(openPR) Transformation des Energiesystems
Im Energiesystem der Zukunft fehlen die großen Kraftwerke, die bisher für Stabilität in den Stromnetzen gesorgt haben. „Die Herausforderung besteht nun darin, die zukünftigen Energieströme so zu managen, dass die Stromnetze trotzdem stabil bleiben,“ sagt Professor Veit Hagenmeyer, Leiter des Instituts für Automation und angewandte Informatik (IAI) des KIT. „Intelligente Steuerung und geeignetes Speichermanagement sind dafür unerlässlich. Egal ob zufällige Zwischenfälle oder gezielte Sabotage, wir müssen auf alles gefasst sein.“ Im Energy Lab erforschen Hagenmeyer und sein Team neue Informatikmethoden zur Optimierung von Energienetzen und zur Stärkung ihrer Resilienz. Dabei setzen sie auf Echtzeit-Datenanalysen und moderne Simulationstechniken, um die Balance zwischen Energieerzeugung und -verbrauch sicherzustellen und die Zuverlässigkeit der Netzarchitektur zu stärken.
Solarzellen der nächsten Generation
Eine nachhaltige Energiezukunft baut maßgeblich auf erneuerbaren Energien auf. Besonders die Photovoltaik spielt dabei eine entscheidende Rolle „Die Photovoltaik nutzt das Sonnenlicht als nahezu unerschöpfliche umweltfreundliche Energiequelle,“ sagt Professor Alexander Colsmann, Leiter der Forschungsgruppe Photovoltaik am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT. „Sie hat ein großes Ausbaupotenzial und findet breite Akzeptanz in der Bevölkerung.“ Gemeinsam mit seinem multidisziplinären Team forscht Colsmann an neuartigen Materialien für effiziente Solarzellen, die umweltfreundlich und kostengünstig sind. Besondere Aufmerksamkeit gilt organischen Solarzellen aus Kohlenstoffverbindungen, die sich in vielen Formen und Farben herstellen lassen und als architektonische Gestaltungselemente dienen. Zudem erforschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Perowskit-inspirierte Materialien. Insgesamt eröffnen leichte und flexible Solarmodule neue Möglichkeiten für den Einsatz von Photovoltaik in mobilen und abgelegenen Regionen.
Mit Perowskit-Technologien für die Photovoltaik zur Herstellung von besonders effizienten Tandem-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad beschäftigt sich ebenfalls der KIT-Experte Professor Ulrich Wilhelm Paetzold vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT). Mehr über seine Forschung im Video 1.
Bioökonomie
Die Umstellung auf ein nachhaltigeres Energie- und Wirtschaftssystem erfordert kreative und zukunftsweisende Ansätze, um fossile Rohstoffe durch klimafreundlichere Alternativen zu ersetzen. „Ein entscheidender Faktor in dieser Transformation ist die Bioökonomie, die den verstärkten Einsatz nachwachsender Rohstoffe in der Produktion fördert“, erklärt Dr. Christine Rösch vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) des KIT. In ihrer Forschung analysiert Rösch innovative Konzepte wie die biotechnologische Nutzung von Mikroorganismen oder die doppelte Landnutzung durch Agri-Photovoltaik und bewertet deren Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit und Resilienz von Energie- und Ernährungssystemen. Durch die ganzheitliche Analyse ökologischer, ökonomischer und sozialer Perspektiven sowie die Einbindung von Stakeholdern und Bürgerinnen und Bürgern entwickelt Rösch praxisorientierte Empfehlungen, die eine nachhaltige und sozial akzeptierte Energiewende und Flächennutzung unterstützen.
