Auf die Größe kommt es an

Chancen für und mit Nanotechnologie bei der Energiewende

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16.04.2013 Wenn die Kleinen groß rauskommen: Das Thema Energiewende wird nach wie vor heiß diskutiert. Doch bei allen Blicken in die Glaskugel auf das große Ganze aus politischen Rahmenbedingungen, Konzernbestrebungen und öffentlicher Wahrnehmung der Bedeutung von CO2-Emissionen schadet auch ein Blick auf die kleinen aber feinen technologischen Entwicklungen nicht, die einen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leisten können.

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Entscheider-Facts


Für Entwickler

  • Für Wärmespeichermaterialien mit hoher Energiedichte lassen sich Feststoffe wie Zeolithe und Silikagele mit Porenweiten im Bereich 1 nm modifizieren. Dadurch lässt sich die Bindungsstärke des Wassers so einstellen, dass sich die nutzbare Energiedichte des Speichers erhöht.
  • Um Effizienzsteigerungen bei Dünnschichtsolarzellen zu erreichen, lassen sich durch Nanostrukturen, die Quantenphänomene wie Nanodrähte und Quantentöpfe nutzen, weitere elektronische Niveaus schaffen oder die Ladungsträgerthermalisierung verlangsamen.

April 2013

Die kleinsten Teile können den größten Unterschied machen: Nanomaterialien helfen dabei, die Effizienz bei der Stromerzeugung und -versorgung zu setigern (Bild: Ssogras – Fotolia.com)

Genau hier kommt die Nanotechnologie ins Spiel: Denn wenn bis 2022 alle Atomkraftwerke abgeschaltet werden sollen, müssen die alternativen Energiequellen mit möglichst hohen Wirkungsgraden bei gleichzeitig niedrigen Kosten aufwarten können. Doch der Weg zu effizienter Stromversorgung mit stabilen Speichermedien und optimaler Energieumwandlung ist noch weit.

Die Forschung an kleinsten Strukturen von bis zu 100 nm Größe in der Cluster-, Oberflächen- und Halbleiterphysik sowie auf verschiedenen Gebieten der Chemie kann für viele Technologiebereiche, welche die Energiewende betreffen, einen wertvollen Beitrag leisten. Beispielsweise fehlt es für die Stromnetzstabilität derzeit noch an großvolumigen und reaktionsschnellen Speichermedien, welche die immensen Stromschwankungen, die unter anderem bei der Energieerzeugung durch Solar-, Wasser- und Windkraft auftreten, ausgleichen können. Die Erzeugung an sich schafft ebenso Raum für neue Technologien, beispielsweise bei der Photovoltaik: Polymersolarzellen mit kurzen Transportwegen, Grätzel-Solarzellen mit vergrößerter Oberfläche oder Stapel-Solarzellen mit Tunneldioden sind nur einige Beispiele. Die Nutzung von Nanostrukturen dient bei diesen Technologien der Materialersparnis, gesteigerter  Stabilität oder einem erhöhten Wirkungsgrad. Für niedrige Kosten durch den Einsatz von organischen- oder organisch-anorganischen Hyb­rid­so­lar­zel­len kom­­men na­no­tech­no­lo­gische Elemen­te zum Einsatz, die weniger starke Anforderungen an die Ordnung und Perfektion der Materialien stellen. Grundsätzlich zielt die Forschung in dieser Branche in zwei Stoßrichtungen: die Produktion von Low-cost- oder die von High-efficiency-Solarzellen. Sie wird zwar international vorangetrieben, vornehmlich jedoch in den USA, in Japan sowie in den westeuropäischen Ländern.

