Auf der ganzen Welt ist man auf der Suche nach möglichst effizienten Methoden, Energie umzuwandeln und zu speichern. Entscheidend dafür ist die Forschung an neuen, auf Energieanwendungen optimierten Materialien.

An der TU Wien startet nun ein wissenschaftliches interuniversitäres Großprojekt, das sich dieser Forschung widmet: Am 3. Mai 2024 wurde von Bundesminister Martin Polaschek der Cluster of Excellence „Materials for Energy Conversion and Storage“ (MECS) eröffnet.

Zahlreiche österreichische Forschungsgruppen haben schon in der Vergangenheit in diesem Bereich international für Aufsehen gesorgt. Diese bereits vorhandene Expertise soll nun gebündelt, vernetzt und weiter ausgebaut werden. Der Cluster of Excellence wird somit die österreichische Materialforschung für Energie-Technologien auch langfristig, weit über die Dauer des Exzellenzclusters hinaus, auf internationalem Spitzenniveau verankern.

Neben der TU Wien sind auch die Universität Wien, das Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und mit einem Team um Univ.-Prof. Julia Kunze-Liebhäuser die Universität Innsbruck am Projekt beteiligt. Die „Clusters of Excellence“ sind die mit Abstand höchstdotierte Forschungsförderung Österreichs, der FWF ermöglicht mit diesem Förderformat Großprojekte auf internationalem Spitzenniveau, an denen mehrere Forschungsinstitutionen gemeinsam arbeiten. „Wir sind überzeugt, dass die Beteiligung nicht nur hervorragende Ergebnisse im Sinne der Ziele des Clusters bringen wird, sondern sich auch langfristig und nachhaltig positiv auf Lehre und Forschung am Institut und an der Fakultät auswirken wird“, sagte die Rektorin der Universität Innsbruck, Veronika Sexl, die in einer kurzen Grußbotschaft ihre Freude über die Beteiligung der Universität Innsbruck zum Ausdruck brachte und Julia Kunze-Liebhäuser gratulierte.

Bundesminister Martin Polaschek mit Julia Kunze-Liebhäuser und Rektorin Veronika Sexl (von links).

Katalysatoren auf atomarer Ebene verstehen

Es gibt mehrere Möglichkeiten, erneuerbare Energie effizient speichern. Man kann zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Um in Zukunft CO₂-Emissionen zu vermeiden, kann man CO₂ abscheiden und in andere Substanzen umwandeln – zum Beispiel in Alkohole oder E-Fuels.

„Damit das gelingen kann, muss man neue innovative Materialien entwickeln, abseits der seltenen und teuren Edelmetalle“, erklärt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie, der Leiter des neuen Exzellenzclusters. „Um maßgeschneiderte Nanokatalysatoren zu entwickeln, wie man sie für solche Prozesse benötigt, muss man zuerst genau verstehen, welche chemischen und physikalischen Prozesse sich auf atomarer Ebene an Oberflächen und Grenzflächen abspielen.“

Auf diese Weise sollen gleich zwei verschiedene Technologien im Rahmen des Exzellenzclusters maßgeblich weiterentwickelt werden: Elektrokatalyse und Photokatalyse. „Beides wird für unsere technologische Zukunft eine wichtige Rolle spielen“, ist Günther Rupprechter überzeugt.

Über elektrischen Strom – oder direkt durch die Sonne

Bei der Elektrokatalyse verwendet man elektrische Energie – etwa überschüssigen Strom aus Wind- oder Photovoltaikanlagen, in Zeiträumen, in denen besonders viel Alternativenergie zur Verfügung steht – um Wasser oder Kohlendioxid gezielt umzuwandeln. Aus Wasser kann man etwa Wasserstoff gewinnen, der dann aufbewahrt werden kann. Wenn dann weniger Wind weht und die Sonne nicht scheint, kann man den Wasserstoff nutzen, um elektrische Energie zurückzugewinnen. Wasserstoff wird somit zum Energiespeicher.

Das ist aber nicht die einzige Möglichkeit, Wasserstoff zu nutzen: Man kann ihn auch chemisch weiterverarbeiten. Dasselbe gilt für CO₂, das aus der Luft geholt oder bei Verbrennungsprozessen aus dem Abgas separiert werden kann: Mit passenden Katalysatoren kann man Wasserstoff und CO₂ in verschiedene Schlüsselsubstanzen umwandeln, etwa in synthetische Treibstoffe oder industriell wichtige Feinchemikalien.

Anders funktioniert das bei der Photokatalyse: Dort kommt die Energie, die für die chemischen Prozesse notwendig ist, nicht von elektrischem Strom, sondern von der Sonne. Anstatt das Sonnenlicht zuerst in elektrische Energie umzuwandeln, um es dann elektrochemisch zu verwenden, man kann es in bestimmten Fällen auch ganz ohne Umweg gleich direkt nutzen, um damit chemische Reaktionen ablaufen zu lassen.

Erfolgreiche Forschung ausbauen

„Gerade wenn es um die elektronischen und chemischen Eigenschaften von Materialien geht, gibt es noch viel zu forschen“, sagt Günther Rupprechter. „Österreich ist in diesem Bereich seit Jahren sehr erfolgreich, es gibt zahlreiche Arbeitsgruppen, die hier erstklassige Arbeit leisten.“ Der Cluster of Excellence soll die Zusammenarbeit zwischen diesen Gruppen weiter verstärken und ein dauerhaftes Forschungzentrum etablieren.

Sowohl modernste experimentelle als auch theoretische Methoden werden in diesem Bereich kontinuierlich weiterentwickelt. Daher vereint der Exzellenzcluster zahlreiche Forschungsteams aus Chemie und Physik und deren multidisziplinäre Expertise.

Die Laufzeit des Exzellenzclusters beträgt zunächst 5 Jahre, die Gesamtkosten des Projektes belaufen sich in diesem Zeitraum auf ca. 35 Millionen Euro. Rund 20 Millionen Euro werden an Fördermitteln fließen, ca. 15 Millionen Euro schießen die Universitäten selber zu.

(Florian Aigner, TU Wien/red)