Neues MPI – „Energiewende nicht nur Frage der Umsetzung“

Vorstellung des neuen Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion – „Deutschland ist Energiemultiplikator“: Forschung notwendig für Technologie-Export

Das Max-Planck-Institut für bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr wird umgewidmet. Aufgrund seines neuen Forschungsschwerpunktes im Bereich Energieforschung wird es künftig Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (CEC) heißen. „Die Max-Planck-Gesellschaft zeigt auf diese Weise, wie sie sich kontinuierlich erneuert und die Grenzen des Wissens erweitert“, sagte Peter Gruss, Präsident der Max-Planck-Gesellschaft. „Zugleich übernehmen wir gesellschaftliche Verantwortung, indem wir erhebliche Ressourcen auf das Thema Energieversorgung fokussieren. Denn um ein nachhaltiges und dauerhaft stabiles Energiesystem zu entwickeln, bedarf es unbedingt weiterer Fortschritte in der Grundlagenforschung.“

Auch die nordrhein-westfälische Landesregierung begrüßt die Entscheidung für die Umwidmung des Max-Planck-Instituts in Mülheim. Ministerpräsidentin Hannelore Kraft sagte nach der Entscheidung der Senatsversammlung: „Die Anforderungen an unsere Energieversorgung sind 100 Jahre nach der Gründung des MPI für Kohlenforschung andere geworden. Wir müssen Energie effizienter nutzen als bisher. Und wir brauchen mehr erneuerbare Energien und Möglichkeiten ihrer Speicherung. Damit die chemische Energieumwandlung und -speicherung noch intensiver erforscht werden kann, wird das bestehende Institut zum Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion in Mülheim erweitert. Die Landesregierung unterstützt dieses Projekt.“

„Die Energiewende ist nicht nur eine Frage der Umsetzung“, sagte Robert Schlögl, geschäftsführender Direktor des neuen Instituts (CEC) bei der Vorstellung am 14. 06. 2012 in Mülheim/Ruhr. Mindestens genauso wichtig sei die Erforschung einer ganzen Reihe bisher nur mangelhaft bekannter Prozesse im Zusammenhang von Energieumwandlung und –speicherung. Das Institut soll in einem neuen Konzept Grundlagenforschung für chemische Prozesse der Energieumwandlung treiben, interdisziplinär homogene Katalyse und heterogene Grenzflächenreaktionen integrieren, sowie Theorie und Experiment auf neue und engstmögliche Weise verbinden – außerdem die Katalyse-Konzepte zusammenführen, und darauf hinarbeiten, dass „das, was wir aus der Biologie gelernt haben, in die Realisierung großtechnischer Prozesse überführt wird“ (Schlögl, Fotos © ho).

Dieses Wissen sei aus dem bisherigen Institut für Bioanorganische Chemie, durch dessen Umbenennung das CEC entstanden sei, gut vorhanden, und auf dessen Erkenntnissen könne man aufsetzen. Die Biologie sei eine sehr gute Lehrmeisterin, allerdings könne man ihre Verfahren nicht einfach kopieren und skalieren. „Aber lernen und begreifen, warum die Biologie etwas so oder anders gelöst hat, das ist sehr sinnvoll.“ Die Ergebnisse müssten dann den Leuten zur Verfügung gestellt werden, welche die großtechnischen Anwendungen bauten. Die schnellstmögliche Vermittlung des technischen Wissens auf verständliche Art und Weise sei eine der Aufgaben des Instituts. „Das müssen wir tun, und nicht warten, dass die das lesen. Wir müssen es erklären.“ Die Energiewende sei zu großen Teilen auch eine gesellschaftlich-politische Aufgabe – wenn aber die Beteiligten nicht verstünden, was das eigentliche Problem sei, könne nichts Sinnvolles herauskommen. „Deswegen ist die Vermittlung von Informationen, die alle verstehen, auch eine der Aufgaben, die wir uns mit diesem Institut gesetzt haben.“ Dazu sei diese Webseite (www.solarify.de) aufgesetzt worden.

Zuvor hatte Schlögl, Enkel des ersten bayerischen Landwirtschaftsministers nach dem Zweiten Weltkrieg, interessierten Kolleginnen und Kollegen, die von der gleichzeitig laufenden Max-Planck-Jahresversammlung von Düsseldorf nach Mülheim gekommen waren, in Umrissen die aktuelle Problematik vorgestellt. Größten Anteil am Energieverbrauch (s. Grafik oben) habe der Transport, zweitgrößten die Heizung; das Internet verbrauche inzwischen fast so viel wie die Beleuchtung. Energieumwandlung gehe immer mit den größten Verlusten einher, wenn es gelingen würde, diese Verluste zu halbieren, sei das Autofahren bereits geschenkt.

Energiespeicherung sei zur Ausweitung der erneuerbaren Energien dringend nötig, um die Schwankungen durch „Nachtflaute“ und Ähnliches auszugleichen. Anhand eines Beispiels aus dem Dezember 2009 zeigte Schlögl den möglichen Unterschied zwischen Höchstlast fossiler Energieerzeugung und höchstem Aufkommen der erneuerbaren Energien: mehrere Tausend Megawatt in wenigen Minuten. Der Anteil an Grünstrom von derzeit 20 Prozent (s. Grafik oben) solle laut Regierungsvorgage 2020 35, 2050 gar 80 Prozent betragen – das sei eine Aufgabe für Generationen, daher das neue MPI.

Erneuerbare Energien als sogenannte Peak Load seien derzeit noch das „Sahnehäubchen“, dagegen stellten die Fossilen die Grundlast dar; „das kann so nicht weitergehen, mit 80 Prozent erneuerbaren Energien kann die Grundlast nicht weiter fossil sein, ein neues operatives Geschäftsmodell ist nötig“. Energiesparen sei gut, löse aber das Problem nicht, lineare Extrapolation des gegenwärtigen Systems auch nicht.

Konversion von primärer elektrischer Energie in solare Energieträger sei notwendig. „Die Natur macht das aus Wasser und CO₂ mit dem Ergebnis Methanol, das aber ist giftig, also setzt sie sechs Methanolmoleküle zu einem Molekül Zucker zusammen. Während Sie mir zuhören, ca. 30 Minuten, verbrauchen Sie zwei Zuckerwürfel an Energie“. Seit 150 Jahren (und nach sieben Nobelpreisen) werde nun im Rahmen der Katalyse daran geforscht, wie für die wirtschaftliche Nutzung des Prozesses der dabei auftretende Energieverlust verringert werden könne.

„Viele sagen, wir bräuchten uns mit dem Problem nicht zu beschäftigen, denn die Natur habe das Problem für uns gelöst, aber die Energiedichte, welche die Natur erzeugt, ist zu gering für technische Prozesse, bei der Konzentration der Energie aber geht eine wesentliche Menge der Energie verloren. Deshalb sei auch Biomasse dabei ein „nettes Additivum“, könne aber das Problem nicht grundsätzlich lösen: „Wir sind darauf zwingend angewiesen, dass wir einen chemischen Prozess finden, der mit hoher Energiedichte die volle Energie in den Speichermolekülen wandelt – dieses Speichermolekül kann nicht Biomasse sein.“ Ohne diesen Prozess, so Schlögl, könnten wir die Energieversorgung der nächsten 50 Jahre nicht sicherstellen.

Er nannte zwei Möglichkeiten zur konzeptionellen Umsetzung:

Den Nachbau dessen, was die Natur tue, darüber wüssten wir aber noch zu wenig, die Grenzflächen seien extrem kritisch – die Wasseraufspaltung sei noch in vielen Teilen ungelöst, z. B. ob es Katalysatoren ohne Edelmetalle gebe. Das sei eine der Aufgaben des CEC – „allerdings eine Art „Hindernis-Lauf – je weiter man vorankommt, desto höher werden die Hürden“.
Die zweite Möglichkeit sei: Wir wandelten die Sonnenenergie zunächst einmal in Strom um (mit Windrädern oder Solarzellen), verbrauchten ihn – ohne Verlust – direkt oder speicherten ihn in Batterien, deren Kapazität allerdings begrenzt sei. Die einfachste Speicherart sei die Umwandlung des Stroms in chemische Energie, der einfachste Energieträger hierzu Wasserstoff, den könne man aufheben und wieder in elektrische Energie zurückverwandeln – aber ein weltweites Wasserstoffregime sei „für die Endanwendung“ nicht denkbar. Daher sei es besser, den größten Teil des Wasserstoffs weiter zu wandeln, in solare Energieträger wie Methan und Methanol, auch Diesel oder Kerosin; das dazu nötige CO₂ könne jetzt aus der Kohleverbrennung kommen, später aus Biomasse. Hierbei komme man finanziell darstellbar in einem graduellen Prozess ohne grundlegenden Infrastrukturwechsel allmählich zu einem immer stärker regenerativen Energiesystem.

Das deutsche Problem bedeute aber nur 1,56 Prozent des Weltproblems – unser Ziel müsse der Technologieexport sein. Durch die Umsetzung im eigenen Land werde daher das Problem nicht gelöst – Deutschland sei eher eine Art Demonstrationsfeld.
Beim neuen Verständnis der Katalyse müssen man bereit sein, Katalysatoren als etwas Dynamisches zu verstehen, mit sogenannten – allerdings extrem seltenen – aktiven Zentren, die wiederum Komplexe bildeten, welche an der Oberfläche Atome und Elektronen miteinander austauschten. Kathoden ändern sich infolgedessen während der Reaktion.

Man wolle binnen vier Jahren ein Synchroton bauen, eine große Maschine zur Erforschung des Prozesses der Wasserspaltung – Kosten etwa 20 Millionen. Damit könne man Oberflächenveränderungen im katalytischen Prozess beurteilen. Denn Platin sei nicht nur schlicht Platin, sondern bestehe aus verschiedenen Komponenten, von denen man früher nichts gewusst habe. Beim Katalyseprozess entstünden winzig kleine Platin-Partikel, die einen Weg zur Lösung zeigen könnten. Inzwischen sei es mittels Nanotechnologie gelungen, Platin durch Mangan zu ersetzen – und das, obwohl sie nicht leiten.

Die Arbeit am CEC soll zu einem Energiesystem mit folgenden Eigenschaften beitragen:

Sustainable (nachhaltig): geschlossene Stoffströme, keine schädlichen Substanzen werden frei.
Skalierbar (in großen Prozessen machbar): Anwendung von Prozessen unter Verwendung ausreichend verfügbarer Arbeits-Materialien ohne gefährliche oder giftige Stoffe.
Subsidiär: Herausforderungen dort annehmen, wo sie entstehen. Probleme nicht zu den Nachbarn exportieren.
Stabil: zur Stabilität des Systems bei Bedarf Netz-Lösungen vorsehen.
Die Folge ist eine Zunahme an Komplexität unseres Energiesystems und eine Veränderung der Zeitskala (für die komplette Wirtschaft).
Die Zeitskalen werden lange sein (Lebensdauer der Infrastruktur-Systeme) auch lange Übergangsfristen: Chance für neue Ansätze.

Schlögls Konsequenz: „Es ist ein gesamt-gesellschaftlicher Konsens nötig über den Umgang mit Energie (Preis, Verschwendung). Dafür bereitet das CEC das Fundament. Anwenden müssen es andere. Max-Planck sagte: ‚Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen‘- oft ist das bei uns umgekehrt. Die Max-Planck-Gesellschaft hat die Aufgabe, vor dem Anwenden das Erkennen zu gewährleisten.“

Die neue Struktur des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion:

Vier Abteilungen zu je 50 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, also etwa 200 Personen, dazu Untergruppen, im Ganzen im Endausbau etwa 350 bis 400 Leute. Dazu muss zugebaut, also erheblich vergrößert werden. Bis 2016-17 soll dann das MPI-CEC fertig dastehen.
->Quelle: ho