// Technologietransfer schafft Arbeitsplätze
Als industrieorientiertes Forschungsinstitut ebnen wir neuen
Technologien den Weg in den Markt. Von der Materialforschung
über die Entwicklung von Prototypen und Produktionsverfahren
bis hin zu Anwendungssystemen, Qualitätstests und Marktanalysen decken wir die gesamte Wertschöpfungskette ab. Diese
Expertise aus einer Hand ist für unsere Partner aus der Wirtschaft
ein wesentlicher Erfolgsfaktor.

4

// Qualität für unsere Kunden
Die Zufriedenheit unserer Kunden hat oberste Priorität. Als unabhängiges Institut reagieren wir schnell und flexibel. Die Qualität
unserer Leistungen, Budget- und Termintreue sowie der Umgang
mit Vertraulichkeit stimmen. Dazu trägt auch unser zertifiziertes
Qualitätsmanagement bei.
// Motiviert im Team
Die Leistungsfähigkeit des ZSW basiert auf einer hohen fachlichen
Qualifikation und Motivation aller Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Die gelebte Wertschätzung des Einzelnen, der kollegiale Umgang miteinander und transparente Entscheidungsprozesse sind
ein zentrales Element unseres Selbstverständnisses.
// Dem Ganzen verpflichtet
Vorstand, Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des ZSW fühlen sich
dem Leitbild der nachhaltigen Entwicklung verpflichtet. Kriterien
unserer Technologieentwicklung sind deshalb die Schonung natürlicher Ressourcen, gesellschaftlicher Konsens und wirtschaftliche Tragfähigkeit.
// Akteure neutral informieren
Unsere Themen sind komplex. Darum informieren wir Wirtschaft,
Politik und Gesellschaft: nachvollziehbar und neutral. Denn nur
wer eine neue Technologie versteht und bewerten kann, wird ihre
Umsetzung in die Praxis unterstützen und so dazu beitragen, die
Energieversorgung von morgen zu gestalten.

// Energy is our future
Energy is crucial for prosperity and development. It drives innovation and is itself the subject of innovation. Our research and
development covers photovoltaics, renewable energy sources
(such as hydrogen and methane gas as a natural gas substitute),
battery and fuel cell technologies; our analyses cover the economics of energy systems.

// Quality is our watchword
Customer satisfaction is our top priority. As an independent
institute, we are able to respond to our customers’ requirements
quickly and flexibly. We take pride in the quality of our services,
our adherence to budget stipulations and deadlines and our
commitment to confidential information. Our high standards
owe much to our certified quality management.

// Science is our power
We are among the leading research institutions in our respective
fields, which puts us in a position to develop a range of related
technologies and successfully implement them within the market
place. Linking the disciplines of science, engineering and economics
is the core of ZSW’s discipline.

// Teamwork is our bond
Our strength is founded on the motivation of our highly qualified,
and professional employees. Active recognition of each individual,
collegial interaction and transparent decision-making processes
are central to all our activities.

// Innovation is our strength
As an industry-oriented research institute, we pave the way for
new technologies to enter the market. We cover the entire value
chain, from materials research, prototype development and
production processes to application systems, quality tests and
market analyses. This range of expertise from a single source is
the key to success for our partners in the business world.

// The environment is our concern
The management and employees of ZSW are committed to sustainable development. The protection of natural resources, social
consensus and economic viability are the criteria on which our
technology is based.
// Knowledge is our force
Thanks to our knowledge of all the complex elements that must be
combined to provide a sustainable future, we are able to deliver
transparent, neutral information to the economic, political and
social arenas. This provides the tools to those industries and institutions responsible for our future to make decisions based on the
best unbiased information.

5

// Stiftung
Foundation

// Mitglieder des Kuratoriums
Members of the Board of Trustees

Vorsitzender / Chairman	
> 	 Prof. Dr. Christian Mohrdieck	
		

Stellvertreter / Vice Chairmen		
Prof. Dr. Karl Joachim Ebeling
> 	 Prof. Dr. Uli Lemmer
>	

Ministerien und Organisationen / Ministries and Organisations	
> 	 Ministerialrätin Susanne Ahmed, Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst, Baden-Württemberg
> 	 Ministerialdirigent Karl Greißing, Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft, Baden-Württemberg
> 	 Ministerialdirigent Günther Leßnerkraus, Ministerium für Finanzen und Wirtschaft, Baden-Württemberg
> 	 Regierungsdirektor Christoph Rövekamp, Bundesministerium für Bildung und Forschung
> 	 Dr.-Ing. Klaus Bonhoff, Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
Universitäten / Universities	
> 	 Prof. Dr. Karl Joachim Ebeling, Präsident der Universität Ulm
> 	 Prof. Dr.-Ing. Wolfram Ressel, Rektor der Universität Stuttgart
Das ZSW wurde 1988 als gemeinnützige Stiftung
des bürgerlichen Rechts gegründet.

ZSW was established in 1988 as a non-profit
foundation under the civil code.

Stiftungsauftrag:
„Die Stiftung verfolgt den Zweck, Forschung und Entwicklung
im Bereich der erneuerbaren Energien, Energieeffizienz, Energiewandlung und Energiespeicherung, insbesondere auf dem
Gebiet der Sonnenenergie und Wasserstofftechnologie, in Abstimmung mit der universitären und außeruniversitären Forschung sowie durch Umsetzung der erarbeiteten Ergebnisse in
die industrielle Praxis zu betreiben und zu fördern.“

The goal of the foundation is:
“...to conduct and promote research and development in the field
of renewable energies, energy efficiency, energy conversion and
storage, with a focus on solar energy and hydrogen technology,
in cooperation with universitary and non-universitary research
and by transferring the results into industrial application.”

Stifter des ZSW / The founders are

Unternehmen / Commercial enterprises
> 	 Aare-Tessin AG für Elektrizität
> 	 Adolf Würth GmbH & Co. KG
> 	 Daimler AG
> 	 EnBW Energie Baden-Württemberg AG
> 	 Fichtner GmbH & Co. KG
> 	 IN-TEC GmbH
> 	 Martin Fritz Marketing Kommunikation GmbH
> 	 Messer GmbH
> 	 Robert Bosch GmbH
> 	 Schlaich Bergermann und Partner
> 	 Telefunken Electronic GmbH
> 	 Verband der Elektrizitätswerke Baden-Württemberg e. V.

Institutionen und Forschungseinrichtungen /
Institutions and research establishments
> 	 Land Baden-Württemberg
> 	 Universität Stuttgart
> 	 Universität Ulm
> 	 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.

6

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt / German Aerospace Research Centre	
> 	 Dipl.-Ing. Bernhard Milow, Programmdirektor Energietechnik
Fraunhofer-Gesellschaft	
> 	 Prof. Dr. Eicke Weber, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Wissenschaft / Science	
> 	 Prof. Dr. Michael Auer, Steinbeis-Stiftung für Wirtschaftsförderung
> 	 Prof. Dr. Achim Bubenzer, Rektor der Hochschule Ulm
> 	 Prof. Dr. habil. Ursula Eicker, Hochschule für Technik Stuttgart
> 	 Prof. Dr. Angelika Heinzel, Universität Duisburg-Essen
> 	 Prof. Dr. Uli Lemmer, Karlsruher Institut für Technologie
> 	 Prof. Dr. Uwe Leprich, Institut für ZukunftsEnergieSysteme gGmbH
> 	 Prof. Dr. Bernd Rech, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Wirtschaft / Commercial enterprises
> 	 Mathias Berz, Stadtwerke Ulm/Neu-Ulm
> 	 Dr. Winfried Hoffmann, Applied Solar Expertise
> 	 Dr. Jürgen Kirschner, Robert Bosch GmbH
> 	 Prof. Dr.-Ing. Jürgen Leohold, Volkswagen AG
> 	 Dieter Manz, Manz AG
> 	 Prof. Dr. Christian Mohrdieck, Daimler AG
> 	Prof. Dr. Wolfram Münch, Energie Baden-Württemberg AG
> 	 Dipl.-Ing. Roland Pröger, Fichtner GmbH & Co. KG
> 	 Dr. Günter von Au, Clariant SE
> 	 Dipl.-Ing. Gregor Waldstein, Etogas GmbH

Stand 30. Juni 2015

7

// Erfolge 2015
Achievements 2015

// Erfolge 2015
Achievements 2015
// Projektleiter Rainer Stern mit ersten PHEV-1-Zellen von der FPL.
// Project manager Rainer Stern with first PHEV-1 cells from FPL.

„Energie mit Zukunft“ umschreibt das Ziel, den Anteil an
erneuerbaren Energien zu erhöhen und damit zu einer nachhaltigen Energieversorgung zu kommen. Dieses Ziel verfolgt
das ZSW durch die Entwicklung neuer und verbesserter
Energietechnologien und ihren Transfer in den Markt.

“Energy with a future” describes the goal of increasing the
share of renewable energy sources to ensure a sustainable
energy supply. ZSW is pursuing this goal by developing new
and improved energy technologies and ensuring their transfer
to the market.

So wurden auch 2015 wieder herausragende Ergebnisse in
den Themenschwerpunkten erzielt.

In 2015, excellent results were achieved once again in the key
areas.

// CIGS-Dünnschicht-Solarzellen mit höchsten Effizienzen
2014 hatten die Dünnschicht-Experten des ZSW die CIGS-Weltrekordzelle mit einem Wirkungsgrad von 21,7 % präsentiert. Insgesamt wurden 2014 und 2015 mehr als 220 Zellen mit Wirkungsgraden von über 21,0 % hergestellt. Diese hohe Zahl bestätigt die
Reproduzierbarkeit der entwickelten Prozesse und beweist zudem,
dass sie ausreichend robust sind, um eine industrielle Umsetzung zu
ermöglichen. Die aktuellen Entwicklungen wurden durch eine weitere Verbesserung des Alkali-Post-Deposition-Treatments (AlkaliPDT) ermöglicht, das die CIGS-Oberfläche vorteilhaft modifiziert.
Sie reduziert die Rekombination der generierten Ladungsträger,
was wiederum die Leerlaufspannung positiv beeinflusst. Ein verbessertes Keimwachstum ermöglicht dünnere Pufferschichten
und eine damit verbundene Verminderung der Absorptionsverluste. Im Februar 2015 legte das ZSW auch für kadmiumfreie
CIGS-Solarzellen mit Zn(O,S)-Pufferschicht einen Weltrekord von
21,0 % vor. Auch mit alternativer Pufferschicht sind also höchste
Effizienzen erreichbar, was einmal mehr das hohe Potenzial der
CIGS-Technologie unter Beweis stellt.

// CIGS thin film solar cells with highest efficiencies
In 2014, the thin film experts at ZSW presented the CIGS world
record holding cell with an efficiency of 21.7%. In total, more than
220 cells with efficiencies of over 21.0% were produced in 2014
and 2015. This high number confirms the reproducibility of the
processes developed and also proved that they are robust enough
to facilitate industrial implementation. The current developments
have been made possible by further improvement of the Alkali
Post Deposition Treatment (Alkali PDT), which improves the CIGS
surface. It reduces recombination of the charge carriers generated,
which in turn has a positive effect on open-circuit voltage. Improved
bacterial growth allows thinner buffer layers, thus also reducing
absorption losses. In February 2015, ZSW also presented a world
record of 21.0% for cadmium-free solar cells with Zn(O,S) buffer
layers. High efficiencies can even be reached with alternative
buffer layers, which once again proves the high potential of CIGS
technology.

// Schematische Darstellung des Alkali-PDT-Prozesses und seine Auswirkungen auf die CIGS-Oberfläche.
// Schematic diagram of the Alkali PDT process and its effects on the CIGS surface.

10

// Automobiltaugliche Lithium-Ionen-Batterien industriell
hergestellt
Die Produktion von einer Zelle pro Minute mit serientauglichen
Prozessen war eines der Ziele des Projektes „Forschungsplattform für die industrielle Produktion von Lithium-Ionen-Zellen
(FPL)“. Anfang 2015, nur vier Monate nach Inbetriebnahme,
konnten im Rahmen des ersten Industrieprojektes die Prozessschritte qualifiziert und der Referenzprozess definiert werden.
Seither wurden mehrere hundert Kilogramm Aktivmaterial verarbeitet, viele Kilometer Elektrodenband produziert und mehr
als tausend Elektrodenwickel (Jelly Rolls) hergestellt. Die Kapazität der ZSW-PHEV-1-Zellen liegt mit 22 Ah auf dem Niveau
kommerzieller Zellen aus Asien. Diese Erfahrung dient kommenden Projekten mit der Industrie, beispielsweise bei der Adaption
der Prozesse auf fortschrittliche (sog. „Generation 3“-) Materialien und bei der weiteren Optimierung der Herstellprozesse.
// Kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterien für Elektroautos
Den Ulmer Materialforschern ist es gelungen, ein kobaltfreies
Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien zu
entwickeln. Das Lithium-Nickel-Manganoxid benötigt kein teures
begrenzt verfügbares Kobalt und nutzt weniger Nickel. Mit mehr
als 210 mAh/g besitzt es eine größere Speicherkapazität als heute
verwendete oder in der Entwicklung befindliche Kathodenmaterialien.
Da die Entladespannung bei über 4,5 V liegt, ist auch eine bis zu 40 %
höhere Energiedichte möglich. Batterien mit einer derart verbesserten Energiedichte könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen
signifikant verlängern. Das Manganoxid enthält sphärische Partikel
mit einer hohen Klopfdichte von 2,4 g/cm³ und lässt sich einfach
über bekannte Verfahren herstellen. Erste Muster im Kilogrammmaßstab mit hoher Qualität wurden im ZSW bereits hergestellt.

// CAD-Zeichnung der ersten PHEV-1-Zelle von der FPL.
// CAD drawing of the PHEV-1 cell from FPL.

Foto: ZSW/ Photodesign Buhl

// Industrial production of lithium-ion batteries suitable for
automotive applications
Producing one cell per minute using volume-ready processes was
one of the goals of the “Research platform for the industrial production of lithium ion cells (FPL)” project. In early 2015, just four
months after commissioning, the process steps were qualified,
and the reference process was defined as part of the first industrial
project. Since then, several hundred kilos of active material have
been processed, many kilometres of electrode band have been
produced and over one thousand electrode coils (jelly rolls) have
been manufactured. The capacity of the ZSW PHEV-1 cells is equal
to that of commercial cells from Asia, at 22 Ah. This experience
will serve upcoming projects with the industry, for example in
adapting processes to advanced (“third generation”) materials
and further optimisation of the manufacturing processes.
// Cobalt-free lithium-ion batteries for electric vehicles
The material researchers from Ulm succeeded in developing a
cobalt-free cathode material for high-energy lithium-ion batteries.
The lithium-nickel manganese oxide does not require expensive
and scarce cobalt and uses less nickel. With over 210 mAh/g, it
has a greater storage capacity than cathode materials in use or
in development today. As the discharge voltage is over 4.5 V, an
energy density of up to 40% higher can be achieved. Batteries
with energy densities improved to this extent could significantly
increase the range of electric vehicles. Manganese oxide contains
spherical particles with a high tap density of 2.4 g/cm³ and is easy
to produce using known methods. ZSW has already produced
initial, high quality samples at a kilogram scale.

// REM-Aufnahme der Pulverpartikel des kobaltfreien Kathodenmaterials
Li1+xMn1.5 Ni0.5O4 .
// SEM image of powder particles of the cobalt-free cathode material
Li1+xMn1.5 Ni0.5O4 .

11

// Erfolge 2015
Achievements 2015
// 100-kW-Hochleistungsbrennstoffzelle im Dauertest
Mit der Markteinführung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen steigt
der Bedarf an Tests für Hochleistungsbrennstoffzellen weltweit
und die Nachfrage nach unabhängigen Testinstitutionen. Im Fokus steht das elektrische Verhalten der Brennstoffzelle unter dynamischen Belastungszuständen, wie sie im täglichen Fahrzyklus
auftreten. Das Ulmer Testzentrum des ZSW verfügt über eine
herausragende Infrastruktur, um diese Tests durchzuführen. So
wurde eine fahrzeugtaugliche 100-kW-Brennstoffzelle mit einer
wöchentlichen Fahrleistung von über 5.600 km betrieben. Der
Dauertest erfolgte in einem harmonisierten, dynamischen Prüfzyklus und lieferte wichtige Informationen über die Leistung und
das Alterungsverhalten des Brennstoffstapels. Er belegt zudem
die extreme Leistungsfähigkeit des Testzentrums.

1.0

80

0.8
I.S.set [A]
U.S.AveCell [ V ]

50

0.6

40

0.4

20

0.2

0

0

5
10
15
Relative operating time �min]

20

// Lebensdauer-Untersuchung einer Brennstoffzelle anhand des
harmonisierten Prüfzyklus FC-DLC („Fuel Cell Dynamic Load Cycle“).
// Lifetime test based of a fuel cell stack on the harmonised
test cycle FC-DLC (“Fuel Cell Dynamic Load Cycle”).

12

0.0

// Forecast for recovery of PV modules after PID damage
Potential-Induced Degradation (PID) of photovoltaic (PV) modules
still causes substantial yield losses within the first years of operation
of some PV systems. Refurbishment measures to influence the
potential conditions between the PV module and earth should be
initiated immediately when symptoms are first noticed. Depending
on the measure, regeneration of the PV modules can be expected
to be more or less fast and clear. However, a real forecast of the
recovery was impossible until now. ZSW has now quantified the
regeneration processes and described them in models. This means
it is now possible to predict the performance recovery after prior
laboratory characterisation of the module type used and knowing
the temperatures expected in the field. The figure below right
shows the forecast recovery and that observed in the field (based
on the fill factor parameter) of a crystalline silicon (c-Si) module
with PID damage over several months.

// Fast 500 Brennstoffzellen-Heizgeräte wurden im Rahmen von Callux installiert und getestet.
// Almost 500 fuel cell heaters were installed and tested as part of Callux.

// Callux-Projekt endet mit Markteinführung
Mit der Markteinführung von Brennstoffzellen-Heizgeräten wurde
der Praxistest „Callux – Brennstoffzellen fürs Eigenheim“, erfolgreich abgeschlossen. Seit Projektbeginn im September 2008 hatten
die beteiligten Gerätehersteller und Energieversorger deutschlandweit fast 500 Geräte installiert und betrieben. Das ZSW koordinierte
das Leuchtturmprojekt und war für die wissenschaftliche Begleitung sowie das Technologie-Monitoring verantwortlich.
Im Verlauf von Callux konnte die Effizienz und Verfügbarkeit der
Geräte stetig optimiert werden. In insgesamt mehr als fünf Millionen
Betriebsstunden wurde den Anlagen die für die Markteinführung
notwendige Langlebigkeit attestiert und ihre Eignung für einen
zukünftigen Einsatz in virtuellen Kraftwerken nachgewiesen. Die
CO2 -Einsparungen lagen durchschnittlich bei 1,2 Tonnen jährlich
im Vergleich zur Wärmebehandlung aus Erdgas-Brennwertgeräten
und dem Strombezug aus dem Netz.

Foto: Callux/EnBW

// Callux project ends with market launch
The Callux Domestic Fuel Cell field test was successfully completed
with the market launch of fuel cell heaters. Since the project started
in 2008, the device manufacturers and power supply companies
involved had installed and operated almost 500 units. ZSW coordinated the flagship project and was responsible for scientific supervision and technology monitoring.
The efficiency and availability of the units were increased constantly throughout the Callux project. In a total of over five million
operating hours, the systems demonstrated the durability required
for market launch and their suitability for future use in virtual
power plants. The reduction in CO2 emissions reached 1.2 tonnes on
average compared with heat treatment from condensing natural
gas boilers and electricity sourced from the grid.

1.0
Normalized Fill Factor Recovery

100

Average cell voltage [ V ]

Stack load [%]

// Prognose der Erholung von PID-geschädigten PV-Modulen
Potenzialinduzierte Degradation (PID) von Photovoltaik(PV)-Modulen führt an einigen PV-Anlagen innerhalb der ersten Betriebsjahre immer noch zu spürbaren Ertragseinbußen. Bei den ersten
Anzeichen sollten unverzüglich Sanierungsmaßnahmen eingeleitet
werden, bei denen die Potenzialverhältnisse zwischen PV-Modul und
Erde beeinflusst werden. Je nach Maßnahme wird dann mit einer
mehr oder weniger schnellen und deutlichen Regeneration der PVModule gerechnet; eine wirkliche Prognose der Erholung war bisher
aber nicht möglich. Am ZSW wurden nun die Regenerationsprozesse
quantifiziert und modellhaft beschrieben. Damit ist es jetzt möglich, nach vorheriger Laborcharakterisierung des eingesetzten Modultyps und bei Kenntnis der im Feld erwarteten Temperaturen
die Leistungserholung vorherzusagen. Die Abbildung unten rechts
zeigt die prognostizierte sowie die im Feld beobachtete Erholung
(hier am Parameter Füllfaktor) eines PID-geschädigten kristallinen
Silizium(c-Si)-Moduls über mehrere Monate.

// 100 kilowatt high-performance fuel cell in endurance test
As fuel cell vehicles are launched on the market, the demand for
tests of high-performance fuel cells is rising worldwide, as is the
need for independent test institutions. The focus is on the electrical
properties of fuel cells under dynamic load conditions such as those
which occur in daily driving cycles. ZSW's test centre in Ulm has an
outstanding infrastructure for performing these tests. For example,
a vehicle-ready 100 kilowatt fuel cell was run with a weekly mileage
of over 5,600 kilometres. The endurance test was made in a harmonised, dynamic test cycle and provided important information
on the performance and ageing properties of the fuel cell stack.
It also proved the test centre's extremely high performance.

Field data
0.8
Prediction
0.6
Recovery phase

0.4
0.2
0.0
Jan

Mar

May

Jul

Sep

// Thermische Erholung des Füllfaktors (normiert) eines c-Si-Moduls im
Freifeld nach PID-Schädigung: gemessener Verlauf (blau) und Prognose (rot).
// Thermal recovery of the fill factor (standardised) of a c-Si module in the
field after PID damage: measured curve (blue) and forecast (red).

// Dr. Marc-Simon Löffler (ZSW) erläuterte in Berlin
die Herausforderungen bei der Projektkoordinierung.
// Dr Marc-Simon Löffler (ZSW) explained in Berlin
the challenges in project coordination.

// Die Geräte konnten während der Veranstaltung begutachtet werden.
// The units were available for inspection during the event.

13

// Neues Institutsgebäude
des ZSW nimmt Gestalt an
The new ZSW institute building
is taking shape

// Rundgang durch den Neubau mit Finanzund Wirtschaftsminister Dr. Schmid und
ZSW-Vorstand Prof. Staiß beim Richtfest.
// Tour of the new building with the Minister for
Finance and Economics Dr. Schmid, and ZSW’s
Executive Chairman Prof. Frithjof Staiß at the
topping out ceremony.

// ZSW-Mitarbeiter am 19. Mai 2015 beim Spatenstich im kleinen Kreis.
// ZSW employees at the groundbreaking ceremony on 19 May 2015.

Weil das ZSW am Standort Stuttgart mit der Ausbaufähigkeit
der bislang angemieteten Flächen an Grenzen stieß, wurde ein
Neubau im Gebiet des Stuttgarter Engineering Parks (STEP) in
Stuttgart-Vaihingen mit Unterstützung der Landeshauptstadt
Stuttgart und des Landes Baden-Württemberg geplant. Nach
der Baufreigabe im Oktober 2014 wurde unmittelbar mit den
Bauarbeiten begonnen; im Jahr 2015 erfolgten die Bohrungen
für eine geothermische Energieversorgung sowie die Erstellung
des Rohbaus.
// Energieeffizienz und erneuerbare Energien
Das Energiekonzept des Neubaus mit seiner Nutzfläche von rund
8.000 m² umfasst eine Photovoltaik-Fassade mit integrierten
CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen, eine Photovoltaik-Anlage auf
dem Dach sowie die Wärmeversorgung durch eine Geothermieanlage mit Erdsonden und Wärmepumpe, mit der etwa 50 % der
Wärmeenergie regenerativ erzeugt werden.

// Richtfest
Beim Richtfest am 28. Januar 2016 verwiesen der stellvertretende
Ministerpräsident und Finanz- und Wirtschaftsminister Dr. Nils
Schmid und der Erste Bürgermeister der Landeshaupstadt Stuttgart Michael Föll auf die hervorragende Zusammenarbeit der Beteiligten für diesen wichtigen Meilenstein der Institutsgeschichte.
Werner Frosch vom Architekturbüro Henning Larsen beschrieb den
Anspruch des Gebäudeentwurfs, den Anforderungen des ZSW hinsichtlich Flexibilität und der für eine erfolgreiche Forschung und
Entwicklung essenziellen Kommunikation gerecht zu werden. In
diesem Konzept ermöglichen die Gebäudeteile durch ihre ineinandergreifende Bauweise vielfältige Sichtbeziehungen und räumliche Überlagerungen. Nachdem Zimmerermeister Roland Hödl
vom Bauunternehmen C. Dupré den traditionellen Richtspruch
gehalten hatte, nahmen Gäste und Mitarbeiter im zukünftigen
IT-Bereich des Instituts den Richtschmaus ein.

Since ZSW was hitting the limits of expandability at the leased
premises in Stuttgart, a new building was planned in the area of
the Stuttgart Engineering Park (STEP) in Stuttgart-Vaihingen
with support of the state capital Stuttgart and the Federal State
of Baden-Württemberg. After the construction approval was
issued in October 2014, work started immediately and the
boreholes for the geothermal energy supply and the building
shell were completed in 2015.
// Energy efficiency and renewable energy
The energy concept of the new building with its floor space of
around 8,000 m² includes a photovoltaic façade with integrated
CIGS thin-film solar modules, a photovoltaic system on the roof
and a geothermal heating system with geothermal probes and a
heat pump, with which about 50% of the heat energy is generated
using a renewable energy source.

// Relocation in autumn 2016
The façade and interior work should be finished in 2016, so that
the institute can move into the new building in the autumn.

// Umzug im Herbst 2016
Für 2016 sind der Fassaden- und der Innenausbau vorgesehen, sodass das Institut bereits im Herbst in den Neubau einziehen kann.

// Stand der Gründungsarbeiten am 17. April 2015.
// Progress of the foundation work on 17 April 2015.

14

// Topping out
At the topping out ceremony on 28 January 2016, the Deputy
Minister-President and Minister for Finance and Economics,
Dr. Nils Schmid and Michael Föll, the first mayor of the state capital
Stuttgart, pointed to the excellent cooperation between the
involved parties for this important milestone of the institute’s
history. Werner Frosch from the architectural firm Henning
Larsen described the claim of the building’s design to meet the
requirements of ZSW in terms of flexibility and the communication essential for successful research and development. In this
concept, the intertwined elements of the building allow for diverse
view axes and spatial overlays. After master carpenter Roland
Hödl from the building company C. Dupré had held the topping
out speech, the guests and employees gathered in the future IT
section of the building to enjoy the traditional topping out meal.

// Maurerarbeiten Ende Juni 2015.
// Masonry work at the end of June 2015.

// Blick in einen der Laborräume am 28. Juli 2015.
// Sneaking a peak into one the laboratories on 28 July 2015.

// Zimmerermeister Hödl beim Richtspruch
am 28. Januar 2016.
// Master carpenter Roland Hödl at the
topping out speech on 28 January 2016.

15

// Schwerpunktbericht
Energie als System betrachtet

Focus Report
Energy considered as a system

// Energie als System betrachtet
Energy considered as a system

// Focus
// Sektorkopplung – Voraussetzung für Energiewende
und Klimaschutz

// Sector coupling – a prerequisite for the energy transition
and climate protection

Kommenden Generationen ähnliche Lebensbedingungen zu hinterlassen, wie sie heutige Generationen vorgefunden haben, ist
nur mit konsequentem und effektivem Klimaschutz möglich. Das
haben auch die Diskussionen und Beschlüsse auf der Weltklimakonferenz Ende 2015 in Paris bestätigt. Dort gelang es, einen
Klimavertrag zu schließen, der die globale Erwärmung auf unter
2 °C gegenüber vorindustriellen Werten begrenzen soll, wenn
möglich sogar auf 1,5 °C. Nach dieser internationalen Einigung
muss auf nationaler Ebene die Umsetzung folgen. Das ist nur
über einen systematischen Umstieg auf erneuerbare Energien
möglich, womit wiederum vielfältige Transformationsprozesse
verbunden sind.

It will only be possible to leave future generations with living
conditions similar to those found by current generations through
providing consistent and effective climate protection. This has
been confirmed by the discussions and decisions taken at the World
Climate Conference, which was held at the end of 2015 in Paris.
There a climate treaty was successfully negotiated that limits
global warming to within 2 degrees Celsius of pre-industrial levels
and if possible, 1.5 degrees. Now that this international agreement
has been reached, its adoption needs to follow at the national level.
This is only possible by systematically converting to renewable
energies, which in turn incurs diverse transformation processes.

18

Denn die heutigen Energiewandlungs- und -bereitstellungstechnologien basieren auch in Deutschland noch zu rund 80 % auf
dem Einsatz kohlenstoffhaltiger fossiler Brennstoffe. In der Stromerzeugung sind dies vor allem Braunkohle, Steinkohle und Erdgas, in der Wärmebereitstellung dominieren Erdgas und Heizöl,
im Mobilitätssektor kommen nahezu ausschließlich die mineralölbasierten Kraftstoffe Benzin und Diesel zum Einsatz. Der erforderliche Transformationsprozess umfasst jedoch weit mehr als
die technische Dimension, denn er muss nicht nur ökonomisch
tragfähig gestaltet, sondern auch aktiv von der Gesellschaft getragen werden. Um das erforderliche Vertrauen in eine Energieversorgung auf der Basis erneuerbarer Energien zu schaffen, sind
Transparenz und die Bereitstellung fundierter, neutraler und verständlicher Informationen von großer Bedeutung.
Das Fachgebiet Systemanalyse leistet dafür an der Schnittstelle
zwischen Wissenschaft und Politik bzw. Gesellschaft einen wichtigen Beitrag. So konnte beispielsweise über die Anwendung des
im Rahmen des Monitoringprozesses „Energie der Zukunft“ von
der Expertenkommission entwickelten Ansatzes der energiewirtschaftlichen Gesamtrechnung das Argument, dass die Energiewende die Volkswirtschaft über Gebühr belastete, faktenbasiert
entkräftet werden. Gerade in Baden-Württemberg hat die im
Rahmen des Projektes „Monitoring der Energiewende“ aufgebaute
breite und transparente Informationsbasis sehr zur Versachlichung der Diskussion beigetragen, sodass nunmehr ein konstruktiver Dialog möglich ist.
Die technologischen Möglichkeiten zur klimaneutralen Stromerzeugung sind vielfältig, die industrielle Umsetzung und die damit
verbundene Kostenreduktion in vollem Gange. So entstehen vielversprechende neue Wirtschaftszweige für Energieeffizienztechnologien und dezentral orientierte regenerative Stromerzeugungsanlagen. Es besteht heute kein Zweifel mehr daran, dass mittelbis langfristig eine vollständige Stromversorgung auf Basis erneuerbarer Energien möglich ist. Die tragenden Säulen werden die
Windenergie an Land und auf See sowie die Photovoltaik sein,
während die Wasserkraft, die Biomasse und die Tiefengeothermie
ihrem Potenzial entsprechend flankierende Beiträge liefern werden.
Diese sind deshalb nicht gering zu schätzen, weil sie nicht fluktu-

After all, even in Germany about 80% of the current energy conversion and supply technologies are still based on the use of carboncontaining fossil fuels. In the electricity generating sector, these
are mainly lignite, hard coal and natural gas. Natural gas and heating oil, on the other hand, dominate in the heating sector, while
mineral oil-based petrol and diesel fuels are almost exclusively
used in the mobility sector. However, the required transformation
process involves far more than the technical aspects, as it must
not only be economically viable but also actively supported by
society. In order to create the necessary confidence in an energy
supply based on renewable energies, transparency and the provision of sound, neutral and comprehensible information are very
important.
As an interface between science, policy and society, the Systems
Analysis research department provides an important contribution
in this regard. For example, based on facts and by using the energy
industry-based economic accounting approach developed by the
Expert Commission as part of the “Energy of the Future” monitoring process, the argument that the energy transformation burdens
the economy through fees has successfully been dispelled. Especially in Baden-Württemberg, the broad and transparent information basis developed in the “Monitoring the energy transition”
project has greatly contributed to ensuring a more objective
discussion, so that a constructive dialogue is now possible.
There are diverse technological possibilities for generating climateneutral electricity, and their industrial implementation and the
associated reductions in costs are now well underway. For instance,
promising new economic sectors are being created for energy
efficient technologies and decentralised renewable electricity
generation systems. Today, there is no longer any doubt that an
electricity supply completely based on renewable energies is
possible in the medium to long term. The cornerstones will be
onshore and offshore wind energy together with photovoltaics,
while hydropower, biomass and deep geothermal energy will
provide supporting roles in accordance with their respective
potential. These, however, should not be underestimated, because they do not produce intermittent energy but largely
constitute controllable electricity generation technologies.

19

// Focus
biogene Kraftstoffe ist bedingt durch Potenzialgrenzen, auch
unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten, bislang nur zu einem sehr
kleinen Teil möglich. Die Elektromobilität – mit batterieelektrischem ebenso wie mit Brennstoffzellenantrieb – bietet eine Alternative. Strombasierte, CO2 -neutrale Kraftstoffe können als
Übergangslösung wie heutige fossilbasierte chemische Energieträger (flüssig und gasförmig) in effizienten Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Hier zeigt sich somit auch für den Mobilitätssektor zukünftig eine enge Verzahnung mit dem Stromsektor.
Bislang wird die Kopplung der Sektoren jedoch ausschließlich als
Verwertung möglicher Stromüberschüsse definiert. Dieser Blickwinkel ist angesichts der Anforderungen des Klimaschutzes zu
eng, da allein die Kopplung der Sektoren die Chance bietet, das
Energiesystem insgesamt regenerativ zu gestalten. Hierzu muss
jedoch der Bedarf dieser Sektoren an erneuerbarem Strom sowohl
in der direkten Anwendung als auch als Rohstoff für die Produktion
strombasierter Brenn- und Kraftstoffe berücksichtigt werden.

ierend erzeugen, sondern zumindest zum Großteil regelbare
Stromerzeugungstechnologien darstellen. Sie bieten somit einen
wichtigen Teil der zukünftig erforderlichen Systemflexibilität.
Den heutigen Energiebedarf für die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser mit erneuerbaren Energien zu decken,
erscheint indes schwierig. Den heutigen Bedarf an chemischen
Energieträgern allein aus biomassebasierten Ersatzbrennstoffen
zu decken, ist aufgrund von deren beschränkten Potenzialen sogar unmöglich. Der Einsatz von Solarthermie, oberflächennaher
und tiefer Geothermie sowie Umweltwärme kann Abhilfe schaffen, verlangt aber neue Lösungen der Wärmeversorgung z. B. mit
Nahwärmenetzen. Die Nutzung von Umweltwärme und oberflächennaher Geothermie erfordert den Einsatz von elektrischen
Wärmepumpen. Das bedeutet neue Stromanwendungen, die
wiederum mit erneuerbarem Strom zu versorgen sind. Auch
Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen können klimaneutral betrieben
werden, wenn ihre Brennstoffe entweder biogenen Ursprungs
sind oder synthetisch über Elektrolyse und ggf. Methanisierung
auf Basis von erneuerbarem Strom erzeugt wurden. Zusammen
mit entsprechenden Anstrengungen zur Reduktion des Wärmebedarfs erscheint auch der Wärmebereich klimaneutral darstellbar, sofern eine stärkere Verknüpfung mit dem Stromsektor
stattfindet.

