16.05.2013 30.06.2020
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Selection phase
Funding phase
Today

Material Research for the Energiewende

The aim of the Material Research for the Energiewende funding initiative is to use innovative projects from basic research to develop and improve materials for use in the transition to renewables. These materials are intended to improve energy generation and increase efficiency in energy use.

For example, they can help improve renewables-based generating systems. Innovative materials are also needed for energy storage and energy transmission media. And with the right materials, fossil-fuel fired power plants can be adapted for the Energiewende. New areas of application are also conceivable for existing materials. The initiative expressly addresses the following areas:

  • Energy efficiency in buildings
  • Hydrogen production and storage; fuel cell technology
  • Photovoltaics
  • Wind energy
  • Power plant technology
  • Geothermal power
  • Hydropower

There are, however, other project ideas from basic research on materials that also deserve to be funded. Research which, alongside the material research carried out under the project, also addresses the issue of how production processes, existing testing specifications and measurement technologies can be adapted or optimised is likewise eligible for funding, as is research that attempts to answer a common or over-arching research question as a cross-cutting issue – long-term environmental compatibility or safety-related issues, for example.

Turbinen in einem Kraftwerk produzieren Strom für den Alltag der Menschen. Die darin ablaufenden Verbrennungsprozesse erreichen leicht über tausend Grad Celsius. Damit Materialien diese extremen Temperaturen aushalten, müssen sie gekühlt werden. Dieser Prozess verbraucht enorm viel Energie. Deshalb ist es ein wichtiges Forschungsziel, Materialien zu entwickeln, die auch extreme Temperaturen aushalten. Hierzu forscht die Nachwuchsgruppe MAXCOM. Die neue Klasse von keramischen Faserverbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composites: CMCs) hält auch Temperaturen oberhalb von 1.150 Grad Celsius aus, bei geringerem Gewicht und höherer Korrosionsstabilität.

Project Objectives

Die Nachwuchsgruppe untersucht die Grundlage dieser Faserverbundwerkstoffe, nämlich sogenannte MAX-Phasen: Stickstoff- oder Kohlenstoffverbindungen, die mit ihren Eigenschaften die Lücke zwischen Keramik und Metall überbrücken.

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Project Management

Forschungszentrum Jülich GmbH

Die Energiewende ist ein international einzigartiges und ambitioniertes Ziel, dessen Umsetzung enorme technologische Anstrengungen erfordert, um den geplanten Anteil der erneuerbaren Energien von mindestens 80 Prozent am Bruttostromverbrauch bis 2050 zu realisieren. Innovationen durch neue oder verbesserte Materialien sind für die Erzeugung des elektrischen Stroms, über den Transport und die Speicherung, bis hin zum energiesparenden Verbrauch dringend notwendig. In der Photovoltaik gelten zurzeit organisch-anorganische Halbleitermaterialien der Metall-Halid Perowskite als vielversprechende Materialklasse, da sie in den letzten Jahren rasante Effizienzsteigerungen erreichten.

Project Objectives

Wie man hocheffiziente und spektral optimierte Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen entwickelt, will die vom BMBF geförderte Nachwuchsgruppe MeSa-Zuma am Helmholtz-Zentrum Berlin nun untersuchen.

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Helmholtz-Zentrum Berlin

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Die Brennstoffzellen gelten als sauber, effizient und vielseitig nutzbar, beispielsweise als Fahrzeugantrieb oder in der Hausenergie. Für die Herstellung werden aber seltene und teure Elektrodenmaterialien benötigt, die eine breite Markteinführung hemmen.

Project Objectives

Die Nachwuchsgruppe ECat-PEMFC entwickelt effiziente und robuste Elektrokatalysatoren, die sie mit modernen Methoden verbessern.

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Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

Technologien, die elektrische Energie im großen Maßstab, zu niedrigen Kosten und mit großer Effizienz speichern können, sind ein zentraler Eckpfeiler für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Neuartige Redox-Flow-Batterien besitzen eine alternative Materialklasse: die Ionischen Flüssigkeiten. Im Gegensatz zu konventionellen Redox-Flow-Batterien müssen die energiespeichernden Stoffe hier nicht in einem Lösungsmittel gelöst werden, sondern können als Reinstoffe eingesetzt werden, da sie selbst flüssig sind. Es wird zudem der Einsatz von kostengünstigen, weltweit verfügbaren Rohstoffen mit hohen Energiedichten ermöglicht.

Project Objectives

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungsvorhaben IL-RFB streben an, die Technologie anhand eines Demonstrators zu realisieren.

