Forschungsbereich Energie in der Förderperiode 2010–2014

Seit 2010 forschen auch das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ und seit 2011 das neue Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) im Forschungsbereich Energie

Die Arbeiten im Forschungsbereich Energie gliedern sich in fünf Forschungsprogramme:

• Erneuerbare Energien
• Rationelle Energieumwandlung und -nutzung
• Kernfusion
• Nukleare Sicherheitsforschung
• Technologie, Innovation und Gesellschaft

Das Programm „Technologie, Innovation und Gesellschaft“ befasst sich mit den gesellschaftlichen, ökologischen und ökonomischen Aspekten der Energieforschung und trägt so dem ganzheitlichen Ansatz Rechnung. 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.

Die Programme

Für die zweite Förderperiode haben die Helmholtz-Zentren im Forschungsbereich Energie ihre Strategie nachjustiert und erweitert, um den großen Herausforderungen zu begegnen. Insbesondere wird die Energieforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft in Zukunft nicht nur auf Stromerzeugung fokussieren, sondern alle Energieformen werden über die gesamte Prozesskette betrachtet, um damit eine systemische Gesamtoptimierung vorantreiben zu können.

Das Programm Erneuerbare Energien

Der Themenkatalog wird erweitert: Zur Stromerzeugung aus Sonnenenergie und Geothermie kommen Forschungsvorhaben zu Biomasse und solarer Brennstofferzeugung. Die Forschung in der Photovoltaik verfolgt weiterhin die Entwicklung von Dünnschicht-Solarzellen, um den Wirkungsgrad bei geringstem Material- und Energieaufwand nahe an seine theoretischen Grenzen zu führen. Solarthermische Kraftwerke im Sonnengürtel der Erde könnten ab etwa dem Jahr 2030 wesentliche Beiträge zur weltweiten Stromerzeugung leisten. Schon seit einigen Jahren werden kommerzielle Solarkraftwerke gebaut, allerdings mit konservativen technologischen Ansätzen. Die Markteinführung neuer Technologien erfordert weitere Kostensenkungen. Langfristig sollten konzentrierende Solarsysteme über thermische Prozesse auch solare Brennstoffe erzeugen.

Der geologische Untergrund in Deutschland bietet das Potenzial, Wärme und Strom zu erzeugen. Die Geothermie-Forschung bündelt die Kompetenzen der beteiligten Zentren, um optimale technologische Lösungsansätze zu entwickeln. In Groß-Schönebeck werden Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit geothermischer Stromerzeugung untersucht. In der zweiten Generation wird die energetische Nutzung von Biomasse auf Basis thermo-chemischer Verfahren und der Biogasproduktion nachhaltiger werden. Neue Möglichkeiten dafür eröffnet das am KIT entwickelte Bioliq-Verfahren, für das eine großtechnische Versuchsanlage errichtet wird.

Das Programm Rationelle Energieumwandlung und -nutzung

Um den Nutzungsgrad sowohl der erneuerbaren als auch der fossilen Energieträger zu erhöhen, werden verschiedene Forschungsansätze verfolgt. Beispiele sind die intelligente Kopplung zwischen Energieverfügbarkeit und -nutzung durch Strom- und Wärmespeicher, mobile Energiespeicher, Wärmeübertrager oder synthetische Kraftstoffe, die Verknüpfung verschiedener Nachfragesituationen wie Kraft-Wärme- und Kraft-Kälte-Kopplung sowie Arbeiten zu thermo-chemischen Prozessen. Mit letzteren können nicht-konventionelle Energieträger wie Biomasse zu höherwertigen Brennstoffen verarbeitet werden. Die Kraftwerke der Zukunft müssen diese unterschiedlichen Primärenergieträger möglichst effizient, umweltfreundlich und zuverlässig in Nutzenergie umwandeln. Dazu sind Innovationsschübe bei Komponenten wie Turbomaschinen und Werkstoffen notwendig, die höheren Temperaturen standhalten können.

Die CO₂-Abtrennung aus Kraftwerken erfordert Forschung zu Gas-Trennverfahren und die Entwicklung neuer Konzepte, da die CO₂-Abtrennung nicht mit einem erhöhten Ressourcenverbrauch erkauft werden darf. Mittelfristig sind Lösungen zu erarbeiten, die eine Nachrüstung bestehender Kraftwerke ermöglichen.

Forschungsziele im Bereich Brennstoffzellen sind die Erhöhung der Lebensdauer und Leistungsstärke, die Reduktion der Kosten sowie die Entwicklung neuer Verfahren zur Analyse von Alterungsmechanismen und für Qualitätssicherungsverfahren. Die Entwicklung supraleitender Komponenten für Stromnetze kann dazu beitragen, die Verluste bei der Übertragung elektrischer Energie zu verringern. Um fluktuierende Energieströme wie Wind und Sonne voll zu nutzen, sind innovative Konzepte zur Energiespeicherung nötig.

