Energie im Lichte der Wissenschaft

Energieforschung mit ganzheitlichem Ansatz

Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft (LEE) – Ruhr-Universität Bochum

Weltweit wächst die Bevölkerung, die Lebens­­standards erhöhen sich und damit der Energiebedarf der Menschheit. „Die wichtigste energietechnische Aufgabe besteht darin, Techniken zu entwickeln und an­zuwenden, die die Bedürfnisse der Menschen mit einem wesentlich geringeren Energieeinsatz befriedigen“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner, Leiter des LEE, „zum Beispiel über Niedrigener­gie­ge­bäude und -siedlungen.“ Energie­­vor­sor­ge­forschung ist das Themengebiet des Lehr­stuhls: Berechnung des Energiebedarfs, der Luftschadstoffe und der Treib­haus­gase von Energieanlagen und Gebäuden über ihren Lebenszyklus. Solaranlagen, Windenergie, Wasserstoffe und Speichertechnologien, energieeffiziente Stadtkonzepte, aber auch Fragen zu neuen Wasserstoff-Erzeugungsverfahren und die energetische Nutzung von Bergwerken zur Energiespeicherung stehen dabei im Vordergrund. Der LEE führt daneben auch Störfallanalysen durch, um kerntechnische Anlagen hinsichtlich ihrer Sicherheit zu bewerten und auch fortschrittliche Reaktorkonzepte einzuordnen.

Der Lehrstuhl hat mit seinem ganzheitlichen Ansatz, der es ermöglicht, neue Techniken sachgerecht zu bewerten, große Anerkennung gefunden. Die Ergebnisse sind in der Vergangenheit kontinuierlich in poli­tische Entscheidungen eingeflossen.

Energiespeicher für die Zukunft

Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Eine wachsende Weltbevölkerung mit wach­sendem Energiebedarf konstant, sicher und nachhaltig mit Energie zu versorgen – das ist die Herausforderung, der sich das Fraunhofer UMSICHT stellt. 350 Mitarbeiter arbeiten seit 1990 in Oberhausen dafür an Konzepten mit den Schwerpunkten chemische Technik und Energietechnik. „Wir haben uns nichts weniger als die große Energiewende vorgenommen – und wir können sie herbeiführen“, sagt Prof. Dr.-Ing. Eckhard Weidner. Der Chemieinge­nieur leitet seit 2004 das Institut und hat seit 1998 den Lehrstuhl für Verfahrens­tech­ni­sche Transportprozesse an der Ruhr-Uni­versität Bochum inne.

Seit 2006 engagiert sich das Fraunhofer UMSICHT in der Energiespeicherung und untersucht Speicherformen, zum Beispiel in seinen europaweit größten Testlabors für Redox-Flow-Batterien. „Wir beschäf­tigen uns damit, wie Menschen in der Zukunft in Megacitys energieautark leben können, erforschen neue thermische und chemische Speicherformen und entwickeln dezentrale Systeme zur Versorgung mit Strom, Wärme und Kälte. Ergänzend dazu intensivieren wir den Austausch mit anderen Wissenschaftsdisziplinen – etwa mit dem Essener Kulturwissenschaftlichen Institut oder dem Wuppertal Institut“, erklärt Eckhard Weidner.

Energie sparen in Smart Homes

E.ON Energy Research Center (E.ON ERC) an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen

Wie können neun Milliarden Menschen im Jahr 2050 ihren Lebensstandard halten, ohne ihre Umwelt zu belasten, und zugleich Ressourcen für ihre Nachfolgegenerationen bereithalten? „Das ist die größte, dringendste Aufgabe, der sich die Menschheit stellen muss“, sagt Prof. Dr. ir. Dr. h. c. Rik W. De Doncker, Direktor des E.ON ERC. „Zudem werden immer mehr Menschen in Städten leben. Dafür wird mehr Energie benötigt. Aber wie schaffen wir das? Die Antwort lautet: CO₂ reduzieren und Energie sparen.“

Das größte Einsparpotenzial findet sich laut Rik W. De Doncker in intelligenten, energie­effizienten Häusern, Gebäuden und Stadtteilen, sogenannten Smart Homes, Energy Efficient Buildings und City Quarters – ein Hauptthema des Forschungszentrums, das dazu zum Beispiel die InnovationCity Bottrop berät.

