Helmholtz-Gemeinschaft
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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.

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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.

Kompetenzerhalt Kerntechnik

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Roboter messen selbstständig die radioaktive Belastung von Oberfl ächen in Kraftwerken und dekontaminieren diese autonom. Bild: KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Ein Baustein für die Energiewende in Deutschland ist der sichere Rückbau der kerntechnischen Anlagen. Dies stellt große Herausforderungen an Wissenschaft, Technik und Industrie. Um das vorhandene Know-how zum Rückbau kerntechnischer Anlagen zu sichern und praxisbezogen zu vertiefen, hat das KIT das Kompetenzzentrum „Rückbau“ gegründet. Es ist Teil des Helmholtz-Programms Nukleare Entsorgung und Sicherheit sowie Strahlenforschung (NUSAFE).

Der Rückbau kerntechnischer Anlagen umfasst zum Beispiel innovative Rückbautechnologien, radiologische Charakterisierung kontaminierter Anlagenteile, Dekontaminationsund Konditionierungstechnologien, Schutz der Beschäftigten, der Bevölkerung und der Natur vor Strahlenexposition. Das Management komplexer Prozesse, Analyse der politischen und gesellschaftlichen Bedingungen sowie Strategien zur angemessenen Beteiligung und Information der Öffentlichkeit sind ebenso von Bedeutung. Das neugegründete Zentrum des KIT kann dabei auf eine umfangreiche Expertise und eine leistungsstarke Infrastruktur zurückgreifen. Ein Ziel des Projekts ist die langfristig gesicherte Ausbildung und Weiterbildung junger Wissenschaftler und Ingenieure in diesem Arbeitsfeld. Bereits 2008 wurde die Professur „Rückbau konventioneller und kerntechnischer Bauwerke“ eingerichtet, die es in dieser Form in Deutschland nur am KIT gibt. Die ebenfalls an das KIT angebundene AREVA Nuclear Professional School bietet ein Weiterbildungsprogramm zum Thema an.

Das Kompetenzzentrum Rückbau ist Teil des Clusters „Rückbau kerntechnischer Anlagen“, der im Februar 2016 gestartet ist. Mit dem Cluster werden die Kompetenzen von fünf Partnern aus drei Ländern gebündelt und die Fachkräfteausbildung gestärkt. Gründungsmitglieder sind das KIT als Koordinator, die Duale Hochschule Baden-Württemberg mit dem Standort Karlsruhe, die Universität Stuttgart mit dem Institut für Kernenergetik und Energiesysteme sowie der Materialprüfungsanstalt Stuttgart, das Paul Scherrer Institut in der Schweiz sowie das Institut für Transurane in Karlsruhe und das Institute for Reference Materials and Measurements in Belgien, die beide Teil der Gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission sind.


Fusionsanlage Wendelstein 7-X in Betrieb

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Das erste Wasserstoff-Plasma in Wendelstein 7-X. Bild: IPP

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP)

Nach neun Jahren Bauzeit leuchtete am 3. Februar 2016 in der Fusionsanlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald das erste Wasserstoff-Plasma. Ein Puls der Mikrowellenheizung verwandelte auf Knopfdruck von Kanzlerin Angela Merkel eine winzige Menge Gas in ein ultradünnes, zehn Millionen Grad heißes Plasma. Damit haben – nach dem Start mit einem Helium- Plasma im Dezember 2015 – die Experimente begonnen. Wendelstein 7-X, der weltweit größte Stellarator, soll die Kraftwerkseignung dieses Anlagentyps untersuchen.


Flüssigmetall-Zelle im Labormassstab entwickelt

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Ein Physiker bereitet eine Flüssigmetall- Batterie zur Messung vor.
Bild: HZDR/O. Killig

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Eine neuartige Batterie, die aus einer stabilen Schichtung zweier Flüssigmetalle und einer dazwischenliegenden Salzschmelze besteht, gilt als aussichtsreicher Kandidat für stationäre Großspeicher von Elektroenergie. Der Grund: Sie ist kostengünstig und lässt sich beliebig oft auf- und entladen. HZDR-Forscher haben einen Prototyp entwickelt, der mit Natrium als Anode und Bismut als Kathode arbeitet. Die Zelle liefert bei einer Betriebstemperatur von 400 Grad Celsius einen Strom von einem Ampere, was einer hohen Stromdichte (mehr als 20 kA/m2) entspricht.


Neue Ideen, um Rotorblätter stabiler und leichter werden zu lassen

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Bewegliche Hinterkanten und Vorflügel machen Rotorblätter flexibel. Bild: DLR (CC BY 3.0)

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Wie können Windenergieanlagen Strom in Zukunft effizienter produzieren? Im Projekt SmartBlades entwickelten und prüften Forscher des Forschungsverbunds Windenergie mit dem DLR, dem Fraunhofer IWES und dem Hochschulverbund ForWind intelligente Rotorblätter, die sich dem Wind anpassen können. Ergebnis sind zum einen Rotorblätter, die sich beispielsweise durch eine Biege-Torsions-Kopplung passiv an die Windstärke anpassen können. Zum anderen wurden aktive Steuerelemente wie bewegliche Hinterkanten eines Rotorblatts angebracht. So lässt sich auf unterschiedliche aerodynamische Belastungen reagieren und die Windenergieanlagen können besser ausgenutzt werden.


Photosyntese für eine nachhaltige Energieversorgung

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50 Mikroampere Stromstärke bei einigen Millivolt Spannung werden in Babu Halans Laborversuch aus Licht und Wasser produziert. Verantwortlich für diesen Stromfluss sind Cyanobakterien. Foto: Künzelmann/UFZ

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ

Wasserstoff könnte bei der vollständigen Ablösung fossiler Energieträger eine wichtige Rolle spielen. Um Wasserstoff zu gewinnen, setzen UFZ-Wissenschaftler auf Cyanobakterien. Mithilfe des Sonnenlichts können die Einzeller aus Wasser Strom und Wasserstoff erzeugen. Normalerweise nutzen sie Sonnenlicht für den Stoffwechsel, um sich zu vermehren und zu wachsen. Die Forscher arbeiten daran, den Stoffwechsel gezielt zugunsten der Erzeugung von Wasserstoff als Energieträger zu verschieben. Ein Ansatz, der klimafreundlicher und wirtschaftlicher ist als bisher erprobte Alternativen.


Neuer Weltrekord-Wirkungsgrad für Wasserstoff aus Sonnenlicht

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Matthias May modifizierte systematisch die Proben- Oberflächen, um den Wirkungsgrad zu maximieren.
Bild: HZB

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Um die Energie der Sonne chemisch zu speichern, entwickeln Arbeitsgruppen am HZB komplexe Materialsysteme, die mit Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegen. Einem internationalen Team ist es im Sommer 2015 gelungen, den Wirkungsgrad für die direkte solare Wasserspaltung deutlich zu steigern. Sie nutzten dafür extrem leistungsstarke Tandem-Solarzellen und modifizierten gezielt ihre Oberflächen. Der neue Bestwert liegt bei 14 Prozent und damit deutlich über dem bisherigen Rekordwert von 12,4 Prozent. Ein Rekord, der zuvor 17 Jahre Bestand hatte.


Wärmespeicher für Stadtviertel

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Schematische Darstellung der Erkundungsbohrung unter dem TU Campus Berlin-Charlottenburg. Bild: Guido Blöcher, GFZ, unter Verwendung von Google Earth

Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Die Energieversorgung der Parlamentsgebäude in Berlin erfolgt seit Jahren durch Wärmespeicherung im Untergrund. Was aber, wenn es um ganze Stadtquartiere geht? Hier setzt das Projekt ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) des GFZ, der TU Berlin und der Universität der Künste an. Mitten in Berlin hat das GFZ eine Forschungsbohrung begonnen, die 500 Meter tief reichen soll. Dort gibt es Schichten, die Salzwasser führen. Für die Quartiersversorgung würde im Sommer Wärme, beispielsweise aus Blockheizkraftwerken oder Solarthermie, nach unten gepumpt und im Winter genutzt.

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


08.12.2016