energieumwandlung - KIT - Zentrum Energie

Energie für morgen
Energieforschung am Karlsruher Institut für Technologie
KIT-ZENTRUM ENERGIE
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
1
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu

DAS KIT-ZENTRUM ENERGIE
In einem einzigen Blitz stecken durchschnittlich 250 kWh elektrische
Energie. Dies würde ausreichen, um einen Haushalt zwei bis drei
Wochen mit Strom zu versorgen. Die gesamte Energie der täglich auf
der Erde einschlagenden rund zehn Millionen Blitze lässt sich jedoch
kaum wirtschaftlich nutzen.
2
ENERGIE FÜR MORGEN
In naher Zukunft sind weltweit mehr als sieben Milliarden Menschen mit
Energie zu versorgen. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit der
Mission einer Universität des Landes Baden-Württemberg und eines natio-
nalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft stellt sich dieser
Herausforderung: Im KIT-Zentrum Energie erarbeiten Forscherinnen und
Forscher innovative Konzepte für eine sichere, wirtschaftliche und umwelt-
freundliche Energieversorgung.

Mission und Strategie
Das KIT-Zentrum Energie bildet mit 1100
Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eines
der größten Energieforschungszentren in
Europa. Es bündelt die Energieforschungsarbeiten
des KIT, dem Zusammenschluss
von Forschungszentrum Karlsruhe und
Universität Karlsruhe sowie namhafter
Kooperationspartner. Dabei überschreitet
es Fachgrenzen und vereint grundlegende
und angewandte Forschung zu allen relevanten
Energien für Industrie, Haushalt,
Dienstleistungen und Mobilität.
Technik- und naturwissenschaftliche, aber
auch wirtschafts-, geistes- und sozialwissenschaftliche
sowie rechtswissenschaftliche
Kompetenzen fließen im
KIT-Zentrum Energie zusammen, um
den Energiekreislauf ganzheitlich zu
betrachten und auch die gesellschaftlichen
Aspekte mit einzubeziehen. Die
KIT-Energieforschung berücksichtigt alle
Ansätze für eine sichere Energieversorgung.
Im Mittelpunkt steht die Entwicklung
eines Gesamtkonzepts für den
Energiemix der Zukunft.
Die Arbeit des KIT-Zentrums Energie
gliedert sich daher in sieben Topics:
Energieumwandlung
Erneuerbare Energien
Energiespeicherung und
Energieverteilung
Effiziente Energienutzung
Fusionstechnologie
Kernenergie und Sicherheit
Energiesystemanalyse
Wissensdreieck
KIT setzt wie die Europäische Union auf
das Wissensdreieck Forschung – Lehre –
Innovation. Die Nähe zur Spitzenforschung
macht eine Ausbildung am KIT höchst
attraktiv. Zugleich nutzt das KIT sein enormes
Innovationspotential als Kooperationspartner
der Wirtschaft, damit sich exzellente
Forschungsergebnisse zeitnah in
marktfähige Produkte umsetzen lassen.
Die Sonne ist die ursprüngliche Energiequelle für alle Lebensformen auf der Erde.
Organisation und
Kooperationen
Am KIT-Zentrum Energie sind mehr als
60 Institute des KIT-Campus Süd und
des KIT-Campus Nord beteiligt. Fachliche
Koordination und strategische Planung
obliegen einem wissenschaftlich geführten
Lenkungsgremium. Ein wissenschaftlicher
Beirat begleitet die strategische Weiterentwicklung
des Zentrums.
Die beteiligten Institute und Forschergruppen
führen ihre Arbeiten eigenverantwortlich
aus. Wissenschaftler wirken
interdisziplinär zusammen, verbinden
Themen miteinander und nutzen hochwertige
Geräte und Anlagen gemeinsam. So
entsteht eine neue Qualität von Forschung
und Lehre. Eine fächerübergreifende KIT
School of Energy bietet der Lehre ideale
Rahmenbedingungen. Für externe
Partner aus der Industrie erarbeitet
das KIT-Zentrum energietechnische
Lösungen aus einer Hand. Überdies
fungiert es als kompetenter
Ansprechpartner in Energiefragen
für Politik, Wirtschaft
und Gesellschaft.
Das KIT-Zentrum Energie arbeitet
eng mit anderen Universitäten und
Forschungseinrichtungen zusammen.
Zu den zahlreichen Kooperationspartnern
gehören die Universitäten Heidelberg und
Stuttgart sowie die Einrichtungen der
Helmholtz-Gemeinschaft, besonders
das Deutsche Zentrum für Luft- und
Raumfahrt (DLR), das Forschungszentrum
Jülich, das GeoForschungsZentrum
Potsdam und das Max-Planck-Institut für
Plasmaphysik in Garching. In Karlsruhe
angesiedelt ist das Europäische Institut
für Energieforschung (EIFER). KIC
InnoEnergy, eines von drei „Knowledge
and Innovation Communities“ (KICs)
des European Institute of Innovation and
Technology, hat seinen deutschen Sitz in
Karlsruhe unter Federführung des KIT. Das
Landesforschungszentrum für Geothermie,
das die Möglichkeiten einer sicheren
Nutzung der Tiefengeothermie erforscht,
ist ebenfalls an das KIT angegliedert.
3

TOPIC 1: ENERGIEUMWANDLUNG
Experiment zur Verbrennungsforschung: Ein Mitarbeiter des KIT-
Zentrums Energie untersucht die Wechselwirkungen zwischen Tropfen
und begrenzenden Wänden in Gasturbinen und Verbrennungsmotoren.
Die Particle Tracking Velocimetry, ein laseroptisches Messverfahren,
liefert Informationen über Geschwindigkeit und Verteilung der Tropfen.
4
FORSCHEN FÜR
VERBESSERTE
VERBRENNUNG
Energieumwandlung heißt, Energien aus natürlich vorkommenden
Energiequellen so umzuformen, dass sie sich für die gewünschten Zwecke
nutzen lassen. Das KIT-Zentrum Energie befasst sich mit der gesamten Kette
und mit sämtlichen Arten der Energieumwandlung. Übergeordnetes Ziel ist,
die Energieumwandlungsprozesse möglichst wirksam, wirtschaftlich und
umweltverträglich zu gestalten. Im Fokus der Forschung steht besonders die
Verbrennung.

Die künftige Energieversorgung verlangt
Energieumwandlungssysteme von hoher
Effizienz. Wichtige Kriterien sind Leis-
tungsdichte, Wirkungsgrad, Verfügbarkeit
und Versorgungssicherheit, Wirtschaftlichkeit,
Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit.
Die Forscherinnen und Forscher
am KIT untersuchen und bewerten die gesamte
Kette und sämtliche Arten der
Energieumwandlung. Im Fokus stehen
thermochemische Prozesse, das heißt vor
allem Verbrennungsvorgänge, aber auch
elektrochemische Prozesse in Brennstoffzellen
oder elektromechanische Vorgänge
in Generatoren.
Zwar wächst die Bedeutung von Energieumwandlungssystemen
auf der Basis von
Wasser-, Wind- und Sonnenenergie sowie
Geothermie. Höchste Priorität aber kommt
nach wie vor den Anlagen und Verfahren
zur thermochemischen Umwandlung von
Brennstoffen zu. Dies ist vor allem darauf
zurückzuführen, dass chemische Brennstoffe
sich speichern lassen und dadurch
bedarfs- und anforderungsgemäß in stationären
wie auch in mobilen Einrichtungen
und Geräten einzusetzen sind, besonders
um elektrische Energie bereitzustellen.
Zusätzlich besitzen chemische Brennstoffe
eine ausgesprochen hohe Energiedichte –
Energie pro Masseeinheit – was sich gera-
Laminare Vormischflamme: Brennstoff und
Oxidator sind vorgemischt; die Strömung ist
geordnet.
Wirkungsgrad
In einem abgeschlossenen System
bleibt die Gesamtenergie konstant.
Das heißt, Energie lässt sich
weder erzeugen noch vernichten.
Allerdings treten beim Wandeln
von Energie häufig Energieformen
auf, die sich für den betreffenden
Anwendungszweck nur schwer
nutzen lassen, beispielsweise die von
Elektrogeräten erzeugte Abwärme.
Je größer der nutzbare Anteil der
Energie, desto höher der Wirkungsgrad
der Energieumwandlung.
de bei mobilen Anwendungen vorteilhaft
auswirkt.
Demgemäß befasst sich das KIT-Zentrum
Energie im Topic „Energieumwandlung“
hauptsächlich mit neuartigen Brennstoffen
von geringem Kohlenstoffgehalt aus verschiedensten
Rohstoffen, mit Prozessen
zur thermochemischen Umwandlung sowie
mit darauf basierenden hoch entwickelten
technischen Systemen. In die
Betrachtung ist die gesamte Kette vom
Rohstoff über den Umwandlungsvorgang
bis hin zur Maschine einbezogen. Es gilt,
geeignete physikalisch-chemische Prozesse
zu konzipieren, zu analysieren und zu validieren.
Parallel dazu sind diagnostische
Methoden zu entwickeln, welche über die
bisher verfügbaren Methoden hinaus-
gehen und es ermöglichen, Prozesse für
Grundlagenexperimente wie auch auf
Komponenten-, Maschinen- oder
Systembasis detailliert zu untersuchen.
Auch geht es darum, analytische und numerische
Methoden und Modelle für alle
Stufen der Energieumwandlung auszuarbeiten.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissen-
schaftler am KIT untersuchen in unter-
schiedlichsten Forschungszusammenhängen
grundlegende Vorgänge, wie die
chemischen Reaktionen bei der Synthese
alternativer Brennstoffe und auch komplexere
Prozesse wie die thermochemische
Getreidestaub-Deflagration: Eine Deflagration
ist ein schneller Verbrennungsvorgang,
der im Unterschied zur Detonation unterhalb
der Schallgeschwindigkeit abläuft.
Energieform und
Energieumwandlung
Energie kommt in verschiedenen
Formen vor, etwa als chemische
Energie, thermische Energie (Wärme)
oder mechanische Energie, und lässt
sich von einer Form in eine andere
umwandeln. Energie aus natürlich
vorkommenden Energiequellen
wie fossile Brennstoffe, Biomasse,
Wasserkraft, Kernenergie oder Geothermie
werden dadurch zu Energieformen
wie Elektrizität, Energieträgern
wie Druckluft oder Wasserstoff
und zu den vom Verbraucher benötigten
Endenergien.
Umsetzung solcher Brennstoffe mit innovativen
Technologien. Ebenso befassen sie
sich mit Möglichkeiten, die Zuverlässigkeit
und Lebensdauer von Maschinen zu erhöhen,
etwa thermisch hoch belastete
Komponenten aus extrem temperaturbeständigen
Materialien zu fertigen und
für angemessene Kühlung zu sorgen. Da
die dabei entwickelten Werkzeuge und
Verfahren interdisziplinär anwendbar sind,
lassen sie sich auf andere Bereiche übertragen
und für Querschnittsaufgaben nutzen.
5

TOPIC 1: ENERGIEUMWANDLUNG
Neuartige Brennstoffe
Die Energieversorgung beruht in Zukunft,
obwohl Solarenergie und andere alternative
Energiequellen leichter verfügbar werden,
weiterhin wesentlich auf chemischen
Brennstoffen. Diese können wie in der
Vergangenheit aus fossilen Quellen
stammen oder aber aus verschiedenen
Biomassen gewonnen werden. Eine Son-
derstellung nimmt Wasserstoff ein. Grundsätzlich
geht es darum, fossile Brennstoffe
einzusparen, neue Rohstoffe mit differierenden
Eigenschaften zu verarbeiten,
den Ausstoß von Kohlendioxid (CO 2 )
zu reduzieren, künftige Standards für
Brennstoffe zu erfüllen sowie innovative
Energieumwandlungstechniken anzuwenden.
Diese vielfältigen Herausforderungen
legen es nahe, neuartige chemische
Brennstoffe maßzuschneidern.
Die Karlsruher Forscher entwickeln die
Grundlagen, um solche neuartigen chemischen
Brennstoffe zu konzipieren
und herzustellen. Besonders berücksichtigen
sie dabei Zusammensetzung
und Eigenschaften der Rohstoffe sowie
Möglichkeiten, die CO 2 -Emissionen zu verringern.
6
Verbrennung
Die Verbrennung ist eine chemische Reaktion: Ein fester, flüssiger oder gasförmiger
(Brenn-)Stoff reagiert mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff.
Dabei geht der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel eine Verbindung ein. Diese
chemische Reaktion setzt Wärme frei. Damit die Verbrennungsreaktion einsetzt, ist
eine bestimmte Temperatur erforderlich. Ist diese Entzündungstemperatur erreicht,
läuft die Verbrennung ohne weitere Energiezufuhr von außen ab und liefert Wärme.
Verbrennung ist die älteste Technik der Menschheit überhaupt. Heute beruht die
weltweite Energieversorgung zu rund 90 Prozent auf Energie aus Verbrennungsvorgängen.
Die Verbrennung ist demnach die chemische Reaktion mit dem größten
Anwendungsbereich und die Reaktion, bei der die größten Stoff- und Energieumsätze
stattfinden.
Thermochemische und
elektrochemische Prozesse
Ob Prozessenergie, Gas- und Dampfturbinen
oder Verbrennungsmotoren – viele
wichtige Anwendungen und Anlagen zur
Energieumwandlung erfordern per se
thermische Energie auf hohem Temperatur-
und Druckniveau. Zukünftige Transportsysteme
am Boden und in der Luft
werden hohe spezifische Leistungen auf-
weisen müssen. Um angemessene Reichweiten
sicherzustellen, bedarf es entspre-
chender Brennstoffe mit großer Energiedichte.
Demnach ist und bleibt die Verbrennung
von chemischen Brennstoffen
grundlegend für zukunftsfähige und nachhaltige
Energieumwandlungskonzepte.
Innovative Technologien zur Verbrennung
müssen darauf ausgerichtet sein, mit begrenzten
Ressourcen umzugehen, alternative
Brennstoffe zu nutzen und verschie-
dene thermochemische Prozesse zu koppeln,
um Energie freizusetzen. Aus diesen
Herausforderungen folgen aktuelle Ziele
der Forschung: Verbrennungsvorgänge für
Laser-Doppler-Anemometrie: Dabei handelt es sich um ein berührungsloses optisches Messverfahren, mit dem sich Geschwindigkeitskomponenten
von Strömungen messen lassen. Die Aufnahme zeigt die Analyse des Strömungsfelds einer transsonischen (schallnahen) Turbinenstufe.

technische Systeme mit erheblich gesteigertem
Wirkungsgrad, Verbrennung von
speziell entworfenen kohlenstofffreien
oder CO 2 -neutralen neuen Brennstoffen
sowie miteinander gekoppelte Kombinationen
von chemischer Stoffumwandlung
und Energieumwandlung.
Bei der Nutzung chemischer Brennstoffe
entstehen neben Kohlendioxid weitere
Schadstoffe wie Kohlenmonoxid und
unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide
und Partikel. Ihre Menge lässt sich
mit neuartigen Konzepten deutlich reduzieren.
Dabei muss jedoch stets eine stabile
Verbrennung gewährleistet sein: In Gas-
turbinen und Flugtriebwerken beispielsweise
ist es unbedingt erforderlich, störende
Instabilitäten wie Verlöschen und Flam-
menschwingungen zu vermeiden und
durch eine kontrollierte Gemischaufberei-
tung bauteilschädigende Erscheinungen
wie Flammenrückschlag und Selbstzün-
dung auszuschließen. Bei Verbrennungsprozessen
in Wärmekraftmaschinen geht
es darum, den Wärmeverlust durch Strah-
lung zu minimieren, bei Feuerungssystemen
von Kesseln hingegen gilt es, den
Strahlungswärmeübergang zu intensivieren.
Chemische Energie lässt sich auch direkt in
elektrische Energie umwandeln. Dies geschieht
durch so genannte galvanische
Elemente, beispielsweise in Batterien und
Akkumulatoren. Auch Brennstoffzellen
sind galvanische Elemente: Sie wandeln
die chemische Energie eines laufend zuge-
führten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels
in elektrische Energie um. Damit
erübrigt sich der bei konventionellen
Kraftwerken erforderliche Umweg über
thermische und mechanische Energie. So
ist der thermodynamische Wirkungsgrad
größer, der bei Turbinen und Verbrennungsmotoren
eine grundsätzliche
Beschränkung darstellt. Die Brennstoffzelle
ist demnach potenziell effizienter. Die For-
scher am KIT-Zentrum Energie befassen
sich vor allem mit der Hochtemperatur-
Festelektrolyt-Brennstoffzelle SOFC. Um
die Leistungsdichte weiter zu steigern, entwickeln
sie unter anderem hochleistungsfähige
Elektrodenstrukturen und untersu-
chen den Betrieb von SOFC unter schnell
veränderlichen elektrischen Belastungen,
wie sie bei den meisten Anwendungen
auftreten.
Technische Systeme
Innovative technische Systeme und Maschinen,
die auf Verbrennungsprozessen basieren,
müssen auf die von ihnen umgesetzten
neuen Brennstoffe und neuartigen
Konzepte abgestimmt sein. Andererseits
sind die spezifischen Eigenschaften der
Systeme und Maschinen bei der Entwick-
lung von Brennstoffen und Verbrennungs-
konzepten zu berücksichtigen. Daher greifen
die verschiedenen Forschungsfelder
vielfach ineinander.
Gasturbinen und Verbrennungsmotoren
Die Forschung am KIT-Zentrum Energie
befasst sich vor allem mit wegweisenden
Ansätzen für Gasturbinen und Verbrennungsmotoren.
Gasturbinen wirken wesentlich bei der
Energieumwandlung in stationären
Systemen und bei der Bereitstellung elektrischer
Energie in Einzel- oder Kombi-
prozessen mit. Bei Kombiprozessen sind
bis jetzt thermische Wirkungsgrade von bis
zu 60 Prozent erreicht worden. Die kommerzielle
Luftfahrt setzt ausschließlich
Gasturbinen in Form von Turbofan- oder
Turboproptriebwerken als Antriebssysteme
ein.
Die zu den Kolbenmaschinen zählenden
Verbrennungsmotoren werden gegenwärtig
als Dieselmotor/Selbstzünder oder
Ottomotor/Fremdzünder konzipiert. Sie
treiben sämtliche straßengebundenen
Fahrzeuge, alle nichtelektrischen schienen-
gebundenen Fahrzeuge sowie die meisten
Schiffe an. Darüber hinaus werden sie zur
dezentralen Stromversorgung in kleinerem
Leistungsbereich eingesetzt. Das KIT-
Zentrum Energie entwickelt sowohl für
Diesel- als auch für Ottomotoren neue
schadstoffarme und verbrauchsoptimierte
Thermalanalyse des Kühlsystems einer
Turbinenstufe: Das von einer Infrarotkamera
aufgenommene Wärmebild zeigt die mit zunehmender
Lauflänge abnehmende Effektivität
einer Reihe von Kühlbohrungen.
Ein Mitarbeiter des KIT-Zentrums Energie
untersucht die Schadstoffbildung in teilweise
vorgemischten Sprayflammen.
Brennverfahren mit Kraftstoffen aus fossilen
sowie aus erneuerbaren Energien. Dabei
setzen die Wissenschaftler modernste
Simulationswerkzeuge, Abgas- und Indiziermesstechnik
sowie zahlreiche optische
und laseroptische Methoden ein und
arbeiten an einer Reihe von Motorenprüfständen.
Zudem untersuchen sie innovative
Aufladekonzepte, um bei Diesel- und
Ottomotoren die Leistung zu steigern, den
Wirkungsgrad zu erhöhen und den Schadstoffausstoß
zu verringern. Das Spektrum
der Projekte reicht von der Grundlagenforschung
bis hin zu Arbeiten an seriennahen
Aggregaten in enger Kooperation
mit Automobilherstellern und Zulieferern.
7

TOPIC 1: ENERGIEUMWANDLUNG
Inzwischen haben sowohl Gasturbinen
als auch Verbrennungsmotoren, was
ihre Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit
und Umweltverträglichkeit betrifft, einen
hohen Entwicklungsstand erreicht.
Um ihre Effektivität noch weiter zu steigern,
verfolgen die Wissenschaftler am
KIT-Zentrum Energie sowohl evolutionäre
als auch revolutionäre Ansätze.
Auf evolutionärem Weg versprechen
neue Materialien, die Verringerung von
Strömungs- und Wärmeverlusten, die weitere
Anhebung der Systemdrücke und
Systemtemperaturen sowie verbesserte
Kühlverfahren beachtliche Fortschritte.
Diese Maßnahmen werden aber erst durch
den Einsatz von innovativen Messtechniken
und verbesserten numerischen Werk-
zeugen sowie durch die konsequente
Ausschöpfung des Potenzials neuartiger
Fertigungsverfahren möglich. In neue Rich-
tungen weisen schadstoffarme Brenn-
kammern für zukünftige Flugtriebwerke,
Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung
und homogener Selbstzündung,
innovative Kraftwerksprozesse sowie
Systeme der Kraft-Wärme- und Kraft-
Wärme-Kälte-Kopplung.
Brennstoffzellen
Auch Brennstoffzellen-Systeme und ihre
Komponenten sind Gegenstand der
Forschung im KIT-Zentrum Energie. Dabei
geht es vor allem darum, die Zuverlässig-
keit und Lebensdauer zu erhöhen, um
diese Technologie konkurrenzfähig zu
machen. Ein Schwerpunkt liegt auf der
keramischen Hochtemperatur-Brennstoff-
Im Brennstoffzellentestlabor: Unter-
suchung eines Brennstoffzellen-Stacks.
8
Test von Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) in Prüfständen des Instituts für Werkstoffe
der Elektrotechnik: Diese Prüfstände ermöglichen die Untersuchung von Brennstoffzellen auf
Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer.
zelle SOFC. Diese besitzt großes Potenzial
für stationäre – und mobile – Anwendungen,
wie Prototypen verschiedener
Leistungsklassen und Baukonzepte seit
Ende der 1990er Jahre gezeigt haben.
Der elektrische Wirkungsgrad kann deutlich
über dem von konventionellen Ener-
gieerzeugungsanlagen liegen. Jedoch ist
wegen der hohen Anforderungen an der-
artige Systeme noch erhebliche Entwicklungsarbeit
zu leisten, so dass in den kommenden
zehn Jahren noch nicht mit einer
Markteinführung zu rechnen ist. Die For-
schung fokussiert unterdessen auf Kompo-
nenten für Brennstoffzellen-Stacks, das
heißt Stapel von hintereinander geschalteten
Brennstoffzellen, sowie zunehmend
Brennstoffzelle
auch auf Methoden, Alterungsprozesse zu
identifizieren und die Lebensdauer zu ermitteln.
Im Einzelnen entwickeln die Forscher am
KIT neue funktionskeramische Materialien
und Verbundstrukturen. Dabei setzen sie
einerseits bewährte keramische Verfah-
ren zur Synthese der Ausgangsstoffe ein,
andererseits aber auch Dickschicht-
technologien wie Folienziehtechnik und
Siebdruck, Dünnschichttechnologien und
spezielle Sintertechnologien. Die Eigen-
schaften der Werkstoffe und Einzelzellen
werden experimentell charakterisiert und
parallel dazu mathematisch modelliert und
rechnergestützt simuliert.
Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Elektrolytmembran voneinander
getrennt sind. Sie wandelt die chemische Energie eines Brennstoffs direkt
in elektrische Energie um.
Unter den verschiedenen Brennstoffzellen gilt die Hochtemperatur-Festelektrolyt-
Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC) als besonders flexibel: Dank der hohen
Betriebstemperaturen lassen sich neben dem klassischen Brenngas Wasserstoff
auch andere Energieträger wie Erdgas, Flüssiggas, Benzin oder Diesel einsetzen.

Das KIT-Zentrum Energie beteiligt sich auch
an der Entwicklung von Hilfstriebwerken
(Auxiliary Power Units – APU) mit SOFC
für Fahrzeuge. Ein mit Diesel betriebenes
Brennstoffzellen-System soll statt der
Lichtmaschine die elektrischen Geräte an
Bord mit Energie versorgen.
Querschnittsaufgaben und
Infrastruktur
Das KIT-Zentrum Energie vereint die um-
fassenden Kompetenzen, Ressourcen und
Infrastrukturen, welche das Forschungszentrum
und die Universität Karlsruhe für
ihre jeweilige Energieforschung aufgebaut
haben. Die Bündelung eröffnet neue
Perspektiven international herausragender
Forschung und neue Chancen, die Thematik
ganzheitlich anzugehen, um die meistversprechenden
Optionen für die Energieversorgung
der Zukunft zu identifizieren.
Eine weltweit einzigartige Zusammenstellung
von großen Pilotanlagen auf dem
KIT-Campus Nord dient unter anderem
dazu, verschiedene Brennstoffe zu charakterisieren
und die energetische Verwertung
von Ersatzbrennstoffen, etwa aus biogenen
Abfällen, zu optimieren. Dabei untersuchen
die Wissenschaftler Prozessleittechnik
und Korrosion, die Anpassung an unterschiedliche
Materialströme, die Hochtemperatur-Hochdruck-Gasreinigung
sowie
das Entstehen, Verhalten und Filtern von
Feinstpartikeln. Eine Hochdruck-Hochtemperatur-Anlage
auf dem Campus Süd gestattet
es, Gemischaufbereitung und Verbrennung
flüssiger und gasförmiger
Brennstoffe unter gasturbinentypischen
Bedingungen zu untersuchen. Die Versuchseinrichtungen
in den einzelnen am
KIT-Zentrum Energie beteiligten
Instituten sind mit umfangreicher Mess-
und Diagnosetechnik, die großenteils
auf berührungslosen (laser-) optischen
Verfahren beruht, sowie mit dezentralen
Rechenanlagen ausgestattet.
Die Struktur des KIT-Zentrums Energie unterstützt
den Transfer von Grundlagenforschung
zu angewandter Forschung.
Eine Verbindung ist aber auch in umgekehrter
Richtung gewährleistet, denn
Herausforderungen auf der System-,
Maschinen- und Komponentenebene ziehen
wiederum neue Grundlagenuntersuchungen
nach sich. Im Arbeitsbereich
„Energieumwandlung“ wie in allen weiteren
Topics bilden die Querschnittsaufgaben
Messtechnik sowie Modellierung und
Simulation wichtige Klammern zwischen
Grundlagenforschung und angewandter
Forschung. Zugleich verbinden Messtechnik,
Modellierung und Simulation als
Querschnittsaufgaben die einzelnen Topics
im KIT-Zentrum Energie miteinander.
Partnerschaften und
Kooperationen
Die Verbindung von universitärer Grundlagenforschung
und großskalig angelegten
Untersuchungen in einem Forschungszentrum
gewährleistet auch einen effektiven
Transfer von Innovationen in die Energieindustrie.
So sind intensive Kooperationen
mit den Unternehmen Energie Baden-
Württemberg AG (EnBW) und der
Electricité de France (EDF) gewachsen. Die
EDF ist über das European Institute for
Energy Research (EIfER) mit dem KIT verbunden.
Von besonderer Bedeutung sind
auch langfristige Kooperationen mit der
Mineralölraffinerie Oberrhein (MiRO).
Gemeinsam mit zahlreichen Herstellern
von Gasturbinen, Verbrennungsmotoren
und Antriebssystemen, wie Siemens Power
Generation, Alstom, Rolls-Royce, MTU,
Avio, Volvo, SNECMA, Daimler, VW und
Bosch, arbeitet das KIT-Zentrum Energie an
Verbrennungskonzepten und anderen
Technologien zur Energieumwandlung.
In der Gasturbinenforschung besteht an
der Universität Karlsruhe seit 2007 eines
von weltweit 29 Rolls-Royce University
Technology Centres (UTC).
Die Forschung im KIT-Zentrum Energie
läuft in der Regel in zahlreichen größeren
Verbundforschungsvorhaben zur Energieumwandlung.
Genannt seien an dieser
Stelle exemplarisch der DFG-Sonderforschungsbereich
SFB 606 „Instationäre
Verbrennung“ und das von den Landesregierungen
Baden-Württemberg und
Bayern finanzierte Projekt „Kraftwerke
des 21. Jahrhunderts“ (KW 21). Weitere
Projekte sind das vom Bundeswirtschaftsministerium
finanzierte Programm „CO 2 -
Reduktionstechnologien/CO 2 -Reduktion
durch Effizienzsteigerung“ (COOREFF/
COORETEC), die Arbeitsge-meinschaft
„Hochtemperaturgasturbine“ (AG Turbo)
sowie zahlreiche Vorhaben innerhalb
des 6. und 7. Rahmenprogramms der
Europäischen Union. An solchen Verbundforschungsvorhaben
sind die Institute auf
dem Campus Süd und dem Campus Nord
des KIT federführend beteiligt.
Gemischbildung in direkt einspritzenden Ottomotoren: Aufprall einer Kette von Tropfen mit
exakt gleichem Durchmesser auf eine heiße Wand.
9

TOPIC 2: ERNEUERBARE ENERGIEN
Mit der bioliq ® -Pilotanlage auf dem Campus Nord des
KIT lassen sich hochwertige chemische Energieträger
gewinnen.
10
KLUGE KOMBINATIONEN
SICHERN NACHHALTIGKEIT
Die Forschung am KIT befasst sich mit sämtlichen erneuerbaren Energien.
Dabei liegt der Fokus auf den grundlastfähigen Energieträgern Biomasse
und Geothermie. Die Karlsruher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
sehen die Zukunft der Energieversorgung darüber hinaus in Hybridkraft-
werken, die aus verschiedenen Energieträgern elektrische und thermische
Leistung bereitstellen.

Erneuerbare Energien stammen aus nach
menschlichen Maßstäben unerschöpflichen
Quellen. So wird die Sonne, welche
die Quelle der solaren und der meisten
anderen erneuerbaren Energien bildet,
noch Milliarden von Jahren scheinen. –
Die Bezeichnung „erneuerbar“ ist dennoch
nicht ganz zutreffend, da Energie
sich genau genommen weder verbrauchen
noch erneuern lässt: Nach
dem Energieerhaltungssatz bleibt die
Gesamtenergie eines in sich abgeschlossenen
Systems konstant. Erneuerbare
Energien nutzen heißt demnach, natürliche
Energieströme teilweise umzuleiten
und für den Menschen verwendbar zu
machen.
Fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl und
Erdgas sind innerhalb von menschlichen
Zeiträumen nur noch begrenzt verfügbar.
Auch machen sie Deutschland von Importen
abhängig. Ihre Nutzung ist überdies
mit erheblichen CO 2 -Emissionen verbunden
und trägt dadurch zur globalen
Erwärmung bei. Daher ist geplant, den
Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland
und auch weltweit auszubauen.
Erneuerbare Energien, auch als regenerative
Energien bezeichnet, sparen
Ressourcen und schonen das Klima.
Manche von ihnen sind allerdings nicht
gleichmäßig verfügbar, sondern je nach
Tages- und Jahreszeit und Region beträchtlichen
Schwankungen unterworfen:
Die Sonne scheint nicht immer, Wind
weht nicht regelmäßig. Uneingeschränkt
grundlastfähig, das heißt kontinuierliche
Versorgung gewährleistend, sind
die regenerativen Energien Biomasse und
Geothermie.
Energie aus Biomasse
Biomasse setzt bei ihrer Verbrennung effektiv
nur so viel CO 2 frei, wie die Pflanze
beim Wachstum aus der Atmosphäre aufgenommen
hat. Daher fällt die CO 2 -
Bilanz günstiger aus als bei fossilen
Energieträgern. In weiten Teilen der Welt
dient Biomasse noch heute als Brennstoff
zum Heizen und Kochen. Dieser ineffizi-
Biomasse
Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie. Sie entsteht durch Photosynthese:
Mithilfe von Farbstoffen absorbieren Pflanzen die Lichtenergie, überführen sie in
chemische Energie und synthetisieren daraus organische Stoffe. Tiere nehmen von
Pflanzen aufgebaute Biomasse mit der Nahrung auf.
Biomasse ist ein nachwachsender Rohstoff, lagerfähig, transportierbar und vielfältig
nutzbar: als Nahrungsmittel oder Futtermittel, als Energieträger, als chemischer
Grundstoff, Werkstoff oder Wirkstoff.
Fossile Ressourcen lassen sich ersetzen durch Biomasse über:
direkte energetische Verwertung in Verbrennungs- und Kraftwerksanlagen, um
Strom und Wärme zu gewinnen
indirekte energetische Verwertung durch Umwandlung in chemische Energieträger
wie Kraftstoff, Biogas, Wasserstoff
stoffliche Verwertung, um chemische Grundstoffe, Werkstoffe, Spezialchemikalien
oder Wirkstoffe beispielsweise für Arzneimittel zu gewinnen
Das KIT-Zentrum Energie befasst sich mit der energetischen Verwertung von Bio-
masse vor allem auf dem indirekten Weg über chemische Energieträger.
Rapsschrot Pappe Ölpalme: Schalen Bambus
Ölpalme: Fasern Heu Miscanthus
Stroh
Gespeicherte Sonnenenergie: Biomasse lässt sich lagern, transportieren und vielfältig nutzen.
enten traditionellen Nutzung stehen moderne
Technologien zur Verwertung von
Biomasse gegenüber. Neue Perspektiven
eröffnen sich darüber hinaus durch die
Erzeugung von Wasserstoff aus grüner
Biomasse sowie durch die Erschließung
neuer Biomassequellen – beispielsweise
Algen.
Die Forscherinnen und Forscher am KIT
betrachten Biomasse und andere erneuerbare
Energien stets im Kontext globaler,
ganzheitlicher und nachhaltig wir-
kender Konzepte. Solche Konzepte sind
für die Ernährung ebenso erforderlich wie
für die Energieversorgung. Bei den im KIT-
Zentrum Energie erarbeiteten Strategien
zur Nutzung von Biomasse stehen ökologische
und ethische Aspekte ganz
obenan: Es darf keine Konkurrenz zur
Nahrungsmittelerzeugung entstehen. Eine
Bedrohung der Biodiversität, beispielsweise
durch Rodungen oder Monokulturen,
ist zu vermeiden. Auch geht es darum,
Auswirkungen auf Boden-, Luft- und
Wasserhaushalt zu minimieren.
11

TOPIC 2: ERNEUERBARE ENERGIEN
Sprit aus Stroh
Das KIT setzt auf Biokraftstoffe der zweiten
Generation. Diese werden nach dem
BtL-Prinzip (Biomass to Liquid – Biomasse
zu Flüssigkeit) aus Reststoffen wie Stroh
und Holzabfällen hergestellt. Solche
Reststoffe eignen sich weder als Nahrungs-
oder Futtermittel, noch beanspruchen sie
zusätzliche Anbauflächen. Auch bringen
sie nicht die ökologischen Nachteile von
Monokulturen mit sich. Allerdings besitzen
sie nur eine geringe Energiedichte, so
dass sie sich nicht wirtschaftlich über weite
Strecken transportieren lassen.
Daher gehen die Wissenschaftler des KIT
gemeinsam mit der Lurgi GmbH neue
Wege: Das mehrstufige bioliq ® -Verfahren
wird dem verteilten Aufkommen und der
geringen Energiedichte von land- und
forstwirtschaftlichen Reststoffen gerecht
und zielt darauf ab, Biokraftstoffe großtechnisch
und wirtschaftlich zu produzieren.
Mit dem bioliq ® -Konzept lassen
sich aus Biomasse vollsynthetische Diesel-
und Ottokraftstoffe gewinnen, die herkömmliche
Biotreibstoffe und sogar die
Mineralölprodukte in der Qualität weit
übertreffen.
Nach Einschätzung der Fachagentur
Nachwachsende Rohstoffe (FNR), die das
Karlsruher Projekt fördert, könnten die
12
vollsynthetischen Kraftstoffe bereits
2015 rund 15 Prozent des Kraftstoffbedarfs
in Deutschland decken.
Der erste Schritt des bioliq ® -Prozesses, die
Schnellpyrolyse, geschieht innerhalb
landwirtschaftlicher Infrastrukturen: Die
Biomasse wird in dezentralen Anlagen –
das heißt da, wo sie anfällt – zu einem
Zwischenprodukt von hoher Energiedichte
verarbeitet, das sich wiederum wirtschaft-
lich über weite Strecken transportieren
lässt. Haupteinsatzstoffe sind Getreidestroh,
Heu, Restholz, Baumschnitt und
Rinde, aber auch Papier und Pappe. Bei
der Schnellpyrolyse wird die zerkleinerte
Biomasse in einem Doppelschnecken-
Reaktor mit heißem Sand auf rund
500 °C aufgeheizt und reagiert unter
Luftabschluss innerhalb von Sekunden zu
Gasen und Koks. Nach der Abkühlung
kondensieren die Gase größtenteils zu
Flüssigkeiten; der Koks wird darin eingemischt.
So entsteht bioliq ® SynCrude, ein
technisch gut handhabbares und transportfähiges
Produkt. Die Energiedichte
dieses Bio-Slurry liegt 13 bis 15 mal höher
als die von Stroh.
Das Zwischenprodukt bioliq ® SynCrude
lässt sich in zentralen Großanlagen weiterverarbeiten:
Zusammen mit Sauerstoff
wird der Bio-Slurry bei Drücken bis zu 80
bar einem Hochdruck-Flugstromvergaser
zugeführt und bei Temperaturen über
1200 °C zu einem Synthesegas aus
Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt.
Dieses Synthesegas ist als
Zwischenprodukt vielseitig nutzbar: Außer
Kraftstoff lassen sich auch Wasserstoff,
Methan und verschiedene chemische
Grundstoffe daraus herstellen. Die
Weiterverarbeitung des gereinigten und
konditionierten Synthesegases erfolgt
über die Fischer-Tropsch-Synthese oder die
Methanol-Synthese.
Wasserstoff aus Biomasse
Blick in die bioliq ® -Pilotanlage: Die Herstellung von Sprit aus Stroh oder Holzabfällen erfolgt in mehreren Schritten.
Wasserstoff ist keine Energiequelle, eignet
sich jedoch gut als chemischer
Energiespeicher. Da reiner Wasserstoff
in der Natur praktisch nicht vorkommt,
muss er technisch immer unter Zufuhr
von Energie, vorzugsweise aus erneuerbaren
Energiequellen, hergestellt werden.
Im KIT-Zentrum Energie gewinnen
Wissenschaftler in der Versuchsanlage
VERENA Wasserstoff durch hydrothermale
Vergasung nasser Biomasse.
Ausgangsstoffe sind beispielsweise Rückstände
aus der Landwirtschaft oder der
Lebensmittelindustrie. Bei Temperaturen
bis zu 700 °C und Drücken bis zu 300 bar
entstehen daraus Wasserstoff, Methan
und Kohlendioxid.

VERENA: In dieser Versuchsanlage entsteht Wasserstoff aus nasser Biomasse.
Mit der geplanten Anlage VERENA 2
wollen die Karlsruher Wissenschaftler die
Methode weiterentwickeln und ihre international
herausragende Position in diesem
Bereich ausbauen. Ziele sind, statt eines
Gasgemischs reinen Wasserstoff zu erzeugen,
den Maßstab zu vergrößern und die
Methode mit anderen Prozessen zu kombinieren.
So lässt sich Wasserstoff zusammen
mit dem Produkt des bioliq ® -Verfahrens in
die Herstellung synthetischer Kraftstoffe
einbinden.
Wasserstoff lässt sich auch aus Algen herstellen:
Auf dem KIT-Campus Süd arbeiten
Bioverfahrenstechniker an Bioreaktoren, in
denen die einzellige Alge Chlamydomonas
reinhardtii selbstständig Wasserstoff produzieren
soll. Die Forscher entziehen der
Grünalge Schwefel, so dass die Photosynthese
stockt. Da die Pflanze aber die durch
das Licht auf sie einwirkende Energie
irgendwie verarbeiten muss, aktiviert sie
spezielle Enzyme, die dann Wasserstoff
bilden. An einem Drei-Liter-Laborreaktor
prüfen die Wissenschaftler verschiedene
Parameter. Demnächst wollen sie einen
30-Liter-Bioreaktor bauen. Und spätestens
2010 soll ein 250-Liter-Reaktor im Freiland
in Betrieb gehen – als Prototyp einer großtechnischen
Anlage zur wirtschaftlichen
Wasserstoffherstellung.
Neben der Herstellung von Wasserstoff befasst
sich das KIT-Zentrum Energie mit fortschrittlichen
Verfahren zur Speicherung,
zum Transport und zur Sicherheit von
Wasserstoff. Experimente in einer Großversuchsanlage
auf dem KIT-Campus Nord
und computergestützte Simulationen tragen
dazu bei, sichere Lösungen für den
Umgang mit dem Energieträger Wasserstoff
zu entwickeln.
Geothermie – Wärme aus der
Erde
In der Erde schlummern unvorstellbare
Energiemengen. Allein die in den oberen
drei Kilometern der Erdkruste gespeicherte
Wärme reicht theoretisch aus, um den derzeitigen
weltweiten Energiebedarf für
100 000 Jahre zu decken. Damit ist die
Geothermie nach menschlichen Maßstäben
fast unbegrenzt. Sie eignet sich für
den dezentralen Einsatz, ihre Nutzung beansprucht
wenig Fläche und verursacht
fast keine Emissionen. Als eine der wenigen
grundlastfähigen regenerativen
Energien könnte die Geothermie entscheidend
zum Energiemix der Zukunft beitragen,
wenn die Technologien weiterentwickelt
werden. Unter günstigen geologischen
Bedingungen mit hohem
Temperaturniveau, wie sie in den Grabenbruchsystemen
oder Vulkanzonen die-
Wasserstoffversuchszentrum am KIT.
ser Erde vorzufinden sind, übernimmt die
Geothermie bereits einen spürbaren Anteil
an der Energieversorgung. Erfolgreiche
Geothermienutzung findet sich beispielsweise
in Island, Indonesien, Kalifornien
oder Italien.
Beste Bedingungen in Karlsruhe
Die Region Karlsruhe verfügt dank der
Lage im Oberrheingraben ebenfalls über
günstige geothermische Bedingungen:
In einer relativ geringen Tiefe von knapp
3000 Metern liegt hier die Temperatur
schon bei 160 °C.
Dank dieser vorteilhaften geologischen
Lage einerseits und hoher wissenschaftlich-technologischer
Kompetenz andererseits
besitzt Karlsruhe das Potenzial, zu
einem Zentrum der Geothermieforschung
und Geothermienutzung zu werden. Für
die kommenden Jahre ist vorgesehen,
Forschung und Entwicklung in der tiefen
Geothermie zur kombinierten Strom- und
Wärmenutzung weiter voranzutreiben.
Gemeinsam mit mehreren Partnern in der
Region trägt das KIT das neu gegründete
„Geothermie-Zentrum Karlsruhe e. V.“,
welches als Kommunikationsplattform für
Wissenschaft und Wirtschaft, Politik und
Bevölkerung fungiert und den Technologietransfer
beschleunigen soll. An diesem
Netzwerk sind Kommunen, Verbände,
Wirtschaftsunternehmen wie auch
Forschungseinrichtungen beteiligt. Zudem
beabsichtigt das Land Baden-Württemberg,
den Sitz des geplanten Landesforschungszentrums
Geothermie nach
Karlsruhe zu legen. Dieses soll in enger Zu-
13

TOPIC 2: ERNEUERBARE ENERGIEN
sammenarbeit des KIT mit der Universität
Freiburg und anderen Wissenschaftseinrichtungen
die geothermischen
Arbeiten koordinieren und Forschungsergebnisse
zusammenführen.
Das KIT-Zentrum Energie kooperiert in der
Geothermieforschung außerdem intensiv
mit dem Geoforschungszentrum Potsdam,
dem geologischen Landesamt Baden-
Württemberg sowie einschlägigen Industrieunternehmen.
Schwerpunkte der
Forschung sind Energiewandlung zum
Heizen und Kühlen, Stromerzeugung im
Rahmen der verfügbaren Temperatur,
Kraftwerktechnik, Kraft-Wärme-Kopplung
und Kraft-Kälte-Kopplung, Anlagentechnik,
Sicherheit und Energiespeicherung sowie
die ökonomische und ökologische
Bewertung der Geothermienutzung.
Eine Frage der Tiefe
Zur Nutzung der tiefen Geothermie existieren
verschiedene technische Konzepte,
die sich in Entwicklungsstand, standortbedingter
Einsetzbarkeit und Potenzial unterscheiden.
14
Geothermie
Geothermie ist Wärme, die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeichert ist. Sie
stammt zum Teil von der Restwärme aus der Erdentstehungszeit, zum Teil aus radioaktiven
Zerfallsprozessen in der Erdkruste. Ganz nah an der Oberfläche kommen
Wärmeanteile durch Sonneneinstrahlung und Kontakt mit der Luft dazu.
Im Durchschnitt wird die Erdkruste in der Tiefe alle 33 Meter um 1 °C wärmer.
Durch Wärmeleitung und Konvektion gelangt die Wärme aus tieferen Teilen der
Erde in für die Nutzung erreichbare Tiefen. Die Nutzung der Erdwärme gliedert sich
in:
oberflächennahe Geothermie, bei der die Wärme der obersten Bodenschichten
zwischen einigen Metern und wenigen hundert Metern Tiefe mit Erdwärmesonden
oder Erdwärmekollektoren sowie Wärmepumpen direkt zum Heizen und
Kühlen verwendet wird; der Boden lässt sich unterdessen saisonal wechselnd als
Kälte- und Wärmespeicher nutzen
tiefe Geothermie, für die in der Regel 3000 bis mehr als 5000 Meter tiefe
Bohrungen erforderlich sind; die dort vorgefundene Wärme von deutlich über
100 °C – optimal weit über 300 °C – lässt sich nicht nur direkt als Wärme, sondern
auch zur Stromerzeugung nutzen.
Das KIT-Zentrum Energie befasst sich schwerpunktmäßig mit der tiefen Geothermie.
An besondere geologische Voraussetzungen,
nämlich natürliche heiße Grundwasserleiter,
ist die Hydrogeothermie gebunden.
Wie bei einer Brunnenbohrung
wird aus 2000 bis 4000 Metern Tiefe
bis zu 140 °C heißes Wasser gefördert.
Hydrogeothermie eignet sich für Nah- und
Fernwärme sowie zur Verstromung. Ein
hydrogeothermales Versuchskraftwerk entsteht
bereits in Bruchsal bei Karlsruhe. Mit
einer Leistung von 550 Kilowatt soll es
Strom für rund 1000 Haushalte erzeugen.
Auch auf dem KIT-Campus Nord ist ein
Geothermie-Kraftwerk geplant.
Noch im Versuchsstadium ist das Hot Dry
Rock (HDR)-Konzept, bei dem in einem
5000 Meter tief liegenden, 200 °C heißen
trockenen Gestein eine Art künstlicher
Wärmetauscher erzeugt wird. Dazu wird
in tiefen Bohrungen unter hohem Druck
Wasser verpresst, das sich ausbreitet und
das Gestein sprengt, so dass ein durchgängiges
Kluftnetz entsteht. Dank der hohen
Temperaturen eignet sich das HDR-
Konzept optimal zur Stromerzeugung,
aber auch für Nah- und Fernwärme.
Solarenergie, Windenergie und
Wasserkraft
Die direkte Nutzung der Sonnenenergie
erfolgt hauptsächlich auf zwei Wegen:
durch Umwandlung in Wärmeenergie
(Solarthermie) oder als Quelle elektrischer
Energie in einer Solarzelle (Photovoltaik).
Solarthermie und Photovoltaik könnten
wichtige Bausteine einer zukünftigen
nichtfossilen Energieversorgung werden
Geothermie-Kraftwerk in Island: Auf der Insel am Polarkreis liefert Geothermie dank geologisch
günstiger Gegebenheiten den größten Teil der benötigten Energie.

und dabei auch durch grundlastfähige
Energieangebote aus der Biomassenutzung
und der Geothermie ergänzt werden.
Aktuelle Forschungsarbeiten sind überwiegend
im KIT-Campus Süd angesiedelt
und reichen von Niedertemperatur-
Wärmenutzungen im Gebäudebereich
über Konzepte für die Einbindung konzentrierender
solarer Kraftwerke bis zur
Ausnutzung von Kraft-Wärme-Kopplung
unter Einsatz von Sonnenenergie. Eine
technisch anspruchsvolle und zukunftsträchtige
Umwandlung des Sonnenlichts in
elektrische Energie wird durch innovative
Schichtsysteme auf der Basis organischer
Verbindungen realisiert, zum Teil unter
Ausnutzung nanotechnologischer Effekte.
Die Windkraft ist in der Energiewirtschaft
bereits fest etabliert. Forschung und
Entwicklung am KIT-Zentrum Energie greifen
in erster Linie Querschnittsthemen auf,
etwa die Zuverlässigkeit und Lebensdauer
von Getrieben als zentralem Element von
Windkraftwerken oder die Einbindung
der Windenergie in die Netzwerke der
Energieverteilung. Gerade die Etablierung
neuer Windkraftstandorte „offshore“ vor
der Küste setzt eine Anlagentechnik voraus,
die ein hohes Maß an Langlebigkeit
und Zuverlässigkeit gewährleistet sowie
eine zuverlässige Netzeinbindung ermöglicht.
Überdies befasst sich das KIT-Zentrum
Energie mit spezifischen ingenieurwissenschaftlichen
Aspekten der Nutzung von
Wind- und Wasserkraft, wie beispielsweise
Generatortechnik, Rotorblätter- und
Mastkonstruktion bei Windkraftanlagen
und wasserbautechnischen Aufgaben zur
Nutzung der Wasserkraft.
Energie von oben und von
unten
In Zukunft werden erneuerbare Energien
wesentlich zum Energiemix beitragen.
Dabei kommt es darauf an, die nur
schwankend verfügbaren Energien wie
Sonne und Wind mit grundlastfähigen
Energien zu kombinieren. Denkbar sind
so genannte Hybridkraftwerke, die verschiedene
Energieträger nutzen. Ein sol-
Energie aus der Sonne
Die Sonne erzeugt durch Kernfusion Energie, die teilweise als Strahlungsenergie
zur Erde gelangt. Sonnenenergie erwärmt die Erde, ermöglicht Photosynthese und
damit die Entstehung von Biomasse, erzeugt Luftdruckunterschiede, die zu Wind
führen, und treibt den Wasserkreislauf der Erde an.
Technisch lässt die Strahlungsenergie der Sonne sich nutzen, um Wärme oder auch
elektrische Energie zu gewinnen.
Solarthermie wandelt die Sonnenstrahlung in Wärme um. In der Solararchitektur
erwärmt die Sonne ein Gebäude direkt, etwa durch Fensterflächen. Thermische
Solaranlagen arbeiten mit Sonnenkollektoren, welche die Sonnenstrahlung
einfangen, in Wärme umwandeln und mit dieser ein Übertragungsmedium
aufheizen. Sonnenwärmekraftwerke bündeln die Direktstrahlung mit Reflektoren
auf einem Sonnenkollektor, so dass am Brennpunkt hohe Temperaturen entstehen.
Diese konzentrierte thermische Energie lässt sich in einem Dampfkraftwerk
oder mit einem Stirlingmotor in mechanische Energie und anschließend mit
einem Stromgenerator in elektrische Energie umwandeln. Daneben gibt es auch
Sonnenwärmekraftwerke, die ohne Reflektoren arbeiten und die gesamte
Globalstrahlung – Direkt- und Diffusstrahlung – nutzen.
Photovoltaik wandelt die Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie um.
Die geschieht in Solarzellen, die zu Solarmodulen verbunden sind. Der erzeugte
Strom lässt sich vor Ort nutzen, in Akkumulatoren speichern oder in Stromnetze
einspeisen.
ches Kraftwerk kann beispielsweise
tagsüber mit Solarthermie und nachts
mit Geothermie arbeiten. Auch eine
Kombination mit Biomasse ist möglich.
Gefragt sind überdies innovative Konzepte
zur Nutzung von Wärme auf niedrigem
Temperaturniveau, wie sie bei Solarthermie
und Geothermie verfügbar ist.
15

TOPIC 3: ENERGIESPEICHERUNG UND ENERGIEVERTEILUNG
Überspannungstest: Leistungsschalter mit Federspeicherantrieb
für 550 kV in einem Hochspannungsprüffeld.
16
STROM ZUR RECHTEN ZEIT
AM RECHTEN ORT
Dezentrale Einspeisung und die Integration erneuerbarer Energien sowie
steigende Anforderungen an Effizienz und Klimaschutz bedingen Struktur-
veränderungen im Stromnetz. Am KIT-Zentrum Energie entstehen innovative
Lösungen, die sicherstellen, dass Strom stets da verfügbar ist, wo er ge-
braucht wird – wirtschaftlich und nachhaltig.

Energie speichern heißt, sie für eine spätere
Nutzung bereithalten. Wenn das
Speichern der gewünschten Energieform
wegen geringer Kapazität oder niedrigem
Wirkungsgrad ungünstig ist, wird eine andere
Energieform gespeichert und bei
Bedarf umgewandelt. So speichert eine
Batterie chemische Energie und wandelt
sie beim Entladen in elektrische Energie
um. Energieverteilung dient dem Transport
von Energie über Leitungsnetze vom
Anbieter zum Verbraucher.
Forschungsarbeiten am KIT-Zentrum
Energie befassen sich vor allem mit
der Speicherung und Verteilung von
elektrischer Energie sowie mit dem
Energiespeicher Wasserstoff. Es geht darum,
ökonomisch und ökologisch sinnvolle
Energiespeichermöglichkeiten zu entwickeln
und die Energieverteilung noch
zuverlässiger, wirksamer und wirtschaftlicher
zu machen. Die Arbeiten gliedern
sich in fünf Forschungsfelder: supraleitende
Komponenten, Betriebsmittel für elektrische
Netze, intelligente Stromnetze/
Smart Grids, Batterien, Wasserstoff als
Energiespeicher.
Supraleitende Komponenten
Die Supraleitung gehört zu den Schwerpunkten
der KIT-Energieforschung. Ziel
ist, Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) für
den großtechnischen Einsatz weiterzuentwickeln,
das heißt ihre Eigenschaften
zu verbessern, was Herstellbarkeit, mechanische
Verformbarkeit, Magnetfeldempfindlichkeit
und Wechselstromverluste
betrifft, sowie die Kosten zu senken.
Supraleitende Komponenten können in
Energienetzen verschiedene Funktionen
erfüllen. Beim Übertragen und Verteilen
elektrischer Leistung beispielsweise
bieten supraleitende Kabel eine höhere
Leistungsdichte und verringern Wärmeverluste.
Dadurch steigern sie nicht nur die
Energieeffizienz, sondern reduzieren auch
die Emission von Schadstoffen und tragen
damit zum Klimaschutz bei.
Supraleitende Strombegrenzer
Ein wegweisendes Betriebsmittel in der
Versorgung mit elektrischer Energie ist
der supraleitende Strombegrenzer. Sein
Funktionsprinzip ist denkbar einfach: Ein
Supraleiter kann als solcher Ströme nur bis
zu einem Höchstwert tragen. Bei einem
höheren Strom geht er in einen normal
leitenden Zustand mit entsprechendem
Widerstand über. Im regulären Netzbetrieb
Supraleiter
trägt der Supraleiter den Strom mit geringen
Verlusten; kommt es aber zu einem
Kurzschluss und steigt der Strom rasch
über den vom Supraleiter tragbaren Wert,
entsteht ein hoher Widerstand im Netz. So
wird der Strom begrenzt, eine Überlastung
wird vermieden und andere Netzelemente
werden geschont.
Mithilfe von supraleitenden Strombegrenzern
lassen sich Netze ganz neu
Dem Kurzschluss keine Chance: Dieser zu einer Spule gewickelte Hochtemperatur-Supraleiter
dient als Komponente eines Strombegrenzers, der Stromversorgungsnetze gegen Kurzschlüsse
schützt.
Bei Supraleitern handelt es sich um Materialien, die unterhalb einer bestimmten
Temperatur ihren elektrischen Widerstand verlieren. Dies ermöglicht es, Strom zu
leiten, ohne dass wegen elektrischen Widerstands ein Teil der elektrischen Energie
in Wärme gewandelt wird und somit für die Nutzung verloren geht. Die Temperatur,
unter der die Supraleitung einsetzt – die so genannte Sprungtemperatur –,
hängt vom Material ab.
Tieftemperatur-Supraleiter müssen mit flüssigem Helium bis auf etwa minus
269 °C abgekühlt und in speziellen wärmeisolierenden Behältern betrieben
werden, um supraleitend zu wirken. Sie werden vor allem in der Medizintechnik
verwendet, besonders bei der Kernspintomographie. In der Energietechnik
lassen Tieftemperatur-Supraleiter sich für supraleitende Magneten von Kernfusionsreaktoren
einsetzen.
Hochtemperatur-Supraleiter sind keramikartige Materialien, die sich bereits
bei Temperaturen von etwa minus 196 °C supraleitend betreiben lassen. Die
Kühlung lässt sich daher mit flüssigem Stickstoff relativ einfach und preisgünstig
bewerkstelligen. Hochtemperatur-Supraleiter können in elektrischen Maschinen,
Transformatoren und magnetischen Energiespeichern, für Leistungskabel und
Strombegrenzer eingesetzt werden.
17

TOPIC 3: ENERGIESPEICHERUNG UND ENERGIEVERTEILUNG
Kryogene Wasserstoff-Freistrahlen: (von links nach rechts) Laserschnittbild eines ungezündeten
turbulenten Wasserstoffstrahls, Schlierenaufnahme eines gezündeten sowie Infrarotbild eines
brennenden Wasserstoffstrahls.
dimensionieren, Teilnetze zusammenschalten
und offene Netzknotenpunkte schließen,
ohne dass hohe Investitionen erforderlich
sind. Auch können supraleitende
Strombegrenzer Energie einsparen, beispielsweise
dadurch, dass weniger verlustbehaftete
Transformatoren erforderlich
sind oder dass die Netze vermaschter betrieben
werden können.
18
Betriebsmittel für elektrische
Netze
Gerade in Europa gehen immer mehr
dezentrale Stromerzeuger ans Netz. Auch
wird zunehmend Strom aus Quellen wie
Sonne und Wind eingespeist, die
Schwankungen unterworfen sind. Daher
steigen die Anforderungen an die
Stabilisierung von Frequenz und Spannung.
Andererseits altern Teile der Stromnetze,
und neue zu errichten ist wegen
des hohen Zeit- und Kostenaufwands nicht
immer vertretbar. In diesem Forschungsfeld
geht es zunächst um Asset Management,
das heißt darum, vorhandene Netze instand
zu halten und die Qualität der
Stromversorgung zu sichern. Die Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler am KIT
befassen sich mit Alterungsmechanismen
bei Isolier-systemen, mit der Zustandsdiagnostik
der Betriebsmittel und mit unterschiedlichen
Asset-Management-Strategien.
Zugleich entwickeln die Karlsruher
Forscher neuartige Betriebsmittel wie
verlustarme Leiter, supraleitende Strombegrenzer
und supraleitende magnetische
Energiespeicher (SMES) sowie neuartige
Isoliermaterialien auf der Grundlage
nachwachsender Rohstoffe. Um die
Energieübertragung zu flexibilisieren, etwa
vorhandene Leitungen besser auszulasten,
werden bereits heute vereinzelt Flexible
AC Transmission Systems (FACTS) in
Stromnetzen eingesetzt. FACTS bestehen
aus modernen Wechselrichtern, die den
Leistungsfluss in Hochspannungsnetzen
steuern sowie Verluste, Blindleistung und
Oberschwingungsgehalte beeinflussen.
Transformatorenwerk von Siemens in Nürnberg: Zu sehen ist ein Aktivteil eines 297-MVA-Umrichter-Transformators (550 kV) für ein
HGÜ-Projekt in China vor dem Trocknungsofen.

Bündelung: Die Aufnahme zeigt eine Zwischenstufe eines Magnesiumdiborid-Supraleiters
während der Herstellung mit der so genannten Pulver-in-Rohr-Technik.
FACTS einzurichten ist deutlich weniger
zeit- und kostenaufwendig als neue
Hochspannungsleitungen zu bauen.
Bei der Übertragung über große
Entfernungen ist die Hochspannungs-
Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) der herkömmlichen
Drehstromübertragung vorzuziehen.
HGÜ wird aber nicht nur für
lange Freileitungen und Kabel, besonders
Seekabel, sondern auch zur Kopplung von
Wechselstromnetzen mit unterschiedlichen
Frequenzen oder von nicht synchron zueinander
arbeitenden Stromnetzen eingesetzt.
Auch unter stark schwankender
Erzeugung – etwa bei Einspeisung von
Strom aus Sonne oder Wind – hält HGÜ
das Netz stabil.
Intelligente Stromnetze
Die Aufrüstung konventioneller Netze
allein reicht allerdings langfristig nicht
aus, um eine sichere und effiziente
Stromversorgung zu gewährleisten.
Neue Erzeugerstrukturen erfordern
neue Netzstrukturen auf allen Spannungsebenen
des Verbundnetzes. Dabei sind
Großkraftwerke als zentrale Erzeuger
ebenso zu berücksichtigen wie die zunehmend
zu erwartenden dezentralen kleinen
Erzeuger. In Zukunft sollen intelligente
Stromnetze, so genannte Smart Grids, eine
dezentrale Energieerzeugung in großem
Maßstab ermöglichen.
Smart Grids bedeutet unter anderem,
Stromnetze mit moderner Informations-
und Kommunikationstechnologie zu verbinden.
So lassen Angebot und Nachfrage
sich nach technischen und ökonomischen
Gesichtspunkten großflächig abgleichen.
Versorger können dadurch flexibel auf verändertes
Verbraucherverhalten reagieren;
Kunden können dank intelligenter
Stromzähler ihren Verbrauch in Echtzeit
Spannungsebenen
Intelligent: Mit solchen Stromzählern können
Kunden ihren Verbrauch gezielt steuern.
kontrollieren und gezielt steuern.
Vorstellbar ist auch, dass Energieversorgungsunternehmen
einzelne Verbraucher
in einem gemeinsam mit diesen festgelegten
Umfang zu- oder abschalten,
um Engpässe zu überbrücken oder aber
Überangebote sinnvoll zu nutzen.
Zudem bedeutet Smart Grids, Stromnetze
mit moderner Leistungselektronik auszustatten.
Denkbar sind auch ganz neu aufgebaute
Netze. Beispielsweise untersuchen
die Forscherinnen und Forscher am KIT-
Stromnetze unterscheiden sich nach der Spannung, bei der sie Strom übertragen.
Für Westeuropa sind die Höchst-, Hoch- und Niederspannung weitgehend standardisiert,
nicht aber die Mittelspannung, da noch viele alte Erdkabel mit unterschiedlicher
Spannung verlegt sind.
Höchstspannungsnetz: Übertragungsnetz; verteilt die von Kraftwerken eingespeiste
Energie landesweit an Transformatoren und ist an das internationale
Verbundnetz angeschlossen.
Hochspannungsnetz: Netz zur groben Verteilung von Energie; Leitungen
führen in verschiedene Regionen und Ballungszentren sowie zu Großabnehmern,
etwa in der Industrie.
Mittelspannungsnetz: Netz zur Verteilung des Stroms an die Transformatorstationen
des Niederspannungsnetzes oder an größere Abnehmer wie Unternehmen,
Schulen und Behörden.
Niederspannungsnetz: Netz zur Feinverteilung an Haushalte, Betriebe, Gewerbe
und Verwaltungseinrichtungen.
19

TOPIC 3: ENERGIESPEICHERUNG UND ENERGIEVERTEILUNG
Blick in die Ventilhalle der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Station Moyle/Nordirland.
Zentrum Energie, ob und wo sich ein übergeordnetes
Hochspannungs-Gleichstrom-
Netz mit HGÜ-Technologie lohnen würde.
Kriterien, neue Netzstrukturen zu bewerten,
sind einerseits die entstehenden
Kosten, andererseits die eingesparten
Wirkleistungsverluste und die dadurch
vermiedenen CO 2 -Emissionen sowie die
Vorsorgungssicherheit.
Batterien
Energiespeicher werden die Zukunft der
Energieversorgung wesentlich prägen.
Große Batterien sollen Schwankungen
bei Einspeisung und Nachfrage ausgleichen
und helfen, Stromnetze zuverlässiger
und wirtschaftlicher zu betreiben. Dadurch
lassen sich auch erneuerbare Energien
wie Sonne und Wind breiter nutzen.
Autonome Energieversorgungszentren
können ebenso entstehen wie dezentrale
Versorgungssysteme, die auf Energiespeicherung
angewiesen sind.
Das KIT-Zentrum Energie erforscht innovative
Technologien für elektrische und elektrochemische
Energiespeicher. Im Bereich
der Doppelschichtkondensatoren untersuchen
die Wissenschaftler neue, nanoskalige
Elektrodenkonzepte und darauf basierende
Supercaps. Neben der Kapazität
20
stehen Lebensdauer und Zyklenfestigkeit
sowie Sicherheitsaspekte im Fokus der
Entwicklung.
Lithiumionen-Batterien mit nanoskaligen
Materialien
Die Arbeiten fokussieren auf Hochleistungsbatterien
für mobile und
stationäre Anwendungen. Die Forscher
verfolgen einen ganzheitlichen Ansatz, der
sämtliche Komponenten einer Batterie
einschließt und die gesamte Wertschöpfungskette
von Materialien über
Prozesse bis hin zu Komponenten und
Gesamtsystemen betrachtet. Ein
Schwerpunkt liegt auf der Materialforschung,
da nanoskalige Materialien einen
technologischen Durchbruch bei der
Steigerung der Leistung von Lithiumionen-
Batterien versprechen.
Derzeitige Forschungsvorhaben beziehen
sich vor allem auf Materialien für die
Elektroden – Anode und Kathode –,
ferner auf Elektrolyte, Interfaces und
Systemaufbau.
Wasserstoff als Energiespeicher
Wasserstoff bildet im KIT-Zentrum Energie
ein Querschnittsthema, das in mehreren
Topics bearbeitet wird. Um Wasserstoff
als Energiespeicher im stationären wie
auch im mobilen Bereich einsetzen zu
können, sind noch verschiedene technische
Probleme zu lösen, auch und vor
allem bei der Speicherung. Die Karlsruher
Wissenschaftler entwickeln als Alternative
zur Druck- oder Tieftemperaturspeicherung
neuartige Feststoffspeicher
Brennstoffzellenforschung: Charakterisierung nanoskaliger Funktionsschichten für die
Hochtemperatur-Brennstoffzelle SOFC.

mithilfe der Nanotechnologie. Diese
Nanokomposite zeichnen sich durch eine
hohe Speicherkapazität sowie kurze
Be- und Entladungszeiten aus. Bei der
Herstellung wird Natriumaluminiumhydrid,
das als derzeit leistungsfähigster Wasserstoffspeicher
gilt, mit maßgeschneiderten
Titan-Nanopartikeln vermischt, die als
Katalysatoren fungieren. Fahrzeuge, die
mit Brennstoffzellen ausgerüstet sind und
mit Wasserstoff fahren, sollen dank dieser
Nanokomposite künftig schneller zu betanken
sein und höhere Leistungen bringen.
Zur Wasserstoffherstellung aus nachwachsenden
Rohstoffen, konkret aus
grüner Restbiomasse, wird am KIT die
Anwendbarkeit der hydrothermalen
Vergasung erforscht und die eigens entwickelte
Technikumsanlage VERENA 1
betrieben.
Energiespeicher
Batterie
Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher. Bei der Entladung wird
gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in
elektrische Energie umgewandelt. Die Kapazität einer Batterie beziehungsweise
ihre volumen- und gewichtsbezogene Kapazitätsdichte ist eine Kenngröße, die ihre
Fähigkeit angibt, Ladung zu speichern.
Von Interesse für Elektro- und Hybridfahrzeuge wie auch zur Speicherung regenerativ
erzeugter elektrischer Energie sind wiederaufladbare Sekundärbatterien, das
heißt Akkumulatoren. Bei diesen ist die Redoxreaktion umkehrbar, was eine mehrfache
Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück ermöglicht.
Die höchsten Zellspannungen und Kapazitätsdichten werden mit Lithiumionen-
Batterien erreicht.
Kondensator
Ein Kondensator speichert elektrische Energie rein physikalisch. Im Prinzip besteht
er aus zwei flächigen Stromleitern, den Elektroden, die durch einen Isolator, das
Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Wird eine Spannung an die Elektroden
angelegt, führt dies zu einer Ladungstrennung. Über dem Dielektrikum baut sich
ein elektrisches Feld auf.
Im Vergleich zu Batterien weisen Kondensatoren eine wesentlich niedrigere Kapazitätsdichte
auf. Ein Vorteil von Kondensatoren ist ihre Fähigkeit, die gespeicherte
Energie innerhalb sehr kurzer Zeit aufzunehmen und abzugeben und dabei eine
hohe elektrische Leistung umzusetzen.
Hohe Kapazitätsdichten, die für den Einsatz in Fahrzeugantrieben und schnellen
Energiespeichern für die Netzstabilisierung erforderlich sind, können mit Doppelschichtkondensatoren
(Supercaps) erreicht werden. Ihre hohe Kapazität basiert
auf der Ladungstrennung über eine elektrische Doppelschicht an der Grenzfläche
zwischen einem flüssigen Elektrolyten und den Elektroden.
Hybridkondensator
Diese hybriden Bauformen sollen die positiven Eigenschaften des Doppelschichteffekts
(hohe Leistungsdichte) und der Redoxreaktion (hohe Kapazitätsdichte)
miteinander vereinen.
21

TOPIC 4: EFFIZIENTE ENERGIENUTZUNG
Mit moderner Messtechnik lassen sich Effizienzpotenziale
von Kohlendioxid als Kältemittel erforschen. Diese
Messstrecke am KIT-Campus Süd verfügt über eine aus sechs
Segmenten bestehende Heizung, deren Heizelemente über
den Rohrumfang verteilt und einzeln regelbar sind.
22
MIT WENIGER
MEHR ERREICHEN
Energie effizienter zu nutzen, senkt die Kosten, schont das Klima und
die Ressourcen. Ob Haushalt, Industrie, Mobilität oder Handel und
Dienstleistungen – in allen Bereichen lässt sich die Energieeffizienz noch
beträchtlich steigern. Die Forschung im KIT-Zentrum Energie konzentriert
sich dabei auf zwei Sektoren: Bauwesen und industrielle Prozesse.

Effiziente Energienutzung gilt als eine der
wesentlichen Strategien, die wachsende
Nachfrage nach Energie zu decken, die
Kosten zu senken und die Preise bezahlbar
zu halten, die Abhängigkeit von Importen
zu verringern, die Versorgungssicherheit zu
erhöhen, die Ressourcen zu schonen und
den Ausstoß von klimaschädlichem CO 2
zu verringern. Demgegenüber ist es teuer
und langwierig, das Angebot an Energie
auszuweiten. Die Bundesregierung strebt
an, bis 2020 die gesamtwirtschaftliche
Energieproduktivität gegenüber dem
Jahr 1990 zu verdoppeln. Das heißt, dass
dann pro Einheit Bruttosozialprodukt nur
noch halb so viel Energie verbraucht
werden soll. Dieses ehrgeizige Ziel lässt
sich nur erreichen, wenn es gelingt,
die Energieeffizienz über die gesamte
Energiekette entscheidend zu steigern.
Dazu trägt die Arbeit der Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler am KIT-
Zentrum Energie wesentlich bei.
Modellregion MEREGIO
Eine Modellregion, in der sowohl Energie-
versorger als auch Endverbraucher mit
Informations- und Kommunikationstechnologie
ausgestattet sind, um
Energieumwandlung und Energieverbrauch
möglichst effizient zu gestalten, ist
das Ziel des Projekts MEREGIO (Minimum
Emission Region), an dem das KIT beteiligt
ist. Projektleiter ist die EnBW. Wesentliches
Ziel ist, ein Zertifizierungsprogramm zu
entwickeln, mit dem sich eine Region ihre
Effizienz im Umgang mit Energie öffentlichkeitswirksam
bescheinigen lassen kann.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie fördert das Projekt im Rahmen
des Wettbewerbs „E-Energy – IKT-basiertes
Energiesystem der Zukunft“.
Stoff- und Energieverbünde
Das Topic „Effiziente Energienutzung“ des
KIT-Zentrums Energie gliedert sich in zwei
große Bereiche: Produkte und Prozesse sowie
Gebäude. Übergeordnetes Thema
sind Stoff- und Energieverbünde. Ein
Stoffverbund ermöglicht den Austausch
Energieeffizienz
Je weniger Energie bei der Erschließung, Umwandlung, Speicherung, Verteilung
und Verwendung für die jeweilige Anwendung verloren geht, desto höher ist die
Energieeffizienz. So lässt sich beispielsweise bei der Energieumwandlung die Effizienz
durch Kraftwerke mit höherem Wirkungsgrad oder durch Kraft-Wärme-Kopplung
und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung erhöhen. Effizienter verwenden lässt sich
Energie etwa durch Geräte mit geringerem Verbrauch, Vermeidung von Leerlauf,
bessere Wärmedämmung oder drehzahlgeregelte Umwälzpumpen.
von Substanzen zwischen einzelnen Betrieben.
Dies geschieht meist über Rohrleitungen.
Es sind jedoch auch Stoffkreisläufe
denkbar, die nicht an Leitungen gebunden
sind, beispielsweise Materialkreisläufe
im Bauwesen. Ein Energieverbund vernetzt
Energieströme miteinander. So wird
beispielsweise die in einer Anlage anfallende
Abwärme unmittelbar am Ort der
Entstehung in Dampf umgewandelt und
einer anderen Anlage verfügbar gemacht,
statt an die Umwelt abgegeben zu werden.
Das senkt den Ressourcenverbrauch,
vermindert Abfälle und Emissionen und
spart Transportwege.
Im Bereich Produkte und Prozesse beschäftigen
sich die Arbeiten mit neuen
Materialien und spezifischem
Produktdesign, mit Fertigungs- und
Verfahrenstechnik sowie mit Prozessintensivierung.
Im Bereich Gebäude befassen
die Forscherinnen und Forscher
sich mit neuen Materialien und sogenannten
intelligenten Bauelementen,
mit nachhaltigem Planen und energiebewusstem
Entwerfen sowie mit technischer
Gebäudeausrüstung und energetischer
Betriebsoptimierung.
KIT-Schwerpunkte Mobilitätssysteme
und COMMputation
Das Forschungsfeld Energieeffizienz
in Transport und Logistik ist dem KIT-
Schwerpunkt „Mobilitätssysteme“ zugeordnet.
Dessen fahrzeugtechnische
Schäumendes CO 2 im Verdampferrohr zeigt die Verunreinigung durch Maschinenöl. Dadurch
verschlechtert sich die Effizienz des Kältemittels deutlich.
23

TOPIC 4: EFFIZIENTE ENERGIENUTZUNG
Aktivitäten sind im Kompetenzzentrum
KIT-CART (Center of Automotive
Research and Technology) gebündelt.
Dabei geht es um Energieeffizienz und
Emissionsreduzierung, Sicherheit, Komfort
und Nutzwert von Personen-, Nutz-
und Schienenfahrzeugen sowie mobilen
Arbeitsmaschinen.
Mit dem Bereich Energieeffizienz in der
Informationstechnologie – Stichwort
„Green Web“ – ist der KIT-Schwerpunkt
COMMputation befasst, dessen Name
die gegenseitige Abhängigkeit von
Kommunikation und Informationsverarbeitung
verdeutlicht. Dabei geht es zum
einen darum, die Hardware zu verbessern,
was die Leistungsaufnahme und damit
die benötigte Kühlenergie betrifft. Zum
anderen gilt es, neue Algorithmen und
Software zu entwickeln, um Rechner energieeffizienter
betreiben zu können.
Produkte und Prozesse
In Bezug auf Produkte und Prozesse gilt es,
vor allem bei energieintensiver industrieller
Produktion, bei gleichbleibendem oder
sogar verringertem Energieeinsatz die
Produktivität zu erhöhen. Energieeffizienz
besitzt in der Industrie aus Kostengründen
immer schon einen hohen Stellenwert,
doch es gibt noch weiteres Potenzial aus-
Energieeffizienz durch Wärme- und Stoffverbund:
Die Aufnahme entstand in der MiRO
Mineraloelraffinerie Oberrhein.
24
zuschöpfen. Dieses liegt im Prozessdesign
als ganzheitlichem Ansatz, aber auch
in technologischen Detaillösungen,
durch die sich einzelne Schritte im
Produktionsprozess verbessern lassen.
Andere Schritte lassen sich durch Integration
einsparen.
Neue Materialien und spezifisches
Produktdesign
Neue Materialien können nicht nur zu neuen
Produkten oder Produkteigenschaften
führen, sondern auch zur energieeffizienten
Produktion beitragen. So ermöglicht
die Nanotechnologie Werkstoffe mit neuartigen
Eigenschaften und Wirkungen. Da
die winzigen Nanopartikel eine verhältnismäßig
große Oberfläche aufweisen,
können sie mit ihrer Umgebung leichter
in physikalische oder chemische Wechselwirkung
treten. Vorraussetzung für die
Nutzung nanoskaliger Materialien ist
jedoch, sie gründlich zu untersuchen und
genau zu beschreiben. Die Arbeiten im KIT-
Zentrum Energie setzen daher bei grundlegenden
Forschungen an. Auch das
Produktdesign lässt sich gezielt darauf
ausrichten, dass nicht nur beim späteren
Gebrauch des Produkts, sondern bereits
bei dessen Herstellung Energie effizient
eingesetzt wird.
Fertigungs- und Verfahrenstechnik
In der Fertigungs- und Verfahrenstechnik
lässt sich die Energieeffizienz durch stoffliche
und energetische Verbünde steigern.
Solche Verbünde sind auf verschiedenen
Ebenen möglich – innerhalb eines
Prozesses oder prozessübergreifend zwischen
mehreren Anlagen, die zusammen
einen Verbundstandort bilden. Beispiel
für einen energetischen Verbund ist die
Wärmeintegration, etwa innerhalb eines
Prozesses: Einmal eingebrachte Wärme
wird in mehreren Prozessstufen nacheinander
eingesetzt und damit weitestgehend
verwertet. Dies geschieht beispielsweise
durch Mehrstufenverdampfung
bei der Gewinnung von Salz oder der
Herstellung von Düngemittel: Der heiße
Dampf, der die Flüssigkeit erhitzt, damit
das Lösungsmittel verdampft und Kristalle
sich bilden können, wird in mehreren hintereinander
angeordneten Kristallisatoren
eingesetzt.
Eine weitere Möglichkeit, die Energieeffizienz
zu steigern, ist die Optimierung
einzelner Prozessstufen. So befasst sich
ein Projekt im KIT-Zentrum Energie mit
dem Wärmeübergang beim Strömungsverdampfen
von CO 2 in glatten sowie in
innen gerippten Rohren. CO 2 wird
zunehmend als Kältemittel in konventionellen
Kältemaschinen und in der
HEPHAISTOS: Die Mikowellen-Prozessanlage ist begehbar; ihr Volumen entspricht dem von 500
Haushaltsmikrowellen. Mit Mikrowellen lassen sich Erwärmungszeiten und damit industrielle
Prozesszyklen beträchtlich verkürzen und auch Materialeigenschaften verbessern.

Auf diesem Gelände in Cadarache/Südfrankreich entsteht der Versuchsreaktor ITER.
Das industrielle Versuchszentrum auf dem KIT-Campus Nord verfügt mit HEPHAISTOS über die größte Mikrowellen-Prozessanlage der Welt.
Lebensmittelindustrie eingesetzt, um
FCKW, FKW und teilweise auch Ammoniak
zu ersetzen. Dabei lässt sich durch den Einsatz
von Rippenrohren die Wärmeübertragungsleistung
erhöhen.
Prozessintensivierung
Prozessintensivierung bedeutet, Energie-
und Stofftransportvorgänge zu intensivieren
sowie die Kinetik chemischer
Reaktionen gezielt auszunutzen. Dies
ist beispielsweise möglich bei der
Rektifikation, das heißt der Trennung von
Stoffen durch Destillation in speziellen
Kolonnen, wie sie etwa beim Aufbereiten
von Erdöl erforderlich ist. Dabei lassen
sich mehrere Kolonnen zu einer integrieren,
um mehr als zwei Produkte gleichzeitig
zu gewinnen und dabei Energie einzusparen.
Ein Projekt am KIT-Zentrum Energie
befasst sich mit festen keramischen
Schwämmen, die als Packungsmaterial in
solche Trennkolonnen eingebaut werden.
Die Forscher untersuchen dabei
die Stoffübertragung zwischen zwei
Flüssigkeiten und deren Vermischung beim
Durchströmen eines festen Schwamms.
Ein weitere Möglichkeit der Prozessintensivierung
ist die Reaktivrektifikation:
Dabei laufen eine chemische Reaktion
und die destillative Trennung der Stoffe
nicht wie herkömmlich nacheinander,
sondern gleichzeitig ab. Dazu wird der
chemische Reaktor in die Trennkolonne
integriert. Die Wissenschaftler am KIT-
Zentrum Energie untersuchen, ob feste
keramische Schwämme sich als Katalysatorträger
bei der Reaktivrektifikation
eignen.
Gebäude
Im Bereich Gebäude legt das KIT-Zentrum
Energie den Fokus auf Nichtwohngebäude
sowie größere Wohngebäude im Bestand.
Geplant ist, neue Technologien auch
auf Gebäude des KIT zu applizieren, um
ihr Potenzial zu demonstrieren. Energieeffizienzkonzepte
für Gebäude berücksichtigen
stets die jeweiligen geographischen
Gegebenheiten und klimatischen
Verhältnisse.
Die Wissenschaftler verschiedener Institute
führen ihre Arbeiten unter einem gebäudesystemtechnischen
Ansatz zusammen.
Dabei untersuchen sie die Randbedingungen
für die Entwicklung von
Systemen und Komponenten und bewerten
die Ergebnisse im Gesamtzusammenhang
Klima – Gebäude – Gebäudetechnik
Messung des Wärmeübergangs von CO 2 beim Strömungsverdampfen für den Einsatz
in der Kältetechnik.
25

TOPIC 4: EFFIZIENTE ENERGIENUTZUNG
Energieeffizienz im Quadrat: Das „Museum Ritter“ direkt neben der Schokoladenfabrik
zeichnet sich durch ein energieeffizientes und ökologisch verträgliches Haustechnikkonzept aus.
KIT-Forscher haben das Energie-Monitoring und die Betriebsoptimierung übernommen.
– Regelung – Mensch. Was Solargebäude
und Solarsysteme, neue Materialien und
ihre Anwendung in der Gebäudetechnik
betrifft, binden sie auch die Kompetenzen
externer Kooperations-partner ein.
Ziele der Forschung sind, den Einsatz von
Energie beim Bau wie beim Betrieb von
Gebäuden – zum Heizen, Kühlen, Lüften
und Beleuchten – zu verringern, dabei die
Bausubstanz zu schützen sowie Raumklima
und Lichtverhältnisse angenehm zu ge-
Die energetische Sanierung des Mathematikgebäudes
auf dem Campus Süd des KIT. Das
Projekt wird von KIT-Forschern begleitet.
26
stalten. Als ideal gilt das Nullenergiehaus,
das im Netzverbund eine ausgeglichene
Energiebilanz für das Jahr erreicht.
Neue Materialien und intelligente
Bauelemente
Energieeffizienz beginnt mit dem Einsatz
von neuen Materialien und intelligenten
Bauelementen. Die Arbeitsgruppe
„Baustoffe“ am KIT entwickelt neuartige
hydraulische Bindemittel als Alternative
zu Zement, die auf eine beträchtliche
Verringerung des Energieeinsatzes und der
CO 2 -Emissionen bei der Herstellung abzielen.
Andere Wissenschaftler am KIT arbeiten
an Fassadenbauteilen mit thermoelektrischen
Elementen, die Wärme in
Strom umwandeln.
Nachhaltiges Planen und
energiebewusstes Entwerfen
Nachhaltiges Planen und energiebewusstes
Entwerfen mit vorausschauendem Blick auf
Raumklima und Beleuchtungsverhältnisse
tragen wesentlich zur Energieeffizienz
eines Gebäudes bei. Zu beachten sind dabei
Aspekte der Gebäudeaerodynamik, wie
die Windwirkung auf das Gebäude und die
Luftführung innerhalb des Gebäudes, um
Öffnungen in der Fassade gezielt zu platzieren
und Windkräfte zum Lüften zu nutzen.
Die detaillierte thermische Simulation
eines Gebäudes mit geeigneter Software
liefert Daten zu Temperaturverläufen,
Heiz- und Kühlleistungsbedarf und ermöglicht
es, das Zusammenwirken von
Gebäudehülle, Verschattungsanlagen,
Beleuchtung und Anlagen zum Heizen,
Kühlen und Lüften zu optimieren.
Energieeffizientes Verfahren zur Herstellung von Zement aus wässriger Lösung bei niedrigen
Temperaturen. Das Bild zeigt ein Calciumsilikathydrat unterm Elektronenmikroskop.

Technische Gebäudeausrüstung
Eine an Architektur und Konstruktion angepasste
Gebäudetechnik sichert einen
geringen Energiebedarf. Die Shared
Research Group „Energie- und Gebäudetechnologie“ist
eine von der Industrie und
vom KIT gemeinsam getragene Forschergruppe.
Sie befasst sich mit den Möglichkeiten,
die Energieeffizienz beim Heizen,
Kühlen und Lüften durch Wärmetransformationen,
das heißt mit thermisch angetriebenen
Wärmepumpen und Kältemaschinen,
zu verbessern. Auch die Lichttechnik
trägt zur Energieeffizienz bei. So
lassen sich organische Leuchtdioden
(OLED) nicht nur für Displays, sondern
auch zur Beleuchtung von Räumen einsetzen.
Die Bauelemente aus ultradünnen
organischen Schichten, die beim Anlegen
einer Spannung Licht aussenden, lassen
sich großflächig herstellen, so dass sie ganze
Flächen gleichmäßig beleuchten können,
und arbeiten dabei ausgesprochen
energieeffizient. Werden bei der Gebäudetechnik
darüber hinaus erneuerbare Energien
wie Solarthermie und Geothermie in
die Wärme- und Stromversorgung eingebunden,
verringert sich der Bezug externer
Energie.
Energetische Betriebsoptimierung
Die energetische Betriebsoptimierung
rundet die am KIT entwickelten ganzheitlichen
Konzepte zur Energieeffizienz im
Bauwesen ab. Dazu erfassen und untersuchen
die Wissenschaftler systematisch
die wesentlichen Energieflüsse und
Raumklimadaten, vergleichen sie mit
den angestrebten Kennzahlen und passen
die Regelung der Gebäudetechnik
an. Außerdem erarbeiten sie Werkzeuge,
um Daten in der Gebäudeautomation
Monitoring-Software: Mit geeigneter Datenvisualisierung und automatisierten Auswertungsroutinen
lässt sich die Gebäude-Performance zielgerichtet optimieren. KIT-Wissenschaftler entwickeln
eine entsprechende Software und testen diese in Demonstrationsvorhaben.
Nutzerzufriedenheit: Die Grafik zeigt die Einflussgrößen auf die allgemeine Zufriedenheit der
Nutzer eines bestimmten Gebäudes und die Bedeutung dieser Faktoren. KIT-Forscher entwickeln
solche Analyseverfahren als unterstützendes Werkzeug für das Facility-Management.
gezielt zu visualisieren sowie auf der
Basis von Modellen Fehler zu erkennen
und den Betrieb zu optimieren.
Diese Werkzeuge lassen sich künftig
vom Gebäudemanagement gezielt zur
Performanceverbesserung einsetzen.
Komfort und Nutzerzufriedenheit
Dabei geht es neben der Energieeffizienz
auch um den thermischen, akustischen
und visuellen Komfort sowie weitere
Parameter, die Wohlbefinden und Zufriedenheit
der Nutzer bestimmen. Während
zur ökonomischen und ökologischen
Bewertung von Gebäuden bereits genügend
Methoden und Daten verfügbar
sind, mangelt es derzeit noch an anerkannten
Kriterien zur Beurteilung unter
psychologischen und sozialen Aspekten,
welche eine weitere wichtige Dimension
der Nachhaltigkeit bilden. Daher entwickeln
Forscher am KIT-Zentrum Energie
auch ein Verfahren zur Bewertung von
Gebäuden aus Nutzersicht. Ziele sind ein
Nutzerzufriedenheitsindikator, der die
Einstufung von Gebäuden ermöglicht,
sowie eine Gebäudesignatur, welche
die thermische, akustische und visuelle
Qualität der Umgebung, die Luftqualität
und die Arbeitsplatzgestaltung bewertet
und konkrete Hinweise zur Verbesserung
liefert.
27

TOPIC 5: FUSIONSTECHNOLOGIE
Mega-Mikrowelle: Leistungsstarke Gyrotronröhren heizen das
Plasma auf über 100 Millionen Grad Celsius auf. Die am KIT entwickelte
140-Gigahertz-Gyrotronröhre erreicht Heizleistungen
bis zu einem Megawatt.
28
DER WEG
VOM EXPERIMENT
ZUM KRAFTWERK
Wenn es gelingt, die Kernfusion als Energiequelle zu nutzen, kann die
wachsende Weltbevölkerung für Tausende von Jahren mit Strom und
Wärme versorgt werden – wirtschaftlich, sicher und umweltverträglich mit
Brennstoffen aus Wasser und Gestein. Im KIT entwickeln Forscherinnen und
Forscher komplexe Technologien für das große Ziel: ein Fusionskraftwerk,
das grundlastfähige Energie liefert.

Seit Milliarden von Jahren lässt Kernfusion
die Sonne und andere Sterne leuchten.
Seit Jahrzehnten arbeiten die Menschen
daran, dieses kosmische Feuer auf die Erde
zu holen, denn das Verschmelzen von
Atomkernen ist als Energiequelle nahezu
unerschöpflich. Aber was in der Sonne
quasi automatisch abläuft, bedarf auf der
Erde hochkomplexer Technologien.
Deuterium-Tritium-Fusion
Von verschiedenen möglichen Brennstoffen
haben sich zwei als für ein irdisches
Kraftwerk am besten geeignet erwiesen:
Deuterium, ein Wasserstoffisotop mit
einem Proton und einem Neutron, und
Tritium, ein Wasserstoffisotop mit einem
Proton und zwei Neutronen. Bei der Fusion
verschmilzt der Kern des schweren Wasserstoffs
Deuterium mit dem Kern des überschweren
Wasserstoffs Tritium zum
Helium-4-Kern mit zwei Protonen und
zwei Neutronen, auch als Alphateilchen
bezeichnet; ein hochenergetisches Neutron
wird ausgesendet. Dabei wird rund
2000 mal so viel Energie freigesetzt wie
zugeführt worden ist. Die Energie ist zu 80
Prozent an das Neutron gebunden.
Die Brennstoffe sind leicht zu beschaffen:
Deuterium ist zu etwa 0,015 Prozent in
natürlichem Wasser enthalten, also nahezu
unbegrenzt verfügbar. Tritium kommt zwar
wegen seiner Halbwertszeit von nur zwölf
Jahren in der Natur kaum vor, lässt sich
aber aus Lithium erbrüten. Die technisch
nutzbaren Lithiumvorkommen in der
Erdkruste reichen aus, um den Energiebedarf
der Weltbevölkerung für viele tausend
Jahre zu decken. Für die Fusionsreaktion
sind denkbar geringe Rohstoffmengen
erforderlich.
Technische Herausforderungen im
Reaktor
In experimentellen Anlagen ist die Deuterium-Tritium
Reaktion längst geglückt.
Doch bis zum Kraftwerk ist es ein langer
Weg. Kernfusion funktioniert nur mit immens
hohen Temperaturen, bei denen die
Brennstoffe sich im Plasmazustand befinden.
Nur dann überwinden die Atom-
Plasma – der vierte Aggregatzustand
Neben den drei klassischen Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig gibt es
einen vierten Aggregatzustand: das Plasma. Es handelt sich um ionisiertes Gas, das
heißt einen gasförmigen Zustand, in dem freie Elektronen sowie Ionen – elektrisch
geladene Atome – vorkommen. Bei vollständiger Ionisation sind nur noch Elektronen
und freie Atomkerne vorhanden.
Der Plasmazustand kann bei hohen Temperaturen oder durch starke elektrische
Felder eintreten. Auf der Erde kommen natürliche Plasmen vor allem in Blitzen vor.
Auch Flammen haben Plasmaeigenschaften. Im ständigen Plasmazustand befinden
sich die Sonne und andere Sterne.
kerne ihre gegenseitige Abstoßung und
verschmelzen miteinander. Zur Zündung
einer solchen Fusionsreaktion auf der Erde
bedarf es einer Temperatur von über 100
Millionen Grad Celsius – sechs Mal so heiß
wie im Innern der Sonne, weil sich die
hohen Drücke im Sonneninnern auf der
Erde nicht nachahmen lassen. Eine solche
Temperatur will erst einmal erreicht sein.
Eine weitere Herausforderung besteht im
Einschluss des Plasmas. Kein festes
Material hält der hohen Temperatur längere
Zeit stand. Der Einschluss geschieht
daher mithilfe von starken Magnetfeldern.
Dennoch bedarf es einer äußeren
Begrenzung durch feste Materie. Die
Wand der Brennkammer muss sowohl
dem Wärmefluss, der sich aus Plasmatemperatur
und Teilchendichte ergibt, als
Wasser und Gestein liefern die Brennstoffe für die Kernfusion.
auch einem ständigen Neutronenbeschuss
standhalten. Die bei der Fusion entstehenden
Neutronen tragen den Großteil der
Energie, können als neutrale Teilchen das
Plasma verlassen und in die Brennkammerwand
eindringen. Dadurch aus der Wand
gelöste Teilchen wiederum verunreinigen
das Plasma. Diese Teilchen sowie das
Reaktionsprodukt Helium-4 müssen laufend
aus dem Plasma entfernt werden.
Dazu dient ein Divertor, der die unerwünschten
Ionen zu neutralen und damit
pumpfähigen Teilchen umwandelt. Hoch
leistungsfähige Vakuumpumpen, so genannte
Kryopumpen, saugen dann das
Abgas ab und führen es der Tritiumanlage
zu. Die hoch energetischen Neutronen gelangen
in das Blanket, eine äußere Hülle,
und geben ihre Bewegungsenergie an
Atomkerne ab. Die entstehende Wärme
29

TOPIC 5: FUSIONSTECHNOLOGIE
wird mit einem Kühlmittel abgeführt und
lässt sich über einen herkömmlichen
Dampfkreislauf mit Turbine und nachgeschaltetem
Generator in Elektrizität umwandeln.
Das Blanket dient überdies dazu,
aus Lithium durch Neutroneneinfang den
Brennstoff Tritium zu erbrüten.
Sicherheit für Mensch und Umwelt
Was macht die Kernfusion zu einer nicht
nur wirtschaftlichen, sondern auch sicheren
und umweltfreundlichen Energiequelle?
Pro Jahr verbraucht ein Fusionskraftwerk
mit einer Leistung von 1000
Megawatt nur 100 Kilogramm Deuterium
und 150 Kilogramm Tritium, erbrütet aus
300 Kilogramm Lithium. Damit fallen für
die Brennstoffe kaum Transporte an. Es
werden keine radioaktiven Stoffe transportiert,
da das Tritium innerhalb der Anlage
erbrütet wird. Die Fusionsreaktion kann
aus physikalischen Gründen nicht außer
Kontrolle geraten: Bei einer Abweichung
von den Betriebsbedingungen, die nur mit
großem Aufwand aufrechtzuerhalten sind,
reißt die Energiefreisetzung sofort ab. In
der Brennkammer eines Fusionsreaktors
herrscht ein Vakuum, so dass sie immer
nur so viel Brennstoff enthält wie für den
laufenden Betrieb erforderlich. Das Plasma
hat trotz der hohen Temperaturen eine
niedrige Leistungsdichte – vergleichbar mit
der einer 100-Watt-Glühbirne –, so dass
30
es beim Ausfallen der Kühlung nicht zum
Schmelzen von Strukturmaterialien kommen
kann.
Radioaktive Abfälle entstehen fast nur dadurch,
dass Neutronen die Reaktorstrukturen
aktivieren. Die Abfälle enthalten
keine extrem langlebigen Nuklide. Forscher
entwickeln niedrig aktivierende Materialien,
die nur wenige hundert Jahre kontrolliert
gelagert werden müssen. Und
schließlich emittiert ein Fusionsreaktor keinerlei
klimaschädliche Gase.
ITER und DEMO
Die technischen Probleme der Kernfusion
bis ins Detail zu lösen, erfordert große
Anstrengungen. Doch die Mühe lohnt sich
– immerhin wäre damit ein bedeutender
Beitrag zur Lösung der Energieprobleme
der Menschheit geleistet. Im Topic Fusionstechnologie
des KIT-Zentrums Energie entwickeln
Wissenschaftler wesentliche
technologische Komponenten und Systeme
für den experimentellen Versuchsreaktor
ITER (lateinisch iter – der Weg).
ITER, ein gemeinsames Projekt der Partner
Europäische Union, Russische Föderation,
Japan, China, Südkorea, Indien und USA,
entsteht ab 2009 im Forschungszentrum
Cadarache/Frankreich. Der Bau der Anlage
wird voraussichtlich zehn Jahre dauern.
Geplant ist ein Betrieb von rund 20 Jahren.
Schema des Reaktors ITER: Die blaue Figur unten im Bild veranschaulicht die Größe der Anlage.
ITER gewinnt zehnmal mehr Energie als für
die externe Plasmaheizung aufgewendet
wird. Die Erfahrungen mit dem Versuchsreaktor
werden in die Errichtung des nachfolgenden
Demonstrationsreaktors DEMO
einfließen. DEMO soll als erster Fusionsreaktor
über längere Zeit elektrischen
Strom erzeugen. Vorgesehen ist, die Anlage
ab 2030 zu errichten. Ende der 30er
Jahre kann dann voraussichtlich der erste
Strom aus einem Fusionskraftwerk ins
Netz eingespeist werden. Die Forscher am
KIT arbeiten bereits an grundlegenden
Technologien für DEMO. Insgesamt widmen
sie sich derzeit zu rund zwei Dritteln
dem experimentellen Reaktor ITER und zu
ITER – Technische Daten
Gesamtradius 15 Meter
Höhe (über alles) 30 Meter
Gewicht 15 000 Tonnen
Plasmaradius 6,2 Meter
Plasmavolumen 837 Kubikmeter
Plasmamenge 0,5 Gramm
Magnetfeld 5,3 Tesla
Plasmastrom 15 Megaampere
Heizleistung 73 Megawatt
Wandbelastung
d. Neutronen 0,57 Megawatt
pro Quadratmeter
Fusionsleistung 500 Megawatt
Energieverstärkung 10
Mittlere
Plasmatemperatur 100 Millionen Grad
Brenndauer ≥ 300 Sekunden

Auf diesem Gelände in Cadarache/Südfrankreich entsteht der Versuchsreaktor ITER.
rund einem Drittel dem Demonstrationsreaktor
DEMO, wobei Technologien für
DEMO stetig mehr Gewicht erhalten.
Im Einzelnen befassen die Karlsruher Arbeiten
zur Fusionstechnologie sich mit
Mikrowellenröhren und Antennen zur
Plasmaheizung, mit supraleitenden Magnetspulen
und Stromzuführungen, mit
Blanket und Divertor, mit Komponenten
und Systemen für den Brennstoffkreislauf
und der erforderlichen Vakuumtechnik, mit
der Werkstoffentwicklung einschließlich
der geplanten Neutronenquelle IFMIF und
mit Untersuchungen zur Sicherheit von
Fusionsreaktoren.
Mikrowellenröhren zur
Plasmaheizung
Um die Brennstoffe in einer Fusionsanlage
zu einem Plasma mit einer Temperatur von
über 100 Millionen Grad Celsius zu erhitzen,
bedarf es einer starken externen Heizung.
Die Forscher im KIT-Zentrum Energie
entwickeln dazu Mikrowellenröhren, so genannte
Gyrotrons. Mikrowellenheizsysteme
für Fusionsreaktoren müssen eine Gesamtleistung
von 25 bis 50 Megawatt bei Frequenzen
von 100 bis 170 Gigahertz aufweisen.
Das KIT hat bereits ein 140-Gigahertz-Gyrotron
mit einer Heizleistung von
einem Megawatt entwickelt – das entspricht
rund 1200 Küchenmikrowellen.
Ein Heizsystem aus zehn solchen Gyrotrons
mit einer Gesamtleistung von zehn
Megawatt tragen die Karlsruher zur
Fusionsanlage Wendelstein 7-X in
Greifswald bei.
Supraleitende Magnetspulen
und Stromzuführungen
Benötigt werden im Plasma Magnetfelder
von rund fünf Tesla. Die dazu erforderlichen
Magnetspulen nutzen Supraleiter,
um die Energieverluste zu begrenzen und
eine wirtschaftliche Energiegewinnung zu
ermöglichen. In Karlsruhe haben Entwicklung
und Test von supraleitenden
Magneten eine lange Tradition. Das
KIT-Zentrum Energie verfügt über eine
Tieftemperatur-Testanlage (Toroidal Spulen
Testanlage Karlsruhe – TOSKA) für supraleitende
Magnetspulen und weitere
Komponenten. Um ITER-Bedingungen zu
simulieren, haben die Forscher ein Testbett
konzipiert und installiert, in dem die ITER-
Toroidalfeld-Modellspule (TFMC) erprobt
wurde. Bei dem Test wurde weltweit erst-
mals ein supraleitender Spulenstrom von
80 000 Ampere erreicht.
Überdies entwickelt das KIT-Zentrum Energie
Stromzuführungen, die dazu dienen,
den Betriebsstrom auf die supraleitenden
Spulen zu übertragen. Neben konventionellen
Typen haben die Forscher bereits
Stromzuführungen mit Hochtemperatur-
Supraleitern erprobt, die bis zu 80 000
Ampere Strom transportieren können und
einen besonders wirtschaftlichen Betrieb
der Magnete ermöglichen.
Blanket und Divertor
Das Blanket, welches das Plasma als äußere
Hülle umschließt, erfüllt drei Aufgaben:
Es wandelt die Neutronenenergie aus der
Einbindung des Test Blanket Moduls (hellgrün): Das komplexe System dient dazu, das für die
Fusionsreaktion notwendige Tritium zu erbrüten.
31

TOPIC 5: FUSIONSTECHNOLOGIE
Fusionsreaktion in nutzbare Wärme um,
erbrütet den Brennstoff Tritium durch das
Einfangen von Neutronen in Lithium und
schirmt die supraleitenden Magnete gegen
Neutronen- und Gammastrahlung ab.
Thermische Effizienz und Leistungsdichte
des Blankets bestimmen Leistung und
Wirtschaftlichkeit eines Fusionsreaktors
wesentlich mit.
Die europäische Fusionsforschung verfolgt
beim Blanket zwei verschiedene
Konzepte: HCPB (Helium Cooled Pebble
Bed – heliumgekühltes Feststoffblanket)
und HCLL (Helium Cooled Lithium Lead).
Das KIT-Zentrum Energie trägt zu einzelnen
Bereichen des HCLL-Konzepts bei, wid-
32
Kernspaltung und Fusion
Ein physikalischer Prozess, bei dem ein Atomkern mit einem anderen Atomkern
oder einem Teilchen zusammenstößt und dadurch mindestens ein Atomkern umgewandelt
wird, heißt Kernreaktion. Zwei spezielle, grundsätzlich verschiedene Arten
von Kernreaktionen sind Kernspaltung/Fission und Kernfusion.
Kernspaltung: Ein Atomkern wird in zwei oder mehr Teile zerlegt; dabei wird
Energie frei. Es handelt sich um eine induzierte Spaltung, ausgelöst dadurch,
dass ein frei herumfliegendes Neutron den Atomkern trifft.
Kernfusion: Zwei Atomkerne verschmelzen zu einem neuen Kern. Ist die Masse
der bei der Fusion entstandenen Teilchen geringer als die Summe der Masse der
Ausgangskerne, wird die Massendifferenz in Form von Energie frei. Dann liegt
eine exotherme, das heißt energieliefernde Fusionsreaktion vor.
Versuchsanordnung zum Test einer ITER-
Modellspule.
met sich jedoch hauptsächlich dem HCPB-
Konzept, bei dem es federführend wirkt.
Im KIT-Zentrum Energie sind die Arbeiten
langfristig darauf gerichtet, ein Blanket
für den Demonstrationsreaktor DEMO zu
entwickeln und auszulegen. Zu den konzeptionellen
und konstruktiven Aufgaben
kommen theoretische und experimentelle
Untersuchungen, um die Eigenschaften
von Brutmaterialien und Beryllium zu bestimmen,
das Verhalten der Schüttbetten
unter thermischer Belastung und
Strahlungsbelastung zu ermitteln sowie
Technologien zur Herstellung der Blanket-
Module zu entwickeln und zu erproben.
Erste Funktionstests in ITER sollen zeigen,
Das Tritiumlabor auf dem Campus Nord des KIT.
wie das Blanketkonzept auf magnetische
und thermomechanische Transienten,
Neutronen- und Gammastrahlung reagiert.
Helium-4, sozusagen die Asche der
Kernfusion, sowie unverbrannter
Brennstoff und Verunreinigungen müssen
laufend aus dem Plasma abgeführt werden,
um die Fusion aufrechtzuerhalten.
Dies geschieht über den Divertor. Durch
Magnetfelder werden die Ionen auf gekühlte
Prallplatten gelenkt. Dort verlieren
sie Energie und können Elektronen
einfangen und dadurch zu neutralen
Atomen werden. Vakuumpumpen entfernen
die Atome aus der Brennkammer.
Die Divertorplatten sind zusätzlich zur
Belastung durch die schnellen Neutronen
einer hohen Wärmebelastung ausgesetzt
– der Divertor gehört zu den thermisch am
höchsten belasteten Bauteilen in einem
Fusionsreaktor.
Das KIT-Zentrum Energie ist an der
Entwicklung des Divertors für DEMO federführend
beteiligt. Schwerpunkte sind die
Auswahl und Zusammenstellung geeigneter
Materialien, der belastungs- und
fertigungsgerechte Entwurf des Divertors
einschließlich der Auslegung von
Hochleistungs-Wärmeübertragungsmodulen
sowie Analysen und Experimente,
um die Auslegungsrechnungen zu überprüfen.
Geplant ist auch, ein Divertor-

Testmodul in der zweiten Betriebsphase
von ITER einzusetzen.
Komponenten und Systeme für
den Brennstoffkreislauf und
Vakuumtechnik
Die Brennstoffe Deuterium und Tritium
zirkulieren in einem geschlossenen
Brennstoffkreislauf. Dieser besteht aus
einem äußeren und einem inneren Teil.
Im äußeren Brennstoffkreislauf wird das
im Blanket aus Lithium erbrütete Tritium
durch ein Spülgas ausgetrieben und
von diesem abgetrennt. Im inneren
Brennstoffkreislauf wird zunächst das
Abgas, das aus Helium, Verunreinigungen
und unverbranntem Brennstoff besteht,
mit leistungsfähigen Vakuumpumpen abgesaugt
und der Tritiumanlage zugeführt.
Dort wird das unverbrauchte Deuterium-
Tritium-Gemisch herausgeholt und zusammen
mit Tritium aus dem äußeren Kreislauf
sowie mit von außen zugeführtem
Deuterium in den Torus eingeleitet.
Forscher des KIT-Zentrums Energie waren
federführend am Entwurf des ITER-
Brennstoffkreislaufs beteiligt und stellen
den überwiegenden Teil des inneren
Brennstoffkreislauf für ITER bereit. Das KIT
verfügt mit dem Tritiumlabor Karlsruhe
(TLK) über das einzige wissenschaftliche
Labor in der Europäischen Union, das mit
Tritium in technischem Maßstab für
fusionstypische Anwendungen umgeht –
derzeit ist der Betrieb mit bis zu 40 Gramm
Tritium genehmigt.
Um die Anforderungen hinsichtlich von
Magnetfeldern, Tritiumkompatibilität und
Wartungsfreiheit zu erfüllen, bedarf
es spezieller Pumpen. Die Karlsruher
Forscher haben sogenannte Kryopumpen
entwickelt, die auf Basis von Adsorption
oder Kondensation auf extrem kalten
Oberflächen die abzupumpenden Gase als
Schnee ausfrieren. Das Pumpkonzept wurde
in Karlsruhe erfolgreich getestet und ist
für alle Hochvakuumsysteme von ITER bestimmt.
Derzeit entsteht ein Prototyp der
Toruskryopumpe im Maßstab 1:1, der anschließend
im KIT-Zentrum Energie gründ-
Qualitätskontrolle: Das als Tritium-Brutmaterial entwickelte Lithiumorthosilikat wird im
Rasterelektronenmikroskop geprüft.
lich geprüft wird, bevor die Serienfertigung
der zwölf Pumpen freigegeben wird.
Die Kryopumpen für die Heizsysteme
von ITER werden die größten je in einer
Vakuumpumpe realisierten Saugvermögen
besitzen.
Neutronenquelle IFMIF
Strukturmaterialien für plasmanahe
Komponenten eines Fusionsreaktors müssen
einem ständigen Neutronenbeschuss
sowie hohen Betriebstemperaturen und
Kühlmitteldrücken standhalten, müssen
sich mit anderen Materialien wie Kühlmitteln
und Brutmaterialien vertragen und
dürfen der Umweltverträglichkeit wegen
nur gering aktivierbar sein, das heißt
nur wenig radioaktiv werden. Das KIT-
Zentrum Energie ist an der Qualifizierung
solcher Materialien für DEMO federführend
beteiligt. Um geeignete Materialien
zu finden, bedarf es umfangreicher Tests,
vor allem einer Langzeitbestrahlung
durch Neutronen mit fusionsrelevanten
Spektren. Dazu ist eine beschleunigergetriebene
Deuterium-Lithium-Hochfluss-
Neutronenquelle (International Fusion
Materials Irradiation Facility – IFMIF)
geplant, welche die Anforderungen an
Testvolumina, Neutronenfluss und
Strahlungsschäden erfüllt.
Das KIT-Zentrum Energie ist für den
Teilbereich „Test Facilities“ der EU zuständig.
Forschungsarbeiten fokussieren dabei
auf die Entwicklung der Testzelle und
einiger Testmodule sowie auf die neutronenphysikalischen
Berechnungen mit
Generierung von nuklearen Daten.
Sicherheitsforschung
Im Rahmen der Sicherheitsforschung
zur Kernfusion legen die Karlsruher
Forscher hypothetische Störfälle und
daraus folgende Belastungen von
Strukturen zugrunde, stellen umfangreiche
theoretische und experimentelle
Untersuchungen an und simulieren
Verbrennungsvorgänge am Rechner. Die
Sicherheitsuntersuchungen für ITER befassen
sich schwerpunktmäßig mit der
Analyse von Wasserstoffverteilungs-
und Verbrennungsvorgängen. Werden
Grenzwerte überschritten, entwickeln die
Forscher Gegenmaßnahmen und weisen
deren Wirksamkeit in dreidimensionalen
Simulationsrechnungen nach. Außerdem
untersuchen sie die verschiedenen für
ITER relevanten Staubmischungen auf ihre
Explosionseigenschaften und unterwerfen
sie prototypischen Bedingungen für
Aufwirbelung und Verbrennung, um vorhersagefähige
Staubexplosionsmodelle zu
entwickeln.
33

TOPIC 6: KERNENERGIE UND SICHERHEIT
Sicherheitsforschung für Endlager: Untersuchung der
chemischen Form von Actiniden mit hochempfindlicher
Laserspektroskopie.
34
VORSORGENDE
FORSCHUNG
Unabhängig von der Entscheidung über die weitere Nutzung der
Kernenergie in Deutschland hat die Sicherheit kerntechnischer Anlagen
oberste Priorität. Das KIT-Zentrum Energie bildet ein Exzellenzzentrum der
Forschung, Innovation und Lehre auf dem Gebiet der nuklearen Sicherheit.

Um heute und zukünftig den hohen
Sicherheitsstandard der Kernkraftwerke,
die sichere Behandlung und Entsorgung
der radioaktiven Abfälle und den
Strahlenschutz der Bevölkerung zu gewährleisten,
ist hervorragendes wissenschaftlich-technisches
Know-how zwingend
erforderlich. Dazu soll, wie auch die
High-Tech-Strategie der Bundesregierung
vorsieht, die nukleare Sicherheits- und
Endlagerforschung verstärkt werden. In
Deutschland muss Spitzenforschung stets
in enger internationaler Zusammenarbeit
erfolgen. Nur so ist es möglich, den aktuellen
Stand von Wissenschaft und
Technik zu halten und zu verbessern, modernste
Sicherheitsstandards anzuwenden,
aber auch die Sicherheit nuklearer
Einrichtungen in Nachbarländern zu beurteilen.
Unverzichtbar ist die Ausbildung
von hochqualifizierten Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftlern. Nur so
kann die notwendige Kompetenz erhalten
und weiter verstärkt werden, auf die
die Forschung, aber auch Hersteller und
Betreiber von nuklearen Anlagen sowie
Genehmigungs- und Aufsichtsbehörden
und Sachverständigenorganisationen auch
zukünftig angewiesen sind.
Die nukleare Sicherheitsforschung in
Karlsruhe nimmt seit Jahrzehnten eine führende
Rolle ein. Das KIT-Zentrum Energie
stellt mit seinen Arbeiten zur nuklearen
Sicherheit, zur Endlagerung und zur
Strahlenschutzforschung das kerntech-
Kühlexperimente: Bei den QUENCH-Experimenten (Quenching – Abschrecken) in der KIT-
Versuchsanlage geht es um das Einleiten von Wasser in den überhitzten Kern eines Leichtwasserreaktors
– eine Schutzmaßnahme zur Temperaturabsenkung.
nische Exzellenzzentrum in Deutschland
dar. Es ist aktiv an allen relevanten internationalen
Projekten und Gremien beteiligt,
gestaltet sie maßgeblich mit und bleibt dadurch
stets auf dem aktuellsten internationalen
Stand. KIT strebt die Federführung
bei der Beteiligung von Deutschland an der
internationalen Initiative „Generation IV“
zur Entwicklung der Kernenergiesysteme
der Zukunft an.
Im Topic „Kernenergie und Sicherheit“
des KIT-Zentrums Energie bearbeiten
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
im Sinne der gesellschaftlichen Vorsorgeforschung
vier Forschungsfelder: Sicherheit
der Kernreaktoren, Sicherheit der nuklearen
Entsorgung, Strahlenschutz und
Rückbautechniken.
Sicherheit der Kernreaktoren
Forscherinnen und Forscher des KIT
untersuchen und bewerten wesentliche
internationale Entwicklungen zur Reaktorsicherheit
bestehender sowie zukünftiger
Anlagen und zu neuen Technologien.
35

TOPIC 6: KERNENERGIE UND SICHERHEIT
Bei den neuen Technologien liegt ein
Fokus auf den für die Generation IV von
Kernenergiesystemen zu entwickelnden
Sicherheitskonzepten und dem möglichen
Transmutationspotenzial zum
Schließen des Brennstoffkreislaufs. Ein
geschlossener Brennstoffkreislauf mit
Leichtwasserreaktoren, fortgeschrittenen
Transmutationsanlagen zur Umwandlung
langlebiger Radionuklide und Endlagerung
ermöglicht es, den Brennstoff optimal auszunutzen,
Volumen, Radiotoxizität und
Wärmemenge des in ein Endlager einzubringenden
Abfalls effektiv zu reduzieren
36
Kriterien für Kernreaktoren
der Generation IV
Nachhaltigkeit: möglichst effiziente
Nutzung der verfügbaren
Kernbrennstoffe, Minimierung
radioaktiver Abfälle, Reduzierung
der Langzeit-Radiotoxizität
Wirtschaftlichkeit: wettbewerbsfähige
Kosten und Minimierung der
finanziellen Risiken
Sicherheit: sehr hohe Standards,
äußerst geringe Wahrscheinlichkeit
von schweren Reaktorschäden,
kein Bedarf an Notfallschutzmaßnahmen
außerhalb der
Anlagen
Proliferationsresistenz: hohe
Barrieren gegen die Weiterverbreitung
von spaltbarem Material,
Schutz vor terroristischen Anschlägen
LIVE-Experiment zur Kühlbarkeit der Kernschmelze
im Reaktordruckbehälter.
und bei der Endlagerung von geologischen
zu historischen Zeiträumen überzugehen.
Insgesamt hat die Reaktor- und Anlagenauslegung
eine große Bedeutung. Wissenschaftler
am KIT führen Experimente
durch, beispielsweise zur Thermo- und
Fluiddynamik eines Reaktors, die der
Qualifizierung von Rechenprogrammen
und numerischen Methoden dienen. Für
die Sicherheit besonders relevant sind
Prozesse und Phänomene bei Auslegungsstörfällen,
das heißt Störfallereignissen,
gegen die das Kraftwerk ausgelegt ist,
ohne dass aus der Anlage radioaktive
Strahlung oberhalb der zulässigen Grenzwerte
austritt, sowie bei auslegungsüberschreitenden
Störfällen. Dabei geht
es nicht nur darum, den möglichen Ablauf
von Störfällen zu beschreiben, sondern
auch darum, mögliche Maßnahmen zu
entwickeln, die den Störfall frühzeitig beenden
oder dessen Folgen auf die Anlage
selbst begrenzen.
Im Einklang mit dem internationalen
Ausbau der Kernenergie richtet sich die
Forschung des KIT zunehmend auf neu
entwickelte kerntechnische Systeme
und Technologien wie beispielsweise im
Generation IV International Forum (GIF).
Diese internationale Forschungskooperation
zur Entwicklung künftiger Kernenergiesysteme
wurde 2001 von zehn Nationen
begründet: Argentinien, Brasilien,
Frankreich, Großbritannien, Japan,
Kanada, Schweiz, Südafrika, Südkorea,
USA. 2003 trat die Europäische Atomgemeinschaft
(EURATOM) bei, 2007 schlossen
die Russische Föderation und China
sich an. Die Kernenergiesysteme der
Generation IV sollen nicht nur Strom erzeugen,
sondern für ein breiteres Anwendungsspektrum
der Energiegewinnung,
wie beispielsweise Prozesswärme und
Wasserstoff, zur Verfügung stehen. Das
GIF legte in einer 2002 veröffentlichten
Technology Roadmap die generellen Entwicklungsziele
fest. Demnach sollen die
Kernreaktoren der Generation IV umfangreiche
Kriterien der Nachhaltigkeit,
Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und
Proliferationsresistenz erfüllen.
GESA IV: Gepulste Elektronenstrahl-Anlage zur Behandlung von Hüllrohren.

Nukleare Entsorgung
Zur sicheren nuklearen Entsorgung werden
innerhalb des KIT-Zentrums Energie
Forschungsarbeiten zur Immobilisierung
hochradioaktiver Abfälle, zur Reduzierung
der Radiotoxizität und zur Langzeitsicherheit
von nuklearen Endlagern durchgeführt.
Flüssige hochradioaktive Abfälle,
wie sie bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter
Kernbrennstoffe anfallen,
werden zur sicheren Endlagerung in einer
Glasmatrix verfestigt. Dazu haben Karlsruher
Forscher eine Verglasungstechnologie
entwickelt, die bei der Immobilisierung
der hochradioaktiven Spaltproduktlösungen
aus der ehemaligen
Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe
(WAK) zum Einsatz kommt und die auch
international in anderen Projekten angewandt
werden soll.
Wenn es gelingt, langlebige Radionuklide
aus radioaktiven Abfällen abzutrennen
(Partitioning) und diese in geeigneten
Anlagen zu kurzlebigen oder stabilen
Produkten umzuwandeln (Transmutation),
kann die Langzeitradiotoxizität der verbleibenden
Abfälle entscheidend reduziert
werden. Im KIT-Zentrum Energie wird in internationaler
Kooperation untersucht, ob
Partitioning und Transmutation technisch
machbar sind und welche Vorteile diese
Schmelzofenzelle der Prototypverglasungsanlage.
Durchflussmesser für Flüssigmetallströme.
Technologie für die Entsorgung langlebiger
Radionuklide bietet.
Die Endlagerung radioaktiver Abfälle in
tiefen geologischen Formationen hat
das Ziel, die Abfälle langfristig von
Glasabfüllung in eine Edelstahlkokille.
der Biosphäre zu isolieren. Die KIT-
Wissenschaftler entwickeln die
Grundlagen für einen wissenschaftlich
fundierten Langzeitsicherheitsnachweis.
Im Mittelpunkt stehen die Actiniden und
langlebigen Spaltprodukte, die für das
37

TOPIC 6: KERNENERGIE UND SICHERHEIT
Heiße Zellen: Mit Fernhantierungstechnik werden hochradioaktive Abfallprodukte untersucht.
Radiotoxizitätspotenzial hochradioaktiver
Abfälle über hunderttausende
von Jahren verantwortlich sind. Die KIT-
Forscher untersuchen geochemisch-physikalische
Prozesse, die für Freisetzung oder
Rückhaltung der Radionuklide unter
Endlagerbedingungen verantwortlich
sind. Diese grundlegenden Arbeiten sind
eng mit anwendungsorientierten Untersuchungen
an echten radioaktiven
Abfällen sowie mit Untersuchungen unter
naturnahen Bedingungen verknüpft,
beispielsweise in Untertagelabors in
Schweden, in der Schweiz und in
Frankreich. Die Forschungsergebnisse fließen
ein in die Bewertung, Auswahl und
Untersuchung von Endlagerstandorten bis
hin zu einem geochemisch fundierten
Langzeitsicherheitsnachweis. Die
Karlsruher Forscher verfügen auf dem KIT-
Campus Nord über aufwendige experimentelle
Einrichtungen, wie Kontrollbereiche,
Actinidenlabors und Heiße
Zellen, die in Kombination mit analytischen
und spektroskopischen Methoden zur
Untersuchung radioaktiver Stoffe weltweit
einmalig sind.
38
Strahlenschutz
Im Rahmen des Vorsorgegebots haben
Karlsruher Forscher das Echtzeit-Entscheidungshilfesystem
RODOS (Real-time
Online DecisiOn Support) für Notfallschutzzentralen
entwickelt, das bei
Freisetzungen von radioaktiven Stoffen in
die Umwelt die Entscheidungsträger unterstützt,
diejenigen Maßnahmen zu identifizieren,
die den größtmöglichen Schutz der
Bevölkerung vor Strahlenschäden gewähr-
Computersimulationen: ein Hilfsmittel im Strahlenschutz.
leisten. Das RODOS System ist in vielen europäischen
Ländern installiert und wird in
der Bundesrepublik Deutschland operationell
vom Bundesamt für Strahlenschutz
betrieben.
Die Strahlenschutzforschung im KIT befasst
sich mit Radionukliden in der Umwelt,
ihrem Transport in Nahrungsketten zum
und im Menschen sowie mit Strahlenexpositionen
durch Anwendung von
Radionukliden in der Medizin. Im Mittelpunkt
steht der Mensch mit seinen
individuellen anatomischen und physiologischen
Besonderheiten. Die Wissenschaftler
entwickeln Verfahren, um
Strahlenexpositionen des betroffenen
Menschen zu ermitteln, und empfehlen
Maßnahmen zum Strahlenschutz.
Zur Messung von Radionukliden in der
Umwelt und zur Ermittlung der Strahlenexposition
in Photonen-, Neutronen-
und Beta-Strahlungsfeldern verfügt das
KIT über umfangreiche Detektor- und
Auswertesysteme. In einem speziellen In-
Vivo-Messlabor sind ein Ganzkörperzähler
und verschiedene Teilkörperzähler zum
Nachweis von Radionukliden im menschlichen
Körper vorhanden.

Rückbautechniken
Das KIT betreibt das derzeit größte deutsche
Versuchsfeld zum Rückbau kerntechnischer
Anlagen. Ein Schwerpunkt liegt
auf Kernreaktoren mit unterschiedlichen
Kühlmitteln wie Wasser, Schwerwasser,
Gas oder Flüssigmetall. Die technologische
Weiterentwicklung ist auf eine intelligente,
rückbaufreundliche Konstruktion von kerntechnischen
Anlagen sowie den Rückbau
von modernen Leichtwasserreaktoren
selbst ausgerichtet.
Ausstattung
Das KIT verfügt über vielfältige Versuchseinrichtungen
für die Forschung zur
nuklearen Sicherheit, die zum Teil einzigartig
in Europa sind.
Dazu gehören Wasserversuchsstände zur
Untersuchung relevanter Phänomene
in Leichtwasserreaktoren, ein Wasserstofftechnikum,
Großversuchsanlagen zu auslegungsüberschreitenden
Störfällen, das
Flüssigmetalllabor Karlsruhe (KALLA), sowie
die Hochtemperatur-Hochdruck-
Heliumkreisläufe HEBLO im Labormaßstab
und HELOKA im Technikumsmaßstab.
Für die Sicherheitsforschung zur nuklearen
Entsorgung stehen ein Actinidenlabor
und ein kerntechnischer Kontrollbereich
sowie die INE-Actinidenbeamline an der
Synchrotronstrahlungsquelle ANKA zur
Verfügung.
Der Bereich Strahlenschutz besitzt eine
eigene Kalibrierhalle für β-Teilchen,
Photonen und Neutronen sowie Radon.
Im Wasserstofftechnikum führen KIT-Wissenschaftler Experimente zur Wasserstoffverteilung
und -verbrennung für die Sicherheit von Kernreaktoren durch. In großen Drucktank-Explosionslaboren
lassen sich unterschiedliche Unfallszenarien nachstellen und untersuchen.
39

TOPIC 7: ENERGIESYSTEMANALYSE
Düsseldorf bei Nacht: Die Energiesysteme einer
Großstadt sind vielfältig miteinander verknüpft.
40
DAS GANZE IM BLICK
Energiesysteme sind untereinander vielfältig verknüpft und stehen
in Wechselwirkung mit technischen, sozialen und ökonomischen
Entwicklungen. Das Ganze im Blick zu behalten ist unabdinglich, um
Zusammenhänge zu verstehen und Konzepte für die Zukunft zu entwickeln.
Daher verfolgt die Energiesystemanalyse am KIT interdisziplinäre Ansätze.

Die Nachfrage nach Energie steigt, die fossilen
Ressourcen sind begrenzt, das Klima
wandelt sich – wie kann der Energiemix
der Zukunft aussehen? Über die Forschung
zu spezifischen Technologien und einzelnen
Technologiefeldern hinaus befassen
sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
am KIT-Zentrum Energie mit
Gesamtsystemfragen. Die Analyse von
Energiesystemen in ihrer Gesamtheit und
unter wechselseitigen Einflüssen dient zum
einen dazu, einen langfristigen Rahmen
zu erarbeiten und stetig fortzuentwickeln,
an dem sich die weitere Ausrichtung
der im KIT-Zentrum Energie behandelten
Themen orientiert. Zum anderen geht
es darum, Modelle und Konzepte für die
Energieversorgung der Zukunft zu entwickeln.
In beiden Zielen inbegriffen ist das
Anliegen, einen Beitrag zur gesellschaftlichen
Meinungsbildung zu leisten.
Wie der Energiemix der Zukunft aussehen
kann, hängt von verschiedenen Faktoren
ab. Dazu gehören einerseits Entwicklungen
in der Energietechnik selbst, aber auch in
Schlüsseltechnologien wie beispielsweise
Materialforschung und Nanowissenschaft,
andererseits natürliche Bedingungen wie
die Endlichkeit fossiler Energien und der
Klimawandel. Weiterhin sind gesellschaftliche
Größen wie demografischer Wandel,
aufholende Entwicklung in Entwicklungs-
und Schwellenländern und die Forderung
nach Nachhaltigkeit einzubeziehen.
Schließlich kommt auch den politischen
und ökonomischen Rahmengegebenheiten
wesentliche Bedeutung zu, besonders den
Bedingungen, unter denen technische
Innovationen sich in den Märkten umsetzen
lassen.
Interdisziplinäre Ansätze
Eine solch komplexe Thematik erfordert
interdisziplinäre Ansätze. Das KIT-
Zentrum Energie bringt daher technik-,
natur-, sozial- und wirtschaftswissenschaftliche
Kompetenzen systematisch
zusammen. So fließen Sachwissen aus
verschiedenen Disziplinen und methodische
Kenntnisse zur Modellierung in die
Energiesystemanalyse ein. Dieses Topic
Systemanalyse
Ein System besteht aus in eine Struktur gefügten Elementen, die aufeinander bezogen
sind und wechselseitig aufeinander wirken. Jedes System lässt sich als Einheit
betrachten, ist von seiner Umwelt abgegrenzt und tauscht sich zugleich mit dieser
aus. Es zeichnet sich durch Kontinuität und Stabilität, aber auch durch Dynamik
aus. Systemanalyse verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz. Dabei konstruiert der
Untersuchende ein Modell des Systems, indem er die relevanten Elemente und
Beziehungen auswählt und damit ein abstrahiertes Abbild der Wirklichkeit schafft.
Anhand eines solchen Modells lassen sich Aussagen über vergangene und zukünftige
Entwicklungen des Systems in bestimmten Szenarien treffen.
steht in ständigem Austausch mit den anderen
Topics im KIT-Zentrum Energie.
Spezielle Task Forces mit Vertretern der jeweils
betroffenen Topics erarbeiten gesichertes
Wissen über Potenziale einzelner
Techniklinien und spezifische
Energiezukünfte. Zudem besitzt das Topic
„Energiesystemanalyse“ einen besonders
engen Bezug zum Forschungsfeld „Energie
und Gesellschaft“.
Energiesystemanalyse erstreckt sich auf
übergreifende Aspekte entlang der ganzen
Kette der Erschließung, Umwandlung,
Speicherung, Verteilung und Nutzung
von Energie. Die Wissenschaftler des KIT
betrachten Energiesysteme in ihrer
Gesamtheit und in ihren Wechselwirkungen
mit anderen Bereichen wie
Rohstoffwirtschaft, Bauwesen, Industrie
und Verkehr. Sie entwickeln Modelle von
Energiesystemen und koppeln sie an mesoskalige
Modelle von atmosphärischen
Prozessen wie auch an makroökonomische
Modelle, das heißt Abbildungen von gesamtwirtschaftlichen
Zusammenhängen.
Auch untersuchen sie die Wechselwirkungen
von Energiesystemen mit Megatrends
wie Digitalisierung oder Globalisierung.
Zusätzlich berücksichtigen sie Sektoren wie
Industrie und Verkehr hinsichtlich der
CO 2 -Minderungsziele, der Reduzierung
sonstiger Treibhausgase und der Schadstoffverringerung.
Sie untersuchen und
bewerten Konzepte zum Nachfragemanagement
und ihre Auswirkungen
auf Stabilität der Energiesysteme,
Versorgungssicherheit und Preise. Die
Interregionaler Stromaustausch im europäischen Energiesystem: Dieser ist seit der Liberalisierung
der Energiemärkte signifikant angestiegen.
41

TOPIC 7: ENERGIESYSTEMANALYSE
Ergebnisse aus diesen Forschungsfeldern
gehen in übergreifende Modelle und in die
Entwicklung konsistenter Energiezukünfte
ein. Im Einzelnen erarbeiten Forscherinnen
und Forscher am KIT-Zentrum Energie
Energiesystemmodelle zum Planen von
Kraftwerkseinsatz und -ausbau. Weiterhin
analysieren sie die langfristige Entwicklung
von Energiesystemen unter unsicheren
Rahmenbedingungen, untersuchen und
bewerten Prozessketten der Wärme-,
Strom- und Kraftstoffbereitstellung sowie
politische Instrumente und nehmen
Marktanalysen für energietechnische
Produkte und Energiedienstleistungen vor.
Analyse von
Zukunftsvorstellungen
Solche Projekte erfordern die Kompetenz,
konsistente und objektivierbare Zukunftsvorstellungen
zu gestalten und zu beurteilen.
Erste Grundlagen dafür schafft eine
von der Industrie und vom KIT gemeinsam
getragene Forschergruppe (Shared
Research Group – SRG), die sich mit der
Objektivierbarkeit von Zukunftsannahmen
am Beispiel der Energiezukünfte befasst.
Energieinfrastrukturen verursachen hohe
Investitionen, und einmal errichtete Großanlagen
werden üblicherweise lange
Zeit betrieben, so dass Entscheidungen
im Energiebereich die zukünftigen Verhältnisse
langfristig bestimmen oder zumindest
beeinflussen. Dazu kommt,
dass Energie zentrale Bedeutung für das
Funktionieren moderner Volkswirtschaften
42
Megatrend
Gesellschaftliche oder technologische
Trends, die sich über lange
Zeitabschnitte und große geographische
Räume erstrecken, dabei
tiefgreifend und nachhaltig wirken,
heißen Megatrends. Beispiele sind
Globalisierung, Alterung der Gesellschaft,
Digitalisierung und Informatisierung.
besitzt. Daher liegen für Energieforschung
und Energiebereitstellung bereits zahlreiche
aufwendig erstellte Zukünfte vor.
Beispiele sind die Shell-Szenarien und die
BP-Szenarien, die Szenarien des World
Energy Council und der Internationalen
Energieagentur der OECD sowie die laufend
fortgeschriebenen Energieszenarien
der Prognos AG. Auch das KIT selbst
erstellt Szenarien auf der Basis von
Modellen. Die Shared Research Group
setzt sich mit diesen und weiteren bereits
vorliegenden Energiezukünften auseinander.
Diese Forschergruppe, die philosophische,
wirtschafts- und technikwissenschaftliche
Ansätze miteinander verbindet,
soll Energiezukünfte wie Prognosen,
Szenarien oder Visionen wissenstheoretisch
und wissenschaftstheoretisch analysieren.
Langfristig soll daraus eine Basis
von Konzepten und Kriterien für eine allgemeine
Theorie des Zukunftswissens erwachsen.
Eine solche allgemeine Theorie
erfordert, Zukünfte und ihre Bestandteile
zu klassifizieren, Fragen der Geltung und
der Objektivität zu diskutieren sowie
verschiedene Voraussetzungstypen zu
identifizieren. Auf der Ebene konkreter
Energiezukünfte geht es darum, spezifische
Modelle und Szenarien im
Energiebereich zu untersuchen und mit
dem erarbeiteten allgemeinen begrifflichen
Instrumentarium eine Typologie der
Energiezukünfte unter Aspekten der
Objektivität zu erstellen – wobei Objektivität
nicht das Eintreten der erwarteten
Zukünfte bedeuten kann, sondern deren
wissensbasierte Gestaltung. Zusätzlich
gilt es, die relevanten Ad-hoc-Annahmen,
Werte, Interessen und Kontroversen zu
analysieren, die hinter divergierenden
Energiezukünften stehen. Das erarbeitete
Instrumentarium soll sich längerfristig
auch auf anderen Technikfeldern einsetzen
lassen.
Methodisch greift die Forschergruppe
„Energiezukünfte“ auf Verfahren der
Wissenschaftstheorie und der Argumentationstheorie
zurück, beispielsweise
Großkraftwerke spielen auch heute noch eine zentrale Rolle in der Energieversorgung.

Lichternetz über der nördlichen Hemisphäre.
die rationale Rekonstruktion und die
Diskursanalyse, und entwickelt sie ihren
Zwecken entsprechend weiter. Was die
konkreten Energiezukünfte betrifft, betrachten
die Forscher am KIT zunächst
die vorhandenen Zukunftsvorstellungen
auf der nationalen und der europäischen
Ebene, bevor sie ihre Untersuchungen
auf die globale Ebene erweitern. Über
die Forschergruppe hinaus ist vorgesehen,
die Rolle von Energiezukünften in
der Energiepolitik und beim Festlegen einer
Agenda der Energieforschung zu betrachten.
Energiemärkte im Wandel
Die Struktur von Energiesystemen und
die Energiemärkte unterliegen seit einigen
Jahren einem Wandel, der auch in
den nächsten Jahren weitergehen wird.
Zurückzuführen ist dies auf technische
Innovationen ebenso wie auf legislative
Rahmenbedingungen auf nationaler und
internationaler Ebene – als Beispiel sei der
Emissionsrechtehandel genannt –, welche
die Wettbewerbsfähigkeit verschiedener
Energietechnologien beeinflussen.
Verbesserte Energiemanagementsysteme
und informationstechnische Unterstützung
lassen erwarten, dass Endkunden beim
Stromkauf flexibler agieren. Die Förderung
von erneuerbaren Energien und ener-
gieeffizienten Technologien – Beispiel
Kraft-Wärme-Kopplung – führt zu
Energiesystemen, in denen konventionelle
Großanlagen und viele dezentrale Anlagen
nebeneinander bestehen.
Angesichts der sich wandelnden energiewirtschaftlichen
Rahmenbedingungen und
der neuen wettbewerblichen Gegebenheiten
benötigen alle Marktteilnehmer –
Energieversorger und Endkunden, intermediäre
Akteure und Kontrollinstanzen –
verstärkt strategische Modelle, die sie bei
Entscheidungen unterstützen. Mit
solchen Modellen befasst sich die Nachwuchsforschergruppe
(Young Investigator
Group – YIG) „Neue methodische
Ansätze im Energiebereich“ des KIT.
Unsicherheiten und ihre Auswirkungen auf die Planung in der Energieversorgung.
43

TOPIC 7: ENERGIESYSTEMANALYSE
Anhand von Analysen der liberalisierten
Energiemärkte entwickelt diese Nachwuchsforschergruppe
vorhandene Modelle
methodisch weiter. Dabei berücksichtigen
die Forscherinnen und Forscher technoökonomische
und ökologische Charakteristika
von Energietechnologien, um
Wechselwirkungen zwischen Energieumwandlung
und Umweltzielen angemessen
zu erfassen. Sie nehmen die
Modellierungen mit variablem Zeithorizont
auf geeigneten Aggregationsebenen wie
Anlage, Betrieb oder Region vor, und zwar
auf der operationalen Ebene ebenso wie
auf der taktischen und auf der strategischen
Ebene.
Die Nachwuchsforschergruppe bearbeitet
beispielsweise Fragen der künftigen
Ausgestaltung des Emissionsrechtehandels,
das heißt der Zuteilungsregeln, sowie der
Integration von dezentralen Energieumwandlungstechnologien.
Um Struktur
und Rahmenbedingungen von Energiesystemen
adäquat in Modellen abzubilden,
entwickeln die Forscher drei methodische
Ansätze weiter: die stochastische
Programmierung, ein generischer Ansatz
zur Lösung von Problemen unter unsicheren
Einflüssen, die agentenbasierte
Simulation, welche verschiedene Agenten
mit individuellen Zielen, Entscheidungs-
und Handlungsmöglichkeiten in ihrer
Wasserkraft leistet einen wichtigen Beitrag
zur Netzstabilität.
44
Interaktion mit dem System abbildet, sowie
Nodal-Pricing-Modelle, bei denen das
gesamte Netz nach Netzknotenpunkten in
einzelne Mikromärkte gesplittet wird.
Energie- und Stoffströme
Ein weiteres Ziel des Topics ist die technische
und wirtschaftliche Analyse von
Energie- und Stoffströmen, um strategische
und umweltrelevante Fragen
zu beantworten. Dabei betrachten die
Wissenschaftler am KIT Energie- und
Stoffströme von Nationen oder Regionen
wie auch von einzelnen Unternehmen.
Strategische Fragen beziehen sich beispielsweise
auf die Planung von Kapazitätsausbau
und Kapazitätseinsatz, die
Bezugsoptimierung und die Technologiebewertung.
Umweltrelevante Fragen
betreffen unter anderem Emissionsminderungsstrategien
und Instrumentenbewertung.
Um Entscheidungen zu unterstützen,
haben Forscher des KIT ein spezielles
Programmpaket entwickelt: PERSEUS
(Program Package for Emission Reduction
Strategies in Energy Use and Supply) besteht
aus verschiedenen Modulen, die
sich nach methodischen wie auch nach
anwendungsorientierten Kriterien ein-
teilen lassen. Aus den Modulen lassen
sich optimierende individuelle Energie-
und Stoffflussmodelle zusammenstellen,
die auf die jeweiligen Anforderungen
– beispielsweise auf den Bilanzraum
oder auf die Detailabbildung von
Technologien – genau abgestimmt sind.
PERSEUS ermöglicht die Entwicklung von
Energieversorgungsstrategien unter
Berücksichtigung aller relevanten Energie-
und Stoffströme. Abgebildet wird der
gesamte Energiebereich von den Ressourcen
über verschiedene Stufen der Energieumwandlung
bis hin zur Bereitstellung von
Endenergien.
Forschung für den Energiemix von morgen: Natürliche, demographische, politische, soziale
und ökonomische Faktoren fließen mit in die Energiesystemanalyse ein.

Gesellschaftliche Aspekte
Der Erfolg technischer Innovationen hängt
mit davon ab, dass die gesellschaftlichen
Zusammenhänge und Einflüsse angemessen
erfasst und eingeschätzt werden.
Dies betrifft nicht nur ökonomische Verhältnisse
sowie politische und rechtliche
Rahmenbedingungen, sondern auch
soziale und ethische Aspekte, die
Problemwahrnehmung in der Öffentlichkeit
und Fragen der Technikakzeptanz
in der Bevölkerung.
Die Erforschung der gesellschaftlichen
Faktoren dient dazu, das Innovationspotenzial
von Energietechnologien zu
beurteilen sowie entscheidungs- und
handlungsrelevantes Wissen für die
Gesellschafts- und Politikberatung bereitzustellen,
auch und gerade im Kontext der
europäischen Regulierungen. Dabei geht
es einerseits darum, die Folgen von technischen
Entwicklungen für die Gesellschaft
zu untersuchen, das heißt die Chancen
und Risiken dieser Entwicklungen festzustellen,
andererseits aber auch darum,
den aus gesellschaftlichen Anforderungen
erwachsenden Bedarf an technischen
Entwicklungen zu ermitteln. Beispiele für
solche Anforderungen liefern der demografische
Wandel oder die Forderung nach
Nachhaltigkeit. Zu diesem Forschungsfeld
gehört auch, Wirkungen möglicher regulatorischer
Anreize sowie bereits vorhandener
Bestimmungen auf Energiemärkte
und Energieunternehmen zu untersuchen.
Dazu ist eine enge Kooperation mit dem
entstehenden KIT-Schwerpunkt „Mensch
und Technik“ vereinbart.
Konkrete Projekte beziehen sich beispielsweise
auf nachhaltige Energieversorgung
in Megastädten, auf gesellschaftliche
Fragen der Geothermie sowie auf Fusions-
und Preiskontrolle im Energiesektor.
Neben Großanlagen werden zukünftig auch dezentrale Stromerzeugungstechnologien eine
wichtige Rolle im Energiesystem spielen.
Informations- und Kommunikationstechnologien werden auch bei der Energiesystemanalyse
immer wichtiger.
Internationale Projekte
Die am KIT gewonnenen Erkenntnisse,
besonders zur zukünftigen Energieversorgung,
zur Energiesystemmodellierung,
zur Nachhaltigkeit und zu den
erneuerbaren Energien fließen auch in internationale
Projekte ein, vor allem auf
EU-Ebene sowie in Südostasien und
Südamerika. Ein Beispiel ist das von der
Europäischen Union gestartete „ASEM-
Green Independent Power Producers
Network“, das sich mit Projekte zu erneuerbaren
Energien beschäftigt und Akteure
aus Forschung, Industrie und Politik zusammenbringt.
Ziel ist der Wissens- und
Erfahrungsaustausch zwischen Europa und
Südostasien über Projektstrukturen und
Finanzierungsansätze, Technologien und
Ressourcen, politische Instrumente und
Regulierung.
Das Projekt „Regional Energy Policy
and Planning in ASEAN for Sustainable
Development“ (REPP-ASD) zielt darauf
ab, Erfahrungen und Kompetenzen beim
Formulieren und Implementieren von
Politikansätzen und Indikatoren zur nachhaltigen
Entwicklung im Energiebereich
von der Europäischen Union auf die
ASEAN Region zu übertragen.
45

KARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE (KIT)
Das Karlsruher Institut für Technologie ist
der Zusammenschluss der Universität
Karlsruhe (TH) und des Forschungszentrums
Karlsruhe. Im KIT bündeln zwei
starke Partner ihre Kompetenzen und
Ressourcen zu einer Einrichtung mit zwei
Missionen: einer Universität des Landes
Baden-Württemberg mit Aufgaben in
Lehre und Forschung und eines nationalen
Forschungszentrums in der Helmholtz-
Gemeinschaft mit programmorientierter
Vorsorgeforschung im Auftrag des Staates.
Das KIT setzt auf das Wissensdreieck
Forschung, Lehre und Innovation.
Das KIT, das am 1. Oktober 2009 gegründet
wurde, ist eine Körperschaft des öffentlichen
Rechts nach den Gesetzen des
Landes Baden-Württemberg mit knapp
9000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
und einem Jahresbudget von rund 680
Millionen Euro. Damit wurde ein Konzept
in die Tat umgesetzt, das in der deutschen
Wissenschaftslandschaft einmalig ist.
Räumlich gliedert sich das KIT in den
Campus Süd – das Gelände der ehemaligen
Universität in der Karlsruher
Innenstadt – und den Campus Nord –
das Gelände des ehemaligen Forschungszentrums
nördlich der Stadt Karlsruhe.
46
Durch die Fusion zum KIT entstand in
Karlsruhe eine der weltweit größten
Forschungs- und Lehreinrichtungen mit
dem Potenzial auf ausgewählten
Forschungsgebieten eine weltweite
Spitzenposition einzunehmen. Das Ziel
ist eine Institution international herausragender
Forschung in den Natur- und
Ingenieurwissenschaften sowie hervorragender
Lehre, Nachwuchsförderung
und Weiterbildung. KIT setzt als Innovationspartner
auf die enge Kooperation
mit der Wirtschaft. Das KIT ist ein führendes
europäisches Zentrum in der
Energieforschung und spielt eine weltweit
sichtbare Rolle in den Nanowissenschaften.
KIT-Zentren und KIT-Schwerpunkte bündeln
die Forschungsprojekte organisatorisch.
Sie dienen der thematischen
Profilierung der Forschung und der strategischen
Forschungsplanung am KIT.
KIT-Zentren:
Energie
NanoMikro
Elementarteilchen- und Astro-
teilchenphysik
Klima und Umwelt
Mobilitätssysteme
KIT-Schwerpunkte:
COMMputation
Optik und Photonik
Mensch und Technik
Anthropomatik und Robotik
Die Grundlage der Forschung des KIT
bildet das Kompetenzportfolio bestehend
aus sechs Kompetenzbereichen, in dem
sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
des KIT entsprechend ihrem
Fachwissen Kompetenzfeldern zuordnen.
Das Kompetenzportfolio des KIT entwickelt
sich dynamisch fort und greift
neue wissenschaftliche Fragestellungen
auf.
KIT-Kompetenzbereiche:
Materie und Materialien
Erde und Umwelt
Angewandte Lebenswissenschaften
Systeme und Prozesse
Information, Kommunikation und
Organisation
Technik, Kultur und Gesellschaft

Impressum
Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12
76131 Karlsruhe
Presse, Kommunikation und Marketing (PKM)
Telefon 0721 608-47414 oder
Telefon 0721 608-22861
E-Mail info@kit.edu
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg
und nationales Forschungszentrum in der
Helmholtz-Gemeinschaft
Karlsruhe
© KIT 2011
Redaktion Monika Landgraf
Text Dr. Sibylle Orgeldinger
Bildredaktion Gabi Zachmann, Monika
Landgraf, Wilfrid Schroeder
Fotos Hans-Jörg Bauer, Patrick Beuchert,
Markus Breig, Victor S. Brigola, Paul Coerten,
EnBW AG, Andrea Fabry, Sandra Göttisheim,
IPP Garching, ITER, Karlsruher Institut für
Technologie, Helena Kunz, Martin Lober,
Miro Mineraloelraffinerie Oberrhein GmbH &
Co. KG, NASA, photocase.de, Photodisc, Dirk
Schlottmann, Siemens Energy, Gabi Zachmann
Titelbild Wilfrid Schroeder
Gestaltung, Layout Wilfrid Schroeder
Druck Karl Elser Druck GmbH, Mühlacker
Juni 2011
KIT-Zentrum Energie
Geschäftsstelle:
Dr. Wolfgang Breh 0721 608-25540
E-Mail: wolfgang.breh@kit.edu
Weitere Information:
www.energie.kit.edu
47

48
www.kit.edu