2050 sollen 80
Prozent des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Um
dies zu erreichen, ist es notwendig, elektrische Energie in chemischen
Energieträgern zu speichern. Im Schwerpunktprogramm „Katalysatoren und
Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und
-wandlung“ (SPP 2080, DynaKat) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
untersuchen zwölf große Forschungskonsortien, wie sich katalytische
Reaktionssysteme unter solchen Bedingungen verhalten. Das Karlsruher Institut
für Technologie (KIT) koordiniert das Schwerpunktprogramm.

Sonne und Wind
sind neben Biomasse die wichtigsten erneuerbaren Energieträger, aber sie stehen
nicht gleichmäßig zur Verfügung. An wind- und sonnenreichen Tagen fällt mehr
Strom an, als in die Netze eingespeist werden kann. Diese Überproduktionen aus
Windkraft- und Photovoltaikanlagen lassen sich in Chemikalien speichern. So
kann elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung
stehen, die Chemikalien können aber auch als nachhaltige Bausteine genutzt
werden, um Treibstoffe oder Plattformmoleküle für die chemische Industrie
herzustellen.

Für die
Umwandlung von Kohlendioxid oder Wasserstoff in Speichermoleküle wie Methan,
Kohlenwasserstoffe oder Alkohole sind Katalysatoren, elektrochemische Zellen
und Reaktoren notwendig. Wie sich der Einfluss wechselhafter dynamischer
Gegebenheiten von außen – durch das Schwanken von Windstärke und Sonneneinstrahlung
– auf die katalytischen Reaktionssysteme auswirkt, wurde bislang kaum
betrachtet. „Man weiß jedoch, dass sich die Struktur fester Katalysatoren und
damit ihre katalytische Wirkung mit den Reaktionsbedingungen stark ändern kann.
Dies ist wissenschaftlich hochspannend“, sagt Professor Jan-Dierk Grunwaldt von
den Instituten für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) sowie für
Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des KIT. Der Inhaber des Lehrstuhls
für Chemische Technik und Katalyse koordiniert das DFG-Schwerpunktprogramm
DynaKat, an dem neben dem KIT zahlreiche weitere renommierte
Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland beteiligt sind, darunter das
Forschungszentrum Jülich, die TU München und mehrere Max-Planck-Institute wie
das Berliner Fritz-Haber-Institut. Das Kick-off-Meeting fand im Februar mit
über 70 Teilnehmenden in Karlsruhe statt. Die deutschlandweit zwölf
interdisziplinären, überregionalen Forschungsprojekte untergliedern sich in 34
Teilprojekte, sieben von ihnen sind am KIT verortet, das sich mit dem ITCP, dem
IKFT sowie dem Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)
beteiligt.    

Die DFG fördert
das auf insgesamt sechs Jahre angelegte Schwerpunktprogramm DynaKat zunächst
für drei Jahre mit 8,5 Millionen Euro. Der projektstärkste Partner ist das KIT.

„Wir wollen
Veränderungen des Materials der Katalysatoren unter dynamischen Bedingungen
grundlegend verstehen und verbessern“, sagt Dr. Erisa Saraçi, wissenschaftliche
Mitarbeiterin am IKFT und Mitorganisatorin des Kick-off-Meetings am KIT. Dafür
werden alle beteiligten Prozesse untersucht, von den Vorgängen auf der atomaren
Ebene des Katalysators bis zur räumlichen Verteilung der Stoffkonzentrationen
und Temperaturen auf Reaktorebene. Für ein grundlegendes Verständnis der Prozesse
und um neue Ansätze im Material- und Reaktordesign zu entwickeln, kommen
klassische etablierte Experimente ebenso zum Einsatz wie neueste
spektroskopische Methoden und Möglichkeiten der Modellierung.

Das Einbeziehen
des wissenschaftlichen Nachwuchses spielt im DFG-Schwerpunktprogramm DynaKat
eine wichtige Rolle, so steht ein Blockkurs am KIT zum Thema „Technologien und
Ressourcen für Erneuerbare Energien: Von Wind und Solar zu Chemischen
Energieträgern“ interessierten Studierenden und Promovierenden offen. „In der
Forschung kommt man ohne Netzwerke und Teamarbeit nicht voran, da die einzelnen
Teildisziplinen sehr komplex sind“, sagt Sebastian Weber, Doktorand am
IKFT/ITCP. Gerade für den wissenschaftlichen Nachwuchs seien der Austausch und
das Zusammenbringen unterschiedlicher Expertisen wertvoll, betonen Saraçi und
Weber. „Es geht darum, Kompetenzen zu bündeln und das Themengebiet
deutschlandweit voranzutreiben, um darin international führend zu werden“, so
Programmkoordinator Grunwaldt.

Details zum Schwerpunktprogramm:
http://www.itcp.kit.edu/spp2080/

Weitere
Informationen zum Koordinator Jan-Dierk Grunwaldt: http://www.itcp.kit.edu/grunwaldt

 Details zum KIT-Zentrum Energie: http://www.energie.kit.edu