Hamburg – The Energyzing City Hanseatisches Stiftungskolleg Peter Burger Universität Hamburg burger@chemie.uni-hamburg.de Unterlagen:www.chemie.uni-hamburg.de/ac/burger

Hamburg – The Energyzing City • Ausgangssituation • Entstehung & Struktur • Ausbildungsprogramm • Forschungsthemen • Planungsstand • Zusammenfassung

Weltenergieverbrauch Anstieg: linear Beispiel: Dow Chemical Company !!Nicht-Linearität!! Linearer Anstieg Naturgesetz? Biomasse Solarstrom GDP Verbrauch 1949 1980 1999 nicht allein Bruttosozialprodukt USA: 1949-1999 Wissenschaft Belletristik 1 EJ (6 sec Sonnenergie = 277,778 Mrd. kWh Biomasse Gas Solarstrom Massives Delta!! Faktor 2! Primärenergie [EJ/a] 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2100 Jahr Ė = N•(BSP/N)•(Ė/BSP) N: Weltbevölkerung, BSP/N: Bruttosozialprodukt/Kopf Ė/BSP: Energieintensität Quelle: PNAS 103, 2006, 15729 Quelle: WGBU/Shell 2005

Weltenergieverbrauch „It is difficult to make predictions, especially about the future.“ N. Bohr, M. Twain... Primärenergie [EJ/a] 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2100 Jahr  Beitrag der Hamburger Forschung zur Lösung des Problems Hamburg – The Energyzing City

Weltenergierat – Rom 2007 Strong and coordinated steps are needed to educate all people in the world about energy, from basic prin- ciples to explanations of the criti-cal decisions that must be made by society.... A new level of wise energy policy, energy regulation, and energy in- vestment is required now and in the next few years if we are to achieve energy sustainability in the 2035-2050 timeframe."

International Energy Agency "Es bedarf konzertierter Aktionen zur Bewältigung der globalen Energieheraus- forderungen.Was auf unserem Planeten am knappsten ist, sind nicht etwa natür- liche Ressourcen oder Geld sondern es ist Zeit." „The Stone Age did not end because we ran out of stones, and the fossil energy age is not going to end any time soon because we‘ve run out of cheap fossil Energy. Don‘t wait for that to happen. „Powering the Planet“, MRS 2007 Nathan Lewis, Caltech Center for Sustainable Energy Research.

„Manhattan- oder Apollo-Projekt Was kann die Wissenschaft? „Manhattan- oder Apollo-Projekt des 21. Jahrhunderts“ Kernfusion Iter-Projekt (50/50 Jahre)

Was kann die Wissenschaft? Ganzseitige Annoncen in der „Zeit“ http://www.forum-chemie-macht-zukunft.de Prof. Matthias Beller Leibniz-Institut für Katalyse »Die Spaltung von Wasser könnte unser Energieproblem lösen.« Prof. Ferdi Schüth MPI Mülheim »Nur mit der Chemie werden wir neue Energiequellen erschließen können.« Prof. Christian Jung Universität Kiel »Mit Gentechnik können wir die Sonnenenergie besser nutzen.« http://www.gdch.de/energie_nch.pdf

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Entstehung H2@HH Nomen est Omen! Wasserstoff gehört nach Hamburg! Antragsskizze Exzellenzinitiative Sept. 06  12.1.2007  Nomen est Omen! H2@HH Wasserstoff gehört nach Hamburg! 10

Hamburg – The Energyzing City Graduate School Foundation Patronage: First Mayor Hamburg – The Energyzing City Entstehung REAP Resource Efficiency in Architecture and Planning applications & applied research HCU FEYR HFCT EECO Energy@ Economy resource projections & management training HWWI,TUHH, UHH, HAW Future Energy Resources Hydrogen and Fuel Cell Technology fundamental & applied research applied & fundamental research, applications TUHH,UHH,HAW, HSU, BFH TUHH, UHH, HAW, HSU, GKSS SIEEE System Integration & Energy Efficiency/Economization HAW, TUHH, HCU

