„Die Energiewende gehört zu den grössten Aufgaben unserer Gesellschaft. Es gilt, das Energiesystem einschliesslich aller gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und politischen Aspekte für die Zukunft aufzustellen. Hierfür leisten wir einen zentralen Beitrag“, erklärt Professor Holger Hanselka, Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Vizepräsident der Helmholtz-Gemeinschaft für den Forschungsbereich Energie. „Um die Forschungslücke bei den Themen Energiespeicher und Netztechnologien zu schliessen, bündeln wir nun im Programm SCI unsere Kompetenzen und Erfahrungen.“
Speichersysteme, Infrastrukturen und sektorübergreifende Vernetzung
„Eine Energieversorgung, die auf erneuerbaren Energien basiert, benötigt drei wichtige technologische Lösungen“, stellt Professor Mathias Noe vom KIT fest, wissenschaftlicher Sprecher des Forschungsprogramms SCI. „Adäquate Energiespeichersysteme, um Fluktuationen zu überbrücken; effiziente Infrastrukturen, um die Energieverteilung zu bewältigen; und eine sektorübergreifende Vernetzung, um die Flexibilität, Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Energiesysteme zu erhöhen.“ An diesen Anforderungen orientiert sich das neu konzipierte Forschungsprogramm SCI „Storage and Cross-Linked Infrastructures“ (Speicher und vernetzte Infrastrukturen). Im Vordergrund stehen die Erforschung der technologischen Möglichkeiten mit Blick auf eine zeitnahe Anwendung, nachhaltige Herstellung, hohe Effizienz sowie sichere und zuverlässige Systemintegration.
6 Themen
Das Forschungsprogramm SCI gliedert sich in sechs Themen: Batterien und elektrochemische Speicher, Elektrolyse und Wasserstoff, synthetische Kohlenwasserstoffe, Brennstoffzellen, thermische Energiespeicher sowie Netze und Speicherintegration. Partner aus fünf Zentren der Helmholtz Gemeinschaft forschen im Rahmen von SCI: Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Forschungszentrum Jülich (FZJ), Helmholtz Zentrum Berlin (HZB), Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR).
Beispiele aus der bisherigen Forschung der Partner
Elektrochemische Energiespeicher
Die vollständige Kette vom Basismaterial bis zum kompletten Batteriesystem wird in den Zentren KIT, FZJ, DLR, HZB und HZDR abgebildet. Dies beinhaltet die Modellierung, das Material und die Zellcharakterisierung sowie in operando Methoden, Elektrodenbeschichtung und Zellfertigung, Batterie- und Thermomanagement und Systemintegration, wie etwa am Solarstromspeicherpark des KIT. Die vertiefende Materialforschung stellt dabei die Grundlage für kosteneffiziente grossformatige Batteriezellen mit grösserer spezifischer Energie- und Leistungsdichte sowie verbesserter Zuverlässigkeit und Sicherheit dar.
Elektrolyse und Wasserstoff
Für eine sichere und effiziente Nutzung von Wasserstoff als Energieträger ist es zwingend notwendig, die Konstruktion, die Komplexität und die Dynamik von innovativen Systemen zu untersuchen. Die Helmholtz-Zentren DLR, FZJ und KIT bringen hierfür deutschlandweit die bedeutendste und umfangreichste Expertise bei der Elektrolysetechnologie und Wasserstoffsicherheit mit. Hierbei steht etwa mit dem Hydrogen Test Center (HYKA) eine einzigartige Versuchseinrichtung für Wasserstoff-Sicherheitsversuche im Industriemassstab zur Verfügung.
Brennstoffzellen
Die Erreichung einer anwendungsspezifischen Lebensdauer bei Brennstoffzellen steht im Fokus der Forschung bei FZJ und DLR. Bei den Brennstoffzellen-Typen SOFC und DMFC konnten durch den Einsatz funktionsoptimierter Materialien und industrierelevanter Fertigungsprozesse Lebensdauern erzielt werden, die für den Markteinsatz geeignet sind. Bei PEMFC wird ausserdem verstärkt die Reduktion des Edelmetallgehaltes in den Zellen untersucht.
Thermische Energiespeicher
Die thermochemische Speicherung von Wärme auf einem Temperaturniveau von 500 °C konnte erstmals in einem Massstab von 10 kW mit gelöschtem Kalk nachgewiesen werden. Die dafür zu entwickelnden innovativen thermischen Energiespeichersysteme beim DLR vereinen das Potenzial sehr hoher Speicherdichten mit einer hervorragenden Kosteneffizienz.
Netze und Speicherintegration
Die gewaltigen Veränderungen im Rahmen der Energiewende erfordern neue, verteilte und autonome Netzwerkstrukturen ebenso wie eine effiziente Integration von heterogenen Energiespeichersystemen. Auch neue Technologien wie supraleitende Kabel oder Wasserstoffpipelines sollen betrachtet werden. Das Energy Lab 2.0 als integrierte Technologie- und Systemplattform vom KIT, DLR und FZJ widmet sich der Erforschung und experimenteller Erprobung neuer Ansätze und leistungsfähiger Werkzeuge für die Stabilisierung der Energienetze der Zukunft ermöglichen („Smart Energy System“).
Synthetische Kohlenwasserstoffe
Power-to-Gas-Technologien ermöglichen es, nachhaltige Treibstoffe mit hoher Energiedichte aus überschüssigen, erneuerbaren Energien herzustellen. Um bedeutende Speichertechnologien von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien für dezentrale Anwendungen am KIT zu entwickeln, werden neuartige Prozesskonzepte, Systemkomponenten und Katalysatoren für hochdynamischen Betrieb im Bereich der synthetischen Kohlenwasserstoffe untersucht. Ziel sind modulare, flexible und vor allem dezentral einsetzbare Systeme.
Helmholtz-Gemeinschaft
Die deutsche Helmholtz-Gemeinschaft leistet Beiträge zur Lösung grosser und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch wissenschaftliche Spitzenleistungen in sechs Forschungsbereichen: Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie sowie Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr. Die Helmholtz-Gemeinschaft ist mit fast 36‘000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in 18 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 3.8 Milliarden Euro die grösste Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Ihre Arbeit steht in der Tradition des grossen Naturforschers Hermann von Helmholtz (1821-1894).
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