Elektrochemie mit Tradition und Zukunft - Ulms Beitrag zur Energiewende und Elektromobilität

Die Ulmer Wissenschaftsstadt ist eine Zukunftsschmiede für leistungsstarke, zuverlässige Batterien und Brennstoffzellen. Solche neuartigen und umweltfreundlichen Speicher und Wandler könnten maßgeblich zum Gelingen der Energiewende und zur Etablierung der Elektromobilität beitragen. Dabei arbeitet die traditionsreiche und weltweit anerkannte Elektrochemie der Universität mit starken Partnern aus der Praxis zusammen.

Lithium-Ionen Pouch-Zellen
Lithium-Ionen Pouch-Zellen (Foto: HIU)

Forschung zur Batterie der Zukunft

Die Ziele sind ambitioniert: In den nächsten Jahren soll die Energiewende gelingen und Elektrofahrzeuge das Straßenbild prägen. Voraussetzung dafür sind leistungsstarke, zuverlässige und umweltfreundliche Speicher. Denn Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wasser steht nicht immer zur Verfügung, muss also zwischengespeichert werden. Und bei Produktionsspitzen sind Speicher notwendig, um Netzüberlastungen zu vermeiden. Zudem brauchen Elektroautos eine zuverlässige Reserve, damit sie bei der Fahrt genügend Strom haben.

Doch herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien wie sie in Smartphones und Notebooks verwendet werden, haben ihre maximale Speicherkapazität fast erreicht. In der Ulmer Wissenschaftsstadt suchen Grundlagenforscher und Praktiker deshalb nach Batterien der Zukunft. Und auch zu Brennstoffzellen, die Wasserstoff und Sauerstoff in Energie umwandeln, wird intensiv geforscht. Als emissionsfreie Energieversorger bieten sie zum Beispiel eine Alternative zum Verbrennungsmotor.

An der Universität hat die Elektrochemie eine lange Tradition: Obwohl dieser Forschungsbereich lange Zeit als "Auslaufmodell" galt, hat man in Ulm am entsprechenden Institut festgehalten - was sich heute auszahlt. Denn noch immer sind Vorgänge, die in Batterien und Brennstoffzellen auf molekularer und atomarer Ebene ablaufen, nicht vollständig aufgeklärt.

 

 

Swagelok-Zellen werden in einem Batteriezyklierer eingesetz, um Leistungs-, Zyklen- und Alterungstests unter definierten thermischen Bedingungen durchzuführen (Foto: HIU)

Theorie und Experiment gehen Hand in Hand

Aktuell optimieren Forscherinnen und Forscher der Universität Ulm nicht nur handelsübliche Lithium-Ionen Batterien, sie entwickeln auch innovative Batteriekonzepte auf Basis neuer Materialien. In Theorie und Experiment werden sie dabei von der DFG-Forschergruppe FOR 1376 "Elementary Steps in Electrocatalysis: Theory meets Experiment" unterstützt. Seit 2010 beschäftigen sich die Mitglieder vor allem mit Elementarschritten in wichtigen elektrokatalytischen Prozessen wie der Wasserstoffbildung und der Sauerstoffreduktion. Die Wirkungsweise nanostrukturierter Elektroden soll in der zweiten Förderphase der DFG-Forschergruppe untersucht werden. Weitere Themen der elektrochemischen Grundlagenforschung an der Uni umfassen energierelevante Materialien, die molekulare Photoelektrokatalyse und etwa poröse Materialien für Elektroden. Ein ERC Starting Grant für den Leiter des Instituts für Elektrochemie, Professor Timo Jacob, verdeutlicht beispielhaft die Qualität dieser grundlegenden Arbeiten.

Seit Ende 2014 erleichtert der Hochleistungscomputer JUSTUS große Rechenoperationen für diese Forschungsaktivitäten. Der Ulmer Supercomputer ist Herzstück des bwForClusters für die theoretische Chemie und wurde auch für die Erforschung der chemischen Energiespeicherung und -wandlung konzipiert. Er steht Wissenschaftlern aus ganz Baden-Württemberg zur Verfügung.

Und auch in der Photovoltaik, bei der Sonnenlicht mittels Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt wird, leisten Forscher des Uni-Instituts für Organische Chemie II und neue Materialien mit Dresdner Kollegen Pionierarbeit. Dabei setzen sie nicht auf die übliche Silizium-Technologie, sondern auf organische Solarzellen. Mit ihrer Ausgründung Heliatek haben Forscher um Professor Peter Bäuerle bereits mehrere Weltrekorde bezüglich des Wirkungsgrads aufgestellt.

Ende 2016 hob zudem ein optimaler Werbeträger für alternative Antriebsformen am Stuttgarter Flughafen ab: Das umweltfreundliche Brennstoffzellenflugzeug HY4 startete zu seinem Erstflug. Mit an Bord war Ulmer Technologie, denn der geistige Vater des innovativen Fliegers, Professor Josef Kallo, steht an der Spitze des Instituts für Energiewandlung und -speicherung der Universität und ist gleichzeitig Projektleiter am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Passagierflugzeug HY4
Das Passagierflugzeug HY4 bei seinem Jungfernflug (Foto: DRL)
Ein Wissenschaftler führt eine Strukturbestimmung an einem Röntgendiffraktometer durch (Foto: HIU)

Starke Partner in der Wissenschaftsstadt - HIU und ZSW

Bindeglieder zwischen Grundlagenforschung und Praxis sind das Helmholtz-Institut Ulm für elektrochemische Energiespeicherung (HIU) und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in der Wissenschaftsstadt. Der Leiter des ZSW hat ebenfalls eine Professur an der Uni-Fakultät für Naturwissenschaften inne. Zudem besteht eine Kooperation mit dem Daimler-Forschungszentrum.

2010 wurde das außeruniversitäre Forschungsinstitut HIU eröffnet, getragen vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und der Universität Ulm sowie den assoziierten Partnern ZSW und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). In dem Neubau mit hochtechnologisierten Laboren - passenderweise an der Helmholtzstraße gelegen - entwickeln und testen internationale Forschergruppen neue Speichermaterialien und entwickeln ganz neue Systeme.

Forschungsaktivitäten des benachbarten ZSW reichen von der Modellierung elektrochemischer Vorgänge bis zur Demonstration kompletter Systeme. Vor mehr als 20 Jahren ist das industrienahe Zentrum aus der Uni Ulm ausgegründet worden. Die Wissenschaftler erforschen neue Materialien für Batterien, testen Kombinationen, untersuchen ihren Alterungsprozess und verfügen über eine Pilotfertigungsanlage für Lithium-Ionen-Batterien. Mithilfe der neuen ZSW-Forschungsplattform entwickeln führende deutsche Industrieunternehmen Verfahren zur Herstellung großer automobiltauglicher Lithium-Ionen-Batterien. Das Ziel: Batterien für die Elektromobilität sollen vor Ort für die Bedürfnisse des deutschen Markts hergestellt werden.

Für qualifizierten Nachwuchs in der Batterieforschung ist in der Wissenschaftsstadt gesorgt: Zum einen durch die englischsprachigen Masterstudiengänge Energy Science and Technology, Advanced Materials, sowie Chemical Engineering und zum anderen durch das Weiterbildungszentrum Ulm (WBZU) des ZSW: Vorträge, Informationsveranstaltungen, Modellversuche und Exponate begeistern Schülerinnen und Schülern sowie Berufstätige aus Industrie, Handwerk und Wissenschaft.

eLaB
Das Labor für Batterietechnologie (eLaB) des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (Foto: ZSW)
Füllstutzen E-Tankstelle
In der Ulmer Wissenschaftsstadt gibt es bereits zahlreiche E-Tankstellen (Foto: ZSW/H. Grandel)
Forschung im Helmholtzinstitut Ulm (Foto: HIU)