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Die Ausgaben der chemisch-pharmazeutischen Industrie für Forschung und Entwicklung (F+E) sind nach Schätzungen des Verbands der Chemischen Industrie (VCI) im Jahr 2023 um 4 % auf etwa 15,5 Mrd. Euro gestiegen (Grafik). Für das laufende Jahr rechnet der VCI mit einem F+E-Etat von 15,8 Mrd. Euro, ein Plus von 2 %. Etwa 46 000 Mitarbeitende sind in den Forschungslaboren der Branche tätig, das sind knapp 10 % der Beschäftigten in der Chemie- und Pharmaindustrie. Quellen: Stifterverband, VCI<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/SlnUTi6iSnuOYPVR4WAj">

Meldung

Wie viel die Chemie- und Pharmaindustrie für Forschung ausgibt

Die Ausgaben der chemisch-pharmazeutischen Industrie für Forschung und Entwicklung (F+E) sind nach Schätzungen des Verbands der Chemischen Industrie (VCI) im Jahr 2023 um 4 % auf etwa 15,5 Mrd. Euro gestiegen (Grafik). Für das laufende Jahr rechnet der VCI mit einem F+E-Etat von 15,8 Mrd. Euro, e...

Das gr&ouml;&szlig;te Problem der Energiewende besteht in der zeitlichen und &ouml;rtlichen Diskrepanz zwischen Strombereitstellung und -nutzung. Deshalb sind flexible Speicherkapazit&auml;ten und Batterietypen notwendig. Insgesamt verlangt dies, die heutige Netzstruktur neu zu konzeptionieren. Die Chemie ist &uuml;ber materialwissenschaftliche, elektrochemische und thermodynamische Techniken beteiligt.
Der Verlust der Grundlastf&auml;higkeit unseres bisherigen Stromversorgungssystems ist eines der gr&ouml;&szlig;ten Probleme bei der Einf&uuml;hrung von Photovoltaik und Windenergie. Im Jahr 2023 trugen die Gas- und Kohlekraftwerke noch mit etwa 40 Prozent zum Strommix bei.1) Die Windenergie f&auml;llt offshore relativ konstant an, macht aber noch einen kleinen Anteil aus. Dagegen ist die Windenergie an Land st&auml;rker zyklisch. Die Photovoltaik ist infolge des Tag-Nachtverhaltens und der Dunkelphase im Winter ausgesprochen zyklisch und erfordert deshalb zum Bedarfsausgleich auf unterschiedlichen Zeitskalen betr&auml;chtliche Speicherkapazit&auml;ten. Wasserkraft tr&auml;gt aus topografischen Gr&uuml;nden in Deutschland nur 3,4 Prozent zur Stromproduktion bei und ist wenig ausbauf&auml;hig.2)
Gegenw&auml;rtig l&auml;uft ein Beteiligungsverfahren des Bundesministeriums f&uuml;r Wirtschaft und Klima zu einem Entwurf einer nationalen Energiespeicherstrategie. Dies begr&uuml;&szlig;t der Verband der Chemischen Industrie.3) Norwegen ist mit seiner Elektrifizierung am weitesten fortgeschritten und hat bereits circa 99 Prozent seines Nettobedarfs auf erneuerbare Energie umgestellt, gr&ouml;&szlig;tenteils Speicher- und Laufwasser sowie 9 Prozent Windenergie. Im Jahr 2023 waren 82 Prozent der im Land verkauften Neuwagen Elektrofahrzeuge.
<h2 type="main">Wie sich elektrische Energie speichern l&auml;sst</h2>
Elektrische Energie zu speichern und anschlie&szlig;end r&uuml;ckzuverstromen ist mechanisch, thermisch, elektrisch, elektrochemisch oder molekularchemisch m&ouml;glich. Dabei sind die Speicherleistung in kW und die gravimetrische Speicherdichte in kWh&middot;kg&ndash;1 entscheidend. Die Schl&uuml;sselrolle bei der Energiewandlung spielt der Energiewirkungsgrad, der den Anteil der genutzten relativ zu der eingesetzten Energie &uuml;ber den kompletten Lade-Entladezyklus angibt. Er besteht aus dem Produkt der Wirkungsgrade der Einzelschritte. Einige Wirkungsgradrichtwerte zeigt die Tabelle.
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<figcaption><label>Tab.1: </label>Energiewirkungsgradrichtwerte von Energiespeichern: Anteil der genutzten relativ zur eingesetzten Energie &uuml;ber den kompletten Lade-Entladezyklus. a) V. Novotny et al., Energies 2022, 15, 647; b) Wasserelektrolyse/PEM-Brennstoffzelle; c) Werte f&uuml;r Methanol, <a href="https://efuel-today.com/en/efficiency-of-e-fuels" target="_blank" rel="noopener">efuel-today.com/en/efficiency-of-e-fuels</a></figcaption>
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Zu molekularen Speichern z&auml;hlen Wasserstoff und e-Fuels, also synthetische Kraftstoffe, mit elektrischer Energie aus Wasser und Kohlenstoffdioxid hergestellt. Insbesondere e-Fuels sind infolge der h&ouml;heren Aktivierungsenergien weniger effizient als Batterien und mechanische Speichermethoden. Die volumeneffizienten molekularen Speicher sind haupts&auml;chlich in der Luft- und Schifffahrt und bei Schwerlasttransporten sinnvoll. Denn dort kommt es auf Kompaktheit und Masseneffizienz an, w&auml;hrend f&uuml;r die station&auml;re R&uuml;ckverstromung aus energetischer Sicht Methoden mit hoher Effizienz zu bevorzugen sind. Zudem sind Speichermolek&uuml;le &uuml;ber existierende Logistik (Pipeline, Land- und Wasserfahrzeuge) gut transportabel; dies erlaubt, Erzeugungs- und Nutzungsstandort zu entkoppeln.
Sonne und Wind machen den Gro&szlig;teil der erneuerbaren Energie aus und fallen haupts&auml;chlich elektrisch an. Die Energieeffizienz kommerzieller Photovoltaikmodule betr&auml;gt etwa 20 bis 24 Prozent.4) Es ist deshalb sinnvoll, solare W&auml;rme direkt und nicht durch die Umwandlung von Photovoltaik zu nutzen, sofern ein anwendungsgerechtes Temperaturniveau erreichbar ist.
Durch die Elektrifizierung des Verkehrs und industrieller Prozesse steigt die Energieeffizienz. Der damit einhergehende Anstieg des Strombedarfs macht es notwendig, mehr Strom zu produzieren.
<h2 type="main">Elektrische und elektrochemische Kurzzeitspeicherung</h2>
Um Energiespitzen in der Produktion und beim Verbrauch von Solar- und Windstrom zu bew&auml;ltigen, sind Ansprechzeiten von unter einer Minute und mittlere Speicherdauern von mindestens sechs Stunden notwendig. Dies ist mit elektrischer Speicherung gew&auml;hrleistet. Dabei sind folgende Charakteristika wichtig:
Wegen der dezentralen Produktion empfiehlt sich f&uuml;r jede Photovoltaik-Anlage eine zugeh&ouml;rige lokale, elektrische Speicherung in Batterien. Diese erfolgt passiv (ungesteuert) und entlastet deshalb die Verteilnetze, die gesteuert werden (Smart Grids). Zudem spart sie Transportkosten. Ein- und Mehrfamilienh&auml;user sollten im Jahresgang m&ouml;glichst zu 70 Prozent autark sein.
Gro&szlig;fl&auml;chig entspricht der Tagesverlauf der Systemauslastung der Entenkurve (duck-curve, Abbildung). Infolge der Transportkosten ist es nicht sinnvoll, die Netzkapazit&auml;t bundesweit auf das Tagesmaximum um 18 Uhr auszurichten. Vielmehr empfiehlt es sich, tags&uuml;ber w&auml;hrend der maximalen Verf&uuml;gbarkeit des Photovoltaikstroms in der N&auml;he von Gro&szlig;verbrauchern lokale und regionale Gro&szlig;speicher aufzuf&uuml;llen, um den Strom f&uuml;r das Bedarfsmaximum ortsnah bereit zu stellen. Diese Anforderungen verlangen eine Neukonzeption der heutigen Netzstruktur. Ebenso ist die Aufmerksamkeit auf die l&uuml;ckenlose Verf&uuml;gbarkeit der Grundlast zu richten.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Zx9RcQ9oREOjlhm666qR">
<figcaption><label>Abb.1: </label>Entenkurve (duck-curve) der Netzauslastung durch nichterneuerbaren Strom mit dem kritischen Maximalbedarf bei Sonnenuntergang. Das Minimum kann bei maximaler Photovoltaikverf&uuml;gbarkeit um die Mittagszeit negative Werte annehmen.5)</figcaption>
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Die Entwicklung von Batterien wird derzeit weltweit vorangetrieben und macht gro&szlig;e Fortschritte bei Konzept, Materialien, Speicherkapazit&auml;t, Ladezeit und Nutzung verf&uuml;gbarer und umweltfreundlicher Elemente. Es ist deshalb kaum vorauszusehen, welche Batterietypen mittelfristig bevorzugt eingesetzt werden.6)
<h2 type="main">Mobiler Einsatz</h2>
Als K&ouml;nigskriterium f&uuml;r Batterien gilt eine m&ouml;glichst kurze Ladezeit. Dabei wird meist ignoriert, dass bei hohem Strom die Verluste in Form Joule&rsquo;scher Abw&auml;rme steigen und deshalb sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer abnehmen. Bei nicht forciertem Betrieb liegt die Energieeffizienz &uuml;ber einen Lade-Entladezyklus &uuml;ber 90 Prozent; dies ist ein Wert, der nur mit elektrischer Energiespeicherung zu erreichen ist.
