Das Verbrennen von Biomasse beim Kochen belastet Gesundheit und Umwelt.
Die deutsch-südafrikanische Initiative GreenQUEST entwickelt einen
sauberen Haushaltsbrennstoff. Er soll klimaschädliche CO2-Emissionen
reduzieren und den Zugang zu Energie für Haushalte in afrikanischen
Ländern südlich der Sahara verbessern.

In den afrikanischen Ländern südlich der Sahara haben fast eine Milliarde
Menschen nur eingeschränkten Zugang zu sauberer Haushaltsenergie. Die
weitverbreitete Nutzung von Biomasse (u.a. Feuerholz) als Energiequelle
trägt zur Abholzung, Bodenerosion und zu Kohlendioxidemissionen bei.

Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt GreenQUEST will
grünes Flüssiggas (LFG oder gLFG) als Alternative zu fossilem Flüssiggas
(LPG) entwickeln. Das grüne Flüssiggas reicht hinsichtlich der Effizienz
und den Verbrennungseigenschaften an fossiles Flüssiggas heran, es
entstehen jedoch keine schädlichen CO2-Emissionen. Das grüne Flüssiggas
soll aus grünem Wasserstoff hergestellt werden. Dieser wird mithilfe
erneuerbarer Energien oder durch aus der Atmosphäre abgeschiedenes
Kohlendioxid gewonnen.

Das CO2-neutrale Flüssiggas könnte darüber hinaus den Zugang zu sauberer
Energie für einkommensschwache Haushalte in Afrika erleichtern. GreenQUEST
untersucht deshalb auch die wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen
Auswirkungen, die eine Markteinführung von grünem Flüssiggas hat.

50 Forschende aus Südafrika und Deutschland arbeiten Hand in Hand

In dem interdisziplinären Projekt arbeiten mehr als 50
Wissenschaftler*innen aus Südafrika und Deutschland zusammen. Geleitet
wird es vom Katalyse-Institut der Universität Kapstadt (UCT) und dem
Helmholtz-Zentrum Berlin. Diese Partnerschaft fördert dauerhafte
Beziehungen im Bereich der Energieforschung und stärkt damit die
strategische Allianz zwischen Südafrika und Deutschland.

Staatssekretärin aus dem BMBF sieht globales Potenzial

„Der kooperative Ansatz des GreenQUEST-Projekts hat das Potenzial, nicht
nur in afrikanischen Gemeinden, sondern weltweit positive Veränderungen zu
bewirken", sagte die Staatssekretärin im Bundesministerium für Bildung und
Forschung (BMBF), Prof. Dr. Sabine Döring, anlässlich ihres Besuchs an der
Universität Kapstadt. „Dies ist ein Beispiel für das Engagement
Deutschlands und Südafrikas zur Unterstützung nachhaltiger Initiativen und
unterstreicht, wie wichtig es ist, zum Wohle aller zusammenzuarbeiten."

Originalpublikation:
https://www.helmholtz-
berlin.de/pubbin/news_seite?nid=26646&sprache=de&seitenid=1

Die innovativen Projekte, die die Friedrich-Schiller-Universität Jena vom
22. bis 26. April auf der „Hannover Messe“ präsentiert, haben eines
gemeinsam: Sie sollen dabei helfen, eine gesündere, klima- und
ressourcenschonendere Welt mitzugestalten. Zu sehen sind die Exponate in
Hannover am Stand C24 „Forschung für die Zukunft“ in Halle 2.

Dass es auch in Zukunft trink- und nutzbares Wasser gibt, gehört – neben
der Sicherstellung von Ernährung bzw. Pflanzenproduktion und der
Versorgung mit Energie – zu den wichtigsten Aufgaben, um auch in Zukunft
eine lebensfähige Welt zu haben. Der von der Friedrich-Schiller-
Universität Jena gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Keramische
Technologien und Systeme IKTS und der Ernst-Abbe-Hochschule Jena
initiierte Thüringer Wasser-Innovationscluster (ThWIC) entwickelt Lösungen
für einen nachhaltigen Umgang mit Wasser. Im Verbund aus inzwischen 28
universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen, Unternehmen
und Verbänden vereint ThWIC Spitzenforschung zu zentralen Aspekten der
Wassernutzung: neuartige Analysetechnologien und Reinigungsverfahren,
datenwissenschaftliche Innovationen und soziologische Forschung.