Das Forschungszentrum arbeitet auch an den Netzen der Zukunft, denn ein verstärkter Einsatz erneuerbarer Energien verlangt nach neuen Konzepten für die Netzinte­gration, und veränderte Energieverbrauchs­gewohnheiten wirken sich auf das gesamte Energiesystem aus. In dieser ganzheit­lichen Betrachtung kooperiert das E.ON ERC mit vielen anderen Instituten, etwa mit dem Verbund „Jülich Aachen Research Alliance“ (JARA).

Energietechnik im Nanobereich

NanoEnergieTechnikZentrum (NETZ) an der Universität Duisburg-Essen

Energieumwandlung findet oft an Grenz- und Oberflächen statt – Nanomaterialien bestehen fast nur aus Oberfläche. Hier setzt das NETZ an, das exemplarisch für die Ener­gieforschung an der Universität Duisburg-Essen und ihren angeschlossenen Instituten steht: Unter der Federführung des „Center for Nanointegration Duisburg-Essen“ (CeNIDE) bildet es eine Plattform für die Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie für die „Nanoenergie“, also die Nutzung von Nanomaterialien in der Energietechnik. Im Herbst 2012 wird auch das NETZ-Forschungsgebäude eingeweiht: Mehr als 100 Wissen­schaftler forschen dann an Nanomateria­lien für die Anwendung in Brennstoffzellen, Lithium-­Ionen-­Batterien, Katalyse, Photo­voltaik und Thermoelektrik. Ziel ist es, Energie effizienter zu produzieren und rege­nerative Energien besser zu nutzen. So kann mit der Nanotechnologie etwa die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien erhöht, die Effizienz in der Photovoltaik gesteigert und die Lebensdauer von Brennstoffzellen verlängert werden.

In NETZ arbeiten die Wissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen in untereinander verbundenen Laboren direkt zusammen. Die hierfür erforderlichen Nano­­ma­teri­alien entstehen im selben Gebäude und werden erforscht, analysiert und direkt für die energietechnischen Anwendungen wei­ter­verarbeitet. Geschäftsführerin Dr. Marion Franke: „Eine derartige Kombination aus Forschung und Weiterverarbeitung, aus Wissenschaft und Industrie im Bereich Nanoenergie ist bisher einzigartig.“

Elektrische Netze lauffähig machen

Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft (ie³) der Technischen Universität Dortmund

„Wir arbeiten gerade am lebenden Objekt“, berichtet Prof. Dr.-Ing. Christian Rehtanz. „Auf jedem Kontinent laufen 24 Stunden am Tag Energiesysteme. Dieses System bauen wir in Europa momentan komplett um: weg von konventionellen Kraftwerken und hin zu erneuerbaren Energien. Diese Energien schwanken, sie sind ortsabhängig, müssen aber dennoch stabil und sicher Strom liefern.“ So beschreibt der Leiter des ie³ der Technischen Universität Dortmund und wissenschaftlicher Sprecher des Netzwerks ef.Ruhr die energietechnischen Herausforderungen. Das Institut, das Christian Rehtanz zusammen mit Prof. Dr. Johanna Myrzik leitet, befasst sich mit der Frage: Wie kann ein technisch lauffähiges und nachhaltiges Elektrizitätssystem der Zukunft geschaffen werden? Das ie³ will dazu beitragen, dieses Energiesystem mitzugestalten und auch die gesetzlichen Rahmenbedingungen weiterzuentwickeln. Auch effiziente Anwendungen elektrischer Energie wie etwa die Elektromobilität umfasst das Forschungsspektrum des ie³.

„Das übergeordnete Ziel ist, technisch und wirtschaftlich machbare Wege hin zu einer umweltgerechten, nachhaltigen und sicheren Energieversorgung zu gestalten“, sagt Christian Rehtanz.