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Energie und Umwelt

Mit fast 1.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern arbeitet das Forschungszentrum Jülich interdisziplinär an den wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für den Umbau unseres Energiesystems. Für seine Energie- und Klimaforschung setzt das Forschungszentrum ein Budget von über 130 Millionen Euro jährlich ein, das sind über 40 Prozent des Jülicher Gesamtjahresbudgets. Das Ziel der Jülicher Forschung ist es, zu einer sicheren, bezahlbaren und umweltschonenden Energieversorgung beizutragen. Hierzu entwickelt Jülich ganz neue Ansätze auf den Gebieten Erneuerbare Energien, Speichertechnologien, Energieeffizienz sowie zum Verständnis des Gesamtsystems Energie – Klima – Umwelt.

Technologien für das zukünftige Energiesystem

Das Forschungszentrum Jülich erforscht die gesamte Bandbreite der heute bekannten Optionen zur Energieumwandlung aus fossilen und erneuerbaren Quellen und zu ihrer Speicherung. Das Ziel ist es, fossile Brennstoffe effizienter zu nutzen, den Wirkungsgrad erneuerbarer Energien zu optimieren und Speichertechnologien weiterzuentwickeln. Neue Energiequellen müssen erschlossen und der Anteil der erneuerbaren Energien am Energiemix gesteigert werden, damit der Ausstoß von Kohlendioxid deutlich gemindert werden kann. Auch Arbeiten zur nuklearen Entsorgung gehören zum Jülicher Themenportfolio. Neue Technologien werden dabei im Gesamtzusammenhang des Energiesystems analysiert und wirtschaftliche und politische Rahmenbedingungen berücksichtigt.

Zielgerichtetes Materialdesign und Charakterisierung

Besondere Expertise verfügt Jülich in der Materialforschung, die auf neuartige Materialien und Werkstoffe für das Energieversorgungssystem zielt. Die Jülicher Forschungsaktivitäten decken dabei Materialentwicklung und -design, Herstellungsverfahren und Prozesstechnologie sowie die Charakterisierung und Ertüchtigung der Werkstoffe für die Anwendung ab. Für die Werkstoffforschung nutzen Jülicher Wissenschaftler einzigartige Großgeräte und Schlüsseltechnologien: Dazu zählen die Simulationen an Supercomputern, die atomar auflösende Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen und die Forschung mit Neutronen. Ziel sind Materialsysteme für die Energieversorgung der Zukunft. Sie werden in Jülich von den Grundlagen bis hin zur industriellen Anwendung erforscht. Mehr zur Jülicher Werkstoffforschung im Energiesektor

Umwelt- und Klimaforschung

Das Forschungszentrum betreibt Energieforschung im engen Zusammenhang mit Umwelt- und Klimaforschung. Ziel ist es, zu verstehen, wie sich die Energiegewinnungs- und -umwandlungsprozesse auf das Ökosystem und das Klima auswirken und bestehende Klimamodelle weiterzuentwickeln. Jülicher Forscher untersuchen zudem die Prozesse in der Atmosphäre und im Boden und die daraus resultierenden Folgen für Pflanzen, Tiere und Menschen. Im übergreifenden Ansatz des Bioeconomy Science Centers erforscht Jülich gemeinsam mit den Universitäten in Aachen, Bonn und Düsseldorf die Grundlagen für nachhaltige Ernährung, Produktion und Energieversorgung.

Solarzelle: Heißer Draht

Photovoltaik

Photovoltaik ist eine unerschöpfliche, saubere Energiequelle. Noch allerdings sind die Herstellungskosten für Solarzellen relativ hoch. Wirtschaftlicher könnten die glänzenden Stromerzeuger werden, wenn es gelingt, sie aus möglichst dünnen Schichten zu bauen. Dafür entwickeln Jülicher Forscher neue Baustoffe.

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Elektroauto

Speicher für regenerative Energien

Regenerative Energien bringen Herausforderungen mit sich: Windkraft und Sonnenenergie sind mit wetter- und tageszeitbedingten Fluktuationen verbunden, die ausgeglichen werden müssen, damit die Stromversorgung dauerhaft störungsfrei und effizient ist. Hierfür sind großtechnische Speichersysteme notwendig. Wasserstoff kommt dabei eine große Bedeutung zu. Die kompakte Wasserstofferzeugung durch die Elektrolyse mit Polymerelektrolytmembran (PEM) ermöglicht es extreme Überlasten aufzunehmen. Auch das Potenzial neuer, leistungsstarker Akkumulatoren ist noch nicht ausgeschöpft. Sichere und wirtschaftliche Batterien benötigen noch erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen, um im alltäglichen Einsatz bestehen zu können. Sie sind das entscheidende Bindeglied, um Energiewirtschaft und Verkehr zu vernetzen.

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Brennstoffzellen-Stack der HT-PEFC-Variante.

Brennstoffzellen

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), sogenannte Hochtemperatur-Brennstoffzellen, verfügen aufgrund der hohen Betriebstemperaturen über sehr hohe Gesamt-Systemwirkungsgrade. Wesentliche, noch zu lösende Herausforderungen sind einerseits die Reduzierung der Fertigungskosten aller Komponenten und die Verbesserung der Langzeitbeständigkeit und Leistungsdichte. Auf der Basis der bisherigen Brennstoffzellenentwicklung werden auch Hochtemperatur-Energiespeicher entwickelt, die schwankend verfügbare Energie wie Wind- und Solarenergie dann speichern können, wenn die Energie nicht abgerufen wird und die Energie liefern kann, wenn die Erzeugung stockt. Für den Erfolg dieser Technologien spielen die verwendeten Werkstoffe und deren Weiterentwicklung eine Schlüsselrolle.

