Wind- und Solarenergie speichern

Im Jahr 2050 sollen achtzig 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 untersuchen zwölf große Forschungs­konsortien, wie sich katalytische Reaktionssysteme unter solchen Bedingungen verhalten. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniert das Schwerpunkt­programm.

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 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 renommierte 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 siebzig Teilnehmern 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 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.

KIT / DE

Weitere Infos

• Schwerpunktprogramm „Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebs­bedingungen für die Energie­speicherung und -wandlung
• Lehrstuhl Chemische Technik und Katalyse (J.-D. Grunwaldt), Karlsruher Institut für Technologie