Helmholtz-Gemeinschaft

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.

ZoomLinear-Fresnel-Kollektoren, DLR/Novatec Solar
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.

Forschungsprogramme


Erneuerbare Energien

Der Themenkatalog wird erweitert: Zur Stromerzeugung aus Sonnenenergie und Geothermie kommen Forschungsvorhaben zu Biomasse und solarer Brennstofferzeugung.
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Rationelle Energieumwandlung und -nutzung

Um den Nutzungsgrad sowohl der erneuerbaren als auch der fossilen Energieträger zu erhöhen, werden verschiedene Forschungsansätze verfolgt.
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Kernfusion

Das Programm Kernfusion der Helmholtz-Gemeinschaft verfolgt derzeit vorrangig zwei Ziele: deutsche Beiträge zum Bau und Betrieb von ITER und die Fertigstellung und Betrieb von Wendelstein 7-X in Greifswald.
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Nukleare Sicherheitsforschung

Das Programm Nukleare Sicherheitsforschung teilt sich in zwei Programmthemen auf: Sicherheit der Kernreaktoren und Sicherheit der nuklearen Entsorgung.
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Technologie, Innovation und Gesellschaft

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.
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Programmstruktur in der Förderperiode 2010-2014

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 derzeit in fünf 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


Erneuerbare Energien

Der Themenkatalog wird erweitert: Zur Stromerzeugung aus Sonnenenergie und Geothermie kommen Forschungsvorhaben zu Biomasse und solarer Brennstofferzeugung.

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Rationelle Energieumwandlung und -nutzung

Um den Nutzungsgrad sowohl der erneuerbaren als auch der fossilen Energieträger zu erhöhen, werden verschiedene Forschungsansätze verfolgt.

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Kernfusion

Das Programm Kernfusion der Helmholtz-Gemeinschaft verfolgt derzeit vorrangig zwei Ziele: deutsche Beiträge zum Bau und Betrieb von ITER und die Fertigstellung und Betrieb von Wendelstein 7-X in Greifswald.

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Nukleare Sicherheitsforschung

Das Programm Nukleare Sicherheitsforschung teilt sich in zwei Programmthemen auf: Sicherheit der Kernreaktoren und Sicherheit der nuklearen Entsorgung.

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Technologie, Innovation und Gesellschaft

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.

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Einblicke in den Forschungsbereich Energie

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

Pilotanlage macht Biobenzin

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Mit der bioliq-Pilotanlage haben KIT-Forscher erstmals Benzin aus Stroh und anderen biologischen Reststoffen hergestellt. Bild: M.Torge/KIT

In der bioliq-Anlage am KIT entsteht in einem mehrstufigen Prozess aus Stroh und anderen biologischen Reststoffen synthetisches Benzin. Die Synthesestufe der bioliq-Pilotanlage ging nun erfolgreich in Betrieb: Zum ersten Mal wurde dabei Kraftstoff hergestellt. Damit ist die Anlage komplett aufgebaut. Im abschließenden Schritt wird die vollständige Prozesskette im Zusammenspiel erprobt und für die industrielle Großanwendung optimiert.

Der gesamte bioliq-Prozess (Biomass to Liquid Karlsruhe) besteht aus vier Stufen: In der ersten Stufe wird trockene Restbiomasse wie Stroh, das zum Beispiel weit verteilt auf Feldern anfällt und einen niedrigen Energiegehalt hat, lokal durch Schnellpyrolyse – der thermischen Zersetzung von organischen Stoffen – in eine rohölartige Substanz von hoher Energiedichte umgewandelt. Diese Substanz lässt sich einfach und günstig über große Strecken transportieren und zentral weiterverarbeiten. Ein so genannter Hochdruck-Flugstromvergaser setzt die rohölartige Masse bei Temperaturen über 1200 Grad Celsius und Drücken bis zu 80 bar zu einem teerfreien Synthesegas um. Dieses Synthesegas besteht zum Großteil aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Bei der anschließenden Heißgasreinigung geht es darum, störende Partikel und Stoffe wie Chlor- und Stickstoff-Verbindungen aus dem Synthesegas abzutrennen. Das gereinigte Gas wird dann in der Synthesestufe gezielt zu maßgeschneiderten, hochwertigen Kraftstoffen zusammengesetzt.

Die Anlage ist in ihrem Design speziell an die Randbedingungen von Kohlenstoffmonoxid-reichem Synthesegas angepasst, wie es aus biologischen Reststoffen erzeugt wird. Neuentwicklungen können in der Pilotanlage direkt im industrierelevanten Maßstab erprobt werden, um die Forschungsergebnisse künftig schneller kommerziell umzusetzen.

Der Aufbau der Pilotanlage am KIT Campus Nord wurde vom Bund, vom Land Baden-Württemberg und der EU gefördert. Neben zahlreichen Instituten und Dienstleistungseinheiten des KIT sind mehrere Industriepartner an bioliq beteiligt.