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Freie Universität Berlin, Institut für Chemie und Biochemie,
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme,
Universität Freiburg, Institut für Anorganische und Analytische Chemie

Rotoren von Windrädern drehen sich heute ausnahmslos in Wälzlagern. Diese werden jedoch von Böen, Turbulenzen und großen Windstärken besonders beansprucht und erreichen die industrieübliche Zuverlässigkeit deswegen selten  die teure und aufwändige Demontage des Rotors zur Reparatur ist die Folge. Gleitlager wären unter Umständen eine verschleißarme, langlebigere und wartungsfreundliche Alternative.

Project Objectives

Daran arbeitet das Forschungsvorhaben WEA-GLiTS.

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RWTH Aachen
Zollern BHW Gleitlager GmbH & Co. KG
Oerlikon Metco Coatings GmbH

Ziel der Bundesregierung ist es, eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung zu gestalten, die zudem auf erneuerbaren Energiequellen, wie Wind- und Sonnenenergie, beruht. Um erneuerbare Energie grundlastfähig zu machen, bedarf es leistungsfähiger Elektrizitätsspeicher und -wandler. Polymer Elektrolyt Membran (PEM)- Brennstoffzellen sind flexible elektrochemische Energiewandler mit einem breiten Einsatzgebiet, beispielsweise in Brennstoffzellenfahrzeugen. Hier kommen bisher große Mengen Platin als Katalysator zum Einsatz. Das silbrig-weiße wertvolle Edel- und Industriemetall ist aber teuer, kann die chemische Reaktion nur mit einer hohen Überspannung katalysieren und hat eine stark abfallende Leistung im Langzeitbetrieb. Das verhindert bisher eine breite Vermarktung von PEM-Brennstoffzellen.

Project Objectives

Nun erforschen die Technische Universität Berlin, die VOLKSWAGEN AG und der Katalysatorhersteller Umicore AG & Co. KG, wie Nanokatalysatoren mit wenig Platin für PEM-Brennstoffzellen gefertigt werden können.

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Technische Universität Berlin
VOLKSWAGEN AG
Umicore AG & Co. KG

Heizen, kühlen, be- und entfeuchten  diese Vorgänge machen mehr als 40 Prozent des deutschen Primärenergieverbrauchs aus. In OPTIMAT wird ein Funktionsmuster zur direkten Entfeuchtung und Kühlung von Gebäude-Zuluft entwickelt. Statt Elektrizität kann dann für die Klimatisierung die oft reichlich verfügbare und energetisch günstigere Ab- oder auch Fernwärme verwendet werden. In einem solchen Prozess wird der Raumluft unerwünschte Feuchtigkeit durch spezielle wasseranziehende, mikroporöse Materialien, sogenannte Adsorbentien, entzogen. An anderer Stelle kühlt der Verdunstungseffekt die Luft. Die Leistung und Effizienz einer solchen Anlage hängt aber von der Leistungsfähigkeit dieser Adsorbentien sowie von ihrer Verbindung zu einer Wärmeüberträgerstruktur und ihrer strömungstechnischen Optimierung ab. Das Forschungsprojekt OPTIMAT wird unter Koordination des Fraunhofer ISE die gesamte Entwicklung vom Sorptionsmaterial bis zum Funktionsmuster umsetzen.

Project Objectives

Das Forschungsprojekt OPTIMAT wird unter Koordination des Fraunhofer ISE die gesamte Entwicklung vom Sorptionsmaterial bis zum Funktionsmuster umsetzen.

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Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
DencoHappel

Photovoltaik ist ein wichtiger Baustein der zukünftigen Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen. Wie können Material- und Herstellungskosten weiter gesenkt werden? Welche Techniken lassen den Wirkungsgrad weiter steigen? Diese Fragen stehen im Zentrum der Forschungsarbeiten zur Photovoltaik, um die Konkurrenzfähigkeit auch ohne wirtschaftliche Förderung zu gewährleisten. Wegen ihres geringen Rohstoffbedarfs gewinnen die Dünnschichttechnologien verstärkt an Bedeutung. Hier kommt beispielsweise das seltene Technologiemetall Indium sowie das rare und toxische Element Cadmium zum Einsatz.

Project Objectives

Forscherinnen und Forscher wollen im Projekt FREE-INCA Absorberschichten für den Einsatz in indium- und cadmiumfreien Dünnschichtsolarzellen entwickeln und optimieren.

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Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Württemberg (ZSW)

Mit neuartigen Dünnschicht-Solarzellen auf der Basis von kristallinen Perowskit-Halbleitern gelang es, Wirkungsgrade von über 20 Prozent im Labor zu realisieren. Es stellt sich die Frage, welches Wirkungsgrad-Potential die Perowskit-Technologie noch besitzt, den thermo-dynamischen Grenzen des Wirkungsgrads noch näher zu kommen.

