Forschen für die Energiewende: EMIL@BESSY II startklar für das Kopernikus Projekt „Power-to-X“
Das neue Energy Materials in situ Laboratory (EMIL) mit direktem Zugang zum Röntgenlicht von BESSY II wurde am 31. Oktober eröffnet. © HZB
Das Speichern von Überschussstrom aus Solar- und Windenergie zählt zu den großen Herausforderungen der Energiewende. Daher hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Kopernikus-Projekt „Power-to-X“ (P2X) aufgesetzt, um Forschungsprojekte zur Umwandlung von elektrischer Energie aus Sonne und Wind in chemische Grundstoffe, gasförmige Energieträger und Kraftstoffe voran zu bringen. An dem Forschungsvorhaben beteiligt sich auch das Helmholtz-Zentrum Berlin. Mit dem jetzt eröffneten Laborkomplex EMIL@BESSY II stehen einzigartige Synthese- und Analytiktools mit direktem Zugang zum Röntgenlicht von BESSY II zur Verfügung. Insgesamt sind 17 Forschungseinrichtungen, 26 Industrieunternehmen sowie drei zivilgesellschaftliche Organisationen eingebunden. In der ersten Entwicklungsphase fördert das BMBF das Projekt mit 30 Millionen Euro.
Strom aus Sonne oder Wind fluktuiert mit dem Wetter, der Tages- und Jahreszeit. Daher ist eine der wichtigsten Bedingungen für eine erfolgreiche Energiewende, effiziente Speicherlösungen zu entwickeln. Mit dem Kopernikus-Projekt „Power-to-X“ (P2X) will das BMBF Technologien vorantreiben, die den Überschussstrom aus Sonne oder Wind elektrochemisch in gasförmige Energieträger (wie z.B. Wasserstoff) oder chemische Grundstoffe umwandeln, die im Anschluss gespeichert oder zu Treibstoffen und Chemieprodukten weiterverarbeitet werden können. Solche P2X-Technologien werden einen zentralen Beitrag zur Energiewende leisten. Das Kopernikus-Projekt P2X soll innerhalb von zehn Jahren neue technologische Entwicklungen zur industriellen Reife bringen.
Das HZB stellt mit dem gerade eröffneten Energy Materials In-Situ Laboratory Berlin (EMIL) einmalige Synthese- und Charakterisierungsmöglichkeiten zur Verfügung. Die Arbeitsgruppen von Prof. Bernd Rech und Prof. Marcus Bär sind daher an dem Projekt beteiligt: „Innerhalb des Projektes werden wir die vielseitigen und komplementären Analysemöglichkeiten im EMIL-Labor nutzen, um die chemischen und elektronischen Eigenschaften der von den Projektpartnern entwickelten Katalysatoren zu untersuchen“, erläutert Marcus Bär, der die P2X-Aktivitäten am HZB koordiniert.
Ein wesentliches Augenmerk wird darauf liegen, wie sich die Katalysatormaterialien im Elektrolyten unter realen Arbeitsbedingungen ändern. Dies ist entscheidend, da die katalytisch aktive Spezies oft erst im Betrieb generiert wird. Ihre Stabilität bestimmt dann auch die Alterung und damit die Lebensdauer des Elektrolyseurs. „Wir werden im Rahmen des Kopernikus-Projekts die experimentellen Anlagen des EMIL-Labors nochmal erweitern, um solche ‚operando‘ Untersuchungen unter echten atmosphärischen Bedingungen zu ermöglichen“, führt er aus.
Zusätzlich zur Förderung durch das BMBF bringen Industriepartner Forschungsleistungen im Umfang von weiteren 8,3 Millionen Euro ein. Mit P2X wird ein Forschungsverbund aufgebaut, der bestehende Großprojekte und vorhandene Infrastrukturen mit einbezieht und Schnittstellen zur Industrie ausbaut. Das Projekt wird von der RWTH Aachen, dem Forschungszentrum Jülich und der DECHEMA gemeinsam koordiniert.
Weitere Informationen auf der BMBF-Webseite: https://www.bmbf.de/de/sicher-bezahlbar-und-sauber-2624.html
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.