Heimische Forscher suchen die Energiespeicher der Zukunft

Club Tirol zu Besuch beim „Exzellenzcluster“ für Erneuerbare Energieträger an der TU Wien.

Die Zeit drängt. Um das Klima unserer Erde zu retten, ist die viel zitierte Energiewende dringend notwendig. Sprich, die Menschheit sollte sich möglichst rasch von der ungezügelten Verbrennung fossiler Rohstoffe verabschieden. Um diesen Wandel zu schaffen, suchen Forscher weltweit nach möglichst effizienten Wegen, Energie umzuwandeln und diese vor allem zu speichern. Die über Jahrmillionen von der Natur geschaffenen Speicher Kohle, Erdöl und Erdgas gilt es dabei durch neue Energieträger wie Wasserstoff, synthetisches Erdgas oder solare Brennstoffe zu ersetzen. Dafür sind jedoch maßgeschneiderte Katalysatoren notwendig. Genau nach solchen, auf die Energieanwendung optimierte Materialien suchen die rund 120 Forscher des an der TU Wien angesiedelten, interuniversitären Exzellenzcluster MECS. Das Kürzel steht für „Materials For Energy Conversion & Storage“. Es geht also um „exzellente Grundlagenforschung“ zum Finden und Entwickeln geeigneter Materialien zur Energieumwandlung und Speicherung.

„Hier sind eine Reihe hochdekorierter Forscher am Werk“, ließ Club Tirol-Vizepräsidentin Renate Danler die große Zahl an Clubmitgliedern wissen, die sich an einem Februarabend im Panorama-Vortragssaal im 11. Stock des „Plus-Energie-Hochhauses“ am TU-Campus Getreidemarkt versammelt hatten. Einer dieser hochdekorierten Forscher ist Günther Rupprechter, seines Zeichens Forschungsdirektor des „Cluster of Excellence“ sowie Institutsvorstand der TU-Materialchemie. Er übernahm an diesem Abend die Aufgabe, seinen ClubkollegInnen in einer für Laien verständlichen Weise zu erklären, woran der im Oktober 2023 gestartete Cluster – an dem auch die Uni Wien, die Uni Innsbruck, die Montan-Uni Leoben, und das Institute of Science an Techology Austria (ISTA) beteiligt sind – genau arbeitet. Fachwissen aus verschiedensten Bereichen wie Oberflächenchemie, Oberflächenphysik, Materialwissenschaft und Computersimulation wird hier kombiniert.

35 Millionen Forschungsförderung
„Uns stehen für fünf Jahre 35 Millionen Euro zur Verfügung und es gibt die Option für eine Verlängerung“, so Rupprechter. Die Finanzierung kommt sowohl vom Österreichische Wissenschaftsfonds (FWF) als auch den beteiligten Universitäten. Das ist eine der höchsten Forschungsförderungen Österreichs, mit der sich im internationalen Vergleich wohl „Spitzenleistungen“ erbringen lassen. Welche? Kurze Antwort: um statt fossiler Brennstoffe erneuerbare Energie in entsprechendem Ausmaß einsetzen zu können, muss „die Krux“, das Problem der Speicherung solch enormer Energiemengen gelöst werden. Die Lösung wäre, so Rupprechter, die „chemischen Bindungen in Molekülen als Speicher einzusetzen.“

Zur Energieumwandlung werden generell zwei, eigentlich seit langem schon beforschte Wege beschritten: die Elektrokatalyse und die Photokatalyse. Mit der Elektrokatalyse – gespeist mit Strom etwa aus Wind- oder Photovoltaikanlagen – kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Der so gewonnene Wasserstoff wird somit einfach gesagt zum Speicher. „„Eine andere vielversprechende Methode ist die Verwendung der Sonnenenergie zur direkten Erzeugung von Wasserstoff““, erklärte Rupprechters Kollege Dominik Eder, Professor für Molekulare Materialchemie und Leiter der Photokatalyse im MECS-Cluster, den Ansatz bei der Photokatalyse: „Die Sonne liefert mehrere 1000-mal mehr Energie als der jährliche weltweite Gesamtverbrauch, wir sollten sie somit nutzen“.