Project Objectives

Es ist wichtig eine relevante Größe (figure of merit) zu definieren, die das Potential der Perowskit-Materialien für die Photovoltaik und ihre Konkurrenzfähigkeit im Vergleich zu den weiteren anorganischen und organischen Photovoltaik-Technologien beschreibt. Die Ermittlung einer technologieübergreifenden Größe ist das Ziel des Forschungsprojekts HYPER.

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Universität Würzburg
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE)
Technische Universität Chemnitz

Elektrolyseure können Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Wasserstoff wird beispielsweise zur Wärme- oder Stromerzeugung in Motoren oder Brennstoffzellen genutzt. Grundbaustein eines Elektrolyseurs ist eine Membranzelle mit zwei Elektroden  eine Anode und eine Kathode. Diese Membran mit einem sogenannten Festelektrolyt hat im Gegensatz zu herkömmlichen alkalischen Elektrolyseuren eine deutlich höhere Leistung und kann flexibel auf das variable Angebot erneuerbarer Energien reagieren. Allerdings entstehen Verluste während der Umwandlung in Wasserstoff, die Elektrolyseure sind nicht effizient genug und zu teuer.

Project Objectives

Das Forschungsprojekt POWER-MEE will Hochleistungselektroden und eine Membran entwickeln sowie Alterungsmechanismen untersuchen und verhindern.

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RWTH Aachen
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte
Forschung e. V.
Universität Stuttgart
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Die Energiewende ist eine soziale, wirtschaftliche und technische Aufgabe für Deutschland. Auf der einen Seite sollen zuverlässige und kostengünstige Speicher, Strom aus erneuerbaren Energiequellen speichern und so die Energieproduktion vom Verbrauch entkoppeln. Auf der anderen Seite gilt es, CO2-Emissionen zu reduzieren.

Project Objectives

Forscherinnen und Forscher arbeiten daher an neuen Technologien, CO2 aus Abgasen als chemischen Rohstoff zu nutzen. Langfristig sollen dadurch die regenerativen Energiequellen grundlastfähig gemacht werden und die Zahl der konventionellen Kraftwerke minimiert werden.

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Technische Universität Berlin (TUB)
Freie Universität Berlin
Ruhr-Universität Bochum

Um die Energiewende erfolgreich und wirtschaftlich umzusetzen muss der Wirkungsgrad der Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen gesteigert werden. Für die Windenergie bedeutet das, den Ertrag je Anlage zu erhöhen. Dies geht üblicherweise mit einer Vergrößerung des Rotordurchmessers einher. Doch die Rotorblätter sind je nach Windstärke und Turbulenz unterschiedlicher Belastung ausgesetzt. Dadurch ermüdet das Material mit der Zeit. Steigt die Festigkeit des Materials, sind die Anlagen noch sicherer und es wird gleichzeitig weniger Material benötigt.

Project Objectives

Ziel des Forschungsprojektes LENAH ist es daher, Werkstoffsysteme zu entwickeln, die zu einer längeren Lebensdauer und einem verbesserten Leichtbau für Windenergieanlagen führen.

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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.

Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Herzstück jeder Solarzelle ist ein Halbleitermaterial, das bei sogenannten CIGS-Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) zusammengesetzt ist. Die Werkstoffe wandeln das Sonnenlicht besonders gut in elektrische Energie um, so dass der Wirkungsgrad den Spitzenwert von 21,7 Prozent erreicht. Der Wirkungsgrad von Solarzellen lässt sich weiter steigern, indem zwei Solarzellen mit unterschiedlichen spektralen Absorptionsbereichen in einem Tandem miteinander verknüpft werden.

Project Objectives

Das Projekt CISOVSKIT will dafür die CIGS-Zelle mit der neuartigen Perowskit-Solarzelle verbinden. Es gilt, sowohl jede Teilzelle für sich, als auch den Aufbau und die Herstellung des Tandems zu optimieren.

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Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
Ludwig-Maximilians-Universität München, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Department Chemie
Karlsruher Institut für Technologie, Lichttechnisches Institut

III-V Solarzellen können rund ein Drittel der Energie des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln. Sie setzen sich aus einer Silizium-Unterzelle und einem Verbindungshalbleiter zusammen, der wiederum aus den chemischen Elementen aus der Erdmetall-Bor-Gruppe und der Stickstoff-Phosphor-Gruppe besteht. Man spricht von einer sogenannten Tandemsolarzelle. Die Herstellungskosten liegen allerdings wesentlich über denen von herkömmlichen Silizium-Solarzellen.

Project Objectives

In einem Forschungsprojekt wird nun untersucht, wie man III-V Solarzellen günstiger herstellt.

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Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE
Technische Universität Ilmenau
Philipps-Universität Marburg AIXTRON SE

Heizen und Klimatisieren macht einen großen Teil des Gesamtenergieverbrauchs eines Gebäudes aus. Dieser Verbrauch lässt sich durch eine geeignete Wärmeisolation verringern, da Wärmeverluste an die Umgebung minimiert werden. Jedoch zeigen die am häufigsten verwendeten Isolationsstoffe, wie Glaswolle oder Polyurethan-Schaum, wegen ihres hohen Anteils an Poren und Hohlräumen eine sehr geringe Festigkeit.

Project Objectives

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen im Projekt Thermostop unter Koordination der Universität Duisburg-Essen neue Materialien auf Basis von Kompositen aus Nanopartikel in Verbindung mit Polymeren entwickeln. Ziel ist eine nahezu porenfreie und tragfähige Wärmedämmung herzustellen, d.h. bei vergleichbaren Isolationseigenschaften wie die klassischen Werkstoffe soll eine viel höhere Festigkeit erreicht werden.

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Universität Duisburg-Essen, Institut für Materialwissenschaft
ContiTech AG

Adsorptionswärmepumpen können sowohl Kälte als auch Wärme bereitstellen. Im Unterschied zu konventionellen, elektrisch betriebenen Wärmepumpen nutzen sie dafür thermische Energie, die beispielsweise aus den regenerativen Energiequellen  Sonne, Erdwärme oder Wind  gewonnen werden. Kern von Adsorptionswärmepumpen sind spezielle Adsorptionsmaterialien, die aber bisher kaum für Klimatisierungsaufgaben optimiert worden sind.

Project Objectives

Das Forschungsprojekt TailorSorb unter Koordination der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen stellt maßgeschneiderte Adsorptions-materialien her und optimiert sie für den Betrieb mit regenerativen Energien in Gebäuden. Hierdurch können Anlagen noch effizienter betrieben und Treibhausgas-Emissionen eingespart werden.

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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät 4 - Maschinenwesen - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
InvenSor GmbH

Das Ziel der Bundesregierung, die Energiewende umzusetzen, verlangt in vielen Bereichen nach Innovationen, insbesondere bei den Energiespeichertechniken. Hier sind Batterien mit langer Lebensdauer und unbegrenzt verfügbaren Elektrodenmaterialien, zum Beispiel aus Zink, Magnesium, Aluminium, Silizium, Natrium, notwendig. Ohne Speicher ist die Umsetzung der Energiewende technisch nicht möglich. Neben den klassischen Blei-Akkumulatoren und fortschrittlichen Systemen, wie Lithium-Ionen-, Natrium-Silizium- oder Redox-Flow-Batterien werden vor allem in den nächsten Jahren die Metall-Luft-Systeme eine herausragende Rolle als elektrochemische Speicher einnehmen.

Project Objectives

Das Forschungsprojekt LUZI unter Koordination der Technischen Universität Clausthal entwickelt eine neue Zink-Luft-Zelle mit einem auf ionischen Flüssigkeiten basierenden Elektrolyten und an ihn angepasste Elektroden, die eine wesentlich höhere Lebensdauer als heutige Lösungen aufweisen.

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Project Management

Technische Universität Clausthal, Institut für Elektrochemie
DECHEMA Forschungsinstitut
Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung
IoLiTec Ionic Liquids Technologies GmbH
Universität Ulm
Westfälische Hochschule Gelsenkirchen Bocholt Recklinghausen
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Das Energiekonzeptes 2050 der Bundesregierung sieht vor, erneuerbarer Energien aus Wind- und Solarkraft zu nutzen. Stehen regenerative Energiequellen nicht zur Verfügung, gilt es Speicher zu entwickeln. Als Elektrodenmaterial in Superkondensatoren, Lithium-Schwefel- (Li-S-)Batterien oder Brennstoffzellen haben poröse, nanostrukturierte Kohlenstoffe eine besondere Bedeutung. Ihre Syntheseverfahren aber produzieren in häufig mehrstufigen Reaktionen große Mengen Abfall, zumeist Lösungsmittel.

Project Objectives

Die Nachwuchsgruppe Mechanocarb an der Technischen Universität Dresden will ein ressourcen-, energie- und zeiteffizientes Prinzip zur Synthese und Funktionalisierung poröser kohlenstoffbasierter Elektrodenmaterialien etablieren. Das neue Verfahren soll die ökonomischen und ökologischen Anforderungen der Energiewende erfüllen.

