6,5 Millionen Euro für die Erforschung neuer Speichermaterialien
Die Energiewende erfordert effektive und bezahlbare Energiespeicher, um die Kraft von Wind und Sonne ganzjährig bereithalten zu können. Grundlage dafür ist die Erforschung geeigneter Speichermaterialien, die durch gleich fünf Projekte im Forschungszentrum Jülich einen neuen Schub erhält. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Vorhaben mit 6,5 Millionen Euro im Rahmen des Programms Materialforschung für die Energiewende. Forschungsstaatssekretär Thomas Rachel MdB überreichte heute im Forschungszentrum persönlich die Förderbescheide.
Die Energiewende hat viele Komponenten, die alle ineinandergreifen müssen, damit die Umstellung auf ein nachhaltiges Energiesystem gelingen kann. Es freut mich, dass diese Herausforderung im Forschungszentrum umfassend angegangen wird, von der Entwicklung neuer Technologien über die Materialforschung bis hin zur systemischen Betrachtung. Deshalb fördert die Bundesregierung die Jülicher Forschung mit zusätzlich 6,5 Millionen Euro für die Energiewende, sagte der Parlamentarische Staatssekretär Thomas Rachel.
Im Zuge der Energiewende gilt es, neue Technologien für die Speicherung von Strom- und Windstrom zu entwickeln, mit denen sich unterschiedliche Zeiträume überbrücken lassen: Für längerfristige Flauten bei gleichzeitig geringer Sonneneinstrahlung sind saisonale Speicher mit Kapazitäten für zwei bis drei Monate notwendig. Für den dezentralen Betrieb wie etwa private Photovoltaik-Anlagen werden dagegen kostengünstige Speicher mit hoher Energiedichte benötigt. Zur Stabilisierung der Netze sind wiederum leistungsstarke Speicher mit hoher Zyklen-Effizienz erforderlich, um kurzfristige Schwankungen auszugleichen.
Im Rahmen der Ausschreibung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung zur Materialforschung für die Energiewende fördert die Bundesregierung folgende fünf Projekte, an denen sich Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK) und dem Peter Grünberg Institut (PGI) überwiegend federführend beteiligen.
DESIREE (Defektspinelle als Hochenergie- und Hochleistungsmaterialien zur elektrochemischen Energiespeicherung): Lithium-Ionen-Batterien sind für Leistungsanwendungen besonders geeignet, da sie einen besonders attraktiven Kompromiss zwischen Leistungs- und Energiedichte bieten. In dem Projekt, das vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung – Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9) koordiniert wird, sollen sogenannte Defektspinelle als Materialien für sicherere und leistungsfähigere Lithium-Ionenbatterien der nächsten Generation entwickelt werden. Spinelle bilden eine Klasse von oftmals sehr stabilen Kristallstrukturen, die sich aufgrund ihrer freien Gitterplätze hervorragend dazu eignen, Lithium-Ionen einzulagern. Als weitere Kooperationspartner sind das CNRS in Bordeaux, die RWTH Aachen im Rahmen der Zusammenarbeit in JARA-Energy, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie Forscherinnen und Forscher aus dem IEK-1, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren, beteiligt.
AlSiBat (Metall/Luft Systeme, insbesondere Al-Luft und Si-Luftbatterien): Metall-Luftbatterien sind zum einen die Akkumulatoren mit der höchsten Energiedichte und versprechen auf der anderen Seite durch Verwendung häufiger Elemente der Erdkruste einen ressourcenschonenden Umgang mit Rohstoffen. Im Projekt AlSiBat, das vom IEK-9 betrieben wird, sollen neuartige Metall-Luftbatterien auf der Basis von Aluminium (Al-O2) und Silizium (Si-O2) hinsichtlich Wiederaufladbarkeit, Zyklen-Festigkeit und Umweltverträglichkeit weiterentwickelt werden. Weitere Kooperationspartner sind das Technion in Haifa, die TU Clausthal, die TU Berlin, das DECHEMA Forschungsinstitut in Frankfurt und die Firmen Hoppecke und IoLiTec.
SOFC-Degradation (SOFC-Degradation - Analyse der Ursachen und Entwicklung von Gegenmaßnahmen): Für die saisonale Speicherung bietet sich die Elektrolyse von Wasserstoff und anschließende Rückverstromung mit Brennstoffzellen an, mit der sich Energie im großen Maßstab über mehrere Monate bereithalten lässt. Aufgrund der vergleichsweise hohen Effizienz sind keramische Hochtemperaturzellen in diesem Zusammenhang besonders attraktiv. In diesem Projekt soll die Lebensdauer von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) auf bis zu 10 Jahre gesteigert werden, was einer Standzeit von etwa 100 000 Stunden entspricht. Dazu soll zunächst ein vertieftes Verständnis der relevanten Alterungsphänomene entwickelt werden. Neben dem koordinierenden IEK-9 wirken auch das IEK-1 und das IEK-2 (Werkstoffstruktur und -eigenschaften) an dem Projekt mit. Als weitere Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das KIT, die Universität Oldenburg und die TU Clausthal beteiligt.
SABLE (Skalenübergreifende, multi-modale 3D-Bildgebung Elektrochemischer Hochleistungskomponenten): Eine zentrale Rolle bei der Entwicklung langlebiger elektrochemischer Energiespeicher kommt dem neu eingerichteten Bildgebungs-Labor SABLE zu, in dem grundlegende Prozesse an elektrochemischen Hochleistungskomponenten über mehrere Größenordnungen im Betrieb erforscht werden können. Die Untersuchungen mit bildgebenden Verfahren tragen dazu bei, ein ganzheitliches Verständnis der Funktionsweise neuartiger Komponenten zu erzielen und die systematische Weiterentwicklung der Technologien voran zu treiben. Das Labor wird vom IEK-9 koordiniert, die Geräte werden teilweise gemeinsam mit dem Peter Grünberg Institut für Mikrostrukturforschung (PGI-5) und dem Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) betrieben.
Neben der Entwicklung leistungsstarker Speicher, ist die Umstellung des Stromnetzes ein entscheidender Faktor bei der Transformation des Energiesystems. Im Projekt CoNDyNet (Kollektive Nichtlineare Dynamik Komplexer Stromnetze) befassen sich die Forscher, darunter Jülicher Wissenschaftler aus dem IEK-STE (Systemforschung und technologische Entwicklung), mit verschiedenen Ausbaustufen des Netzes bis hin zu einer vollständigen Versorgung durch erneuerbare Energiequellen. Die Betrachtungen beinhalten auch die Übergangszeit, in der Backup-Systeme von konventionellen Stromerzeugern im Stromnetz einkalkuliert werden müssen. CoNDyNet hat zum Ziel, ein tiefgehendes Verständnis der dynamischen Phänomene in komplexen, dezentral organisierten Stromnetzen zu erlangen und wichtige Eckpfeiler für neue grundlegende Konzepte zum Netzbetrieb und -ausbau der Verteil- und Übertragungsnetze, von der regionalen bis zur gesamteuropäischen Ebene, zu erarbeiten.
Weitere Informationen:
Institut für Energie und Klimaforschung – Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Im Zuge der Energiewende gilt es, neue Technologien für die Speicherung von Strom- und Windstrom zu entwickeln, mit denen sich unterschiedliche Zeiträume überbrücken lassen: Für längerfristige Flauten bei gleichzeitig geringer Sonneneinstrahlung sind saisonale Speicher mit Kapazitäten für zwei bis drei Monate notwendig. Für den dezentralen Betrieb wie etwa private Photovoltaik-Anlagen werden dagegen kostengünstige Speicher mit hoher Energiedichte benötigt. Zur Stabilisierung der Netze sind wiederum leistungsstarke Speicher mit hoher Zyklen-Effizienz erforderlich, um kurzfristige Schwankungen auszugleichen.
Im Rahmen der Ausschreibung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung zur Materialforschung für die Energiewende fördert die Bundesregierung folgende fünf Projekte, an denen sich Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK) und dem Peter Grünberg Institut (PGI) überwiegend federführend beteiligen.
DESIREE (Defektspinelle als Hochenergie- und Hochleistungsmaterialien zur elektrochemischen Energiespeicherung): Lithium-Ionen-Batterien sind für Leistungsanwendungen besonders geeignet, da sie einen besonders attraktiven Kompromiss zwischen Leistungs- und Energiedichte bieten. In dem Projekt, das vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung – Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9) koordiniert wird, sollen sogenannte Defektspinelle als Materialien für sicherere und leistungsfähigere Lithium-Ionenbatterien der nächsten Generation entwickelt werden. Spinelle bilden eine Klasse von oftmals sehr stabilen Kristallstrukturen, die sich aufgrund ihrer freien Gitterplätze hervorragend dazu eignen, Lithium-Ionen einzulagern. Als weitere Kooperationspartner sind das CNRS in Bordeaux, die RWTH Aachen im Rahmen der Zusammenarbeit in JARA-Energy, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie Forscherinnen und Forscher aus dem IEK-1, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren, beteiligt.
AlSiBat (Metall/Luft Systeme, insbesondere Al-Luft und Si-Luftbatterien): Metall-Luftbatterien sind zum einen die Akkumulatoren mit der höchsten Energiedichte und versprechen auf der anderen Seite durch Verwendung häufiger Elemente der Erdkruste einen ressourcenschonenden Umgang mit Rohstoffen. Im Projekt AlSiBat, das vom IEK-9 betrieben wird, sollen neuartige Metall-Luftbatterien auf der Basis von Aluminium (Al-O2) und Silizium (Si-O2) hinsichtlich Wiederaufladbarkeit, Zyklen-Festigkeit und Umweltverträglichkeit weiterentwickelt werden. Weitere Kooperationspartner sind das Technion in Haifa, die TU Clausthal, die TU Berlin, das DECHEMA Forschungsinstitut in Frankfurt und die Firmen Hoppecke und IoLiTec.
SOFC-Degradation (SOFC-Degradation - Analyse der Ursachen und Entwicklung von Gegenmaßnahmen): Für die saisonale Speicherung bietet sich die Elektrolyse von Wasserstoff und anschließende Rückverstromung mit Brennstoffzellen an, mit der sich Energie im großen Maßstab über mehrere Monate bereithalten lässt. Aufgrund der vergleichsweise hohen Effizienz sind keramische Hochtemperaturzellen in diesem Zusammenhang besonders attraktiv. In diesem Projekt soll die Lebensdauer von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) auf bis zu 10 Jahre gesteigert werden, was einer Standzeit von etwa 100 000 Stunden entspricht. Dazu soll zunächst ein vertieftes Verständnis der relevanten Alterungsphänomene entwickelt werden. Neben dem koordinierenden IEK-9 wirken auch das IEK-1 und das IEK-2 (Werkstoffstruktur und -eigenschaften) an dem Projekt mit. Als weitere Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das KIT, die Universität Oldenburg und die TU Clausthal beteiligt.
SABLE (Skalenübergreifende, multi-modale 3D-Bildgebung Elektrochemischer Hochleistungskomponenten): Eine zentrale Rolle bei der Entwicklung langlebiger elektrochemischer Energiespeicher kommt dem neu eingerichteten Bildgebungs-Labor SABLE zu, in dem grundlegende Prozesse an elektrochemischen Hochleistungskomponenten über mehrere Größenordnungen im Betrieb erforscht werden können. Die Untersuchungen mit bildgebenden Verfahren tragen dazu bei, ein ganzheitliches Verständnis der Funktionsweise neuartiger Komponenten zu erzielen und die systematische Weiterentwicklung der Technologien voran zu treiben. Das Labor wird vom IEK-9 koordiniert, die Geräte werden teilweise gemeinsam mit dem Peter Grünberg Institut für Mikrostrukturforschung (PGI-5) und dem Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) betrieben.
Neben der Entwicklung leistungsstarker Speicher, ist die Umstellung des Stromnetzes ein entscheidender Faktor bei der Transformation des Energiesystems. Im Projekt CoNDyNet (Kollektive Nichtlineare Dynamik Komplexer Stromnetze) befassen sich die Forscher, darunter Jülicher Wissenschaftler aus dem IEK-STE (Systemforschung und technologische Entwicklung), mit verschiedenen Ausbaustufen des Netzes bis hin zu einer vollständigen Versorgung durch erneuerbare Energiequellen. Die Betrachtungen beinhalten auch die Übergangszeit, in der Backup-Systeme von konventionellen Stromerzeugern im Stromnetz einkalkuliert werden müssen. CoNDyNet hat zum Ziel, ein tiefgehendes Verständnis der dynamischen Phänomene in komplexen, dezentral organisierten Stromnetzen zu erlangen und wichtige Eckpfeiler für neue grundlegende Konzepte zum Netzbetrieb und -ausbau der Verteil- und Übertragungsnetze, von der regionalen bis zur gesamteuropäischen Ebene, zu erarbeiten.
Weitere Informationen:
Institut für Energie und Klimaforschung – Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)