Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 14.04.2011

KIT-Wissenschaftler liefern grundlegende Erkenntnisse über die Vorgänge in photoelektrochemischen Zellen und publizieren in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“

Die Erschließung und Nutzung neuer Energiequellen zählt zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Solarenergie spielt dabei eine zentrale Rolle. Eine interessante Variante ist die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie, beispielsweise die Erzeugung von Wasserstoff durch Spaltung von Wasser. Der momentan effizienteste, aber noch wenig verstandene Prozess ist die Titanoxid-basierte Photo-katalyse. Wissenschaftler des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen aus dem In- und Ausland die fundamentalen Mechanismen der Photochemie an Titanoxid untersucht und liefern neue detaillierte Erkenntnisse.

Obwohl die Wasserstoffgewinnung aus Wasser und Sonnenlicht mittels Oxidpulvern schon seit mehreren Jahrzehnten intensiv untersucht wird, gibt es noch immer keine befriedigende Beschreibung der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Mechanismen. Unter der Leitung von Professor Christof Wöll ist es Wissenschaftlern des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten St. Andrews (Schottland) und Bochum sowie des Helmholtz-Forschungs-zentrums Berlin gelungen, neue Erkenntnisse zu fundamentalen Mechanismen der Photochemie an Titandioxid (TiO2) zu gewinnen.

Titandioxid ist ein photoaktives Material und kommt in der Natur in den zwei Modifikationen Rutil und Anatase vor, wobei die Anatase-Form eine zehnfach höhere photochemische Aktivität besitzt. Fällt Licht auf dieses weiße Pulver, das auch als Pigment in der Malerei und als Sonnenschutzmittel eingesetzt wird, werden Elektronen in angeregte Zustände versetzt und können dann beispielsweise Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Der auf diese Weise gewonnene Wasserstoff ist ein „sauberer“ Energieträger, da bei seiner Verbrennung kein klimaschädliches Treibhausgas, sondern lediglich Wasser entsteht. Titandioxid wird auch zur Herstellung selbstreinigender Oberflächen verwendet. Dabei entfernt einfallendes Sonnenlicht durch photochemische Prozesse unerwünschte Beläge. In Krankenhäusern wird dieser Effekt zur Sterilisierung speziell beschichteter Instrumente durch Bestrahlen mit UV-Licht genutzt.

Die physikalischen Mechanismen dieser photochemischen Reaktionen an Titandioxidoberflächen und insbesondere der Grund für die viel höhere Aktivität von Anatase konnten bislang noch nicht aufgeklärt werden, da die dafür verwendeten Pulverpartikel mit nur wenigen Nanometern winzig klein sind. Solch kleine Partikel sind für die Untersuchung mit leistungsstarken Methoden der Oberflächen-analytik nicht geeignet. Daher haben die Forscher für ihre Messungen Millimeter-große Einkristalle verwendet. An derartigen Substraten konnten dann mit Hilfe eines neuartigen Infrarot-Spektrometers erstmals präzise Messungen zur Photochemie an der Oberfläche von Titandioxid durchgeführt werden.

Außerdem haben die Wissenschaftler mittels einer laser-basierten Technik die Lebensdauer von lichterzeugten elektronischen Anregungen im Inneren von TiO2-Kristallen bestimmt. Genaue Informationen über diese Prozesse sind von großer Bedeutung, wie Christof Wöll, Leiter des IFG, erklärt: „Eine kurze Lebensdauer bedeutet, dass die angeregten Elektronen sofort wieder in ihren Ausgangszustand zurück fallen. Es entsteht eine Art interner Kurzschluss. Bei einer großen Lebensdauer bleiben die Elektronen lange genug im angeregten Zustand, um die Oberfläche des Kristalls zu erreichen, wo sie dann chemische Prozesse in Gang setzen.“ Anatase ist hierfür besonders gut geeignet, weil die elektronische Struktur dieses Materials eine Besonderheit aufweist, die diesen „internen Kurzschluss“ verhindert. Die Kenntnis dieser Ursache wird es den Forschern nun erlauben, Form, Größe und Dotierung der in den Photoreaktoren eingesetzten Anatase-Partikel weiter zu optimieren. Ziel ist es, photoaktive Materialien mit höheren Wirkungsgraden und längeren Lebensdauern zu entwickeln. „Für die Erzeugung elektrischer und chemischer Energie aus Sonnenlicht haben die Ergebnisse von Wöll und Mitarbeitern eine große Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung von Photoreaktoren,“ sagt Professor Olaf Deutschmann, Sprecher des Helmholtz-Graduiertenkollegs „Energy-related Catalysis“. (twn)