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Technische Universität Dresden, Institut für Anorganische Chemie I

Die Energiewende stellt unsere Gesellschaft vor eine große Herausforderung. Eine zentrale Rolle spielt die nachhaltige Produktion von ressourcenschonenden Materialien, die sowohl bei der Herstellung als auch in der Anwendung Primärenergie sparen. Als Beispiele sind unter anderem hochwirksame Dämmstoffe und neuartige Leichtbaumaterialien zu nennen. Für die Erzeugung solcher Materialien ist die Verschäumung von Kunststoffen eine Schlüsseltechnologie. Auch gilt es erdölbasierten Kunststoffe durch solche aus nachwachsenden Rohstoffquellen zu ersetzen. Celluloseacetat (CA) ist ein aus nachwachsenden Rohstoffen produzierter, schäumfähiger Biokunststoff, der zudem nicht toxisch sowie antiallergen ist.

Project Objectives

Ziel des Forschungsprojektes CA-Flammschutz ist es, ein hochwirksames Flammschutzsystem für den nachwachsenden Biokunststoff Celluloseacetat (CA) zu entwickeln, der im Baubereich als Wärmedämmstoff genutzt werden soll.

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FKuR Kunststoff GmbH
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
JACKON Insulation GmbH
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Seit den 1990er Jahren sind neue, bruchzähe faserverstärkte Keramiken für Hochtemperaturanwendungen entwickelt worden, die zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt angewendet werden sollten. Während Faserverbundkeramiken (Ceramic Matrix Composites, CMC) in Raumfahrtsystemen nur begrenzt zum Einsatz kamen, führte ihre vergleichsweise hohe Schadenstoleranz zu erfolgreichen Serienanwendungen beispielsweise in Automobilbremsscheiben oder Pumpenlagern. Ihr hoher Materialverlust bei Temperaturen um 1.500°C sowie die geringe Hochtemperaturfestigkeit verhindern aber, dass Verbundkeramiken auch in Gasturbinen in Kraftwerken eingebaut werden.

Project Objectives

Das Ziel des Forschungsprojektes NewAccess ist es, diese neue Werkstoffklasse für den Gebrauch in Gasturbinen zu optimieren, indem es neue keramische Faserverbundwerkstoffe entwickelt.

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Project Management

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Karlsruher Institut für Technologie
Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
MTU Aero Engines AG
Clariant Produkte (Deutschland) GmbH

Um Solarenergie im Giga-Watt-Bereich zu nutzen, ist eine Energiespeicherung im großen Maßstab erforderlich, beispielsweise um das Stromangebot an den Tag-Nacht-Rhythmus anzupassen. Eine Möglichkeit für diese Speicherung ist Wasserstoff. Er könnte beispielsweise als Treibstoff genutzt werden. Weiterhin könnte er zu flüssigen Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet werden, die als Kraftstoffe oder Speichermedien leichter und sicherer zu transportieren wären als Wasserstoff. Das chemische Element kann erzeugt werden, indem eine Solarzelle mit einem Elektrolyseur gekoppelt wird. Diese technische Vorrichtung führt mit elektrischem Strom aus Sonnenlicht eine chemische Reaktion durch und spaltet Wasserstoff aus Wasser ab. Solche Systeme sind aber häufig nicht rentabel und empfindlich gegenüber Korrosion.

Project Objectives

Ziel des Forschungsprojektes MeOx4H2 unter Koordination des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materia­lien und Energie ist es, eine integrierte photoelektrochemische Elektrode zu entwickeln, die bei Bestrahlung mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt. Dabei rechnen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit einem Wirkungsgrad von bis zu zehn Prozent.

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Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, Institut für Solare Brennstoffe,
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, Institut für Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung
Friedrich-Schiller-Universität Jena, Physikalisch-Astronomische Fakultät, Institut für Festkörperphysik

Mit dem Energiekonzept hat die Bundesregierung die Grundlagen einer umweltschonenden, zuverlässigen und bezahlbaren Energieversorgung geschaffen. Hier gilt es auch, Technologien einzusetzen, die einen hohen Wirkungsgrad besitzen. Brennstoffzellen wandeln die Energie eines Gases direkt in elektrische Energie um. Einsatzgebiet der Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Festoxid-Elektrolyt (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) ist die Strom- und Wärmeerzeugung, beispielsweise in der Hausenergieversorgung oder als industrielle Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage. Manche Komponenten sind aber noch nicht für einen langfristigen, verlässlichen Betrieb von mehr als vier Jahren oder 35.000 Betriebsstunden geeignet. Sie zeigen einen kontinuierlichen Verlust an Leistungsfähigkeit, die sogenannte Degradation.

