Forschung

Wind, Sonne und Wasserstoff

11.01.2021 - Energietechnologien im Jahresrückblick 2020.

In Deutschland deckten die erneuerbaren Energien im Jahr 2020 46,2 Prozent des Strombedarfs. Parallel sanken die CO2-Emissionen um 42,3 Prozent unter den Emissionen des Referenzjahres 1990. Der Treibausgasausstoß ging somit unter die Marke des Klimaschutz­ziels für 2020 von vierzig Prozent zurück. Dieser Erfolg ist jedoch auch der Corona-Pandemie zu verdanken, so dass die Anstrengungen 2021 und in den Folgejahren umso anspruchs­voller ausfallen werden. Hilfreich sind dabei viele Fortschritte, die auch im vergangenen Jahr im Bereich der Energie­forschung glückten.

So hat sich 2020 die Einsicht verfestigt, dass für die Energiewende Wasserstoff als Energie­speicher und für die Kopplung der Sektoren unver­zichtbar ist. Im Rahmen der Nationalen Wasserstoff­strategie startete – mit 51 Millionen Euro gefördert – die Forschungsplattform CatLab, um in der Katalyse neue Impulse zu liefern. Denn Katalysatoren sind der Schlüssel für viele Techno­logien und Prozesse, die für den Aufbau einer klima­neutralen Wirtschaft benötigt werden. Unter Federführung des Zentrums für Sonnen­­energie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) begann ein Projekt zur Indus­trialisierung der Elektrolyse. Für die Gewinnung von grünem Wasserstoff soll die Produktion von Elektro­lyseuren und der dafür erforder­­lichen Kompo­nenten vorangetrieben werden. Parallel machte die Optimierung von Brennstoff­zellen sowohl für ihre Lang­lebigkeit als auch für höhere Wirkungsgrade Fortschritte. 

Nicht nur Wasserstoff spielt für zukünftige Power-to-Gas-Projekte eine große Rolle. Auch Methan soll sich in drei Pilot­anlagen für die effiziente Speicherung von Energie im großen Maßstab empfehlen. Hoch­effizient kann auch aus Ammoniak wiederum Wasserstoff hergestellt werden und taugt so als grüner Energie­träger. Wissen­schaftler der Universität Duisburg-Essen und des Zentrums für Brennstoff­zellen-Technik ZBT entwickelten dafür eine innovative Anlage: den Ammoniak-Cracker. Steht im Autoverkehr die Elek­trifizierung der Antriebe im Mittelpunkt, arbeiten seit 2020 neue Institute des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt sowohl an einer klimafreundlichen Luftfahrt als auch an nachhaltigen maritimen Energie­­systemen

Unter den Strom­speichern behaupteten Lithium-Ionen-Batterien weiterhin ihre führende Rolle. Doch ihre Leistungs­­­fähigkeit lässt sich noch ausbauen, wie eine Detailanalyse Jülicher Forscher von Defekten in Anoden aus Silizium zeigt. Forscher der Universität Gießen kombinierten mikroskopische Verfahren, um bessere Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien möglich zu machen. Weiter in die Zukunft weisen dagegen Arbeiten vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff­mechanik, die atomistische Simulationen von Feststoff-Elektrolyten durchf­ührten. Ziel dieser Forschung sind spezielle, chemische Zusammen­setzungen von Keramiken, um Lithium-Ionen-Batterien umwelt­freund­licher und sicherer als bisher mit Flüssig-Elektrolyten zu machen. Aufsehen erregte auch eine Erfindung aus dem Karlsruher Institut für Tech­nologie: Mit einem neuen Verfahren kann in Erdwärme­kraftwerken Lithium aus den Tiefengewässern des Oberrheingrabens gewonnen und damit die Abhängigkeit von Importen verringert werden. 

Alternativen zu Lithium

Doch auch andere Stromspeicher stehen in der Entwicklung, die ab 2020 mit einer Förderung von 100 Millionen Euro für vier neue Batterie-Kompetenz­cluster intensiviert werden soll. Ein viel ver­sprechendes Potenzial für höhere Energiedichten, Laderaten und längere Lebensdauern zeigte die Material­kombination Lithium-Lanthan-Titanat, die am Karlsruher Institut für Techno­­logie KIT und an der Jilin-Universität in Changchun in China untersucht wurde. Auch Natrium statt Lithium kann zu effizienten und vor allem günstigen Batterien führen, wie Forscher vom Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf zeigten. Sie entdeckten, dass sich in Doppel­schichten aus Graphen mehr Natriumatome einlagern ließen als in purem Graphit. Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin kombinierten die Vorteile von Batterien und Kondensatoren mit der neuen Materialklasse der zwei­dimensionalen Titan­karbide. Über die Einlagerung von Harnstoff­molekülen ließ sich die Kapazität solcher „Pseudo­kondensatoren“ um mehr als fünfzig Prozent erhöhen. 