Publikation:
Mingchun Xu, Youkun Gao, Elias Martinez Moreno, Marinus Kunst, Martin Muhler, Yuemin Wang, Hicham Idriss, Christof Wöll, Phys. Rev. Lett. 106, 138302 (2011)

Externer Link: www.kit.edu

Presseaussendung der TU Wien vom 10.03.2011

Geld, Transportkilometer und CO2-Ausstoß sparen: Die gemeinsame Forschung von Technischer Universität (TU) Wien, Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik und den Industriepartnern 4flow AG, Schenker AG und Volkswagen AG offenbart erstaunliche Verbesserungspotenziale in der Automobilindustrie.

Wien (TU). – Autoproduktion birgt gewaltige organisatorische Herausforderungen: Damit einerseits die richtigen Autos zeitgerecht beim Kunden landen und andererseits immer die richtigen Bestandteile für die Montage vorhanden sind – ohne große Bestände vorrätig zu halten – ist perfekte Planung gefragt. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Logistik: Wie, wann und in welchen Mengen sollen die Auto-Teile angeliefert werden? Auf welchen Verkehrsmitteln werden welche Aufträge am besten an ihren Bestimmungsort gebracht? Bisher blieben solche logistische Aspekte in der Produktionsplanung unberücksichtigt, doch genau hier liegt großes Einsparungspotenzial. Im Forschungsprojekt „InTerTrans“ (Integrierte Terminierung und Transportplanung) wurde nun ein Konzept entwickelt um LKW-Fahrten zu sparen, den Verkehr auf Bahn und Schiff zu verlagern und die Auslastung der Verkehrsmittel weiter zu erhöhen. So kann man Kosten verringern und den CO2-Ausstoß in der Automobilindustrie dramatisch senken.
 
Der billigste Transport ist der, der gar nicht nötig wird

„Unsere Kernidee war, dass die Logistik gleich bei der Planung der Produktion mitberücksichtigt werden muss“, sagt Markus Florian, Projektmitarbeiter im Team von Prof. Wilfried Sihn am Institut für Managementwissenschaften der TU Wien. Bisher wurden bei der Planung nur Anforderungen im Bereich der Produktion einbezogen. Sich nur darauf zu beschränken kann aber zu ineffizienten Situationen bei der Zulieferung führen: LKWs, die halbleer unterwegs sind, Züge mit nur wenigen Waggons – all das kostet Geld und führt zu unnötiger Umweltbelastung. Bezieht man bestimmte Logistikaspekte, wie etwa Kapazitäten und Abfahrtzeiten in die Programmplanung mit ein, können Produktions- und Transportplanung wie Zahnräder ineinandergreifen.
 
Software-System hilft sparen

Welche Arbeitsschritte wann erledigt werden kann einen großen Einfluss auf die Effizienz eines Automobilwerkes haben. Neue Ideen und Strategien zur optimalen Planung der Arbeitsabläufe können nun mit Softwarepaketen untersucht und validiert werden, die im Forschungsprojekt „InTerTrans“ entwickelt wurden. Manchmal ist es sinnvoll, wenn der Transport von fertigen Autos oder Zulieferer-Teilen zeitlich geblockt wird – sodass etwa ein ganzer, vollgefüllter Eisenbahnzug auf die Reise geschickt werden kann, anstatt immer wieder Geld und Ressourcen für den Transport einzelner Waggons zu verschwenden. Andererseits kann es in manchen Situationen auch nützlich sein, für einen gleichmäßigen Materialstrom und einen konstanten Bedarf nach Lieferungen zu sorgen. Um diese Ansätze jedoch zielgerichtet einsetzen zu können, ist ein ganzheitliches Verständnis über die Zusammenhänge von Produkt, Produktion und Logistikstruktur erforderlich. Sowohl bei der Produktions- als auch bei der Transportplanung helfen die neuentwickelten Softwaresysteme. Produktionsplanungs-Programme lassen logistische Kriterien mit einfließen, die Transportplanungssoftware passt das Transportnetz dynamisch an die aktuellen Bedingungen an, die sich ständig verändern. Der Produktions- und der Logistikbereich stehen in einer starken Wechselwirkung zueinander.

