Ein Auszug aus einem Statement des Parlamentarischen Staatssekretär im BMBF, Thomas Rachel, zum Aufbau und Förderung einer Plattform Kälte- und Energietechnik durch das BMBF

„Dieses Portfolio erweitern wir jetzt um eine forschungsstarke Innovationsplattform, die die Stärken aus Wissenschaft, Bildung und regionaler Wirtschaft bündelt. Unser Ziel ist es, internationale Standards für ressourcenschonende Kälte- und Energietechnik durch dieses vielversprechende Projekt zu setzen. Wir adressieren ein Megathema der Energiewende: Rund 50 Prozent des deutschen Endenergieverbrauchs werden für Versorgung mit Wärme und Kälte benötigt. Um unsere Klimaschutzziele zu erreichen, brauchen wir Lösungen für eine energieeffiziente, klimafreundliche und zugleich bezahlbare und sozialverträgliche Kälteversorgung. Die Forschungsplattform hat langfristig das Zeug dazu, hierbei ein nationaler wie internationaler Taktgeber zu werden.“

Lieber Herr Pütz,
vielen Dank für Ihr Interesse an der Thematik, und entschuldigen Sie die späte Rückmeldung.
Ich versuche Antworten auf Ihre Fragen kurz zusammenzufassen, allerdings sind die Fragen zum Teil noch nicht definitiv zu beantworten:

1. sind die Perowskit-Solarzellen im Handel schon verfügbar – wenn nicht, wann ist damit zu rechnen?

Aktuell noch nicht, allerdings gibt eine Vielzahl von Startups, die versuchen die Technologie zu einem Produkt zu machen. Dies beinhaltet z.B. flexible Perowskit-Solarzellen, Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen oder Si-Perowskit-Tandemsolarzellen. Es gibt noch weitere Firmen (auch in China) über die genannten hinaus (insgesamt so 8-14 würde ich schätzen), mit zum Teil unterschiedlichen Produktideen und potenziellen Märkten Am weitesten von allen ist aktuell sicher OxfordPV, die eine Rekordeffizienz von 29.5% für Si-Perowskit-Tandemsolarzellen (im Labormaßstab) gezeigt haben und angekündigt haben dieses Jahr erste Module in ihrer Fabrik in Brandenburg zu bauen. Tandemsolarzellen ist sicher auch der aktuell vielversprechendste Markt für Perowskite. Von den Firmen in China hört man natürlich eher wenige Details.

2. welche Firma ist dann Marktführer?

Siehe vorherige Antwort, aktuell noch sehr schwer zu beantworten, je nach Erfolg von OxfordPV.

3. können Sie mir einige Informationen zur Wetteranfälligkeit und Lebensdauer geben?

Dies ist sicherlich aktuell noch die größte Schwachstelle der Technologie, da Lebensdauern von 20-30 Jahren wie bei Silizium aktuell noch in weiter Ferne sind. Allerdings gab es große Verbesserungen in den letzten Monaten/Jahren diesbezüglich und die Stabilität hat jetzt viel Aufmerksamkeit in der Forschung. Wie weit Oxford PV im Detail in dieser Hinsicht ist, weiß man aktuell noch nicht, da halten sie sich eher bedeckt. Insgesamt forschen immer mehr Gruppen insbesondere an Themen zu Stabilität und zur (weiteren) Optimierung von Perowskit-Tandemsolarzellen (im besten Falle mit Effizienzen über 30%).

4. Wie verhält es sich mit der ökologischen Bilanz

Die aktuellen effizientesten Perowskit-Solarzellen sind Blei-haltig und auch wenn an Alternativen zu Blei als Element geforscht wird, ist man dort noch nicht weit gekommen und vermutlich muss man mit dem Blei leben. Die Bleimenge ist im Vergleich zu der Menge für alte Si-Module (glaube ich!) aber sogar geringer (da die Perowskit-Schichten sehr sehr dünn sind (~300-600 Nanometer)), und es gibt verschiedene Lösungsansätze, dass das Blei bei z.B. bei einem Bruch der Zellen nicht in die Natur (in die Erde) gelangt. Deshalb müssen die Module aber auf definitiv fachgerecht verkapselt und recycelt werden.

Ich hoffe ich konnte einen Überblick geben, bei weiteren Fragen melden sie sich einfach. Ich soll Sie auch lieb von meinem Chef grüßen, auch wenn wir beide noch vergleichsweise jung sind und Ihre aktivste Zeit nicht bewusst miterlebt haben, kann er sich gut an Sie erinnern, da seine Mutter ein Fan Ihrer Produkte war/ist ;-)) Ich gehe jetzt mal davon aus, das Sie „der“ Jean Pütz sind, wenn nicht bitte ich um Korrektur J

Mit besten Grüßen

Paul Faßl

(pte) – Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben Perowskit-Solarzellen so optimiert, dass der Wirkungsgrad jenen gängiger Siliziumzellen übertrifft. Sie setzen dabei auf eine Schicht aus Zinndioxid, die die Perowskit-Struktur von der leitenden Schicht trennt, die als Elektrode dient. In bisherigen Perowskit-Zellen befindet sich diese Schicht direkt auf dem Kristall.

Smarter Schichtaufbau
Bisher kämpfen die Forscher in aller Welt gegen eine Eigenart der Perowskit-Solarzellen, die die Effizienz beeinträchtigt. Denn frisch gebildete Elektronen verbinden sich mit ihren Gegenstücken, den sogenannten Löchern, zu einem neutralen Gebilde, ehe sie in Form von Strom abgezapft werden können. Das soll der neue Schichtaufbau künftig verhindern und die Module konkurrenzfähig machen.

Das Design von Jason Yoo, Moungi Bawendi und Fariborz Maseeh erhöht den Wirkungsgrad der Zelle auf 25,2 Prozent. So übertrifft dieser die meisten Siliziumzellen und nähert sich den Rekordhaltern, auf der Basis von Galliumarsenid, an. Die bisher leistungsfähigsten Zellen haben einen großen Nachteil. Bei ihrer Herstellung wird sehr viel Energie verbraucht, weil die notwendigen Temperaturen bei mehr als 1.000 Grad Celsius liegen. Perowskite begnügen sich dagegen mit 200 Grad Celsius. Außerdem sind sie extrem dünn und damit sehr leicht.

Perowskit versus Silizium
Laut den MIT-Forschern müssen Perowskit-Zellen die Siliziumkonkurrenz nicht verdrängen. Beide könnten sich ergänzen, da sie unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts in Strom verwandeln. So ließe sich der Wirkungsgrad drastisch anheben. Berliner Helmholtz-Forscher , die ebenfalls Perowskit-Zellen entwickeln, erwarten eine Effektivität von 30 Prozent, wenn letzte Hürden abgebaut sind – etwa die, die nun in den USA gefallen ist.

Die Zinkdioxid-Schicht wird mit der Chemischen Badabscheidung erzeugt. „Es ähnelt dem Zubereiten einer Speise“, sagt Bawendi. In einem Bad, das die Vorläuferchemikalien der gewünschten Schicht enthält, wird der Kristall eine Weile bei 90 Grad Celsius geköchelt. Dabei bildet sich die Zinndioxid-Schicht. Diese war unterschiedlich effektiv, je nach den Zutaten im Bad. Nach zahlreichen Tests fand das Team die Kombination, die die besten Ergebnisse brachte. Nächste Aufgabe der Forscher ist die Skalierung des Verfahrens, also die Herstellung von großflächigen Modulen. Bisher haben die innovativen Solarzellen lediglich Laborgröße.

(FAZ) – Europa steht vor einem Boom der Batteriezellenfertigung für Elektroautos – und Deutschland wird das mit Abstand wichtigste Zentrum dieser Zukunftsindustrie. Das prognostizieren die Fachleute des Brüsseler Klimaschutzverbands Transport & Environment (T&E) in einer neuen Marktanalyse, die der F.A.Z. vorliegt. Die Batteriezelle ist eine Schlüsselkomponente im schnell wachsenden Markt für Elektroautos: Ungefähr 40 Prozent der gesamten Wertschöpfung in der Fertigung batterie-elektrischer Fahrzeuge entfällt auf den Akku.

Bisher sind die europäischen Hersteller fast vollständig auf Lieferungen aus asiatischen Batteriezellenfabriken angewiesen. Das könnte sich jetzt schneller als bislang angenommen ändern: Schon dieses Jahr werde Europa über genügend heimische Produktionskapazitäten für Batteriezellen verfügen, um seinen Bedarf zu decken, sagt T&E voraus.

Nach Zählung der Verkehrsexperten sind derzeit in Europa 22 große Fabriken zur Herstellung von Batteriezellen („gigafactories“) geplant. Teilweise sind diese bereits im Bau. Dadurch würden bis zum Jahr 2030 ungefähr 100.000 neue Arbeitsplätze entstehen, die erwartete Jobverluste in der Herstellung von konventionellen Autos mit Verbrennungsmotor zumindest teilweise wettmachen könnten.

In Deutschland ist eine ganze Reihe von Standorten vorgesehen – darunter die neue Fabrik von Tesla in Brandenburg, das Werk von Volkswagen und Northvolt in Salzgitter und ein weiteres bei Opel in Kaiserslautern. Auch asiatische Hersteller bauen in Europa neue Fabriken. So wollen unter anderem die chinesischen Unternehmen CATL und SVolt in Thüringen und im Saarland Akkus für den europäischen Markt herstellen.

Rund die Hälfte davon entfalle voraussichtlich auf deutsche Fabriken. Deutschland werde damit in Europa der klar dominierende Standort für die Batteriezellen-Fertigung – vor Polen, Ungarn, Norwegen, Schweden und Frankreich.

Sollten die Fachleute mit ihrer Prognose richtig liegen, wird der Aufbau einer Batteriezellen-Industrie in Europa schneller gelingen, als bislang von der EU angepeilt. Der europäische Staatenbund und die Mitgliedstaaten mobilisieren Milliardenhilfen, um den Rückstand bei der Herstellung der wichtigen Stromspeicher gegenüber asiatischen Ländern aufzuholen.

Der Verkauf von Elektroautos ist nicht zuletzt dank staatlicher Kaufprämien im vergangenen Jahr gegen den Trend stark gestiegen. Deutschland ist mittlerweile hinter China der zweitgrößte Markt für Elektroautos auf der Welt. 2020 ist der Absatz hierzulande um 260 Prozent nach oben geschnellt. Jeder siebte in Deutschland zugelassene Neuwagen verfügte über einen elektrischen oder teil-elektrischen Antrieb. Das meistverkaufte Elektroauto der Welt ist der Tesla Model 3.

Die Autoindustrie setzt inzwischen immer stärker auf den Elektroantrieb. Ford hat angekündigt, in Europa ab dem Jahr 2030 keine Autos mit Verbrennungsmotor mehr anzubieten. Volvo und Jaguar Land Rover wollen den Verbrenner ebenfalls ausmustern.

Der Stuttgarter Hersteller Porsche rechnet damit, dass bis Ende des Jahrzehnts mehr als 80 Prozent seines Sportwagenabsatzes auf Elektroautos entfallen werden. Daimler-Vorstandschef Ola Källenius zeigt sich dagegen zurückhaltender: Das Unternehmen werde die Verbrenner nicht „vorzeitig“ aus dem Programm nehmen, weil mit diesen weiter viel Geld zu verdienen sei, sagte er kürzlich.

Der Verband T&E ist die Dachorganisation von rund 60 Umweltschutzverbänden in Europa mit verkehrspolitischer Ausrichtung. Unterstützt wird T&E von verschiedenen Stiftungen und Nichtregierungsorganisationen, zu denen auch der Word Wildlife Fund (WWF) zählt.

(Business Insider) – Der deutsche Autobauer Daimler will ab 2024 Hunderttausende Motoren pro Jahr in China bauen lassen. Bei der Produktion arbeiten die Stuttgarter demnach mit dem chinesischen Autohersteller Geely zusammen, der gleichzeitig Großaktionär bei Daimler ist.

Daimler hat die Pläne bestätigt. „Die Unternehmen planen die Entwicklung eines hocheffizienten modularen Motors, der Hybridfahrzeuganwendungen der nächsten Generation ermöglicht, die in Europa und China hergestellt werden“, sagte ein Konzernsprecher. Die deutschen Werke würden in dem Zuge nach und nach auf Elektro umstellen.

Bei der Arbeitnehmerseite herrscht indessen Unverständnis für die Entscheidung. “Wir sind fassungslos. Nicht einmal Diskussionen über alternative Fertigungsstandorte waren möglich”, sagte Michael Häberle, Betriebsratschef des führenden Antriebswerks in Stuttgart-Untertürkheim, der Nachrichtenagentur Reuters.

Mit der Kooperation will Daimler offenbar seine Wettbewerbsfähigkeit verbessern. Geely kann in China zu wesentlich günstigeren Bedingungen produzieren. Daimlers Ziel sei eine jährliche Kosteneinsparung im dreistelligen Millionenbereich.

Die gemeinsam entwickelten Motoren sollen laut dem Stuttgarter Autobauer nicht nur in Daimler-Fahrzeugen, sondern auch in Volvo-Autos zum Einsatz kommen. Geely und Volvo sind eng miteinander verflochten.

Daimler hatte Anfang Oktober bekannt gegeben, künftig noch stärker als bis dato angekündigt auf die E-Mobilität setzen zu wollen. Man strebe nicht weniger als „die führende Position“ bei Elektroantrieben und Fahrzeug-Software an, hieß es. Der Konzern betonte nun, man setze seine Bestrebungen fort, „die bestehenden Antriebsstrangwerke auf elektrische Umfänge umzustellen“.

Das ist das Prinzip des umweltfreundlichsten Flugzeugs der Zukunft.  Eine innenliegende Turbine treibt einen Generator an, der die Elektromotoren am Propeller mit elektrischer Energie versorgt. Der große Vorteil, in herkömmlicherweise kann der Treibstoff sowohl aus Erdöl oder Erdgas gewonnen werden als auch – und dann ist es extrem umweltfreundlich – aus regenerativ gewonnenem Methanol oder Äthanol über Verwertung von solarem Wasserstoff. Mit diesem HyperHybrid-System lassen sich auch die Probleme mit Bodenfahrzeugen wie Privat-PKWs, Lastwagen usw. mit erheblich  reduzierter Batterielast gegenüber dem reinen Elektro-Auto lösen.