Project Objectives

Das Forschungsvorhaben SOFC Degradation unter Koordination des Forschungszentrums Jülich wird die Degradationsphänomene in SOFC-Brennstoffzellen detailliert untersuchen. Die Arbeiten sollen dazu beitragen, eine Lebensdauer von bis zu zehn Jahren oder etwa 100.000 Betriebsstunden zu erreichen.

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Project Management

Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Karlsruher Institut für Technologie
Technische Universität Clausthal
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
Forschungszentrum Jülich GmbH

Photovoltaik hat in puncto installierter Leistung in den vergangenen Jahren die größten Zuwachsraten unter den erneuerbaren Energien erreicht. Damit leistet diese Technologie einen wichtigen Beitrag zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Erst seit wenigen Jahren verwenden Forscherinnen und Forscher Perowskit-Kristalle mit organischen und anorganischen Bestandteilen in Solarzellen - ein Material, das die Lichtenergie sehr gut absorbieren kann und so hohe Wirkungsgrade erreicht. Für Perowskite sind die Möglichkeiten und Grenzen weiterer Verbesserungen weitgehend unerforscht.

Project Objectives

Das Forschungsprojekt PeroSol unter Koordination der Technischen Universität Darmstadt untersucht, was die erfolgreichen Perowskite auszeichnet, um langfristig weitere Halbleiter für die Solarenergie zu erschließen.

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Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Karlsruher Institut für Technologie
Technische Universität Darmstadt

Mit dem Energiekonzept 2050 hat die Bundesregierung das zukünftige Energiesystem in Deutschland skizziert. Dazu gehört auch, die Treibhausgasemission um mindestens 80 Prozent im Vergleich zu dem Wert von 1990 zu reduzieren. Mit der Einführung von Batterie- oder Brennstoffzellenfahrzeugen könnte dieses Ziel leichter erreicht werden. Wasserstoff dient als Treibstoff, der auch gespeichert werden muss. Feststoff-Speichermaterialien erfüllen aber häufig nicht alle Bedingungen, um sie in der Elektromobilität anwenden zu können.

Project Objectives

Ziel des Verbundprojektes RevAl unter Koordination des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung ist es, neue Materialien für die Wasserstoffspeicherung für mobile und stationäre Brennstoffzellenanwendungen zu entwickeln. Diese neuen Materialen sind kompatibel zu einer Hochdruckbetankungstechnik für Brennstoffzellenfahrzeuge.

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Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
Technische Universität Bergakademie Freiberg

Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist eine zentrale Säule der Energiewende. Photovoltaik kann dabei eine entscheidende Rolle spielen, denn Sonnenergie lässt sich vielfältig und ohne Umwege nutzen. Solarzellen in Photovoltaikanlagen, solarthermischen Kraftwerken und Sonnenkollektoren verwenden die Sonnenstrahlung und wandeln sie in Strom oder Wärme um. Hierzu gilt es Materialien und Konzepte zu entwickeln, die eine ressourcenschonende Photovoltaik ermöglichen. Erst seit wenigen Jahren fertigen Forscherinnen und Forscher Solarzellen aus Perowskit-Kristallen an. Darunter fallen alle Materialien, die dieselbe Kristallstruktur aufweisen, wie das Mineral Kalziumtitanat.

Project Objectives

Das Forschungsprojekt Meso-PIN unter Koordination des Fraunhofer ISE will das Konzept der Perowskit-Solarzelle weiterentwickeln. Neben den anderen Solarzellentechnologien könnte sie eine weitere Energiequelle für mobile und stationäre Anwendungen werden.

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Universität Konstanz
Universität Bayreuth
Thieme GmbH & Co. KG
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
BELECTRIC OPV GmbH
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE

Die Umwandlung von regenerativer Energie in ein nutzbares Gas als sekundären Energieträger kann eine wichtige Rolle bei der Energiewende einnehmen. Erneuerbarer Strom könnte in Wasserstoff bzw. Methan umgewandelt werden. Diese Gase können in der Gasinfrastruktur transportiert, gespeichert und anschließend genutzt werden. In Demonstrationsanlagen ist bisher eine Kombination aus Photovoltaik und technischen Elektrolyseuren realisiert worden; diese hat sich jedoch als sehr kostenintensiv herausgestellt. Kostengünstiger kann die Wasserstoffproduktion in einem Schritt mit Hilfe von photoaktiven Halbleiterelektroden durchgeführt werden.