Das Programm Kernfusion

Das Programm Kernfusion der Helmholtz-Gemeinschaft verfolgt derzeit vorrangig zwei Ziele: zum einen, die deutschen Beiträge zum Bau und Betrieb des internationalen Tokamak- Experiments ITER in Cadarache zu leisten, und zum anderen, den Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald fertig zu stellen und zu betreiben. ITER soll die physikalische und teilweise auch technologische Machbarkeit der Kernfusion unter kraftwerksähnlichen Bedingungen beweisen. ITER allein kann jedoch nicht alle notwendigen Informationen für den Bau eines ersten Demonstrations-Fusionskraftwerks (DEMO) bereitstellen.

Insbesondere die Entwicklung geeigneter Strukturmaterialien muss parallel zu ITER mit hoher Priorität vorangetrieben werden. Das Potenzial an Verbesserungen für den magnetischen Einschluss eines Fusionsplasmas ist noch nicht ausgeschöpft. Ein herausragendes Konzept hierzu bildet der Stellarator: Im Prinzip ermöglicht er eine dauerbetriebsfähige Fusionsanlage und gilt daher als Alternative zum Tokamak. Das Experiment Wendelstein 7-X soll die Stellaratorlinie soweit qualifizieren, dass zusammen mit den Ergebnissen von ITER der Bau eines Stellarator-DEMO möglich wird (etwa ab dem Jahr 2040).

Das Programm Nukleare Sicherheitsforschung

Das Programm Nukleare Sicherheitsforschung teilt sich in zwei Programmthemen auf: Sicherheit der Kernreaktoren und Sicherheit der nuklearen Entsorgung. Für das Thema Sicherheit der Kernreaktoren werden Arbeiten zur Reaktorund Anlagenauslegung sowie zu Phänomenen und Prozessen bei Auslegungs- und auslegungsüberschreitenden Störfällen durchgeführt. Internationale Entwicklungen werden unter den Aspekten Reaktorsicherheit, neue Sicherheitskonzepte, neue Technologien und Minimierung des radioaktiven Abfalls untersucht und mitgestaltet sowie im Vergleich zu bestehenden Reaktoren bewertet.

Für das Thema nukleare Entsorgung werden zum einen Arbeiten zur Immobilisierung hochradioaktiver Abfälle durch Verglasung und zur Reduzierung der Radiotoxizität der minoren Actiniden durch Partitioning und Transmutation durchgeführt. Zum anderen werden verschiedene Endlagerkonzepte untersucht. Wesentlich sind hierbei die anwendungsbezogene standortunabhängige Entwicklung und Validierung der Grundlagen für den geochemisch fundierten Langzeit-Sicherheitsnachweis von Endlagersystemen.

Das Programm 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. Die Programmthemen im Bereich „Energie“ streben eine ganzheitliche Betrachtung der Energieforschung und der Energietechnologie an. Sie tragen dazu bei, den derzeitigen Übergang des globalen Energiesystems hin zur nachhaltigen Ausrichtung zu begleiten. Das Programm nimmt die gesamte Kette der Energieprozesse von der Gewinnung von Primärenergieträgern über Umwandlung, Speicherung, Verteilung und Nutzung sowie deren Innovationsphasen in den Blick. Ziele sind die Bewertung von Einzeltechniken und technischen Systemen der Bereitstellung und Nutzung von Energie sowie die Entwicklung von Innovations- und Umsetzungsstrategien unter Berücksichtigung des Leitbilds „Nachhaltige Entwicklung“.

Ausblick

Die Energiewende gehört zu unseren 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 mit Nachdruck. Die Forschung der Helmholtz-Wissenschaftler ist damit eine tragende Säule des Übergangs zu einem nachhaltigen Energiesystem. Für den erfolgreichen Umbau des Energiesystems gibt es jedoch kein Patentrezept. Die Optimierung einzelner Energieträger oder bestimmter Technologien genügt nicht, um die künftige Versorgung zu sichern. Die Forschung muss sich deshalb mit einem weiten Spektrum von Optionen befassen. Grundlagenforschung muss ebenso vorangetrieben werden wie anwendungsorientierte Forschung. Nur so lässt sich ein nachhaltiges Energiesystem verwirklichen, das auf sich verändernde Rahmenbedingungen optimiert werden kann.

Essentiell für die Energieforschung der Zukunft ist zudem, das Energiesystem gesamtheitlich in den Blick zu nehmen. In der Helmholtz-Gemeinschaft werden daher die technologischen Forschungsthemen von sozio-ökonomischer Forschung begleitet. Es gilt, das Energiesystem einschließlich aller gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und politischen Aspekte zu optimieren.