Werkstoffe: Maßgeschneidert für die Energiewende

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Der Umbau des Energiesystems erfordert grundlegende Innovationen auf dem Energiesektor, die auf neuen Materialien aufbauen. Um die computergestützte Entwicklung von solchen neuartigen Werkstoffen zu beschleunigen, wird die Helmholtz-Gemeinschaft „Materialforschung für die zukünftige Energieversorgung“ in einem neuen Energie-Portfoliothema finanzieren. Anwendungsfelder sind Dünnschichtsolarzellen und Hochtemperaturwerkstoffe. Insgesamt sind neben dem koordinierenden Forschungszentrum Jülich fünf Zentren der Helmholtz-Gemeinschaft beteiligt, die das Vorhaben von 2012 bis 2016 mit zusätzlichen 21 Millionen Euro fördert.


In dem Portfoliothema sollen neue Möglichkeiten geschaffen werden, um Werkstoffe zeit-, aufwand- und ressourcensparend am Computer zu entwickeln. Das Thema zielt insbesondere auf Innovationen in der Dünnschichtphotovoltaik und die Effizienzsteigerung von fossilen und solarthermischen Kraftwerken durch neue hitzebeständige Werkstoffe ab. Letztere erlauben den Betrieb bei höheren Temperaturen, was den Wirkungsgrad erhöht. In Wechselwirkung von Computersimulationen und Experiment sollen dazu die elektronischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften sowohl theoretisch modelliert als auch praktisch analysiert und optimiert werden. Die Ergebnisse aus der Modellierung fließen dabei in die Materialentwicklung ein, umgekehrt werden aber auch die Ergebnisse der Untersuchungen unter Lastbedingungen in die Modellbildung zurückfließen, sodass sich die Berechnungen von Materialeigenschaften stetig verbessern.


„Wir können die Entwicklungszeiten neuer Materialsysteme deutlich verkürzen, wenn es gelingt, die Eigenschaften von Werkstoffen in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und der Verarbeitung vorherzusagen und Werkstoffe mit den erforderlichen Eigenschaften maßzuschneidern“, sagt Prof. Harald Bolt vom Forschungszentrum Jülich, der die Aktivitäten im Portfoliothema koordiniert. Für die Dünnschichtphotovoltaik werden solche neuen Materialsysteme als kostengünstige Alternative zu bisher eingesetzten Werkstoffen erforscht. Über die Kombination unterschiedlicher Materialsysteme, die verschiedene Anteile des Sonnenlichtspektrums absorbieren, soll außerdem die Voraussetzung geschaffen werden, Solarzellen mit sehr hohen Wirkungsgraden zu realisieren.


Die Entwicklung neuartiger Materialien als Schlüssel für Innovationen auf dem Energiesektor ist ein Kernelement der Hightech-Strategie der Bundesregierung. „Um den Umbau der Energieversorgung im vorgegebenen Zeitrahmen zu ermöglichen, müssen die Entwicklungszeiten für neue Materialien deutlich verkürzt werden“, erklärt Prof. Jürgen Mlynek, Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft. Daher hat die Helmholtz-Gemeinschaft beschlossen, die Materialentwicklung für die zukünftige Energieversorgung als Portfoliothema bis 2016 verstärkt zu fördern. Danach wird die Forschung in die Programmorientierte Förderung integriert, mit der die Helmholtz-Gemeinschaft ihre Forschungsvorhaben finanziert.

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