Jean Pütz

(pte) – Das Flugzeug der Zukunft transportiert sein Antriebssystem im Frachtraum, jedenfalls wenn es nach den Vorstellungen von Steven Barrett und seinem Team vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) geht. Damit soll das größte Umweltproblem der Luftfahrt gelöst werden. Stickoxide werden verhindert, indem die Turbine mit einem Generator gekoppelt wird, der Strom für die Motoren produziert.

Kat und Harnstofflösung
Vorbild für die Innovation sind Dieselfahrzeuge und Bahnen, die auf Level null unterwegs sind. Die modernen Versionen haben ein Abgasreinigungssystem, das unter anderem Stickoxide in harmlose Stoffe zerlegt. Das gelingt mit einem Katalysator und der Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom, bekannt unter dem Markennamen AdBlue.

Ein solches System lässt sich an den normalen Triebwerken, die unter den Tragflächen montiert sind, nicht installieren, weil die Abgase aus der Verbrennung von Kerosin großflächig nach hinten entweichen. Sie müssten eingefangen und kanalisiert werden, um die Stickoxide zu knacken. Das ist nicht möglich, da die Anlagen so groß sein müssten, dass die Aerodynamik litte. Wird die Turbine dagegen in den Frachtraum verlegt, lässt sich das Abgasreinigungssystem installieren. Stickoxid-Emissionen würden um 95 Prozent reduziert.

Synthetisches Bio-Kerosin
„Ein solches Hybridflugzeug wäre eine enorme technische Herausforderung. Es gibt keine grundlegenden physikalischen Einschränkungen“, verdeutlicht Barrett. Er hält diese Lösung für einen praktikablen Weg, die Umweltauswirkungen des Luftverkehrs zu reduzieren. Würden diese Flugzeuge synthetisches Kerosin tanken, das aus Biomasse oder Kohlendioxid und Ökostrom hergestellt wird, wären sie nahezu umweltneutral, heißt es von dem Wissenschaftler.

Barrett und sein Team haben ausgerechnet, dass ein solches Konzept den Treibstoffverbrauch wegen des zusätzlichen Gewichts um nur 0,6 Prozent erhöhen würde. Die MIT-Ingenieure ermittelten diesen Wert für den Fall, dass eine Boeing 737 oder ein Airbus 320 mit dem Hybridsystem ausgerüstet würde. Platz sei in den Laderäumen genügend vorhanden. Während Hybridflugzeuge einige 100 Kilogramm mehr wiegen würden als konventionelle, ginge es bei rein elektrisch betriebenen Luftfahrzeugen um einige Tonnen zusätzlichen Batteriegewichts.

(HZDR) – Damit einer Industrienation wie Deutschland der Schritt zur regenerativen Energieversorgung gelingt, sind verlässliche und kostengünstige Speichersysteme für große Energiemengen nötig. Diese bis zur Anwendungsreife zu bringen, hat sich ein internationales Team um Tom Weier und Norbert Weber vom Institut für Fluiddynamik des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) vorgenommen. Im Projekt SOLSTICE – zu Deutsch Sonnenwende – wollen sie ab Januar 2021 Stromspeicher auf der Basis von flüssigem Natrium und flüssigem Zink entwickeln. Die Europäische Union fördert das Projekt über das Programm Horizont 2020 mit acht Millionen Euro.

Flüssige Metalle und geschmolzene Salze, mehrere hundert Grad Celsius heiß und nur getrennt von einer halbdurchlässigen Membran, könnten stromintensive Industrien in das regenerative Zeitalter führen. In großem Maßstab sollen sie die aus Wind und Sonne gewonnene Energie speichern und in der Nacht oder bei ungünstigen Wetterbedingungen wieder zur Verfügung stellen. Wissenschaftler*innen aus neun Forschungsinstituten und drei Unternehmen haben sich jetzt zusammengeschlossen, um die dafür nötige Technologie einsatzreif zu machen.

„Die Entwicklung effizienter Energiespeicher für industrielle Anwendungen brennt aktuell unter den Nägeln“, erzählt Dr. Tom Weier vom HZDR-Fachbereich Magnetohydrodynamik. „Das Ende von Kohleverstromung und Kernenergie macht solche Speichersysteme einfach unumgänglich.“ Denn die Stromerzeugung aus regenerativen Quellen unterliegt nicht nur jahreszeitlichen Schwankungen, sondern auch solchen zwischen Tag und Nacht. Aktuell werden Zeiten geringer Stromproduktion noch durch konventionelle Kraftwerke abgefedert. Gehen diese in den kommenden Jahren vom Netz, müssen andere Lösungen her. Für Zeiträume von mehreren Monaten bieten sich Langzeitspeicher auf der Basis von regenerativ erzeugtem Wasserstoff oder Methan an. Für die Überbrückung der Nacht sind jedoch Kurzzeitspeicher geeigneter, die auf Batterietechnologie basieren.