Auch 2020 dominierten Solarzellen allein auf Silizium-Basis den Photo­voltaik-Markt. Doch Tandemzellen aus Silizium und einer Perowskit-Schicht reiften immer weiter und stehen kurz vor der Produktion. Mit 29,15 Prozent Wirkungsgrad erreichte ein Entwicklungsteam des Helmholtz-Zentrums Berlin sogar einen neuen Weltrekord für diesen Solarzelltyp. Ebenfalls höhere Wirkungsgrade verzeichneten Entwickler organischer Solarzellen vom Fraunhofer Institut für Solare Energie­systeme. Mit 14,9 Prozent stellten sie einen neuen Rekord für organische Solarzellen mit mindestens einem Quadratzentimeter Fläche auf. Dünnschicht-Solarzellen auf der Basis von Chalkopyrit-Verbindungen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGSe) erzielten im Rahmen des europäischen Forschungs­­projekts Sharc 25 sogar einen Wirkungsgrad von 22,6 Prozent. Vorteil dieser Zelltypen ist der sehr viel geringere Energiebedarf bei der Herstellung im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solar­zellen.

Modellierte Winde

Längere Rotorblätter, höhere Türme und Leistungen bestimmten auch 2020 den Entwicklungs­trend bei Windkraft­anlagen. Doch neben dieser rein technischen Skalierung wuchs das Interesse an immer intelligenteren Regelungstechniken. So entwickelte das Institut für Regelungs­technik der RWTH Aachen und das Unternehmen W2E Wind to Energy ein Verfahren, das auf der Basis von Model­lierungen das Verhalten von Windrädern einige Sekunden vorhersagen konnte. Diese Methode zur Reduzierung der Lasten wurde in einem weltweit einmaligen Feldtest an einer Wind­kraftanlage der Multi-Megawatt-Klasse erfolgreich getestet. Bessere Vorhersagen der Windstromerzeugung hat auch das 2020 gestartete Forschungs­projekt „WindRamp“ als Ziel. Wissenschaftler des Zentrums für Windenergie­forschung an der Uni Oldenburg wollen Laserstrahlen nutzen, um starke Änderungen der Windgeschwin­digkeit in Zeiträumen von weniger als einer halben Stunde zu ermitteln. Auch die erste Flugwindk­raftanlage Deutschlands mit einem in Achten fliegenden Drachen hat in Schleswig-Holstein eine Reihe von wichtigen Tests erfolgreich abgeschlossen. Die Anlage wurde im Rahmen des Projekts „SkyPower100“ errichtet, an dem auch das Unternehmen SkySails Power und die Leibniz Universität Hannover beteiligt sind.

Supraleiter und stabilisierte Stromnetze

An einem besser abgestimmten Zusammenspiel von Wind- und Solarparks mit dem Stromnetz arbeiteten im vergangenen Jahr zahlreiche Forscher. So gelang es, mit beiden Arten der erneuerbaren Stromerzeugung auch Regel­leistung zur Stabi­lisierung des Stromnetzes bereit­zustellen. Auch der Einsatz von Batterien kann den gleichen Zweck erfüllen. Koordiniert von der TU Clausthal startete das Projekt „GridBatt - Batterie­­technologien zur Sicherung eines stabilen Netzbetriebes“. Schwankungen in der Strom­erzeugung sollen damit besser aufgefangen werden. Und mit dem Einsatz von Hoch­temperatur-Supraleitern nehmen die Stadtwerke München einen Weltrekord ins Visier. Geplant ist eine zwölf Ki­lome­ter lange Sup­ra­lei­ter-Hoch­span­nungs­­stre­cke im Stromnetz der Stadt. Nach Fertigstellung wird es die welt­weit erste der­art lange Sup­ra­lei­ter-Ka­bel­stre­cke mit ech­tem Ver­sor­gungs­auf­trag sein. 

Neben erneuerbaren Kraftwerken und intelli­genten Stromnetzen machten 2020 die Arbeiten an der Kernfusion größere Fortschritte. Mit einem Festakt feierte die ITER Organization den offiziellen Beginn des Zusammenbaus des weltweit größten Tokamak-Fusionsexperiments in Süd­frankreich. Der Zeitplan sieht vor, in den nächsten fünf Jahren die mehr als zehn Millionen Einzelteile des Tokamak-Reaktors zusammen­zusetzen. Der ältere Tokamak JET in Großbritannien experimentiert erstmals mit dem Brennstoff eines künftigen Fusions­kraftwerks, den beiden Wasserstoff-Sorten Deuterium und Tritium. Und nicht zuletzt wird auch die Stellerator-Fusions­anlage Wendelstein 7-X in Greifswald weiter ausgebaut. Eine wasser­­gekühlte Innen­­verkleidung des Plasmagefäßes wird die Anlage tauglich machen für höhere Heiz­leistung und längere Plasmapulse. Die aufwändigen Montage­­arbeiten werden bis weit in das laufende Jahr dauern. 

Jan Oliver Löfken

 

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