They therefore provide an important part of the system flexibility
required in future.

Die Betrachtung der Energiewelt der Zukunft als Gesamtsystem
ermöglicht es, alle Nutzenergieformen jeweils am richtigen
Ort und zur richtigen Zeit kosteneffizient bereitzustellen. Die
Schnittstellen zwischen den bisher überwiegend getrennt agierenden Systemen sind Energiewandler, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen oder Infrastrukturen wie Ladesäulen, Wärmenetze und -speicher usw.

Until now, it has only been possible to replace these with biofuels on
a very small scale, since these offer only limited potential, including
with regard to sustainability aspects. Electromobility – powered
by electric batteries or fuel cells – offers an alternative. Electricitybased, CO2 -neutral fuels can be deployed like current fossil-based
chemical fuels (liquid and gaseous) as a temporary solution in efficient combustion engines. This shows that the mobility sector will
also be closely linked with the electricity sector in future.
To date, however, the coupling of the sectors has been solely defined in terms of recycling possible electricity surpluses. Given the
climate protection requirements, this point of view is too narrow,
however, since it is only through coupling these sectors that there
is any possibility for making the overall energy system renewable.
To achieve this, however, it is necessary to consider the renewable
electricity required by these sectors both for direct applications as
well as a raw material for producing electricity-based fuels.
Considering the future energy world as a holistic system enables
all useable energy forms to be provided cost-effectively in the
right place and the right time. The interfaces between the previously mostly isolated systems are provided by energy converters,
heat pumps, CHP plants, fuel cells and infrastructure such as
charging stations, heating networks and storage systems, etc.

Covering the current energy demand for providing space heating
and hot water with renewable energy appears, however, to be
more difficult. It is even impossible to meet the current demand
for chemical energy carriers using solely biomass-based alternative
fuels because of their respective limited potential. The use of solar
thermal energy, shallow and deep geothermal energy as well as
environmental heat can help, but requires new heating supply
solutions, for example with district heating networks. The use of
environmental heat and shallow geothermal energy requires the
use of electric heat pumps. This means new power applications,
which in turn need to be supplied with renewable electricity. Cogeneration plants can also be operated carbon-neutrally if their
fuels are either of biogenic origin or are synthetically generated
by means of electrolysis and, possibly, methanisation using renewable electricity. Together with corresponding efforts to reduce
the heat demand, it therefore seems that the heating sector could
also be made more climate neutral provided that a stronger link
is made with the electricity sector.
The greatest challenge for meeting the climate targets lies in the
mobility sector, which is currently entirely dependent on the use
of fossil-based fuels.

Die größte Herausforderung für die Einhaltung der Klimaziele
besteht im Mobilitätssektor, der heute nahezu vollständig vom
Einsatz fossilbasierter Kraftstoffe abhängt. Ein Ersatz durch

20

21

// Focus
4.000

Own consumption [kWh/a]

// Eigenverbrauchter Strom in Abhängigkeit von
der Auslegung der PV-Anlage und des Energieinhalts
einer lokalen Batterie. Angenommen ist ein gut
gedämmtes Haus mit rund 140 m² Wohnfläche
sowie einem Strombedarf für Haushaltsgeräte
von rund 3.900 kWh/a.
// Self-generated electricity in accordance with
the design of the PV system and the energy
content of a local battery. This is based on a
well-insulated house with around 140 m² of living
space and an electricity demand for household
appliances of around 3,900 kW/p.a.

Consumption from appliances: 3.900 kWh/a
and from heat pump: 3.200 kWh/a
7.5 kWh

3.500

5 kWh

3.000

2.5 kWh
0 kWh

2.500

Energy
content of
electrical
storage

2.000
1.500
1.000
PV = 7100 kWh/a
500
0
0%

50%

100%

150%

200%

Rate of local generation

// Blockheizkraftwerk.
// Heat and power plant.

Neben der Bereitstellung geeigneter Energiewandler ist die zeitliche und räumliche Abstimmung der Energieströme notwendig.
Da die Hauptenergiequellen der Zukunft, Wind und Sonne, fluktuierend Strom erzeugen, muss das System ein Höchstmaß an
Flexibilität aufweisen, was einerseits durch eine zeitliche Verschiebung des Abrufs von elektrischer oder thermischer Energie (Lastverschiebung) und andererseits durch eine geeignete Pufferung in
Speichern für Strom, Wärme und chemische Energieträger sowie
Infrastrukturen zur Wandlung in eine speicherfähige Form ermöglicht wird. Um das Verschiebungspotenzial auch zwischen den
Sektoren maximal nutzen zu können, müssen die Einzelkomponenten entsprechend intelligent vernetzt werden. Das ist nur möglich, wenn sich die Digitalisierung der Energiewende dynamisch
fortsetzt. Hierzu zählen beispielsweise die Messung, Erfassung,
Aufbereitung und Bereitstellung von Daten, wenn möglich in
Echtzeit, die Entwicklung geeigneter Steuerungssignale und deren realer Einsatz.

In addition to providing suitable energy converters, the temporal
and spatial coordination of the energy flows is also necessary. Since
the main energy sources of the future – wind and solar energy –
generate intermittent power, the system must have a high degree
of flexibility. This will be enabled, on the one hand, by shifting the
retrieval of electrical or thermal energy (load shifting) and, on the
other, by providing not only suitable buffering in storage systems
for electricity, heat and chemical energy carriers but also infrastructure for converting the energy into a storable form. In order
to also maximise the shift potential between the sectors, the individual components need to be connected in an accordingly smart
manner. This is only possible if the digitisation of the energy
transition continues dynamically. This includes, for example, the
measurement, recording, processing and provision of data – if
possible in real time – and the development of appropriate control signals and their use in practice.
// Coupling electricity and heat

// Kopplung Strom 1 Wärme
Die Verzahnung der beiden Sektoren Strom und Wärme existiert
bereits seit Langem durch die etablierten Technologien der konventionellen Kraft-Wärme-Kopplung hauptsächlich auf der Basis
fossiler Brennstoffe. Diese nutzen seit jeher den Vorteil, bei vergleichsweise geringem Brennstoffbedarf sowohl Strom als auch
Wärme bereitstellen zu können und damit einen wichtigen Beitrag zur Reduktion des CO2 -Ausstoßes zu leisten. Künftig sollen
vor allem kleinere Anlagen, sogenannte Blockheizkraftwerke, eine
größere Rolle bei der Versorgung von Gewerbe- oder Wohngebieten oder auch von einzelnen Gebäuden spielen. Zusammen
22

The electricity and heating sectors have already been coupled
for a long time through the established use of cogeneration technologies based mainly on fossil fuels. These have always had the
advantage of being able to produce both electricity and heat with
comparatively low fuel consumption and thereby make an important contribution to reducing CO2 emissions. In future, in particular
smaller-scale combined heat and power plants will play a greater
role in the provision of industrial and housing estates, or even
individual homes.

können sich die Einzelanlagen zu einem sogenannten Schwarm zusammenfügen, der Strom bedarfsgerecht erzeugt und anbietet.
Um dieses Flexibilitätspotenzial für den Stromsektor ebenso wie
das Treibhausgasminderungspotenzial der gekoppelten Erzeugung
optimal nutzen zu können, sind Wärmespeicher und -netze in
entsprechender Dimensionierung zwingend erforderlich. Auch
elektrische Wärmepumpen und erneuerbare Wärmequellen wie
Solarthermie, Umweltwärme, oberflächennahe und Tiefengeothermie sind in derartigen Systemen einsetzbar.

Together, the individual systems can combine to form a fleet that
produces and offers electricity as required. In order to optimally
utilise the potential flexibility for the electricity sector and the
potential for reducing greenhouse gases through combined generation, heat storage systems and networks are required with
appropriate dimensions. Electric heat pumps and renewable heat
sources such as solar thermal energy, environmental heat, shallow
and deep geothermal energy can also be used in such systems.

Für Verbraucher mit einer eigenen Photovoltaik(PV)-Anlage ist
die Wärmebereitstellung über eine Wärmepumpe besonders effizient. Ein thermischer Speicher hilft, einen möglichst hohen Anteil
des eigenen Wärmebedarfs aus Umweltwärme unter Nutzung
des selbst erzeugten Stroms aus der PV-Anlage zu decken. Mit
einem elektrischen Speicher lässt sich über Tag erzeugte elektrische Energie in den Abendstunden nutzen. Studien des ZSW
zeigen, dass sich so in einem modernen Einfamilienhaus über das
Jahr verteilt rund 50 % des Wärme- und Strombedarfs durch Solarstrom vom eigenen Dach decken lassen. Im Beispiel aus dem
Bild oben ist dieser Wert bei einer PV-Anlage erreicht, die im Jahr
rund 9.200 kWh/a erzeugt, bei einem Strombedarf für Haushaltsgeräte und Wärmepumpe von insgesamt 7.100 kWh/a. Dann werden
rund 3.550 kWh/a vom eigenen Dach und dieselbe Menge vom
Netzbetreiber während Zeiten geringer Sonneneinstrahlung bezogen. Die verbleibenden 5.650 kWh/a an PV-Strom zu Zeiten hoher
Sonneneinstrahlung abzüglich der Verluste der Anlagentechnik
werden vom Netzbetreiber abgenommen und stehen anderen
Kunden als Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung.

The provision of domestic hot water using a heat pump is especially efficient for consumers with their own photovoltaic (PV)
systems. Thermal storage systems help to meet a high proportion
of users’ own heating requirements by utilising environmental
heat using self-generated electricity from the PV system. Electrical storage systems enable the electrical energy generated during the day to be used during the evenings. Studies from ZSW
show that in the case of modern single family homes, around 50%
of the heating and electricity needs can be met by solar power
from the homes’ own roofs throughout the year. In the example
in the image above, this value is reached with a PV system that
produces around 9,200 kWh/p.a., with an electricity requirement
for household appliances and heat pumps amounting to 7,100
kWh/p.a. Around 3,550 kWh/p.a. is then drawn from the user’s
own roof and the same amount from the grid operator during
periods with low solar radiation. The remaining 5,650 kWh/p.a.
of PV electricity generated at times of high solar radiation minus
the losses from the plant technology, are drawn off by the grid
operator and made available to other customers as electricity
from renewable sources.

Sonne und Wind ergänzen sich in Deutschland sehr gut. Die
optimale Deckung des Bedarfs hängt u. a. von der Größe des
Betrachtungsraums ab. Daher ist neben der Optimierung der
lokalen Installation auch immer das Gesamtsystem im Blick zu
behalten. Hierzu hat das ZSW das Software-Tool P2 IONEER entwickelt, mit dem die optimale Dimensionierung von regenerativen

The sun and wind complement each other very well in Germany.
The optimal coverage of the requirement depends, among other
things, on the length of the period under consideration. Therefore,
in addition to optimising local installations, the whole system
also always needs to be considered. For this purpose, ZSW has
developed the P2 IONEER software tool with which the optimal

23

// Focus

// Verschaltungs- und Energieflussschema von P2IONEER.
// Connection and energy flow schematic from P2IONEER.

Stromerzeugungsanlagen, Speichern und steuerbaren Erzeugern
unter Vorgabe eines gewählten Anteils an erneuerbarer Erzeugung
für eine Region berechnet werden kann. Die Optimierung berücksichtigt dabei spezifische Investitionskosten ebenso wie lokale
Lastprofile. In Kombination mit über mehrere Jahre erhobenen
Wetterdaten ergibt sich ein optimaler Erzeugungsmix zu den geringstmöglichen Stromerzeugungskosten. Auf regionaler Ebene
können so bis zu 80 % des aus Sonne und Wind erzeugten Stroms
direkt zur Deckung des Strombedarfs genutzt werden; lediglich
20 % des Bedarfs müssen zwischengespeichert oder aus steuerbaren Quellen wie Biogasanlagen erzeugt werden.

size of renewable energy generation systems, storage systems
and controllable generators can be calculated by specifying the
proportion of renewable generation for a region. The optimisation
takes into account specific investment costs as well as local load
profiles. Combined with weather data collected over several years,
this provides an optimal production mix at the lowest possible
electricity generation costs. At the regional level, this enables up
to 80% of the electricity generated from solar and wind power to
be directly used for meeting the electricity demand; only 20% of
the requirement has to be temporarily stored or generated from
controllable sources such as biogas plants.

Darüber hinaus ist das ZSW an den beiden Projekten EnVisaGe
und EnSource beteiligt, die diese Erkenntnisse in Fallstudien anwenden, im Labor und Feldtest die Eigenschaften der Anlagentechnik charakterisieren und die notwendige Steuerungstechnik
– sowohl lokal als auch zum Energieversorger – beleuchten.

In addition, ZSW is also involved in the EnVisaGe und EnSource
projects that are applying this knowledge in case studies, characterising the properties of the system technology in laboratory
and field tests, and are highlighting the necessary control technology – both locally and at energy providers.

Mit dem Ziel, die verschiedenen Energieformen nicht nur zum
richtigen Zeitpunkt, sondern auch am richtigen Ort zur Verfügung zu stellen, kommt der Auslegung der Netze bzw. der Belastung vorhandener Netze Bedeutung zu, ebenso wie der optimalen Platzierung von Speichern bzw. Energiewandlern und deren
Betrieb. Bisher waren Verteilnetze auf eine hohe Zahl von Verbrauchern ausgelegt mit im Mittel geringer Gleichzeitigkeit von
Verbrauchsspitzen. Auch wenn die transportierte Energie im
Jahresmittel nicht höher ist als der lokale Verbrauch, liefern
regenerative Erzeugungsanlagen jedoch zeitgleich Leistungsspitzen über mehrere Stunden. Das kann Netze und Betriebsmittel überlasten. Projekte am ZSW wie PVSYS-NS und GridPredict zielen darauf ab, Speicher und Energiewandler, die
ohnehin zur zeitlichen Verschiebung der Energiebereitstellung
benötigt werden, so zu betreiben und im Netz zu platzieren,
dass der Bedarf für den Ausbau im Verteilnetz sinkt.

With the aim of providing the various forms of energy not only
at the right time but also at the right place, this places particular
importance both on the design of networks and the loads on existing grids as well as on the optimal placement and operation of
storage systems and energy converters. Until now, distribution
networks have been designed for a high number of loads with, on
average, few peak loads occurring simultaneously. However, even
if the average energy transported over the year does not exceed
the local consumption, renewable energy generation systems simultaneously provide peak outputs over several hours. This can
overload networks and resources. Projects at ZSW, such as PVSYS-NS and Grid-Predict, are aimed at operating and placing
storage systems and energy converters in the grid that are anyway required for time displacement of the energy provision so
that the need for expanding the distribution network is reduced.

24

// Kopplung Strom 1 Mobilität

// Coupling electricity and mobility

Elektrizität ist eine sehr hochwertige und vielfältigst wandelbare,
aber auch eine sehr flüchtige Form der Energie: Sie setzt die
Gleichzeitigkeit von Erzeugung und Verbrauch voraus. Sie kann
zwar über Netze lokal und regional weit verteilt werden, man
kann sie aber nicht ohne Weiteres „mitnehmen“, was wiederum
bei der Mobilität definitionsgemäß notwendig ist. Eine direkte
Einbindung der Mobilität in den Stromsektor ist im Grunde nur
für den elektrifizierten, schienengebundenen Verkehr möglich.
Dasselbe gilt für Fahrzeuge wie Trolleybusse, die ihren Strom über
Oberleitungen beziehen, oder den sich im Forschungsstadium
befindenden, oberleitungsgebundenen elektrischen Betrieb von
schweren Nutzfahrzeugen für den Güterverkehr. Für den gesamten
Individualverkehr in Pkw, Lkw oder Flugzeug muss der Verbrauch
jedoch von der Erzeugung durch den Einsatz von speicherbaren
Energieformen zeitlich entkoppelt werden. Geht man von Strom
als Primärenergie aus, bieten sich dafür im Wesentlichen zwei
Wege an: der elektrochemische Speicher (Batterie) für den elektrischen Antrieb oder ein chemischer Energieträger; gasförmig
als Elektrolyse-Wasserstoff für Brennstoffzellen oder als Synthesegas (methanisierter Elektrolyse-Wasserstoff) für verbrennungsmotorische Erdgasantriebe. Gegebenenfalls lassen sich auch flüssige Kraftstoffe wie synthetisches Benzin oder Diesel herstellen,
allerdings mit geringer Effizienz und zu höheren Kosten.

Highly convertible, electricity is a high qualitatively but also very
volatile form of energy: it presupposes the simultaneity of generation and consumption. Although it can be distributed locally
and over large distances regionally, it cannot be simply taken,
which by its very definition is necessary with mobility. The direct
integration of mobility in the electricity sector is basically only
possible for electrified, rail-based transport. The same applies to
vehicles that draw their power from overhead lines such as trolleybuses or the overhead line-based electrical operation of heavy
goods vehicles for transporting freight, which is currently in the
research stage. For all individual transport in cars, lorries or aircraft, however, the consumption has to be temporally decoupled
from the generation through the use of storable energy forms. If
electricity is the primary energy, there are two main ways of doing
this: using electrochemical storage systems (batteries) for the
electrical propulsion or, alternatively, using a chemical energy
carrier, either in gaseous form as electrolysis hydrogen for fuel
cells or as synthesis gas (methanised electrolysis hydrogen) for
natural gas-based combustion engines. Optionally liquid fuels
(e.g. synthetic gasoline or diesel) can also be prepared but with
lower efficiency and higher costs.

Für die Elektromobilität im Bereich der Pkw hält der Markt heute
batterieelektrische Fahrzeuge (BEV, battery electric vehicle) und
Hybride aus elektro- und verbrennungsmotorischen Antrieben
(PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) bereit. Die PHEV verfügen
über eine elektrische Reichweite von 30 bis 50 km, was für das Gros
der täglichen Autofahrten ausreicht. Für das rein elektrische Fahren
gänzlich frei von lokalen Emissionen verfügen BEV über deutlich
größere Batterien (20 bis 80 kWh) als die PHEV (5 bis 15 kWh) und
erreichen damit Reichweiten von 120 bis 450 km. Die Zulassungs-

In terms of cars, the electromobility market currently provides
battery electric vehicles (BEVs) and hybrid cars combining electric motors with combustion engines (PHEVs, plug-in hybrid electric vehicles). The PHEVs have an electrical range of 30 to 50 km,
which is sufficient for the majority of daily car trips. For purely
electrically powered driving entirely free of local emissions, BEVs
have much larger batteries (20 to 80 kWh) than PHEVs (5 to 15 kWh)
and thus achieve ranges from 120 to 450 km. The number of registrations in Germany is still low, but internationally the emergence
of a substantial and exponentially growing market can be observed.
The operating costs of electric vehicles are, however, already

25

// Focus

zahlen in Deutschland sind noch gering, international lässt sich
aber das Entstehen eines substantiellen und exponentiell wachsenden Marktes beobachten. Die Betriebskosten von Elektrofahrzeugen sind bereits heute unschlagbar günstig. Herausforderungen stellen bis dato die eingeschränkte Reichweite, die langen
Ladezeiten und die hohen Anschaffungskosten dar. Diesen Herausforderungen für eine erfolgreiche Verbreitung von Elektrofahrzeugen stellt sich das ZSW jedoch mit seiner Forschung und
Entwicklung entlang seiner gesamten Wertschöpfungskette. Auf
Materialebene forscht man an Batterietechnologien der nächsten
Generation, die über eine höhere Energiedichte verfügen und zu
niedrigeren energiespezifischen Kosten und höheren Reichweiten
der Elektrofahrzeuge führen. Für die Materialsynthese, die Zellentwicklung und die Fertigung werden für alle Prozessschritte
entsprechende Anlagen und Untersuchungsmethoden eingesetzt.
An der Schnittstelle von Materialwissenschaft und Systemtechnik erarbeitet das ZSW im Rahmen des Projekts LoLiFast Verfahren für die Schnellladung von Lithium-Ionen-Batterien unter
Erhalt der Lebensdauer. Auf der Systemseite erforscht das ZSW
Algorithmen der Lade- und Alterungszustandserkennung, Methoden der Diagnose von Degradation, Fehlern und Sicherheit
von Batterien sowie Strategien für einen alterungsminimalen Betrieb der Batterie. Im Batterietestfeld werden Batterien hinsichtlich ihrer Performance, Lebensdauer und Sicherheit geprüft.
Im Sinne der Kopplung der Sektoren erforscht das ZSW seit mehreren Jahren die Wechselwirkungen von Stromnetz und elektrischen
Fahrzeugen. Sind Letztere über die jeweilige Ladeinfrastruktur
am Netz angeschlossen, kann man sie wie PV-Speicher als verteilte Speicherressourcen betrachten, die positive und negative
(Regel-)Leistung bereitstellen können (vehicle to grid). Die technische Voraussetzung dazu sind die Kommunikation mit dem
Smart Grid oder dem Speicheraggregator und ein bidirektionaler
Laderegler; aber auch über eine Reduktion der Ladeleistung oder
eine Verschiebung des Ladevorgangs lassen sich effektiv positive
Leistungen dem Netz zuführen. In den Projekten Net-ELAN, NetINES und komDRIVE wurden die wirtschaftlichen Potenziale der

26

unbeatably cheap. Challenges until now have included the limited
range, long charging times and high cost. ZSW faces these challenges with its research and development along the entire value
added chain to achieve the successful dissemination of electromobility. At the material level, it is researching next-generation
battery technologies that have a higher energy density and result
in lower energy costs and longer specific ranges for electric vehicles. For the material synthesis, cell development and production,
suitable equipment and testing methods are being used for all
process steps. At the interface between materials science and
system technology, ZSW is developing methods for fast charging
Li-ion batteries while maintaining battery life as part of the LoLiFast project. On the system side, ZSW is researching algorithms
for identifying charge and ageing states, methods for diagnosing
battery degradation, faults and safety, as well as strategies for
minimising ageing when operating batteries. In the battery test
field, batteries are tested in terms of their performance, durability
and safety.
With the aim of coupling sectors, ZSW has been researching the
interaction of the electricity grid and electric vehicles for several
years. If the latter are connected to the grid via the respective
charging infrastructure, they can – in the same manner as PV storage systems – be regarded as distributed storage resources that
can provide positive and negative (control) power (vehicle to grid).
A technical prerequisite for this is communication with the smart
grid or the storage unit and a bidirectional charge controller. However, effective, positive benefits for the grid can also be achieved
by reducing the charging capacity or shifting the charging processes.
The Net-ELAN, Net-INES and KomDrive projects have investigated
the economic potential of grid coupling as well as the impact of
the charging behaviour on both the distribution network and the
entire energy system of passenger cars and vehicle fleets for urban
freight transport. A particular focus was on testing, modelling

Netzkopplung, die Auswirkung des Ladeverhaltens auf das Verteilnetz und das gesamte Energiesystem von Pkw und Fahrzeugflotten für den städtischen Güterverkehr untersucht. Besonderes
Augenmerk lag auf den Themen Test, Modellierung und Simulation
der Alterung der Fahrzeugbatterie bei zusätzlichem Energiedurchsatz für Netzdienstleistungen.
Der zweite Weg, erneuerbare Energien in den Mobilitätssektor
einzuführen, wird über die Kombination von Elektrolyse-Wasserstoff, Druckbetankung und Brennstoffzellenantriebe beschritten.
Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) können ein Verkehrssegment
bedienen, das höhere Anforderungen an die individuelle Mobilität
hinsichtlich Reichweite (>450 km) und Tankdauer (<5 min) stellt.
Die Technologie, die sich dafür etabliert hat, ist die PolymerElektrolyt-Brennstoffzelle (PEM), deren Herausforderung für
eine erfolgreiche Markteinführung in der wechselseitigen Beeinflussung von Leistungsdichte, Lebensdauer und Kosten liegt. Am
ZSW wird intensiv an einem Durchbruch dieser Technologie gearbeitet: von den elektrochemischen Grundlagen und Komponenten über die Stackentwicklung und -fertigung, die Systemtechnik
und den Performance-, Lebensdauer- und Sicherheitstest bis hin
zur Wasserstoff-Infrastruktur und Wasserstoffqualität. Letzteres
wird 2016 im Rahmen des Aufbaus einer H2 -Tankstelle am Standort in Ulm vorangetrieben. Bei allen technischen Unterschieden
der genannten Fahrzeugtypen und Antriebsarten bleibt letztlich
festzuhalten, dass der größte Beitrag der direkten (BEV) und indirekten (FCEV) Elektromobilität zur Erreichung der Klimaziele
deren Effizienz ist, also die Reduktion des Primärenergieaufwands für jeden gefahrenen Kilometer.

and simulating the ageing of the vehicle batteries with an additional energy throughput for grid services.
The second approach for introducing renewable energies into the
mobility sector is being taken by combining electrolytic hydrogen,
pressure refuelling and fuel cell drives. Fuel cell electric vehicles
(FCEVs) can serve a transport segment that places greater demands
on individual mobility in terms of range (>450 km) and fuel duration
(<5 min). The technology that has become established in this
regard is the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), whereby the
challenge for its successful launch lies in the mutual influence of
the power density, service life and costs. At ZSW, intensive research and work is being conducted to achieve a breakthrough in
this technology, ranging from the electrochemical fundamentals
and components, as well as the stack development and production, to the system technology and performance, durability and
safety testing along with the hydrogen infrastructure and quality.
The latter is being progressed in 2016 with the construction of a
H2 filling station at the headquarters in Ulm. With all the technical differences regarding the aforementioned vehicle and engine
types, it should ultimately be noted that the greatest contribution
made by direct (BEV) and indirect (FCEV) electromobility to
achieving the climate goals is their efficiency, i.e. the reduction
in the primary energy input for each kilometre driven.
The (well-to-wheel) efficiency in converting primary energy electricity to mileage (73% for BEVs and 32% for FCEVs) far exceeds
today’s internal combustion engines (18-22%), and at 0 g CO2 /km.

Der Wirkungsgrad der Wandlung von der Primärenergie Strom
zur Fahrleistung (Well-to-Wheel) übersteigt bei BEV (73 %) und
27

// Focus

FCEV (32 %) bei Weitem den Wirkungsgrad heutiger Verbrennungsmotoren (18–22 %) und das bei 0 g CO2 /km.
// Strom als Rohstoff
Um in einem künftigen Energiesystem, das zunehmend auf erneuerbaren Quellen beruht, die drei Sektoren Strom, Wärme und
Mobilität miteinander zu koppeln, sind flexible und effektive
Energiewandler gefragt. Darunter sind vor allem all jene Prozesse
und Verfahren zu verstehen, die allgemein mit dem Begriff „Powerto-X“ (PtX) bezeichnet werden und der Erzeugung chemischer
Energieträger dienen. Große Beachtung findet etwa die maßgeblich am ZSW entwickelte Power-to-Gas(P2G®)-Technologie. Dabei
wird regenerativ erzeugter Strom in einem Elektrolyseverfahren
in Wasserstoff und bei Bedarf in einer Methanisierungsstufe –
unter Hinzugabe von CO2 – in Methan umgewandelt. Weitere
Umwandlungsschritte, etwa in flüssige Energieträger, sind ebenfalls möglich. Alle erzeugbaren chemischen Rohstoffe bzw. Energieträger lassen sich direkt nutzen – in der Industrie, zum Heizen
oder für die erneuerbare Mobilität als regenerativer Kraftstoff für
Brennstoffzellen- bzw. Erdgasfahrzeuge.
Für die künftige Mobilität lassen sich elektrolytisch erzeugter
Wasserstoff und Methan überall dort einsetzen, wo batterieelektrische Antriebe an ihre Grenzen stoßen: etwa im Langstreckenund Schwerlastverkehr. In Anlehnung an P2G® können im sogenannten Power-to-Liquid-Verfahren (PtL) auch flüssige Kraftstoffe
aus Strom erzeugt werden. So können Schiffe mit CO2 -neutralem
LNG (liquefied natural gas) und Flugzeuge mit ebenso klimafreundlichem synthetischem Kerosin betankt werden.
Besteht kein aktueller Bedarf in der Mobilität, können sowohl
Wasserstoff als auch das synthetische Methan saisonal und nahezu verlustfrei im Erdgasnetz oder in Erdgasspeichervorrichtungen
gespeichert werden. Insbesondere wenn ein Überangebot an
Strom besteht, sollen die CO2 -neutralen chemischen Rohstoffe
hergestellt werden.
28

// Electricity as a raw material
In order to couple the three sectors electricity, heat and mobility
in a future energy system that is increasingly based on renewable
sources, flexible and effective energy converters are required.
These in particular include those processes and procedures that
are commonly referred to by the term “Power-to-X” and are used
to generate chemical energy. For example, the Power-to-Gas
(P2G®) technology, which has been largely developed at ZSW, has
attracted a great deal of attention. Here renewably generated
electricity is converted in an electrolysis process into hydrogen
and, if required, then into methane in a methanisation stage by
adding CO2 . Further conversion steps, such as in liquid energy
sources, are also possible. All producible chemical raw materials
or fuels can be directly used – in industry, for heating or for renewable mobility as a renewable fuel for fuel cell and natural gas
vehicles.
For future mobility, electrolytically generated hydrogen and methane can be deployed everywhere where battery-electric motors
reach their limits: such as in long-distance and heavy-load vehicle
transport. Based on P2G ®, liquid fuels can also be produced from
electricity in so-called Power-to-Liquid (PtL) processes. This makes
it possible to fuel ships with CO2 -neutral LNG (liquefied natural
gas) and airplanes with climate-friendly synthetic kerosene.
If there is no current need for mobility purposes, both hydrogen and
synthetic methane can be seasonally stored with virtually no loss in
the natural gas grid or in natural gas storage facilities. In particular
the CO2 -neutral, chemical raw materials can be produced when
there is an oversupply of electricity.
As an energy carrier, hydrogen can be converted back into electricity again when there is increased demand for electricity, ideally
in modern gas and steam power plants or stationary fuel cells. This
usage path also makes P2G ® considerably important for grid

In Zeiten erhöhter Stromnachfrage können diese als Energieträger dann wieder verstromt werden, idealerweise in modernen
Gas- und Dampfkraftwerken oder stationären Brennstoffzellen.
Dieser Verwendungspfad hat auch eine große Bedeutung von
P2G® für die Netzstabilisierung, das Lastmanagement und die
bedarfsgerechte Bereitstellung und Nutzungsmöglichkeiten von
Strom sowie Brenn- und Kraftstoffen. Hierdurch kann diese Technologie auch einen wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit
im Energiesystem der Zukunft leisten.
Auch der Wärmebedarf kann Teil der PtX-Kreisläufe sein: Sowohl
bei P2G- als auch bei PtL-Prozessen entsteht Wärme, die als Abwärme zum Heizen oder für industrielle Verfahren effektiv genutzt
werden kann und dadurch auch die Wirkungsgrade der Technologien erhöht. Zudem können Blockheizkraftwerke auf Basis von
erneuerbaren Energien zu flexiblen Erzeugern und Verbrauchern
weiterentwickelt werden, die helfen, das Stromsystem in Abstimmung mit dem Wärmebedarf zu stabilisieren. Hierzu zählen auch
elektrische Wärmepumpen und die gekoppelte Strom- und Wärmebereitstellung aus geothermischen Quellen.
Ausgangsstoff bei sämtlichen PtX-Technologien ist Strom. Im
skizzierten vernetzten Energiesystem der Zukunft wird er somit
nicht mehr nur Energieform, sondern vielmehr Rohstoff sein. Daher
ist der Schlüssel zum System der Zukunft der konsequente Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten ebenso wie
der jeweils geeigneten PtX-Technologien auf allen Ebenen. Das
ist zugleich die Voraussetzung für einen vielversprechenden Ansatz bei der Biomassenutzung. Das ZSW-Konzept sieht u. a. die
Kopplung von Biomasse und Wasserstoff vor. Die im Gegensatz
zu Sonne und Wind knappe Ressource Biomasse soll für die Herstellung von nachhaltigen klimafreundlichen Kraftstoffen der

stabilisation, load management and the provision and use of electricity and fuels in accordance with needs. This technology can
thereby help secure supplies in future energy systems.
The heating requirement can also be part of PtX circuits: both
P2G and PtL processes produce waste heat that can be effectively
used for heating or industrial processes and thus effectively increases the efficiency of the technology. In addition, cogeneration
plants based on renewable energies can be further developed
into flexible producers and consumers that help to stabilise the
power system in coordination with the heat demand. These also
include electric heat pumps and the combined heat and power
supply from geothermal sources.
The starting material for all Power-to-X technologies is electricity.
In the outlined networked energy system of the future, it will
therefore no longer be just a form of energy but rather a commodity. Thus the key to the system of the future is to consistently
expand the capacities for generating renewable electricity along
with the respectively suitable Power-to-X technologies at all levels.
This is also the prerequisite for a promising approach in the use
of biomass. ZSW’s concept envisages the coupling of biomass
and hydrogen. Biomass, which in contrast to the sun and wind is
a scarce resource, should be reserved for producing sustainable,
climate-friendly fuels of the latest generation and thus be used in
the most ecological and efficient way possible. Since biomass is
the only carbon-containing renewable energy source and carbonbased fuels are still required for specific mobility areas, it can play
an important role in future mobility. Compared with the currently
used method for producing biodiesel and bioethanol, the coupling
of hydrogen enables the fuel yield from biomass to be increased
six-fold. At the same time, the acreage required is reduced to

29

// Focus

Day-ahead wind and solar power forecasting using deep neural networks
5

Das Biomassekonzept des ZSW zeigt einmal mehr, dass sich
mit Hilfe von Wandlungsverfahren zur Herstellung chemischer
Energieträger vielfältige Nutzungsmöglichkeiten ergeben, die
die sinnvolle, multidirektionale Verzahnung der drei Sektoren
befördern und damit zur sicheren, flexiblen und bedarfsgerechten Bereitstellung von klimafreundlicher Energie beitragen.
// Digitalisierung
Viele Transformationsprozesse auf den unterschiedlichen Ebenen
und in den verschiedenen Bereichen des Energiesystems werden
erst durch die wachsende Digitalisierung möglich bzw. können
sich durch die Entwicklungen im Bereich der Informations- und
Kommunikationstechnik (IKT) deutlich dynamischer verbreiten.
Prominentes Beispiel ist der Wandlungsprozess vom konventionellen Elektrizitätsnetz zum sogenannten Smart Grid, der nur durch
den Einsatz von Kommunikations-, Mess-, Steuer-, Regel- und Automatisierungstechnik sowie IT-Komponenten erfolgen kann. Dabei
bedeutet „smart“ die Erfassung der Netzzustände in Echtzeit sowie
eine deutlich erhöhte Ausnutzung der vorhandenen Netzkapazität
durch die Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten oder – bei
gleicher Auslastung – eine Verbesserung der Netzstabilität.
In Bezug auf Verteilernetze wird unter Smart Grid auch die zunehmend bessere Möglichkeit verstanden, Systemzustände im
Netz nachzuvollziehen und lokal einzugreifen. Das bedeutet
auch, dass verschiedene Parameter, die in einem konventionellen
Netz bislang fixierte Größen waren, variabel werden. In smarten
Netzen lassen sich z. B. Kapazitäten lokal und temporär erhöhen
oder Stromflussrichtungen über einzelne Leitungsabschnitte verändern, wenn es die Einspeisesituation erfordert. Smart-GridStrukturen sollen zudem die Grundlage dafür schaffen, dass auch
kleine Netznutzer verstärkt Möglichkeiten marktlichen Handelns
(Smart Market) wahrnehmen können, ohne Einbußen bei der
Netzsicherheit zu riskieren.
Aktuelle Forschungsansätze beispielsweise im Projekt C/sells
– das ZSW bringt hier sein Know-how zur Einspeiseprognose von
erneuerbaren Energien ein und wird dies um Lastprognosen erweitern – beschäftigen sich u. a. mit einem zellulären Netzinfrastrukturaufbau. Als Zellen können dabei sowohl einzelne Liegen-

30

one sixth. This therefore avoids the conflict between cultivating
crops for energy biomass and food production.
ZSW’s biomass concept once again shows that by using conversion
processes for producing chemical energy carriers, a diverse range
of applications can be created that foster the sensible, multidirectional interlinking of the three sectors and thus contribute to
the secure, flexible and needs-based provision of climate-friendly
energy.

solar

wind

4
Normalised RMSE [%]

neuesten Generation reserviert und so ökologisch sinnvoll sowie
so effizient wie möglich genutzt werden. Da Biomasse die einzige
kohlenstoffhaltige erneuerbare Energiequelle ist und für bestimmte Bereiche der Mobilität weiterhin kohlenstoffbasierte
Kraftstoffe benötigt werden, kann sie in der Mobilität der Zukunft
eine wichtige Funktion wahrnehmen. Mit der Einkopplung von
Wasserstoff lässt sich der Kraftstoffertrag aus Biomasse im Vergleich zu den heute üblichen Verfahren zur Gewinnung von Biodiesel und Bioethanol um das Sechsfache steigern. Umgekehrt
bedeutet dies, dass die benötigte Anbaufläche auf ein Sechstel
sinkt. Eine unerwünschte Konkurrenz von Energie-Biomasse zum
Nahrungsmittelanbau kann somit vermieden werden.

