Materialien für eine erfolgreiche Energiewende

 

Energiesysteme befinden sich weltweit in einer Umbruchphase. Erneuerbare Energien – allen voran Solar- und Windenergie – gewinnen eine dominante Bedeutung und werden aller Voraussicht nach zur Mitte des Jahrhunderts die größten Beiträge zur Stromerzeugung, aber auch zur Energieversorgung insgesamt liefern.

Paradigmenwechsel des Versorgungsmodells

Der große Anteil volatiler, nicht regelbarer erneuerbarer Energien für die Stromerzeugung bedingt einen Paradigmenwechsel des heute immer noch stark auf zentralen Kraftwerken basierenden Versorgungsmodells. Die bedarfsgerechte Energiebereitstellung durch Großkraftwerke wird dabei zunehmend ersetzt werden durch ein System, in dem fortwährend ein Ausgleich zwischen (volatiler) Bereitstellung und flexibler Nutzung erfolgt. Hieraus entsteht ein komplexes Zusammenspiel aus zeitlich angepasster Energienutzung, der stärkeren Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr, dem temporären Einsatz flexibler Erzeugungsanlagen und dem Einsatz von Speichern verschiedener Bauformen.

Aus all dem ergeben sich nicht nur wesentliche Anforderungen an den Betrieb des Energiesystems, sondern auch an Komponenten und die bei deren Herstellung zum Einsatz kommenden Funktionsmaterialien – von der primären Energiewandlung über Transport und Verteilung sowie Speicherung bis hin zur Nachfrageseite. 

Beispiele für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten

Aus der Photovoltaik  

  • Neue Fertigungsprozesse für Siliciumwafer.
  • Neue Materialklassen wie Perowskite oder Kombinationen aus Materialien mit verschiedenen Bandabständen für Mehrfachsolarzellen.

Materialfragen im Bereich der Energiespeicher

  • In Lithium-Ionen-Batteriezellen geht es um neue Anodenmaterialien mit höherer Energiedichte, um Ersatzstoffe für Kobalt auf der Kathodenseite und mittelfristig um den Ersatz flüssiger Elektrolyte durch Ionen-leitende Feststoffe.

Leistungselektronik

  • Weiter entwickelte Halbleiterwerkstoffe können zu signifikanten Sprüngen in der Taktfrequenz und damit der Leistungsdichte führen.
  • Metall-organische Gerüstmaterialien können als hoch-poröse Materialien mit gut einstellbaren Mikrostrukturen in unterschiedlichsten Einsatzgebieten zur Anwendung gelangen – von Gas-Wärmepumpen über selektive Adsorber zur Gastrennung, z.B. zur selektiven CO2-Anlagerung, bis hin zu Feststoffspeichern zur reversiblen Einlagerung unterschiedlichster Moleküle wie solche synthetischer Energieträger.

Dies sind nur einige Beispiele für eine Vielzahl vielversprechender Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die nahezu alle Aspekte der Energiewandlungsketten umfassen. 

Zukünftige Energiesysteme 

Hinzu kommt eine weitere Anforderung: Während das klassische Energieversorgungssystem vor allem auf der Nutzung fossiler Energieträger basiert(e) und alle anderen Materialien in Kraftwerken und Anlagen aus Ressourcensicht eine verglichen damit nachrangige Rolle gespielt haben, basiert das zukünftige Energiesystem in erster Linie auf erneuerbaren Energien, die nach menschlichem Ermessen unerschöpflich sind. Allerdings bedarf es eines massiv höheren Einsatzes einer Vielzahl von Materialien – von Kupfer, Stahl und Beton bis hin zu Seltenen Erden – für die vielen Millionen Anlagen zur Wandlung und Speicherung. Deshalb wird zukünftig Fragen der Ressourcenverfügbarkeit und der Schaffung geschlossener Ressourcenkreisläufe für diese Anlagen und Komponenten eine Schlüsselrolle zukommen. 

Im Fokus der angewandten Materialforschung

Diese und zahlreiche weitere Forschungsfragen stehen im Fokus der angewandten Materialforschung einer Vielzahl von Fraunhofer-Instituten des Materialverbunds. Neben einer exzellenten Ausstattung im Bereich der experimentellen Methoden zur Materialsynthese und -charakterisierung sowie Expertise in der grundlegenden Werkstoffsimulation zeichnet es uns aus, dass wir frühzeitig Fragen der industriellen Umsetzbarkeit und der Kostenanalysen mit einbeziehen.