„Eine wirklich überzeugende Lösung gibt es dafür aber bisher nicht“, erläutert Weier. „Systeme mit Lithium-Ionen-Akkus funktionieren zwar prinzipiell, wären im industriellen Maßstab aber eine Ressourcenverschwendung.“ Denn der Lithiumvorrat ist begrenzt und die Lagerstätten weiträumig verteilt. Außerdem sind die heutigen Lithium-Ionen-Akkus aus vielen kleinen Batteriezellen aufgebaut. „Das Aktivmaterial, das uns zur Energiespeicherung dient, ist dabei in kleinen Portionen verpackt“, erklärt Weier. „Diese müssen dann auch noch miteinander verdrahtet werden. Zusammen verbraucht das eine große Menge Konstruktionsmaterial.“

Natrium statt Lithium
Deshalb gehen er und seine Kollegen einen anderen Weg. „Bei den Aktivmaterialien setzen wir auf Natrium und Zink“, erklärt sein Kollege Dr. Norbert Weber. Das hat ganz praktische Gründe. Natrium ist das sechsthäufigste Element auf der Erde und in großen Mengen verfügbar. Als Bestandteil verschiedener Salze sind zum Beispiel in jedem Liter Meerwasser etwa elf Gramm des Alkalimetalls gelöst. Zink ist zwar seltener, die weltweit verfügbaren Zinkressourcen sind aber dennoch gewaltig. Und während Lithium heute vor allem aus China, Australien oder Chile importiert werden muss, verfügt Europa über eigene aktive Zinkminen. Das, so Weber, würde erheblich dazu beitragen, die Abhängigkeit europäischer Energieprojekte von anderen Ländern zu verringern.

In ihrem Forschungsprojekt haben die Wissenschaftler*innen zwei verschiedene Systeme im Sinn. Eines soll bei 600 Grad Celsius arbeiten, das andere bei 300 Grad Celsius. „Beim ersten System sind sowohl die Elektroden als auch der Elektrolyt flüssig“, beschreibt Weber die Zusammenstellung. „Unsere norwegischen Partner haben bereits mit diesem Aufbau experimentiert und die Funktionstüchtigkeit des Prinzips nachgewiesen. Hier sollen Energien im Megawattstunden-Bereich gespeichert werden, was solche Batterien für Industrieanwendungen prädestiniert.“

Auch beim zweiten System dienen die flüssigen Metalle als Elektroden der Batterie. Der Elektrolyt hingegen ist fest. „Unsere Partner aus der Schweiz haben hier schon funktionsfähige Systeme, die allerdings mit Nickelchlorid arbeiten. Das wollen wir im Projekt durch Zinkchlorid ersetzen“, erklärt der Experte. „Im Kilowattstundenbereich angesiedelt, ist für diese Batterien sogar ein Einsatz als Heimspeicher denkbar.“ Innerhalb der kommenden vier Jahre wollen die Wissenschaftler beide Systeme mindestens so weit entwickeln, dass sie ihre Fähigkeiten in einer realistischen Umgebung unter Beweis stellen können. Das zweite System könnte in dieser Zeit sogar nahe an die Marktreife gebracht werden.

Beitrag zur Energiewende
Das HZDR übernimmt dabei nicht nur die Projektkoordination, sondern auch den Bau der Batteriezellen. „Am Institut für Fluiddynamik haben wir bereits langjährige Erfahrung im Umgang mit großen Mengen flüssigen Natriums“, erzählt Weier und verweist auf das Infrastrukturprojekt DRESDYN, bei dem umfangreiche Experimente mit Flüssigmetallen stattfinden. „Neben der Anwendung spielt beim Projekt SOLSTICE natürlich auch die Forschung eine wichtige Rolle“, ergänzt Weber. „Denn wir wollen verstehen, welche Vorgänge in unseren Speichersystemen genau ablaufen.“

Dass ihr Ansatz einen wichtigen Beitrag für die Energiewende leisten kann, da sind sich die beiden Wissenschaftler sicher. „Unser Vorteil ist die sehr einfache Konstruktion“, schätzt Weier ein. „Dadurch sind diese Batterien gut skalierbar. Zusammen mit den günstigen Aktivmaterialien könnten wir deshalb einen deutlich niedrigeren Systempreis als bei anderen Elektroenergiespeichern erreichen.“

(Business-Insider) – Der deutsche Autobauer Daimler will ab 2024 Hunderttausende Motoren pro Jahr in China bauen lassen. Bei der Produktion arbeiten die Stuttgarter demnach mit dem chinesischen Autohersteller Geely zusammen, der gleichzeitig Großaktionär bei Daimler ist.

Daimler hat die Pläne bestätigt. „Die Unternehmen planen die Entwicklung eines hocheffizienten modularen Motors, der Hybridfahrzeuganwendungen der nächsten Generation ermöglicht, die in Europa und China hergestellt werden“, sagte ein Konzernsprecher. Die deutschen Werke würden in dem Zuge nach und nach auf Elektro umstellen.

Bei der Arbeitnehmerseite herrscht indessen Unverständnis für die Entscheidung. “Wir sind fassungslos. Nicht einmal Diskussionen über alternative Fertigungsstandorte waren möglich”, sagte Michael Häberle, Betriebsratschef des führenden Antriebswerks in Stuttgart-Untertürkheim, der Nachrichtenagentur Reuters.

Mit der Kooperation will Daimler offenbar seine Wettbewerbsfähigkeit verbessern. Geely kann in China zu wesentlich günstigeren Bedingungen produzieren. Daimlers Ziel sei eine jährliche Kosteneinsparung im dreistelligen Millionenbereich.

Die gemeinsam entwickelten Motoren sollen laut dem Stuttgarter Autobauer nicht nur in Daimler-Fahrzeugen, sondern auch in Volvo-Autos zum Einsatz kommen. Geely und Volvo sind eng miteinander verflochten.

Daimler hatte Anfang Oktober bekannt gegeben, künftig noch stärker als bis dato angekündigt auf die E-Mobilität setzen zu wollen Man strebe nicht weniger als „die führende Position“ bei Elektroantrieben und Fahrzeug-Software an, hieß es. Der Konzern betonte nun, man setze seine Bestrebungen fort, „die bestehenden Antriebsstrangwerke auf elektrische Umfänge umzustellen“.

Hier eine Kritik von Prof. Fritz Indra an Elektroautos

(KIT) – Weltweit steigt der Bedarf an Lithium: Vor allem für die E-Mobilität ist der Rohstoff heiß begehrt. Um den tendenziell weiter steigenden Bedarf decken zu können, wird seit einigen Jahren auch die Produktion von Lithium aus Anlagen der Tiefengeothermie diskutiert, vereinzelt sind bereits Pilotprojekte in der Umsetzung – unter anderem im Oberrheingraben. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert nun das Verbundprojekt UnLimited, bei dem die EnBW Energie Baden-Württemberg AG als Kooperationsführer gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und den Partnern BESTEC, HYDROSION und Universität Göttingen eine Pilotanlage im Geothermiekraftwerk in Bruchsal einrichten wird.

Deutschland deckt seinen Bedarf an Lithium bislang vollständig über Importe, doch die Nachfrage steigt stetig, da Lithium-Ionen-Batterien auch für mobile und tragbare Anwendungen sehr gefragt sind. Weltweit zeigen auch Geothermieanlagen zum Teil beachtliche Gehalte an Lithium im Tiefenwasser – die Frage ist, wie es extrahiert werden kann. Das Projekt UnLimited („Untersuchungen zur Lithiumproduktion aus heißen Tiefenwässern in Deutschland“) setzt sich zum Ziel, die notwendigen technischen und wirtschaftlichen Grundlagen für eine Lithiumproduktion aus heißem Tiefenwasser in Deutschland zu entwickeln.

Heimische Produktion eröffnet Alternativen für Lieferketten
„Das in Bruchsal erbohrte Wasser ist mit rund 150 mg Lithium pro Liter Wasser relativ reich an Lithium“, so Professor Jochen Kolb, Leiter der Abteilung Geochemie und Lagerstättenkunde am Institut für Angewandte Geowissenschaften des KIT. Es werde zwar nicht die bundesweit benötigte Menge liefern, doch diese heimische Produktion eröffne Alternativen für Lieferketten und reduzierte Umwelteinwirkung. „Kurze Transportwege, Flexibilität gegenüber anderen Anbietern, Versorgungssicherheit und erweiterte Lieferketten: Wir nutzen den Rohstoff Geothermalwasser effizienter“, sagt Kolb, „und das hat den Nebeneffekt, dass es auch einen ökonomischen Boost für die Geothermie geben könnte.“
In der Geothermieanlage Bruchsal, welche die EnBW gemeinsam mit den Stadtwerken Bruchsal seit 2010 betreibt, wird Tiefenwasser für Wärme und Strom gefördert und nach der thermischen Nutzung wieder in das Reservoir zurückgeführt. Mit dem Wasserdurchsatz werden dabei überschlägig rund 800 Tonnen Lithiumchlorid pro Betriebsjahr ungenutzt gefördert und zurückgeführt. Im Rahmen eines Projekts entwickelte die EnBW gemeinsam mit dem KIT ein Verfahren, mit dem sich im Labormaßstab das im Tiefenwasser gelöste Lithium nachhaltig gewinnen lässt.
„Die Laboruntersuchungen stimmen uns optimistisch. Wir haben belegen können, dass es technisch grundsätzlich machbar ist. Jetzt gilt es, in einem nächsten Schritt die technische Umsetzung unter Realverhältnissen zu prüfen und die Wirtschaftlichkeit auch im größeren Maßstab zu bestimmen“, betont Dr. Thomas Kölbel, Konzernexperte Geothermie bei der EnBW. „Unsere Bruchsaler Anlage arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf. Das bedeutet, dass weder Gase noch Flüssigkeiten an die Umwelt abgegeben werden. Und nun wollen wir zeigen, dass wir auch im industriellen Maßstab eine nachhaltige und umweltverträgliche Produktion umsetzen können.“