3

// Mittlerer quadratischer Fehler normiert auf die installierte
Leistung (nRMSE) für Day-ahead-Wind- und -PV-Prognosen
für Deutschland im Jahr 2014. Der Vorhersagefehler für die
Windleistungsprognose konnte auf 3,4 % im Jahresmittel
gesenkt werden. Ende des Jahres zeigte sich ein besonders
turbulentes Wettergeschehen.
// nRMSE normalised with the installed capacity for day-ahead
wind and PV forecasts for Germany in 2014. The forecast error
for wind power forecasts was lowered to 3.4% for the annual
average. At the end of the year, there were particularly turbulent
weather conditions.

2

1

// Digitisation
0

Many transformation processes at different levels and in different
areas of the energy system are either only possible through the
digitisation, which is increasing or, on the other hand, are able to
spread much more dynamically as a result of developments in
the field of information and communication technology (ICT).
A prominent example is the conversion of conventional electricity
networks into so-called smart grids, which can only be achieved
through the use of communications, instrumentation, control
and automation technology and IT components. Here, “smart”
refers to the detection of grid conditions in “real time” as well as
the significantly increased utilisation of existing grid capacities
through control and regulation options along with improved network stability for any given load.
In relation to distribution networks, smart grids also refer to the
enhanced ability to track system states in the networks and intervene locally. This also means that various parameters, which in
conventional grids were previously fixed sizes, are now variable.
In smart grids it is possible, for example, to increase capacities
locally and temporarily or change the direction of electricity flows
across individual line sections if required by the infeed situation.
It is also intended that smart grid structures provide small network users with greater possibilities for market-based trading
(Smart Market) without compromising grid safety.
Current research approaches such as in the C/sells project, where
ZSW is applying its knowledge on renewable energy feed-in forecasts and expanding it to include load forecasts, are concerned
with, among other things, cellular development of the grid infrastructure. Cells here can refer to individual properties (“smart
homes”), districts, site networks or even entire regions.
These cells act autonomously, but are linked in supra-regional
networks and interact with one another. For example, each cell
primarily supplies itself in a subsidiary sense, whereby the energy

2014-02

2014-04

2014-06

2014-08

2014-10

schaften („Smart Homes“), Quartiere, Arealnetze oder auch
ganze Regionen definiert werden. Diese Zellen handeln jeweils
autonom, sind aber im überregionalen Verbund vernetzt und interagieren miteinander. So sorgt jede Zelle im subsidiären Sinne
primär für sich, indem Energieerzeugung und Last nach Möglichkeit ausgeglichen werden. Infrastrukturdienstleistungen werden
bedarfsbedingt zusätzlich bezogen, um die Zelle individuell zu
stabilisieren. Durch den Zellverbund und im gemeinschaftlichen
Handeln innerhalb und zwischen den Zellen sowie über deren
Grenzen hinweg könnte eine sehr robuste Energieinfrastruktur
entstehen.
Die am ZSW in der Forschungsgruppe SimOpt entwickelten Verfahren, die eine genauere Vorhersage des komplexen Zusammenspiels innerhalb des Stromsystems ebenso wie systemübergreifend
ermöglichen, sind hier ein wichtiger Erfolgsfaktor. Einbezogen
werden Wettermodell-Prognosen, Satellitendaten, Wetterstationsmessungen sowie historische Wind-, Solar- und Laufwassererträge
eines Standorts oder einer Region bis hin zur Größe von ganz
Deutschland, um die Erzeugungssituation vorherzusagen. Die
Verbrauchsseite ebenso umfassend abzubilden, stellt eine der
Herausforderungen dar. Das ZSW verwendet aktuellste Algorithmen der künstlichen Intelligenz, besonders aus der Klasse der
maschinellen Lernverfahren. Sie haben die Fähigkeit, physikalisch
berechnete Wind-, Sonneneinstrahlungs- oder Leistungsvorhersagen nochmals entscheidend zu verbessern, indem sie das Zusammenspiel der zahlreichen Parameter, die sich unterhalb der
Auflösung physikalischer Modelle bewegen, aus langjährigen
Messzeitreihen erlernen und auf die jeweils aktuelle Wettersituation anwenden. Auch systematische Abweichungen, wie sie
sich stets in physikalischen Modellen finden, werden hierbei
automatisch korrigiert. Damit bietet sich ein enormes Potenzial
im Rahmen der Kopplung der Sektoren, das Gesamtenergiesystem klimaneutral und gleichzeitig kostenoptimal zu gestalten.

2014-12

generation and loads are balanced as far as possible. Infrastructure
services are additionally drawn upon as required to stabilise cells
individually. The cell network and the collective action within and
between the cells as well as beyond the boundaries could create
a very robust energy infrastructure.
The processes developed at ZSW in the SimOpt research group,
which enable a more accurate prediction of the complex interactions both within the electricity system as well as across various
systems, represent an important success factor in this respect. In
order to predict the generation situation, use is made of weather
model forecasts, satellite data, weather station measurements as
well as historical wind, solar and hydroelectric yields for a given
site or region that can be as large as Germany. Depicting the load
side just as comprehensively represents one of the challenges
here. ZSW uses the latest artificial intelligence algorithms, particularly those used in machine-learning techniques. They can
make a further decisive improvement to physically calculated
wind, solar irradiance and output forecasts by learning from longstanding measurement time series how the numerous parameters
moving below the resolution of physical models interact, and by
then applying this to the current weather situation. The systematic
deviations always found in physical models are also automatically
corrected. Here, coupling the sectors offers enormous potential
for shaping the overall energy system in a carbon-neutral and costeffective manner.

31

// Fachgebiete und Projekte
Departments and Research Projects

// Systemanalyse (SYS)
Systems Analysis (SYS)

// Evaluierung der KfW-Förderprogramme für die Erneuerbaren
Evaluation of the KfW loan programmes
for renewable energy

// Our main focus

Die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende bei gleichzeitiger
Einhaltung der Klimaschutzziele bis 2020 bleibt das dominierende
Thema der deutschen Energiepolitik. Diskutiert werden neue Instrumente zur Markt- und Systemintegration erneuerbarer Energien
ebenso wie ein adäquates Strommarktdesign. Auch das Thema
Energieeffizienz im Gebäudesektor steht zunehmend im Fokus,
während der Verkehrsbereich bislang kaum Beachtung findet. Im
Lichte des Klimavertrags von Paris müssen die Anstrengungen
in allen Bereichen deutlich verstärkt werden, damit Deutschland
mit einer erfolgreichen Energiewende der reklamierten internationalen Vorreiterrolle gerecht wird und sowohl ökonomisch als
auch gesellschaftlich davon profitiert.

The successful implementation of the energy transition while
meeting the climate protection goals set for 2020 remains the
central theme of German energy policy. New tools for market
and system integration of renewable energy sources as well as
a suitable electricity market design are aspects of the ongoing
discussion. The topic of energy efficiency in the building sector is
becoming increasingly important, while the transport sector has
been largely ignored so far. In light of the Paris Climate Agreement,
efforts in all areas must be redoubled for Germany to justify its
asserted international pioneering role with a successful energy
transition and to reap both economic and social benefits.

Das interdisziplinär besetzte Fachgebiet Systemanalyse berät die
Politik in allen skizzierten Themenfeldern und trägt so aktiv zur
Transformation des Energiesystems bei. Neben zahlreichen Aktivitäten im Bereich des Monitorings – vom Ausbau der Erneuerbaren im Rahmen der AGEE-Stat bis zur Unterstützung von Prof. Dr.
Frithjof Staiß als Mitglied der Expertenkommission zum Monitoring „Energie der Zukunft“ – ist die Evaluation, Entwicklung und
Implementierung von Förderinstrumenten eine Kernkompetenz
des Fachgebiets, wie etwa die Weiterentwicklung des ErneuerbareEnergien-Gesetzes hin zu einem Ausschreibungsmodell zeigt. Auf
Landesebene unterstützt das Fachgebiet mit dem Wettbewerb
„Leitstern Energieeffizienz“ die Umsetzung der Energiewende in
den Stadt- und Landkreisen.
Zur Beantwortung von Fragen zur Integration erneuerbarer Energien und neuer Technologien kommen unterschiedliche Modelle
und Analysetools zum Einsatz. So lassen sich mit dem Computermodell P2IONEER energieautarke Städte oder Regionen mit definierten Anteilen erneuerbarer Energien bis zur Vollversorgung
modellieren, simulieren und vor allem in Bezug auf die Stromerzeugungskosten optimieren. Leistungsfähige Vorhersagesysteme
für die Einspeisung von Wind-, Photovoltaik- und Wasserkraftstrom vervollständigen das Kompetenzprofil.

The interdisciplinary Systems Analysis department provides expert
advice to the government on all topics outlined and actively contributes to the progress of the energy system transition in Germany.
In addition to numerous activities in the area of monitoring – from
the expansion of renewable energies within the framework of
AGEE-Stat to support for Prof. Dr. Frithjof Staiß as a member of the
Expert Commission for “Energy of the Future” monitoring – the
evaluation, development and implementation of support instruments
is a core competency of the department, as well as accompanying
the further development of the German Renewable Energy Act
towards a tender model. On a regional level, the department also
actively supports the implementation of the energy transition in
the area of energy efficiency with its competition Leitstern Energieeffizienz (Guiding Star Energy Efficiency).
Various models and analysis tools are used to examine issues concerning the integration of renewable energy and new technologies.
The P2IONEER computer model enables energy-independent cities
and regions with a defined proportion of renewable energies of
up to 100% to be modelled, simulated and in particular optimised
in terms of electricity generation costs. Sophisticated forecasting
systems for wind and photovoltaic power feed-in complete our
competency profile.

„Die Energiewende ist aufgrund ihrer Komplexität auf umfassendes transformatives Wissen
angewiesen. Für ihren Erfolg ist die Systemanalyse deshalb von großer Bedeutung, weil
sie genau dieses Wissen bietet und entsprechende Impulse geben kann.“

// Dipl.-Wirt.-Ing. Maike Schmidt, Head of Department
E-mail: maike.schmidt@zsw-bw.de, Phone: +49 (0) 711 78 70-232
34

„

“The energy transition depends on comprehensive transformative knowledge due to its
complexity. Systems analysis is of great importance for its success because it offers just that
and the corresponding stimulus.”

// Evaluierung der KfW-Förderprogramme für
erneuerbare Energien

// Evaluation of the KfW promotional programmes for
renewable energy

Die KfW Bankengruppe vergibt zinsgünstige Darlehen für Investitionen in die Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Ihre Förderaktivitäten leisten einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der
entsprechenden Ausbauziele der Bundesregierung. Das Fachgebiet Systemanalyse überprüft seit 2008 jährlich die Wirksamkeit
der Förderung. Zu diesem Zweck werden die ausgelöste Einsparung von fossilen Energieträgern, Energieimporten, Treibhausgasemissionen und externen Kosten sowie die daraus resultierenden
Beschäftigungswirkungen ermittelt. Für die Förderjahrgänge
2013 und 2014 wurden erstmals auch Effekte geförderter Anlagen
mit Standort im Ausland evaluiert. Die ermittelten Wirkungen
bilden u. a. die Grundlage der internationalen Berichterstattung
für die KfW Green Bonds, über die eines der KfW-Kreditprogramme
refinanziert wird.

The KfW Group offers low-interest loans for investments in the
utilisation of renewable energy sources. Its funding activity makes
an important contribution to achieving the corresponding expansion targets of the German Federal Government. Since 2008,
the Systems Analysis department annually reviews the effectiveness of these funding activities. To this end, the resulting saved
amounts of fossil fuels, energy imports, greenhouse gas emissions
and external costs as well as the resulting effects on employment
are determined. For the first time, effects on funded systems
located abroad were reviewed for 2013 and 2014. In part, the
determined effects form the basis of international reporting
for KfW Green Bonds, through which one of the KfW loan programmes is refinanced.

In den Jahren 2013 und 2014 wurden rechnerisch 42,3 % bzw.
33,5 % aller in Deutschland getätigten Investitionen in den Ausbau erneuerbarer Energien zur Strom- und Wärmeerzeugung
durch KfW-Programme mitfinanziert (ohne Berücksichtigung
von Windenergieanlagen auf See). Die geförderten Anlagen
in Deutschland vermeiden Jahr für Jahr Energieimporte im
Gegenwert von ca. 520 Mio. Euro, Emissionen von rund 9,5 Mio. t
CO2 -Äquivalenten sowie etwa 950 Mio. Euro an externen Kosten
durch Umwelt- und Gesundheitsschäden. Durch die Herstellung
und den Bau der geförderten Anlagen wurden gut 115.000 Arbeitsplätze in Deutschland für ein Jahr gesichert bzw. neu geschaffen, durch den Betrieb und die Wartung der Anlagen finden
20 Jahre lang weitere rund 3.900 Personen Beschäftigung.

In 2013 and 2014, 42.3% and 33.5% respectively of all investments
made in Germany in the expansion of renewable energy for electricity and heat production were financed by KfW programmes
(excluding offshore wind turbines). Every year, the systems funded
in Germany obviate imports to the value of approximately 520 million
euros, emissions of around 9.5 million tonnes of CO2 equivalents
and about 950 million euros in external costs arising from damages
to the environment and health. Through this production and
the construction of subsidised systems, about 115,000 jobs were
secured or created in Germany for one year, and the operation
and maintenance of the systems secure work for 3,900 more people
for 20 years.

// Jährliche Einsparung fossiler Brennstoffe
(Primärenergie) durch von der KfW 2013 und 2014
geförderte Vorhaben im Inland.
// Annual reduction of fossil fuels (primary energy) by
national projects funded by KfW in 2013 and 2014.

15.000
Fossil fuel savings [GWh/a]

// Unsere Kernkompetenzen

Wind energy offshore
Other renewables

12.000

Biogas (electricity)
Photovoltaics (incl. storage)
Wind energy onshore

9.000
6.000
3.000
1

2013

2014

Hard coal

2013

2014

Natural gas

2013

2014

Lignite

2013

2014

Mineral oil

// Dr. Peter Bickel
E-mail:	 peter.bickel@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)711 78 70-244
35

// „Leitstern Energieeffizienz“
Baden-Württemberg

// Erneuerbare Energien in Chile
Renewable energy in Chile

“Guiding Star in Energy Efficiency” in
Baden-Württemberg

Foto: KD Busch – Studio für professionelle Fotografie

// „Leitstern Energieeffizienz“ Baden-Württemberg

// “Guiding Star in Energy Efficiency” in Baden-Württemberg

// Erneuerbare Energien in Chile

// Renewable energy in Chile

Zur Steigerung der Energieeffizienz in den Stadt- und Landkreisen
initiierte die Landesregierung im Jahr 2014 den Wettbewerb
„Leitstern Energieeffizienz“, den das ZSW entwickelt und erfolgreich umgesetzt hat – im Jahr 2015 bereits zum zweiten Mal. Das
ZSW hat hierzu ein umfassendes Indikatorensystem ausgearbeitet.
Mit diesem lassen sich die Aktivitäten, die die Kreise derzeit im
Bereich Energieeffizienz unternehmen, sowie die Erfolge, die bereits zu beobachten sind, bewerten. Während sich der Leitstern
im Jahr 2014 vorrangig auf den Wärmesektor konzentrierte, wurde
im Jahr 2015 zusätzlich der Strombereich umfassend betrachtet.
Auch 2016 wird ein Wettbewerb stattfinden, für den Indikatoren
zur effizienten Mobilität entwickelt werden. Ein weiteres wichtiges
Ziel des Leitsterns ist es, erfolgreiche und innovative Ideen, Projekte
und Strategien unter den Kreisen im Sinne eines VoneinanderLernens auszutauschen. Dies erfolgte 2015 über zwei begleitende
Workshops, die bei den Kreisen eine sehr positive Resonanz
fanden. Darüber hinaus zeigen die transparent dargestellten und
individuell aufbereiteten Wettbewerbsergebnisse Stärken und
Schwächen der jeweiligen Kreise auf und geben somit eine Hilfestellung zur Einordnung der eigenen Ergebnisse.

In order to increase energy efficiency in urban and rural districts,
the federal state government launched the competition “Guiding
Star in Energy Efficiency” in 2014, which was successfully developed and realised by ZSW – for the second time in 2015. ZSW developed a comprehensive system of indicators, with which they
can evaluate activities that are currently being carried out by the
districts in the area of energy efficiency, along with any resulting
successes as they become evident. While “Guiding Star in Energy
Efficiency” mostly focused on the heating sector in 2014, the
electricity sector was also considered comprehensively in 2015.
2016 will also see the start of a competition in which indicators of
efficient mobility will be developed. Another important Leitstern
objective is mutual learning, a district-wise exchange of successful
and innovative ideas, projects and strategies. This was done in 2015
via two accompanying workshops, which enjoyed a favourable response from the districts. The competition results, transparently
and individually prepared, highlight the strengths and weaknesses
of the individual districts, thereby helping them put their results
into context.

Für den aktuell sehr dynamischen Ausbau der erneuerbaren
Energien (EE) in Chile wird die genaue Vorhersage der Wind- und
Photovoltaik-Einspeisung immer wichtiger. Gerade im dünn besiedelten Norden Chiles bestehen gute Voraussetzungen für die
energetische (Teil-)Autonomie einzelner Industrieanlagen bis hin
zu ganzen Regionen. Deren wirtschaftliche Darstellbarkeit will
das ZSW in einer konkreten Machbarkeitsstudie herausarbeiten.
Dazu werden Experten des Fachgebiets Systemanalyse einen bestehenden Windleistungsvorhersage-Prototyp zusammen mit
einer neu zu entwickelnden Solarleistungsprognose zu einem
operationellen System ausbauen.

With the current highly dynamic development of renewable energy
sources (RES) in Chile, an accurate prediction of feed-in from wind
turbines and photovoltaic systems is becoming increasingly important. Especially in sparsely populated northern Chile, there are
good preconditions for (partial) energy autonomy of individual
industrial plants and even entire regions. ZSW aim to work on
economic viability of these conditions as part of a specific feasibility study. Experts of the Systems Analysis department will expand an existing wind power forecast prototype together with a
newly developed solar power forecast to form one operational
system.

Hierfür steht die am ZSW entwickelte EE-Vorhersage für Deutschland zur Verfügung, die derzeit im Rahmen diverser Projekte weiter
verbessert wird. Mit Hilfe mehrerer Wettermodelle und Messdaten
in Kombination mit modernsten Verfahren aus dem Bereich des
maschinellen Lernens entsteht in Zusammenarbeit mit dem chilenischen Partner Universidad de La Serena ein speziell auf die
dortige Geographie und Meteorologie zugeschnittenes Mittelfrist-Prognosesystem. Dessen Nützlichkeit beschränkt sich nicht
nur auf die Vorhersage der Einspeisung für die Netzsteuerung
und Handelszwecke oder zukünftig anstehende Regulierungen
des Stromnetzes. Es findet auch zur Verbesserung der (teil-)autonomen EE-Versorgung eines ausgewählten Teilnetzes im Norden
Chiles Verwendung. Dazu kommt das Hybridkraftwerk-Simulationsund -Optimierungsmodell P2IONEER des ZSW zum Einsatz, mit
dessen Hilfe ein optimaler Mix von EE-Quellen unter Berücksichtigung von fossilen Bestandskraftwerken, Übertragungskapazitäten und Energiespeichern ermittelt werden kann. Ziel der Studie
ist es, eine Signalwirkung für den gesamten EE-Ausbau in Chile
zu erreichen.

For this purpose, a RES forecast for Germany developed by ZSW is
available, which is currently being further improved in the framework of various projects. A medium-term forecasting system
adapted to the local geography and meteorology is being realised
in cooperation with the Chilean partner Universidad de La Serena
using several weather models and measurement data, combined
with advanced methods from the field of machine learning. Its usefulness is not limited to the prediction of feed-in for grid control
and trading purposes or future upcoming regulations of the electricity grid. It is also being applied to improve the (semi-) autonomous RES supply of a selected sub-grid in northern Chile. The
hybrid power plant simulation and optimisation model P2IONEER
developed by ZSW is being used as well, which allows for the
determination of an optimal mix of renewable energy sources
taking into account the fossil-fuel power station pool, transmission
capacities and energy storage systems. The aim of the study is to
achieve a signalling effect for the expansion of RES in Chile.

Preisträger des „Leitsterns Energieeffizienz“ 2015 sind die Landkreise Böblingen, Rems-Murr-Kreis und Zollernalbkreis (Plätze 1
bis 3). Der Landkreis Tuttlingen wurde für seine Fortschritte als
„Bester Aufsteiger“ prämiert. Sonderpreise für besondere Aktivitäten erhielten die Stadtkreise Karlsruhe und Heidelberg sowie
der Rems-Murr-Kreis. Die Wettbewerbsergebnisse sind unter
www.leitstern-energieeffizienz-bw.de dokumentiert.

Competition results:
> Individual indicators
> Overall ranking
> Award

The three prize winners of the “Guiding Star in Energy Efficiency”
2015 award were the districts of Böblingen, Rems-Murr-Kreis and
Zollernalbkreis (ranked 1 to 3). The Tuttlingen district was awarded
for its progress as “Best Improver” Special prizes for exceptional
activities went to the urban districts of Karlsruhe, Heidelberg and
Rems-Murr-Kreis. Records of the competition results are available at www.leitstern-energieeffizienz-bw.de.

Special prizes for
special/innovative
activities of the
district

Mutual learning

Accompanying workshops:
> Discussion
> Districts’ suggestions 	
	 and initiatives
2014 2015
2016 2017

36

// Der Aspekt Voneinander-Lernen steht beim
„Leitstern Energieeffizienz“ im Vordergrund.
// The aspect of mutual learning took centre stage
in “Guiding Star in Energy Efficiency”.

// Das Projektteam beim Ortstermin sowie ein
Vorhersage-Prototyp für einen chilenischen Windpark.
// The project team during an on-site visit and a
forecast prototype for a Chilean wind farm.

Suggestions for
improvement from the
competition results

// Andreas Püttner
E-mail: 	andreas.puettner@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)711 7870-268

// Dr. Martin Felder
E-mail:	 martin.felder@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)711 78 70-284
37

// Photovoltaik: Materialforschung (MAT)
Photovoltaics: Materials Research (MAT)

// Auf der Jagd nach
der Superzelle
On the trail of the super cell

Das CIGS-Technikum des ZSW umfasst alle Maschinen und Anlagen für die Herstellung von Dünnschicht-Solarmodulen – von der
Vorbereitung der Glassubstrate bis hin zur Befestigung der Anschlusskabel am fertigen Modul. Die Anlagen sind anders als in
einem typischen Laborbetrieb weitgehend für Durchlaufprozesse
und damit sehr nah an industriellen Verfahren ausgelegt (Arbeitsgruppe FACIS). Hier werden aktuell insbesondere im Rahmen des
BMWi-geförderten Vorhabens CISProTec sowohl verbesserte als
auch neue Prozesse für den Transfer in die Industrie erarbeitet.

The CIGS technical lab at ZSW includes all the machines and systems necessary for producing thin-film solar modules, from the
preparation of glass substrates to the attachment of connection
cables to the finished module. In contrast to typical laboratory
operations, the systems are largely engineered for throughput
processes and hence closely mirror industrial processes (FACIS
working group). In the context of the BMWi-funded CISProTec
project, both new and improved processes are currently being
developed for transfer to the industrial sector.

Der Einsatz von flexiblen Substratmaterialien wie Polymer- oder
Metallfolien anstelle des heute dominierenden Glassubstrats wird
in einem zweiten Technikum für eine Rolle-zu-Rolle-Beschichtung
erarbeitet. Die Herstellung und Optimierung dieser flexiblen
CIGS-Module ist Schwerpunktthema der Arbeitsgruppe FLEXIS.

The use of flexible substrate materials, such as polymer and metal
films, as opposed to the glass substrates predominantly used today
is being developed in a second technical centre for roll-to-roll
coating. The manufacture and optimisation of these flexible CIGS
modules form the focus of the FLEXIS working group.

Kostengünstige Drucktechnologien werden für neue organische
und anorganische Halbleitersysteme wie Kesterite und Perowskite
in einem eigenen Labor weiterentwickelt (Arbeitsgruppe NEMA).

A dedicated laboratory is developing cost-effective print technologies for new organic and inorganic semiconductor systems,
such as kesterite and perovskite (NEMA working group).

Die langjährigen Erfahrungen des MAT-Teams in der Entwicklung
von CIGS-Solarmodulen fließen in Dienstleistungen für die Industrie ein: Im Kundenauftrag übernehmen wir vielfältige Analytikaufgaben (z. B. hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie und
Röntgenfluoreszenzanalyse), die Abscheidung von elektrischen
Kontaktschichten sowie die Charakterisierung von Zellen und
Modulen.

The MAT team’s long-standing experience in developing CIGS
thin-film solar modules is also being leveraged for industrial services: in response to customer orders, we provide various analytical
support services (e.g. high-resolution scanning electron microscopy and x-ray fluorescence analysis) and the deposition of electrical
contact layers as well as electrical and optical characterisation of
cells and modules.

„CIGS-Dünnschicht-Solarmodule haben das
höchste Wirkungsgradpotenzial aller Dünnschicht-Technologien. Wir unterstützen unsere
Partner mit verbesserten Prozessen für noch
kostengünstigere und wettbewerbsfähigere
Produkte und forschen an der nächsten Generation hocheffizienter PV-Materialien.“

// Dr. Wiltraud Wischmann, Head of Department
E-mail: wiltraud.wischmann@zsw-bw.de, Phone: +49 (0)711 78 70-256
38

„

“CGIS thin-film solar modules have the highest
efficiency potential of all thin-film technologies.
We develop improved processes for our partners
that allow them to raise the cost-efficiency and
competitiveness of their products. We are also
conducting research into the next generation
of highly efficient PV materials.”

// Mikrosolarzellen für die kostengünstige Herstellung hocheffizienter Solarmodule
Im Rahmen des EU-Projekts CHEETAH untersucht das ZSW die
Eignung von CIGS-Mikrosolarzellen für den Einsatz unter gering
bis mittel konzentrierter Einstrahlung wie beispielsweise in Modulen
mit integrierten Mikrolinsen. Solche Konzepte versprechen nicht
nur höhere Effizienzen als direkte Folge der Lichtkonzentration,
sondern auch Einsparungen an Halbleitermaterial, wenn mit Hilfe
von Drucktechniken oder anderen Verfahren solche Mikrozellen
gezielt erzeugt werden. Zunächst wird jedoch der Ansatz verfolgt,
Zellen mit Abmessungen im Millimeterbereich und darunter aus
großflächig abgeschiedenen Standardzellen herauszupräparieren
und die dabei auftretenden Probleme – unzureichende Kantenisolation und Verluste durch Serienwiderstände – zu lösen.

// Micro solar cells for the cost-effective manufacture of highly
efficient solar modules
In the context of the EU’s CHEETAH project, ZSW is researching
the suitability of CIGS micro solar cells for use in low to mediumconcentrated irradiation conditions, for instance in modules with
integrated micro lenses. Such concepts promise both higher efficiency as a direct consequence of the degree of light concentration
and savings in the field of semiconductor material if the respective
micro cells are specifically manufactured with the help of print
technologies or other methods. For a start, the project has adopted an approach involving preparing cells with dimensions in the mm
range and below, from large-scale deposited standard cells and
solving associated problems, such as insufficient edge insulation
or losses arising from series resistance.

820

80

800

79

780

78

760

77

740
720

23
22

700

21
20

680

19

660
1

2

5
10
20
50
Light concentration factor (I SC /I SC,STC)

// Kenndaten einer Mikrozelle mit einer beleuchteten Fläche
von 0,15 mm² für Beleuchtungsstärken von bis zu 75 Sonnen.
// Specifications of a micro cell with a lighted surface of 0.15 mm²
for luminance intensities of up to 75 suns.

18
17
100

Record efficiency values [%]

The use of thin-film technologies offers considerable potential
for reducing the costs of photovoltaic modules. Boasting the
greatest efficiency of all thin-film solar cells, the technology
based on copper, indium, gallium and selenium (CIGS) has proved
to be particularly suitable for industrial production.

// European Sharc25 project aims for 25%
efficiency in thin-film solar cells
The European ‘Sharc25’ research project aims to
develop an extremely efficient CIGS thin-film solar cell for assembly
in cost-efficient solar modules. Target efficiency grades range up to
25% for CIGS thin-film solar cells produced with the co-evaporation
method – around 3 percentage points higher than currently feasible
(see fig. below right). To achieve this aim, several research institutions,
universities and companies from eight different countries are
pursuing three different strategies: improved absorber material,
new concepts increasing the efficiency of surfaces and boundaries
and optimised light management. ZSW is coordinating the research
project in the context of the ‘Horizon 2020’ EU Framework Programme with a total volume of just under € 6.2 million.

Fill factor (%)

Der Einsatz von Dünnschicht-Technologien bietet für Photovoltaikmodule ein hohes Potenzial zur Kostensenkung. Insbesondere die
auf Kupfer, Indium, Gallium und Selen basierende CIGS-Technologie hat sich mit den höchsten Wirkungsgraden aller DünnschichtTechnologien in der industriellen Produktion bewährt.

// Europäisches Projekt Sharc25 zielt auf 25 % Wirkungsgrad
bei Dünnschicht-Solarzellen
Ziel des europäischen Forschungsprojekts „Sharc25“ ist die Entwicklung einer extrem effizienten CIGS-Dünnschicht-Solarzelle für
kostengünstige Solarmodule. Angepeilt werden Wirkungsgrade
von bis zu 25 % für im Koverdampfungsverfahren hergestellte
CIGS-Dünnschicht-Solarzellen – rund 3 Prozentpunkte mehr als
bisher (s. Abb. unten rechts). Dazu verfolgen mehrere Forschungsinstitute, Universitäten und Unternehmen aus acht verschiedenen
Ländern drei Strategien: ein verbessertes Absorbermaterial, neue
Konzepte für effizientere Ober- und Grenzflächen sowie ein optimiertes Lichtmanagement. Das ZSW koordiniert das Forschungsvorhaben im EU-Forschungsrahmenprogramm „Horizon 2020“
mit einem Gesamtvolumen von knapp 6,2 Mio. Euro.

Efficiency (%)

// Our main focus

Open circuit voltage (mV)

// Unsere Kernkompetenzen

34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12

Shockley-Queisser limit

+ 1% highly efficient CIGS absorber material
+ 2% by introducing novel concepts for
surfaces and interfaces
+ 1% by advanced light management

21.7% at ZSW
High temperature process
20.4% at Empa
16.8% at ZSW
16.9% at Empa

al
ef f.
ct go
c ell
Proje rds 25%
towa

ef f.
al
ct go
odule
Proje sub - m
%
> 20

Low temperature process

2006

2008

2010

2012

2014

2016

2018

2020

Year
// Die Ziele des europäischen Forschungsprojekts Sharc25.
// Aims of the European Sharc25 research project.

