Energiequellen mit Zukunft

Eine bestechende Idee: Energie aus Sonnenlicht
Eine bestechende Idee: Energie aus Sonnenlicht
© Fraunhofer ISE Freiburg

Woher kommt die Energie der Zukunft? Erneuerbare Energien sind in aller Munde, doch ohne die klassischen, fossilen Energieträger Kohle und Öl geht es derzeit noch nicht. Um alle Möglichkeiten optimal auszuschöpfen und so eine nachhaltige Energieversorgung zu sichern, forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf den unterschiedlichsten Gebieten.

Sonnige Aussichten mit organischen Solarzellen

Welche Kraft verspricht die Sonne?
Welche Kraft verspricht die Sonne?
© Siemens
Eine Möglichkeit der Energiegewinnung sind Solarzellen, die die kontinuierliche Leistung der Sonne von etwa 120.000 Milliarden Kilowatt Einstrahlung auf die Erde nutzen. Hier setzt die Forschung mit neuen Materialien wie organischen Halbleitern an. Derzeit machen Solarzellen auf Siliziumbasis rund 90 Prozent des Weltmarktes aus und kommen beispielsweise in Taschenrechnern oder inzwischen auch oft auf Hausdächern zum Einsatz. Organische Solarzellen arbeiten mit organischen Halbleitern: Das sind Moleküle, wie sie ähnlich in Plastiktüten oder als Farbstoffe in Autolacken zu finden sind. Doch derzeit sind organische Solarzellen noch nicht wettbewerbsfähig, da sie weniger effizient arbeiten als beispielsweise Siliziumsolarzellen. Während Letztere einen Wirkungsgrad um die 18 Prozent in der Produktion schaffen, kommen organische Solarzellen im Labor erst seit Kurzem auf knapp acht Prozent.

Organische Solarzellen versprechen andererseits viele Vorteile: Sie könnten die Produktions- und Stromerzeugungskosten gegenüber anderen Solarzelltechnologien deutlich senken. Die Herstellungsverfahren für organische Solarzellen sind vergleichsweise einfach und für große Flächen geeignet. Der Einsatz von Verbindungen, die sich leicht aus einfachen Kohlenstoffverbindungen herstellen lassen, verhindert Materialengpässe und Probleme bei der Entsorgung. Zudem ist der Material- und Energiebedarf sehr gering, da organische Solarzellen sehr dünn sein können. Dies ermöglicht die Fertigung auf flexiblen Substraten wie Plastikfolien und eröffnet völlig neue Anwendungsbereiche. Außerdem gibt es aus der Herstellung von organischen Leuchtdioden, wie sie zum Teil bereits in Mobiltelefonen zur Anwendung kommen, nützliche Erfahrungen.

Der Kreativität für den Einsatz der dünnen und flexiblen Zellen sind kaum Grenzen gesetzt. Das erste Produkt, eine Tasche mit einem integrierten, flexiblen organischen Solarmodul, ist seit Ende 2009 auf dem Markt. Damit kann man fernab von jeder Steckdose Handys und andere Kleingeräte aufladen. Vorstellbar sind auch Zelte oder Schiffssegel, die Solarzellen enthalten. Auch der Einsatz an Gebäuden ist vielversprechend. Große Fensterflächen oder Jalousien könnten mit farbigen und halbtransparenten Solarzellen Strom aus der Sonne erzeugen. Die anspruchsvollste Anwendung wird jedoch der Einsatz in stationären Fotovoltaik-Anlagen zur Stromerzeugung sein, als Ergänzung oder Ersatz anorganischer Solarzellen.

Um die Voraussetzungen für solche Anwendungen zu schaffen, hat die DFG im Jahr 2007 ein interdisziplinäres Schwerpunktprogramm zum Thema „Elementarprozesse der Organischen Photovoltaik“ aufgelegt, in dem Wissenschaftler aus knapp 40 Einrichtungen in ganz Deutschland gemeinsam forschen. Dieses Forschungsprogramm soll insbesondere dabei helfen, das sehr interdisziplinäre Forschungsgebiet über die Grenzen zahlreicher Fachgebiete wie der Chemie, der Physik, den Materialwissenschaften und der Elektrotechnik hinweg zu stärken und fundamentale Fragen zu klären. Ziel ist, die Entwicklung effektiver und langlebiger Solarzellen auf Basis organischer Halbleiter zu beschleunigen.