Wissenschaft und Wirtschaft forschen gemeinsam

Drei Jahre lang forschte die TU Wien und das Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik gemeinsam mit der 4flow AG, die das Projekt anführte, der Schenker Deutschland AG und der Volkswagen AG. Nun steht ein Konzept zur Verfügung, das mit Unterstützung eines Software-Prototypen für Produktions- und Logistikplanung entwickelt wurde. In vier Fallstudien mit realistischen Daten aus der Praxis wurde das neue Lösungs-Paket nun getestet – und die Ergebnisse sind beeindruckend: Bis zu 48% der LKW-Kilometer können durch die bessere Planung in der Distribution eingespart werden – größtenteils durch Verlagerung auf die Bahn. Sowohl LKWs als auch Züge sind durch bessere Planung besser ausgelastet, und auch die Stillstandzeiten, in denen fertige Fahrzeuge ungenützt herumstehen, kann verringert werden – und dadurch sinkt der Bestand an fertigen Fahrzeugen gleich um über 23%. All das trägt natürlich massiv zur Einsparung von CO2 bei. Das Projekt InTerTrans zeigt also, wie gut ökonomische Optimierung und ökologische Vorteile Hand in Hand gehen können. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Presseaussendung der TU Wien vom 14.02.2011

Vorarlberg zeigt vor, wie es geht: In der Modellregion VLOTTE setzt man auf Elektrofahrzeuge. Die Begleitforschung der TU Wien beweist, dass sich Elektroautos im Alltagsbetrieb bewähren können und zeigt weitere Verbesserungspotenziale auf.

Sauber, leise und CO2-neutral könnte der Straßenverkehr werden – wenn es gelingt, auf Elektroautos umzusteigen. Das ist längst keine ferne Zukunftsvision mehr, Elektroautos werden bereits zur interessanten, alltagstauglichen Alternative. Um die Verbreitung von Elektrofahrzeugen zu fördern wurde in Vorarlberg mit den Mitteln des Klima- und Energiefonds die Elektromobilitätsregion VLOTTE eingerichtet. Ein umfassendes Mobilitätskonzept wurde entwickelt, das die Anschaffung der Fahrzeuge, ein Netz von Ladestationen sowie die Verknüpfung mit dem öffentlichen Verkehr beinhaltet. Von einem Forschungsteam am Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe der Technischen Universität wurde die Effizienz und dieses alternativen Autokonzepts ausführlich untersucht, mittlerweile liegt ein Bericht darüber vor: Das Elektromobil-Projekt VLOTTE hat sich bewährt, und weitere spürbare Verbesserungen scheinen realistisch.

Um die Praxistauglichkeit der Elektroautos zu testen wurden 19 Fahrzeuge drei Wochen ganz genau überwacht: Ihre Leistung wurde laufend gemessen und per GPS wurde jede Fahrzeugbewegung registriert. „Mit Hilfe dieser Daten können Energiebedarf und Stehdauer, sowie die Verteilung der wichtigsten Standplatzorte statistisch untersucht werden“, erklärt Andreas Schuster vom Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe der TU Wien. Diese Untersuchungen sind wichtig, wenn man die Frage beantworten will, wie dicht das Netz an Aufladestationen sein muss, um Elektroautos sinnvoll verwenden zu können.

Für Firmenautos ist die geringe Reichweite kein Problem

Als Hauptproblem der Elektroautos gilt die geringe Reichweite: Mit einer Batterieladung kommen die in Vorarlberg eingesetzten Autos etwa 170 km weit – deutlich kürzer als die Strecke, die man mit einem Benzin-Tank zurücklegen kann. Gerade für Firmenautos im Stadtverkehr, die selten lange Strecken auf einmal zurücklegen, ist die geringere Reichweite allerdings kein Problem. Im Gegensatz zum herkömmlichen Verbrennungsmotor-Auto, mit dem man auf Tankstellen angewiesen ist, kann das Elektroauto schließlich problemlos über Nacht wieder aufgeladen werden. Im Prinzip reicht eine gewöhnliche 240V-Steckdose. Stehen spezielle Ladestationen mit Kraftstrom-Anschlüssen zur Verfügung (etwa auf dem Firmenparkplatz), ist der Ladevorgang entsprechend schneller abgeschlossen.

Die in Vorarlberg gewonnene Erfahrung zeigt: Probleme könnten entstehen, wenn eine große Zahl von Firmenautos in den Abendstunden gleichzeitig aufgeladen wird – zu dieser Zeit ist schließlich auch der Strombedarf der Haushalte besonders hoch. Durch intelligentere Elektronik könnten die Ladephasen der Autos aber auf Zeiten mit weniger intensivem Strombedarf verteilt werden, ist man an der TU Wien sicher.

In Zukunft noch besser: mit Lithium-Ionen-Akkus

Die bisher verwendeten Autos sind mit ZEBRA-Batterien ausgestattet – einem Batterietyp, der auf einer Betriebstemperatur von über 260°C gehalten werden muss. Sie brauchen daher auch während längerer Stehphasen Heizenergie und sind daher nur für Vielfahrer uneingeschränkt empfehlenswert. In Zukunft sollen allerdings Lithium-Ionen-Akkus (ähnlich wie die, die man von Handys oder Kameras kennt) auch für Elektroautos eingesetzt werden, damit wäre dieser Nachteil behoben. Auch durch bessere Elektronik in den Autos und auch durch besseres Management der Firmen-Fuhrparks könnte die Effizienz noch gesteigert werden. Tiefere Erkenntnisse dazu sollen nun in einer zweiten Elektromobilitäts-Modellregion in Salzburg gewonnen werden. Auch dort, beim Projekt „ElectroDrive Salzburg“, übernimmt die Forschungsgruppe rund um Andreas Schuster die technische Begleitforschung. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden bereits in wenigen Monaten zur Verfügung stehen.

Die Forschungsergebnisse aus Vorarlberg zeigen, dass die Umstellung auf Elektromobilität heute schon möglich und sinnvoll ist: „Gerade bei gewerblichen Fuhrparks müssten in vielen Fällen weder die Mobilitätsgewohnheiten umgestellt werden, noch ist ein großer Infrastrukturausbau notwendig“, meint Andreas Schuster. Der Umstieg auf Elektroautos ist also auch eine Frage des Willens und nicht nur eine Frage der Technik. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 04.01.2011

Einem Forschungsteam um Aldo Steinfeld, Professor an der ETH Zürich und Laborleiter am Paul Scherrer Institut, ist es gelungen, mit Solarenergie aus Wasser und Kohlendioxid Treibstoff zu erzeugen. Dazu haben die Wissenschaftler einen Solar-Reaktor entwickelt, in dem konzentrierte Sonnenstrahlung das dafür nötige stabile und schnelle thermochemische Verfahren antreibt.

Sonnenenergie ist sauber und steht unbegrenzt zur Verfügung; sie ist aber nicht dauernd verfügbar sowie ungleichmässig über die Erdoberflache verteilt. Weltweit stellen sich Wissenschaftler deshalb die Frage: Wie kann man Sonnenenergie speichern, um diese von den sonnigsten Flecken der Erde in die industrialisierten Zentren zu transportieren, wo die meiste Energie benötigt wird? Diese Frage motiviert Forscher nach Rezepten zu suchen, wie Sonnenlicht in chemische Energieträger umgewandelt werden kann, und zwar in Form von flüssigen Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen transportiert werden können – Treibstoffe notabene, die nicht nur Autos, Schiffe und Flugzeuge antreiben, sondern die gesamte nach Öl lechzende Weltwirtschaft nachhaltig versorgen können.