Batterien der Zukunft
Effiziente und nachhaltige Energiespeicher sind ein Schlüssel für die sichere Energieversorgung der Zukunft. „Unsere Mission ist die anwendungsorientierte Grundlagenforschung zur Entwicklung elektrochemischer Speicher für den stationären und mobilen Einsatz im Energiesystem der Zukunft,“ sagt Professor Maximilian Fichtner, Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und Sprecher des Exzellenzclusters POLiS des KIT und der Universität Ulm. „Dafür wird die gesamte Entwicklungs- und Wertschöpfungskette von der theoretischen Modellierung bis zur Zellfertigung abgebildet, um innovative Batteriekonzepte in die Praxis zu überführen.“ Mit seinem internationalen Team forscht Fichtner entsprechend an Batteriekonzepten der nächsten Generation, die auf Materialien wie Natrium oder Magnesium basieren und nachhaltigere Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien bieten. Diese Post-Lithium-Technologien versprechen eine höhere Energiedichte und Umweltverträglichkeit.
Power-to-X-Technologien
Die Suche nach Alternativen zu fossilen Energiequellen ist ein wichtiger Baustein für die Energiewende. „Wir erforschen Power-to-X-Technologien, mit denen Strom aus erneuerbaren Quellen mit Kohlendioxid und Wasser möglichst effizient und kostengünstig in chemische Energieträger umgewandelt werden kann,“ erklärt Professor Roland Dittmeyer, Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) am KIT. „Unser Fokus liegt auf dezentralen Anwendungen, die Kohlendioxid aus der Luft oder aus biogenen Punktquellen nutzen. Zielprodukte sind synthetische Kohlenwasserstoffe oder Methanol für den Flugverkehr, die Schifffahrt und den Schwerlastverkehr.“ Im Energy Lab entwickeln Dittmeyer und sein Team dafür kompakte, effiziente und modular Technologien, die einen lastflexiblen Betrieb ermöglichen sollen. Diese innovativen Anlagen sollen dazu beitragen, dass Deutschland seine Klimaziele erreicht und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduziert.
Mit der Optimierung von Power-to-X-Technologien, insbesondere der Gas- und Mehrphasenkatalyse, beschäftigt sich auch KIT-Experte Dr. Michael Rubin (Gruppenleiter am IMVT), er ist außerdem Sprecher des KIT-Zentrums Energie für das Topic Energienutzung. Mehr dazu im Video 2.
Hochtechnologie für Energietransport und nachhaltige Mobilität
Zur weiteren Umsetzung der Wende im Energiesystem setzen Forschende unter anderem auf Wasserstoff in Kombination mit innovativen Technologien wie Supraleiter. „Supraleiter ermöglichen, unter Berücksichtigung des Kühlaufwands und aufgrund ihrer hohen Stromtragfähigkeit, nahezu verlustfreien elektrischen Energietransport“ sagt Professorin Tabea Arndt, Co-Direktorin des Instituts für Technische Physik (ITEP) am KIT. „Supraleiter ergänzen sich ideal in der Kombination mit flüssigem Wasserstoff, da dessen Temperaturniveau auch noch die Kühlbedarfe eliminiert.“ In ihrer Arbeit konzentriert sich Arndt auf die Entwicklung hybrider Pipelines, die es ermöglichen, elektrischen Strom und Flüssigwasserstoff in einer gemeinsamen Leitung zu übertragen. Die Kombination von Supraleitungen mit Flüssig-Wasserstoff ermöglicht eine hocheffiziente Transportlösung, mit der sich eine enorme Menge an Energie von Offshore-Anlagen direkt zu den größten Verbrauchern transportieren lässt. Das Testen dieser Kombination in den Antriebssträngen von größeren Fahrzeugen wie Flugzeugen, Schiffen, Lokomotiven und LKW zeigt ebenso deutliche Effizienzsteigerungen.
Diese und weitere Expertinnen und Experten sowie Fotos, Videos und Presseinformationen zum Thema „Zukunftsenergie“ finden Sie im aktuellen Dossier des KIT zum Wissenschaftsjahr. (mhe)
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Sandra Wiebe, Pressereferentin, Tel.: +49 721 608-41172, E-Mail: 