Dabei ist eine zentrale Frage, wie organische Solarzellen genau arbeiten. Generell bestehen sie aus einer transparenten und einer meist nicht-transparenten Elektrode mit einer lichtabsorbierenden Schicht dazwischen. Diese Struktur inklusive der Elektroden misst deutlich weniger als ein tausendstel Millimeter und ist somit ungefähr 500-mal dünner als ein menschliches Haar. Dabei ermöglicht es die Kombination verschiedenfarbiger Substanzen, einen größeren Teil des Sonnenspektrums zu nutzen und die Effektivität zu erhöhen. In der organischen Chemie stehen dafür deutlich mehr Verbindungen zur Verfügung als in der anorganischen, bei der es im Prinzip jeweils um ein einziges Element geht.

Geeignete Moleküle zu finden und herzustellen ist aber erst der Anfang. Das Zusammenspiel der Schichten und ihre Verarbeitbarkeit sind weitere Zentralpunkte. Doch es gibt vielversprechende Ergebnisse: Die Theorie sagt voraus, dass die Effizienz von organischen Solarzellen auf über zehn Prozent, beim Stapeln zweier Zellen aufeinander sogar auf über 15 Prozent gesteigert werden kann. So lassen sich trotz der komplexen Prozesse recht gute Wirkungsgrade erwarten. Und auch in puncto Lebensdauer gibt es gute Nachrichten: Trotz der enormen Kraft des Sonnenlichts, das nicht nur Energie erzeugen, sondern die Moleküle auch zerstören kann, zeigen jüngste Ergebnisse Lebensdauern von über zehn Jahren. Damit ist eine zentrale Frage für die praktische Anwendung gelöst. In der Summe versprechen organische Solarzellen also „sonnige Aussichten“ für die Energieerzeugung.

Der Bio-Sprit der nächsten Generation

Energielieferant Mais?
Energielieferant Mais?
© Rembert Unterstell
Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen sind ökologisch attraktiv, haben aber einen geringen Wirkungsgrad und konkurrieren mit der Nahrungsmittelproduktion. Am Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ (Tailor-Made Fuels from Biomass, TMFB) an der RWTH Aachen arbeiten Forschende an neuen Gemischen, in denen das Pflanzenmaterial in maßgeschneiderte Kraftstoffkomponenten umgewandelt wird. Der Cluster wurde 2007 im Rahmen der Exzellenzinitiative eingerichtet und umfasst 21 Institute der RWTH sowie zwei externe Einrichtungen (Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie, Aachen, und Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim/Ruhr) aus den Bereichen Biologie, Chemie, Verfahrenstechnik und Verbrennungstechnik. Das langfristige Ziel dieses Exzellenzclusters ist die Bestimmung einer optimalen Kombination von Kraftstoffkomponenten, deren Eigenschaften sich von den Anforderungen an zukünftige Verbrennungsprozesse ableiten.

Für die bislang industriell genutzten Biokraftstoffe der ersten Generation werden Pflanzenöle zu Biodiesel oder Stärke und Zucker zu Bioethanol verarbeitet. Dabei steht die Kraftstoffgewinnung in direkter Konkurrenz zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion. Zudem werden nur die Früchte und Samen der Pflanzen verwertet. Neue Konzepte setzen auf die vollständige Verwertung von Pflanzen, die nicht zur Nahrungsversorgung dienen.

