Regenerative Brennstoffe

Der Profilbereich Energiesysteme der Zukunft hat seine Forschungsschwerpunkte und – aktivitäten in drei Schaufenstern gebündelt.

Motivation

Chemische Brennstoffe sind sehr energiereich und lassen sich gut transportieren und speichern. Deswegen sind sie für unsere Energieversorgung nach wie vor von sehr großer Bedeutung – in Kraftwerken, als Treibstoffe z.B. für Autos, LKWs und Flugzeuge, aber auch zur Wärmeerzeugung im Gebäudebereich.

In vielen Feldern dominieren heute noch die fossilen Brennstoffe Erdöl, Erdgas und Kohle – mit der Folge, dass noch immer sehr viel klimaschädliches CO2 entsteht. Ein direkter Ersatz durch regenerative Energiequellen ist nicht einfach möglich, weil diese zum Einen witterungsbedingt nicht immer verfügbar sind, und zum Anderen auch nicht in hinreichender Menge gespeichert werden können.

Künstlich erzeugte Brennstoffe, hergestellt mit Strom aus erneuerbaren Quellen, können hier eine Alternative darstellen. So können sie in Zukunft helfen Schwankungen in der Stromerzeugung auszugleichen und fossile Brennstoffe zu ersetzen, und sind damit eine Alternative zu biologisch erzeugten Brennstoffen, die oftmals einen hohen Ressourcenverbrauch haben und in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen.

Die Technologien zur Herstellung von regenerativen Brennstoffen, aber auch für ihre effiziente Nutzung sind aktuelle Themen in der Grundlagen- und der angewandten Forschung. Die Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff ist dabei der erste Schritt in einer Prozesskette beruhend auf erneuerbaren Energien. Wasserstoff ist unter anderem das Ausgangsmaterial zu Herstellung von synthetischen Brennstoffen, bei deren Herstellung CO2 eingesetzt wird – geschlossene Materialkreisläufe ohne zusätzliche CO2-Emissionen sind damit im Prinzip realisierbar.

Allerdings müssen die Prozesse zur Herstellung von Wasserstoff und Brennstoffen aus regenerativen Quellen effizienter, flexibler und ökonomischer werden, damit sie in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zu unserem Energiesystem leisten können.

Forschung

Die aktuelle Forschung befasst sich daher einerseits mit der Weiterentwicklung von Materialien, Komponenten und Technologien, andererseits aber auch damit, die den neuen Technologien zugrundeliegenden physikalischen und chemischen Prozesse in ihrer Komplexität zu verstehen:

  • Wie lassen sich mit neuen Materialien Solarzellen der 3. Generation herstellen, mit denen Strom aus Solarenergie effizienter gewonnen werden kann?
  • Wie können Katalysatoren für die direkte elektrochemische Wasserspaltung und die CO2-Reduktion hergestellt werden, die eine höhere Selektivität, Ausbeute und Effizienz haben, um die Wirtschaftlichkeit dieser Prozesse zu verbessern?
  • Wie können robuste Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen aus Nicht-Edelmetallen hergestellt werden, um damit die Kosten für Brennstoffzellen drastisch zu senken?
  • Wie kann das CO2 wirtschaftlich aus Verbrennungsabgasen und industriellen Prozessen aufgefangen werden, um seinerseits als Rohstoff für künstliche Brennstoffe genutzt zu werden?
  • Wie müssen Energiekonversions- und Verbrennungstechnologien modifiziert werden, um die regenerativ erzeugten Brennstoffe optimal nutzen zu können?

Ausgewählte Projekte

In diesem Projekt wird die Photosynthese von Grünpflanzen und Algen durch Laborprozesse nachgeahmt. Eine effiziente künstliche Photosynthese ist eine der größten technologischen Herausforderungen, die die Wissenschaft meistern will.

Beteiligter Wissenschaftler:

Prof. Dr. Wolfram Jaegermann

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Regenerative Erzeugung von Brennstoffen mittels Licht-getriebener Wasserspaltung

In diesem Schwerpunktprogramm wird die Licht-induzierte Wasserspaltung für die Erzeugung von H2 untersucht. Hierbei werden neue Photoabsorber, fortschrittliche Elektrokatalysatoren und neue Bauelemente zur Kombination der Materialsysteme entwickelt.

Beteiligter Wissenschaftler:

Prof. Dr. Wolfram Jaegermann

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Beteiligte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Profilbereichs

  Name Arbeitsgebiet(e)
Prof. Dr. Wolfram JaegermannOberflächenforschung
Prof. Dr. Ulrike KrammKatalysatoren und Elektrokatalysatoren
Prof. Dr. Barbara AlbertAnorganische Chemie
Prof. Dr. Andreas DreizlerReaktive Strömungen und Messtechnik
Prof. Dr.-Ing. Bernd EppleEnergiesysteme und Energietechnik
Prof. Dr.-Ing. Bastian EtzoldTechnische Chemie
Prof. Dr.-Ing. Matthias OechsnerWerkstoffkunde, staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt
Prof. Dr. Christian BeidlVerbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe
Prof. Dr.-Ing. Christian HasseSimulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme
Prof. Dr. Christian Hess Surface Chemistry and Spectroscopy