International Advisory Board Struktur Chairman: Burger Panel: Chairman, Graduate Dean, Coordinators, Student Representative, Gender Equality Rep. International Advisory Board Academic & Industrial Members Research Field Coordinators REAP FEYR HTEC SIEEE EECON Peters Liese Fröba Winkler Straubhaar Begutachtung der Forschungsanträge Management 2 Manager (100%) & 2 Secretary (100 %) Graduate Dean: NN Scientific Manager: W. Kaminsky Personell/Financial Mentor: H. Schmidt Researchers PIs, Staff, Postdocs, Graduate Students

Vergleichbare Projekte USA: DOE LBL & University of California Berkeley http://pbd.lbl.gov/energy/ Finanzierung: PPP; Staat & BP (500 Mio. $!!!)

Vergleichbare Projekte USA: California Institute of Technology (Caltech) Forschung – Chemie: - Photovoltaik = neue Materialien - artifizielle Photosynthese - neue Brennstoffzellen Finanzierung: u.a. Moore Stiftung (6,5 Mio. $) http://www.ccser.caltech.edu

Vergleichbare Projekte UK: Imperial College London Forschung – Ingenieure, Stadtplaner, Biotechnologie Finanzierung: BP, Shell (mehrere Mio. $£) http://www3.imperial.ac.uk/energyfutureslab

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Talente & Talente „Wir wollen die besten Talente der Republik ausbilden. Wirtschaftlich haben wir keine andere Möglichkeit, als auf die Schiene Ausbildung zu setzen.“ „Welt“ vom 24.11.07 Interview mit Frank Pagelsdorf, Trainer von Hansa Rostock

Talentsuche Promotionskolleg/-studiengang 50-60 Stipendien/Jahr Weltweite Rekrutierung onsite Interviews in Indien - EU & Nordamerika Auch Hamburg liegt auf diesem Planeten! Große Chance für unsere besten Absolventen!

Ausbildung Promotionskolleg/-studiengang 50-60 Stipendien/Jahr Architektur/Stadtplanung - BWL/VWL - Jura, Soziologie Bereich a) Bereich b) - Biologie - Chemie - Physik - Ingenieurwissenschaften  gemeinsame Kurse & forschungsorientiert  „Kritische Masse“ & Kursbereiche a) + b) notwendig!

Graduiertenschule Zulassung einmal pro Jahr Gemeinsame Kurse/Bereich B (Natur-/Ingenieurwiss.) „zukünftige“ Energieressourcen - „Lab Rotation“ Energiewirtschaft Projektmanagement - Scientific Information and Communication - Deutsch/Englisch Fachspezifische Kurse 4 Jahre Zulassung einmal pro Jahr

Graduiertenschule Qualitätsmanagement!

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Forschung & Mittelvergabe „Die Welt ist voller Leute, die Wasser predigen und Wein trinken“ Giovanni Guareschi ital. Journalist und Schriftsteller Forschungsmittel nur auf Projektantrag ! peer review !

Q4 Umsetzung "Hamburger Exzellenzinitiative" Stiftungskolleg Management Stipendiaten Ausbildung Projekte Qualität  Qualität  Qualität  Qualität = Qualität4

Forschung & Mehr Hamburg – The Energyzing City" Grundlagenforschung Nach- haltigkeit Angewandte Forschung Produkt- entwicklung

Wasser-Elektrolyse/Brennstoffzelle Forschungsübersicht Energieequellen Wind Solar Bio/Org.-Masse Hochleistungs- batterietechnologie Wasserstoffspeicher Wasser-Elektrolyse/Brennstoffzelle Energiespeicherung Energiewirtschaft Energieeffizienz/-einsparung

