Bündelung der Kompetenzen in Berlin
„Auf dem Weg zur nachhaltigen Herstellung und Anwendung von Wasserstoff müssen eine ganze Reihe an Technologien entwickelt und optimiert werden. Die meisten dieser Technologien haben eine Gemeinsamkeit: Sie benötigen die passenden Katalysatoren.“ Eine unter dem Namen CatLab vom Helmholtz-Zentrum Berlin und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG-FHIund CEC) gegründete Forschungsplattform in Berlin soll die Entwicklung neuartiger Katalysatormaterialien vorantreiben und eine Brücke von der Grundlagenforschung zur industriellen Anwendung bauen. Am neugegründeten sollen neuartige und maßgeschneiderte Katalysatoren entwickelt werden. Der Fokus liegt dabei stark auf der Erzeugung von grünem Wasserstoff, der für die Energiewende dringend benötigt wird und eine Schlüsselrolle bei der Erreichung der Klimaziele spielt.
Das Cat(alysis)Lab(aboratory) ist ein Aufbauprojekt mit der Zielsetzung neuartige Katalysatoren auf Basis von Dünnschicht- und Nanotechnologie zu entwickeln. Diese sollen zur Realisierung von CO2– neutralen Energiesystemen und zur Nutzung von erneuerbarem Strom als Primärenergiequelle im global-industriellem Maßstab beitragen – Grafik © CatLab
Gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und dem Fritz-Haber-Institut (FHI) ist es dem MPI CEC gelungen mit CatLab ein Kompetenzzentrum zu schaffen, in dem verschiedene Forschungseinrichtungen, universitäre und industrielle Partnern zusammenkommen. In Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität zu Berlin und unter Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) soll CatLab die Forschung rund um Katalysatoren revolutionieren.
Motivation
Die vor dem Hintergrund des Klimawandels dringend benötigte Defossilierung des Energiesystems erfordert neben dem drastischen Ausbau erneuerbarer Elektrizität auch die Entwicklung alternativer, nachhaltig hergestellter stofflicher Energieträger.
Diese werden als Langzeitspeicher im Energiesystem benötigt, sind als Weichensteller für die Transformation der Mobilität entscheidend und Kernbestandteil von CO2-neutralen industriellen Prozessen, insbesondere in der energieintensiven Industrie. Die Energiewende in Deutschland und Europa kann daher nur gelingen, wenn wesentliche Mengen der insgesamt benötigten Energie durch synthetische stoffliche Energieträger gespeichert und importiert werden können und ein europäischer Leitmarkt für wasserstoffbasierte Energieträger etabliert wird.
Anknüpfungspunkte von CatLab in einem (stark vereinfachten) defossilierten Energiesystem – Grafik © CatLab
Hierbei besteht die zentrale Aufgabe neuartige Katalysatoren zu entwickeln um eine effiziente Umwandlung chemischer Energie in elektrische und umgekehrt zu gewährleisten – der Kern von CatLab.Forschungsaufgaben für die Nutzung von erneuerbarem Strom als Primärenergiequelle
Für diese Energiewandlungen gibt es drei wesentliche Herausforderungen zur Realisierung von CO2– neutralen Energiesystemen und zur Nutzung von erneuerbarem Strom als Primärenergiequelle im globalen Maßstab:
- Beschleunigter Ausbau der Erzeugung von erneuerbarem Strom
- Nachhaltige Wasserstofferzeugung
- Ferntransport und -lagerung von Wasserstoff durch synthetische Energieträger
- Energiegünstige weitere Umwandlungen in synthetische Kraftstoffe und Grundchemikalien
Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, sind chemische Umwandlungsprozesse basierend auf neuartigen maßgeschneiderten (Chemo-, Elektro- und Photo-) Katalysatoren im industriellen Maßstab notwendig. Dabei muss jeder Katalysator eine Kombination von multifunktionalen Materialien enthalten, die in einem kontrollierten Herstellungsprozess entwickelt werden.
Hierfür ist multidisziplinäre Forschung in Physik, Chemie, Materialwissenschaft, Elektrotechnik und Datenwissenschaft erforderlich, die mit CatLab etabliert wird. Aufzeichnung des Kick-Offs von CatLab:
Arbeitsgebiete
Der primäre Fokus bezüglich des Anwendungsgebietes der neuartigen Dünnschicht-Katalysatoren soll auf der endothermen Wasserstofffreisetzung aus Kohlenwasserstoffen, sowie dessen sofortige Weiterreaktion mit CO oder CO2 zu langkettigen Alkoholen liegen.
Dies erfordert die Erforschung und Entwicklung funktioneller, auf die jeweiligen Reaktion(en) angepasster, Dünnschichtsysteme. Dabei ermöglicht die räumliche Nähe zu der Synchrotronquelle BESSY II und den Laboratorien mit ihren vielfältigen Analyse- und Charakterisierungsoptionen kurze Rückkopplungsschleifen. Unterstützt wird die Entwicklung dieser neuen Katalysatorsysteme durch die Methoden der Digitalen Katalyse, der computergestützten Modellierung von komplexen Katalysator-Reaktionen-Reaktor-Systemen. Chemische Reaktoren, die für den Einsatz der neuen Katalysatoren benötigt werden, werden in verschiedenen Konfigurationen gemeinsam von MPG und geplant, aufgebaut und betrieben.
Zudem wird durch die Einbindung von Großunternehmen von Beginn des Vorhabens die gesamte Innovationskette abgedeckt und Wertschöpfung für den Standort Berlin und Deutschland im Allgemeinen generiert.
Projektlaufzeit und Förderung
Das Projekt startet mit einer fünfjährigen Aufbauphase. CatLab wird neben signifikanten Eigenbeiträgen der Partner im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 51 Mio. Euro gefördert.
Standort und Gebäude
HU Forschungsbau: In der Startphase wird CatLab u.a. im IRIS-Forschungsgebäude der Humboldt-Universität zu Berlin (HUB) am Standort Adlershof angesiedelt. Die Abteilung „Anorganische Chemie“ des Fritz-Haber-Instituts verlagert einen Großteil ihrer Arbeit in dieses Gebäude. Da die Raumnutzung im IRIS-Laborgebäude des HUB zeitlich und räumlich begrenzt sein wird, muss das HZB alternative Räume auf dem Adlershof-Campus schaffen.
Neues Gebäude in Adlershof
Ein neues innovatives Büro- und Laborgebäude, das Forschung auf höchstem Niveau ermöglicht, soll mittelfristig nicht nur CatLab ein zu Hause geben, sondern auch nahtlos mit einem Innovation Center und einer Data Science-Plattform verbinden. (? Architekturwettbewerb CatLab Gebäude)
Der feierliche Auftakt des Katalysezentrums CatLab fand am 21.06.2021 statt und wurde per live-stream online übertragen.
->Quellen: