Foto: Forschungsgruppe Huber

Forschungs-Highlights

Fünf einflussreiche neue Erfindungen für die Energiewende

Neue Forschungsansätze bei Solar, Speicher, Wasserstoff werfen ihre Schatten voraus. Geniale Ideen rund um die Energiewende.

Inhaltsverzeichnis

Nicole Weinhold

Die Forschung rund um erneuerbare Energien, Speicher und Sektorkopplung schreitet zügig voran. Hier präsentieren wir fünf unglaubliche neue Highlights, die für Aufsehen sorgen:

1. Lithium-Abbau in Deutschland

Für die Produktion von Lithiumionen-Akkus werden jedes Jahr Millionen Tonnen Lithium gefördert – bislang allerdings fernab von Deutschland. Eine Erfindung aus dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) könnte nun auch hierzulande einen wirtschaftlichen Abbau ermöglichen. Lithium soll dabei minimalinvasiv in Geothermieanlagen aus den Tiefengewässern des Oberrheingrabens gefördert werden.

In tiefen Gesteinslagen unter dem Oberrheingraben liegt ein mineralischer Schatz verborgen: Gelöst in salzigen Thermalwasserreservoiren befinden sich beträchtliche Mengen des Elements Lithium. „Nach unseren Kenntnissen können es bis zu 200 Milligramm pro Liter sein“, weiß der Geowissenschaftler Jens Grimmer vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT: „Wenn wir dieses Potenzial konsequent nutzen, dann könnten wir in Deutschland einen erheblichen Teil unseres Bedarfs decken.“ Aktuell ist Deutschland ein Nettoimporteur des begehrten Rohstoffs, der vor allem für die Produktion von Batteriezellen für Elektrofahrzeuge benötigt wird und somit für das Klimaschutzprogramm der Bundesregierung von großer Bedeutung ist. Importiert wird aus den typischen Förderländern Chile, Argentinien und Australien, die mehr als 80 Prozent der weltweiten Produktion auf sich vereinen.

Was eine Nutzung der heimischen Reserven bislang verhinderte, war das Fehlen eines geeigneten Verfahrens, um diese Ressource kostengünstig, umweltschonend und nachhaltig zu erschließen. Gemeinsam mit seiner Forscherkollegin Florencia Saravia von der Forschungsstelle des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) am Engler-Bunte-Institut (EBI) des KIT hat Grimmer ein solches Verfahren entwickelt und dieses wurde nun vom KIT zum Patent angemeldet. „Dabei werden in einem ersten Schritt die Lithiumionen aus dem Thermalwasser herausgefiltert und in einem zweiten Schritt weiter konzentriert, bis Lithium als Salz ausgefällt werden kann“, so Grimmer.

Lithium in Geothermieanlagen

Neues Verfahren aus dem KIT ermöglicht Lithiumabbau in Deutschland Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT patentieren minimalinvasive Technologie zur Gewinnung von Lithium in Geothermieanlagen. Ob Netzspeicher, Elektromobilität oder tragbare Elektronik – Lithiumionen-Akkus sind aus unserem Leben nicht mehr weg-zudenken. Für die Produktion werden jedes Jahr Millionen Tonnen Lithium gefördert – bislang allerdings fernab von Deutschland. Eine Erfindung aus dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) könnte nun aber auch hierzulande einen wirtschaftlichen Abbau ermöglichen. Lithium soll dabei mini-malinvasiv in Geothermieanlagen aus den Tiefengewässern des Oberrheingrabens gefördert werden © copyright by Karlsruher Institut für Technologie Allgemeine Services - Crossmedia Abdruck honorarfrei im redaktionellen Bereich Belegexemplar erbetenFoto: © www.kit.edu

2. Neue Dünnschichtzellen-Produktion spart 20 Tausend Tonnen CO2

Bisherige Silizium-Solarzellen sind durch ihre massenhafte Produktion zwar günstig, aber im Herstellungsprozess komplexer und weniger ressourcenschonend als Dünnschichtzellen. Werden jene wiederum mit der Technik eines Pikosekundenlasers hergestellt, verfügen sie über einen noch 10-15 Prozent höheren Wirkungsgrad. Trotz ihres derzeit geringen Marktanteils sparen sie mit 20 Tausend Tonnen pro Jahr bereits heute die CO2-Menge ein, die 3000 Personen in Deutschland durchschnittlich im Jahr emittieren.

Sogenannte CIGS-Dünnschichtsolarzellen bestehen aus nur wenige Mikrometer messenden Schichten. Namensgebend ist die lichtabsorbierende Schicht aus dem Halbleiter Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, kurz CIGS. Die hauchdünnen Zellen bestehen aus einem Sandwich von vier Schichten: dem Trägermaterial 3 Millimeter Glas unten, einer Molybdänschicht von nur einem Mikrometer, der namensgebenden CIGS-Schicht von drei Mikrometern sowie einer Fensterschicht aus Zinkoxid von einem Mikrometer oben auf.

Die großflächige CIGS-Schicht der Zelle muss für die Stromproduktion eine Struktur aus feinen Rillen bekommen, die die große CIGS-Fläche in ungefähr hundert einzelne Zellen unterteilen. Wie Batterien, die seriell hintereinander verschaltet werden, erhöht sich so die circa ein Volt Spannung einer Zelle auf um die hundert Volt eines ganzen Zellen-Moduls. Die Molybdänschicht unter der CIGS-Schicht darf bei diesem Prozess jedoch nicht verletzt werden.

Das bisherige mechanische Ritzen der Rillen, das Scriben, hatte Nachteile: „Mit der Ritznadel werden breitere Furchen erzeugt und auf dem Grund der Rillen bleiben schlecht leitende Reste übrig. Trägt man die Schichten mit dem Pikosekunden-Laser ab, kann man feinere Linien erzeugen, die den Strom besser leiten. Der Wirkungsgrad der Zelle steigt, ohne dass sich Kosten nennenswert erhöhen“, sagt Huber.

Indem er Laserimpulse mit einer Dauer von Pikosekunden und einer hohen Wiederholrate einsetzte, ermöglichte Huber erst die industrielle Herstellung der CIGS-Dünnschichtzellen: „Mit dem Nanosekundenlaser verbrennt man alle drei Schichten und schmilzt sie zusammen. Nur mit einem Ultrakurzpuls-Laser wie dem Pikosekunden-Laser kann man die obere CIGS-Schicht strukturieren, ohne die Molybdänschicht darunter zu beschädigen“, sagt der Forscher. Die Verbindung zwischen dem Molybdän und der transparenten Zinkoxid-Deckschicht ist fester. Auch dadurch sinken die inneren Energieverluste, womit der Wirkungsgrad steigt.

Durch eine Straffung des Herstellungsprozesses sieht Huber in Zukunft weitere Verbesserungsmöglichkeiten in punkto Wirkungsgrad und Reduzierung der Produktionskosten. Der jeweils abwechselnde Schichtenauftrag der einzelnen CIGS-Schichten und Strukturierung soll in einen gemeinsamen Auftrag aller Schichten und ihre gemeinsame Laserstrukturierung zusammengezogen werden.

3. Beschleunigte Entwicklung von Batterien

Um die von der EU und Deutschland angestrebte Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen, müssen unter anderem die Treibhausgasemissionen aus dem Straßenverkehr drastisch sinken. Wesentlich dazu beitragen soll der konsequente Ausbau der Elektromobilität, der allerdings kostengünstigere und nachhaltigere Alternativen zu den bestehenden Batterien voraussetzt. „Genau das ist eine riesige Herausforderung, denn die Entwicklung neuer Batterien dauert mit derzeitigen Methoden recht lange. Im Projekt BIG-MAP wollen wir das entscheidend voranbringen”, sagt Professor Maximilian Fichtner, wissenschaftlicher Sprecher von CELEST und POLiS sowie stellvertretender Direktor am Helmholtz Institut Ulm (HIU), welches das KIT gemeinsam mit der Universität Ulm gegründet hat. Das EU-Projekt BIG-MAP (BIG steht für Battery Interface Genome; MAP für Materials Acceleration Platform) zielt darauf ab, gänzlich neue Methoden zu etablieren und dadurch die Batterieentwicklung – unter anderem durch eine konsequente Automatisierung und durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) – deutlich zu beschleunigen. Nachhaltige und ultrahochleistungsfähige Batterien sollen zukünftig durch die in BIG-MAP etablierten Methoden bis zu zehnmal schneller entwickelt werden als bisher.

Im Rahmen von BIG-MAP soll eine gemeinsame europäische Dateninfrastruktur entstehen, die es ermöglicht, Daten aus allen Bereichen des Batterieentwicklungszyklus autonom zu erfassen, zu verarbeiten und in kooperativen Arbeitsabläufen zu nutzen. So wird ein physischer Zugang zu den unterschiedlich ausgestatteten Testeinrichtungen für die BIG-MAP-Forscherinnen und -Forscher dann kaum noch notwendig sein, und sie können über Landesgrenzen und Zeitzonen hinweg zusammenarbeiten. Von KI orchestrierte Experimente und Synthese werden große Mengen erfasster Daten mit Fokus auf Batteriematerialien, Schnittstellen und Zwischenphasen nutzen. Die Daten werden aus Computersimulationen, autonomer Hochdurchsatz-Materialsynthese und -charakterisierung, in Operando-Experimenten und Tests auf Geräteebene generiert. Neuartigen KI-basierten Werkzeugen und Modellen werden die Daten dazu dienen, das Zusammenspiel zwischen Batterie-Materialien und Grenzflächen zu „erlernen“ und so die Grundlage für die Verbesserung zukünftiger Batteriematerialien, Grenzflächen und Zellen zu schaffen.

„Wir werden in der Lage sein, den komplexen chemischen Raum mithilfe von autonom agierenden Robotern in nie dagewesener Geschwindigkeit und Qualität zu erkunden. Unser Verständnis wird hierbei durch eine zentrale Künstliche Intelligenz unterstützt“, erläutert Professor Helge Stein (HIU und POLiS), in dessen Forschungsgruppe die für die beschleunigte Materialentdeckung benötigte KI federführend entwickelt und über den europäischen Kontinent verteilt wird.

4. Aufbau eines europäischen Wasserstoffnetzes

Eine Gruppe von elf Fernleitungsnetzbetreibern aus neun EU-Staaten stellt heute ein Konzept für eine reine Wasserstofftransportinfrastruktur vor. Neuste Forschungsergebnisse zeigen, dass die vorhandene Gasinfrastruktur so modifiziert werden kann, dass der Transport von Wasserstoff zu vertretbaren Kosten möglich ist.

Das vorgestellte Konzept wurde von Enagás, Energinet, Fluxys Belgium, Gasunie, GRTgaz, NET4GAS, OGE, ONTRAS, Snam, Swedegas und Teréga mit Unterstützung des Beratungdienstleisters Guidehouse erarbeitet. Geplant ist ein Netz, das ab Mitte der 2020er Jahre bis 2030 schrittweise zu einem zunächst 6.800 km langen Leitungssystem ausgebaut wird, das sogenannte „Hydrogen Valleys“ miteinander verbindet. Bis 2040 soll das Netz eine Länge von 23.000 km haben. 75 % dieses Netzes wird aus umgewidmeten Erdgasleitungen bestehen, die durch neue Leitungsabschnitte (25 %) miteinander verbunden werden. So entstehen zwei parallele Fernleitungsnetze: ein reines Wasserstoffnetz sowie ein (Bio-) Methannetz. Das Wasserstoffnetz kann für den energieeffizienten Transport großer Mengen von Wasserstoff über weite Strecken genutzt werden und dies unter Berücksichtigung möglicher Wasserstoffimporte.

5. Solarthermische Forschung mit dem Multifokusturm

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) intensiviert am Standort Jülich seine solarthermische Forschung. Mit dem Multifokusturm wird eine neue Anlage zur Solarforschung in Betrieb genommen. Er kann parallel zum ersten Solarturm betrieben werden und bietet auf drei Versuchsebenen gleichzeitig hochflexible Testmöglichkeiten für Technologien zur Nutzung von konzentrierter Sonnenstrahlung, zum Beispiel für die klimaverträgliche Herstellung von Wasserstoff.

"Solarthermische Kraftwerke sind ein wichtiges Element in einem zukünftigen Energiesystem ohne fossile Brennstoffe. Die Einsatzmöglichkeiten von Solarthermie sind vielfältig: von Kraftwerken, die Strom und Wärme erzeugen, über kostengünstige Wärmespeicher und Anlagen, die Wasserstoff aus Wasser abspalten", sagt Karsten Lemmer, DLR-Vorstand für Energie und Verkehr. "Mit dem zweiten DLR-Solarturm können gemeinsame Forschungsaktivitäten von Wissenschaft und Industrie jetzt deutlich an Tempo gewinnen."

Für alle drei Ebenen sind bereits Experimente in Vorbereitung. Einer der Schwerpunkte wird Forschung zur Wasserstofferzeugung als wichtige Komponente eines nachhaltigen Energiesystems von morgen sein. Dazu sind effiziente und vor allem skalierbare Technologien nötig. Wasserstoff ist nur einer der Ausgangsstoffe, aus denen sogenannte Solar Fuels hergestellt werden können. Das sind CO₂-neutrale Alternativen zu herkömmlichen Treibstoffen aus fossilen Ressourcen.

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung sind verlustarme und preisgünstige Wärmespeichermaterialien. Die DLR-Solarforschung arbeitet zum Beispiel an keramischen Partikeln und Flüssigsalz als Speichermedien für Solarkraftwerke.


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