27.09.2018
Photovoltaik, Katalyse, Batterien – wie lässt sich Energie effizienter und nachhaltiger umwandeln? In dem neuen Verbund analysieren Forscher die Prozesse, die sich dabei an den Nahtstellen zwischen verschiedenen Materialien abspielen.
Professor Thomas Bein, Sprecher des Exzellenzclusters e-conversion | © Jan Greune / LMU
Faktor 100. Das ist die Größenordnung, um die es nach Expertenmeinung geht. An diesem Verhältnis, oder soll man eher sagen Missverhältnis, etwas zu ändern, das ist ein wichtiger Antrieb der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im neuen Exzellenzcluster „e-conversion“. Um etwa diesen Faktor müsste die Energieerzeugung auf der Basis nachhaltiger Energieträger ansteigen, um den aktuellen Primärenergieverbrauch abzudecken, der in Öl ausgedrückt bei geschätzt 14 Milliarden Tonnen pro Jahr liegt. Die moderne Zivilisation ist auf den Zugang zu solch enormen Energiemengen angewiesen. Es ist sozusagen eine existenzielle Frage, was auch die Forschung für eine nachhaltige Energieumwandlung, wie sie sich der neue Verbund e-conversion als Aufgabe gestellt hat, einigermaßen drängend macht. Zwar gibt es bereits zahlreiche Ideen und Technologien, doch diese seien nicht ohne Weiteres auf den tatsächlichen Energiebedarf von etwa 30 Terawattstunden jährlich skalierbar, sagen die Professoren Thomas Bein, Ulrich Heiz und Karsten Reuter, die drei Sprecher von e-conversion. „Wir brauchen einen neuen Denkansatz, der wichtige Erkenntnisse und Strategien in verschiedenen Sektoren der Energieumwandlung von Photovoltaik über Katalyse bis zu Batterien miteinander verknüpft“. Der neue Verbund ist eine gemeinsame Einrichtung von LMU und TUM, beteiligt sind auch die Max-Planck-Institute für Chemische Energiekonversion (Mülheim/Ruhr) und Festkörperforschung (Stuttgart).
Die Wissenschaftler des Exzellenzclusters verfolgen einen „bottom-up“-Ansatz, erklärt Thomas Bein, Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie II an der LMU. „Hierbei versuchen sie anhand exakt kontrollierbarer Modellsysteme die grundlegenden Herausforderungen und bisherigen Einschränkungen in verschiedenen Anwendungen bis ins atomare Detail zu verstehen und zu beseitigen“. Dazu gehören beispielsweise eine zu geringe Effizienz, die mangelnde Stabilität im Dauereinsatz, unerwünschte chemische Umwandlungen oder die große Abhängigkeit von seltenen oder gar toxischen Materialien. Das Potential für Synergien sei groß, schließlich gebe es bei verschiedenen Energieanwendungen vergleichbare Materialien und Prozesse – und damit auch ähnliche Probleme, die bei Energieumwandlungsprozessen oft an den Grenzflächen verschiedener Materialien auftauchten.
Professor Thomas Bein, Sprecher des Exzellenzclusters e-conversion | © Jan Greune / LMU
Die Erfolge der bisherigen Energieforschung sind zwar einerseits beachtlich. So haben sich etwa neue Technologien sowohl bei der Energieerzeugung als auch bei der Speicherung auf dem Energiemarkt bewährt. Die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom beispielsweise ist schon jetzt eine wichtige, wenn auch noch viel zu kleine Säule der künftigen Energieversorgung. Doch um die Energieversorgung insgesamt nachhaltig zu gestalten, gibt es in der Praxis noch zahlreiche Herausforderungen, etwa die schwankende Sonneneinstrahlung, die es nötig macht, Energie zu speichern. Zudem erfordern manche Anwendungen abseits der Netze wie etwa der Verkehrssektor hohe Energiedichten, die mobil gespeichert werden müssen. Pufferspeicher für Autos müssen anders aufgebaut sein als solche für die gesamte Windenergie eines Landes. „Die Anforderungen an die Systeme sind vielfältig“, sagt Ulrich Heiz, Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie an der TUM. „Wir brauchen also auch verschiedene und ganz neue Lösungsansätze. Das ist die Aufgabe für die Energieforschung.“
Gleichzeitig sind viele der in Solarzellen, LEDs, Halbleitern oder Batterien eingesetzten Elemente wie Indium, Gallium oder Lithium überaus selten und oft auch noch giftig. Lithium beispielsweise wird vorwiegend aus Salzseen in Südamerika gewonnen, die Verfügbarkeit ist begrenzt. Von Iridium, das als Hoffnungsträger etwa zur Verwendung in Katalysatoren für die solare Wasserstofferzeugung gilt, lassen sich derzeit jährlich nur etwa zehn Tonnen erzeugen. „Würde man dieses schwere Element an einem Ort sammeln, hätte man weltweit nur das Volumen eines kleinen Kühlschranks zur Verfügung“, erläutert Karsten Reuter, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Chemie an der TUM. Es ist eines von vielen Beispielen, die belegen, dass die aktuellen Technologien die Probleme nicht lösen werden.