39

// R2R-Beschichtung flexibler
Solarzellen im All-in-one-Verfahren

// Profitieren Kesterite
von Natrium-Zugaben?

R2R coating of flexible solar cells using
the all-in-one process

Do kesterites benefit from the
addition of sodium?

// EU-Projekt R2R-CIGS erfolgreich abgeschlossen

// European R2R CIGS project successfully completed

Im Jahr 2015 wurde das EU-Projekt “Roll-to-roll manufacturing
of high efficiency and low cost flexible CIGS solar modules” (kurz
„R2R-CIGS”) nach dreieinhalbjähriger Laufzeit beendet. In dem
vom niederländischen Forschungsinstitut TNO koordinierten
Verbundprojekt arbeiteten elf Institute und Firmen zusammen,
um die flexible Cu(In,Ga)Se2 -Technologie (CIGS) auf Polymerfolie
(Polyimid) voranzubringen. Dabei standen zwei CIGS-R2R-Anlagen
zur Verfügung, in denen der Absorber mittels Koverdampfung bei
abgesenkter Folientemperatur (ca. 450 °C) aufgebracht wurde:
die Pilotanlage bei einem Schweizer Partner und die integrierte
Anlage am ZSW, in der im gleichen Vakuum, d. h. mit gleicher
Bandgeschwindigkeit, alle Schichten parallel abgeschieden werden
können. Die größten Herausforderungen waren die vakuumfreie
Abscheidung transparenter leitfähiger Oxide (TCO), die kadmiumfreie und R2R-kompatible Pufferschicht, die nachgeführte Laserstrukturierung im R2R-Verfahren, das All-in-one-Beschichtungskonzept des ZSW sowie die flexible Modulverkapselung mittels
dünner Barriereschichten gegen Feuchtigkeit. Die Funktionalität
aller Ansätze konnte erfolgreich unter Beweis gestellt werden.

After running for 3.5 years, the EU 'Roll-to-roll manufacturing of
high efficiency and low cost flexible CIGS solar modules’ project
(‘R2R-CIGS’ in short) was completed in 2015. The joint project
coordinated by the Dutch TNO research institute involved eleven
different institutions and companies who joined forces to advance
flexible Cu(In,Ga)Se2 technology (CIGS) on polymer film (polyimide).
Two CIGS R2R systems, in which the absorber was applied at low
film temperature (approx. 450 °C) via co-evaporation, were available for the project: a pilot system run by a Swiss partner and the
integrated system run by ZSW in which all layers can be deposited
in parallel in the same vacuum, i.e. at the same web speed. The
biggest challenges consisted of vacuum-free TCO deposition, the
cadmium-free and R2R-compatible buffer layer, the adjusted laser
structuring in the R2R process, the ZSW's all-in-one coating
concept and flexible module sealing against humidity using thin
barrier films. The functionality of all approaches was successfully
proven.

10
0
-10

InS

-20

0.6

0.2

-40
-0.2 -0.1 0.0

0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

// Characteristic curve (left) and quantum efficiency
(right) of a solar cell deposited according to the
all-in-one process compared to a reference cell.
Measurement of the external quantum efficiency
shows a significant gain in electricity in the
short wavelength range (red curve, right).

Buffer
CdS
InS

0.4

-30

Voltage (V)

40

0.8
CdS

Eine wichtige Frage ist, ob ähnlich wie bei CIGS das Natrium (Na),
das aus dem Glas ausdiffundiert oder bewusst zugeführt wird,
einen ausschlaggebenden Einfluss auf die Solarzelleneigenschaften
hat. In einer aktuellen Studie wurden am ZSW Proben unter Nafreien Bedingungen präpariert und gezielt unterschiedliche Mengen
an Na bei verschiedenen Prozess-Schritten beigegeben. Dabei
durchlaufen die Proben einen Heizschritt in Selen-Atmosphäre
(Selenisierung).
Im Ergebnis ist der Einfluss von Na auf den Kesterit-Prozess weniger stark ausgeprägt als bei CIGS. Auch mit komplett Na-freien
Proben können Wirkungsgrade von etwa 5 % erzielt werden, sie
erhöhen sich aber durch gezielte Zugabe von Na. Insbesondere
die Leerlaufspannung kann dadurch deutlich gesteigert werden,
weil Na die elektrischen Eigenschaften des Kesterit-Absorbers
positiv beeinflussen kann. Die Ausbildung großer kristalliner Körner
ist aber nicht zwangsläufig an den Na-Gehalt gekoppelt, wie oft
angenommen wird.
Dennoch werden nach wie vor die besten Ergebnisse durch den
Standardprozess erzielt, bei dem Na aus dem Substratglas in den
Absorber gelangt. Dabei scheint das Natrium nur teilweise durch
direkte Diffusion in den Absorber zu kommen; ein entscheidender
Teil wird während des Selenisierungsprozesses über die Gasphase
eingebaut. Dabei geht Na eine gasförmige Verbindung mit dem
reaktiven Selen ein und kann daher auch von oben auf die Absorberschicht einwirken.

// Kennlinie (links) und Quantenausbeute (rechts)
einer im All-in-one-Verfahren abgeschiedenen
Solarzelle im Vergleich zu einer Referenzzelle.
Die Messung der externen Quantenausbeute
zeigt einen deutlichen Stromgewinn im
kurzwelligen Bereich (rote Kurve, rechts).

1.0
	
CdS / InS
η	 = 8.7 / 5.6 %
JSC 	 = 33.0 / 33.7 mA/cm2
VOC 	= 451 / 338 mV
FF 	 = 58.4 / 49.4 %
A 	 = 0.5 cm2

EQE

Current density (mA/cm 2)

20

Das Materialsystem Cu2 ZnSnSe4 (Kesterit) ist dem klassischen
Material CIGS sehr ähnlich, kommt aber mit den kostengünstigen
und nachhaltig verfügbaren Elementen Zink und Zinn aus.

// Impact of sodium on solution-processed kesterite solar cells
The Cu2 ZnSnSe4 material system (kesterite) is very similar to
classic CIGS material. It can, however, make do with the costeffective and earth-abundant elements zinc and tin.
An important issue is the question whether, similar to the case
of CIGS, the sodium (Na) added from the glass by diffusion or
intention has a decisive impact on the properties of the solar
cells. In a current ZSW study, samples were prepared under Na-free
conditions and varying volumes of Na were systematically added
during different process steps. In this context, the samples went
through a heating stage in a selenium atmosphere (selenisation).
It was found that the impact of Na is less pronounced in the case
of the kesterite process than in the case of CIGS. Even completely
Na-free samples achieved levels of efficiency of around 5%; however, efficiency increased once Na was added. Since Na may have a
positive effect on the electrical properties of the kesterite absorber,
this leads to a significant increase of the open-circuit voltage. The
formation of large crystalline granules is not necessarily linked to
the Na content, as is often assumed.
Nevertheless, the best results are still achieved via the standard
process during which Na enters the absorber via the substrate
glass. In this context, not all of the sodium appears to reach the
absorber through direct diffusion – a significant part is incorporated
via the gas phase during the selenisation process. Na enters into
a gaseous compound with the reactive selenium and is therefore
also capable of acting on the absorber layer from above.

// Schematische Darstellung des Selenisierungsprozesses: Na diffundiert zum Teil direkt in den
Absorber, wird aber auch in Form von NatriumSelen-Verbindungen über die Gasphase eingebaut.

Na2Sex (g)

Incorporation

Das ZSW demonstrierte durch den Einbau einer IndiumsulfidVerdampferquelle (InSx) in die integrierte R2R-Vakuumbeschichtungsanlage und die Inbetriebnahme der Zinkoxid-Beschichtungseinheit einen kompletten Lauf im All-in-one-Verfahren, bei dem
gleichzeitig der Molybdän-Rückkontakt, der CIGS-Absorber, die
Indiumsulfid-Pufferschicht sowie die Zinkoxid-Fensterschichten
aufgebracht wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass funktionierende CIGS-Solarzellen im selben Vakuum hergestellt werden können
(s. Grafik unten). Optimierungsbedarf besteht in der Anpassung
der einzelnen Schichtabscheideparameter an die Bandgeschwindigkeit sowie in Bezug auf die Übergangszonen aufeinander
folgender Schichten, die keinerlei Luftsauerstoff (Atmosphäre)
ausgesetzt sind.

Via the integration of an indium sulphide vaporisation source
(InSx) into the integrated R2R vacuum coating system and the
commissioning of the zinc oxide coating unit, ZSW demonstrated
a complete cycle using the all-in-one method during which the
molybdenum back contact, the CIGS absorber, the indium sulphide
buffer layer and the zinc oxide window layers were all deposited
at the same time. The results are proof that operational CIGS solar
cells can be manufactured in the same vacuum (see chart below).
Further optimisation is, however, necessary with respect to the
adjustment of the individual layer deposition parameters to the web
speed and in respect of the transitional zones between sequential
layers which are not exposed to oxygen in the air (atmosphere).

// Einfluss von Natrium auf lösungsprozessierte
Kesterit-Solarzellen

// Diagram of the selenisation process: Na
partially diffuses directly into the absorber as
well as being incorporated via the gas phase
in the form of sodium-selenium compounds.

Diffusion

Na (s)

400

600

800

1000

Wavelength (nm)

1200

// Dr. Friedrich Kessler
E-mail:	 friedrich.kessler@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)711 78 70-201

Na2Sex (g)

Se (g)

// Dr. Erik Ahlswede
E-mail:	 erik.ahlswede@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)711 78 70-247
41

// Photovoltaik: Module Systeme Anwendungen (MSA)
Photovoltaics: Modules Systems Applications (MSA)

// Beschleunigte Alterung
von Photovoltaik-Modulen
Accelerated ageing of photovoltaic modules

// Our main focus

// CIGS-Module im Damp-Heat-Test

// CIGS modules in damp heat test

Die Qualität und Stabilität von Solarstrom-Modulen (PV-Modulen)
sowie der optimierte Einsatz des Solarstroms im Energiesystem
sind die beiden wichtigen Themenfelder des Fachgebiets MSA
und seiner Kunden. Auf der Basis von über 25 Jahren Testerfahrung
mit PV-Modulen aus kristallinem Silizium (c-Si) und aus Dünnschichtmaterialien werden im Modultestlabor Solab Untersuchungen
zum Energieertrag sowie zur Langzeitstabilität durchgeführt. Für
die Charakterisierung der Modulstabilität werden Resultate aus
beschleunigten Alterungstests im Labor mit der hochaufgelösten
Bestimmung von Degradationseffekten unter Freifeld-Betriebsbedingungen korreliert. Die potenzialinduzierte Leistungsdegradation (PID) wird durch beschleunigte Alterung unter Hochspannung und bei Beleuchtung in der Klimakammer und im Freifeld
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 PVGroßanlagen und von PV-Produktionsstätten im Auftrag finanzierender Banken, von Projektierern oder Betreibern.

The two main topics of the MSA research department and its
clients consist of the quality and stability of photovoltaic (PV)
modules and optimised utilisation of solar power in the energy
system. Based on over 25 years of testing experience with PV
modules made of crystalline silicon (c-Si) and thin-film materials,
the Solab module test laboratory conducts energy yield and longterm stability tests. In order to characterise module stability, results from accelerated ageing tests in the laboratory are correlated
with high-resolving degradation effects under outdoor operating
conditions. Potential-induced degradation (PID) is investigated
using accelerated ageing under high voltage conditions with illumination in a climate chamber and under outdoor conditions.
Aside from PV module quality control and impact analysis of interference factors (climate, mechanical loads, soiling, electrical
voltage), our consultancy expertise includes (due diligence) inspections of large-scale PV installations and PV production facilities
on behalf of financing banks, project developers and operators.

Der Damp-Heat(DH)-Test, der bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt wird, zählt zu den harten Prüfungen für
PV-Module im Rahmen der Bauart- und Qualitätszertifizierung
(IEC 61646, 61215). Der in Klimakammern über 1.000 h durchgeführte
Test stellt gegenüber der Freibewitterung eines PV-Moduls eine
stark erhöhte Beanspruchung dar. Damit können alterungsbedingte Fehler des Moduls wie Leistungsabnahme, Delamination
der Einkapselmaterialien oder auch Korrosion dünner Schichten
in wesentlich kürzerer Zeit hervorgerufen werden.

The damp heat test (DH), which is carried out at 85°C and 85%
relative humidity, is among the more stringent tests PV modules
have to undergo in the context of the IEC 61646, 61215 design and
quality certification. During the test, which is carried out in climate
chambers over a period of 1,000 hours, the PV modules are subjected to much stricter requirements than in outdoor conditions.
Ageing-related faults, such as lower performance, delamination
of the sealing material or corrosion of thin layers, can thus be
caused in much shorter time.

Eine allgemein gültige Ableitung einer zu erwartenden Modullebensdauer aus der DH-Prüfdauer ist zwar nicht möglich, weil
hierfür immer sowohl das einwirkende Mikroklima als auch die
Temperaturabhängigkeit und Aktivierungsenergie des Fehlermechanismus bekannt sein müssen. Man geht jedoch davon aus,
dass mit einem 1.000-h-DH-Test mehrere Jahre bis Jahrzehnte
normaler Freibewitterung beschleunigt simuliert werden können.
Sowohl für Qualitätsvergleiche als auch für Test-to-Failure-Untersuchungen wird die Prüfdauer über die 1.000 h hinaus deutlich
erhöht. In einer Studie wurden CIGS-Module 4.000 h lang im
DH-Test beansprucht und zwischendurch regelmäßig die aktuelle
Qualität und Performance bestimmt. Bis etwa 2.000 h DH zeigen
die CIGS-Module kaum eine Leistungsdegradation, nach 4.000 h
erbringen die Module im Schnitt noch 80 % ihrer ursprünglichen
Leistung. Das Stabilitätsverhalten der CIGS-Module ist damit
besser als das von typischen c-Si-Modulen, die ab 3.000 h DHTestdauer einen signifikanten Leistungseinbruch zeigen.

A generally valid estimate of the modules’ useful lifetime cannot
be derived from the DH test since such deduction requires knowledge of both the respective micro climate and the temperature
dependency and activation energy of the fault mechanism. However, it is assumed that the 1,000-hour DH test simulates several
years or decades of service in outdoor conditions. For comparative
quality analysis and test-to-failure studies, the test duration is extended significantly beyond the 1,000 hours. In one study, CIGS
modules were subjected to a 4,000-hour DH test involving regular
quality and performance assessments. Up until around 2,000 hours
of DH, CIGS modules show very little degradation of performance.
After 4,000 hours, their average performance declines to 80%.
The stability behaviour of CIGS modules is thus superior to that
of typical c-Si modules which show a significant degradation of
performance after 3,000 hours of DH testing.

„Hausbesitzer, Eigentümergemeinschaften oder
Unternehmer investieren mit Photovoltaik-Anlagen in die Zukunft einer emissionsfreien Energieversorgung. Wir kümmern uns um die Stabilität
der Module, optimieren Anlagen und deren Betrieb
und sichern so ihren wirtschaftlichen Einsatz.“

// Dr.-Ing. Jann Binder, Head of Department
E-mail: jann.binder@zsw-bw.de, Phone: +49 (0) 711 78 70-209
42

„

“Home-owners, owners’ associations and entrepreneurs who install photovoltaic systems are
investing in an emission-free energy future. We,
in turn, ensure the stability of the modules and
optimise systems and their operation in order to
secure their cost-effective use.”

1.2

1.2

1.0

1.0

0.8

CIGS 1

0.6

CIGS 2

Relative power P / Pinitial

Um den Wert der fluktuierenden regenerativen Energien zu erhöhen,
befasst sich das Fachgebiet mit der intelligenten Steuerung von
Lasten und Speichern, abhängig von vorhergesagten Lastprofilen
und Erzeugungsprofilen aus Solar- und Windstrom. Dadurch erhöht sich die Wirtschaftlichkeit von PV-Anlagen für Hauseigentümer und gewerbliche Anlagenbetreiber; gleichzeitig kann die
Netzbelastung reduziert und das Profil des vom Energieversorger
zu beziehenden Reststroms aus Kostensicht optimiert werden.
Das Fachgebiet berät bei der Entwicklung und dem Test entsprechender Algorithmen und Geräte.

In order to increase the value of fluctuating renewable energy,
the department deals with the smart control of loads and storage
systems depending on predicted solar and wind power load and
generation profiles. This results in increased cost-effectiveness
of PV systems for both home-owners and commercial plant operators; at the same time, grid load is reduced and the profile of
the residual energy that must be purchased from the utilities can
be optimised from a cost perspective. The department advises on
the development and testing of corresponding algorithms and
devices.

Relative power P / Pinitial

// Unsere Kernkompetenzen

CIGS 3
0.4

CIGS 4
CIGS 5

0.2
0.0
0

1000

2000

3000

4000

Damp heat testing time [h]
// Relative Leistung in Abhängigkeit der Dauer des DH-Tests von
kommerziellen CIGS-Modulen (links) und von c-Si-Modulen (rechts).
// Relative performance of commercial CIGS modules (left),
and c-Si modules (right), as a function of DH test duration.

c-Si 1
c-Si 2
c-Si 3
c-Si 4
c-Si 5
c-Si 6
c-Si 7

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

0

1000

2000

3000

4000

Damp heat testing time [h]

// Peter Lechner
E-mail: 	peter.lechner@zsw-bw.de
Phone: 	+49 (0)711 78 70-254
43

// Feldtests für
Mikrowechselrichter

// Optimierte Nutzung von
erneuerbaren Energien

Field tests of micro inverters

Optimised use of renewable energy

// Modulnahe Elektronik im Feldtest.
// Field test of module-level power electronics.

// Definition und Realisierung von Feldtests für modulnahe
Photovoltaik-Leistungskomponenten
// Definition and implementation of field tests for
photovoltaic module-level power electronics
Performance components at module-level, such as module
optimisers or module inverters (micro inverters), are playing an
increasingly important role on the photovoltaics (PV) market.
They are specifically advertised as solutions for improving the yield
of systems suffering from partial shading. Further arguments
brought in their favour are increased system security via the option to switch off individ-ual modules in the event of a fire, greater
flexibility and various design options including simplified PV system
design for installers, and availability and monitoring of modulelevel performance data for system operators. However, modulelevel power electronics are expected to be more reliable and have
a longer useful lifetime than conventional string converters, i.e.
comparable to that of PV modules – quite a challenge given the
higher operational temperatures occurring on module level.
A test platform has been installed at ZSW’s Widderstall solar test
facility to arrive at a near-realistic, time- and irradiation-resolved
characterisation of the DC and AC performance of such commercial
performance components, which allows for the testing of the
respective module electronics (device under test, DUT) in direct
comparison to a reference system involving string inverters. Various
shading modes can be realised in this context, with DUT and reference systems always being subjected to identical shading conditions. In order to reduce system-related differences in the test
arrangements and reduce the bias in the measurement components
with the aim of improving measurement accuracy, both the DUT
and reference measuring system and the PV modules may be alternated on an intermittent basis.

// Gleichförmige Beschattung des DUT- und des
Referenzsystems mit Giebelschablonen.
// Uniform shading of the DUT and reference
systems using gable moulds.

Eine erhöhte Prognosegenauigkeit für die Stromerzeugung aus
Sonne und Wind einerseits und der Last andererseits erlaubt es,
den Bedarf an Speicherkapazität und Lastverschiebung vorauszuberechnen, insgesamt zu minimieren und optimal einzusetzen.
Das Ziel ist eine ausgeglichene Bilanz aus Erzeugung und Last zu
jeder Zeit. Große Lastverschiebepotenziale ergeben sich bei der
Kopplung der Sektoren Strom und Wärme über Kraft-WärmeKopplungsanlagen und Wärmepumpen. Angesichts der Vielzahl
von Optionen ergibt sich die Frage nach der Optimierung des Betriebs von Erzeugern, Lasten und Speichern aus Sicht des Nutzers
und des Energieversorgers bzw. Netzbetreibers. In verschiedenen
Projekten zur optimierten Steuerung von PV-Anlagen, Wärmepumpen und elektrischen Speichern in Wohnhäusern, zu urbanen
Energiesystemen im Allgemeinen und zum prädiktiven Netzbetrieb bei hohen Anteilen an Solarstrom werden hierzu Verfahren entwickelt. So wurde in Simulationen gezeigt, dass mit modellprädiktiver Steuerung von Wärmepumpen und Speichern ein hoher Eigenverbrauch von lokal erzeugtem Sonnenstrom erhalten werden
kann, auch wenn dem Verbraucher zeitweise die Nutzung von
Windstrom vom Energieversorger vorgegeben wird.
In enger Zusammenarbeit verschiedener Fachgebiete am ZSW
mit externen Partnern entstehen dabei im Rahmen von BMUBund BMWi-geförderten Vorhaben (PVSYS-NS, EnVisaGe und
Grid-Predict) sowohl theoretische Modelle und Berechnungswerkzeuge als auch praktische Umsetzungen im Labor (s. Grafik
unten) und im Feldtest.

Test grid (simulation)

Hardware
in the loop

Zur realitätsnahen, zeit- und strahlungsaufgelösten Charakterisierung der DC- und AC-Performance derartiger kommerzieller
Leistungskomponenten wurde auf dem Solar-Testfeld Widderstall des ZSW eine Testplattform installiert, auf der die zu prüfenden Modulelektroniken (Device under Test, DUT) im direkten
Vergleich zu einem Referenzsystem mit Strangwechselrichter untersucht werden können. Dabei können verschiedene Verschattungsmodi realisiert werden, wobei jeweils DUT und Referenzsystem identisch verschattet werden. Um systembedingte
Unterschiede der Testaufbauten und den Bias der Messkomponenten zu reduzieren und damit die Messgenauigkeit zu verbessern, können dabei sowohl das DUT- und das Referenzmesssystem als auch die PV-Module periodisch alterniert werden.

// Netz- und systemdienlicher Betrieb von Erzeugern,
Lasten und Speichern

Measurements

Modulnahe und modulintegrierte Leistungskomponenten wie
Moduloptimierer oder Modulwechselrichter (Mikroinverter)
spielen eine zunehmend größere Rolle im Photovoltaik(PV)Markt. Sie werden insbesondere als ertragsverbessernde Lösung
für Anlagen beworben, die unter partieller Beschattung leiden.
Weitere Argumente sind erhöhte Anlagensicherheit durch Abschaltbarkeit der einzelnen Module z. B. im Brandfall, mehr
Flexibilität und Auslegungsoptionen und ein vereinfachtes Design
einer PV-Anlage für den Installateur sowie die Überwachungsmöglichkeit und Verfügbarkeit von Performancedaten auf Modulebene für den Anlagenbetreiber. Allerdings wird von den modulnahen Elektronikkomponenten im Vergleich zu herkömmlichen
Strangwechselrichtern eine höhere Zuverlässigkeit und längere
Lebensdauer erwartet, vergleichbar mit der von PV-Modulen. Bei
den in Modulnähe auftretenden höheren Betriebstemperaturen
stellt das eine anspruchsvolle Herausforderung dar.

Grid simulator (HW)

// Peter Lechner
E-mail: 	peter.lechner@zsw-bw.de
Phone: 	+49 (0)711 78 70-254

Optimisation

Battery
system

Controllable
loads

Real HW on real and
simulated grid nodes

// Grid- and system-serving operation of generators,
loads and storage systems
Increased accuracy of forecasts of solar and wind power generation
on the one hand and loads on the other allow for pre-calculation,
overall minimisation and optimum assignment of the demand for
storage capacities and load shifting. The aim is an even balance
between generation and load at all times. Significant load shift
potential arises in the context of heat and power co-generation via
CHP systems and heat pumps. Given the large number of available
options, the question arises how to optimise the operation of
generators, loads and storage systems from the perspective of
the user, the utility and the grid operator. Respective processes
are currently being developed in the context of various projects
relating to optimised control of PV systems, heat pumps and
electric storage systems in residential buildings, urban energy systems in general and predictive grid operation involving a high
percentage of solar power. Simulation has shown that model-predictive control of heat pumps and storage systems can maintain
a high level of self-consumption on the basis of locally generated
solar power even if the utilities intermittently require the consumer
to use wind energy.
In the context of BMUB and BMWi-funded projects (PVSYS-NS,
EnVisaGe and Grid-Predict), various ZSW research departments
are working closely with external partners on the development
of theoretical models and calculation tools as well as practical
implementation approaches in laboratories (see chart below) and
field tests.

Prediction of
load and
generation

State
estimation

Smart meter
PV
system

44

// Beispiel für eine Gemeinde mit hohem Einsatz von PV-Anlagen
und entsprechenden Ansprüchen an das Netz.
// Example of a municipality with extensive use of PV systems
and respective grid requirements.

// Simulator gekoppelt an reale Hardware (HW) zur Nachbildung und Optimierung
des intelligenten Betriebs dezentraler Erzeuger, Speicher und Lasten.
// Simulator linked to real hardware (HW) serving to represent and optimise smart
operation of decentralised generators, storage systems and loads.

Optimiser

// Dr. Jann Binder
E-mail:	 jann.binder@zsw-bw.de
Phone:	 +49 (0) 711 78 70-209
45

// Unsere Kernkompetenzen

// Our main focus

Leitmotiv des Fachgebietes Regenerative Energieträger und Verfahren ist die Erzeugung regenerativer Brenn- und Kraftstoffe.
Unsere Kernkompetenzen sind:
> 	 Erneuerbare Energie effizient in leicht transportable, „tankbare“ 	
	 chemische Energieträger zu überführen und zu speichern.
> 	 Erneuerbare Energieträger über die Erzeugung von Wasserstoff 	
	 bzw. wasserstoffreichen Gasen hocheffizient zu verstromen.

The guiding theme of the department of Renewable Fuels and
Processes is the production of renewable fuels and motor fuels.
Our main focus points are:
> 	 to efficiently convert renewable energy into an easily
	 transportable, storable, and fuel-like chemical energy carrier
> 	 to generate electricity with high efficiency using hydrogen or 	
	 hydrogen-rich gas produced from renewable energy carriers.

Im Fachgebiet REG werden neue Technologien zur Herstellung
von Synthesegas, Wasserstoff und Erdgassubstitut (SNG) entwickelt und im technischen Maßstab bis zu mehreren 100 kW erprobt. Neben der Elektrolyse, der Brennstoffreformierung und
der Erzeugung strombasierter und biomassebasierter Synthesegase sind die Gasreinigung, die Gaskonditionierung sowie die
Kraftstoffsynthese wichtige Aufgabengebiete. Zielsetzung im
Themenfeld Elektrolyse ist insbesondere die Kostenreduktion der
gesamten Wasserstofferzeugungsanlage durch eine Modularisierung der Systemkomponenten und die Weiterentwicklung des
Elektrolyseblocks. Zielsetzung bei der Gasprozesstechnik ist die
Erzeugung eines brennstoffzellentauglichen Gases, eines Brenngases für die Verstromung bzw. eines konditionierten Synthesegases zur Kraftstofferzeugung sowie die Gasaufbereitung zur
Einspeisung in das Erdgasnetz.

The REG research department develops and tests new technologies
for the production of syngas, hydrogen and substitute natural gas
(SNG) in a technical scale of several hundred kW. In addition to
electrolysis, fuel reforming and the production of syngas using
biomass and electricity, our activities are focused on gas cleaning
and conditioning, and fuel synthesis. The objective in the area of
electrolysis is cost reduction for the entire hydrogen generation
system through modularisation of system components and further
development of the electrolysis unit. The gas processing objectives
are to produce a suitable gas for fuel cells, a fuel gas for electricity
generation, a conditioned syngas for fuel production and a substitute natural gas to be distributed via the natural gas grid.

Es wurden bereits zwei Power-to-Gas(P2G ®)-Anlagen in den
Leistungsklassen 25 kWel und 250 kWel am ZSW aufgebaut. An
einer weiteren Anlage mit 6.000 kWel war das ZSW im Rahmen
des Basic Engineerings, der Inbetriebnahme sowie des Anlagenmonitorings beteiligt.
REG-Schwerpunktthemen sind:

Two Power-to-Gas (P2G ®) plants at ZSW have already been built
in the power classes of 25 kWel and 250 kWel. ZSW were involved
in basic engineering, commissioning and plant monitoring for
another plant with 6,000 kWel.
REG focuses on:
> 	 Power-to-Gas (P2G ®)
> 	Biomass-to-fuel
> 	Electrolysis
> 	 Reformation/gas conditioning

> 	 Power-to-Gas (P2G ®)
> 	Biomass-to-Fuel
> 	Elektrolyse
> 	 Reformierung/Gaskonditionierung

„Ohne regenerative, strombasierte
Kraftstoffe (eFuels) wird die Energiewende
nicht gelingen.“

// Dr. Michael Specht, Head of Department
E-mail: michael.specht@zsw-bw.de, Phone: +49 (0) 711 78 70-218
46

„

“The energy transition will not succeed
without renewable eFuels.”

// ZSW-Wirbelschichtmaterial
ZSW fluidised bed material

// Erprobung von kalksteinbasiertem ZSW-Wirbelschichtmaterial im MW-Maßstab

// Testing limestone-based ZSW fluidised bed material
in the MW scale

Für die Erzeugung von Strom und Wärme aus fester Biomasse
eignet sich die kombinierte Verbrennung und Vergasung im
Zweibett-Wirbelschichtprozess. Dabei wird ein Brenngas erzeugt,
das im Gasmotor verstromt wird. Allerdings haben die wenigen
bereits existierenden Anlagen oft wirtschaftliche Probleme
aufgrund von Störfällen (z. B. unzureichende Produktgasqualität,
Ablagerungen) und/oder hoher Betriebskosten (z. B. teures
Wirbelschichtmaterial, Nutzung von hochwertigem Stammholz).
Die Verwendung von abriebfestem und reaktivem Kalkstein als
Wirbelschichtmaterial kann diese Probleme lösen, wie experimentelle Untersuchungen des ZSW gezeigt haben. Durch den
Einsatz von Kalksteinen kann nicht nur die Gasqualität verbessert
werden (z. B. weniger Störstoffe), sondern auch die Verwendung
mineralstoffreicher biogener Reststoffe ermöglicht werden.

Combined combustion and gasification with two interconnected
fluidised beds is suitable to generate electricity and heat using
solid biomass. A fuel gas is produced that is converted into
electricity in gas engines. However, the few already existing
plants often suffer from economic problems due to accidents
(for example, inadequate product quality gas, deposits) and/or
high operating costs (for example, expensive fluidised bed
material, use of high-quality stem wood). The use of reactive
limestone with high mechanical stability as a fluidised bed
material can solve these problems, as shown in experiments
conducted by ZSW. Not only can the gas quality be improved
by using limestone (for example, fewer impurities), but also
mineral-rich biogenic residues can be used.
For the first time and as part of the AiF project “Development
of a limestone-based fluidised bed material for the use of biogenic residues in biomass combustion and gasification” a limestone source checked as to its suitability and recommended by
ZSW is being tested as a fluidised bed material in a commercial
6 MWth dual fluidised bed system.

Im Rahmen des AiF-Projektes „Entwicklung eines kalksteinbasierten Wirbelschichtbettmaterials zur Nutzung biogener
Reststoffe bei der Biomasseverbrennung und -vergasung“ wird
erstmals ein vom ZSW auf Eignung geprüfter und empfohlener
Kalkstein als Wirbelschichtmaterial in einer kommerziellen
6-MWth -Zweibett-Wirbelschichtanlage erprobt.
Nach Adaption der Anlagentechnik liegt der Kalksteinverbrauch
bei ca. 100 kg pro Tonne trockenes Holz. Das entspricht Kosten frei
Anlage von unter 4 Euro pro Tonne Holz. Die hohe Abriebfestigkeit
ist eine wichtige Voraussetzung für einen sicheren und wirtschaftlichen Anlagenbetrieb. Die katalytischen Eigenschaften des Wirbelschichtmaterials resultieren in einer Verbesserung der Ausbeute,
Reinheit und Qualität des Brenngases sowie in einer Erhöhung
der Anlagenverfügbarkeit.
20
16
12

Following an adaptation of plant technology, limestone consumption is at about 100 kg per tonne of dry wood. This corresponds
to costs, excluding plant costs, of less than four euros per tonne
of dry wood. A high attition resistance is an important requirement for safe and efficient plant operation. The catalytic properties of the fluidised bed material result in an improved yield, purity
and quality of the fuel gas, and an improved plant availability.

// Rheologische Untersuchung an einem RotationsviskosimeterTeststand des ZSW zum Agglomerationsverhalten von verschiedenen Wirbelschichtmaterialien mit Aschen aus mineralstoffreichen
biogenen Reststoffen. Eine Agglomeration setzt ein, wenn das
Drehmoment des Rotationsviskosimeters sprunghaft ansteigt.

Q1
Digestive ash

Tuning moment [mN*m]

// Regenerative Energieträger und Verfahren (REG)
Renewable Fuels and Processes (REG)

X2

Straw ash

X2

Q1	 Silica sand
X2 	 Olivine
C58 Lime Stone

C58
C58

// Rheological test using a rotational viscometer test rig ZSW
has to determine the agglomeration behaviour of different
fluidised materials with ashes from mineral-rich biogenic residues.
Agglomeration starts when the torque of the rotational
viscometer increases abruptly.

Q1

8
4

0
100

300

500

700
900
Temperature [°C]

1100

1300

// Dr.-Ing. Jochen Brellochs
E-mail:	 jochen.brellochs@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)711 78 70-211
47

// Alkalische Druckelektrolyse
für P2G®-Anwendungen

// Markteinführung: ZSW
koordiniert Callux-Projekt

Alkaline pressure electrolysis
for P2G® applications

Market launch: ZSW coordinate Callux project

// Alkalische Druckelektrolyse für P2G®-Anwendungen
Seit 2013 arbeitet das Fachgebiet REG an der Entwicklung einer
innovativen Alkalischen Druck-Elektrolyse (AEL) für Powerto-Gas-(P2G ®)Anwendungen im Rahmen des vom BMWi
geförderten Verbundprojekts „P2G ® -Elektrolyse“. 2015 konnten
in drei Kernarbeitsbereichen des Projekts wichtige Ergebnisse
erzielt werden.
Das neue ZSW-Elektrolyseblockkonzept konnte erfolgreich
mit einem 200-cm2-Elektrolyseblock mit fünf Zellen getestet
werden. Die Auslegung bezüglich Dichtigkeit, Materialauswahl
und Funktion wurde mit den Versuchen bestätigt. Die guten
Ergebnisse wurden in den 3.000-cm2-Maßstab hochskaliert. Ein
neues hocheffizientes SIL2-fähiges Elektrolyse-Gleichrichtersystem mit geringsten Netzrückwirkungen und knapp 0,5 MW
DC-Ausgangsleistung konnte innerhalb von knapp acht Monaten
von der Konzeption bis zur Betriebsfähigkeit in der neuen ZSWDruckelektrolyse-Technikumsanlage gebracht werden.
Das ZSW-eigene 1-MW-Druckelektrolyse-Anlagenkonzept inklusive des betriebstechnischen Sicherheits- und Steuerungskonzepts
wurde 2015 erfolgreich den notwendigen sicherheitstechnischen
Prüfungen durch eine unabhängige Prüforganisation unterzogen
und die gesamte Anlage mit den Subsystemen im REG-Technikum
aufgebaut. Die Anlage wird mit einem 300-kW-ZSW-Elektrolyseblock in Betrieb gehen.
In dem 2014 in Betrieb gegangenen Druckelektrolyse-Systemprüfstand wurden mehrere Messkampagnen mit einem alkalischen Druckelektrolyse-Kurzblock im 0,6-m2-Maßstab eines
Projektpartners durchgeführt. Neben der Kennlinien- und Betriebsverhaltens-Vermessung des Blocks waren auch Subsystem-Qualifizierungen des Prüfstandes wichtige Arbeitsfelder.

