Helmholtz-Gemeinschaft
Der neue WhatsApp-Newsletter!

Forschungsbereich Energie

Globale Engpässe sind vorhersehbar: in der Energieversorgung, der Entsorgung von Rückständen und Emissionen. Helmholtz-Energieforscher suchen nach Lösungen, um die Bedürfnisse heutiger und künftiger Generationen zu befriedigen.

Aufgabe

Im Forschungsbereich Energie arbeiten Helmholtz-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler daran, Lösungen für die Energieversorgung zu entwickeln, die ökonomisch, ökologisch und gesellschaftlich tragbar sind.

Zoom
Bei Linear-Fresnel-Kollektoren bündeln mehrere ungewölbte Spiegelstreifen das Sonnenlicht auf ein Absorberrohr. Die einzelnen Spiegelstreifen werden dabei der Sonne einachsig nachgeführt. Bild: DLR/Novatec Solar

Dafür untersuchen sie die relevanten Energieketten unter Einbeziehung von technologischen und sozioökonomischen Randbedingungen einschließlich der Klima- und Umweltfolgen. Ein Ziel ist es, fossile Rohstoffe und nukleare Brennstoffe durch Energieträger zu ersetzen, die nachhaltig und klimaneutral nutzbar sind. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler loten die Potenziale von erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenenergie, Biomasse oder Erdwärme aus. Sie arbeiten an der Effizienzsteigerung von konventionellen Kraftwerken und der rationellen Energienutzung. Die Helmholtz-Gemeinschaft forscht an der Nutzung der Kernfusion, um langfristig eine neue Energiequelle zu erschließen und verfügt über herausragendes Know-how in der nuklearen Sicherheitsforschung.

Ausblick

Die Energiewende gehört zu den größten Aufgaben in Gegenwart und Zukunft. In ihrem 6. Energieforschungsprogramm konzentriert sich die Bundesregierung auf Technologien, die für den Umbau der Energieversorgung wichtig sind: Erneuerbare Energien, Energieeffizienz, Energiespeicher, Netztechnologien. Die Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt die Strategie der Bundesregierung nachdrücklich und trägt durch ihre Kompetenz und Erfahrung in den Schlüsselbereichen signifikant zur Umsetzung bei. Zudem schließt sie die Forschungslücken und strebt raschere Fortschritte auf den relevanten Gebieten an. Die Helmholtz-Forschung befasst sich mit einem weiten Spektrum von Optionen und treibt dabei Grundlagenforschung ebenso voran wie anwendungsorientierte Forschung. Die technologische Forschung wird von sozio-ökonomischer Forschung ergänzt. Es gilt, das Energiesystem einschließlich aller gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und politischen Aspekte zu optimieren.

Programmstruktur in der Förderperiode 2015-2019

Im Forschungsbereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft wirken derzeit acht Helmholtz-Zentren zusammen: das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Forschungszentrum Jülich, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ, das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungs- Zentrum GFZ und das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) als assoziiertes Mitglied in der Helmholtz-Gemeinschaft.

Die Arbeiten im Forschungsbereich Energie gliedern sich dabei in sieben Forschungsprogramme. Alle Programme werden in interdisziplinären Arbeitsgruppen und internationaler Zusammenarbeit vorangetrieben. Forschungsinfrastrukturen, Großexperimente, Pilotanlagen, Testanlagen für Großkomponenten, hochleistungsfähige Analysesysteme und große Rechnerkapazitäten stehen hierfür zur Verfügung.

Forschungsprogramme


Photo: DLR

Energy Efficiency, Materials and Resources

Das Forschungsprogramm kombiniert die Notwendigkeit für höhere Effizienz bei der Energiegewinnung und dem Ressourcenverbrauch mit der Entwicklung neuer Materialien.


Renewable Energies

Das Programm beschäftigt sich mit der Erforschung und Weiterentwicklung innovativer komplementärer Technologien für ein Energiesystem, das auf der Nutzung erneuerbarer Energien basiert.


Storage and Cross-linked Infrastructures (SCI)

Das neu konzipierte Programm widmet sich der Erforschung und Entwicklung von unterschiedlichen  Energiespeichersystemen und effizienten Infrastrukturen, um die volatile Energiebereitstellung der erneuerbaren Energien zu kompensieren sowie die Herausforderungen der Energieübertragung und -verteilung zu bewältigen.


Nano-Spintronics-Cluster-Tool. Jülicher Wissenschaftler erforschen die Grundlagen für die Datenspeicher von morgen.
Bild: Digitalfotografie, Ralf-Uwe Limbach, Forschungszentrum Jülich

Future Information Technology – Fundamentals, Novel Concepts, and Energy Efficiency

Forschungsziel dieses Helmholtz-Forschungsprogrammes ist es mittels neuer innovativer Forschungsansätze neue Bauelemente und Architekturkonzepte zu entwickeln, um die Rechenleistung, Datenspeicherdichten und Datenübertragungsraten von Informationstechnologien zu erhöhen und gleichzeitig den Bedarf an elektrischer Energie dramatisch zu reduzieren.


Technology, Innovation and Society

Ziel des forschungsbereichsübergreifenden Programms ist die Erforschung ökologischer, ökonomischer, politischer, ethischer und sozialer Aspekte neuer Technologien zur Unterstützung von Entscheidungen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft.


Nuclear Waste Management, Safety and Radiation Research

Das Forschungsprogramm adressiert Sicherheitsfragen der nuklearen Entsorgung einschließlich der Langzeitsicherheit der Endlagerung sowie der Sicherheit von Kernkraftwerken.


Nuclear Fusion

Das Programm trägt in Zusammenarbeit mit seinen europäischen und internationalen Partnern dazu bei, ein Fusionskraftwerk zu realisieren.

Einblicke in den Forschungsbereich Energie

Hier stellen wir Ihnen aktuelle Forschungsprojekte von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Helmholtz-Zentren vor.

Energy Lab 2.0 - Intelligente Energiewendeplattform

Zoom
Der größte deutsche Solarstrom-Speicherpark am KIT ist Teil des Energy Lab 2.0. Bild: KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Die Energiewende bringt zahlreiche Herausforderungen für die Wissenschaft mit sich. Auf dem Weg zu einer Stromversorgung, die sich maßgeblich aus erneuerbaren Energien speist, sind viele Fragen zu beantworten. Das Energy Lab 2.0 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) soll wichtige Antworten liefern. Im Oktober 2014 an den Start gegangen, will die intelligente Plattform das Zusammenspiel einzelner Komponenten künftiger Energiesysteme erforschen. Das Projekt ist eingebettet in die Gesamtstrategie der Helmholtz-Gemeinschaft zum Thema Energie. Dafür errichten die Partner bis 2018 ein Simulations- und Kontrollzentrum und einen energietechnischen Anlagenverbund am KIT, ein Elektrolyse-Testzentrum am Forschungszentrum Jülich und eine Testanlage zur Erprobung von Power-to-Heat-Konzepten am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart.

Der Anlagenverbund verknüpft charakteristische Komponenten zur Strom-, Wärme- und Synthesegaserzeugung mit verschiedenen Energiespeichertechnologien und Verbrauchern. Dazu werden vorhandene große Versuchseinrichtungen am KIT in das Energy Lab 2.0 integriert: der Solarstrom-Speicher- Park, die bioliq-Pilotanlage und ausgewählte Energieverbraucher. Elektrische, elektrochemische und chemische Speicher sowie eine last- und brennstoffflexible Gasturbine mit Generator werden den Anlagenverbund ergänzen. Ein Simulations- und Kontrollzentrum am KIT verknüpft alle Komponenten des Anlagenverbundes über Informations- und Kommunikationstechnologien zu einem intelligenten Gesamtsystem („Smart Energy System“). In der Kombination ist diese Infrastruktur die erste ihrer Art in Europa.

Langfristig lassen sich außerdem externe Versuchsanlagen und in Kooperationen mit der Industrie auch große externe Komponenten des Energiesystems wie Windparks, Geothermieanlagen, konventionelle Kraftwerke und große industrielle Verbraucher in das Energy Lab 2.0 einbinden.

Im Energy Lab 2.0 entwickeln Wissenschaftler die Werkzeuge und Ansätze zur Netzstabilisierung zunächst im Modell. Dazu dienen ein Experimentierfeld mit allen relevanten Systemkomponenten in kleinerem Maßstab sowie ein Testfeld für elektrische Netzkomponenten mit Echtzeitsimulation. Die Validierung erfolgt anschließend auf der Ebene des Anlagenverbundes. Auf Basis der Ergebnisse können im dritten Schritt reale Energiesysteme simuliert und beispielsweise unter dem Blickwinkel der Netzstabilität analysiert werden.