Morphologie bestimmt die Speicherkapazität

Die verschiedenen verfügbaren Systeme, mit denen sich Energie stationär und mobil speichern lässt, lassen sich durch nanostrukturierte Materialien effizienter ausgestalten. Das Erhöhen der Leistungs- und Energiedichte sowie der Lebensdauer und die Steigerung von Lade- und Entladezyklen bei mehr intrinsischer Systemsicherheit stehen hier im Vordergrund der Forschung – beispielsweise hinsichtlich optimierter nanoskaliger Kristallstrukturen in den Elektrodenmaterialien bei Lithium-Ionen-Batterien. Hier lässt sich zudem durch morphologisches Optimieren mithilfe von Nanowires und Nanotubes in Elektrodenmaterialien eine erhöhte Reversibilität der Ein- bzw. Auslagerung der Ionen und damit mehr Lade- und Entladezyklen erzielen. Der asiatische Raum sowie Europa und insbesondere Deutschland zeigen auf diesem Gebiet große Forschungsanstrengungen.

Bei Wärmespeichersystemen zur Energieeinsparung sind Nanostrukturen ebenso im Kommen: Beispielsweise lassen sich in Sorptionswärmespeichern die Porenweiten der mikroporösen Feststoffe im Nanometer-Bereich modifizieren, sodass sich die Bindungsstärke des Wassers einstellen lässt, um die nutzbare Energiedichte des Speichers zu erhöhen. Für Wärmepumpen, die ebenfalls auf einem thermodynamischen Zyklus basieren, können sich durch Prozessintensivierungen auch kostspielige nanostrukturierte Materialien amortisieren. Jedoch werden bislang Materialforschung und -entwicklung bei beiden Technologien kaum systematisch betrieben. Allerdings bestehen in den damit zusammenhängenden Prozessfeldern wie der Mikroreaktortechnik für die Wärmetransformation deutliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen.
Für die Energiewandlung, die beispielsweise in einer Brennstoffzelle erfolgen kann, spielen Nanostrukturen ebenfalls eine wichtige Rolle: Neue Ansätze, um Katalysatoren herzustellen oder sie durch bessere Ausnutzung des eingesetzten Trägermaterials mithilfe von Nanostrukturen geringer zu beladen sind nur einige der vielen Ansatzpunkte der industriellen Forschung.

Kluge Dinge tun und darüber berichten

Die Defizite, die bei der Forschung und Entwicklung der Nanotechnologie für Energieerzeugungs-, Energieübertragungs- und Energiespeichersysteme bestehen, hat auch der Deutsche Verband Nanotechnologie erkannt. Daher hat er kürzlich den Verbandsarbeitskreis „Energie“ ins Leben gerufen. Er besteht aus einer Expertenrunde von Wissenschaftlern und Forschern aus der Industrie und sucht nach technischen Lösungen für den Weg in die postfossile Zukunft. Der Arbeitskreis soll als Kommunikationsplattform dienen, auf der sich Fachwissenschaftler aus Forschung und Industrie über Aspekte des Themas Nanotechnologie und Energieforschung austauschen können. Die Expertise soll eine Entscheidungshilfe für die Politik sein und das Thema der breiten Öffentlichkeit darstellen, um dem Kommunikationsbedarf gerecht zu werden.

Nano für alle Lebenslagen

Der Deutsche Verband Nanotechnologie ist ein Fachverband für die auf dem Gebiet der Nanotechnologie arbeitenden Kräfte aus Wirtschaft, Wissenschaft, Medien und Verwaltung. Er betrachtet die Nanotechnologie als Querschnittsdisziplin, die Erfahrungen aus den technisch-wissenschaftlichen Arbeitsgebieten der Chemie, Physik, Biologie, Medizin und Werkstoffwissenschaften kombiniert. Als unabhängige Organisation ist der Verband Ansprechpartner für akademische, wissenschaftliche, technische und gesellschaftspolitische Fragestellungen. Er unterstützt den Austausch zwischen Industrie, Wissenschaft, Gesellschaft, Verwaltung, Politik und seinen Mitgliedern.

Zum Forschungsverbund erneuerbare Energien gelangen Sie hier.

Zur Gemeinsamen Forschergruppe Funktionale Nanomaterialien geht es hier lang.

Zu den Förderprogrammen der Bundesregierung für Nanotechnolgien geht es hier und hier zum Aktionsplan Nanotechnologie.

Hier geht es zum Wirtschaftsstandort Dreseden, Kompetenzfeld Nanotechnologie.

Heftausgabe: April 2013
Tina Walsweer, Redaktion

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