Die mikroskopische Struktur von Holz
Holz weist in seiner mikroskopischen Struktur die Eigenschaften eines Verbundmaterials auf. Die Matrix der Zellwände muss effizient aufgeschlossen werden, um Zugang zu den darin eingebetteten Komponenten Lignin, Hemicellulose und Cellulose zu erhalten
© RWTH Aachen
Das Material, um das es geht, ist die in Gräsern, Stängeln oder Holz enthaltene Lignozellulose. Diese ist ein komplexes und sehr stabiles Kompositmaterial aus den drei Biopolymeren Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Besonders das Lignin stellt wegen seiner komplexen Struktur und hohen Stabilität Herausforderungen an Analyse und chemische Verarbeitung. Die zweite Generation der Biokraftstoffe nutzt die Lignozellulose. Sie befinden sich derzeit noch im Stadium der technischen Erprobung.

Im „Biomass-to-Liquid“-Verfahren werden die hochkomplexen Strukturen des Pflanzenmaterials bei sehr hohen Temperaturen in ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas) zerlegt. Das Synthesegas wird an Katalysatoren in längerkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt, die direkt als Kraftstoffe genutzt oder in Raffinerieprozessen weiter verarbeitet werden können.

Bislang kaum erforscht ist der Ansatz, die Syntheseleistung der Natur zu nutzen und die Biopolymere nur so weit umzuwandeln und zu modifizieren, wie es für die Nutzung als Kraftstoff notwendig ist. Dazu muss die Lignozellulose zunächst in ihre Komponenten zerlegt werden. Das funktioniert jedoch nicht mit Wasser oder anderen herkömmlichen Lösungsmitteln, da zum Beispiel Holz durch seine Struktur gegen äußere Einflüsse gut geschützt ist. Ein Ansatz könnten andere Reaktionsmedien wie beispielsweise ionische Flüssigkeiten sein. Sie sind Verbindungen, die – wie auch Kochsalz – aus positiv und negativ geladenen Ionen aufgebaut sind, jedoch aufgrund ihrer molekularen Struktur einen Schmelzpunkt von unter von 100 Grad Celsius haben.

Der Aufschluss und die Trennung der Komponenten erfordern neuartige Aufschlussverfahren
Der Aufschluss und die Trennung der Komponenten erfordern neuartige Aufschlussverfahren. Neuartige Lösungsmittel werden an der RWTH Aachen im Labormaßstab getestet und die nötigen Parameter für einen „Scale-up“ ermittelt
© RWTH Aachen
Eng verbunden mit der Kraftstoffherstellung ist die Weiter- oder Neuentwicklung von Motoren mit höherer Leistung und geringeren Emissionen. Biokraftstoffe der ersten und zweiten Generation bilden die Eigenschaften konventioneller Otto- und Dieselkraftstoffe nach, sodass nur geringe Anpassungen am Motor notwendig sind. Um das gesamte Verbesserungspotenzial zu nutzen, können die Eigenschaften der im Exzellenzcluster erforschten Kraftstoffe deutlich von denen herkömmlicher Kraftstoffe abweichen. Denn diese – beispielsweise die Cetanzahl als Maß für Zündwilligkeit, das Siedeverhalten, der Sauerstoffgehalt und die Dichte – werden von der Molekülstruktur bestimmt.

Das Ziel: Vorteilhafte Kraftstoffeigenschaften mithilfe der passenden Molekülstruktur zu erzeugen. Ein erster Erfolg: Das wegen der hohen Siedetemperatur von 230 Grad Celsius für Dieselmotoren besonders geeignete und aus Biomasse herzustellende Butyllävulinat gemischt mit dem sehr zündwilligen Alkan n-Tetradecan senkt die Ruß- als auch die Stickoxid-Emissionen erheblich. Doch sowohl bei der Kraftstoffherstellung als auch der Verbrennung besteht nach wie vor erheblicher Forschungsbedarf, denn die neuen Kraftstoffe greifen oft die heute in Verbrennungsmotoren eingesetzten Dichtungsmaterialien an.