Da der Klimawandel die Menschheit zum schnellen Umdenken zwingt, braucht es dringend neue Konzepte hinsichtlich nachhaltiger Energietechnologien. Das bisherige Prinzip der empirischen Effizienzsteigerung etwa bei Solarzellen oder gar die Suche nach dem „Traum-Material“ zeige sich immer mehr als nicht ausreichend, sagt Bein. Die aktuelle Energieforschung fokussiere dabei auch zu sehr auf einzelne Technologien und die jeweils damit verbundenen Materialien. „Uns fehlt der klare Weg, auch weil die Vorgänge sehr komplex sind“, so Bein. Es sei im Lauf der Zeit klar geworden, dass bei sehr vielen Systemen, egal ob Solarzelle, Brennstoffzelle, Elektro- oder Photokatalyse oder Speicherung von Energie in Batterien, der Blick ins atomare Detail notwendig ist. „In fast allen Fällen spielen Grenzflächen eine entscheidende Rolle“, ergänzt Heiz. „Sie erzeugen oft die Beschränkungen.“ Kritische Phänomene wie Überspannungen, Rekombinationsverluste und Widerstände entstehen, weil sich mikroskopische Anregungs- und Energieumwandlungsprozesse an diesen Nahtstellen zwischen Materialien bislang nur ungenügend kontrollieren lassen.
Die Forscher wollen daher Modellsysteme bauen, die das Zusammenspiel an den Grenzflächen im Nanobereich verstehen helfen, sie wollen die beteiligten Prozesse bis in den atomaren Bereich auflösen und steuern. Sie wollen mithilfe von Nanotechnologien die Architektur von Strukturen so fein gestalten, dass z.B. nur noch ein Prozent des bisherigen teuren Materials dafür notwendig ist; sie wollen neue Verbindungen untersuchen, die teilweise an extrem dünnen Grenzschichten entstehen. Und sie wollen dabei die jeweiligen Strukturen in ganz unterschiedlichen Systemen mit hochauflösenden Mikroskopie- und Spektroskopie-Verfahren sogar live beobachten, um die beteiligten Prozesse besser zu verstehen und letztlich zu optimieren. „Dies bedeutet, dass wir extrem kurze Zeitspannen bis hin zu Femtosekunden auflösen müssen, also 0.000000000000001 Sekunden“, erklärt Heiz.
„Moderne Chemie und Nanowissenschaften finden so zusammen“, sagt Bein. Die Nanowissenschaften sollen genutzt werden, um Systeme an verschiedenen Grenzflächen aufzubauen und einzustellen, sowohl zwischen festen Phasen, zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen und zwischen Feststoffen und molekularen Schichten – nach der Art der untersuchten Grenzflächen ist auch der Cluster insgesamt in Arbeitsgruppen strukturiert. Dabei lassen sich an den Grenzschichten sowohl bekannte physikalische Eigenschaften gezielt testen oder neue Effekte studieren. „e-conversion versteht sich als Innovationsplattform für die Entwicklung gänzlich neuer mikroskopischer Konzepte“, erläutert Reuter. Ein Beispiel dafür wäre etwa die Verbindung von Photovoltaik-Zellen und Katalysatoren zu einer Art „künstlichem Blatt“.
