CEC – Chemische Energiekonversion

Die Mission des MPI CEC

Das MPI für chemische Energiekonversion sieht seine Aufgabe darin, die grundlegenden chemischen Prozesse der Energieumwandlung zu erforschen, um somit zur Entwicklung neuer und leistungsfähiger Katalysatoren beizutragen. Unser Zugang zu diesem Problem beruht auf dem tiefgreifenden Verständnis der zugrundeliegenden chemischen Reaktionen. Erst wenn wir im Detail wissen, wie der Reaktionsmechanismus aussieht, und v.a. wie der Katalysator daran beteiligt ist, können wir auf rationaler Basis verbesserte nachhaltige Katalysatoren entwickeln. Denn wie Max Planck schon sagte: „Dem Anwenden muss das Erkennen voraus gehen.“

Interdisziplinarität ist für dieses Ziel Voraussetzung. Am MPI CEC werden derzeit intensiv die Gebiete der heterogenen Katalyse, der homogenen Katalyse und der Biophysikalischen Chemie im Zusammenspiel mit modernsten experimentellen und theoretischen Analysemethoden miteinander kombiniert. Es ist unsere Überzeugung, dass diese Kombination der Schlüssel zum Verständnis und schlussendlich zur Kontrolle der grundlegenden chemischen Prozesse ist.

Herausforderungen für das Forschungsgebiet der chemischen Energiekonversion

Ob Elektroautos, Wasserstoffspeicher oder Brennstoffzellen: Die Herausforderungen im Gebiet der chemischen Energiekonversion sind mannigfaltig. Die folgende Auflistung gibt einen kurzen Überblick über einige beteiligte chemische Reaktionen, die es näher zu ergründen gilt.

  1. Umwandlung von Licht in elektrische Energie: Primäre Energie ist Lichtenergie. Diese Energie muss eingesammelt und in elektrische Energie umgesetzt werden. Entscheidende Fortschritte auf dem Gebiet der Photovoltaik sind bereits erzielt worden, aber weitere Fortschritte sind notwendig.
  2. Wasserstoff als Energiespeicher: Da elektrische Energie nicht in befriedigender Form gespeichert und transportiert werden kann, ist es notwendig, sie in Form von chemischen Bindungen zu speichern. Eine zentrale Rolle fällt dabei der Erzeugung von Wasserstoff aus Protonen und Elektronen zu. Wir sind der Überzeugung, dass dieser primär photochemisch erzeugte Wasserstoff in der Energiewirtschaft der Zukunft eine zentrale Rolle spielen muss.
  3. Speichermaterialien für Wasserstoff: Der photochemisch erzeugte Wasserstoff kann gespeichert werden. Dies ist bekanntlich ein schwieriges Unterfangen, da das Wasserstoffmolekül in Form eines sehr kleinen, flüchtigen Gases vorliegt, welches sich nur schwer speichern lässt. Die Entwicklung geeigneter Speichermaterialien ist ein wichtiges Forschungsunterfangen.
  4. Katalytische Spaltung von Wasser: Die für die Wasserstofferzeugung benötigten Elektronen gewinnt man aus Oxidationsprozessen. Idealerweise stammen die Elektronen der Oxidation von Wasser. Bei der Reaktion entstehen Sauerstoff, Elektronen und Protonen. Die elektrochemische Spaltung von Wasser ist zwar seit langem bekannt, ist aber für den großtechnischen Maßstab zu ineffizient. Katalytische Systeme zur Oxidation von Wasser befinden sich im Fokus der modernen Energieforschung.
  5. Weiterentwicklung von Brennstoffzellen: Die im photochemisch erzeugten Wasserstoff gespeicherte Energie kann in einer Brennstoffzelle wieder nutzbar gemacht werden. Die Entwicklung von effizienteren Brennstoffzellen ist ein weiteres wichtiges Forschungsfeld.
  6. Kleine Moleküle als Wasserstoffspeicher: Alternativ kann der photochemisch generierte Wasserstoff direkt mit anderen Molekülen in Energiespeicherstoffe umgesetzt werden. Besonders attraktiv ist es, dabei Kohlendioxid zu aktivieren, um zu organischen Säuren oder Alkoholen zu gelangen. So ist z.B. Methanol (CH3OH) ein attraktiver Energieträger, da er in flüssiger Form vorliegt und eine hohe Energiedichte aufweist. Eine alternative Möglichkeit ist die Umsetzung von Luftstickstoff zu Ammoniak (NH3). In beiden Fällen sind geeignete katalytische Systeme notwendig.  Beide bieten den Vorteil, dass die bestehende Pipeline Infrastruktur zu ihrem Transport genutzt werden könnte.

Quellen und weitere Literatur: