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.

Einblicke in den Forschungsbereich Energie

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


Dauerbetrieb gewünscht

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP)

Die Fusionsforschung hat das Ziel, aus der Verschmelzung leichter Atomkerne eine neue Energiequelle zu entwickeln. Im Februar 2016 erzeugte die Fusionsanlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald das erste Wasserstoff-Plasma. Sie soll zeigen, dass Anlagen vom Typ Stellarator im Dauerbetrieb arbeiten können. Auch die ihrer Natur nach in Pulsen arbeitenden Fusionsanlagen vom Typ Tokamak sind auf dem Weg zum Dauer-betrieb. Dies wird am IPP in Garching mit dem Tokamak ASDEX Upgrade erprobt. Weil das Fusionsfeuer in einem späteren Kraftwerk erst bei Temperaturen über hundert Millionen Grad zündet, darf der Brennstoff – ein dünnes Wasserstoffplasma – nicht in Kontakt mit kalten Gefäßwänden kommen. Von Magnetfeldern gehalten, schwebt er deshalb nahezu berührungsfrei im Inneren einer ringförmigen Vakuumkammer. 

Tokamaks wie ASDEX Upgrade oder der internationale Testreaktor ITER, der zurzeit im französischen Cadarache entsteht, stellen den magnetischen Käfig für das Plasma durch ein ringförmiges, von Spulen erzeugtes Feld her. Es wird kombiniert mit dem Feld eines im Plasma fließenden elektrischen Stroms. Die schraubenförmigen Feldlinien bauen dann den gewünschten Magnetkäfig auf. Der Plasmastrom wird pulsweise durch eine Transformatorspule im Plasma induziert. Daher arbeitet die gesamte Anlage in Pulsen – ein Manko der ansonsten so erfolgreichen Tokamaks. Anders ist dies bei Anlagen vom Typ Stellarator, wie Wendelstein 7-X. Weil sie das gesamte Feld allein durch komplex geformte Spulen, also ohne Plasmastrom, aufbauen, ist hier Dauerbetrieb möglich. 

Um dies auch in einem Tokamak zu erreichen, darf der Plasmastrom nicht mehr pulsweise per Transformator erzeugt werden, sondern muss kontinuierlich – durch Einstrahlen von Hochfrequenzwellen oder Einschießen von Teilchenstrahlen – getrieben werden. Auch ein elektrischer Strom, den das Plasma bei Anwesenheit von Druckunterschieden von alleine aufbaut, lässt sich nutzen, um längere Pulse zu erreichen. Im besten Fall könnte ein solcher Advanced Tokamak stationär betrieben werden. Dem ASDEX Upgrade-Team ist es so bereits gelungen, in speziell geführten Entladungen den 800 Kiloampere starken elektrischen Strom im Plasma für mehrere Sekunden ohne Hilfe des Transformators zu treiben – unter Bedingungen, die auch für den Testreaktor ITER oder ein Demonstrationskraftwerk gelten: Längere Pulse kommen damit auch für Tokamaks in Reichweite.

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Ultradünne CIGSE-Solarzellen: Nanostrukturen steigern den Wirkungsgrad

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Ultradünne CIGSe-Solarzellen sparen Material und Energie bei der Herstellung. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad geringer als der von Standard-CIGSe-Zellen, da sie weniger Licht absorbieren. Eine Nanostruktur aus Siliziumoxidteilchen auf der Rückseite kann jedoch Licht „einfangen“ und wieder in die Zelle zurückleiten, zeigte eine Forschungsgruppe aus dem HZB mit einem Team aus den Niederlanden. Damit erreicht die beste ultradünne CIGSe-Zelle fast die Leistung einer Rekord-CIGSe-Zelle mit üblicher Dicke.

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Künstliche Fotosynthese

Forschungszentrum Jülich

Jülicher Forscher haben ein kompaktes Bauelement entwickelt, das ähnlich wie Pflanzen Sonnenenergie einfangen und in Form eines energiereichen Stoffes speichern kann. Vervielfältigt und zusammengeschaltet, entstehen daraus Anlagen für die künstliche Fotosynthese. In dem Bauelement wird Wasser mithilfe von Sonnenlicht zu Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Letzterer wird zum Speicher für Energie. Die kommt dann zum Einsatz, wenn sie gebraucht wird: als Kraftstoff für Brennstoffzellen-Autos, als Brenngas für Turbinen oder zur Synthese von Werkstoffen.

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Ein scharfer Blick in den Untergrund der Schorfheide

Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Die geothermische Forschung im Norddeutschen Becken ist durch eine seismische Messkampagne des GFZ einen entscheidenden Schritt weitergekommen: „Die Daten versprechen ein unerwartet detailliertes und klares Abbild der tiefen geologischen Strukturen unter der Schorfheide“, sagt Prof. Charlotte Krawczyk, Direktorin des GFZ-Departments Geophysik. Knapp vier Wochen lang waren 21 Tonnen schwere Vibrationsfahrzeuge im 64 Quadratkilometer großen Messgebiet unterwegs. Insgesamt 38.880 Geophone registrierten die Schallwellen und zeichneten sie digital auf. Die Auswertung der Daten erfolgt bis Ende 2017 am GFZ in Potsdam.

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Biotreibstoffe reduzieren Schadstoffe in der Luft

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Eine Beimischung von 50 Prozent Biotreibstoff zu Kerosin reduziert den Rußausstoß eines Flugzeugtriebwerks um 50 bis 70 Prozent. Dies zeigten gemeinsame Forschungsflüge der NASA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des kanadischen National Research Council (NRC). Mehr als zehn Instrumente maßen im Verfolgungsflug die Bestandteile der Abgasfahne. Die Ergebnisse zeigen, wie Biotreibstoffe nicht nur die Emissionen nahe der Flughäfen mindern, sondern auch den Reiseflug klimafreundlicher machen können.


Geben Planeten der Sonne den Takt vor?

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Die magnetische Aktivität der Sonne wird durch den sogenannten Alpha-Omega-Dynamo hervorgerufen. Erstaunlicherweise stimmt dessen Elfjahres-Zyklus im Mittel sehr genau mit der Periode überein, in der die Planeten Venus, Erde und Jupiter in einer Linie stehen. HZDR-Forscher stellen eine neue Theorie vor, wie die sehr schwachen planetaren Gezeitenkräfte den Sonnendynamo synchronisieren könnten. Angestoßen durch die Tayler-Instabilität, die im heißen Plasma der Sonne aufgrund der Wechselwirkung von Magnetfeld und Strom entsteht, oszilliert der Alpha-Effekt im Gleichklang mit den Planeten.

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Flickenteppich Energiewende

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ

Der ambitionierte Wandel zur klimafreundlichen Versorgung mit Energie vollzieht sich in allen deutschen Bundesländern. Doch regional klaffen große Unterschiede. Diese identifizierten UFZ-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler in einer Detailstudie zur räumlichen Struktur der deutschen Stromversorgung. In deren Ergebnis entstand eine Energiewende-Landkarte, die Vorreiter und Nachzügler unter allen 12.066 deutschen Gemeinden klar herausstellt und den Weg weist, wie Deutschland auch in Zukunft seiner globalen Vorbildrolle gerecht werden kann.

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