Energiewirtschaft

Geothermische Potenziale Heizen und Kühlen mit geologischen Quellen und Senken  wichtiger Platz im Energiemix Abschätzung der Potenziale und effektive Umsetzung erfordert Geologie Bauingenieurwesen Maschinenbauwesen Stadt- und Regionalplanung Architektur

Virtuelle Kraftwerke & Intelligente Stromnetze Digitale Stromzähler:  Kontrolle und Reduktion von Verbrauch & Versorgung Kappung der Verbrauchspitzen:  Integration & Beförderung von dezentralen Quellen und Erneuerbaren Energien Forschung/Entwicklung in: Informatik Elektroingenieurwesen BWL Recht

Erdgas - Wasserstofferzeugung Dampfreformierungsanlage 48% H2 weltweit aus Erdgas, Methan (CH4) CH4 + 2 H2O  CO2 + 4 H2 Netto: CH4 + H2O  CO + 3 H2 2) CO + H2O  CO2 + H2 sehr hoher Energieaufwand! Dampfreformierungsanlage Brunsbüttel Vorteil: zentrale Erzeugung denkbare CO2-Sequestrierung (CSS) Katalyseforschung Prosenc, Burger, Heck, Weller Mikroreformer Gajewski, Kather, Winkler

Methan und H2 aus Biomasse neue mikrobiologische Systeme Stegmann, Antranikian, Liese, Streit Biotechnologie Stegmann, Scherer Thermochemische Erzeugung Kather, Willner

Katalyse & Energieeffizienz CH4 + ½ O2  CH3OH  COn + n+1 H2 Methanol Methanol

H2 aus Biomasse: Ackerflächen ? Aktuelle Studie: Ludwig Bölkow Systemtechnik GmbH vom 9.10.07 H2: Wind/PV Ertrag [GJ/ha] Methan, Biodiesel etc. http://www.hyweb.de/Wissen/docs2007/LBST-Analysis_Biofuels-vs-H2-wind-PV-yield_09OCT2007.pdf „Produziert man Wasserstoff aus Photovoltaik oder Wind auf einem Acker, anstatt auf der gleichen Fläche Biokraftstoffe zu produzieren, so erhält man 10-mal mehr Kraftstoff....“

MIT, Department of Chemistry „I’m not sure what the winner will be that is able to make energy without adding extra CO2 to the atmosphere.” A failing of energy R&D for the last 30 years in the United States has been that it has been treated as an engineering problem, with a little ‘r’ component and big ‘D.’ There needs to be an ‘R’ bigger than the ‘D.’ There are whole new areas of science and engineering that need to be discovered to solve this problem.” Science 315, 2007, 789 PNAS 103, 2006, 15729

Solare Wasserstofferzeugung H2O + Licht  H2 + ½ O2 Photosynthese Photobiologische H2-Erzeugung Streit Burger, Heck, Luinstra, Prosenc, Weller Artifizielle Photosynthese (Katalysatoren) ca. 1 Milliarde Jahre Entwicklungszeit

PEM Wasser-Elektrolyseur Edelmetall-reduzierte/ Wasserstofferzeugung/Brennstoffzelle H2O + Strom  H2 + ½ O2  Brennstoffzelle Elektrolyse Brennstoffzellen Winkler PEM Wasser-Elektrolyseur Lolland, Dänemark WELCOME TO HYDROGEN COMMUNITY LOLLAND J. Müller, Heck, Prosenc, Burger Edelmetall-reduzierte/ -freie Elektroden Wärme Membrane Nunes, Luinstra Elektrolyseur Speicherung!! H2 FC‘s

„Wasserstoffspeicher „neue Materialien“ Carbon Nanotubes Weller, Mews, Bormann, Keil „Mesoporöse Materialien“ Fröba Luinstra, Burger Organische Polymere

Gasspeicher nicht nur H2: CO2 Bedeutung: z.B. CCS-Verfahren Metal-Organic Frameworks, MOFS Fröba, Burger

Exploratives & Neue Ideen Wer die Umwelt schützen will, friert Bücher ein. Anzeige in der „Zeit“ am 22.11.07

