Vision
Unsere Vision ist eine klimaneutrale Gesellschaft, in der die kontinuierliche Versorgung durch erneuerbare Stromquellen mit Hilfe von Energiespeichern und -wandlern gesichert ist und der Klimakiller CO2 als erneuerbarer Rohstoff in eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zurückgeführt wird.
Angesichts der Klimakrise und des gesellschaftlichen wie wirtschaftlichen Wachstums wird die Energiewende ein immer dringlicheres Anliegen. Gerade Deutschland als weltweit bekannter und etablierter Innovationsstandort sowie das Rheinische Revier als historische Energieregion und Industriezentrum sind gefragt, wenn es darum geht, diese Herausforderungen mit Spitzenforschung in Angriff zu nehmen.
Eine langfristig und nachhaltig klimaneutrale Gesellschaft und Wirtschaft erfordert den flächendeckenden Einsatz erneuerbarer Stromquellen. Um gleichzeitig eine stabile, sichere Energieversorgung zu gewährleisten und die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft zu erhalten, sind energieeffiziente, ressourcenschonende, sowie kostengünstige Technologien der Energiespeicherung und -umwandlung unabdingbar.
So unterschiedlich erneuerbare Stromquellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft sein mögen, so haben sie doch eines gemeinsam. Sie sind weder beliebig verfügbare oder steuerbare noch konstante Energieressourcen sondern unterliegen willkürlichen Fluktuationen. In Zeiten überschüssiger Stromproduktion muss diese Energie entweder gespeichert oder in andere Energieträger oder Wertstoffe umgewandelt werden, um in Zeiten von geringer Stromproduktion oder hohem Stromverbrauch die Defizite auszugleichen.
Im Gegensatz zur fossilen, stabilen, zentralistisch ausgelegten Energieversorgung, stellt die dezentrale, nachhaltige Versorgung mit erneuerbar erzeugtem Strom auch neue Anforderungen an das Energieversorgungssystem. Dabei ist an erster Stelle ein Umdenken im Bereich der direkt-elektrifizierbaren Energiesektoren notwendig. Darüber hinaus müssen die erneuerbaren Stromquellen sowie Energiespeicher und -wandlersysteme als energieliefernde Sektoren mit den teilweise nur indirekt-elektrifizierbaren Sektoren der Energieverbraucher Strom, Wärme, Mobilität und Industrie gekoppelt und integriert werden. Nur durch Sektorkopplung lassen sich die nachhaltigen Energiequellen optimal nutzen und die Treibhausgasemissionen vermeiden.
Neben der Energieversorgung der Gesellschaft und des zivilen Lebens ist natürlich auch die Wirtschaft und Industrie als ein wesentlicher Faktor der Treibhausgasemissionen zu berücksichtigen. Dabei spielen fossile Ressourcen nicht nur eine Rolle als Energieträger sondern auch als Rohstoff für die Produktion von Kunststoffen bis hin zu Kosmetika und Pharmazeutika. Um Klimaneutralität zu erreichen, müssen industrielle Prozesse verändert und in nachhaltige Wertschöpfungsketten integriert werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Rückgewinnung des Treibhausgases CO2 als erneuerbarer Rohstoff für organische Grundstoffe wie Methan, Methanol und höherwertige Kohlenwasserstoffe. Emissionen des Klimakillers CO2 werden sich nicht vollständig vermeiden lassen. Eine Rückführung unserer CO2 Emission in eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft, in der CO2 auch wieder abgebaut und verwertet wird, bietet daher eine Möglichkeit, dennoch unseren CO2 Fußabdruck signifikant zu reduzieren.
Mission
Am IET-1 haben wir das Ziel, die grundlegenden Prozesse in Energiespeichern und -wandlern vom atomaren bis hin zum industriellen Maßstab zu untersuchen und zu verstehen, um diese Erkenntnisse zur Verbesserung oder Neuentwicklung von Technologien einzusetzen.
Wir am IET-1 sehen unseren Auftrag darin, zur Entwicklung neuer Schlüsseltechnologien für die Energiewende beizutragen. Unsere Expertise liegt in den Bereichen elektrochemische Energiespeicher und -wandler. Wir entwickeln aktuelle Technologien weiter und gleichzeitig erforschen wir innovative, vielversprechende neue Ansätze.