Lithiumgehalt in Thermalwässern effizient nutzen
Bisherige Untersuchungen zeigen, dass es im Norddeutschen Becken und im Oberrheingraben erhöhte Lithiumgehalte in Thermalwässern gibt. Aus Schichten zwischen 3 000 und 5 000 Metern Tiefe wird das zwischen 160 und 180 Grad Celsius heiße Tiefenwasser erbohrt, das dann durch einen Wärmetauscher geht. Dort setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an – parallel zum Geothermiebetrieb – und bringen ein Ionensieb ein. „Ein wirtschaftlich sinnvolles Extraktionsverfahren bietet die Chance, die Profitabilität solcher Anlagen zu verbessern“, so Kolb. Im Labor laufen die Prozesse mit etwa 85- bis 95-prozentiger Effizienz, angestrebt ist eine Effizienz im Reallabor von etwa 70 Prozent.

In Bruchsal könnte Lithium für 20 000 Batterien gewonnen werden
Ziel ist, am Ende des Verbundprojekts im Pilotmaßstab Lithium aus Geothermalwasser bei gleichzeitigem Anlagenbetrieb zu gewinnen. Rund 30 bis 70 Liter Wasser werden pro Sekunde in jeder Geothermieanlage des Oberrheingrabens nach oben gebracht. „Da wäre in rund 40 Minuten die Menge Lithium zum Beispiel für eine Batterie zusammen“, erläutert Kolb. „In etwa zwei Minuten die Menge für ein E-Bike.“ So könnte bei rund 8 000 Betriebsstunden jährlich in der Geothermieanlage in Bruchsal eine Lithiummenge gewonnen werden, die ausreichend ist für die Produktion von etwa 20 000 Batterien.
„Mit einer intensiven Reservoiranalyse wollen wir zusammen mit den Projektpartnern die Nachhaltigkeit und damit auch die Wirtschaftlichkeit der Lithiumextraktion aus dem Tiefenwasser nachweisen“, erklärt Dr. Jochen Schneider, Geschäftsführer der HYDROSION GmbH. „Ein weiterer wichtiger Punkt ist aber auch die Qualität des Lithiums und dass keine schädlichen Abfälle in die Umwelt gelangen.“ Lithiumgewinnung aus einem erneuerbaren Energieträger müsse höchsten Umweltstandards genügen und die Öffentlichkeit müsse transparent über das Verfahren informiert werden.

Für die Abschätzung der Lithium-Ressource im geologischen Untergrund ist es essenziell, die Freisetzungsprozesse für Lithium im Geothermalreservoir und die Größe des Reservoirs (von der Zirkulation erfasstes Volumen) zu kennen. Zur Quantifizierung der Lithiumfracht setzen die Angewandten Geowissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Universität Göttingen Methoden ein, die die hydrogeochemischen Vorgänge an der Grenze zwischen Festgestein und zirkulierendem Fluid untersuchen. Dazu wird insbesondere die Verteilung der stabilen Isotope des Lithiums verwendet.

Die Projektkosten liegen bei rund 3,4 Millionen Euro. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Projekt UnLimited mit einem Betrag von 2,7 Millionen Euro.

(KIT) – Das EU-Klimaziel, den CO2-Ausstoß von neuen Pkw bis 2030 um 37,5 Prozent zu senken, soll bereits in fünf Jahren auch auf schwere Nutzfahrzeuge ausgedehnt werden. Weitere Verschärfungen der Ziele werden aktuell in der EU diskutiert. 2019 wurden 409 801 Nutzfahrzeuge, davon 38 620 Sattelzugmaschinen in Deutschland zugelassen, für die bisher keine CO2-Flottenminderungsziele galten. Forscherinnen und Forscher das Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) setzen sich im Projekt „KliMEA“ intensiv mit dem Antrieb schwerer Nutzfahrzeuge sowie der Brennstoffzellentechnologie auseinander und erarbeiten Wege, um künftig die Produktion von Brennstoffzellenkomponenten den neuen Anforderungen anzupassen.

