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05 | 2019

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EnergieForum Energie aus erneuerbaren Quellen speichern – das ist eine der Herausforderungen der Energiewende. Bild: Pascal Armbruster / KIT Erforschung von katalytischen Systemen unter schwankenden Betriebsbedingungen Erneuerbare Energien chemisch speichern STROMSPEICHER | 2050 sollen 80 % des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, elektrische Energie in chemischen Energieträgern zu speichern. Im Schwerpunktprogramm „Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung“ (SPP 2080, DynaKat) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) untersuchen zwölf große Forschungskonsortien, wie sich katalytische Reaktionssysteme unter solchen Bedingungen verhalten. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniert das Schwerpunktprogramm. Sonne und Wind sind neben Biomasse die wichtigsten erneuerbaren Energieträger, aber sie stehen nicht gleichmäßig zur Verfügung. An windund sonnenreichen Tagen fällt mehr Strom an, als in die Netze eingespeist werden kann. Diese Überproduktion aus Windkraft und Photovoltaikanlagen lässt sich in Chemikalien speichern. So kann elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung stehen. Die Chemikalien können aber auch als nachhaltige Bausteine genutzt werden, um Treibstoffe oder Plattformmoleküle für die chemische Industrie herzustellen. Für die Umwandlung von Kohlendioxid oder Wasserstoff in Speichermoleküle wie Methan, Kohlenwasserstoffe oder Alkohole sind Katalysatoren, elektrochemische Zellen und Reaktoren notwendig. Wie sich der Einfluss wechselhafter dynamischer Gegebenheiten von außen – durch das Schwanken von Windstärke und Sonneneinstrahlung – auf die katalytischen Reaktionssysteme auswirkt, wurde bislang kaum betrachtet. „Man weiß jedoch, dass sich die Struktur fester Katalysatoren und damit ihre katalytische Wirkung mit den Reaktionsbedingungen stark ändern kann. Dies ist wissenschaftlich hochspannend“, sagt Professor Jan- Dierk Grunwaldt von den Instituten für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) sowie für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des KIT. 50 BWK Bd. 71 (2019) Nr. 5

EnergieForum Bild: Arbeitsgruppe Grunwaldt / KIT Bild 1 Schematische Darstellung und Überblick über die wissenschaftliche Arbeit im „SPP 2080“: Mit erneuerbaren Energien werden aus Kohlendioxid und Wasser durch Elektrolyse und katalytische Umsetzung Chemikalien und Kraftstoffe hergestellt. Kompetenzen bündeln Der Inhaber des Lehrstuhls für Chemische Technik und Katalyse koordiniert das DFG-Schwerpunktprogramm Dyna- Kat, an dem neben dem KIT zahlreiche weitere renommierte Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland beteiligt sind, darunter das Forschungszentrum Jülich, die TU München und mehrere Max- Planck-Institute wie das Berliner Fritz-Haber-Institut. Das Kick-off-Meeting fand im Februar 2019 mit über 70 Teilnehmenden in Karlsruhe statt. Die deutschlandweit zwölf interdisziplinären, überregionalen Forschungsprojekte untergliedern sich in 34 Teilprojekte, sieben von ihnen sind am KIT verortet, das sich mit dem ITCP, dem IKFT sowie dem Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) beteiligt. Die DFG fördert das auf insgesamt sechs Jahre angelegte Schwerpunktprogramm DynaKat zunächst für drei Jahre mit 8,5 Mio. €. Der projektstärkste Partner ist das KIT. „Wir wollen Veränderungen des Materials der Katalysatoren unter dynamischen Bedingungen grundlegend verstehen und verbessern“, sagt Dr. Erisa Saraçi, wissenschaftliche Mitarbeiterin am IKFT und Mitorganisatorin des Kick-off- Meetings am KIT. Dafür werden alle beteiligten Prozesse untersucht, von den Vorgängen auf der atomaren Ebene des Katalysators bis zur räumlichen Verteilung der Stoffkonzentrationen und Temperaturen auf Reaktorebene. Für ein grundlegendes Verständnis der Prozesse und um neue Ansätze im Material- und Reaktordesign zu entwickeln, kommen klassische etablierte Experimente ebenso zum Einsatz wie neueste spektroskopische Methoden und Möglichkeiten der Modellierung. Im Detail In fünf eng verknüpften Themenbereichen werden grundlegende und methodische Herausforderungen des dynamischen Betriebs untersucht: > Charakterisierung mittels „Operando“-Methoden, das heißt unter Reaktionsbedingungen, um Feststoffkatalysatoren „bei der Arbeit“ unter dynamischen Bedingungen zu verstehen, > vorhersagekräftige theoretische Beschreibung sich unter dynamischen Reaktionsbedingungen ausbildender aktiver Phasen und am Katalysator ablaufender Elementarschritte, > Kinetik und Multiskalenmodellierung unter Einbeziehung atomarer Informationen zum Verständnis des Verhaltens von Katalysatoren und Elektroden unter technischen und dynamischen Bedingungen, > gezielt hergestellte Materialien, um katalytisch aktive Oberflächenstrukturen zu stabilisieren und bei periodischer Reaktionsführung zu untersuchen, > neuartige Reaktor- und Elektrolyseurkonzepte für methodische Untersuchungen unter transienten Bedingungen. Der zu erwartende Erkenntnisgewinn soll künftig den effizienten Betrieb katalytischer Systeme unter dynamischen Bedingungen ermöglichen. Das grundlegende Verständnis hierfür wird am Beispiel von Reaktionen zur Energiespeicherung und -wandlung erarbeitet (Bild 1) und schafft die Grundlage für zukünftige technische Anwendungen. Charakteristisch für alle untersuchten Systeme ist, dass die Dynamik systematisch im Zeitbereich zwischen Sekunden und Tagen von außen aufgeprägt wird, entweder weil die aufgeprägte Dynamik nur mit großem Aufwand vermieden werden kann (zum Beispiel schwankendes Angebot an elektrischer Energie) oder weil durch den dynamischen Betrieb begründete Vorteile für die Raum-Zeit-Ausbeuten oder Selektivitäten der katalytischen Reaktionen erwartet werden. Der zu erwartende Erkenntnisgewinn ist dabei auch interessant für andere Bereiche wie Abgaskatalyse, Selektivoxidationen, Brennstoffzellen, Batterien oder Photokatalyse. Diese Anwendungen sind jedoch ebenso wie rein physikalisch-chemische Studien nicht Gegenstand dieses Schwerpunktprogramms. Nachwuchs einbeziehen Das Einbeziehen des wissenschaftlichen Nachwuchses spielt im DFG- Schwerpunktprogramm DynaKat eine wichtige Rolle, so steht ein Blockkurs am KIT zum Thema „Technologien und Ressourcen für Erneuerbare Energien: Von Wind und Solar zu Chemischen Energieträgern“ interessierten Studierenden und Promovierenden offen. „In der Forschung kommt man ohne Netzwerke und Teamarbeit nicht voran, da die einzelnen Teildisziplinen sehr komplex sind“, sagt Sebastian Weber, Doktorand am IKFT/ITCP. Gerade für den wissenschaftlichen Nachwuchs seien der Austausch und das Zusammenbringen unterschiedlicher Expertisen wertvoll, betonen Saraçi und Weber. „Es geht darum, Kompetenzen zu bündeln und das Themengebiet deutschlandweit voranzu - treiben, um darin international führend zu werden“, so Programmkoordinator Grunwaldt. i www.itcp.kit.edu/spp2080/ BWK Bd. 71 (2019) Nr. 5 51

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