Fossil betriebene Kraftwerke optimal nutzen

Moderne Gasturbinen lassen sich flexibel an unterschiedliche Brennstoffe anpassen
Moderne Gasturbinen lassen sich flexibel an unterschiedliche Brennstoffe anpassen
© Siemens-Pressebild
Fossil betriebene Kraftwerke werden auf mittlere Sicht wichtige Bausteine moderner Energieversorgung bleiben. Doch es gilt, sie zu verbessern und die Ressourcen effizienter zu nutzen. Das Prinzip von fossil betriebenen Kraftwerken: Wärmeenergie aus der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdöl oder -gas in Wärmekraftmaschinen, in Dampf- oder Gasturbinen und im davon angetriebenen Generator in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei steigt der Wirkungsgrad mit einer besseren Nutzung der Wärmeenergie. Damit diese die Schaufeln einer Turbine und damit den Generator optimal antreibt, müssen Druck und Temperatur so hoch wie möglich sein. Mit höheren Temperaturen und Drucken sinkt also der Verbrauch an Kohle, Öl oder Gas und gleichzeitig auch die Menge an Abgasen wie Kohlendioxid. Die Steigerung des Wirkungsgrades stellt folglich den Schlüssel zu umweltfreundlichen Kraftwerken dar.

Doch die Entwicklung entsprechender Kraftwerksanlagen und neuer Bauteile ist eine langwierige Aufgabe, die Wissenschaft und Industrie gemeinsam angehen. Denn die angepeilte Erhöhung des Wirkungsgrades auf 50 Prozent und „null Emission“ bei wirtschaftlicher und betriebssicherer Deckung des Grundlastbedarfs stellt hohe Anforderungen an die Materialien. So müssen die Dampftemperaturen zu diesem Zweck auf über 700 Grad Celsius und der Dampfdruck auf 350 bar steigen. Für Komponenten in diesem Extrembereich bedarf es spezieller Legierungen und Technologien, die auch größere Bauteile ermöglichen.

Diese Entwicklungen brauchen Zeit. Denn um den störungsfreien Betrieb von Kraftwerken über die geplanten Laufzeiten von 30 Jahren zu sichern, müssen die Hochtemperatur-Werkstoffeigenschaften unter den beschriebenen extremen Beanspruchungen zunächst bekannt sein und dann in ausreichend langen Versuchszeiten von bis zu zehn Jahren getestet werden. Modellierungs- und Simulationsmethoden könnten hier die Entwicklungszeiten wesentlich verkürzen.

Die bisherigen Ergebnisse machen Mut: In den vergangenen 20 Jahren hat sich der Wirkungsgrad von fossil betriebenen Dampf- und Gaskraftwerken bereits um circa 20 Prozent gesteigert. Die Basis für diesen Erfolg legten Werkstoffe, die den deutlich höheren Beanspruchungen standhalten. Die Basis: Komplexe metallische Legierungen mit einem speziellen inneren Aufbau. Hier kommt neben dem Ausbalancieren der chemischen Elemente dem Herstellungsprozess mit besonderen Formgebungsverfahren und der Wärmebehandlung eine entscheidende Rolle zu. Für Wellen und Gehäuse von Dampfturbinen und Kesselrohren erlauben neue Legierungen bereits eine Dampfeintrittstemperaturen von 620 Grad Celsius. Mit neuen, haltbaren Stählen wurde ein Meilenstein in der Hochtemperatur-Werkstoffentwicklung erreicht, da sie auch in massiven Turbinenbauteilen mit Gewichten bis 80 Tonnen und mehr einsetzbar sind. Für Gasturbinen sind weitere Innovationen nötig, da die Hitze Bauteile wie Schaufeln, Rotor und Brennkammer hier besonders beansprucht. Dank neuen Legierungen und Fertigungsmethoden erreichen Gasturbinen mittlerweile die vorgesehene Lebensdauer und halten Werkstofftemperaturen zwischen 900 und 1000 Grad Celsius aus. Diese Temperatur steigern Wärmedämmschichtsysteme aus keramischen Oxiden mit geringerer Wärmeleitfähigkeit und Kühlluftfilme um weitere 200 Grad auf 1450 Grad Celsius. Wichtige Schritte auf dem Weg zu einer sicheren, effizienten und nachhaltigen Energieversorgung.

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