Zu den Innovationen des Clusters, die auf der Messe gezeigt werden, zählen
unter anderem ein Sensor, der die Analyse der Wassergüte ohne Einsatz
giftiger Chemikalien in Echtzeit ermöglicht; neue Membrantechnologien, die
zuverlässig Schadstoffe aus dem Wasser entfernen; ein interaktiv
erlebbares Bildungsangebot für die Wasserwirtschaft sowie
kennzahlgestützte Bewertungsformen des Wasserverbrauchs.

Mit Papierabfall oder Polymeren neue Batterien bauen

Ein weiteres Projekt der Universität Jena zeigt, wie durch gezielte
chemische Funktionalisierung u. a. bei Batterieherstellung und Katalyse
kostbare Ressourcen gespart werden können. So wird in Hannover
beispielsweise präsentiert, wie Lignin, ein natürlicher Bestandteil von
Pflanzenzellwänden und Abfallprodukt der Papierindustrie, zur Quelle für
Kohlenstoffmaterialien wird.

Ein anderer Zugang zur Batterie der Zukunft ist die Entwicklung von
„Organischen Batterien“. Die dabei eingesetzten Aktivmaterialien bestehen
aus organischen Verbindungen (Polymeren), wodurch potenziell knappe
anorganische Elektrodenmaterialien (z. B. Lithiumkobaltoxid) ersetzt
werden können. Die daraus resultierende erhöhte Umweltverträglichkeit,
einfachere Verarbeitungsmethoden und mechanische Flexibilität führen zu
einer breiten Anwendungspalette organischer Batterien – von
containergroßen Speichern für Solar- und Windparks bis zu kleinen,
flexiblen Batterien für intelligente Kleidung oder Verpackungen. Dieses
Jahr erfolgt die Präsentation erstmals zusammen mit dem neugegründeten
Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen (HIPOLE Jena).

Kunststoffe durch modifizierte Naturstoffe ersetzen

Das neue Gründungsprojekt „in|stead“, das die Universität Jena ebenfalls
in Hannover vorstellt, entwickelt nachhaltige wasserabweisende
Oberflächenbeschichtungen, die völlig ohne Kunststoffe und giftige
Chemikalien auskommen. Projektziel ist es, unter anderem natürliche
Materialien in völlig neue Anwendungen zu bringen, Kunststoffe in vielen
Bereichen überflüssig zu machen, fossile Rohstoffe zu ersetzen und den
Eintrag von Mikroplastik in die Umwelt und den Kohlendioxidausstoß zu
reduzieren – kurz gesagt: aktiven Umweltschutz zu betreiben.

Darüber hinaus zeigt ein weiteres Jenaer Exponat, wie bereits
ausgestoßenes Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufgefangen und zu
wertschöpfenden Molekülen umgewandelt werden kann. Diese Maßnahme zur
Reduzierung der Erderwärmung wird an Kompositmaterialien, bestehend aus
einem porösen Kohlenstoff und einem Polymer mit hoher CO2-Affinität,
demonstriert.

International Startup Campus

Damit innovative Ideen in der Praxis und nicht in der Schublade landen,
fördern die Friedrich-Schiller-Universität Jena und ihre mitteldeutschen
Partner Ausgründungen und Start-ups – und dies im internationalen Maßstab.
Der „International Startup Campus“ der Universitäten Jena, Leipzig und
Halle-Wittenberg berät und sensibilisiert Gründungswillige bereits in
frühen Phasen für Wachstumschancen und eine Berücksichtigung
internationaler Märkte bei der Geschäftsmodellentwicklung. Der
„International Startup Campus“ hat bereits zahlreiche Gründungsprojekte
und Start-ups bei der Internationalisierung unterstützt und spricht
gleichzeitig internationale Start-ups und Unternehmen als
Kooperationspartner auf der Messe an.

FAU-Chemiker erforschen Grundlagen für neuartiges organisches
Solarspeichermodul

Bislang erfolgt die Erzeugung und Speicherung elektrischen Stroms aus
Sonnenenergie in verschiedenen Geräten, was mit Wandlungsverlusten
verbunden ist. Das könnte sich bald ändern: Chemiker/-innen der Friedrich-
Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sowie anderer
Forschungseinrichtungen in Deutschland, Australien, Großbritannien,
Italien, Schweden und den USA untersuchen ein Kohlenwasserstoff-Molekül,
das Sonnenlicht wahlweise in elektrischen Strom umwandeln oder die Energie
über lange Zeit in chemischer Form speichern kann. Auf dieser Basis
könnten völlig neue organische Solarmodule entwickelt werden. Die
Grundlagen zur Umwandlung und Speicherung durch das Molekül wurden im
renommierten Fachjournal „Nature Chemistry“ veröffentlicht.*

Sonnenenergie ist und bleibt einer der großen Hoffnungsträger der
Energiewende. Weil Sonnenlicht jedoch eine hoch volatile Energiequelle
ist, muss die Frage der effizienten Speicherung gelöst werden. „Bislang
leiten wir den Strom, den wir nicht unmittelbar verbrauchen, aus dem
Solarmodul in eine Batterie, aus der er bei Bedarf entnommen wird“, sagt
Prof. Dr. Julien Bachmann, Inhaber des Lehrstuhls für Chemistry of thin
film materials (CTFM) an der FAU. „Durch den mehrfachen Wechsel zwischen
chemischer und elektrischer Energie gehen bei der Batteriespeicherung
mindestens 30 Prozent der ursprünglich umgewandelten Energie verloren.“

Gemeinsam mit Michael Bosch, Promotionsstudent am Lehrstuhl CTFM, will
Bachmann einem bekannten Material eine neue Eigenschaft entlocken, nämlich
das Sonnenlicht je nach Bedarf entweder in elektrische Energie umzuwandeln
oder selbst zu speichern. Dabei handelt es sich um Norbornadien, ein
sogenanntes Kohlenwasserstoff-Isomer, das aus zwei Molekülringen besteht.
Wird Norbornadien mit ultraviolettem Licht bestrahlt, wandelt es sich
durch partielle Neuordung der Atombindungen in das ähnlich aufgebaute,
aber energiereichere Quadricyclan um. „Die Umwandlung selbst ist bekannt,
bislang konzentrierte die Forschung sich jedoch auf die Rückgewinnung der
gespeicherten Energie in Form von Wärme“, erklärt Bachmann. „Neu ist, dass
wir den Prozess so kontrollieren wollen, dass die gespeicherte Energie nun
auch als elektrischer Strom abrufbar ist, und das sogar noch Monate
später.“

Noch sind die physikalisch-chemischen Grundlagen für die Übergänge
zwischen den Isomeren nicht vollständig verstanden. Um das zu ändern,
beobachteten Forschende aus Australien, Großbritannien, Italien, Schweden
und den USA zusammen mit den FAU-Kollegen die Elektronenzustände
zeitaufgelöst mit der Photoelektronenspektroskopie. Bachmann: „Je mehr wir
über die Dynamik von foto- und elektrochemisch ausgelösten
Transformationen wissen, umso besser können wir das Moleküldesign auf die
gewünschten Funktionen ausrichten.“ Ziel der künftigen Forschung ist es
etwa, nicht nur ultraviolette Strahlung, sondern ein breites Spektrum des
Sonnenlichts für die Elektronenanregung zu nutzen. „Das Potenzial ist
groß“, erklärt Julien Bachmann. „Die reine Energiedichte des Norbornadien-
Quadricyclan-Systems ist mit der einer Lithium-Ionen-Batterie
vergleichbar.“

Sollte es gelingen, die reversible Norbornadien-Quadricyclan-Umwandlung
zuverlässig zu kontrollieren, stünde nicht nur ein effizientes Solarmodul
zu Verfügung, das zugleich Stromspeicher ist. Das organische, auf
Kohlenwasserstoffen basierende Material wäre darüber hinaus kostengünstig
zu produzieren, käme ohne seltene Metalle aus und ließe sich am Ende des
Produktlebens einfach und umweltgerecht entsorgen oder recyceln.

* https://doi.org/10.1038/s41557-023-01420-w