TUM.solar – Hybridsysteme mit Nanomaterialien für effizientere Solarenergienutzung: Solarforschung für die Energiewende
Seit 2012 fördert der Freistaat Bayern die Erforschung neuer Konzepte zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und nicht fossile Energieträger. Der Bayerische Landtag hat für dieses langjährige und umfangreiche Verbundforschungsvorhaben ein Gesamtvolumen von mehr als 50 Mio. € eingeplant. Die Fördermittel werden in ein Gemeinschaftsprojekt der Universitäten Bayreuth, Erlangen-Nürnberg und Würzburg sowie der Technischen Universität und der Ludwig-Maximilians Universität München als grundlegender Beitrag zur Energiewende in Bayern investiert.
Die Menschheit wird Erdöl, Erdgas und weitere fossile Energieträger in absehbarer Zeit verbraucht haben. Zudem kann sie andere Energiequellen wie das Sonnenlicht noch nicht effizient genug nutzen. Große Anstrengungen sind also weiterhin nötig, um die Energieversorgung der Zukunft zu sichern. An dieser Aufgabe arbeiten Chemiker und Physiker an fünf bayerischen Universitäten im neuen Forschungsnetzwerk „Solar Technologies Go Hybrid“, das vom Freistaat gefördert wird.
Die Wissenschaftler konzentrieren sich zum einen auf die Photovoltaik, also auf die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom. Zum anderen wollen sie Techniken voranbringen, mit denen sich die Kraft der Sonne in Form von chemischer Energie binden lässt. Ein Beispiel dafür ist die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und den energiereichen Brennstoff Wasserstoff – umweltverträglich nach dem Vorbild der pflanzlichen Photosynthese.
Diese Forschungsthemen fließen an den fünf beteiligten Universitäten verstärkt in die Lehre ein, so dass auch die Studierenden von dem neuen Netzwerk profitieren. „Denn nur eine moderne und qualifizierte Ausbildung gewährleistet, dass künftig in den Forschungs- und Entwicklungslaboratorien deutscher Unternehmen der Akademikernachwuchs zur Verfügung steht, der für ein Gelingen der Energiewende nötig ist“, so Professor Jochen Feldmann von der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Initiator des Projekts.
Vernetzung von Key Labs an anerkannten Zentren
Für das Projekt haben die fünf Universitäten gut ausgestattete Laboratorien eingerichtet, so genannte Key Labs. Diese wurden jeweils in bestehende Forschungszentren mit internationaler Reputation integriert. Die neuen Labore ergänzen sich in ihren Forschungsschwerpunkten und sind ntensiv untereinander vernetzt. Dadurch – so ein besonderer Mehrwert dieser Investition – wurden neuer Vorhaben der Spitzenforschung zwischen den fünf beteiligten Standorten initiiert.
Im Norden Bayerns werden schwerpunktmäßig organische Materialien erforscht: In Bayreuth stehen Polymere im Mittelpunkt, in Würzburg dagegen kleine Moleküle, die sich zu größeren Funktionseinheiten zusammenlagern. In Erlangen befasst man sich mit Nanoröhren und anderen Materialien aus Kohlenstoff. Die beiden Münchener Universitäten schließlich erforschen anorganische Materialien und hybride anorganisch-organische Nanosysteme.
TUM.solar: Hybridsysteme mit Nanomaterialien
Neue Konzepte für die kontrollierte Strukturierung von Materialgrenzflächen und neue Materialien für die Energiewandlung und Energiespeicherung eröffnen ein enormes Potential, die vorherigen Ansätze für die Nutzung regenerativer Energien in der Zukunft in neue Bereiche vorstoßen zu lassen. Mit Nanomaterialien, organisch-organischen oder organisch-anorganischen Hybridsystemen wurden vollkommen neue Konzepte und Visionen für die Energiewandlung und Energiespeicherung ermöglicht.
Die Forschung an lichtinduzierter Energiewandlung und -speicherung basierend auf diesen Nanomaterialien und Hybridsystemen steht im Fokus von TUM.solar. Von katalytischen Prozessen bis zu kostengünstiger Photovoltaik eröffnet sich ein breites Feld von Möglichkeiten. Die entsprechenden grundlegenden Fragestellungen adressieren Aspekte aus der Materialherstellung und dem Ladungstransfer an Grenzflächen. Hierzu ergänzen sich in TUM.solar theoretische und experimentelle Untersuchungen von Forschergruppen aus Physik, Chemie und Elektrotechnik.
Form und Beweglichkeit zukünftiger Generationen von Solarzellen ermöglichen durch neue, flüssigkeitsbasierte Herstellungsverfahren neue Einsatzmöglichkeiten für Anwendungen von tragbarer Unterhaltungselektronik bis hin zur Energiegewinnung in Megacities. Zudem erlauben die neuen Materialien alternative Herstellungsverfahren, die zu deutlich reduzierten Herstellungskosten führen und so eine wirtschaftliche Energiegewinnung für die Zukunft in Aussicht stellen.
Einen ganz anderen Ansatz für die Energiespeicherung, jenseits der heute gebräuchlichen Energiespeichertechnologien, bietet die Photokatalyse. Neue Katalysematerialien und eine gezielte Strukturierung der Elektrolytgrenzflächen sind Konzepte, die eine Erhöhung der Effizienz erwarten lassen. Beispiele wie die photochemische Kohlendioxid-Reduktion und die Wasserspaltung können hier zudem Ansätze in Richtung sogenannter „green technologies“ liefern.
Die Kombination von Photokatalyse und Photovoltaik lässt darüber hinaus einzigartige Synergieeffekte erwarten. In integrierten Systemen können die Ladungswandlung und die Ladungsspeicherung auf der Nanoskala direkt miteinander verknüpft werden. Die gezielte Optimierung von symbiotischen Systemen aus Photokatalyse und Photovoltaik, anstelle von individueller Optimierung der unabhängigen Einzelsysteme, ist ein neuer Ansatz, der von TUM.solar zentral verfolgt werden soll.
Somit umfasst die Forschung von TUM.solar die gesamte Wertschöpfungskette von der Energiewandlung bis zur Energiespeicherung und damit Aspekte von grundlegenden physikochemischen Prozessen bis hin zu anwendungsnahen Fragen wie dem Prototypenbau. Als Teil des „Netzwerks Regenerativer Energien“ (NRG) ist TUM.solar in TUM.Energy integriert, der fakultätsübergreifenden Forschungsinitiative des Munich Institute of Integrated Materials, Energy and Process Engineering (MEP).
Kontakt:
Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
Department of Physics
Chair for Functional Materials
James-Franck-Str. 1
, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 12451 –
Fax : +49 89 289 12473
E-Mail: muellerb@ph.tum.de
Prof. Dr. Friedrich C. Simmel
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
Department of Physics and ZNN/WSI
Lehrstuhl für für Physik Synthetischer Biosysteme
Am Coulombwall 4a,
85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 11610 –
Fax : +49 89 289 11612
E-Mail: simmel@tum.de