Chemiker und die Energiewende

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Chemiker und die Energiewende

Was haben Chemiker mit Energiewende zu tun? 

Wer den Begriff Energiewende hört, denkt oft zuerst an findige Ingenieure. An Experten, die sich mit all den technischen Herausforderungen auskennen, die dieses Mammutprojekt stellt – zum Beispiel mit der Planung und dem Bau von energieeffizienten Anlagen oder dem Ausbau der Stromnetze.

Tatsache ist aber, dass auch Naturwissenschaftler in hohem Maß am Aufbau einer sicheren und ressourcenschonenden Energieversorgung beteiligt sind und sein müssen. Allen voran die Chemiker.

»Chemie ist eine Querschnittstechnologie, ihre Dienstleistungen und Produkte sind unverzichtbar für den Erfolg von Energietechnologien«, sagt Dr. Hermann Pütter, Koordinator Chemie und Energie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh).

Zum Beispiel sind für den Einsatz von Thermoelektrik, Photovoltaik, Brennstoffzellen oder Biokraftstoffen neue Materialien und Materialkombinationen nötig, deren Entwicklung Chemiker vorantreiben. Auch Dämmstoffe für den Hausbau oder Leichtbaumaterialien für den Fahrzeugbau gehören dazu. Ebenso Düngemittel, Pflanzenschutzmittel und Katalysatoren für die Bereitstellung von Biokraftstoffen oder bestimmte Chemikalien für das vieldiskutierte Fracking-Verfahren. Ein weiteres Beispiel: die Windkraft. Hier sind stabile Werkstoffe gefragt, die den gewaltigen Kräften des Windes standhalten können. Das wird umso wichtiger bei Rotorblättern, die heute immerhin schon eine Länge von 60 Metern und mehr haben und damit enormen Belastungen ausgesetzt sind. Auch an besseren Schutzschichten, die die Flügel vor den Einflüssen von Wind, Schnee, Regen und Sonne bewahren, wird gearbeitet.

Neben der Entwicklung innovativer Produkte zur Unterstützung bestimmter Technologien hat die Chemie aber noch auf andere Weise mit der Energiewende zu tun:

»Bei etlichen Energieumwandlungen ist der Umwandlungsschritt selbst eine chemische Reaktion, die Chemie ist also der eigentliche Akteur«, erklärt Dr. Hermann Pütter.

Bei der Herstellung von Biogas beispielsweise wird pflanzliches Material gespalten, indem stufenweise Enzyme oder Mikroorganismen zur Bildung von Methan und CO2 eingesetzt werden – ein typischer Fall für die Biochemie. Auch das Thema Algen zur Herstellung von Bio-Kraftstoffen ist ein biochemisches Feld – »und ein schönes Beispiel für Interdisziplinarität«, so Pütter. Biologen, Ingenieure und Biochemiker seien hieran beteiligt.

Eines der jüngsten Beispiele aus der aktuellen Solarforschung ist die Entwicklung eines halbleitenden Metalloxids zur Beschichtung von Solarzellen. Hiermit ist Wissenschaftlern vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Technischen Universität Delft vor kurzem ein Durchbruch gelungen: Wasser mithilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten (Elektrolyse). Der Wasserstoff kann so als wertvoller Energieträger gespeichert werden. Bislang war die Kombination aus Solarzellen und Elektrolyse recht teuer. »Wir haben hier das Beste aus zwei Welten kombiniert«, sagt Prof. Dr. Roel van de Krol, Leiter des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe: »Wir nutzen die chemische Stabilität und den niedrigen Preis von Metalloxiden, bringen dies mit einer sehr guten, aber recht einfachen Silizium-Dünnschicht-Solarzelle zusammen und erhalten so eine günstige, sehr stabile und leistungsstarke Zelle.« Künstliche Photosynthese heißt dieses Verfahren in der Forschung: Es nimmt sich die Photosynthese der Pflanzen zum Vorbild, bei der Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird. In diesem Fall kann also die Energie der Sonne in Form von Wasserstoff chemisch gespeichert werden. Der Wasserstoff kann entweder direkt oder in Form von Methan als Brennstoff genutzt werden oder in Brennstoffzellen Strom erzeugen. Diese Technologie hat nach Angaben des Helmholtz-Zentrums großes Potenzial: Bei einer Sonnenleistung von rund 600 Watt pro Quadratmeter in Deutschland könnten 100 Quadratmeter eines solchen Systems in einer einzigen Sonnenstunde drei Kilowattstunden Energie in Form von Wasserstoff abspeichern. Diese Energie würde nachts oder an bewölkten Tagen zur Verfügung stehen. Dass eine solche Forschungsarbeit eng mit anderen Disziplinen verzahnt ist, versteht sich von selbst. »Die solare Wasserstoffentwicklung befindet sich an der Schnittstelle zwischen Chemie und Physik«, sagt Dr. Peter Bogdanoff vom Institut für Solare Brennstoffe am HZB. »Aus chemischer Sicht werden die Reaktionsmechanismen und die Katalyse der Wasserelektrolyse behandelt.« Wichtige Grundlagen, um entsprechende Materialien zu entwickeln und stetig zu verbessern.

An Einsatzorten für Chemiker bieten sich Forschungseinrichtungen wie das HZB oder auch das Max-Planck-Institut sowie die Fraunhofer-Gesellschaft an.

»Dort werden wichtige Impulse für alle relevanten Energiethemen gegeben«, so Dr. Hermann Pütter von der GDCh.

Weitere interessante Arbeitgeber seien die öffentliche Hand, die EU, die Bundesregierung und die Länderregierungen – Arbeitsumfelder, bei denen man es als Chemiker vielfach auch mit Juristen und Lobbyisten zu tun hat. Auch NGOs rüsten erfolgreich mit Naturwissenschaftlern auf.

Größere Automobil- oder Chemiefirmen sind ebenfalls in vielen Energiebereichen aktiv

Zum Beispiel die BASF am Standort Ludwigshafen: Hier arbeitet Dr. Klaus Leitner als Senior Research Manager. Das Themenfeld seiner Forschungsgruppe ist die elektrochemische Untersuchung von neuen Batteriematerialien, die in den Forschungslabors des Chemieunternehmens hergestellt werden. Hieraus fertigt das Team kleine Laborbatterien an und prüft deren elektrochemischen Eigenschaften. Ziel dabei ist es, diejenigen Materialien zu identifizieren, deren Stabilität, Kapazität und Lebensdauer besser sind, als die der bereits bestehenden Materialien. Eine komplexe Aufgabe für Leitner und seine Mitarbeiter.

»Sehr oft gelingt es uns, mit einem optimierten Material eine Eigenschaft der Batterie zu verbessern, zum Beispiel die Kapazität. Gleichzeitig kann sich dabei aber eine andere Eigenschaft wie die der Lebensdauer verschlechtern. Die Kunst ist hier, das Problem ganzheitlich zu betrachten und einen entsprechenden Lösungsansatz zu entwickeln«, so der 35-Jährige.

An dem wichtigen Thema der Energiespeicherung auf diese Weise mitwirken zu können – das ist für ihn eine große Motivation. »Jeder von uns wird ständig mit dem Thema konfrontiert. Smartphones, Tablet-PCs, Laptops oder Elektroautos wären zum Beispiel ohne Lithium-Ionen-Batterien undenkbar.«

Auch für Dr. Hermann Pütter ist der Baustein Stromspeicherung für die Energiewende von zentraler Bedeutung und daher auch für Chemiker eines von vielen denkbaren Tätigkeitsfeldern. Ein weiterer Problembereich der Energiewende, der allerdings stark unterschätzt werde, seien die Ressourcen – zum Beispiel Kohlenstoff: Durch seinen erhöhten Bedarf und Gebrauch durch die Menschen sind Veränderungen der Erdatmosphäre vorprogrammiert. Ein sinnvolles Aufgabenfeld für Chemiker, findet der GDCh-Experte:

»Sie sind dazu prädestiniert, zu zeigen, wo die Ansprüche unserer Gesellschaft in Bezug auf Ressourcen und die Belastung unseres Planeten aus dem Ruder zu laufen drohen.«

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