Neuartiger Solar-Reaktor gebaut

Einem Forschungsteam um Aldo Steinfeld, Professor für Erneuerbare Energieträger an der ETH Zürich und Leiter des Labors für Solartechnik am Paul Scherrer Institut (PSI), ist es nun gelungen, ein solches Rezept inklusive „Kochtopf“ – sprich Solar-Reaktor – zu entwickeln. Mit einem radikal neuen Prozess wird Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt in ein Gemisch von Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). Diese Kombination wird als Syngas bezeichnet und stellt eine Vorstufe von Benzin, Kerosin und anderen flüssigen Treibstoffen dar. Gemeinsam mit Kollegen des California Institute of Technology (Caltech) stellen die ETH- und PSI-Forscher den neuen Solar-Reaktor sowie die experimentellen Resultate in der Fachzeitschrift Science vor.

Die zugrundeliegende Idee besteht darin, Wasser und CO2 in einem zweistufigen Verfahren mit Hilfe von Sonnenenergie aufzuspalten. In einem ersten Schritt lenken die Wissenschaftler konzentriertes Sonnenlicht durch eine mit einem Quarzglas abgedichtete Blendenöffnung in den Solar-Reaktor. In dessen Hohlraum befindet sich ein Zylinder aus Ceriumoxid, der bei einer Temperatur von 1500°C reduziert wird. Dabei gibt das Material Sauerstoffatome aus der Struktur ab. Im zweiten, Schritt lässt man das reduzierte Ceriumoxid bei etwa 900°C mit Wasserdampf und CO2 reagieren; dabei werden die Wasser- und CO2-Moleküle aufgebrochen. Die dabei freiwerdenden Sauerstoffatome werden in die Materialstruktur integriert, sodass das Ceriumoxid wieder in der Ausgangsform vorliegt und der Kreisprozess erneut gestartet werden kann. Übrig bleibt reines Syngas aus H2 und CO.

Mit der Kraft von 1500 Sonnen

Die Wissenschaftler testeten ihren Reaktor-Prototyp am Hochfluss-Solarsimulator des PSI. Dabei verwendeten sie eine Strahlungsintensität, die der Kraft von 1500 Sonnen entspricht. Der Umwandlungwirkungsgrad von Sonnenenergie in Treibstoff betrug dabei 0,8 Prozent. Dieser Wert ergibt sich aus dem Brennwert des produzierten Syngas, geteilt durch den Input an Strahlungsenergie. «Diese Wirkungsgrade sind um zwei Grössenordnungen höher als diejenigen, die man mit herkömmlichen photokatalytischen Methoden zur CO2-Spaltung erzielt hat», erklärt Aldo Steinfeld und betont: «Die Resultate, die wir in Science veröffentlichen, belegen die Machbarkeit von solarbetriebenen thermochemischen Verfahren zur Herstellung von Treibstoff aus Kohlendioxid und Wasser.»

Zurzeit sind Steinfeld und seine Gruppe daran, den Solar-Reaktor so zu optimieren, dass er auch in grossem Massstab – im Megawatt-Bereich – in Solarturm-Anlagen eingesetzt werden kann. Solche Anlagen sind bereits kommerziell zur Stromerzeugung im Einsatz. Steinfeld glaubt, dass noch grosse Anstrengungen nötig sind, bevor seine Solarreaktortechnologie in der Praxis eingesetzt wird. «2020 sollten wir aber soweit sein, dass die erste industrielle Solartreibstoff-Anlage in Betrieb gehen und einen zentralen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung der Zukunft leisten kann».

Publikation:
Chueh WC, Falter C, Abbott M, Scipio D, Furler P, Haile SM, Steinfeld A. High-Flux Solar-Driven Thermochemical Dissociation of CO2 and H2O using Nonstoichiometric Ceria, doi: 10.1126/science.1197834

Externer Link: www.ethz.ch