Erneuerbare Energien chemisch speichern
Erforschung von katalytischen Systemen unter schwankenden Betriebsbedingungen bei Nutzung von Wind- und Sonnenenergie
2050 sollen 80 Prozent des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, elektrische Energie in chemischen Energieträgern zu speichern. Im Schwerpunktprogramm „Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung“ (SPP 2080, DynaKat) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) untersuchen zwölf große Forschungskonsortien, wie sich katalytische Reaktionssysteme unter solchen Bedingungen verhalten. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniert das Schwerpunktprogramm.
Energie aus erneuerbaren Quellen speichern – das ist eine der Herausforderungen der Energiewende.
Pascal Armbruster, KIT
Schematische Darstellung und Überblick über die wissenschaftliche Arbeit im SPP2080: Mit erneuerbaren Energien werden aus Kohlendioxid und Wasser durch Elektrolyse und katalytische Umsetzung Chemikalien und Kraftstoffe hergestellt.
Grafik und ©: Arbeitsgruppe Grunwaldt, KIT
Sonne und Wind sind neben Biomasse die wichtigsten erneuerbaren Energieträger, aber sie stehen nicht gleichmäßig zur Verfügung. An wind- und sonnenreichen Tagen fällt mehr Strom an, als in die Netze eingespeist werden kann. Diese Überproduktionen aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen lassen sich in Chemikalien speichern. So kann elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung stehen, die Chemikalien können aber auch als nachhaltige Bausteine genutzt werden, um Treibstoffe oder Plattformmoleküle für die chemische Industrie herzustellen.
Für die Umwandlung von Kohlendioxid oder Wasserstoff in Speichermoleküle wie Methan, Kohlenwasserstoffe oder Alkohole sind Katalysatoren, elektrochemische Zellen und Reaktoren notwendig. Wie sich der Einfluss wechselhafter dynamischer Gegebenheiten von außen – durch das Schwanken von Windstärke und Sonneneinstrahlung – auf die katalytischen Reaktionssysteme auswirkt, wurde bislang kaum betrachtet. „Man weiß jedoch, dass sich die Struktur fester Katalysatoren und damit ihre katalytische Wirkung mit den Reaktionsbedingungen stark ändern kann. Dies ist wissenschaftlich hochspannend“, sagt Professor Jan-Dierk Grunwaldt von den Instituten für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) sowie für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des KIT. Der Inhaber des Lehrstuhls für Chemische Technik und Katalyse koordiniert das DFG-Schwerpunktprogramm DynaKat, an dem neben dem KIT zahlreiche weitere Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland beteiligt sind, darunter das Forschungszentrum Jülich, die TU München und mehrere Max-Planck-Institute wie das Berliner Fritz-Haber-Institut. Das Kick-off-Meeting fand im Februar mit über 70 Teilnehmenden in Karlsruhe statt. Die deutschlandweit zwölf interdisziplinären, überregionalen Forschungsprojekte untergliedern sich in 34 Teilprojekte, sieben von ihnen sind am KIT verortet, das sich mit dem ITCP, dem IKFT sowie dem Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) beteiligt.
Die DFG fördert das auf insgesamt sechs Jahre angelegte Schwerpunktprogramm DynaKat zunächst für drei Jahre mit 8,5 Millionen Euro. Der projektstärkste Partner ist das KIT.
„Wir wollen Veränderungen des Materials der Katalysatoren unter dynamischen Bedingungen grundlegend verstehen und verbessern“, sagt Dr. Erisa Saraçi, wissenschaftliche Mitarbeiterin am IKFT und Mitorganisatorin des Kick-off-Meetings am KIT. Dafür werden alle beteiligten Prozesse untersucht, von den Vorgängen auf der atomaren Ebene des Katalysators bis zur räumlichen Verteilung der Stoffkonzentrationen und Temperaturen auf Reaktorebene. Für ein grundlegendes Verständnis der Prozesse und um neue Ansätze im Material- und Reaktordesign zu entwickeln, kommen klassische etablierte Experimente ebenso zum Einsatz wie neueste spektroskopische Methoden und Möglichkeiten der Modellierung.
Das Einbeziehen des wissenschaftlichen Nachwuchses spielt im DFG-Schwerpunktprogramm DynaKat eine wichtige Rolle, so steht ein Blockkurs am KIT zum Thema „Technologien und Ressourcen für Erneuerbare Energien: Von Wind und Solar zu Chemischen Energieträgern“ interessierten Studierenden und Promovierenden offen. „In der Forschung kommt man ohne Netzwerke und Teamarbeit nicht voran, da die einzelnen Teildisziplinen sehr komplex sind“, sagt Sebastian Weber, Doktorand am IKFT/ITCP. Gerade für den wissenschaftlichen Nachwuchs seien der Austausch und das Zusammenbringen unterschiedlicher Expertisen wertvoll, betonen Saraçi und Weber. „Es geht darum, Kompetenzen zu bündeln und das Themengebiet deutschlandweit voranzutreiben, um darin international führend zu werden“, so Programmkoordinator Grunwaldt.
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