Ultraschnelle Röntgentomographie enthüllt Blasenverteilung

Zoom
Statische Mischer, wie hier grafisch dargestellt, sollen direkt in Rohrsystemen
Strömungen vermischen. Bild: Michael Voigt/HZDR

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Forscher des HZDR konnten erstmals die Strömungsprozesse in statischen Mischern sichtbar machen. In der chemischen Industrie werden solche Bauelemente – zum Beispiel spiralförmige Flügel – genutzt, um direkt in Rohrleitungen Stoffe, meist Gas und Flüssigkeit, zu mischen. Dank der ultraschnellen Röntgentomographie zeigten die Forscher, dass bei spiralförmigen Elementen die Turbulenz der Strömung und die Zentrifugalkräfte konkurrieren, was die Vermischung und die Blasenverteilung beeinflusst. Die Ergebnisse könnten das Design der Mischer verbessern.


Energieökonomen mischen sich ein

Zoom
Die Energiewende und die mit ihr verbundenen Anforderungen an die Transformation des europäischen Energiesystems stehen im Mittelpunkt von ENERGY-TRANS. Bild: ENERGYTRANS
(Collage: modus: medien + kommunikation gmbh)

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ

Die Markt- und Systemintegration erneuerbarer Energien in Deutschland sowie die EU-weite Einbindung der nationalen Energiepolitiken waren auch 2014 zentrale Forschungsthemen der Ökonomen des UFZ. Neben ihrer wissenschaftlichen Arbeit mischten sie sich aber auch immer wieder über diverse Kommunikationskanäle in aktuelle öffentliche Debatten ein. Zum Beispiel über Policy-Briefe im Rahmen der Helmholtz-Initiative ENERGY-TRANS, in denen sie die Ausgestaltung des Erneuerbare-Energien- Gesetzes oder die Option von Kapazitätszahlungen für eine gesicherte Stromversorgung thematisierten.


Eine Heizung für den Fusionsreaktor ITER

Zoom
Per Wärmekamera aufgenommenes Bild des ELISE-Kalorimeters, das den Energieinhalt der erzeugten Teilchenstrahlen misst. Bild: IPP

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP)

Zwei kräftige Teilchenstrahlen mit je 16 Megawatt Leistung sollen später das ITER-Plasma auf Zündtemperatur von 100 Millionen Grad aufheizen. An der Testanlage ELISE im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching wird diese Heizung entwickelt. Kernstück ist eine neuartige Hochfrequenz- Ionenquelle. Schritt für Schritt dringt ELISE damit in neue Größenordnungen vor. In einstündigen Pulsen liefert sie inzwischen alle drei Minuten für 20 Sekunden Ionenstrahlen in Weltrekord-Qualität – einen Meter im Durchmesser, homogen, stabil und neun Ampere stark.


Rätsel des platinarmen Nanokatalysators geklärt

Zoom
Berliner und Jülicher Forscher konnten mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie zeigen, dass das kris talline Wachstum von neuartigen Katalysatorpartikeln für Brennstoffzellen
in mehreren Stufen verläuft. Bild: Forschungszentrum Jülich/TU Berlin

Forschungszentrum Jülich

Neuartige Nanopartikel-Katalysatoren könnten die Kosten für Brennstoffzellen reduzieren. Ein von Jülicher und Berliner Forschern entwickelter Katalysator kommt mit einem Zehntel der üblichen Platinmenge aus. Wie die oktaedrische Form der Partikel und die besondere Verteilung der Elemente zustande kommen, war bisher unklar. Die Wissenschaftler konnten mithilfe höchstauflösender Elektronenmikroskopie zeigen, dass das kristalline Wachstum in unterschiedlichen Stufen verläuft. Die Erkenntnisse könnten helfen, die Lebensdauer der Zellen zu verbessern.


Spin-Filter für spintronische Bauelemente

Zoom
Physiker untersuchten die Proben an
einer Beamline von BESSY II. Bild: HZB

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Forscherteams aus Paris, Madrid und dem HZB in Berlin haben erstmals beobachtet, wie sich die magnetischen Domänen an den Grenzflächen spintronischer Bauelemente gegenseitig beeinflussen. Messungen an der Röntgenlichtquelle BESSY II zeigten, dass sich zwischen den äußeren ferromagnetischen Schichten und der innenliegenden antiferromagnetischen Isolatorschicht sogenannte Spin-Filter bilden, die den Tunnelmagnetwiderstand beeinflussen. Damit lassen sich wichtige Prozesse in künftigen spintronischen Bauelementen, zum Beispiel für die Informationstechnologie, erklären.


