Wie nutzen wir Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?

Die Energiewende ist eine der zentralen gesellschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Um dem Klimawandel entgegenzuwirken, müssen wir hocheffiziente Technologien und Prozesse entwickeln, damit wir Energie sicher, zuverlässig, erschwinglich und umweltfreundlich erzeugen, verteilen und nutzen können. Dies kann nur mit wissenschaftlich-technologischen Innovationen gelingen, die schnell ihren Weg aus den Laboren in die Praxis finden. 

Neben einer gesicherten Energieversorgung und der Reduzierung des Energiebedarfs sind es vor allem Rohstoffgewinnung und -recycling sowie die Entsorgung von nuklearen Abfällen, die große Herausforderungen für heutige und künftige Generationen darstellen.

Am HZDR gliedert sich der Forschungsbereich Energie in zwei Programme:

• Materialien und Technologien für die Energiewende 
• Nukleare Entsorgung, Sicherheit und Strahlenforschung

Materialien und Technologien für die Energiewende

Für eine CO₂-neutrale Energieversorgung müssen Umwandlung, Transport, Speicherung und Nutzung von Energie ineinandergreifen. Im Programm „Materialien und Technologien für die Energiewende“ entwickeln die Wissenschaftler*innen spezifische Lösungen für diese einzelnen Bereiche. Im Vordergrund stehen dabei marktfähige Technologien für die Speicherung und Wandlung von Energie unter Berücksichtigung einer ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft. Die Forschungsergebnisse sollen schnell als Produkte und Dienstleistungen für die Industrie in die Anwendung gebracht werden.

Zur Energiewende gehört auch die Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz, das Ziel: die Schließung der großen Grundstoff- und Produktkreisläufe für Metalle und Mineralien. Am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie entwickeln die Forscher*innen deshalb im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft innovative und umweltschonende Technologien zur Erkundung, Gewinnung und dem Recycling von metallhaltigen und mineralischen Rohstoffen. Dafür arbeitet es eng mit der TU Bergakademie Freiberg zusammen.

Ein zentrales Ziel der Energiewende besteht in der Reduzierung des Energiebedarfs. Hier setzen die Wissenschaftler*innen vom Institut für Fluiddynamik an und erforschen neue, energetisch effiziente Lösungen für industrielle Prozesse, die bisher durch einen besonders hohen Energiebedarf gekennzeichnet sind. Anwendungsschwerpunkte sind ressourcentechnologische Prozesse, Prozesse der Abwasserbehandlung sowie Verfahren zur Abwärmerückgewinnung. Das Institut arbeitet hierfür eng mit der TU Dresden zusammen. Stromspeicher sind unerlässlich für das neue Energiesystem mit seinem hohen Anteil an fluktuierenden Primärquellen. Deshalb wird am Institut für Fluiddynamik an neuartigen Flüssigmetallbatterien gearbeitet, die mit verhältnismäßig geringen Kosten große Mengen Energie speichern könnten.

Aktuelle Forschungsthemen:

• Elektrochemische Energiespeicherung

• Energieeffiziente Prozesse

• Ressourcentechnologie

Ziele

• Transportprozesse von der molekularen Skala an Grenzflächen bis hin zur Prozessskala  besser verstehen
• Simulationswerkzeuge zur Berechnung von Mehrphasenströmungen mit Stoff- und Wärmeübertragung entwickeln
• Methoden zur Intensivierung, Instrumentierung, sowie Steuerung und Regelung von industriellen Prozessen entwickeln und implementieren
• Großtechnische Flüssigmetallbatterien entwickeln
• grundlegendes Wissen zu erarbeiten sowie innovative Technologien entwickeln, um mineralische und metallhaltige Rohstoffe aus komplex zusammengesetzten primären (geogenen) und sekundären (anthropogenen) Quellen ökonomisch und ökologisch zu gewinnen
• Möglichkeiten und Grenzen einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft quantifizieren sowie praktikable Lösungen zu ihrer Umsetzung gemeinsam mit Gesellschaft, Interessengruppen und Entscheidungstragenden entwickeln
• nachhaltige Technologien und Strategien für deutsche Unternehmen bereitstellen als Basis für die wirtschaftliche Vernetzung mit ressourcenreichen Ländern
• eine neue Generation hochqualifizierter Wissenschaftler*innen und Techniker*innen für die deutsche Rohstoffindustrie und den Hochschulsektor ausbilden

Nukleare Entsorgung, Sicherheit und Strahlenforschung

Auch wenn in Deutschland der Atomausstieg 2023 abgeschlossen wurde, befassen sich die am Helmholtz-Programm „Nukleare Entsorgung, Sicherheit und Strahlenforschung“ beteiligten Wissenschaftler*innen weiterhin mit Fragen der Sicherheit von Kernkraftwerken und Endlagern. Denn einerseits sind viele Fragen zum Rückbau der Anlagen sowie zur Behandlung und sicheren Langzeit-Verwahrung radioaktiver Abfälle noch offen. Andererseits hat die Kernenergie weltweit durchaus eine langfristige Perspektive, wie zahlreiche Neubau-Projekte in anderen Staaten, darunter auch in Nachbarländern, zeigen. Die Sicherheitsstandards solcher Reaktoren durch eigene Forschung mitzugestalten, liegt deshalb auch im Interesse Deutschlands. Die Forscher*innen des Instituts für Ressourcenökologie und des Instituts für Fluiddynamik tragen somit maßgeblich zum Schutz von Mensch und Umwelt vor den Auswirkungen radioaktiver Strahlung bei.

Aktuelle Forschungsthemen

• Nukleare Entsorgung

• Sicherheit von Kernreaktoren

Ziele

• besseres Prozessverständnis für die Langzeit-Sicherheitsanalyse nuklearer Endlager im tiefen geologischen Untergrund entwickeln
• Entwicklung von neuen Gerätesystemen, um ein besseres Prozessverständnis zur Verteilung der Radionuklide in Bio- und Geosystemen auf molekularer und zellulärer Ebene zu erreichen
• Erfassen von Daten für die Langzeit-Sicherheitsanalyse nuklearer Endlager
• Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Sicherheitsanalyse von derzeit betriebenen Kernreaktoren sowie neuen in Planung befindlichen Reaktortypen in den Nachbarländern
• Untersuchung von Alterungsphänomenen durch Neutronenbestrahlung in Baumaterialien von Kernreaktoren
• Gewährleistung des Kompetenzerhalts in der nuklearen Sicherheitsforschung durch Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses