Forschung am MPI CEC

Was alle unsere Wissenschaftler gemeinsam haben:

Sie brennen für die Forschung und möchten ihren Beitrag zur Energiewende leisten.

Es besteht Konsens unter Politikern, Unternehmern, Wissenschaftlern und Bürgern, dass eine globale Energiewende erforderlich ist. Das Ziel besteht darin, zu einer Energiewirtschaft zu gelangen, die nachhaltig, umweltfreundlich und kostengünstig ist. Bei der Realisierung dieses langfristigen Ziels sind neben einer Vielzahl von politischen und technischen Problemen auch generelle Fragen der chemischen Grundlagenforschung betroffen. Diese Fragen drehen sich in erster Linie um die Gewinnung, Speicherung und den Transport von Energie.

Die Lösung liegt im Sonnenlicht

Die Natur gibt das beste Beispiel für eine hocheffiziente Energieverwertung. Die Energieumwandlungsprozesse der Natur führen mit hoher Effizienz zur Speicherung von Sonnenenergie in chemischen Bindungen. Alle in der Natur von Menschen, Tieren oder Pflanzen umgesetzte Energie entstammt schlussendlich dem Sonnenlicht. In der Tat strahlt die Sonne in jeder einzelnen Stunde genug Energie auf die Erde, um den globalen Energiebedarf für ein gesamtes Jahr zu decken. Es ist natürlich unmöglich, diese gesamte Energie zu nutzen. Die Zahl veranschaulicht aber, dass selbst ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Sonnenenergie ausreicht, um die Energiewirtschaft der Zukunft zu betreiben. Die Herausforderung besteht darin, die zugrunde liegende Chemie in effizienter Form und im globalen Maßstab zu implementieren. Dazu wird es der konzertierten Anstrengung von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Politikern bedürfen.

Die Natur als Vorbild

In der Natur wird Energie durch den hochkomplizierten Vorgang der Photosynthese in Form von energiereichen Molekülen, z.B. Zuckern, gespeichert. Die in den Molekülen gespeicherte Energie wird von Organismen gezielt genutzt, um Lebensprozesse aufrecht zu erhalten oder Biomasse zu produzieren. Die in natürlichen Prozessen ablaufenden chemischen Vorgänge stellen ein Vorbild für die Energieforschung dar, denn sie vereinen höchste Effizienz, Nachhaltigkeit und schonen die Umwelt. Durch die Photosynthese werden Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) in nützliche organische Moleküle, wie z.B. Zucker, und in Sauerstoff (O2) überführt. Die dabei anfallenden Abfallprodukte wie O2 werden in die Atmosphäre "entsorgt".

Der zweite benötigte Ausgangsstoff für diese einzigartige Chemie ist Wasser, also H2O. Dieser steht auf der Erde in praktisch unerschöpflichen Mengen zur Verfügung.

Die Natur kopieren?

Leider ist es nicht möglich, die Photosynthese chemisch im Reagenzglas mit den Mitteln der synthetischen Chemie nachzubauen. Dafür sind die beteiligten Moleküle viel zu komplex und auch zu empfindlich. Auch die Natur muss ständig hochkomplizierte Reparaturmechanismen einsetzen, um die Photosynthese aufrecht zu erhalten.

Das Anliegen der chemischen Grundlagenforschung im Bereich der Energieforschung muss es daher sein, die grundlegenden energiegewinnenden chemischen Reaktionen im Detail zu verstehen. Eine ganz besondere Rolle kommt dem Verständnis der Katalysatoren zu, also jenen Stoffen, die einzelne Reaktionen erst ermöglichen, ohne dass sie selbst bei der Reaktion verbraucht werden. In der Natur sind Enzyme, im Labor meist metallhaltige chemische Verbindungen. Die natürlichen Prozesse dienen dabei als Quelle der Inspiration.

 

Speichern von Sonnenenergie: ohne Katalysator geht es nicht

Die Speicherung der primären Sonnenenergie in Form von chemischen Bindungen birgt sehr viele Vorteile. Insbesondere ist es dadurch möglich die in irregulären Intervallen anfallende Sonnenenergie, die abhängig ist von Standort, Tageszeit, Jahreszeit oder Bewölkungsgrad, mit den Anforderungen des Energieverbrauches in Einklang zu bringen.  Der Energieverbrauch schwankt wiederum in Abhängigkeit von den Lebensgewohnheiten der Menschen, er hängt also in erster Linie von Tages- und Jahreszeit ab. Katalytische Systeme zur Durchführung dieser Reaktionen befinden sich in der jüngsten Vergangenheit in einer stürmischen Entwicklung. Es ist von zentraler Bedeutung, bei diesen Entwicklungen auf die Nachhaltigkeit der Prozesse zu achten. Das bedeutet, dass die in den Katalysatoren eingesetzten Substanzen in ausreichender Menge auf der Erde vorhanden und auch zugänglich sein müssen, um die Prozesse im globalen Maßstab durchführen zu können. Nach allen vorliegenden Erkenntnissen werden diese Katalysatoren Metallionen enthalten müssen. In der Praxis bedeutet das, dass bestimmten Metallen eine besondere Bedeutung zufällt, da nur diese in ausreichender Menge auf der Erde vorhanden sind. Dies sind v.a. die Metalle der ersten Übergangsreihe des Periodensystems der Elemente.

Die Natur hat genau diesen Ansatz gewählt: alle energieerhaltenden Reaktionen der Natur basieren auf genau diesen Metallen. Die Chemie dieser Metalle ist aber durch ihre besonderen Bindungsverhältnisse besonders komplex, so dass allermodernste theoretische und analytische Methoden zur Aufklärung ihrer Reaktionsmechanismen eingesetzt werden müssen.

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.

Weitere Literatur zu diesem Thema

"Ein Enzym, das die Welt veränderte", T. Lohmiller, N. Cox und W. Lubitz in Labor&more 08/2015 Link

"Wie Pflanzen Wasser spalten", Spektrum der Wissenschaft September 2013 Link

"Vorratshaltung für Energie", Ferdi Schüth in Spektrum Spezial 3/2011. Link

"Herausforderung Energie", Jürgen Renn, Robert Schlögl and Hans-Peter Zenner (ed.) 2011 Link