// 300-kW-Druckelektrolyseanlage.
// 300-kW pressure electrolysis system.

48

// 200- und 3.000-cm 2 -Zellrahmen im Größenvergleich (Abb. links), Test der
Zellrahmenstapelung und Maßhaltigkeit in der Größe 3.000 cm2 (Abb. Mitte),
500-cm 2 -Elektrodenpackage für den Versuchsbetrieb (Abb. rechts).
// Size comparison of 200 and 3,000 cm 2 cell frames (left image), testing cell
frame stacking and dimensional accuracy in the format of 3,000 cm 2 (centre
image) and 500 cm 2 electrode package for trial operation (right image).

// Alkaline pressure electrolysis for P2G® applications
Since 2013, the REG department has been developing an
innovative alkaline pressure electrolysis (AEL) method for
Power-to-Gas applications within the framework of the joint
project “P2G ® electrolysis” funded by the German Federal
Ministry for Economic Affairs and Energy. In 2015, some
significant results were achieved in three key areas of the
project work.
The new ZSW electrolysis block concept was successfully tested
with a 200 cm2 electrolysis block with five cells. The design in terms
of leak tightness, material selection and function was experimentally confirmed. The good results were scaled up to the 3,000 cm2
scale. A new, highly efficient SIL2 compatible electrolysis rectifier
system with minimised system perturbations and an output of
nearly 0.5 MW DC was successfully brought to operational readiness in ZSW’s new technical centre for pressure electrolysis in
just under eight months.
In 2015, ZSW’s own 1-MW pressure electrolysis system concept
including the operational safety and control concept successfully
passed the necessary safety technical tests run by an independent
certification agency, and the entire system with its subsystems
was set up in the REG centre. The system will be operated with a
300-kW electrolysis block from ZSW.
In the test rig for the pressure electrolysis system, put into operation
in 2014, several field campaigns were carried out with a project
partner’s alkaline pressure electrolysis short block on a scale of
0.6 m2. In addition to characteristic curve and operational performance measurements of the block, subsystem qualifications
of the test rig were further important areas of work.

// Andreas Brinner
E-mail: 	andreas.brinner@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)711 78 70-338

// Vom ZSW koordiniertes Callux-Projekt mündet in
Markteinführung

// Callux project coordinated by ZSW culminates in market
launch

Der im September 2008 begonnene Praxistest „Callux – Brennstoffzellen fürs Eigenheim“ ist in der Markteinführung der innovativen Anlagen gemündet. In den vergangenen sieben Jahren hatten die beteiligten Hersteller von Brennstoffzellen-Heizgeräten
gemeinsam mit Unternehmen aus der Energiewirtschaft fast 500
Brennstoffzellen-Heizgeräte installiert, betrieben und messtechnisch begleitet. Das Fachgebiet REG war bei Callux federführend
für die Projektkoordination, die wissenschaftliche Begleitung und
das Technologie-Monitoring verantwortlich.

The Callux field trial for home fuel cells that was started in
September 2008 led to the launch of these innovative systems.
In the past seven years, manufacturers of fuel cell heating systems had jointly installed, operated and monitored nearly 500 fuel
cell heating systems. The REG department was largely responsible for project coordination, scientific support and technological
monitoring during Callux.

Die Effizienz und die Verfügbarkeit der Geräte wurden im Projektverlauf stetig optimiert. In den insgesamt über fünf Millionen Betriebsstunden, umgerechnet ungefähr 570 Jahre, konnte den
Anlagen die für die Markteinführung notwendige Langlebigkeit
attestiert und ihre Eignung für einen zukünftigen Einsatz in
virtuellen Kraftwerken nachgewiesen werden. Die CO2 -Einsparungen lagen durchschnittlich bei 1,2 t jährlich gegenüber der
Brennwerttechnik und Strombezug aus dem Netz.
Die Gesellschaft für Konsumforschung konnte im Rahmen von
Callux eine weitreichende Akzeptanz für die Anlagen seitens der
Kunden und des Handwerks ermitteln. Die positive Reaktion geht
auf das Engagement von Callux in der Berufsbildung zurück. Durch
die Vernetzung mit Bildungseinrichtungen konnten Fachanwender und -partner rechtzeitig an die Technik mit Brennstoffzellen
herangeführt werden.
Den erfolgreichen Abschluss des Projekts haben die Partner zusammen mit den Feldtest-Kunden sowie Vertretern aus Politik,
Wirtschaft und Wissenschaft am 26. November 2015 im BMVI
feierlich begangen.

Both efficiency and availability of the systems were optimised
continuously throughout the project. After more than five million
operational hours, equivalent to about 570 years, it was possible
to certify the system longevity required for the market launch,
along with its suitability for future use in virtual power plants. CO2
reductions were on average 1.2 tonnes a year compared to heat
supply from gas-condensing appliances and electricity purchase
from the grid.
As part of the Callux project, Gesellschaft für Konsumforschung
were able to confirm wide acceptance of the equipment by
customers and craftsmen alike. The positive feedback is a result
of Callux’s commitment to vocational training. Thanks to networking with educational institutions, professional users and
partners were introduced to the fuel cell technology in good time.
On 26 November 2015, the partners celebrated the successful
completion of the project together with field trial customers and
representatives from the government, the industry and academia
in the Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure.

// Dr. Marc-Simon Löffler
E-mail:	 marc-simon.loeffler@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)711 78 70-233
49

// Akkumulatoren Materialforschung (ECM)
Accumulators Materials Research (ECM)

// Entwicklung von
Aktivmaterialien
Development of active materials
10 µm

// REM-Aufnahme von durch Rundungsprozesse veredeltem Naturgrafit.
// SEM image of natural graphite upgraded via rounding processes.

// Neue Materialien für Lithium-Ionen-Zellen:
Leistung steigern – Verfügbarkeit absichern

// Our main focus

Neue Aktivmaterialien
Der traditionelle Schwerpunkt der Arbeiten von ECM liegt in der
Synthese und Charakterisierung von Funktionsmaterialien für
Batterien und Superkondensatoren. Kernkompetenz ist die Entwicklung maßgeschneiderter Pulver. 25 Jahre Materialforschung
bilden die Basis für unser umfangreiches Verständnis über die Zusammenhänge von Struktur und Pulvermorphologie bezüglich gewünschter Funktions- und Verarbeitungseigenschaften. Neben neuen Kathodenmaterialien (wie z. B. Hochvoltspinellen, Lithiumübergangsmetallphosphaten und -silikaten) und Anodenmaterialien
(z. B. optimierten Kohlenstoffmodifikationen, Titanaten und Legierungsanoden) für Lithium-Ionen-Batterien wird intensiv an neuen
Elektrolytsystemen mit speziellen Additiven und an Elektrodenmaterialien für zukünftige Systeme wie Lithium/Schwefel und
Lithium/Luft geforscht.

New active materials
Our work traditionally focuses on synthesising and characterising
functional materials for batteries and supercapacitors with core
expertise in development of custom powders. 25 years of material
research provide the basis for our comprehensive understanding
of the interaction between structure and powder morphology, on
the one hand, and the desired functional and processing properties,
on the other. In addition to new cathode materials (such as highvoltage spinels, lithium transition metal phosphates and silicates)
and anode materials (such as optimised carbon modifications,
titanates and alloy anodes) for lithium-ion batteries, new electrolyte systems with special additives and electrode materials are
being researched for future systems such as lithium/sulphur and
lithium/air.

Zellfertigungstechnologien
Im Labormaßstab können Prototypen im Format 18650 und gestapelte Pouchzellen für Forschungszwecke hergestellt werden.
Ziel ist die Entwicklung angepasster vorindustrieller Fertigungsprozesse für neuartige, leistungsfähigere Komponenten zukünftiger
Zellgenerationen. Bisher gefertigte Zellen mit selbst entwickelten
Elektroden zeigen eine sehr hohe Reproduzierbarkeit und Zyklenstabilität (> 15.000 Zyklen). Ein Fokus liegt derzeit auf der Prozessierung von Hochenergieelektroden mit wässrigen Bindersystemen und auf der Entwicklung von Zellen mit Hochvoltspinellen.
Post-Mortem-Analysen
Zur Schadensanalyse und für die Bewertung neuer Zellen sind wir
auf Post-Mortem-Analysen spezialisiert. Die Analyseergebnisse
sind essenziell für das Verständnis von Alterungsprozessen und
potenziellen Sicherheitsrisiken sowie für die Zelldesignoptimierung.

Cell production technologies
Prototypes can be researched on laboratory scale with cells in
18650 format and stacked pouch cells. The goal is to develop new
and high-performing components for future cell generations that
can be adapted to industry. Our cells consisting of in-house developped electrodes show very high reproducibility and cycling stability (>15,000 cycles). A current focus is the processing of highenergy electrodes with aqueous binder systems and the development of cells consisting of high-voltage spinel cathode materials.
Post-mortem analyses
We are specialised in the area of post-mortem analysis to understand failures in battery components and to evaluate new cells.
The analytical results are essential for understanding ageing
processes, potential safety risks, and to optimise cell design.

„E-Mobilität und erneuerbare Energien
erfordern neue Energiespeichersysteme. Wir
bilden die komplette Wertschöpfungskette
vom Pulver bis zur fertigen Zelle ab und können
dadurch einen wichtigen Beitrag leisten.“

// Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Head of Department
E-mail:	 margret.wohlfahrt-mehrens@zsw-bw.de, Phone:+49(0)731 95 30-612
50

„

“E-mobility and renewable energies
require new energy storage systems. We
provide the complete value chain from the
powder to the finished cell. In doing so, we
are able to make an important contribution.”

Schlüsselparameter für eine breite Akzeptanz der Elektromobilität
ist die Weiterentwicklung von Hochenergiebatterien in Bezug auf
höhere Energiedichte, Zuverlässigkeit und Kostenreduktion. Die
Kosten werden signifikant durch die Aktivmaterialien bestimmt.
In dem vom BMBF im Rahmen der ExcellentBattery-Initiative geförderten Projekt LiEcoSafe gelang es dem ZSW, kostengünstige
Alternativen für das Kathoden- und das Anodenmaterial zu entwickeln.
Das neue Kathodenmaterial mit der Formel Li 1.5+xMn 1.5 Ni0.5O4
(020 Ah). Im Fokus stehen Untersuchungen zum Zusammenspiel
von Zellchemie, Zelldesign und Herstelltechnologie in Bezug auf
Qualität, Sicherheit und Herstellkosten sowie Fragen zur InlineSensorik, zu Fertigungstoleranzen oder zu kosteneffizienten
Abläufen. Bei neuen Materialien und Komponenten geht es um
Fragen zur Evaluierung von Verarbeitbarkeit und Qualität im
industrie-relevanten 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 hochqualifizierte und erfahrene Team, bestehend aus einer guten Mischung von Technikern, Ingenieuren und Elektrochemikern, auf
Basis des Betriebs der Pilotanlage mittlerweile über wichtige Beratungskompetenz bezüglich Zellfertigung sowie Kostenbetrachtungen.

Our work focuses on operating a pre-competition “Research
platform for industrial production of lithium-ion cells (FPL),”
which maps the near-production overall manufacturing process
for hard-case cells (PHEV 1-cell, >20 Ah). This focuses on studies
of the interaction of cell chemistry, cell design and manufacturing
technology in terms of quality, reliability and manufacturing costs
as well as inline sensors, manufacturing tolerances and cost-efficient
workflows. With new materials and components, the goal is to
evaluate usability and quality at an industrial scale.
The main responsibility of the ECP team is to optimise industrial
production processes as part of industrial orders and research
projects or verify advanced cell chemistry in sample series of
standard cells. Research expertise covers all production-related
aspects, from system development to improving all production
steps, right up to quality assurance processes. In addition to this,
the highly qualified and experienced team, consisting of a good
mix of technicians, engineers and electrochemists, now has crucial
consulting expertise on cell manufacturing and cost considerations, based on operation of the pilot plant.

„Mit der Forschungsplattform stellen wir nun
unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft
eine stabile Basis für gemeinsame Projekte zur
Produktionsforschung zur Verfügung.“

Weitere Schwerpunktaktivitäten
Ein erstes bilaterales Projekt mit Industriepartnern begann direkt
im Anschluss an das Referenzprojekt; daneben wurde die FPL auch
in strategischen Förderinitiativen des Bundes als Projektpartner
für die Produktionsforschung im industrienahen Maßstab positioniert. Mit der Teilnahme am Giga-LIB-Projekt des BMBF konnte
dabei ein erster Erfolg verbucht werden.

A total of approximately 3,000 m of cathodes and 3,800 m of anodes
were produced at FPL in the course of the project, including more
than 1,000 jelly rolls and 850 PHEV-1 cell housings were used to
build cells. The operational assembled cells that met all quality
criteria were available for formation, cyclisation and other tests.
They had already shown good results in safety tests. As the
project is complete, every production step now has a reliable
set of parameters with which the reference process at FPL can
be “called” either in individual steps or in its entirety.
Other key activities
A first bilateral project with industry partners was launched
immediately after the reference project; in addition, FPL was
also positioned as a project partner for production research at
an industry-relevant scale as part of German Federal strategic
funding initiatives. Participation in the Giga-LIB project of BMBF
was an initial success in that respect.

“With the research platform, we can now build a
stable foundation for joint projects in production
research that is available to our partners in the
industry and in academia.”

// Wolfgang Brugger, Head of Department
E-mail: wolfgang.brugger@zsw-bw.de, Phone: +49 (0) 731 95 30-344
54

„

Im Verlauf des Projekts wurden dazu auf der FPL insgesamt ca.
3.000 m Kathode und ca. 3.800 m Anode produziert, mehr als
1.000 Flachwickel hergestellt und ca. 850 PHEV-1-Zellgehäuse
verbaut. Die fertig assemblierten Zellen, die alle Qualitätskriterien erfüllten, standen für Formation, Zyklisierung und weitere
Tests zur Verfügung. In Sicherheitstests zeigten sie bereits gute
Ergebnisse. Nach Abschluss des Projekts steht nun für jeden Produktionsschritt ein stabiler Parametersatz zur Verfügung, mit
dem der Referenzprozess auf der FPL in Einzelschritten oder gesamthaft „aufgerufen“ werden kann.

// Rainer Stern
E-mail: 	rainer.stern@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)731 95 30-345
55

// Akkumulatoren (ECA)
Accumulators (ECA)

// Sicherheitsaspekte
Batteriesicherheitstests
für
Solar-Home-Speichersysteme
Batteriesicherheitstests
Safety aspects for solar home storage systems

// Unsere Kernkompetenzen

// Our main focus

Wir untersuchen und entwickeln elektrochemische Energiespeichersysteme. Damit Akkumulatoren auch unter schwierigsten
Bedingungen sicher und leistungsfähig sind, stehen deren Charakterisierung unter verschiedenen Betriebsbedingungen, die
Untersuchung des Verhaltens bei Fehlbedienung oder in Unfallsituationen sowie die Entwicklung von Methoden des Batteriemanagements im Mittelpunkt unserer Arbeiten. Die Einsatzbereiche der Batterien umfassen stationäre Energiespeicherung
in elektrischen Netzen und in portablen Geräten genauso wie in
elektrifizierten Antriebssträngen für die Elektromobilität.

We investigate and develop electrochemical energy storage systems.
To ensure that accumulators are safe and efficient even under
the most extreme conditions, our work focuses on characterising
them under various operating conditions and investigating their
behaviour with regard to operating failures and accident situations,
as well as developing battery management methods. The batteries’
applications include stationary energy storage in electric grids and
in portable devices, as well as in electrified drive trains for electromobility.

Batterietest und Sicherheitstest
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 zerstörerischer
Tests können wir die Reaktionen und Gefahrenpotenziale von
Akkumulatoren bei extremen Schädigungen sowie deren Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedenen Missbrauchsbedingungen und Fehlbedienung beurteilen.
Batteriesystemtechnik
Herzstück der Batteriesystemtechnik ist die thermische und
elektrische Modellierung sowie die Simulation von Zellen und
Batteriesystemen. Neben der Entwicklung von Modulen und
Batteriemanagementsystemen (BMS) forschen wir an modellbasierten Algorithmen zur Zustandsbestimmung (Ladezustand
und Alterung), zur Vorhersage der Systemleistungsfähigkeit,
zur optimalen Laderegelung und zum Energiemanagement. Ziel
ist ein dynamischer, zuverlässiger und wirtschaftlicher Betrieb
des Speichers in den genannten Anwendungen.

Battery test and safety test
The electric battery test serves to investigate the functionality
of cells, modules and systems, measure their performance and
determine their expected service life under defined loads and
environmental conditions. With abuse tests, we can assess the
reactions and potential risks of heavily damaged accumulators
and their resistance to various abuse conditions and operating
failures.
Battery system technology
The main focus of battery system technology is thermal and electrical modelling and the simulation of cells and battery systems.
In addition to developing modules and battery management systems
(BMS), we perform research activities on model‐based algorithms
to determine the state of the battery (state of charge and ageing),
predict system performance and ensure optimal charge control
and energy management. The goal is a dynamic, reliable and efficient
operation of the storage system in the applications mentioned.

„Im eLaB erforschen, testen und untersuchen
wir Batterien und Systeme flexibel, normgerecht und innovativ.“

// Dr. Harry Döring, Head of Department
E-mail: harry.doering@zsw-bw.de, Phone: +49 (0)731 95 30-506
56

„

“In the eLaB, we research, test, and analyse
batteries and systems in flexible, standardscompliant and innovative ways.”

// Sicherheitsaspekte von Lithium-Batterien für
Solar-Home-Speichersysteme

// Safety aspects of lithium batteries for solar home
storage systems

Mit der wachsenden Bedeutung von Solar-Home-Speichersystemen
bekommt die Verbreitung von Lithium-Batterien einen neuen
Stellenwert. Unter diesen Bedingungen ist die Eigensicherheit
derartiger Speicher von höchstem Interesse. Von der Installationsumgebung, der Zuverlässigkeit und Störsicherheit des Batterieund Energiemanagementsystems bis zur Eigensicherheit der
verbauten Batteriezellen sind alle Komponenten im Fokus, um
einen sicheren, störungs- und vor allem gefahrfreien Betrieb
dieser Speicher zu realisieren.

With the growing importance of solar home storage systems, the
spread of lithium batteries becomes more significant. Under
these conditions, the intrinsic safety of such storage systems is of
utmost importance. The installation environment, the reliability
and interference resistance of the battery and energy management system, and the intrinsic safety of the employed battery
cells are all key to realising the safe, failure-free and, above all, nonhazardous operation of these storage systems.

Im Rahmen der öffentlich geförderten Verbundprojekte „Sicherheit und Netzdienlichkeit von elektrischen Heimspeichersystemen
mit Lithium-Ionen-Batterien“ und „Sicherheit und Zuverlässigkeit von PV-Anlagen mit Speichersystemen“ werden sowohl die
Alterungseigenschaften von Batterien als auch das Missbrauchsverhalten von Batterien in Heimspeichern untersucht. Das Untersuchungsspektrum umfasst extreme elektrische und mechanische
Belastungen oder das Verhalten der Lithium-Batterien bei Überflutung. Derartige extreme Belastungen sollen natürlich im praktischen Betrieb von den Speichern ferngehalten werden; dennoch
können sie unter äußerst ungünstigen Bedingungen auftreten,
und dann sind Batterietechnologien, die über eine hohe Eigensicherheit verfügen, von besonderem Interesse.

The ageing characteristics of batteries and the abuse behaviour of
batteries in domestic storage systems are being examined as part
of the publicly funded joint projects “Safety and grid-subservience
of domestic electric storage systems with lithium-ion batteries”
and “Safety and reliability of PV systems with storage systems”.
The investigation includes aspects of extreme electrical and
mechanical loads, and the behaviour of lithium batteries in case
of flooding. Naturally, storage systems should be shielded from
such extreme loads in daily use but they nevertheless can occur
under extremely unfavourable conditions, and in these cases
battery technologies with high intrinsic safety are of particular
interest.

// IR-Aufnahme einer Lithium-Ionen-Zelle im Sicherheitstest.
// IR imaging of a lithium-ion cell during the safety test.

// Dr. Harry Döring
E-mail:	 harry.doering@zsw-bw.de
Phone:	 +49 (0)731 95 30-506
57

// komDRIVE – Einsatz von Elektrofahrzeugen im Güternahverkehr

// Spannungsgrenzen eines
Eisenphosphatsystems

komDRIVE – the use of electric vehicles for
short-haul transportation

Voltage limits of an iron phosphate system

// komDRIVE – Einsatz von Elektrofahrzeugen im
Güternahverkehr

// komDRIVE – the use of electric vehicles for light duty
transportation

// Elektrische Untersuchung von Zellen, Modulen
und Batteriesystemen

Das zum Jahresende 2015 erfolgreich abgeschlossene Projekt
komDRIVE befasste sich mit dem Elektrifizierungspotenzial
kommerzieller Kraftfahrzeugflotten im Wirtschaftsverkehr. Das
Vorhaben ging der zentralen Frage nach, unter welchen Bedingungen der Einsatz von Elektrofahrzeugen im Güternahverkehr
technisch, ökologisch und ökonomisch vorteilhaft ist und welche
Synergien sich zur Stromwirtschaft erzielen lassen.

The komDRIVE project, successfully completed at the end of last
year, dealt with the electrification potential of commercial vehicle
fleets in commercial transportation. The project focused on finding
the conditions under which the use of electric vehicles in light duty
transportation is technically, environmentally and economically
advantageous, and on analysing synergistic effects with the electricity industry.

Durch die Steuerung der Ladezeiten und -leistungen und ggf.
durch Rückspeisung können Fahrzeugbatterien positive und negative Leistung für das Netz bereitstellen. Durch die Netzkopplung der Elektrofahrzeugflotten ergeben sich für die Wirtschaftlichkeit der Fahrzeugbatterien neue Freiheitsgrade. Die damit
verbundenen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Batterien
wurden am ZSW test- und modellbasiert untersucht, indem Belastungsprofile von vier unterschiedlichen Nutzungsszenarien
an Batteriemodulen vergleichend getestet wurden und das resultierende Alterungsverhalten analysiert wurde.

By controlling the charging time and power and, if necessary, feeding energy back, vehicle batteries can deliver positive and negative
power to the grid. Additional degrees of freedom can result for
the economic viability of vehicle batteries by coupling electric vehicle fleets to the grid. The associated impact on battery life was
examined at ZSW on a test and model base by comparing and
testing load profiles from four different usage scenarios on battery modules, and then analysing the resulting ageing behaviour.

Zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften, der Leistungsfähigkeit und des Alterungsverhaltens von Batterien werden
Zellen, Module und Hochvoltspeicher Performance- und Lebensdauertests unterzogen. Durch das wachsende Maß an dezentralen
Energieerzeugern (PV-Heimanlagen) gewinnt die Speicherung
von Elektroenergie im dezentralen Bereich ebenfalls zunehmend
an Bedeutung. Der Untersuchung von derartigen Batteriespeichern
widmen sich derzeit zwei öffentlich geförderte Projekte. Neben
den Performancedaten werden im Rahmen des Projektes die Sicherheitsrisiken und die Alterung der Batteriespeicher untersucht.
Speicherbatterien auf der Basis von Lithium-Eisenphosphat (LFP)
werden häufig in derartigen Batteriespeichern verwendet, weil
man sich eine verbesserte Sicherheit erhofft.

0.96
0.94

L1
L2
L3
L4

0.92
0

100

200
300
Time/days

400

L1
L2
L3
L4

0.98
0.96
0.94
0.92
0.9

1.02

Cell_01 2-3.45V

1.00

Cell_04 2.8-3.45V

0.98

Cell_06 2-3.6V

0

100
200
300
Energy throughput/kWh

400

// Dr. Harry Döring
E-mail:	 harry.doering@zsw-bw.de
Phone:	 +49 (0)731 95 30-506

Cell_10 2-3.8V

0.94

Cell_12 2.8-3.8V

0.92

Cell_24 2.5-3.6V

0

0.5

1

1.5

2
2.5
Month

3

3.5

4

4.5

Capacity Ahdch C/3 Typ A
after storage @ different SOC and different temperatures

1.02

Cell_08 2.8-3.6V

0.96

0.9

The impact of the end-of-charge and end-of-discharge voltages
on the available capacity has been investigated for iron phosphate
systems. In the voltage range of 3.8 V to 2.0 V, it was only possible
to achieve a capacity increase of about 2% compared to standard
conditions. The question remains as to how tolerant the iron phosphate system is against these voltage limits. So the corresponding
cyclic service life tests were started, which are additionally accelerated by a slightly elevated temperature (40°C). So far, there
is no clearly demonstrated tendency in respect of the voltage’s
influence, i.e. the LFP system is largely tolerant of the extended
voltage limits. At the same time, the influence of temperature
and charge level on calendar life is being examined.

Capacity Ahdch C/3 @ RT Typ A
after cycling @ 40°C and different cut-off voltages

1.04

// Vergleichender Alterungstest von
Batteriemodulen für unterschiedliche
Belastungsszenarien der Fahrzeugflotten
mit Netzkopplung.
// Comparative ageing test of battery
modules for different load scenarios of
vehicle fleets with grid coupling.

To characterise the electrical properties, performance capabilities
and ageing behaviour of batteries, the cells, modules and highvoltage storage systems undergo performance and service life tests.
Along with the increasing use of decentral energy generation systems (domestic PV systems), the storage of electrical energy in
decentralised applications is becoming increasingly important as
well. Two publicly funded projects are currently researching such
battery storage systems. The project is examining safety risks
and the ageing behaviour of battery storage systems, in addition
to the measurement of performance data. Storage batteries based
on lithium iron phosphate (LFP) are frequently used in such battery
storage systems because it is hoped that they offer improved safety.

State of health relative

0.98

0.9

58

1
Capacity (normalised)

Capacity (normalised)

1

Der Einfluss der Ladeend- und der Entladeschluss-Spannung auf
die verfügbare Kapazität wurde für ein Eisenphosphatsystem untersucht. Im Spannungsbereich von 3,8 V bis 2,0 V ließ sich nur
ein Kapazitätsgewinn gegenüber den Standardbedingungen von
ca. 2 % erzielen. Andererseits ist es von Interesse, wie tolerant
das Eisenphosphatsystem gegenüber diesen Spannungsgrenzen
ist. Deshalb wurden entsprechende zyklische Lebensdaueruntersuchungen begonnen, die zusätzlich über eine erhöhte Temperatur
(40 °C) beschleunigt werden. Bisher kann noch keine eindeutige
Tendenz des Spannungseinflusses festgestellt werden, d. h. das
LFP-System verhält sich bisher weitestgehend tolerant gegenüber den erweiterten Spannungsgrenzen. Parallel dazu wird der
Einfluss der Temperatur und des Ladegrades auf die kalendarische Lebensdauer untersucht.

State of health relative

Die untersuchten Anwendungsfälle umfassen das ungesteuerte
und das gesteuerte Laden (L1 und L2, s. Abb. unten) sowie die zusätzliche Teilnahme der verteilten, aggregierten Batteriespeicher
der Fahrzeugflotten am Day-ahead-Markt und am Regelenergiemarkt (L3 und L4, s. Abb. unten). Interessanterweise lässt sich feststellen, dass die untersuchten Batterien in allen Szenarien über die
Zeit ein sehr ähnliches Alterungsveralten aufweisen (Abb. unten
links). Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Batterien bei
annähernd gleicher Alterung einen signifikant erhöhten Energiedurchsatz für die Teilnahme am Strommarkt bzw. für die Erbringung von Netzdienstleistungen erreichen. Voraussetzung dafür
ist, dass zusätzliche Alterungsmechanismen vor allem bei tiefen
Temperaturen vermieden werden.

The application cases studied include uncontrolled and controlled
loading (L1 and L2, see fig. below) as well as the additional participation of distributed, aggregated battery storage systems of
vehicle fleets in the day-ahead and balancing power markets
(L3 and L4, see fig. below). Interestingly, it can be noted that the
batteries studied exhibited a very similar ageing behaviour over
time in all scenarios (see fig. below left). It was also shown that
the batteries, with approximately the same level of ageing, achieve
a significantly increased energy throughput for participation in
the electricity market or the provision of ancillary services. The
requirement is that additional mechanisms of ageing, especially
at low temperatures, are avoided.

// Electrical examination of cells, modules and battery systems

5

1.01
1.00
Cell_19 40°C SoC10

0.99

Cell_14 30°C SoC50

0.98

Cell_18 40°C SoC50

0.97

Cell_16 40°C SoC100
Cell_22 50°C SoC50

0.96
0.95

0

// Einfluss der Spannungsgrenzen beim Zyklisieren auf das Kapazitätsverhalten (links).
Einfluss der Temperatur und des Ladezustandes auf das Kapazitätsverhalten bei Lagerung (rechts).
// Influence of voltage limits on capacity behaviour when cycling (left).
Influence of temperature and state of charge on capacity behaviour during storage (right).

1

2
Month

3

4

5

// Harald Brazel
E-mail:	 harald.brazel@zsw-bw.de
Phone:	 +49 (0)731 95 30-503
59

Nanostructured spherical
Ni particles (3-5 μm)
Electrochemically deposited Ni(OH) 2

// Brennstoffzellen Grundlagen (ECG)
Fuel Cell Fundamentals (ECG)

// Beschichtung von
Nickelelektroden

approx.
100 μm

Coating of nickel electrodes

Nickel foil

// Schematische Darstellung des Aufbaus von beschichteten Nickelelektroden.
// Schematic representation of coated nickel electrodes.

// Entwicklung neuartiger, wässrig-alkalischer
Hochleistungselektroden mit hohen Oberflächen

// Unsere Kernkompetenzen

// Our main focus

Technologien für neue Energiespeicherkonzepte mit
wässrigen Elektrolyten

Technologies for new energy storage concepts with aqueous
electrolytes

Die Brennstoffzellenentwicklung adressiert vor allem den Einsatz
im Automobil, der im Hinblick auf Kosten und Lastwechseldynamik
große Herausforderungen stellt. Stabilisierte Katalysatoren und
Elektroden sowie an die Anwendung angepasste Betriebsstrategien
und Hybridisierungskonzepte erlauben eine deutliche Steigerung
der Lebensdauer und eröffnen damit Einsatzfelder in der Energietechnik.

Our fuel cell development specifically addresses automotive
applications which pose a serious challenge in terms of costs and
load variation dynamics. Stabilised catalysts and electrodes as
well as adjusted operating strategies and hybridisation concepts
allow for a significant increase in service life, which opens up
areas of application in energy technology.

Für leistungsstarke Antriebe wird die Hybridisierung von Brennstoffzellen mit Hochleistungsspeichern entwickelt. Systeme mit
wässrig-alkalischen Elektrolyten zeichnen sich durch niedrigen
Innenwiderstand und hohe Sicherheit aus. Sinterelektroden aus
beschichteten, nanostrukturierten Nickelpartikeln bilden die Basis
für asymmetrische leistungsstarke Kondensatoren. Die Elektroden zeigen selbst bei einer Belastung mit 400 C keinen nennenswerten Kapazitätseinbruch. Nach demselben Grundprinzip können
dreidimensional strukturierte Elektroden für die Wasserelektrolyse im alkalischen Elektrolyten hergestellt werden.
In Zink-Luft-Zellen konnte die Zyklenfestigkeit der Zinkelektrode
durch neue Ableiterstrukturen gesteigert werden.
Unser Team verfügt über langjährige Erfahrung mit elektrochemischen Energiewandlern sowie über die entsprechende Infrastruktur, um neue technologische Ansätze schnell im Labor zu
verifizieren und demonstrieren.

Hybridisation of fuel cells with high-performance storage systems
is being pursued to develop powerful drives. Systems involving
aqueous alkaline electrolytes distinguish themselves with low
internal resistance and a high security level. Sintered electrodes
coated with nano-structured nickel particles form the basis of
powerful asymmetric capacitors. The electrodes do not show any
significant capacity drop even with a load of 400 C. Three-dimensional structured electrodes for water electrolysis in alkaline electrolytes can be produced according to the same fundamental
principle.
In zinc-air cells, the cyclic stability of the zinc electrode was raised
via new conductor structures.
Our team has many years of experience with electrochemical
energy converters and has the necessary infrastructure to verify
and demonstrate new technological approaches in the laboratory.

„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.“

// Dr. Ludwig Jörissen, Head of Department
E-mail: ludwig.joerissen@zsw-bw.de, Phone: +49 (0) 731 95 30-605
60

„

“Catalysts, electrodes and cells are key
requisites for the improvement of fuel cells
and other electrochemical power sources.
The concentration on aqueous electrolytes
allows high conductivity paired with maximum
safety.”

In der industriellen Praxis werden für wässrig-alkalische Zellen
im wesentlichen Nickelschaum- und Nickelsinterelektroden eingesetzt. Jedoch beschränken deren limitierte Oberflächen die
Leistungsfähigkeit der Elektroden. Prozesse, die an Grenzflächen
stattfinden, wie der Durchtritt von Elektronen vom Aktivmaterial
zum Ableiter, werden durch die Erhöhung der Oberfläche beschleunigt. Ein Ziel war es daher, oberflächenreiche Nickelelektroden aus nanoporösen Nickelpartikeln herzustellen.
Die Herstellprozedur der oberflächenreichen Nickelelektroden
wurde bewusst einfach gestaltet. Es wurde ein Beschichtungsprozess (Coating) entwickelt, der nanostrukturierte sphärische
Nickelpartikel auf Nickelfolien festhaftend beschichtet. Die hergestellten oberflächenreichen Nickelschichten haben eine Schichtdicke von etwa 100 µm und eine Porosität von 66 %. Die Oberfläche wird dadurch um den Faktor 78,5 im Vergleich zu planaren
Ableitern gesteigert.
Die oberflächenreichen Nickelelektroden wurden anschließend
mit Nickelhydroxid, Ni(OH) 2 , als Aktivmaterial beschichtet, um
die Belastbarkeit der oberflächenreichen Nickelelektrode zu prüfen.
Für die Proben mit 5 und 10 µm Ni(OH)2 Äquivalentschichtdicke
konnte im Bereich bis 400 mA cm-2 nahezu keine Abnahme der
Kapazität beobachtet werden. Diese Belastung entspricht etwa
200 A g-1 für die 5-µm-Ni(OH)2 -Schicht. Der Grenzwert der Stromdichte für diese zwei Proben konnte im aktuellen Experiment
nicht erreicht werden. Dieser überraschende Befund legt eine
sehr starke Wechselwirkung der 5- und 10-µm-Ni(OH) 2 -Schichten
mit den sphärischen Nickelpartikeln nahe.

// Development of novel, aqueous-alkaline high-performance
electrodes with large surface areas
In industrial practice, nickel foam and sintered nickel electrodes are
usually used for aqueous alkaline cells. However, their restricted
surfaces also limit the performance of the electrodes. Processes
that take place at interfaces, such as the passage of electrons from
the active material to the conductor, are accelerated by increasing
the surface area. One goal was therefore to produce large-surface
nickel electrodes using nanoporous nickel particles.
The production process for the large-surface nickel electrodes
was designed to be simple. A coating process was developed that
creates a deposition of nanostructured spherical nickel particles
that adheres to nickel foils. The resulting large-surface nickel layers have a thickness of about 100 μm and a porosity of 66%. The
surface area is increased by a factor of 78.5 compared to planar
conductors.
The large-surface nickel electrodes are then coated with nickel
hydroxide, Ni(OH) 2 , as an active material to test the resilience
of the large-surface nickel electrode. For samples with an equivalent Ni(OH) 2 layer thickness of 5 and 10 μm, they observed
almost no decrease in capacity in the range up to 400 mA cm-2 .
This load roughly corresponds to 200 A g-1 for the 5 μm thick
Ni(OH) 2 layer. The current density limit for these two samples
was not reached in the current experiment. This surprising finding suggests a very strong interaction of the 5 and 10 μm thick
Ni(OH) 2 layers with the spherical nickel particles.

// Elektronenmikroskopische Aufnahme von oberflächenreichen Nickelelektroden.
Beschichtung von nanostrukturierten Nickelpartikeln auf Nickelfolie.
// Electron microscope imaging of large-surface nickel electrodes.
Nanostructured nickel particle coating on nickel foil.

// Dr. Olaf Böse
E-mail: 	olaf.boese@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)731 95 30-615
61

// Weniger Platin in
PEM-Brennstoffzellen

// Doppelschichtkondensatoren – Powercaps

Less platinum in PEM fuel cells

Electric double-layer capacitors – Powercaps

// Katalysatoren auf stabilen Trägermaterialien
Platin und seine Legierungen ermöglichen nach wie vor die
höchsten Leistungsdichten in PolymerelektrolytmembranBrennstoffzellen (PEMFC). Zur Minimierung der Platinbeladung
werden Platin-Nanopartikel auf kohlebasierten Trägermaterialien
eingesetzt. Allerdings ist Kohlenstoff unter den Einsatzbedingungen der Brennstoffzellenkathode nicht stabil, was zu einer Leistungsdegradation der Elektrode führt. Aus diesem Grund werden
oxidationsstabile Katalysatorträger gesucht. Spezielle Kohlenstoffmodifikationen weisen hier Vorteile gegenüber den üblicherweise eingesetzten Rußen wie z. B. Vulcan XC 72 auf.
In diesem Vorhaben wurden verschiedene Verfahren zur Deposition von Platin-Nanopartikeln auf Kohlenstoffträgern im Hinblick
auf Reproduzierbarkeit und Metallpartikeldurchmesser untersucht.
Hierbei sollte ein möglichst reproduzierbares Verfahren, das zu
Nanopartikeln mit möglichst kleinem Durchmesser führt, identifiziert werden. Beim Vergleich von fünf verschiedenen Präparationsverfahren erwies sich ein modifiziertes Polyolverfahren als
optimal. Mit diesem Verfahren war es möglich, mit hoher Reproduzierbarkeit Platin-Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser
von 5 nm auf Vulcan-XC-72-Ruß abzuscheiden (s. Abb. unten).
Mit dem modifizierten Polyolverfahren wurden ebenfalls PlatinNanopartikel auf stabilisierten Kohlenstoffmaterialien abgeschieden.
Die so hergestellten Katalysatoren zeigten hohe Stabilität bei
der Potenzialzyklisierung sowie mit gewöhnlichen Rußträgern
vergleichbare massenspezifische Aktivitäten. Im Verlauf weiterer
Arbeiten werden zusätzlich anorganische Trägermaterialien untersucht.

// Vergleich der erreichten Partikelgröße und Reproduzierbarkeit
verschiedener Präparationsverfahren zur Abscheidung von PlatinNanopartikeln auf Vulcan-XC-72-Ruß.
// Comparison of the particle size achieved and the reproducibility of
different preparation methods for the deposition of platinum nanoparticles
on Vulcan XC-72 carbon powder.

// Catalysts on stable support materials
Platinum and its alloys still allow for the highest power densities
in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). To minimise
platinum loading, platinum nanoparticles are used on coal-based
support materials. However, carbon is not stable under the operating
conditions of the fuel cell cathode, which leads to a performance
degradation of the electrode. For this reason, oxidation-resistant
catalyst support materials are being researched. Special carbon
modifications have advantages over conventionally used carbon
powders like Vulcan XC 72.
In this project, various methods for the deposition of platinum
nano-particles on carbon support materials were examined in
terms of reproducibility and metal particle diameter. The aim was
to identify a reproducible process that leads to nanoparticles with
a diameter as small as possible. In a comparison of five different
preparation methods, one modified polyol process turned out to
be optimal. With this method, it was possible to deposit platinum
nanoparticles with a mean diameter of 5 nm on Vulcan XC-72 carbon
powder with high reproducibility (see fig. below).
Employing the modified polyol process, platinum nanoparticles
were also deposited on stabilised carbon materials. The catalysts
thus prepared exhibited a high stability during potential cyclisation
and mass-specific activities comparable with ordinary carbon powder
supports. In the course of further work, additional inorganic support
materials will be investigated.

// REM-Aufnahme von oberflächenreichen Nickelelektroden.
// SEM imaging of large-surface nickel electrodes.

// Materialentwicklung für positive und negative
wässrig-alkalische Hochleistungselektroden
Asymmetrische Doppelschichtkondensatoren (Powercaps) auf
Basis wässrig-alkalischer Elektrolyte zeigen neben der erhöhten
Sicherheit aufgrund des nicht brennbaren Elektrolyten den Vorteil hoher Leistungsfähigkeiten durch die hohen Leitfähigkeiten
der wässrigen Elektrolyte. Sie zeigen deutlich höhere Energiedichten
als die weit verbreiteten Superkondensatoren bei vergleichbarer
Belastbarkeit. Als Materialien für die positive Elektrode werden
industriell vorwiegend Nickelhydroxide eingesetzt. Als negative
Elektrodenmaterialien werden häufig Aktivkohlenstoffe mit verschiedenen Aktivmaterialien genutzt.
Im Rahmen des vom Land Baden-Württemberg geförderten
F&E-Projektes „FastStorage BW II“ konnte begonnen werden,
sowohl positive als auch negative Aktivmaterialien auf Basis
kostenoptimierter Materialien für asymmetrische Doppelschichtkondensatoren zu entwickeln. Für die positiven Materialien bieten
sich MnO2 -Modifikationen als alternative Werkstoffklasse an.
Manganoxide wurden elektrochemisch auf verschiedenen Trägern
abgeschieden. Die Untersuchungen der abgeschiedenen Schichten zeigten eine sehr gute Zyklisierbarkeit bei erhöhten Stromdichten. Im Verlauf des Projektes müssen aber die spezifischen
Kapazitäten der Materialien weiter erhöht werden, um für praktische Anwendungen relevante Größen zu erreichen. Auf der Seite
der Materialien für die negativen Elektroden wurden Verbindungen auf der Basis von Zink und Eisen untersucht. Hier erwiesen sich
überraschenderweise eisenbasierte Materialien (s. Abb. unten) als
sehr interessante Werkstoffe, die es im weiteren Projektverlauf
detaillierter zu untersuchen gilt.

15
18

10
5
0

12
5
FR

5
SC

Polyol

MP

9

10
5

I [mA]

U [V]

Reproducibility

-0.6

0
FR

IPA-FR

MP

// Dr. Ludwig Jörissen
E-mail:	 ludwig.joerissen@zsw-bw.de
Phone:	 +49(0)731 95 30-605

As part of the Federal State of Baden-Württemberg funded
R&D project “FastStorage BW II”, it was possible to begin work on
developing both positive and negative active materials based on
cost-optimised materials for asymmetric double-layer capacitors.
MnO2 modifications as an alternative class of materials lend
themselves to use as positive materials. Manganese oxides were
electrochemically deposited on support materials. The examination
of deposited layers revealed a very good cyclability at elevated
currents but the specific capacities of the materials have to be
further increased in the course of the project in order to achieve
magnitudes relevant to practical application. Compounds based
on zinc and iron were investigated for the negative electrode material side. Surprisingly, iron-based materials (see fig. below) proved
to be very interesting and will have to be looked into in more detail
as the project progresses.

Fe(0)-> Fe(II)

-2
-4

-1.0

-6

-1.2

-8

// Zyklisierbarkeit eisenbasierter Materialien für
asymmetrische Doppelschichtkondensatoren.
// Cyclability of iron-based materials for
asymmetric double-layer capacitors.

Fe(II)-> Fe(III)

0

-0.8

Time

FR: formaldehyde reduction, SC: sulfito complex process, MP: modified polyol process,
IPA FR: formaldehyde reduction in isopropanol.

62

2

-0.4

Particle size of Pt [nm]

Average Pt-particle size [nm]

20

4

LAD 0.2C
ELA 0.5C

-0.2

Comparison of the synthesized methods

Asymmetric double-layer capacitors (Powercaps) based on aqueous
alkaline electrolytes offer increased safety due to the non-flammable
electrolyte along with the advantage of high performance capabilities owed to the high conductivity of aqueous electrolytes. They
exhibit significantly higher energy densities than the wide-spread
supercapacitors but with a comparable loading capacity. Nickel
hydroxides are usually used by the industry to manufacture the
positive electrode. Common negative electrode materials include
activated carbon with different active materials.

6

0.0

// Das modifizierte Polyolverfahren ergab eine mittlere
Partikelgröße von 5 nm mit hoher Reproduzierbarkeit.
// The modified polyol method produced a mean particle
size of 5 nm with high reproducibility.

// Material development for positive and negative
aqueous alkaline high-performance electrodes

Fe(III)-> Fe(II)

1 cm2
0.18 mAh
5 mV s-1

-1.2 -1.1 -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4

U [V] vs. Hg/HgO
// Zyklovoltammogramm eisenbasierter Materialien
für asymmetrische Doppelschichtkondensatoren.
// Cyclovoltammetric measurement of iron-based
materials for asymmetric double-layer capacitors.

// Dr. Olaf Böse
E-mail: 	olaf.boese@zsw-bw.de
Phone: 	+49(0)731 95 30-615
63

// Brennstoffzellen Stacks (ECB)
Fuel Cell Stacks (ECB)

// Prognose und Betriebsmanagement stationärer PEMFC-Systeme
Forecasting and operational management of
stationary PEMFC systems

// Our main focus

Das Fachgebiet ist spezialisiert auf die Entwicklung von PolymerElektrolyt-Membran-Brennstoffzellen(PEMFC)-Technologie.
Kernkompetenzen sind die Konstruktion, Charakterisierung und
Simulation von Brennstoffzellen und Komponenten sowie der
Bau von Prototypen und die Entwicklung von Fertigungs- und
Prüftechnologien.

The research department is specialised in the development of
polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) technology. Its
core areas of expertise are the construction, characterisation and
simulation of fuel cells and components as well as the construction of prototypes and the development of production and test
technologies.

Der Leistungsbereich unserer Entwicklungen von PEMFC-Komponenten und -Stacks fängt an bei wenigen Watt und erstreckt
sich bis zu 100 kWel. Wir optimieren Brennstoffzellen auf Leistung,
Lebensdauer, Wirkungsgrad und Kompaktheit. Das umfasst u. a.
die Untersuchung und Prognose von Alterungsprozessen und die
Fehleranalyse. Weitere Schwerpunkte sind die Entwicklung von
Herstelltechniken und die Charakterisierung von PEMFC-Komponenten, -Zellen und -Stacks sowie automobiltaugliche Brennstoffzellen. Beispielsweise können Gasdiffusionslagen (GDL) sowohl hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit als auch ihrer
Struktur analysiert werden.

The power output range of our PEMFC component and stack developments starts at a few watts and extends up to 100 kWel. We
optimise the output, service life, efficiency and compactness of
fuel cells. This also involves researching and estimating ageing
processes and error analyses. We also focus on developing manufacturing technology and characterising PEMFC components,
cells and stacks and fuel cells suitable for vehicles. For example,
gas diffusion layers (GDLs) can be analysed both in terms of their
surface finish and structure.

Strukturen von Komponenten und Betriebsbedingungen können
mittels Modellierung und Simulation der Prozesse in Brennstoffzellen zügig optimiert werden. Das schließt auch die Entwicklung
und Etablierung völlig neuer Ansätze mittels modernster Simulationssoftware ein. Die Verifikation der Simulationsergebnisse erfolgt an aussagekräftiger Hardware und mit realitätsnahen Experimenten. Beispielsweise wird das Wassermanagement innerhalb
der Gasdiffusionselektroden und Gasverteilerstrukturen mittels
einer µ-CT-Anlage validiert. Mit dieser Anlage können GDLStrukturen auch unter komprimierten Zuständen einschließlich
ihres Wasserhaushalts untersucht werden. Ergänzend verfügen
wir über gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)
entwickelte und durchgeführte Verfahren im Bereich der Neutronenund Synchrotronradiographie und -tomographie zur Visualisierung von Komponenten, Zellen und Stacks. Diese Technologien
ermöglichen zeitliche und räumliche Auflösungen, die zu den
weltweit besten gehören.

Modelling and simulating processes in fuel cells enables us to
rapidly optimise component structures and operating conditions.
This also includes the development and establishment of completely new approaches using advanced simulation software. The
simulation results are verified using meaningful hardware and
conducting experiments under realistic conditions. For example,
the water management within the gas diffusion electrodes and
gas distribution layers is validated using an μ-CT system. This
system also enables GDL structures, including their water content, to be investigated under compression. In order to visualise
components, cells and stacks, we also use processes involving
neutron and synchrotron radiography and tomography that we
have jointly developed and conducted together with the Helmholtz Centre Berlin (HZB). These technologies enable temporal
and spatial resolutions that are among the best in the world.

„Im Mittelpunkt unserer Arbeit steht die
Optimierung von Brennstoffzellen mit allen
ihren Komponenten in Bezug auf Design,
Fertigung, Leistung und Lebensdauer.“

// Dr. Joachim Scholta, Head of Department
E-mail: joachim.scholta@zsw-bw.de, Phone: +49(0)731 95 30-206
64

„

“Our work focuses on optimising fuel cells
with all their components in terms of design,
manufacturing, output, and service life.”

// Prognose und Betriebsmanagement von stationären
PEMFC-Systemen mit dem Ziel einer erhöhten Zuverlässigkeit
und Wirtschaftlichkeit

// Forecasting and operational management of stationary
PEMFC systems with the aim of increasing the reliability and
economic feasibility

Die Verwendung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) in stationären Blockheizkraftwerken ermöglicht
eine emissionsarme Kraft-Wärme-Kopplung mit vergleichsweise
hohem Wirkungsgrad, auch unter Einsatz von Reformat anstelle
von reinem Wasserstoff. Das Vorhandensein von Kohlenmonoxid
(CO), das ein Nebenprodukt der Reformierung darstellt, verringert
jedoch die Lebensdauer und Leistung der PEMFC. Durch eine gezielte Diagnose des Betriebszustands verbunden mit der Einleitung
entsprechender Steuerungsmaßnahmen sowie einer Prognose
der verbleibenden Lebensdauer kann der Betrieb stationärer Systeme optimiert werden.

The use of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) in
stationary CHP plants enables low-emission cogeneration with
relatively high efficiency, including the use of reformates instead
of pure hydrogen. However, the presence of carbon monoxide
(CO), which is a by-product of the reformation process, reduces
the service life and performance of PEMFCs. The operation of
stationary systems can be optimised through a targeted diagnosis
of the operating state combined with the introduction of appropriate control measures and forecasts of the remaining service
life.

Im Rahmen des EU-Projektes SAPPHIRE (GA 325275) wurde der
Einfluss einer gezielten Alterung sowohl im Dauerbetrieb als auch
unter verschärften Stressbedingungen parallel in verschiedenen
europäischen Laboren untersucht. Sowohl der stationäre Betrieb
als auch der Betrieb unter beschleunigter Zellalterung wurde hier
analysiert (s. Abb. unten). Gleichzeitig erfolgte eine Diagnose
des jeweils aktuellen Alterungszustands u. a. mittels Impedanzspektroskopie, Cyclovoltammetrie und der Aufnahme von Polarisationskurven. Durch die Kombination verschiedenster Diagnosemethoden wurden gemeinsam mit den Projektpartnern Methoden
entwickelt, um den zukünftigen Betriebszustand von Brennstoffzellen vorauszusagen. Des Weiteren wurde der Einfluss von CO
auf die Leistung der PEMFC bei unterschiedlichen Stromdichten
analysiert. Der zeitliche Verlauf der Spannungen bei gegebener
Stromdichte wurde als Indikator für die Katalysatorvergiftung
herangezogen. Anhand der Transienten wurde ein Regler entwickelt,
der Leistungsabfälle mittels minimaler Zugabe von Luft zum
Anodengasstrom kompensiert.

As part of the SAPPHIRE EU project (GA 325275), the impact of
targeted ageing both in continuous operation and under severe
stress conditions was studied in parallel in different European laboratories. Both the stationary operation and the operation with
accelerated ageing of the cells was analysed (see figure below).
At the same time, the respective current ageing state was also
diagnosed using, among others, impedance spectroscopy, cyclic
voltammetry and the inclusion of polarisation curves. By combining different diagnostic methods, methods were developed
in collaboration with the project partners to predict the future
operating state of fuel cells. In addition, the influence of CO on
the performance of PEMFCs was analysed at different current
densities. The temporal evolution of the voltages at a given current
density was used as an indicator for the catalyst poisoning. Using
the transients, a controller was developed to compensate for the
performance degradation by adding minimal amounts of air to
the anode gas flow.

// Untersuchung der Katalysatorvergiftung an
PEMFC. Links: Zeitlicher Spannungsabfall bei
0,35 A/cm² mit 4 ppm CO. Rechts: Einstellungszeit
des Spannungsabfalls nach CO-Zugabe in Abhängigkeit von der Stromdichte und dem CO-Anteil.

Duration of Voltage Drop [h]

// Unsere Kernkompetenzen

CO Concentration [ppm]

// Investigating the catalyst poisoning of PEMFCs.
Left: temporal voltage drop at 0.35 A/cm² with
4 ppm CO. Right: Time the voltage drop occurs
after adding CO as a function of the current density
and the CO fraction.
Current
2
Density [A/cm ]

// Dr. Merle Klages
E-mail:	 merle.klages@zsw-bw.de
Phone:	 +49(0)731 95 30-209
65

Bar

Channel

Water

// Multiskalensimulationen

// Simulation von Mikrostrukturen in Komponenten

Multiscale simulations

Simulating microstructures in components
GDL structure

// Multiskalensimulationen zur realistischen Beschreibung des
Gastransports in einer Brennstoffzelle
Vollzell-CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) erlauben
eine realistische Beschreibung des Zellbetriebs einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, indem sie den Gas- und Wärmetransport,
die elektrochemische Reaktion und den Wasserhaushalt als miteinander verknüpfte Prozesse berücksichtigen und die resultierende
elektrische Leistung vorhersagen. Hierbei werden lokale Unterschiede über die Fläche des Gasverteilerfeldes bei Wahl eines genügend feinen Gitters voll berücksichtigt. Die meisten Modelle
beschreiben die porösen Medien in der Zelle, wie die Gasdiffusionslage (GDL), nur integral und homogen, d. h. lokale Unterschiede in
Struktur und Dichte, wie sie etwa unter den Gasverteilerstegen
und den Kanälen auftreten, werden ignoriert. Dasselbe gilt für die
lokal sehr unterschiedliche Verteilung des kathodenseitig entstehenden Wassers, das die GDL teilweise blockieren kann.
Am ZSW wird ein Multiskalenansatz entwickelt, bei dem in
Schritt 1 (s. Abb. unten) die Struktur der GDL unter Berücksichtigung der Verpressung mittels Röntgenstrahlen ermittelt wird.
Daneben wird eine gewöhnliche Vollzellsimulation zur Ermittlung
der Temperatur- und Feuchteverteilung in der Zelle durchgeführt.
Die Daten werden in Schritt 2 benutzt, um durch Monte-CarloSimulation die Verteilung des Flüssigwassers in der lokalen Struktur
auf der Sub-Millimeter-Skala zu bestimmen. Mit diesen Eingangsdaten kann anschließend auf derselben Struktur die lokale Permeabilität ohne und mit Wasser bestimmt werden (Schritt 3). Diese
lokalen Permeabilitätsdaten werden dann für eine weitere Vollzellsimulation verwendet, bei der die GDL in geeignete Segmente
aufgeteilt wird (Schritt 4). Erste Resultate zeigen einen wesentlichen Einfluss der lokalen Verhältnisse auf das Verhalten der Zelle.

// Feststoffstruktur aus (1), Flüssigwasserverteilung aus (2) als Eingangsdaten für (3). Resultierende Luftdruckverteilung kathodenseitig (aus (3)).
// Solid structure from (1), liquid water distribution from (2) as input data
for (3). Resulting air pressure distribution on the cathode side (from (3)).

// Multiscale simulations for realistically describing the
gas transport in fuel cells
Whole-cell CFD simulations (Computational Fluid Dynamics) enable
realistic descriptions of the cellular operation of low-temperature
fuel cells by taking into account the gas and heat transport, electrochemical reactions and the water balance as interrelated processes,
and by forecasting the resulting electrical output. Here, localised
differences across the surface of the gas distribution field are fully
considered when selecting a sufficiently fine grid. Most models only
describe the porous media in the cell, such as the gas diffusion
layer (GDL), integrally and homogeneously, i.e. local differences
in the structure and density, such as occur under the gas distribution
bars and channels, are ignored. The same applies to the locally
very different distribution of the water that forms on the cathode
side, which the GDL can partially block.
At ZSW, a multi-scale approach is being developed where, in step 1
(see fig. below), the structure of the GDL is determined taking
into account the compression caused by X-rays. In addition, a conventional full-cell simulation for determining the temperature and
humidity distribution is also carried out in the cell. In step 2, the
data is used to determine the distribution of liquid water in the
local structure on a sub-millimetre scale by using Monte Carlo
simulations. This input data then enables the local permeability
with and without water to be determined on the same structure
(step 3). This local permeability data is then used for a further
full-cell simulation where the GDL is divided into suitable segments (step 4). The initial results indicate that the local conditions significantly influence the behaviour of the cell.

// Bestimmung der Wassersättigung von Gasdiffusionslagen
zur Simulationsoptimierung
Zur Verbesserung des Gas- und Wassertransports in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) ist die Kenntnis
des Wassersättigungsverhaltens der porösen Materialien, speziell
der Gasdiffusionslage (GDL), von entscheidender Bedeutung.
Hohe Wassersättigungen führen zu einem verminderten Gastransport zur katalytisch aktiven Schicht und vermindern so die
Leistung der Brennstoffzelle. Es ist zu erwarten, dass bei unterschiedlicher Faserstruktur der GDL sich auch der Sättigungsanteil
und die Wasserverteilung ändern.
In CFD-Brennstoffzellensimulationen (Computational Fluid Dynamics) wird diese Unterscheidung bislang jedoch nicht berücksichtigt. Anhand von tomographischen Untersuchungen basierend
auf Röntgenstrahlen kann die Wassersättigung von GDLs gemessen und so der Einfluss einer unterschiedlichen Faserstruktur ermittelt werden. Dazu wurde ein spezieller Probenhalter entwickelt,
mit dem die Wassersättigung in Abhängigkeit vom angelegten
Wasserdruck gemessen werden kann (s. Abb. oben). Mit diesen
Daten kann dann eine GDL-spezifische Funktion ermittelt werden,
die in den CFD-Simulationen berücksichtigt wird.
Anhand einer Ein-Kanal-Simulation konnte gezeigt werden, dass sich
das Verhalten einer kommerziellen GDL stark von den bisherigen
Standardwerten unterscheidet. Insbesondere im Stegbereich ist
die ermittelte Wassersättigung mit der GDL-spezifischen Funktion
um ein Vielfaches höher, als mit den Standardwerten vorhergesagt
wurde (s. Abb. unten). Mit der neu entwickelten Methode ist es
damit möglich, die Wassersättigung GDL-spezifisch zu bestimmen und damit das Simulationsergebnis zu verbessern.

// Messaufbau zur Bestimmung der Wassersättigung
von GDLs mittels Röntgenstrahlen.
// X-ray measurement of water saturation in GDL.

// Determining the water saturation of gas diffusion layers
for optimising simulations
To improve the gas and water transport in polymer electrolyte
membrane fuel cells (PEMFCs), it is essential to have knowledge of
the water-saturation behaviour of the porous materials, especially
the gas diffusion layer (GDL). High water saturations reduce the
gas transported to the catalytically active layer and thus reduce
the performance of the fuel cell. The saturation component and
the water distribution are also likely to change with different fibre
structures in the GDL.
However, this distinction has not yet been taken into consideration
in CFD (Computational Fluid Dynamics) fuel cell simulations. Using
tomographic investigations based on X-rays, the water saturation
of GDLs can be measured and thus the influence of different fibre
structures determined. For this purpose, a special sample holder
has been developed with which the water saturation can be measured as a function of the applied water pressure (see fig. above). This
data can then be used to determine a GDL-specific function, which
is taken into account in the CFD simulation.
Using a single-channel simulation, it has been possible to show
that the behaviour of a commercial GDL considerably varies from
the current default values. In particular, the water saturation in
the rib area determined with the GDL-specific function is considerably higher than that predicted using the default values (see fig.
below). The newly developed method therefore makes it possible
to determine the water saturation GDL-specifically, and thus improve the simulation results.

Idea of the multi-scale model approach

// Zusammenwirken der Simulationsmethoden
auf mehreren Längenskalen.
// Interaction of the simulation methods on
multiple length scales.

// Dr. Florian Wilhelm
E-mail:	 florian.wilhelm@zsw-bw.de
Phone:	 +49(0)731 95 30-203
66

// Vergleich der Wassersättigungsverteilung unter Berücksichtigung von GDL-Standardparametern und individuell
ermittelten Parametern für eine kommerzielle GDL.
// Comparison of the water saturation distribution taking
into account GDL default parameters and individually
determined parameters for a commercial GDL.

// Dr. Jan Haußmann
E-mail:	 jan.haussmann@zsw-bw.de
Phone:	 +49(0)731 95 30-209
67

// Brennstoffzellen Systeme (ECS)
Fuel Cell Systems (ECS)

// Ulmer H2-Tankstelle
Hydrogen filling station in Ulm, Germany

// Unsere Kernkompetenzen

// Our main focus

// Begleitforschung zu Wasserstoff- und Betankungsqualität

// Accompanying research on hydrogen and fuelling quality

Brennstoffzellentests
Wir betreiben ein Testzentrum mit 25 vollautomatisierten Testständen von 0,1 bis 120 kW zur kosteneffizienten Rund-um-dieUhr-Charakterisierung von Brennstoffzellenstacks, -systemen
und -systemkomponenten. Eine umfangreiche Analytik ermöglicht
die detaillierte Bewertung von Alterungsvorgängen und ausführlichen Fehleranalysen. Seit Sommer 2012 können Brennstoffzellen
bis 100 kWel auch nach der DIN EN 62282-2 geprüft werden. Unsere
Industriepartner nutzen streng vertraulich durchgeführte Tests
und das langjährige Know-how unserer Experten, um ihre Produkte besser zu verstehen, weiterzuentwickeln und deren Sicherheit nachzuweisen. In öffentlich geförderten Projekten werden
wertvolle Daten und Erfahrungen generiert, die der Allgemeinheit zur Verfügung stehen.

Fuel cell tests
In order to characterise fuel cell stacks, systems and system components cost-efficiently in 24/7 operation, we run a test centre
with 25 fully automated test benches with 0.1 to 120 kW. Different
analysis systems permit detailed assessments of ageing processes
and failure reports. Since the summer of 2012, fuel cells of up to
100 kWel were tested in accordance with DIN EN 62282-2. Our
industry partners employ strictly confidential tests and leverage
the long-standing know-how of our experts to better understand
their products, develop them and demonstrate their safety. Valuable data and experience are gathered in publicly funded projects,
which are also available to the public.

Wasserstoff (H2) als Energieträger ist regenerativ in großen
Mengen wirtschaftlich herstellbar und eignet sich u. a. als Kraftstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Diese Fahrzeuge zeichnen
sich aufgrund des hohen Energieinhaltes von H2 durch hohe Reichweiten (400–700 km) sowie durch einen Betankungsvorgang
(Druckgas) innerhalb weniger Minuten aus. In Deutschland sind
Brennstoffzellenfahrzeuge auf dem Vormarsch, erste Modelle
sind seit 2015 auf dem Markt. Die insgesamt 20 Wasserstofftankstellen im Raum Hamburg, Berlin und Stuttgart werden bundesweit bis Anfang 2016 auf 50 Zapfsäulen ausgebaut. Eine davon
kommt ans ZSW nach Ulm. Dabei unterstützt das Fachgebiet
ECS die Einführung der neuen Betankungstechnologie bei mehreren Themen:

Hydrogen (H2) as an energy source is renewable, can be produced
economically in large quantities and is, among other things, suitable as a fuel for fuel cell vehicles. Due to the high energy content
of H2, fuel cell vehicles are characterised by long ranges (400-700 km)
and their refuelling method (compressed gas) that only takes a
few minutes. In Germany, fuel cell vehicles are on the rise, and first
models have been on the market since 2015. A total of 20 hydrogen
filling stations are located around Hamburg, Berlin and Stuttgart,
with 30 more to be built by early 2016. One of these will be at ZSW,
in Ulm. The ECS department is supporting the implementation of
the new refuelling technology in several areas:

Brennstoffzellensysteme
Langjährige Erfahrung bildet unsere Basis für die Entwicklung
von Systemen für die unterschiedlichsten Anwendungen: von
wenigen Watt bis 100 kW, von stationären Anlagen über Bordstrom- und Notstromversorgungen bis hin zu Fahrzeugsystemen.
Unser Leistungsspektrum umfasst komplette Prototypen einschließlich der Steuerung und Hybridisierung mit Batterien und
DC/AC-Wandlern. Wir unterstützen Industriepartner bei der
Entwicklung und Erprobung von Systemkomponenten, bei
Sicherheitsbewertungen, bei Packaging-Studien und bei der
Produktzertifizierung.
Reformer für flüssige Brennstoffe
Flüssige Brennstoffe wie Methanol sind aufgrund ihres hohen
Energieinhaltes und der einfachen Speicherung von großem
Interesse. Wir entwickeln hochkompakte Komponenten für
die Reformierung dieser Brennstoffe und die Aufbereitung der
Edukte und wir bauen komplette Reformersysteme.

Fuel cell systems
Our many years of experience form the basis for the development
of various systems, ranging from a few watts to 100 kW, and from
stationary systems and on-board and emergency power supplies to
automotive systems. Our scope of services comprises complete
prototypes, including their control and hybridisation with batteries
and DC/AC converters. We support industry partners by developing
and testing system components, and carrying out safety assessments as well as packaging studies and product certification.
Reformer for liquid fuels
There is considerable interest in liquid fuels like methanol because
of their high energy content and easy storage. We develop highly
compact components for reforming these fuels and preparing the
reactants and we also build complete reforming systems.

„Langfristig sind die weltweiten Klimaziele ohne Wasserstofftechnologien nicht
zu erreichen. Nun müssen wir lernen,
den Wasserstoff in unseren Alltag zu
integrieren.“

// Dr. Alexander Kabza, Head of Department
E-mail: alexander.kabza@zsw-bw.de, Phone: +49(0)731 95 30-832
68

„

“In the long run, global climate goals will not
be achievable without hydrogen technology.
Now we have to learn how to integrate hydrogen into our daily life.”

Abnahme von Wasserstofftankstellen
Wasserstofftankstellen müssen vor ihrer Erstinbetriebnahme abgenommen und auch danach regelmäßig überprüft werden. Am
ZSW wurde dafür ein zugelassenes Gerät zur Abnahme von Wasserstofftankstellen nach der Richtlinie SAE J2601 entwickelt.
Bestimmung der Qualität von Wasserstoffproben
Bei der Herstellung und dem Transport von Wasserstoff können
Verunreinigungen, beispielsweise durch Kohlenmonoxid, auftreten, die die Brennstoffzellen schädigen. Die zulässigen Grenzwerte
sind u. a. in der Norm SAE J2719 definiert. Am ZSW wird gegenwärtig ein Gerätepark zur Analyse dieser Bestandteile in Wasserstoff aufgebaut.
Brennstoffzellen als Wasserstoffqualitätssensor
In elektrochemischen Schlüsselversuchen wurde bereits die Tauglichkeit spezieller Brennstoffzellen als Wasserstoffqualitätssensor
nachgewiesen. Dieses Prinzip kann als Onlinemonitor für die kostengünstige Überwachung der Wasserstoffqualität an Tank- und
Abfüllstellen Anwendung finden.