Neben der kurzen Ladezeit wird eine m&ouml;glichst hohe gewichtsspezifische Speicherkapazit&auml;t angestrebt. Ein betr&auml;chtliches Gefahrenpotenzial durch Kurzschluss und eine verringerte Lebensdauer entstehen bei zu hoher thermischer Belastung. Oxidkeramikbasierte Sauerstoffionenbatterien haben zwar eine um einen Faktor drei geringere Energiedichte als die Li-Ionenbatterie, sie sind aber robust, nicht brennbar, wiederaufladbar und prinzipiell ohne seltene Elemente realisierbar; deshalb eignen sie sich, gr&ouml;&szlig;ere Energiemengen station&auml;r zu speichern. Batterie-Superkondensator-Hybridelemente vereinen die Vorteile hoher Leistung und Energiedichte mit zyklischer Stabilit&auml;t.6)
Standard ist derzeit die Li-Ionenbatterie.7) Vollelektrische Personenwagen ben&ouml;tigen eine Speicherkapazit&auml;t von typisch 10 bis 25 kWh pro 100 km Reichweite bei Beschaffungskosten von derzeit etwas &uuml;ber 100 Euro pro kWh und einem Gewicht von 0,18 kWh pro kg. Eine Li-Ionenbatterie von 70 kWh wiegt also zirka 400 kg und hat eine Lebenserwartung von etwa zehn Jahren bei mehr als 7000 Ladezyklen.
Die Fortschritte bei Kosten und Kapazit&auml;t sind enorm: Sinkende Batteriekosten werden die Anschaffungskosten der Elektroautos noch in dieser Dekade unter die der vergleichbaren Verbrenner senken.
<h2 type="main">Station&auml;rer Einsatz</h2>
Im Jahr 2022 betrug der j&auml;hrliche Stromverbrauch 6,5 MWh pro Kopf. Dies ergibt t&auml;glich durchschnittlich 17,8 kWh, was einer Li-Ionenbatterie von 100 kg und bei einem Vier-Personen-Haushalt in etwa der Kapazit&auml;t der Batterie eines vollelektrischen Pkws entspricht.
F&uuml;r den privaten Gebrauch in Ein- und Mehrfamilienh&auml;usern ist ein einfacher, sicherer und wartungsfreier Betrieb essenziell. In diesem Sinn werden Flussbatterien als Gro&szlig;speicher der Zukunft gesehen; dabei werden fl&uuml;ssige Elektrolytl&ouml;sungen auf Basis organischer Redoxpaare in externen Tanks gespeichert und zum Laden und Entladen durch die eigentlichen Batteriezellen gepumpt. Derzeit werden zudem umweltfreundliche, leistungsf&auml;hige, metallfreie, wasserbasierte Batterien entwickelt.8,9)
<h2 type="main">Saisonale Langzeitspeicherung</h2>
Die hohen Investitionskosten bei Batterien infolge der geringen Speicherdichte verhindern, dass sie genutzt werden, um saisonale Schwankungen zu bew&auml;ltigen. Alternativ bieten sich mechanische und insbesondere chemische Speicher an. Aufgrund ihrer Komplexit&auml;t eignen sich diese Anlagen f&uuml;r Gro&szlig;verbraucherzentren mit Industrie und &ouml;ffentlichem Verkehr im regionalen und &uuml;berregionalen Bereich, gekoppelt mit gro&szlig;en Produktionsanlagen und verbunden durch ein Transport- und Verteilnetz.
Sie bedienen in erster Linie die Hauptverbraucher und dienen als Back-up f&uuml;r die privaten Kleinverbraucher. Im Gegensatz zu Batterien m&uuml;ssen sie aktiv gesteuert werden.