Nutzung tiefer Geothermie im norddeutschen Becken

Zoom
Geothermie-Forschungsplattform Groß Schönebeck. Bild: GFZ

Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Das Internationale Geothermiezentrum am GFZ hat an der Forschungsplattform Groß Schönebeck die Entwicklung der Produktivität von Thermalwasser aus über vier Kilometern Tiefe untersucht. Die gewonnenen Messdaten entsprechen den Ergebnissen von Modellen gekoppelter hydraulischer, thermischer, mechanischer und chemischer Prozesse. Solche umfassenden Charakterisierungen eröffnen einer geothermischen Nutzung der weit verbreiteten klüftig-porösen Speichergesteine des Norddeutschen Beckens neues Potenzial.

Helmholtz-Energie-Allianzen

Im Rahmen der Helmholtz-Energie-Initiative sollen die thematisch orientierten Energie-Allianzen den drängenden Forschungsbedarf zum raschen Umbau der Energieversorgung gezielt decken und zukunftsfähige Energietechnologien entwickeln.

Selbst-organisierte organische Moleküle auf Metalloxid-Grenzschicht zur Ladungsträgergewinnung in Hybrid-Solarzellen. Bild: G. Heimel, HU-Berlin

Das Beste aus zwei Welten: Anorganisch/organische Hybrid-Solarzellen und -Techniken für die Photovoltaik

Die Helmholtz-Energie-Allianz bringt Expertisen in den Materialklassen anorganische und organische Materialien zusammen, um diese für Hybrid-Solarzellen zu kombinieren und so die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Solarzelllösungen zu steigern. Mehr Informationen

Stationäre elektrochemische Speicher und Wandler

Neben Batterielösungen wird der Forschungsverbund Energiewandlersysteme betrachten, die den Überschuss an generiertem Strom als chemische Energie zwischenspeichern. Dabei geht es um neue Formen der Elektrolyse unter Verwendung von Brennstoffzellen. Mehr Informationen

Synthetische flüssige Kohlenwasserstoffe - Speicher mit höchster Energiedichte

Diese Energie-Allianz arbeitet an einem zukunftsweisenden Ansatz, um den Transport und die Speicherung von Energie zu ermöglichen: Die Partner der Allianz optimieren die Erzeugung und Verbrennung von synthetischen flüssigen Kohlenwasserstoffen und untersuchen ihr Potential als Energiespeicher. Mehr Informationen

Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse

Die Energie-Allianz "Energieeffiziente Chemische Mehrphasenprozesse" entwickelt konkrete Forschungsansätze für eine energieeffiziente chemische Reaktionstechnik. Besonderer Schwerpunkt sind sogenannte Mehrphasen-Reaktoren, in denen Gase und Flüssigkeiten bei hohen Drücken und Temperaturen zur Reaktion gebracht werden. Solche Apparate machen eine Großteil der industriellen chemischen Reaktionsapparate aus und tragen erheblich zum Energieverbrauch in der chemischen Industrie bei. Mehr Informationen

Technologien für das zukünftige Energienetz

Gemeinsam mit Universitäten und Energieversorgern erarbeiten die Helmholtz-Forscher in dieser Energie-Allianz Lösungen für ein flexibles und stabiles Stromnetz, das der fluktuierenden Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien standhält. Auch geht es darum, bestehende Gasnetze als Energiespeicher zu nutzen sowie das Strom- und Gasnetz zu koppeln. Mehr Informationen

Kontakt

Prof. Dr. Holger Hanselka

Forschungsbereichskoordinator Energie

Karlsruher Institut für Technologie

Telefon: +49 721 608-22000
holger.hanselka(at)kit.edu
www.kit.edu


Dr. Tobias Sontheimer

Forschungsbereichsbeauftragter Energie

Helmholtz-Gemeinschaft

Telefon: +49 30 206329-17
tobias.sontheimer (at) helmholtz.de


Publikationen

Einblick in
ausgewählte
Bereiche der
Helmholtz-
Energie-forschung 

Energie - Forschung - Zukunft

05.02.2016