Ausbeute erneuerbarer Energien lässt sich gewaltig steigern

Wissenschaftsforum Saar : Neue Materialien für eine bessere Zukunft

Materialforscher Frank Mücklich von der Saar-Universität berichtete im Wissenschaftsforum über die Energieversorgung von morgen.

„Mit der Energiewende stehen wir erst am Anfang.“ Dieser Satz steht wie in Ausrufezeichen am Ende eines Vortrags, den  Professor Frank Mücklich, Chef des Instituts für Funktionswerkstoffe an der Universität des Saarlandes, vor dem Wissenschaftsforum der Universitätsgesellschaft hielt. Vor rund 300 Zuhörern erklärte er „Wie die Materialforschung die Energiewende vorantreibt“. Es ging um „Hochleistungswerkstoffe für Elektromobilität, Solarzellen und Windräder“.

Natürliche Energie „ist im Überfluss vorhanden“, sagt Mücklich. Der jährliche Bedarf der Menschheit ließe „sich bereits fünf Mal mit der Windkraft stillen“, lässt er seine Zuschauer wissen. Bei Energie aus der Sonne sei dies zehntausend Mal möglich. Doch er weiß auch, dass das nur theoretische Werte sind. Denn beim Wind müsste jedes laue Lüftchen, das irgendwo weht, in Strom umgewandelt werden, die Zahl der Windräder würde ins Unermessliche steigen. „Doch eine spürbare Erhöhung des Wirkungsgrads ist überall möglich“, zeigt sich Mücklich überzeugt, der auch Direktor des Steinbeis-Forschungszentrums für Werkstofftechnik (MECS) ist.

Bei der Windenergie sei es der Werkstoff Stahl, dessen Leistungskraft „noch wesentlich gesteigert werden kann“, wie er sagt. Derzeit gebe es zwar schon mehr als 3500 genormte Stahlsorten und -güten, die durch Legieren und Mischen verschiedener Elemente wie Eisen, Silicium oder Niob entstehen. „Doch wir kennen erst fünf Prozent aller möglichen Kombinationen und wie sie sich auf der Mikro- und Nano-Ebene oder bei Verformung und Wärmebehandlung zusammenfügen beziehungsweise welche Eigenschaften sie dann entwickeln“, erläutert der Hochschullehrer.

Besonders robuste Legierungen seien für die Windenergie-Ernte auf hoher See unerlässlich, wo der Forscher ein gigantisches Wachstums­potenzial sieht. Die Stähle müssten den Ansprüchen höchster Festigkeit bei möglichst geringem Gewicht genügen – zudem korrosionsbeständig und so wartungsarm sein, sodass Montagemannschaften nur selten zu den Plattformen auf hoher See hinaus müssten.

Auch bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom und Wärme stehen die Werkstoffwissenschaften vor großen Neuerungen, ist Mücklich überzeugt. Der Materialverbrauch bei klassischen Silizium-Solarzellen habe sich seit 1990 bereits halbiert – von 400 Mikrometer (0,4 Millimeter) auf knapp 200 Mikrometer Schichtdicke. „Doch die Zukunft gehört den Dünnschicht-Solarzellen mit zwei bis drei Mikrometer Dicke.“ Dadurch werde 98 Prozent des derzeit benötigen Materials eingespart, Herstellungskosten und Bearbeitungszeiten würden spürbar sinken. Die Energie-Rücklaufzeit (Energie-Gewinnung im Verhältnis zum Energie-Einsatz bei der Herstellung) liege bei weniger als einem Jahr. Üblich seien bislang drei Jahre.

„Dadurch können preiswerte Solarflächen den Großteil von Gebäuden bedecken und für deren Energie-Autonomie sorgen“, sagte Mücklich. Als Beispiel nannte er die Umweltarena in Aargau (Schweiz) oder das La Seine Musicale in der Region Paris, wo sich ein Photovoltaik-Segel mit dem Lauf der Sonne bewegt. Die neuen Dünnschicht-Zellen könnten zudem auf die Dächer von Elektro-Autos montiert werden und die Akkus beim Parken aufladen. Revolutionäres sieht er auch bei der Lichtausbeute der Zukunft. LED-Lampen gelten bereits als sehr gut. Sie besitzen den achtfachen Wirkungsgrad einer Glühbirne. Allein der weltweite Ersatz aller Leuchten durch LED würde den Ausstoß an Kohlendioxid um 1,5 Prozent reduzieren, was den Emissionen von 162 Kohlekraftwerken entspricht. Doch inzwischen rücke das „Wundermaterial Perovskit“ in den Mittelpunkt, sagt Mücklich – ein Mineral, das es ermögliche, mit geringem Energieeinsatz Licht in hoher Farbreinheit auszustrahlen „und ganze Wände zum Leuchten zu bringen“.

Viel Luft nach oben gebe es auch bei der wissenschaftlichen Forschung, die zum Ziel hat, „den Energieverlust durch Reibung und Verschleiß zu reduzieren“. Der dadurch hervorgerufene Schwund sowie die Erneuerung und Überarbeitung von Bauteilen „kostet uns jährlich zwei bis sieben Prozent des Bruttosozialprodukts (BSP)“, wobei jeder BSP-Prozentpunkt 32,5 Milliarden Euro entspricht. Die Lösung sieht er im Kohlenfaser-Werkstoff Carbon, der mit winzigen Nanoröhrchen durchzogen ist und dessen Oberfläche mit Laserstrahlen so behandelt wurde, das die Reibungsverluste um etwa zwei Drittel gesenkt werden können.

Frank Mücklich. Foto: UdS/Schlosser/Maximilian Schlosser

Von der Politik erwartet der Hochschullehrer, dass sie bei der Energiewende nicht auf bestimmte Technologien setzt und keine inhaltlichen Vorgaben macht. Vielmehr soll sie akzeptieren, dass die Energiewende „bis auf weiteres mehrgleisig fährt und es gefährlich ist, eines dieser Gleise zu vernachlässigen“. Andererseits „hat Deutschland aus Sicht der Materialforschung alle Möglichkeiten, alle Chancen und auch alle Vielfalt an Werkstoffkompetenz, um die Energiewende zu bewältigen“.

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