Project Objectives

Die Nachwuchsgruppe Focus-H2 will mit dem Verfahren des Kaltgasspritzens strukturierte großflächige Photoelektroden mit hoher Effizienz für die solare Wasserstoffproduktion entwickeln.

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Helmut-Schmidt-Universität, Universität der Bundeswehr

Trotz des stetig wachsenden Anteils regenerativer Energiequellen an der Stromerzeugung kommt konventionellen Kraftwerken weiterhin eine entscheidende Rolle zu. Sie gleichen die wetter- und jahreszeitbedingt schwankenden Beiträge der Windkraft- und Solarenergie aus und stabilisieren so die Stromversorgung. Hierzu ist ein lastflexibler Betrieb der Kraftwerke mit häufigen Starts und Lastwechseln erforderlich. Starts und Lastwechsel führen zu Temperaturwechseln und zeitlich schwankenden mechanischen Lasten, die die Bauteile in veränderter Weise verglichen zu heutigen Fahrweisen beanspruchen. Dabei kann eine beschleunigte Werkstoffschädigung mit frühzeitigen und unerwarteten Schäden an Bauteilen oder Anlagen auftreten.

Project Objectives

Die Nachwuchsforschungsgruppe FLEXIKON der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) untersucht am Beispiel hochwarmfester Stähle, inwieweit die Erfahrungen zum Verhalten dieser Werkstoffe unter stationären Kraftwerksbedingungen auf einen zyklischen Anlagenbetrieb im Rahmen der Energiewende übertragbar sind.

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Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung

Deutschland baut seine Energieversorgung um. Für die Umsetzung der Energiewende gilt es, die notwendigen technologischen Voraussetzungen und Innovationen für eine langfristig gesicherte, bezahlbare und umweltverträgliche Energieversorgung zu schaffen. Eis- und Raureifbildung an technischen Anlagen, wie Windkraftanlagen, Starkstromleitungen und Telekommunikationseinrichtungen, verhindert aber einen reibungslosen Betrieb. Sie senkt den Wirkungsgrad, erhöht den Wartungsaufwand, verursacht Stillstandzeiten und stellt zudem ein hohes Sicherheitsrisiko dar.

Project Objectives

Das Forschungsprojekt EISAB unter Koordination der Technischen Universität Dresden will eine aktive Folienbeschichtung entwickeln, die Eisbildung und dauerhafte Eisanhaftung an Oberflächen von technischen Anlagen verhindert.

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Technische Universität Dresden
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.

Für die Energiewende gilt es, mit innovativen Technologien Speicher zu entwickeln, die Solarenergie für Perioden mit geringer Sonneneinstrahlung zur Verfügung stellen. Auf der anderen Seite gibt es Wasserverunreinigungen. Neue Technologien, mit deren Hilfe die Energie- und Wasserprobleme simultan gelöst werden können, sind von großer Bedeutung.

Project Objectives

Das Projekt DuaSol will ein wirtschaftliches und großtechnisch umsetzbares Konzept aufbauen, das in Zukunft Wasserstoff als chemischen Energiespeicher für Solarenergie nutzt und gleichzeitig Abwässer reinigt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln dazu eine photoelektrochemische Tandemzelle mit kaltgasgespritzten Elektroden, die mit Sonnenlicht photokatalytisch Wasserstoff erzeugt und dabei Abwässer klärt.

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H.C. Starck GmbH
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Solarforschung
Justus-Liebig-Universität Gießen
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

Mit dem Energiekonzept strebt die Bundesregierung eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung an. Dabei nehmen Windenergieanlagen auf See eine wichtige Rolle ein. Ziel ist es, mehr als zehn Megawatt Leistung je Anlage erreichen zu können. Hersteller von Groß-Windanlagen steigern zwar kontinuierlich die Leistung der Turbinen, mit wachsender Leistung wachsen aber auch Turmkopfmasse und -volumen überproportional an. Aus diesen Gründen müssen Hersteller die Leistungsdichte der Anlagen erhöhen. Die Leistungsdichte von Generatoren, als eines der schwersten und größten Komponenten des Turmkopfes, kann beispielsweise vergrößert werden, indem Supraleiter in den Magnetspulen des Rotors verwendet werden. Wegen der hohen Supraleitermenge pro Anlage ist dafür aber eine günstige Herstellungsmethode für supraleitende Drähte und Bänder notwendig.

Project Objectives

Der Verbund DIAMANT will nun einen effizienten Herstellungsprozess entwickeln, der grundsätzlich eine reproduzierbare, wirtschaftliche Fertigung großer Leiterlängen in industriellem Maßstab ermöglichen soll.