Die wiederaufladbare Lithium-Ionenbatterie ist seit Ende des letzten Jahrhunderts kommerziell verfügbar und mittlerweile aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Dennoch gibt es nach wie vor Verbesserungspotential in den Themenbereichen wie Lebensdauer, Sicherheit, Leistungs- und Energiedichte, sowie Materialverfügbarkeit und Kostenreduktion. Wir erforschen den Ladungstransport und welche Prozesse in der Batterie dazu führen, dass die Batterie altert, an Kapazität verliert oder in Brand gerät. Außerdem prüfen wir weitere Materialklassen auf ihre Eignung als zuverlässige Elektroden- oder Elektrolytmaterialien. Diese wissensbasierte Forschung setzen wir gezielt ein, um die Eigenschaften und Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionenbatterien weiter zu optimieren und für zukunftsfähige Anwendungen wie Mobilität und Schnellladen, oder stationäre Speicherung fit zu machen.
Noch in der Entwicklung befindliche, neue Konzepte wie Festkörperbatterien, Zero Excess Lithiumbatterien und Batterien mit alternativen Ladungsträgern wie Natrium, Zink, Eisen oder Silizium eröffnen dabei interessante Perspektiven aber auch elektrochemische, mechanische und ingenieurtechnische Herausforderungen in der praktischen und kommerziellen Umsetzung, denen wir uns widmen.
Für eine flexible, dezentrale Energieversorgung und globale Energielogistik sind zusätzlich zu Batterien auch alternative Energieträger wie Wasserstoff und deren Derivate notwendig. Die Energie wird dabei als chemische Energie durch Elektrolyse von Wasser im Wasserstoff gespeichert. Zur Rückgewinnung von Strom wird der Wasserstoff in Brennstoffzellen wieder zu klimaneutralem Wasser umgewandelt. Es gibt unterschiedliche elektrochemische Ansätze wie die saure Elektrolyse mit Protonenaustauschmembranen, die alkalische Elektrolyse mit Anionenaustauschmembranen, sowie die Hochtemperatur-Elektrolyse mit Festoxiden und die entsprechenden Brennstoffzellen. Jede dieser Technologien hat ihre Stärken und Schwächen in den Bereichen Leistung, Effizienz, Lebensdauer, Materialkosten und -nachhaltigkeit. Am IET-1 untersuchen wir die grundlegenden Prozesse in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, um gezielt die individuellen Schwächen der einzelnen Technologien anzugehen und zu beheben, und testen die Technologien auf Systemebene bis in den Megawattbereich, um ein umfassendes Technologie De-Risking durchzuführen.
Neben Wasserstoff bieten sich auch Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe als alternative Energieträger an, die Energie durch Elektrolyse von Stickstoff und Kohlenstoffdioxid speichern. Ammoniak und Kohlenwasserstoffe wie Methan, niedere Alkohole und Säuren bieten zudem den Vorteil, dass sie sich gut über längere Strecken transportieren lassen und außerdem auch gefragte Grundchemikalien für die chemische Industrie sind. Auch wenn die Entwicklung der CO2 und Stickstoff-Elektrolyse noch nicht so weit fortgeschritten ist wie die Wasserelektrolyse, werden diese Technologien dennoch eine entscheidende Rolle in der Dekarbonisierung des Energie- und Wärmesektors sowie in der Defossilisierung der chemischen Industrie spielen. Die Verwertung von CO2 wird entscheidend sein, um fossile Energieträger auch als Rohstoff für Grundchemikalien durch CO2-Derivate zu ersetzen und einen nachhaltigen Kohlenstoffkreislauf zu etablieren. Zu diesem Ziel wollen wir am IET-1 mit unserer Forschung entscheidend beitragen.
Um Energiespeicher und -wandler ressourcenschonend einzusetzen, muss eine optimale Auslastung bei minimaler Gesamtkapazität angestrebt werden. Angesichts unserer komplexen, anspruchsvollen Energielandschaft, die Elektrizität, Wärme, Mobilität und Industrie umfassen, ist das eine sehr komplexe Fragestellung. Im Rahmen von Forschungsthemen wie LLEC beschäftigen wir uns mit Batterie- und Elektrolyse-Managementsystemen sowie der Sektorkopplung.
In all diesen Bereichen stehen wir vor der übergreifenden Herausforderung, die zeitaufwendige, anwendungsferne Grundlagenforschung zügig und effizient zum praxisreifen, industriellen Einsatz zu bringen. Die Überbrückung der sogenannten Technology Readiness Levels (TRL) nehmen wir im Rahmen unserer Innovationsräume in Angriff, die den Transfer der Innovationen zur Markteinführung optimal unterstützen und beschleunigen.