•CO2-Abtrennung/-Speicherung/-Transport:-15% Energieeffizienz CO2-Sequestrierung/Oxyfuel-Prozess Dampfturbine Elektrizität SOx Kessel CO2-Abtrennung schwierig CO2-Abtrennung einfach H2O CO2 80% N2 20% O2 N2 reiner O2 Oxyfuel-Prozess •CO2-Abtrennung/-Speicherung/-Transport:-15% Energieeffizienz Aquifere Gasfeld Meer Luft N2 Gips Kohle Luft konventionelles Kohlekraftwerk •vorgeschaltete Lufttrennung: -25% Energieeffizienz S -40 % !

CO2 als C1-Baustein (Rohstoff) Sonne Wind Biomasse Elektrolyse vor Ort am Kohlekraftwerk! O2: Oxyfuel H2: Methanol Methanol: CH3OH DMFC: PKWs Burger, Winkler,Prosenc, Weller, Heck

CO2 Einbau in Kunststoffe Polypropylencarbonat (PPC) Grüne Chemie: Ressourceneinsparung < 45% aus Erdöl PE/PP-Ersatz Luinstra, Prosenc

Erdgas Fossile Quellen – neue Fragestellungen • heutige Quellen: < 1% H2S (toxisch) • neue Quellen bis 40% H2S! „unvorstellbare“ Menge Schwefel:  Suche nach neuen Produkten & Märkten  Polymere, Baumaterial...

Exploration, Förderung: Geophysiker, Geologen, Ingenieure Fossile Quellen – neue Fragestellungen Methan-Clathrate (H2O)n .CH4 n=5-10 fest bei 4°C, 60 bar Meeresgrund Übersteigt „klassische“ fossile Methanvorkommen um Faktor 10+ ! Exploration, Förderung: Geophysiker, Geologen, Ingenieure

Hamburg – The Energyzing City • Ausgangssituation • Entstehung & Struktur • Ausbildungsprogramm • Forschungsthemen • Planungsstand • Zusammenfassung

Startschuss der Institutionen Letters of Intent  HWWI TUHH GKSS UHH HCU HAW HSU

Finanzierung Finanzbedarf 2008-2012 PPP-Modell gesichert: Institutionen, Wissenschaftler (jeweils 1/6) in Vorbereitung: 1/3 Hansestadt 1/3 Sponsoren matching funds

Startschuss der Wissenschaftler! „Hamburg – The Energyzing City” Startschuss der Wissenschaftler!

Bürgerschaftsfraktionen: „Hamburg – The Energyzing City” Politik Bürgerschaftsfraktionen: Unterstützung   

Behörden: BSU, BWF, Senatskanzlei „Hamburg – The Energyzing City” Politik Behörden: BSU, BWF, Senatskanzlei

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Forschung und Lehre: Energiethemen "Hamburger Exzellenzinitiative" Stiftungskolleg: Hamburg – The Energyzing City Forschung und Lehre: Energiethemen "Hamburger Exzellenzinitiative" Promotionsstipendien: 50-60 pro Jahr weltweite Rekrutierung der Talente Zusammenschluss: 5 Hochschulen und 2 außer- universitäre Einrichtungen (LOI) Teilnehmer: 80 Hamburger Arbeitsgruppen - Architektur/Stadtplanung - Biologie, Chemie, Physik - Ingenieurwissenschaften - BWL/VWL Finanzierung: PPP-Modell - Industrie/Sponsoren & Hansestadt jeweils 1/3 - Einrichtungen und Wissenschaftler jeweils 1/6

Ziele Stiftungskolleg: Hamburg – The Energyzing City" - weltweit führende Absolventen - Start-Up Unternehmen (Satelliten) @ - Hamburg an der Spitze des wichtig- sten Themas des 21. Jahrhunderts

Norddeutsches Netzwerk Chance für Norddeutschland: Oldenburg Kiel