Ein kosteng&uuml;nstigeres Potenzial bieten zudem Gasspeicher in Kavernen und Altkraftwerken, wie in vergleichenden Betrachtungen beschrieben.10) Einen &Uuml;berblick &uuml;ber die Kosten verschiedener Speichermethoden bez&uuml;glich Leistung und gespeicherter Energie gibt Quelle 11. Interessant ist dabei, dass die energiebezogenen Investitionskosten mit Potenzial zu h&ouml;herer Speicherdauer rascher abnehmen als bei Kurzzeitspeichern. Langzeitenergiespeicher haben einer Analyse zufolge ein au&szlig;erordentliches Marktpotenzial.9)
Molek&uuml;le sind f&uuml;r die Langzeitspeicherung gro&szlig;er Energiemengen wesentlich attraktiver als Batterien. Mit 39,4 kWh pro kg verf&uuml;gt Wasserstoff &uuml;ber eine h&ouml;here gravimetrische Energiedichte als Methanol (5,6 kWh&middot;kg&ndash;1) oder Benzin (11,9 kWh&middot;kg&ndash;1); die Energiedichte einer Li-Ionenbatterie ist 185-mal geringer (0,10&ndash;0,26 kWh&middot;kg&ndash;1).12,13)
<h2 type="main">Fazit</h2>
Der Umbau der elektrischen Energieversorgung durch beschleunigten Zubau regenerativer Stromerzeuger erfordert, zus&auml;tzlichen Lastenausgleich zwischen Stromverbrauch und -erzeugung zu bauen. Neben aktiven netzstabilisierenden Ma&szlig;nahmen in Smart Grids ist die Energiespeicherung ein zentrales Element daf&uuml;r.
Um elektrische Energie kurzzeitig zu speichern, ist auf Speichersysteme mit hoher Gesamteffizienz zu achten.
Die Energiethematik ist eine interdisziplin&auml;re Herausforderung in Forschung und Industrie f&uuml;r mindestens die n&auml;chsten drei Jahrzehnte. Die Chemie ist dabei zentral eingebunden &uuml;ber die materialwissenschaftlichen, elektrochemischen und thermodynamischen Aspekte.
Ein weiterer Beitrag wird die Bewertungsstudien zu gro&szlig;en Energiespeichern mit Fokus auf marktreife elektrochemische und thermodynamische Technologien betrachten.
<h2 type="main">Energiewende: Schl&uuml;sse aus dem GDCh-Thinktank</h2>
Kosteng&uuml;nstige Energie, speziell elektrischer Strom, ist erfolgskritisch f&uuml;r den industriellen Wirtschaftsstandort Deutschland und die EU, nicht zuletzt f&uuml;r die chemische Industrie.
Ein wesentlicher Beitrag kann die Speicherung nachhaltiger, kosteng&uuml;nstiger Energie aus Wind und Sonne bei Dunkelflauten sein, wof&uuml;r technisch reife Techniken existieren.
Die Netzinfrastruktur hat au&szlig;er zu kurzen Spitzenlastzeiten hohe, freie Kapazit&auml;ten f&uuml;r die &Uuml;bertragung abgeregelter, nachhaltiger &Uuml;berschussstr&ouml;me.
Die Umsetzung bedeutet deshalb eine Weiterentwicklung des jetzigen Strommarkts von zentralen Gro&szlig;stromerzeugern der Grundlast zu mehr regionalen und lokalen Gro&szlig;stromspeichern.
<h2 type="main">Die Autoren</h2>
Den Beitrag verfasst haben Emil Roduner (Foto), Klaus-Dieter Franz, Thomas Osterland, Wolfgang H&uuml;binger und Peter Staniek. Roduner ist Professor f&uuml;r physikalische Chemie an der Uni Stuttgart sowie au&szlig;erordentlicher Professor der Uni von Pretoria (im Ruhestand). Franz ist Lehrbeauftragter an der TU Darmstadt und der Uni Frankfurt (Innovation und Aufbau neuer Gesch&auml;fte in Chemie und Pharma). Osterland ist seit 2015 Professor f&uuml;r chemische Technologie an der Hochschule Augsburg in der Fakult&auml;t Maschinenbau und Verfahrenstechnik. H&uuml;binger erarbeitet bei BASF in Ludwigshafen Langfriststrategien, abgeleitet aus Technologieentwicklung, Forschungssteuerung und Scouting. Staniek war seit 1990 in der Polymer-Additive-Forschung und -Applikation bei Sandoz, sp&auml;ter Clariant, seit 2008 als Betriebs- beziehungsweise Produktionsleiter, und ist seit 2022 im Ruhestand.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Lk3kfeeUQGm244wdg6IF">
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<li xml:id="nadc20244143998-bib-0002">2 <a href="https://www.enbw.com/unternehmen/" target="_blank" rel="noopener">www.enbw.com/unternehmen/</a> eco-journal/wasserkraftwerke.html</li>
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