Die Herausforderungen in der nachhaltigen Energieforschung liegen meist im mikroskopischen Detail. Die Strategie dabei ist, jeweils für eine bestimmte Fragestellung eine Modellstruktur zu bauen, anhand dieser Struktur die limitierenden Faktoren herauszuarbeiten und die Systeme dann zu optimieren. So könnte man beispielsweise, wenn man bei einer Festkörperbatterie feststellt, dass der Wanderungswiderstand der Ionen zwischen den Elektroden zu groß ist, die Elektrolytschicht immer dünner machen oder ihre kristalline Struktur verändern. Dies erfordert absolute Kontrolle auch in der Herstellung – und damit oft auch teure Hightech-Verfahren wie Molecular Beam Epitaxy (MBE) oder Atomic Layer Depositon (ALD), die es erlauben, Atomlagen Nanometer für Nanometer, also Atomlage für Atomlage, aufzudampfen. Nur mithilfe dieser Geräte können die Forscher gezielt extrem dünne Festkörperelektrolyte erzeugen und daran etwa untersuchen, wie sich die Grenzflächen umwandeln, wenn Strom fließt, oder wie neue Strukturen entstehen, gewünschte und unerwünschte. So lassen sich Stück für Stück Modellsysteme für die jeweiligen Grenzflächen aufbauen. Im Cluster entsteht somit eine Art Modell-Bibliothek mit bestimmten Architekturen und Einsatzgebieten, die sich dann für verschiedene Anwendungen testen und möglicherweise sogar miteinander kombinieren lassen.
40 Arbeitsgruppen soll es insgesamt im Cluster geben, auch Gruppen von Theoretikern wie die von Karsten Reuter sind dabei, der entsprechende Modellkomponenten „in silico“ baut, als Theoriekonstrukt im Rechner also. Hier erhofft man sich Ideen für völlig neue Substanzen und Strukturen, die sich dann im Rahmen des Clusters untersuchen lassen. Festkörper mit der sogenannten Perowskit-Struktur, bestehend aus zwei positiv geladenen und einem negativ geladenen Ion, könnten etwa für Solarmodule interessant sein. Methylammoniumbleitriiodid ist so eine Verbindung, die sich in dünnen Schichten als effizientes Solarzellenmaterial einsetzen lässt, aber toxisch und noch nicht ausreichend lange haltbar ist. Testet man in einer Art Hochdurchsatzforschung neue Materialien mit dieser Struktur, die sich auch synthetisieren lassen, könnte dies die Suche nach neuen Materialien beschleunigen. So will man möglichst rasch auf Basis eines Modellsystems, bei dem man die Grenzflächenchemie und –physik exakt verstanden hat, zu einem industriellen Produkt kommen. „Die Leistungsfähigkeit moderner Supercomputer erlaubt es uns inzwischen auf Basis eines solchen Modells die Eignung riesiger Mengen potentiell interessanter Materialien zunächst theoretisch abzuschätzen, und so geeignete Kandidaten für eine wirkliche chemische Synthese herauszufiltern“, sagt Reuter.
Die drei Sprecher von e-conversion betonen, wie wichtig auch unterstützende Strukturen rund um den Cluster seien. Dies habe mit Angeboten für die Forscherinnen und Forscher und ihre Familien ebenso zu tun wie mit einer Anbindung an ausgewählte Industrieunternehmen inklusive Austausch von Experten, mit der Unterstützung einzelner Forscher bei der Gründung möglicher Spin-Offs oder mit dem Aufbau eines Netzwerks gemeinsam mit internationalen Laboren, die an ähnlichen Themen arbeiteten. „Echte Kooperationen sind oft nur durch den Austausch von Personen möglich“, sagt Heiz. „Wir vertrauen da auf eine dynamische Weiterentwicklung unserer Gruppe von Forschern.“ Gerade die Zusammenarbeit mit Firmen und spezialisierten Forschungseinrichtungen weltweit deutet bereits an, wie sich der Exzellenzcluster in der Zukunft aufstellen möchte. „In der zweiten Phase soll dann die Entwicklung der neuen Konzepte und Materialien hin zu marktreifen Produkten stärker zum Tragen kommen“, betonen die Sprecher.
Nanophysiker um Jochen Feldmann erzeugen hauchdünne Perowskit-Nanokristalle für Anwendungen in effizienten LEDs mit durchstimmbarer Farbwiedergabe.
Chemiker um Bettina Lotsch und Christian Ochsenfeld haben neue poröse Materialien für die Photokatalyse entwickelt. Die organischen Netzwerke eröffnen neue Wege zu polymeren Photokatalysatoren mit präzise einstellbaren Eigenschaften.