Um bis zum Jahr 2025 bei schweren Nutzfahrzeugen 15 Prozent CO2-Emissionen und bis 2030 sogar 30 Prozent einzusparen, erscheint die Brennstoffzellentechnologie vielversprechend. Konventionelle LKW-Antriebsstränge mit Dieselaggregaten sind bereits in hohem Maße optimiert und bieten hier wenig Ausbaupotenzial. Bestehende Lösungen zum batterieelektrischen Antrieb von Pkw lassen sich aber nicht direkt übertragen, da die benötigte Batterie zu schwer und die Ladezeiten zu lange wären.

„Neben dem Einsatz synthetischer Kraftstoffe sehen wir insbesondere großes Potenzial, wenn das Nutzfahrzeug über eine Brennstoffzelle durch die Nutzung von Wasserstoff mit Energie versorgt wird. Erste Fahrzeuge sind bereits verfügbar, jedoch muss die Brennstoffzellenentwicklung bei einer Einführung bis 2025 deutlich beschleunigt werden. Taktgeber für die Beschleunigung der Brennstoffzellenentwicklung ist die Produktionstechnik“, so Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut, die baden-württembergische Landesministerin für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau.

Membran in der Brennstoffzelle ist entscheidend
Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug genügt zum Antrieb ein leichteres Brennstoffzellensystem, und der benötigte Wasserstoff lässt sich schnell nachtanken. Ein entscheidender Schritt in der Fertigung einer Brennstoffzelle besteht darin, die „Membrane Electrode Assembly“ (MEA) herzustellen und zu verarbeiten. Die MEA ist ein Verbundbauteil, dessen Kernstück die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) ist. Die PEM ist nur wenige Mikrometer dünn und verändert sich stark, wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert. Dadurch können Beschädigungen, Risse oder Ablösungen entstehen, durch die das gesamte Verbundbauteil nicht mehr nutzbar ist. Aktuell muss, um dies zu vermeiden, die gesamte Produktionsfläche klimatisiert und geregelt werden. „Ein solches System zu installieren, erfordert derzeit einen hohen Planungshorizont und verursacht hohe Kosten, sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb. In unserem Forschungsvorhaben ‚KliMEA‛ untersuchen wir daher die Möglichkeiten, das MEA-Verbundbauteil nur lokal in Form eines sogenannten Microenvironments zu klimatisieren. Hierbei wird die PEM an mehreren Stellen unter einer Art Käseglocke gesondert mit dem richtigen Klima an der richtigen Stelle verarbeitet“, so Professor Jürgen Fleischer, Leiter des wbk Instituts für Produktionstechnik des KIT. „Mit diesem Verfahren könnten wir die MEA-Fertigung künftig stückzahlflexibel gestalten, maßgeblich beschleunigen und somit ressourcenschonender und kostengünstiger umsetzen.“

Über „KliMEA“: Ziele und Partner
„KliMEA“ steht für „Klimaadaptive und modellgestützte Membrane-Electrode-Assembly-Fertigung“. Das wbk leitet das Projekt mit zwei Fachbereichen. Als Projektpartner untersucht die Arbeitsgruppe Thin Film Technologies (TFT) des KIT vor allem das Feuchtigkeitsaufnahmeverhalten der PEM. Dieses Bauteil beeinflusst das Verhalten der MEA wesentlich. Es wird länger oder kürzer, wenn sich die Luftfeuchtigkeit verändert. Ein Team des wbk untersucht darauf aufbauend in Simulationen genauer, wie sich die Veränderungen der PEM auf die MEA auswirken, um so das nötige Prozesswissen zu erlangen. Mittels eines „digitalen Zwillings“, also einer betriebsbegleitenden Simulation, die sehr realitätsnah und ausreichend detailliert das System digital widerspiegelt, untersucht das zweite Forschungsteam des wbk die Verknüpfung mit der realen Anlage und leitet geeignete Messstrategien ab. Die erhobenen Daten sind entscheidend für die Qualitätssicherung und zugleich für die Rückverfolgbarkeit (Traceability). Auf dieser Basis lässt sich entscheiden, ob hinsichtlich einer bestimmten Baugruppe ein Risiko besteht und Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen.

Als assoziierter Projektpartner bringt die Daimler Truck Fuel Cell GmbH ihr Expertenwissen zur industriellen MEA-Fertigung ein. Die e-mobil BW GmbH unterstützt das Projekt mit ihrer Kompetenz aus dem langjährigen Management des Clusters Brennstoffzelle Baden-Württemberg. Im Rahmen des Strategiedialogs Automobilwirtschaft Baden-Württemberg fördert das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau das Forschungsvorhaben bis Ende 2021 mit rund einer Million Euro.