Mikroorgansimen filtern Uran aus Grundwasser

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Biofilme aus Bakterien könnten eine wichtige Rolle bei der Sicherheit von Endlagern für radioaktive Stoffe spielen. Bild: HZDR

In einem geplanten finnischen Endlager für hochradioaktiven Abfall aus Kernkraftwerken haben Forscher des HZDR Bakterien entdeckt, die in der Lage sind, gelöstes Uran in nadelähnliche Kristalle umzuwandeln. Wie die Untersuchungen gezeigt haben, handelt es sich um ein Uranyl- Phosphat-Mineral, das dabei entsteht. Die Mikroorganismen haben auf diese Weise den radioaktiven Stoff aus dem Wasser gefiltert und gebunden. Sie verringerten somit die Bioverfügbarkeit – also die Wahrscheinlichkeit, dass das Uran in die Nahrungskette des Menschen gelangt.


Dem Schaum auf der Spur

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Der Leipziger Schaumtester. Bild: André Künzelmann/UFZ

Biogas spielt unter den erneuerbaren Energien eine wichtige Rolle – deutschlandweit existieren inzwischen rund 7700 Biogasanlagen. Die volle Leistung der Anlagen erfordert einen effektiven Betrieb. Störungen wie die unkontrollierte Schaumbildung müssen vermieden werden. Denn die Folgen starker Schaumbildung reichen von der Verringerung des Biogasertrags bis zur Beschädigung der Behälter. UFZ-Forscher entwickelten als Gegenstrategie den „Leipziger Schaumtester“. Dieser wurde 2014 mit dem IQ Innovationspreis der Stadt Leipzig ausgezeichnet. 


Fusionsanlage Wendelstein 7-X vor dem Start

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Blick in die Experimenthalle: Die Hauptmontage ist abgeschlossen. Bild: Bernhard Ludewig/IPP

Nach Jahren der Planung, Fertigung und Montage haben im Mai 2014 die Betriebsvorbereitungen für Wendelstein 7-X begonnen, die weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator. Schrittweise werden alle technischen Systeme getestet: das Vakuum, die Kühlung, die speziell geformten supraleitenden Spulen und das von ihnen erzeugte Magnetfeld. „Wenn alles funktioniert, kann die Anlage in ungefähr einem Jahr das erste Plasma erzeugen“, sagt Projektleiter Thomas Klinger. Ziel ist es zu zeigen, dass Stellaratoren kraftwerkstauglich sind.


Fusionsforscher kontrollieren Plasma für Rekorddauer

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Blick in den chinesischen Tokamak-Fusionsreaktor EAST mit energiereichem Plasma (kleines Bild). Bild: Institute of Plasma Physics/Chinese Academy of Sciences

Die Kernfusion stellt die Prozesse im Inneren der Sonne nach. Eine der wichtigsten Fragen zur Erschließung dieser Technologie ist es, die instabile und nur schwer zu steuernde Fusionsreaktion über längere Zeit aufrechtzuerhalten. Ein Team um den Jülicher Fusionsforscher Yunfeng Liang entwickelte eine neue Methode, die unkontrollierten Plasmaentladungen weiter einzudämmen. Mithilfe von Radiowellen konnten sie im chinesischen Fusionsexperiment EAST ein energiereiches Plasma über eine Rekorddauer von 30 Sekunden erhalten.


Noch dünnere Solarzellen mit Nanoteilchen

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Die Silber-Nanoteilchen sind unregelmäßig geformt und zufällig auf der Oberfläche verteilt, wie diese Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zeigt. Bild: HZB

Nanostrukturen könnten dafür sorgen, dass mehr Licht in die aktive Schicht von Solarzellen gelenkt wird, so dass der Wirkungsgrad steigt. Martina Schmid vom HZB und der FU Berlin hat genau gemessen, wie unregelmäßig verteilte Silber-Partikel die Lichtausbeute verändern. Sie zeigte, dass die Nanoteilchen über ihre elektromagnetischen Nahfelder miteinander wechselwirken, so dass lokale Hot Spots entstehen, wo das Licht besonders stark konzentriert wird. Ihre Ergebnisse tragen dazu bei, solche Nanostrukturen gezielt zu designen, um die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen.


Bypass zur Untersuchung mikrobieller Stoffwechselprozesse in Geothermieanlagen

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Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Filterprobe mit Mikroorganismen (MO) und mineralischen Ausfällungen. Bild: M. Kasina/GFZ

Wissenschaftler des GFZ haben gemeinsam mit Industriepartnern ein mobiles Bypass-System für Geothermieanlagen entwickelt. Mit dem Bypass können vor Ort die Einflüsse mikrobieller Stoffwechselprozesse auf Ausfällungen und Korrosion bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht werden. Das System ist hinsichtlich der Form und Größe der Werkstoffproben an die jeweiligen Standortbedingungen anpassbar und lässt sich in verschiedenen Bereichen der Anlage einsetzen. Ziel ist es, wirksame Maßnahmen zur Vermeidung mikrobiell verursachter Anlagenstörungen zu entwickeln. .

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.

Zu den Helmholtz-Energie-Allianzen

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

23.11.2014