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Siemens AG, Corporate Technology
Siemens AG, Corporate Technology
Universität Bayreuth
Karlsruhe Institut für Technologie
Palas GmbH, Karlsruhe

Im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung entwickeln Wissenschaft und Wirtschaft innovative Lösungen für eine nachhaltige Energietechnik. Große leistungsfähige und sichere Energiespeicher sind ein essentieller Baustein für die Nutzung regenerativer Energien. Speichertechnologien ermöglichen die Entkopplung von Stromerzeugung und -nutzung, indem Energie, die nicht direkt genutzt werden kann, gespeichert wird und bei hohem Bedarf wieder ins Stromnetz eingespeist wird.

Project Objectives

Das Verbundprojekt AlSiBat will wieder aufladbare Metall-Luft-Batterien aufbauen, die auf häufig vorkommenden Rohstoffen basieren. Anstatt des seltenen Lithiums wählen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Aluminium, Silizium oder Zink. So wollen sie die Einführung von kostengünstigen und sicheren Batterien beschleunigen.

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Technische Universität Clausthal
DECHEMA Forschungsinstitut
IoLiTec Ionic Liquids Technologies GmbH
Technische Universität Berlin
Forschungszentrum Jülich GmbH

Im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms gilt es, Konzepte und Lösungen für eine nachhaltige Energietechnik zu entwickeln. Neuartige Speichertechnologien spielen dabei eine herausragende Rolle. Bei den zurzeit am Markt verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien nimmt aber häufig die speicherbare Energie ab, wenn sie mit hohen Stromdichten be- oder entladen werden. Dies steht einem flächendeckenden Einsatz als effektivem stationärem Energiespeicher bisher entgegen. Ein Grund ist die begrenzte ionische Leitfähigkeit der Kathodenmaterialien.

Project Objectives

Das vom Forschungs€zentrum Jülich koordinierte Verbundprojekt DESIREE entwickelt Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien der nächsten Generation.

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Forschungszentrum Jülich GmbH
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Karlsruher Institut für Technologie

Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht vor, dass die Erneuerbaren Energien bis 2020 insgesamt 35 Prozent am Bruttostromverbrauch ausmachen sollen. Ein Teil dieser Energie kann durch die Produktion von Biogas gedeckt werden. Biogas kann außerdem im Erdgasnetz transportiert und gespeichert werden, was Produktion und Verbrauch zeitlich und räumlich trennt. Voraussetzung dafür ist aber die Aufbereitung des Biogases in Erdgasqualität, wozu vor allem das Kohlenstoffdioxid aus dem Rohbiogas abgetrennt werden muss. Eine solche Biogasaufbereitung ist zurzeit aber nur für Großanlagen lohnend. Während Einspeiseanlagen durchschnittlich etwa 650 Kubikmeter Methan pro Stunde aufbereiten, kann eine durchschnittliche Biogasanlage nur etwa ein Fünftel davon produzieren.

Project Objectives

Wie ein Biogasaufbereitungsverfahren auch bei kleineren Anlagen wirtschaftlich realisierbar ist, will das Verbundprojekt ABIoLa unter Koordination des Instituts für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart (IFK) untersuchen.

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Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)
Rubitherm Technologies GmbH

PEM-Brennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane - PEM) könnten, neben Batterien, ein wichtiger Bestandteil einer zukünftigen Elektro-Mobilität werden. Sie erlauben Reichweiten, die denen herkömmlicher Automobile vergleichbar sind, und als Brennstoff benötigen sie Wasserstoff, der verhältnismäßig einfach durch Elektrolyse mittels regenerativ erzeugter elektrischer Energie herstellbar ist. Darüber hinaus könnten PEM-Brennstoffzellen überall dort Anwendung finden, wo die Kapazität von Batterien nicht ausreicht. Kernstück einer Membran-Brennstoffzelle ist die einige zehn bis hundert Mikrometer dünne Polymermembran. Die derzeit übliche Membran verhindert aber, dass PEM-Brennstoffzellen mit geringeren Mengen Edelmetallkatalysatoren und in einem vereinfachten System betrieben werden können. Protonenleitfähigkeit und chemische Stabilität wären dann nicht mehr ausreichend.

Project Objectives

Das Projekt PSUMEA-2 verfolgt einen neuen Ansatz aus der Kohlenwasserstoffchemie und stellt für die PEM-Brennstoffzelle neue Kohlenwasserstoffmembranen her. Der Einsatz einfacher Blendverfahren soll zu einer deutlichen Kostenreduktion führen und ihre Vorteile, wie geringe Gasdurchlässigkeit und Entsorgung in der Platin-Rückgewinnung, erhalten.

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Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

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