Approval of hydrogen filling stations
Prior to initial commissioning, hydrogen filling stations need
to be approved, with periodic follow-up inspections. To this end,
ZSW developed an approved device for inspecting hydrogen
filling stations pursuant to Directive SAE J2601.
Determining the quality of hydrogen samples
When producing and transporting hydrogen, impurities, such as
carbon monoxide, can occur that may damage the fuel cell. The
permissible limits are specified by the SAE J2719 standard. An
equipment fleet for the analysis of these substances in hydrogen
is currently being built at ZSW.
Fuel cells as a hydrogen quality sensor
In electrochemical key tests, the suitability of special fuel cells
to measure the hydrogen quality had already been proven. This
principle could be implemented as an online monitor for the costeffective monitoring of hydrogen quality at petrol stations and
filling points.

// Analyse der Gaszusammensetzung einer
exemplarischen Wasserstoffprobe.
// Analysis of the gas composition of a
showcase hydrogen sample.

// Markus Jenne
E-mail:	 markus.jenne@zsw-bw.de
Phone:	 +49(0)731 95 30-821
69

// Öffentlichkeitsarbeit
Public Relations

// Europaminister Friedrich (2. v. l.) lässt sich von ZSW-Vorstand Tillmetz (l.) und FPL-Leiter Brugger (r.)
die Forschungsplattform für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien in Ulm zeigen.
// Minister for Europe Friedrich (2 nd from left) receives a tour of Ulm’s Research Platform for the
Production of Lithium-Ion Batteries from ZSW Executive Tillmetz (left) and FPL Head Brugger (right).

// Öffentlichkeitsarbeit
Public Relations

Unsere Themen sind komplex. Darum informieren wir Wirtschaft, Politik und Gesellschaft nachvollziehbar und neutral.
Denn nur wer eine neue Technologie versteht und bewerten
kann, wird ihre Umsetzung in die Praxis unterstützen und so
dazu beitragen, die Energieversorgung von morgen zu gestalten.
Der folgende Rückblick vermittelt einen Eindruck von unseren
Veranstaltungen und unserer Medienarbeit des Jahres 2015.

The issues we tackle are complex. This is why we deliver
transparent, independent information to the economic,
political and social arenas. Our reports facilitate understanding and evaluation of new technologies, which leads to
support for their implementation and a greener energy
supply for the future. The following review provides you with
an insight into our events and public relations work in 2015.

// Bundesrats- und Europaminister Peter Friedrich zu Gast in Ulm
Der baden-württembergische Minister für den Bundesrat, Europa
und internationale Angelegenheiten, Peter Friedrich, besuchte am
6. August das Batteriesicherheitstestzentrum und die Forschungsplattform für die industrielle Produktion von Lithium-Ionen-Zellen
(FPL) am Ulmer ZSW. Anlass seines Besuchs war der Austausch
mit den ZSW-Vorständen Prof. Dr. Werner Tillmetz und Prof. Dr.
Frithjof Staiß sowie weiteren Wissenschaftlern über aktuelle Entwicklungstrends bei Lithium-Ionen-Batterien in Deutschland und
im internationalen Wettbewerb. Zum Kern der Diskussion zählten
Strategien und Handlungsoptionen zur Etablierung einer Zellproduktion und deren positive Auswirkungen auf die Wertschöpfung
und neue Arbeitsplätze in Baden-Württemberg.

// Minister of the German Council and Europe Peter Friedrich
visits Ulm
On 6 August, Baden-Württemberg’s Minister for the German
Federal Council, Europe and International Affairs, Peter Friedrich,
visited the Battery Safety Test Centre and the Research Platform
for the Industrial Production of Lithium-Ion Cells (FPL) at ZSW in
Ulm. The occasion for his visit was a meeting with ZSW executives
Prof. Dr Werner Tillmetz and Prof. Dr Frithjof Staiß and other
scientists on the latest development trends in lithium-ion batteries
in Germany and international competition. The debate focused
on strategies and courses of action to establish cell production
and its positive impact on added value and new jobs in BadenWürttemberg.

// Energiepolitisches Forum: die Folgen der Weltklimakonferenz
für die Landespolitik
Die auf der Weltklimakonferenz in Paris formulierten Vorgaben
betreffen auch die Bundesländer und Kommunen. Welche Herausforderungen damit verbunden sind, beleuchtete das „Energiepolitische Forum“ im Stuttgarter Haus der Geschichte. Dazu hatten die
Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg (KEA) und
das ZSW eingeladen. Prof. Dr. Frithjof Staiß und KEA-Geschäftsführer Dr. Volker Kienzlen erläuterten die Zusammenhänge in einem gemeinsamen Impulsvortrag und diskutierten anschließend
mit den energiepolitischen Sprechern der Landtagsfraktionen und
dem Publikum. Im voll besetzten Otto-Borst-Saal entwickelte sich

// Energy Policy Forum: the consequences of the Global
Climate Conference for state policy
The demands stated at the Global Climate Conference in Paris
affect the Federal States and municipalities. The “Energy Policy
Forum” in Stuttgart’s “Haus der Geschichte” looked at the challenges which result from this. Baden-Württemberg’s Climate
Protection and Energy Agency (KEA) and ZSW hosted the event.
Prof. Dr Frithjof Staiß and KEA Managing Director Dr Volker
Kienzlen explained the context in a joint keynote speech. They
then discussed the topic with the energy policy spokespeople
of the state parliamentary parties and the audience. A lively
discussion on the role and responsibility of politicians and citizens

72

eine lebhaft geführte Diskussion über die Rolle und Verantwortung von Politik und Bürgern bei der Energiewende. Zuvor hatte
Ministerialdirektor Helmfried Meinel vom baden-württembergischen Umweltministerium ein Grußwort gesprochen.

in the energy transition developed in the packed Otto Borst Hall.
Before this, Helmfried Meinel, Director General of the Ministry
of the Environment of Baden-Württemberg, opened the event
with a speech.

// Verleihung „Leitstern Energieeffizienz“ Baden-Württemberg
Aus dem diesjährigen Wettbewerb „Leitstern Energieeffizienz“
ist der Landkreis Böblingen als Sieger hervorgegangen, nachdem
er im vorigen Jahr den dritten Platz belegt hatte. Zweiter wurde
2015 erneut der Rems-Murr-Kreis, Dritter der Zollernalbkreis.
Entscheidend für die Bewertung der Kreise im Wettbewerb sind
die Maßnahmen und Aktivitäten, die sie derzeit bei der Energieeffizienz umsetzen, und die damit erzielten Erfolge. Dafür hat das
Stuttgarter ZSW einen Kriterienkatalog entwickelt. Neben der
Bewertung und Auszeichnung einzelner herausragender Kreise
dient der „Leitstern Energieeffizienz“ vor allem dazu, erfolgreiche
Effizienzstrategien und -modelle für andere zugänglich zu machen.

// Presentation of the “Guiding Star in Energy Efficiency”
award in Baden-Württemberg
The District of Boeblingen emerged as the winner of this year’s
“Guiding Star in Energy Efficiency” competition, up from third in
last year’s event. In 2015, second place again went to the RemsMurr District, and third to the Zollern-alb District. The winners
are chosen from the districts in the competition based on the
measures and activities they currently implement for energy efficiency and the successes achieved with this. ZSW in Stuttgart
developed a catalogue of criteria to help evaluate this. Besides
evaluation and recognition of outstanding individual districts, the
“Guiding Star in Energy Efficiency” award primarily serves to make
successful efficiency strategies and models accessible to others.

// Auf dem Podium diskutierten die Abgeordneten Johannes Stober (SPD),
Daniel Renkonen (Grüne) und Paul Nemeth (CDU) sowie Moderator Peter
Heilbrunner mit Volker Kienzlen (KEA) und Frithjof Staiß (ZSW) (v.l.n.r.).
// On the podium, the parliamentarians Johannes Stober (SPD), Daniel
Renkonen (Grüne) and Paul Nemeth (CDU) as well as presenter Peter Heilbrunner
engaged in a lively debate with Volker Kienzlen (KEA) und Frithjof Staiß (ZSW)
(from left).

// Der Marmorsaal im Neuen Schloss bot ein feierliches Ambiente für
die Preisverleihung des „Leitsterns Energieeffizienz“.
// The Marble Hall in the New Palace in Stuttgart provided a festive
backdrop for the “Guiding Star in Energy Efficiency” award ceremony.

73

// Pressegespräch des VDMA Batterieproduktion zur Fachmesse
Battery & Storage im eLaB.
// Press interview for VDMA Battery Production at the Battery &
Storage trade fair at eLaB.

// SYS-Fachgebietsleiterin Maike Schmidt (links) stellt
sich den Fragen einer litauischen Hörfunkjournalistin.
// SYS Department Head Maike Schmidt (left) answers
questions from a Lithuanian radio journalist.

// ZSW-Vorstand Tillmetz auf der NPE in Berlin bei Kanzlerin Merkel.
// ZSW-Vorstand Tillmetz at NPE with German Chancellor Merkel in Berlin.

// Öffentlichkeitsarbeit
Public Relations

// VDMA-Pressekonferenz zur Battery & Storage am ZSW Ulm
Am 2. Juli diskutierten auf der VDMA-Fachpressekonferenz der
Battery & Storage namhafte Industrievertreter des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus und ZSW-Vorstand Prof. Tillmetz mit
interessierten Fachjournalisten über die Marktentwicklung im
Batteriesektor, wie die Herausforderungen der Batterieproduktion
bewältigt werden sollen und über die Stuttgarter Batteriemesse.
Gesprächspartner waren Siemens, die ThyssenKrupp System Engineering GmbH, die TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH, die
VDMA Batterieproduktion, KUKA Industries und die F & K Delvotec
Bondtechnik GmbH.

// VDMA press conference during Battery & Storage at ZSW Ulm
On 2 July, renowned representatives from the German mechanical
and plant engineering industries and ZSW executive Tillmetz debated market development in the battery sector, how the challenges
facing battery production can be overcome and the Stuttgart battery trade fair with interested specialised journalists at the VDMA
specialist press conference for the Battery & Storage trade fair.
Participants included Siemens, ThyssenKrupp System Engineering GmbH, TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH, VDMA
Battery Production, KUKA Industries and F & K Delvotec Bondtechnik GmbH.

// Besuch zweier internationaler Pressedelegationen am ZSW
Nicht nur die deutsche Energiewende im Allgemeinen findet in
vielen Ländern weltweit große Beachtung; auch die angewandte
Forschung am ZSW rückt zunehmend in den internationalen Fokus.
So interessieren sich immer mehr ausländische Medien für die
Projekte und Konzepte aus Stuttgart und Ulm. Anfang Oktober
waren gleich zwei Delegationen am Stuttgarter Standort zu Gast:
Zunächst eine Gruppe indischer Journalisten, die für die wichtigsten
und auflagenstärksten Tageszeitungen des Landes über die Systemanalyse und Dünnschicht-Photovoltaik-Forschung des ZSW
berichteten. Es folgte eine Gruppe mit Vertretern namhafter Medien
u. a. aus Großbritannien, den Niederlanden, Spanien, Portugal,
Litauen, der Türkei und Ägypten. Power-to-Gas und die nachhaltige
Mobilität der Zukunft waren hier die thematischen Schwerpunkte.

// Two international press delegations visit ZSW
Not only the German energy transition in general has received a
lot of attention in many countries; the applied research at ZSW is
increasingly attracting international interest. For example, more
and more foreign media outlets are expressing interest in the
projects and concepts from Stuttgart and Ulm. In early October,
not one but two delegations visited the Stuttgart facility: first, a
group of Indian journalists, reporting on ZSW’s system analysis
and thin film photovoltaic research for the country's most important and high-circulation daily newspapers. They were followed
by a group of representatives from renowned media outlets, e.g.
from Great Britain, the Netherlands, Spain, Portugal, Lithuania,
Turkey and Egypt. This delegation focused on Power-to-Gas and
sustainable mobility of the future.

// Nationale Konferenz Elektromobilität in Berlin
Die Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) wurde 2010 als
strategische Plattform für die Akteure aus Industrie, Wissenschaft,
Politik, Gewerkschaften und Verbänden gegründet. Die NPE berichtet der Bundesregierung regelmäßig über die Entwicklungen
im Bereich der Elektromobilität. In sieben Arbeitsgruppen mit
hochrangigen Experten werden Empfehlungen zur Umsetzung
des Regierungsprogramms Elektromobilität erarbeitet. ZSWVorstand Tillmetz berichtete am 15. Juni in der Arbeitsgruppe 2
„Batterietechnologie“ und präsentierte die Chancen und Erfolge
beim Aufbau einer deutschen Zellproduktion mit der „Forschungsplattform für die industrielle Produktion von Lithium-IonenBatterien (FPL)“ am ZSW in Ulm hinsichtlich industrieller Nutzung sowie der Einbindung in öffentliche Förderprogramme.

// National Electromobility Conference in Berlin
The German National Platform for Electric Mobility (NPE) was
founded in 2010 as a strategic platform for stakeholders from industry, science, politics, trade unions and associations. NPE regularly reports to the German Federal Government on developments
in the e-mobility sector. Seven working groups with high-ranking
experts develop recommendations to implement the government’s
e-mobility programme. On 15 June, ZSW Executive Tillmetz reported in working group 2 “Battery Technology” and presented
the opportunities and successes in establishing German cell production with the “Research platform for the industrial production
of lithium-ion batteries (FPL)” at ZSW in Ulm for industrial use
and integration in public subsidy programmes.

74

// Korean-German Electromobility Forum in Berlin
Zum „Korean-German Electromobility Forum“ im Rahmen der
10. Asien-Pazifik-Wochen 2015 in Berlin haben sich deutsche
Experten der Elektromobilität mit Kollegen aus Südkorea ausgetauscht. Die Veranstaltung am 19. Mai wurde vom „Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT)” und der Berliner
Agentur für Elektromobilität eMO in Kooperation mit der Botschaft der Republik Korea organisiert. Thema war der Austausch
über Best-Practice-Beispiele sowie Potenziale für eine künftige
Zusammenarbeit. ZSW-Vorstand Tillmetz stieß mit seinem
Vortrag über aktuelle ZSW-Forschungsergebnisse zum Thema
„Industrielle Produktionsforschung für Lithium-Ionen-Zellen“
auf breites Interesse.
// Praxistest Callux erfolgreich beendet
Der im September 2008 vom damaligen Bundesministerium für
Verkehr, Bau und Stadtentwicklung gestartete und vom ZSW
koordinierte Praxistest „Callux – Brennstoffzellen fürs Eigenheim“
endet mit der Markteinführung der innovativen Anlagen. In den
vergangenen sieben Jahren haben die beteiligten Hersteller
gemeinsam mit Unternehmen aus der Energiewirtschaft fast
500 Brennstoffzellen-Heizgeräte installiert, betrieben und messtechnisch begleitet. Dabei konnten deren hohe Zuverlässigkeit
sowie erhebliche CO2 -Einsparungen gegenüber Brennwerttechnik
und Strombezug aus dem Netz nachgewiesen werden.
Weitere Informationen unter www.callux.net/home.Medien.html.

// Austausch deutscher und koreanischer E-Mobilitäts-Experten
beim Electromobility Forum in Berlin.
// German and Korean e-mobility experts meet at the
Electromobility Forum in Berlin.

// Korean-German Electromobility Forum in Berlin
During the “Korean-German Electromobility Forum” as part of
the 10 th Asia-Pacific Weeks 2015 in Berlin, German e-mobility experts discussed their experience with experts from South Korea.
The event on 19 May was organised by the “Korea Evaluation
Institute of Industrial Technology KEIT” and eMO, the Berlin
Electromobility Agency, in cooperation with the embassy of the
Republic of Korea. They discussed best practice examples and
potential for future cooperation. ZSW executive Tillmetz’ presentation on the latest ZSW research findings on “Industrial production
research for lithium-ion cells” was received with great interest.
// Callux field test successfully completed
The “Callux Domestic Fuel Cell” field test launched in September
2008 by the then Federal Ministry of Transport, Construction and
Urban Development ended with the market launch of the innovative systems. In the past seven years, the manufacturers involved
have jointly installed, operated and measured nearly 500 fuel cell
heating systems together with companies from the energy industry. They demonstrated their great reliability and significant CO2
savings compared with condensing boiler technology and gridsourced electricity.
For further information, visit www.callux.net/home.Medien.html.

// Rund 160 Gäste aus Politik, Wirtschaft und Verbänden kamen zur CalluxAbschlussveranstaltung am 16.11.2015 ins Bundesverkehrsministerium.
// Roughly 160 visiting politicians, businesspeople and representatives of
associations came together on 16 November 2015 to the Callux-Event to the
German Federal Ministry of Transport.

75

// Die PV-Systemtechniker des ZSW auf der Intersolar Europe in München.
// PV system technicians from ZSW at Intersolar Europe in Munich.

// Delegation des baden-württembergischen Ministers für Verkehr und
Infrastruktur Winfried Hermann am ZSW-Stand auf der Battery & Storage.
// Delegation of the Baden-Württemberg Minister of Transport and
Infrastructure Winfried Hermann at the ZSW booth at Battery & Storage.

// Prof. Dr. Frithjof Staiß präsentiert dem MFW die Forschung
des ZSW im Zukunftsfeld Nachhaltige Mobilität.
// Prof. Dr. Frithjof Staiß presents ZSW’s research in the
future area of sustainable mobility to MFW.

// Intersolar Europe, München
Auf dem baden-württembergischen Gemeinschaftsstand bei
der Intersolar Europe präsentierten die Photovoltaik-Systemtechniker ihre Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen
im Bereich der Solarmodulcharakterisierung. Langzeitstabilität,
Ertragsprognosen, Anlagengutachten sowie die Steuerung des
Eigenverbrauchs im Zusammenhang mit Solarstromspeichern
waren wichtige Themen der Fachgespräche.

// Intersolar Europe, Munich
At the joint Baden-Württemberg stand at Intersolar Europe, the
photovoltaics system technicians presented their research and
development services for solar module characterisation. Longterm stability, yield forecasts, system reports and management
of own consumption in conjunction with solar power storage systems were important topics of the meetings.

// Öffentlichkeitsarbeit
Public Relations

// Das ZSW war 2015 auf folgenden Messen vertreten:
Fuel Cell Expo, Tokio	
25.– 27.2.2015
22. DESIGN&ELEKTRONIK-Entwicklerforum 	
5.3.2015
Batterien und Ladekonzepte , München	
30. Symposium für Photovoltaische Solarenergie, 	 11.–13.3.2015
Bad Staffelstein
MobiliTec 2015 – Baden-Württemberg Pavillon, 	 13.–17.4.2015
Hannover Messe	
Intersolar Europe, München	
10.–12.6.2015
European PV Solar Energy Conference and 	
15.–17.9.2015
Exhibition (EU-PVSEC), Amsterdam	
Fachmesse Battery & Storage 2015, Stuttgart	
12.–14.10.2015

// In 2015, ZSW was represented at the following trade fairs:
Fuel Cell Expo, Tokyo	
25– 27/2/2015
22nd DESIGN&ELECTRONIC Developer Forum, 	
5/3/2015
Munich	
30 th Symposium on Photovoltaic Solar Energy, 	
11–13/3/2015
Bad Staffelstein
MobiliTec 2015 – Baden-Württemberg Pavillon,	
13–17/4/2015
Hanover Industrial Trade Fair	
Intersolar Europe, Munich	
10–12/6/2015
European PV Solar Energy Conference and 	
15–17/9/2015
Exhibition (EU-PVSEC), Amsterdam	
Battery & Storage trade fair 2015, Stuttgart	
12–14/10/2015

// Fuel Cell Expo in Tokio, Japan
Die FC Expo in Tokio ist im asiatischen Raum die größte internationale Messe und Konferenz zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie. Während der „World Smart Energy Week“
finden noch weitere relevante Messen statt, u. a. die PV EXPO,
PV SYSTEM EXPO, BATTERY JAPAN. 2015 beteiligte sich das
Ulmer ZSW am 7th German Pavilion, um sich mit seiner Expertise zu
Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen im internationalen
Umfeld von Herstellern, Entwicklern, Forschungsinstituten,
Automobilisten und anderen branchenaffinen Unternehmen zu
positionieren.

// Fuel Cell Expo in Tokyo, Japan
The FC Expo in Tokyo is the largest international trade fair and
conference on hydrogen and fuel cell technology in Asia. The “World
Smart Energy Week” also includes other relevant trade fairs, e.g.
PV EXPO, PV SYSTEM EXPO, BATTERY JAPAN. In 2015, ZSW
Ulm took part in the 7 th German Pavilion, to position itself in the
international environment of manufacturers, developers, research
institutes, automotive companies and other industry-related companies with its expertise on lithium-ion batteries and fuel cells.

// Hannover Messe MobiliTec 2015
Zum 15. Mal auf der Hannover Messe, aber zum ersten Mal im
Baden-Württemberg-Pavillon präsentierte sich das ZSW im
Rahmen der MobiliTec mit den Themen Batterien und Brennstoffzellen. Kernthemen des Gemeinschaftsstandes waren
hybride und elektrische Antriebe, mobile und stationäre Energiespeicher, alternative Kraft- und Brennstoffe sowie ganzheitliche
Mobilitätstechnologie-Lösungen. Die Neupositionierung im
Netzwerk des Landes Baden-Württemberg bot die Gelegenheit
zum Expertengespräch, die rege genutzt wurde. Auch das Medieninteresse war groß, nicht zuletzt wegen der Pressemeldung über
einen vom ZSW mitentwickelten 95-kW-Brennstoffzellen-Stack,
dem eine wöchentliche Laufleistung von 5.600 km nachgewiesen
werden konnte.

76

// Hanover Industrial Trade Fair MobiliTec 2015
For the 15th time at the Hanover Industrial Trade Fair, but for the
first time in the Baden-Württemberg Pavilion, ZSW showcased
its work on batteries and fuel cells at MobiliTec. Key topics at the
joint booth were hybrid and electric drives, mobile and stationary
energy storage systems, alternative power sources and fuels as
well as holistic mobility technology solutions. ZSW’s repositioning
in the network of the Federal State of Baden-Württemberg
offered an opportunity for discussions among experts which was
actively used. The media interest was also high, not least because
of the press release on a 95 kW fuel cell stack, jointly developed by
ZSW, which successfully achieved a weekly mileage of 5,600 km.

// World of Energy Solutions (WES)
Vom 12. bis 14. Oktober fand die WES zu den Themen Energieerzeugung, Speichersysteme und Mobilitätslösungen mit der
Messe Battery & Storage, der f-cell-Konferenz und der e-mobility
solutions statt. Das ZSW gab hier einen Überblick über seine
Leistungen im Batteriesicherheits- und -testzentrum sowie in
der Forschungsplattform für Lithium-Ionen-Zellen. Eine Delegation des baden-württembergischen Ministers für Verkehr und Infrastruktur Winfried Hermann machte am ZSW-Stand halt und informierte sich über die Batterieproduktion in Ulm. Im Rahmen der
parallel stattfindenden Konferenz „f-cell“ beteiligten sich ZSWWissenschaftler mit Vorträgen zu Brennstoffzellen. Den zweiten
Tag eröffnete Vorstand Prof. Tillmetz mit einer Key-Note zu „Quo
Vadis Batteries“.

// World of Energy Solutions (WES)
WES was held from 12 to 14 October, on the topics of power generation, storage systems and mobility solutions with the Battery &
Storage trade fair, the f-cell conference and “e-mobility solutions”.
There, ZSW gave an overview of its services in the battery safety
and test centre and in the research platform for lithium-ion cells.
A delegation from Baden-Württemberg’s Minister for Transport
and Infrastructure, Winfried Hermann, visited the ZSW stand and
learned about battery production in Ulm. During the “f-cell” conference held at the same time, scientists from ZSW gave presentations on fuel cells. ZSW executive Prof. Tillmetz opened the
second day with a keynote speech entitled “Quo Vadis Batteries”.

// Medienarbeit
Die Medienarbeit des ZSW ist nicht zuletzt aufgrund der attraktiven Themen des Instituts weiterhin erfolgreich. 2015 wurde
insgesamt 1.611-mal über das ZSW berichtet – das zweitbeste
Ergebnis seit Beginn der Zählung im Jahr 2006. Wie in den vergangenen Jahren war das Institut auch 2015 mehrmals in den
wichtigsten regionalen und überregionalen Leitmedien vertreten,
z. B. Süddeutsche Zeitung, Frankfurter Allgemeine Zeitung,
Wirtschaftswoche, Stuttgarter Zeitung, Handelsblatt und SWR.

// Media relations
Not least because of the attractive issues dealt with by the institute, ZSW has been able to continue its successful public relations
work. In 2015, ZSW was reported about 1,611 times – the secondhighest ever result since counting started in 2006. As in previous
years, the institute was repeatedly mentioned in major regional and
national mainstream media outlets in 2015 such as Süddeutsche
Zeitung, Frankfurter Allgemeine Zeitung, Wirtschaftswoche, Stuttgarter Zeitung, Handelsblatt, SWR etc.

Für die Medien besonders interessante ZSW-Pressemitteilungen:
> 	 Mehr als 740.000 Autos weltweit fahren mit Strom
> 	 Anteil der Erneuerbaren Energien am Stromverbrauch 2015 		
	 steigt voraussichtlich auf 33 Prozent
> 	 Batterien für Elektroautos: Industrielle Produktion in
	 Deutschland rückt näher
> 	 Mehr Lichtdurchlässigkeit im blauen Wellenlängenbereich
	 (Cadmiumfreie Dünnschicht-Solarzellen)
> 	 Erneuerbarer Wasserstoff für die Mobilität der Zukunft

ZSW press releases particularly interesting for the media:
> 	 More than 740,000 Cars Worldwide Powered by Electricity
> 	 German Renewables’ Share of Electricity Consumption 2015 		
	 Expected to Rise to 33 Percent
> 	 Batteries for Electric Cars: Industrial Production in Germany
	 is Nearing
> 	 Enhanced Transparency in the Blue Wavelength Range
	 (Cadmium-free Thin-film Solar Cells)
> 	 Renewable Hydrogen for the Mobility of the Future
77

// Dokumentation
Documentation

// Finanzielle Entwicklung
Financial development

// Einnahmen – Ausgaben

// Revenue – expenditure

Das Einnahmevolumen der gewöhnlichen Geschäftstätigkeit lag
im abgelaufenen Jahr bei 33,8 Mio. Euro und damit deutlich unter
dem Wert des Vorjahres. Wesentliche Ursache dafür waren hohe
Einnahmen in 2014 aus öffentlichen Zuwendungen für den Aufbau der Forschungsplattform für Lithium-Ionen-Zellen in Ulm.

In the past year, the income volume from normal business activities
was 33.8 million euros and thus considerably lower than in the
previous year. This is mainly due to the fact that more revenue
was received from public grants for constructing the research
platform for lithium-ion cells in Ulm in 2014.

Die Einnahmen aus der Auftragsforschung erreichten mit
10,5 Mio. Euro einen neuen Höchststand und lagen 3 % über
dem Vorjahreswert.

The revenue from the contract research reached a new record
of 10.5 million euros, or 3% more than the previous year’s figure.

Die Anteilsfinanzierung des Landes Baden-Württemberg erhöhte
sich im Jahr 2015 um 0,1 Mio. auf 4,4 Mio. Euro.

50

46,0
41,3

40,9

40

33,8

32,1

21,0
20

27,1

26,7

16,7

18,0

80

2004

2006

2007

2008

50

Einnahmen Auftragsforschung
Income from research contracts

40

inkl. Mittel für Baumaßnahmen
und technische Infrastruktur
incl. funds for built and technical
infrastructure

20,0

14,3

2005

Sonstige Einnahmen
Other income sources

Zuwendungen und Zuschüsse
Grants and subsidies

10

0

2009

2010

2011

The corresponding expenditure volume was reduced to 33.7 million
euros relative to the previous year, which was mainly due to the
end of investment expenditure on constructing the research
platform for lithium-ion cells. Due to a collective pay increase and
a slight rise in personnel capacity, personnel expenditure rose.

The proportion of institutional funding from the Federal State
of Baden-Württemberg increased by 0.1 million to 4.4 million
euros in 2015.

Finanzierungsstruktur des ZSW
Financial Structure of the ZSW
Millionen Euro

30

Das korrespondierende Ausgabenvolumen reduzierte sich gegenüber dem Vorjahr auf 33,7 Mio. Euro, im Wesentlichen durch den
Abschluss der Investitionsausgaben für den Aufbau der Forschungsplattform für Lithium-Ionen-Zellen. Die Personalausgaben stiegen
aufgrund einer Tariferhöhung sowie eines leichten Anstiegs der
Personalkapazität .

2012

2013

2014

2015

Anteilsfinanzierung des
Ministeriums für Finanzen und
Wirtschaft Baden-Württemberg
Institutional funding from the
Ministry of Finance and Economics, State of BadenWürttemberg

Ausgabenentwicklung des ZSW
Development of expenditures at ZSW
Millionen Euro

49,3

Sonstige Ausgaben*
Other expenses*

46,4
41,0
37,8
33,7

30

25,9

25,7
20

19,2

17,2

19,4

19,5

2010, 2011, 2013, 2014 und 2015
inkl. jeweils 10 Millionen Euro für
Baumaßnahmen und technische
Infrastruktur
2010, 2011, 2013, 2014 and 2015 incl.
10 million euros per year for built and
technical infrastructure

Sachausgaben
Materials

14,0

Personalausgaben
Personnel

10

0

Investitionen
Investments

* inkl. Steuern, durchlaufende Posten,
periodenfremder Aufwand
* incl. taxes, items in transit, expenses
from other accounting periods

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

81

// Personalentwicklung
Staff Development

// Personalentwicklung

// Staff development

Das ZSW ist mit seinen Zukunftsthemen, seinen Arbeitsbedingungen, dem kollegialen Betriebsklima sowie den vielfältigen
Entwicklungsperspektiven für seine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter ein attraktiver Arbeitgeber.

Thanks to its forward-looking topics, its working conditions,
the collegial working atmosphere and the many development
prospects, ZSW is an attractive employer for its staff.

Die Mitarbeiterkapazität hat sich gegenüber dem Vorjahr von
207 Vollzeitstellen auf 209 leicht erhöht. Das entspricht einer
Mitarbeiterzahl von 228. Mit einem Anteil von 82 % des wissenschaftlich-technischen Personals an der gesamten Personalkapazität ist die Produktivität auf einem stabilen hohen Niveau.
Zum Jahresende waren 24 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
mit ausländischer Staatsangehörigkeit am Institut tätig, das
entspricht gut 10 % der Beschäftigten.
Im Berichtszeitraum waren am Institut 59 Frauen beschäftigt.
Das entspricht einem Frauenanteil von 26 %, ein Rückgang von
knapp 4 % gegenüber dem Vorjahr. Das ZSW bemüht sich, diesen
für technisch orientierte Forschungsinstitute typischen geringen
Frauenanteil zu erhöhen, indem es möglichst flexibel ausgestaltete
Arbeitszeitmodelle anbietet, die die unterschiedlichen Lebenssituationen und Interessen von Frauen und Männern berücksichtigen und eine Vereinbarkeit von Beruf und Familie erleichtern.
Die Erhaltung und Förderung der Gesundheit der Mitarbeiter hat
einen hohen Stellenwert in unserer Unternehmenskultur. Das
betrifft Themen wie Bewegung, Ernährung, Stressmanagement
usw. In diesem Rahmen bot das ZSW im Jahr 2015 u. a. Teilnahmen
am Einstein-Marathon und -Triathlon sowie verschiedene Workshops an. Auch konnten viele Arbeitsplätze ergonomisch neu eingerichtet werden.
Die Fort- und Weiterbildung mit sowohl fachspezifischen als auch
fachübergreifenden Inhalten wurde mit großem Interesse in Anspruch genommen. Insgesamt fanden über 30 Veranstaltungen
statt, an denen insgesamt 130 Beschäftigte teilnahmen.

82

Employee capacity increased slightly from 207 full-time employees
to 209 relative to the previous year. This corresponds to a staff
level of 228. With 82% of all staff active in the scientific and technical area, productivity remains at a stable high level. At the end
of the year, 24 staff members with foreign citizenships were employed at the institute, which is equal to almost 10% of the total
number of staff.

Am Institut wird derzeit eine Auszubildende in der Verwaltung als
Kauffrau für Büromanagement ausgebildet.

A trainee is currently being trained as an office management clerk
in administration.

Einen hohen Stellenwert nimmt die Vernetzung des Instituts mit
Hochschuleinrichtungen und die Mitwirkung von ZSW-Mitarbeitern
an der akademischen Ausbildung in Form von Vorlesungen, Seminaren und Praktika sowie der Betreuung von Studien- und Abschlussarbeiten ein. Daher waren 2015 neben den nach dem Tarifvertrag
der Länder (TV-L) beschäftigten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern
90 Studierende und Praktikanten am ZSW beschäftigt. Ein Drittel
von ihnen hat ausländische Wurzeln. 20 Doktorandinnen und
Doktoranden fertigten im Berichtsjahr ihre Dissertation an.

The institute prioritises networking with universities and active
involvement of ZSW employees in academic education through
providing lectures, seminars and practical training as well as supervising final theses and dissertations. As a result, in addition to the
staff employed in accordance with the Federal States’ Collective
Bargaining Agreement (TV-L), ZSW also employed 90 students
and interns in 2015. One third of these had overseas backgrounds.
In the reporting year, 20 doctoral candidates completed their
doctoral theses.

During the reporting period, the institute employed 59 women.
That means that women make up 26% of staff, a decrease of
almost 4% relative to the previous year. ZSW strives to increase
this low percentage of women employees, which is typical for
technically-oriented research institutes, by offering working time
models with maximum flexibility, which take the different living
situations and interests of women and men into consideration
and facilitate a good work-life balance.
In our corporate culture, preserving and promoting the health
of our employees plays a very important role. This relates to
movement, nutrition, stress management, etc. To this effect,
ZSW organised participation in the Einstein marathon and
triathlon in 2015, as well as various workshops. Many workplaces
were also redesigned to improve their ergonomics.
Interest in advanced training and continuing professional
development, with both specialist and interdisciplinary content,
was high. More than 30 events were held, in which a total of 130
employees took part.