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Halogenlampenofen

Umweltverträgliche Kraftwerke

Kraftwerke für fossile Brennstoffe tragen mit ihrem Kohlendioxid-Ausstoß entscheidend zur Klimaerwärmung bei. Die Emissionen könnten verringert werden, indem das CO2 aus dem Gasstrom der Kraftwerke abgetrennt wird. Bisherige Verfahren verbrauchen aber viel Energie und reduzieren so den Wirkungsgrad der Kraftwerke. Filter aus neuartigen Membran-Werkstoffen könnten eine bessere Lösung sein. Desweiteren ist es ein Ziel der Jülicher Forschung, Wärmedämmschichten für Kraftwerksturbinen widerstandsfähiger zu machen, damit die Stromgewinnung effektiver wird.

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ITER

Kernfusion als nachhaltige Energieoption

Die Fusionsforscher wissen heute, wie man die Prozesse im Inneren der Sonne, also die Verschmelzung leichter Atomkerne, in einem Reaktor nachbilden kann, um sie so später für die Stromzeugung nutzbar zu machen. Das Äquivalent von etwa zwei Litern Wasser und 250 Gramm Steinen könnten den Energiebedarf einer vierköpfigen Familie in Deutschland ein Jahr lang decken. Die Herausforderung der zukünftigen Fusionsforschung besteht nun darin, die Wandmaterialien und die Wechselwirkung des heißen Plasmas mit der Wand in einem Fusionsreaktor so zu optimieren, dass eine dauerhafte und wirtschaftliche Energieerzeugung möglich wird.

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Anlage im Bereich der nuklearen Sicherheitsforschung

Sichere Entsorgung nuklearer Reststoffe

Bei der gesellschaftlichen Diskussion zur Endlagerung hochradioaktiver Abfälle steht der Nachweis der Sicherheit über sehr lange Zeiträume von bis zu mehreren hunderttausend Jahren an erster Stelle. Die Jülicher Forscher sind überzeugt, dass man physikalisch-chemische Grundgesetze zum Verhalten der hochradioaktiven Abfälle sehr wohl auf derartig lange Zeiträume anwenden kann. Der Grundlagenforschung kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu.

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Grüne Rechner

Nutzungseffizienz: Green IT

Mittlerweile gibt es mehr elektronische Geräte als Menschen auf der Erde. Das Zweithandy hier, ein Laptop neben dem Rechner zuhause und ein Tablet für unterwegs – und vielleicht noch ein MP3-Player. Die Nutzungseffizienz ist eine zentrale Anforderung an die Generationen neuer elektronischer Geräte, wenn es darum geht, Energie zu sparen. Dies gilt aber nicht nur für Privatanwender, sondern auch in der Forschung, der Industrie und im medizinischen Bereich, in dem viel Elektronik im Einsatz ist. Das Forschungszentrum erforscht und entwickelt neue Materialien und Speichersysteme, die mit weniger Energie auskommen, weil sie auf anderen Technologien und Wirkungsprinzipien beruhen. Hier arbeiten Institute verschiedener Bereiche Hand in Hand.

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Flugzeug für Klimaforschung

Klimaforschung

Schadstoffemissionen aus Energiegewinnung, Industrie, Verkehr, Landwirtschaft und Biogasverbrennung verschmutzen die Luft. Die Folgen: Die Zusammensetzung der Atmosphäre ändert sich, Klimaänderungen bedrohen die natürlichen Ökosysteme. Um die klimatischen Auswirkungen menschlichen Handelns noch präziser vorherzusagen und bestehende Klimamodelle weiterzuentwickeln, ist es notwendig, die komplexen chemischen Wechselwirkungen in der Atmosphäre noch besser zu verstehen.

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Messaufbauten

Pflanzenforschung und terrestrische Systeme

Pflanzen sind weltweit die wichtigste Grundlage der Ernährung einer weiter wachsenden Welt­bevölkerung, sie sind nachwachsende Rohstoffe mit stark steigendem Bedarf und stellen erneuerbare Energie zur Verfügung. Landnutzung und Klimawandel verändern nachhaltig terrestrische Ökosysteme. Die steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln und Energie führt zu einer notwendigen Intensivierung der Landnutzung und Landwirtschaft und einer verstärkten Belastung fruchtbarer Ackerböden und Wasserressourcen.

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grünes Ährenfeld. Quelle: Fotolia

Bioökonomie

Produktionsprozesse, Energieversorgung und die Gewinnung von Nahrungsmitteln auf eine nachhaltige, klimafreundliche Basis zu stellen: Das ist das Ziel der Bioökonomie. Sie soll unser Wissen um biologische Prozesse nutzen, um die Versorgung mit Nahrung für eine wachsende Bevölkerung sicher zu stellen, eine Energieversorgung zu garantieren, ohne die Umwelt zu zerstören, sowie neuartige Materialien und Werkstoffe zu entwickeln, die nicht auf Erdöl basieren.

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Planung Energiebedarf - Copyright: Fotolia

Systemforschung

Der Umbau des Energiesystems kann nur gelingen, wenn neue Technologien auf ihre Umsetzbarkeit hin bewertet und die wirtschaftlichen Folgen genau bedacht und durchgespielt werden: Wie wirkt sich der demographische Wandel auf die Entwicklung des Energiebedarfs in Wohnhäusern aus und welche Technikoptionen bieten sich an, um Heiz- und Warmwasserversorgung flächendeckend umweltfreundlicher zu gestalten? Wie viel würde eine Kilowatt-Stunde den Endverbraucher kosten, wenn man von heute auf morgen die Energieversorgung vollständig auf nachhaltige Energien umstellen würde? Diese Zusammenhänge müssen betrachtet werden, um den Umbau des Energiesystems nachhaltig umsetzen zu können, ohne schwerwiegende Folgeprobleme zu schaffen.

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