Maßgeschneiderte Nanokatalysatoren
Damit diese Prozesse gelingen, braucht es entsprechende Katalysatoren, das Material. Diese sollten, so Rupprechter, möglichst nicht aus seltenen, teuren und mitunter ineffizienten edlen Metallen bestehen, wie beispielsweise Iridium. Im MECS sollen somit „maßgeschneiderte Nanokatalysatoren“ entwickelt werden. Dafür braucht es noch mehr Wissen „ganz genau auf atomarer Ebene“ ebenso wie „Computerexperimente“ und Simulationen von komplexen katalytischen Prozessen unter realistischen Bedingungen. „“, schilderte Eder. Für die Photokatalyse werden Halbleiter benötigt, wie etwa das schon länger zur Anwendung kommende Titandioxid. Ein stabiles und relativ günstiges Material, das „aber nur das UV-Licht der Sonne verwenden kann, was lediglich drei Prozent der Sonnenenergie entspricht.“ Soll heißen, die MECS-Forscher müssen bessere Materialien mit mit viel Oberfläche entwickeln. „Das erreichen wir, indem wir die Katalysatoren sehr klein machen, am besten nur wenige Atome groß.“ Als Vorbild für diese Suche dient die natürliche Photosynthese wie auch die menschliche Lunge, die mit ihren Millionen Luftbläschen eine (respiratorische) Oberfläche von gut 100 Quadratmetern aufweist. Eder: „Die Natur ist uns weit voraus. Doch indem wir von ihr lernen und innovative Materialien entwickeln, können wir Licht effizient in chemische Energie umwandeln“.

Weil Wasserstoff an sich nicht so einfach zu lagern und transportieren ist, suchen die Forscher aber auch mit direkter Hilfe der Sonne andere, besser zu handhabende Brennstoffe zu erzeugen. Zum Beispiel Ameisensäure aus Kohlendioxid oder Ammoniak mit Stickstoff aus der Luft. Die Erzeugung von Ammoniak ist mit den derzeit angewandten Prozessen jedoch äußerst energieintensiv. Doch, so Eder, konnte am MECS jüngst gezeigt werden, dass die Herstellung von Ammoniak nur mit der Sonne und einem geeigneten Photokatalysator tatsächlich funktioniert: „Die Mengen sind noch sehr gering, es ist noch ein weiter Weg bis zur industriellen Nutzung, aber ich bin mir sicher, dass die solare Ammoniakproduktion in Zukunft einen wichtigen Beitrag leisten kann.“

Praxiseinsatz
Wie lange dauert es, bis eine Form des nachhaltigen und effizienten Energiespeicherns in der Praxis funktioniert? Das war eine der Publikumsfragen bei der anschließenden Podiumsdiskussion mit drei weiteren Forschern. „Ich halte das in gut zehn Jahren für realistisch“, meinte dazu Elisabeth Schludermann vom Vizerektorat Forschung, Innovation, Internationales sowie Leiterin des Fachbereichs Förderberatung und Wirtschaftskooperationen. „In der Grundlagenforschung sind wir in Österreich sehr gut aufgestellt“, erklärte Markus Valtiner, Leiter Kommunikation und Transfer des MECS sowie Institutsvorstand Angewandte Physik. Woran es hierzulande aber fehle, anders als etwa in den USA, seien risikofreudige Investoren, die eine Praxisumsetzung der Forschungsergebnisse ermöglichen. Martin Höller, Senior Advisor für neue Technologien bei der Wien-Energie, sieht sein Unternehmen bereits in der Umbruchphase. Man suche schon intensiv nach alternativen Energiequellen. So könnte künftig die Abwärme von Industriebetrieben, großer Rechenzentren oder von Wiens Kläranlage genutzt werden. Großwärmepumpen werden ausgebaut, die Müllverbrennung für die Fernwärme genutzt. Ein Problem hat auch die Wien Energie: „Wo speichern wir den Überschuss etwa in den Sommermonaten?“

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