83

// Ausgewählte Veröffentlichungen
Selected Publications

// Veröffentlichungen in Büchern und Zeitschriften
Publications in Books and Journals

/ Axmann P., Gabrielli G., Wohlfahrt-Mehrens M.; Tailoring high-voltage
and high-performance LiNi 0.5 Mn 1.5 O4 cathode material for high energy
lithium-ion batteries; Journal of Power Sources 301 (2016) 151-159;
http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.10.010

/ Grashof K. (IZES), Lechtenböhmer S. (WI), Zipp A. (IZES), Jachmann H.,
Wille-Haussmann B. (FhG-ISE), Reeg M. (DLR); Monopole, Liberalisierung,
Energiewende - Strommarktdesign zwischen Wandel und Konstanz;
Energiewirtschaftliche Tagesfragen 65. Jg. (2015) Heft 9

/ Klee Barillas J., Li J., Günther C., Danzer M.; A comparative study and
validation of state estimation algorithms for Li-ion batteries in battery
management systems; Journal of Applied Energy, 2015, 155, 455-462;
http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.05.102

/ Memm M., Koentje M., Axmann P., Wohlfahrt-Mehrens M.; New high-voltage
step at 4.8V in cobalt free manganese based lithium phospho olivines
for lithium-ion batteries; Journal of Power Sources 276 (2015) 382-387;
http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.09.065

/ Balasubramanian P., Marinaro M., Theil S., Wohlfahrt-Mehrens M., Jörissen
L.; Au-coated carbon electrodes for aprotic Li-O2 batteries with extended cycle life: The key issue of the Li-ion source; Journal of Power Sources
274 (2015) 432-439; http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.12.037

/ Hartmann N. (FhG-ISE), Hussein N. (FhG-ISE), Taumann M., Jülich V. (FhG-ISE),
Schlegl T. (FhG-ISE); Stromerzeugung aus Windenergie (Kapitel 7); in
M. Wietschel et al. (Hg.), Energietechnologien der Zukunft, Springer
Fachmedien, Wiesbaden, 2015

/ Klein A., Axmann P., Yada C. (Toyota), Wohlfahrt-Mehrens M.; Improving
the cycling stability of Li 2 MnO 3 by surface treatment; Journal of Power
Sources 288 (2015) 302-307; http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.03.145

/ Musiol F., Bickel P., Nieder T.; Entwicklung der Erneuerbaren Energien
2014/2015: Windkraft hält die Energiewende auf Kurs; Energiewirtschaftliche Tagesfragen 65. Jg. (2015) Heft 10

/ Bantle C. (BDEW), Musiol F.; Zwischen Autarkie und Energiebilanz –
Verfahren zur Abschätzung des Selbstverbrauchs von Photovoltaikstrom;
Energiewirtschaftliche Tagesfragen 65. Jg. (2015) Heft 11

/ Haußmann J., Wilhelm F., Enz S., Klages M., Pournemat A., Bergbreiter C.,
Clark J.S., Duraisamy K., Seidenberger K., Markötter H. (HZB), Manke I.
(HZB), Scholta J.; GDL and MPL characterization and their relevance
to fuel cell modelling; ECS Transactions 69(17) (2015) 1279-1291;
	 http://dx.doi.org/10.1149/06917.1279ecst

/ Kraytsberg A. (Technion), Drezner H. (Technion), Auinat M. (Technion),
Shapira A. (Technion), Wohlfahrt-Mehrens M., Ein-Eli Y. (Technion); Atomic
layer deposition of a particularized protective MgF2 film on a li-ion battery
LiMn 1.5 Ni 0.5 O4 cathode powder material; ChemNanoMat (2015) 1, 577-585;
http://dx.doi.org/10.1002/cnma.201500149

/ Petzl M. (HIU), Kasper M., Danzer M.; Lithium plating in a commercial lithiumion battery – A low-temperature aging study; Journal of Power Sources
275 (2015) 799-807; http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.11.065

/ Bauer M., Günther C., Kasper M., Petzl M. (HIU), Danzer M.; Discrimination
of degradation processes in lithium-ion cells based on the sensitivity of
aging indicators towards capacity loss; Journal of Power Sources 283
(2015) 494-504; http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.02.130
/ Danzer M., Liebau V. (BMW), Maglia F. (BMW); Ageing of Li-ion automotive
batteries; Chapter 14 in: Advances in Battery Technology for Electric Vehicles,
ed. by B. Scrosati, J. Garche, W. Tillmetz, Woodhead Publishing LTD, June 2015
/ Dsoke S., Fuchs B., Gucciardi E., Wohlfahrt-Mehrens M.; The importance of
the electrode mass ratio in a Li-ion capacitor based on activated carbon
and Li 4Ti 5 O 12 ; Journal of Power Sources 282 (2015) 385-393;
	 http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.02.079
/ Enz S., Dao T., Messerschmidt M., Scholta J.; Investigation of degradation
effects in polymer electrolyte fuel cells under automotive-related
operating conditions; Journal of Power Sources 274 (2015) 521-535;
http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.127
/ Fleischhammer M., Waldmann T., Bisle G., Hogg B.-I., Kasper M., WohlfahrtMehrens M.; Interaction of cyclic ageing at high-rate and low-temperatures
and safety in lithium-ion batteries; Journal of Power Sources 274 (2015)
432-439; http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.08.135
/ Friedlmeier T., Jackson P., Bauer A., Hariskos D., Kiowski O., Würz R.,
Powalla M.; Improved photocurrent in Cu(In,Ga)Se 2 solar cells:
from 20.8% to 21.7% efficiency with CdS buffer and 21.0% Cd-free;
IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 5, No. 5, September 2015;
http://dx.doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2458039
/ Ghanbari N., Waldmann T., Kasper M., Axmann P., Wohlfahrt-Mehrens M.;
Detection of Li deposition by glow discharge optical emission spectroscopy in post-mortem analysis; ECS Electrochemistry Letters (2015) 4 (9)
A100-A102; http://dx.doi.org/10.1149/2.0041509eel

84

/ Henning H.-M. (FhG-ISE), Palzer A. (FhG-ISE), Pape C. (FhG-IWES),
Borggrefe F. (DLR), Jachmann H., Fischedick M. (WI); Phasen der Transformation des Energiesystems; Energiewirtschaftliche Tagesfragen 65. Jg.
(2015) Heft 1/2
/ Hess S., Wohlfahrt-Mehrens M., Wachtler M.; Flammability of Li-ion
battery electrolytes – Flash point and self-extinguishing time measurements; Journal of the Electrochemical Society (2015) 162 (2) A1-A14;
http://dx.doi.org/10.1149/2.0121502jes
/ Jackson P., Hariskos D., Würz R., Kiowski O., Bauer A., Friedlmeier T.,
Powalla M.; Properties of Cu(In,Ga)Se 2 solar cells with new record
efficiencies up to 21.7%; Physica Status Solidi RRL 9, No. 1, 28-31 (2015);
http://dx.doi.org/10.1002/pssr.201409520
/ Jihao L., Klee Barillas J., Günther C., Danzer M.; Multicell state estimation
using variation based sequential Monte Carlo filter for automotive battery
packs; Journal of Power Sources 277 (2015) 95-103; http://dx.doi.org/
10.1016/j.jpowsour.2014.12.010

/ Lämmle A.; Dotierung von Cu(In,Ga)Se2 -Schichten mit Natrium und Kalium
zur Steigerung des Wirkungsgrads; Dissertation, Karlsruher Institut für
Technologie, Karlsruhe, 12.4.2015

/ Schnabel T.; Lösungsprozessierte Kesterit-Absorber zur Herstellung von
Dünnschicht-Solarzellen; Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie,
Karlsruhe, 13.4.2015

/ Lämmle A., Würz R., Powalla M.; Investigation of the effect of potassium
on Cu(In,Ga)Se 2 layers and solar cells; Thin Solid Films 582 (2015) 27-30;
http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf2014.10.088

/ Schnabel T., Abzieher T., Friedlmeier T., Ahlswede E.; Solution-based preparation of Cu2ZnSn(S,Se)4 for solar cells – comparison of SnSe 2 and
elemental Se as chalcogen source; IEEE Journal of Photovoltaics Vol. 5,
No. 2, 670-675, March 2015 (Proc. of 40th IEEE Photovoltaic Specialist
Conference, Denver, 8-13 June 2014)

/ Lian F. (USTB), Li Y. (USTB), He Y. (USTB), Guan H. (USTB), Yan K. (USTB),
Qiu W. (USTB), Chou K.-C. (USTB), Axmann P., Wohlfahrt-Mehrens M.;
Preparation of LiBOB via rheological phase method and its application to
mitigate voltage fade of Li-rich cathode; RSC Advance (2015) 5, 86763-86770;
http://dx.doi.org/10.1039/C5RA18520C

/ Secchiaroli M., Gabrielli G. (Univ. of Camerino), Fuchs B., Marassi R.
(Univ. of Camerino), Wohlfahrt-Mehrens M., Dsoke S.; High rate capability
Li3V2-xNix(PO4) 3 /C (x= 0, 0.05, and 0.1) cathodes for Li-ion asymmetric
supercapacitors; Journal of Materials Chemistry A (2015) 3, 11807-11816;
http://dx.doi.org/10.1039/c5ta00976f

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(AGEB); Stellungnahme zum vierten Monitoring-Bericht für das Berichtsjahr 2014; Kommission zum Monitoring-Prozess „Energie der Zukunft“,
Berlin, Münster, Stuttgart, Nov. 2015

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(Aarhus Univ.), Marinaro M., Wohlfahrt-Mehrens M., Wonsyld K. (Haldor
Topsøe), Dahl S. (Haldor Topsøe), Iversen B. B. (Arhus Univ.); TiO2 nanoparticles for Li-ion battery anodes: mitigation of growth and irreversible
capacity using LiOH and NaOH; Chemistry of Materials 27 (2015) 199-126;
http://dx.doi.org/10.1021/cm503479h

/ Kannan A., Kabza A., Scholta J.; Long term testing of start-stop cycles on
high-temperature PEM fuel cell stack; Journal of Power Sources 277 (2015)
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/ Mancini M., Bekaert E. (HIU), Diemant T. (Univ. Ulm), Marinaro M., de Biasi
L. (HIU), Behm R. (Univ. Ulm), Wohlfahrt-Mehrens M.; Study on the stability
of Li 2 MnSiO4 cathode material in different electrolyte systems for Li-ion
batteries; Journal of Materials Chemistry A (2015) 3, 11807-11816;
http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2015.07.015

/ Kaymaksiz S., Wachtler M., Wohlfahrt-Mehrens M.; Influence of the solid
electrolyte interphase on the performance of redox shuttle additives in
Li-ion batteries – A rotating ring-disc electrode study; Journal of Power
Sources 273 (2015) 123-127; http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.09.066

/ Marinaro M., Balasubramanian P., Gucciardi E., Theil S., Jörissen L., Wohlfahrt-Mehrens M.; Importance of reaction kinetics and oxygen crossover
in aprotic Li-O 2 batteries based on a dimethyl sulfoxide electrolyte;
ChemSusChem 8 (2015) 3139-3145; http://dx.doi.org/10.1002/cssc.201500600

/ Kiowski O., Friedlmeier T., Würz R., Jackson P., Hariskos D.; Closing the gap
with silicon-wafer-based technologies: Alkali post-deposition treatment
improves the efficiency of Cu(In,Ga)Se 2 solar cells; Photovoltaics International, 29 th Edition, Sept. 2015 p. 76-80

/ Markötter H. (TU Berlin), Dittmann K. (HZB), Haußmann J., Alink R.
(FhG-ISE), Riesemeier H. (BAM), Scholta J., Banhart J. (TU Berlin), Manke I.
(HZB); Influence of local carbon fibre orientation on the water transport
in the gas diffusion layer of polymer electrolyte membrane fuel cells;
Electrochemistry Communications 51 (2015) 133-136; http://dx.doi.org/
10.1016/j.elecom.2014.12.013

/ Specht M., Brellochs J.; Neue Prioritäten bei der Nutzung von Biomasse
für die Mobilität; Biobased Future, Mitteilungsblatt über Biomasse für
Energie in Industrie und in einer nachhaltigen Wirtschaft, Nr. 4, BIOENERGY
2020+(Hg.), (2015) S. 18
/ Specht M., Brellochs J., Frick V., Stürmer B., Zuberbühler U.; Technische
Umsetzung der Power-to-Gas-Technologie (P2G ®): Erzeugung von Erdgassubstitut durch katalytische Methanisierung von H 2 /CO 2 ; „Erdgas und
erneuerbares Methan für den Fahrzeugantrieb – Wege zur klimaneutralen
Mobilität“, Richard van Basshuysen (Hg.), Wiesbaden, 2015 S. 143
/ Spiering S., Paetel S., Kessler F., Igalson M. (WUT), Abdel Maksoud H.
(WUT); Copper variation in Cu(In,Ga)Se 2 solar cells with indium sulphide
buffer layer; Thin Solid Films 582 (2015) 328-331; http://dx.doi.org/10.1016/
j.tsf2014.11.027

85

// Ausgewählte Veröffentlichungen
Selected Publications

// Veröffentlichungen auf wissenschaftlichen Konferenzen,
Workshops und Symposien
Publications at Scientific Conferences, Workshops and
Symposia
/ Waldmann T., Geramifard G., Wohlfahrt-Mehrens M.; Influence of current
collecting tab design on thermal and electrochemical performance
of cylindrical lithium-ion cells during high current discharge; Journal
of the Electrochemical Society, in press, available online 31 Dec. 2015;
http://dx.doi.org/10.1016/j.est.2015.12.007
/ Waldmann T., Ghanbari N., Kasper M., Wohlfahrt-Mehrens M.; Correlations
between electrochemical data and results from post-mortem analysis of
aged lithium-ion batteries; Journal of the Electrochemical Society (2015)
162 (8) A1500-A1505; http://dx.doi.org/10.1149/2.0411508jes
/ Waldmann T., Kasper M., Wohlfahrt-Mehrens M.; Optimization of charging
strategy by prevention of lithium deposition on anodes in high-energy
lithium-ion batteries – Electrochemical experiments; Electrochimica Acta
(2015) 178, 525-532; http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2015.08.056
/ Waldmann T., Wohlfahrt-Mehrens M.; In-operando measurement of
temperature gradients in cylindrical lithium-ion cells during highcurrent discharge; ECS Electrochemistry Letters (2015) 4 (1) A1-A3;
http://dx.doi.org/10.1149/2.0031501eel
/ Weinberger M (HIU)., Pfeifer C., Diemant T. (HIU), Behm R. (Univ. Ulm),
Wohlfahrt-Mehrens M.; Submicron-sized silicon oxycarbide spheres as
anodes for alkali ion batteries; Journal of Materials Chemistry A (2015) 3,
23707-23715; http://dx.doi.org/10.1039/C5TA06277B
/ Wessendorf C., Eigler R. (Univ. Erlangen-Nürnberg), Eigler S. (ZMP), Hanisch J., Hirsch A. (Univ. Erlangen-Nürnberg), Ahlswede E.; Investigation
of pentaarylazafullerenes as acceptor systems for bulk-heterojunction
organic solar cells; Solar Energy Materials and Solar Cells 132 (2015) 450-454
/ Witte W., Abou-Ras D. (HZB), Albe K. (TU Darmst.), Bauer G.H. (Univ. Oldenb.), Bertram F. (Univ. Magdeb.), Boit C. (TU Berlin), Brüggemann R.
(Univ. Oldenb.), Christen J. (Univ. Magdeb.), Dietrich J. (TU Berlin), Eicke A.,
Hariskos D., Maiberg M. (Univ. Halle), Mainz R. (HZB), Meessen M. (Univ.
Oldenb.), Müller M. (TU Darmst.), Neumann O. (Univ. Oldenb.), Orgis T.
(Univ. Halle), Paetel S., Pohl J. (TU Darmst.), Rodriguez-Alvarez H. (HZB),
Scheer R. (Univ. Halle), Schock H.-W. (HZB), Unold T. (HZB), Weber A.
(HZB), Powalla M.; Gallium gradients in Cu(In,Ga)Se 2 thin-film solar cells;
Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2015, Vol. 23, 717-733;
http://dx.doi.org/10.1002/pip.2485
/ Zuberbühler U., Specht M., Brinner A., Baumgart F., Stürmer B., Feigl B.;
Power-to-Gas – Technischer Fortschritt und Perspektiven; Solarzeitalter
Ausgabe 3/2015, S. 43
/ Zuberbühler U., Specht M., Stürmer B., Brellochs J., Feigl B., Baumgart F.,
Brinner A., Marquard-Möllenstedt T., Steiert S., Schwarz S.; Power-to-Gas:
Errichtung und Betrieb einer Forschungsanlage zur Speicherung von
erneuerbarem Strom als erneuerbares Methan im 250-kWel -Maßstab;
Projektbericht, September 2014

86

/ Binder J.; Wege zur Plusenergiegemeinde und Lastmanagement am
Beispiel Wüstenrot; IV. Deutsch-Belarussisches Energieforum, Minsk,
25.11.2015
/ Bopp G. (FhG-ISE), Gabler H.; Technical trends and innovations: Small
PV systems for rural electrification; Proc. of 4th Symposium „Small PVApplications“, München, 9-10 June 2015, p. 13-20
/ Clark J.S., Haußmann J., Seidenberger K., Bergbreiter C., Wilhelm F.,
Scholta J., Markötter H. (HZB), Manke I. (HZB), Pournemat A. (HZB); An
investigation of the effects of the water distribution in real gas diffusion
structures on fuel cell performance; InterPore 7 th International Conference
on Porous Media & Annual Meeting, Padua, 18-21 May 2015
/ Clark J.S., Haußmann J., Seidenberger K., Bergbreiter C., Wilhelm F., Pournemat A., Markötter H. (HZB), Manke I. (HZB), Scholta J.; An investigation
of the effects of the water distribution in real gas diffusion structures on
fuel cell performance; 5th European PEFC and H 2 Forum 2015, Lucerne, 30
June - 3 July 2015

/ Herkel S. (FhG-ISE), Glembin J. (ISFH), Theis D. (IZES), Sperber E. (DLR),
Binder J.; Energiewende im Heizungskeller – Low-Ex-Systeme; FVEEThemen: Forschung für die Energiewende - Phasenübergänge aktiv gestalten, Tagungsband der FVEE-Jahrestagung 2014, S. 89-95, Berlin, April 2015
/ Jackson P., Hariskos D., Würz R., Kiowski O., Bauer A., Lotter E., Friedlmeier
T., Hempel W., Powalla M.; Properties of high efficiency Cu(In,Ga)Se 2
solar cells; MRS Spring Meeting & Exhibit, San Francisco, 6-10 April 2015
/ Klee Barillas J., Waldenmaier D., Günther C., Danzer M.; A generic and
dynamic model of electrical energy storage systems for simulation
of the interaction with the power grid; 9. IRES: Energiespeicher für die
Bereiche Strom, Wärme, Mobilität und Gas, Düsseldorf, 9.-11.3.2015
/ Lechner P., Hummel S., Schnepf J.; Evaluation of recovery methods after
potential induced degradation of PV modules; Proc. of EU PVSEC 2015,
31 st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, 14-18 Sept. 2015, p. 1813-1816

/ Danzer M.; Lithium-ion batteries for a sustainable mobility; 7 th IndoGerman Frontiers of Engineering Symposium, Agra, February 2015

/ Lechner P., Hummel S., Schnepf J., Geyer D.; Testmethode für realistische
Simulation von PID; Tagungsband 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 4.-6.3.2015

/ Döring H., Soczka-Guth T. (Daimler), Danzer M.; Internal short circuit
simulation – comparison of methods for testing cell stability in case of
internal short circuit; AABC Europe 2015, Mainz, 26-29 Jan. 2015

/ Li J., Danzer M.; Optimale Ladestrategie für PV-Batteriesysteme;
Tagungsband 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad
Staffelstein, 4.-6.3.2015

/ Hanisch J., Wahl T., Zellmer S. (TU Braunschweig), Garnweitner G. (TU
Braunschweig), Ahlswede E.; Metal oxide nanoparticles as charge carrier
transport layers in highly stable doctor bladed inverted polymer solar
cells; International Conference Next-Generation Organic Photovoltaics II,
Osterpoort, 28 June - 1 July 2015

/ Li J., Popp H. (AIT), Istaq A. (Volvo), Danzer M.; Cycle life test and resistance characterization of Li-ion cells with Si-based composite anode;
AABC Europe 2015, Mainz, 26-29 Jan. 2015

/ Hariskos D., Jackson P., Powalla M.; Cd-free Cu(In,Ga)Se 2 -based solar
cells with very high efficiencies µ>20%; 6 th International Workshop on
CIGS Solar Cell Technology, Berlin, 29-30 April 2015
/ Haußmann J., Wilhelm F., Enz S., Klages M., Pournemat A., Bergbreiter C.,
Clark J.S.; Duraisamy K., Seidenberger K., Markötter H. (HZB), Manke I.
(HZB), Scholta J.; GDL and MPL characterization and their relevance to
fuel cell modelling; 228 th ECS Meeting, Phoenix, 11-15 Oct. 2015, I05 –
Polymer Electrolyte Fuel Cells 15 (PEFC 15)
/ Hempel. W., Wischmann W.; Influence of CIGS surface conditioning on
GDOES depth profile measurement results; ECASIA 2015, 16 th European
Conference on Applications of Surface and Interface Analysis, Granada,
28 Sept. - 1 Oct. 2015

/ Matthiss B.; PV storage systems – sizing and operation to serve owner
and grid; World of Energy Solutions, Stuttgart, 12-14 Oct. 2015
/ Musiol F.; Energiemix der Zukunft; BfN-Zukunftsworkshop, Bonn, 15.4.2015
/ Pietruschka D. (HFT), Brennenstuhl M. (HFT), Matthiss B., Binder J.;
Decentralised heat pumps and small electricity storages as active
components in a virtual power plant for smart grid services; Proc. of
the 15th IEEE-EEEIC 2015 (International Conference on Environment
and Electrical Engineering), Rome, 10-13 June 2015
/ Powalla M.; Progress in high-efficiency Cu(In,Ga)Se 2 cells and modules on
glass and flexible substrates; EU PVSEC 2015, 31st European Photovoltaic
Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, 14-18 Sept. 2015
/ Schmidt M.; Smart-Grid – Welche Rolle spielt die KWK?; 5. Fachtagung
Kraftwärme-Kopplung des AK Dezent und des UM Baden-Württemberg:
Die Kraft-Wärme-Kopplung im zukünftigen Strommarkt, Stuttgart,
26.10.2015

/ Schmidt M.; Flexibilitätsoptionen für eine sichere Energieversorgung –
Perspektiven für Stadtwerke; 2. Innovationskonferenz Energie erneuerbar
gestalten, Grüner Strom Label e. V., Münster, 10.10.2015
/ Schmidt M.; Flexibilitätsoptionen für eine sichere Energieversorgung –
Perspektiven und Anforderungen an Stadtwerke; 9. EUROSOLARKonferenz Stadtwerke mit Erneuerbaren Energien, Tübingen, 14.4.2015
/ Schmidt M.; The political dimension: Germany’s „Energiewende“ –
a blueprint for other countries?; Hitec Graduate School for Energy &
Climate, Jülich, 27 April 2015
/ Schnabel T., Ahlswede E.; Solution-based preparation of Cu 2 ZnGeSx Se 4-x
absorber layers; 6 th European Kesterite Workshop, Newcastle, 19-20 Nov.
2015
/ Seidenberger K., Wilhelm F., Scholta J.; A kinetic Monte Carlo model to
study the time-dependent evolution of water agglomerations in PEMFC
GDLs; 12th Symposium of Fuel Cell and Battery Modelling and Experimental
Validation, Freiburg, 26-27 March 2015
/ Staiß F.; Klimarelevante, politische Visionen und Vorgaben der letzten
Dekade; IHK Region Stuttgart, 10. Stuttgarter Klimagespräch – Zehn Jahre
Klimapolitik auf dem Prüfstand, Stuttgart, 28.7.2015
/ Staiß F.; Fortschrittsbilanz der Energiewende; FfE-Fachtagung 2015 Merit
Order für ein zukunftsfähiges Energiesystem, München, 29.-30.4.2015
/ Staiß F.; Politik, Technik, Markt – Was treibt die Energiewende voran?;
Energie-Team Baden-Württemberg, Fellbach, 13.10.2015
/ Stellbogen D., Lechner P.; Accelerated PV module aging by a two-axis
solar tracking mirror concentrator system; Proc. of EU PVSEC 2015,
31 st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition,
Hamburg, 14-18 Sept. 2015, p. 1912-1916
/ Witte W., Abou-Ras D. (HZB), Hariskos D.; Improved growth behavior of
buffer layers deposited from solution on Cu(In,Ga)Se 2 thin films; E-MRS
Spring Meeting, Lille, 11-15 May 2015
/ Zuberbühler U., Specht M., Brinner A., Baumgart F., Stürmer B., Feigl B.;
Power-to-Gas: Technical progress and perspectives; 9. IRES: Energiespeicher für die Bereiche Strom, Wärme, Mobilität und Gas, Düsseldorf,
9.-11.3.2015
/ Zuberbühler U., Specht M., Brinner A., Baumgart F., Stürmer B., Feigl B.;
Fahrplanbetrieb PtG250; BMWi-Statusseminar Energiespeicher, Berlin,
22.-23.4.2015

87

// Organigramme
Organisational Charts

// Organigramm des Instituts
// ZSW Organisational Chart

// Organigramme der Geschäftsbereiche
// Organisational Charts of the Divisions
// Geschäftsbereich Photovoltaik
// Photovoltaics Division
Prof. Dr. Michael Powalla

// Kuratorium / Board of Trustees
// Vorsitz / Chairman
Prof. Dr. Christian Mohrdieck

// Materialforschung (MAT)
// Materials Research (MAT)
Dr. Wiltraud Wischmann

// Vorstand / Board
Prof. Dr. Frithjof Staiß
Prof. Dr. Michael Powalla
Prof. Dr. Werner Tillmetz

// Module Systeme Anwendungen (MSA)
// Modules Systems Applications (MSA)
Dr. Jann Binder

// Energiepolitik und Energieträger
// Energy Policy and Energy Carriers
Prof. Dr. Frithjof Staiß
// Zentralbereich Finanzen,
IT, Personal & Recht
// Finance, IT, Human
Resources & Legal Division
Prof. Dr. Frithjof Staiß

// Qualitätsmanagement
// Quality Management
Uwe Klinger

// Öffentlichkeitsarbeit
// Public Relations
Claudia Brusdeylins
// ZSW Technologietransfer und Service GmbH
Prof. Dr. Frithjof Staiß

// Geschäftsbereich Photovoltaik
// Photovoltaics Division

// Energiepolitik und Energieträger
// Energy Policy and Energy Carriers

Prof. Dr. Michael Powalla

Prof. Dr. Frithjof Staiß

// Geschäftsbereich Elektrochemische
Energietechnologien
// Electrochemical Energy
Technologies Division
Prof. Dr. Werner Tillmetz

// Systemanalyse (SYS)
// Systems Analysis (SYS)
Maike Schmidt

// Regenerative Energieträger und Verfahren (REG)
// Renewable Fuels and Processes (REG)
Dr. Michael Specht

// Geschäftsbereich Elektrochemische Energietechnologien
// Electrochemical Energy Technologies Division
Prof. Dr. Werner Tillmetz

// Akkumulatoren
// Produktionsforschung // Akkumulatoren (ECA)
// Brennstoffzellen
// Brennstoffzellen
// Brennstoffzellen
Materialforschung (ECM)
(ECP)
// Accumulators (ECA)
Grundlagen (ECG)
Stacks (ECB)
Systeme (ECS)
// Accumulators
// Production Research
// Fuel Cell Fundamentals // Fuel Cell Stacks (ECB) // Fuel Cell Systems (ECS)
Materials Research (ECM)
(ECP)
(ECG)
Dr. Margret
Wohlfahrt-Mehrens
Wolfgang Brugger
Dr. Harry Döring
Dr. Ludwig Jörissen
Dr. Joachim Scholta
Dr. Alexander Kabza

88

89

// Standorte
Locations

Stuttgart
Widderstall
Ulm

// Stuttgart

// Widderstall

// Ulm

// Ulm eLaB

Industriestraße 6
70565 Stuttgart

Widderstall 14
89188 Merklingen

Helmholtzstraße 8
89081 Ulm

Lise-Meitner-Straße 24
89081 Ulm

Ansprechpartner / Contact
Claudia Brusdeylins
Phone:	 +49 (0) 711 78 70-278
E-mail:	 claudia.brusdeylins@zsw-bw.de

90

Ansprechpartner / Contact
Tiziana Bosa
Phone:	 +49 (0) 731 95 30-601
E-mail:	 tiziana.bosa@zsw-bw.de

91

// Mitgliedschaften
// ZSW is a member of

// Abkürzungen
Abbreviations

// Firmen, Institute, Institutionen
// Companies, Institutes, Institutions

// Technische Begriffe
// Technical Terms

AABC	
AGEB	
AGEE-Stat	
AiF	
AIT	
BAM	
BDEW	
BfN	
BMBF	
		
BMUB	
		
	
BMVI	
		
BMWi	
		
DLR	
ECS	
eLaB	
E-MRS	
EMPA	
FfE	
FhG-ISE	
FhG-IWES	
FPL	
	
		
FVEE	
HFT	
HIU	
		
HZB	
IEEE	
IHK	
IRES	
ISFH	
IZES	
KEA	
KEIT	
MFW BW	
MRS	
NPE	
		
TNO	
	
TU	
UM BW	
		
USTB	
VDMA	
WI	
WUT	
ZMP	

AC 	
AEL 	
BEV 	
BMS 	
CBD 	
CFD 	
CHP 	
CIGS 	
CIS 	
DC 	
DH	
DUT 	
EE 	
F&E 	
FC-DLC 	
FCEV 	
GDL 	
GD-OES 	
		
HW	
IKT	
IR 	
LFP 	
LNG	
µ-CT	
MPL 	
NCM 	
NMP 	
RMSE	
P2G ® 	
P2H 	
PDT 	
PEFC 	
		
PEM 	
PEMFC 	
		
PHEV 	
PID 	
PtL 	
PV 	
PVDF 	
R&D 	
R2R® 	
REM 	
RES 	
SEM 	
SIL	
SNG 	
SOH 	
TCO	

92

Advanced Automotive Battery Conference
Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen
Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energien – Statistik
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungseinrichtungen
Austrian Institute of Technology
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft
Bundesamt für Naturschutz
Bundesministerium für Bildung und Forschung/
Federal Ministry of Education and Research
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und
Reaktorsicherheit/Federal Ministry for the Environment, 		
Nature Conservation, Building and Nuclear Safety
Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur/
Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie/
Federal Ministry for Economic Affairs and Energy
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Electrochemical Society
ZSW Labor für Batterietechnologie
European Materials Research Society
Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
Forschungsstelle für Energiewirtschaft
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik
Forschungsplattform für die industrielle Produktion von 		
Lithium-Ionen-Zellen/ Research platform for industrial
production of lithium-ion cells
Forschungsverbund Erneuerbare Energien
Hochschule für Technik
Helmholtz-Institut Ulm für elektrochemische
Energiespeicherung
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Industrie- und Handelskammer
International Renewable Energy Storage (Conference)
Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln/Emmerthal
Institut für ZukunftsEnergieSysteme
Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg
Korea Evaluation Institute of Industrial Technology
Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg
Materials Research Society
Nationale Plattform Elektromobilität/German National
Platform for Electric Mobility
Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurweten-		
schappelijk Onderzoek
Technische Universität
Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft
Baden-Württemberg
University of Science and Technology Beijing
Verband der Maschinen- und Anlagenbauer
Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie
Warsaw University of Technology
Zentralinstitut für Neue Materialien und Prozesstechnik

Alternating Current/Wechselstrom
Alkaline Pressure Electrolysis/Alkalische Druckelektrolyse
Battery Electric Vehicle/Batterieelektrische Fahrzeuge
Battery Management System/Batteriemanagementsystem
Chemical Bath Deposition
Computational Fluid Dynamics
Combined Heat and Power
Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid
Kupfer-Indium-Diselenid
Direct Current/Gleichstrom
Damp Heat
Device under Test
Erneuerbare Energien
Forschung und Entwicklung
Fuel Cell Dynamic Load Cycle
Fuel Cell Electric Vehicle/Brennstoffzellenfahrzeug
Gas Diffusion Layer/Gasverteilerschicht
Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy/
Optische Glimmentladungsspektroskopie
Hardware
Informations- und Kommunikationstechnik
Infrared/Infrarot
Lithium Iron Phosphate/Lithium-Eisen-Phosphat
Liquefied Natural Gas/Flüssigerdgas
Micro-Computed Tomography/Mikro-Computertomographie
Micro Porous Layer
Nickel Cobalt Manganese/Nickel-Kobalt-Mangan
N-Methyl-2-Pyrrolidone/N-Methyl-2-Pyrrolidon
Root Mean Square Error/Mittlerer quadratischer Fehler
Power to Gas
Power to Heat
Post Deposition Treatment
Polymer Electrolyte Fuel Cell/
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
Polymer Electrolyte Membrane/Polymer-Elektrolyt-Membran
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell/
Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
Plug-in Hybrid Electric Vehicle
Potential-Induced Degradation/Potenzialinduzierte Degradation
Power to Liquid
Photovoltaics/Photovoltaik
Polyvinylidenfluorid
Research and Development
Roll to Roll/Rolle zu Rolle
Raster-Elektronen-Mikroskop
Renewable Energy Sources
Scanning Electron Microscope
Safety Integrity Level/ Sicherheits-Integritätslevel
Substitute Natural Gas/Erdgassubstitut
State of Health
Transparent Conductive Oxides/Transparente leitfähige Oxide

AKK 	
BBA-BW	
DGMK	
DVG	
DWV	
ECS	
EERA 	
EFDS	
EUREC	
EWEA	
GDCh	
KLiB	
N.ERGHY	
Solar Cluster	
VDMA	
WBZU	
Windcluster BW	
WindForS	
ZfES	

// Impressum
// Imprint

Arbeitskreis Kohlenstoff der Deutschen Keramischen Gesellschaft e. V.
Brennstoffzellen- und Batterie-Allianz Baden-Württemberg
Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e. V.
Deutsche Vakuumgesellschaft e. V.
Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband
Electrochemical Society
European Energy Research Alliance	
Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e. V.
European Renewable Energy Centres Agency
European Wind Energy Association	
Gesellschaft Deutscher Chemiker
Kompetenznetzwerk Lithium Ionen Batterien
New European Research Grouping (c/o DLR)
Solar Cluster Baden-Württemberg e. V.
Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellenforum im VDMA
Weiterbildungszentrum Ulm für Innovative Energietechnologien e. V.
Windcluster Baden-Württemberg
Windenergie Forschungsnetzwerk Süd
Zentrum für Energieforschung Stuttgart

// Herausgeber Publisher
Zentrum für Sonnenenergieund Wasserstoff-Forschung
Baden-Württemberg (ZSW)
Industriestraße 6
70565 Stuttgart
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