Energiewandlung und -speicherung
Ulms Beitrag zur Energiewende und Elektromobilität
Die Ulmer Wissenschaftsstadt ist eine Zukunftsschmiede für leistungsstarke, zuverlässige Batterien und Brennstoffzellen. Solche umweltfreundlichen Speicher und Wandler tragen maßgeblich zum Gelingen der Energiewende sowie zur Etablierung der Elektromobilität bei. Dabei arbeitet die traditionsreiche und weltweit anerkannte Elektrochemie der Universität mit starken Partnern aus der Praxis zusammen. Mit diesen Partnern ist es der Universität 2018 sogar gelungen, das deutschlandweit einzige Exzellenzcluster im Bereich Batterieforschung einzuwerben. Inzwischen gilt die Ulmer Wissenschaftsstadt als weltweit führendes Zentrum im Bereich Energieforschung.
Forschung zu Batterien und Brennstoffzellen der Zukunft
Die Ziele sind ambitioniert: In den nächsten Jahren soll die Energiewende gelingen und emissionsarme (Elektro-) Fahrzeuge sollen 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 leistungsstarke und zuverlässige Speicher, damit sie bei der Fahrt genügend Strom haben.
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien wie sie in Smartphones und Notebooks verwendet werden, haben ihre maximale Speicherkapazität beinahe erreicht. Für ihre Herstellung sind zudem seltene und teure Rohstoffe notwendig. In der Ulmer Wissenschaftsstadt suchen Forschende aus Theorie und Praxis deshalb nach leistungsstarken und nachhaltigen Batterien der Zukunft. Dazu haben die Universität Ulm, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) die größte deutsche Plattform für elektrochemische Energieforschung, CELEST, gegründet. Mit den Feldern „Lithium-Ionen-Technologie“, „Energiespeicherung jenseits von Lithium“ und „alternative Techniken zur elektrochemischen Energiespeicherung“ deckt diese Plattform alle aktuellen Themen der elektrochemischen Energiespeicherung ab. Einen herausragenden Erfolg konnte CELEST bereits für sich verbuchen: Im Zuge der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder haben die Forschenden das Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) eingeworben, das für zunächst sieben Jahre mit rund sieben Millionen Euro jährlich gefördert wird. Im Zentrum des Clusters stehen Batteriesysteme, die ohne die endlichen Materialien Lithium und Kobalt auskommen.
Die Aktivitäten des Exzellenzclusters POLiS, der europäischen Large-Scale Research Initiative BATTERY2030+ und der Nachwuchsgruppen sind seit 2020 in einem eigenen Forschungsgebäude in der Lise-Meitner-Straße gebündelt, wo ca. 120 Forschende an neuen Themen der Energiespeicherung arbeiten. Weltweit einzigartig ist die „Materials Acceleration Platform“ (MAP), in der mittels autonomer Robotik und künstlicher Intelligenz in Kombination mit maschinellem Lernen neue Wege der Materialforschung beschritten werden.
Langjährige Erfahrung zahlt sich aus
An der Universität hat die Elektrochemie eine lange Tradition: Obwohl dieser Forschungsbereich bereits 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. Wichtige Beiträge in Theorie und Experiment hat die DFG-Forschergruppe FOR 1376 "Elementary Steps in Electrocatalysis: Theory meets Experiment" geleistet. Dementsprechend ist die Forschungsinfrastruktur an der Universität Ulm hervorragend: Bereits seit Ende 2014 erleichtert der Hochleistungscomputer JUSTUS (jetzt JUSTUS 2) große Rechenoperationen für die Energieforschung. Dieser Supercomputer ist Herzstück des bwForClusters für die theoretische Chemie und wurde speziell für die Erforschung der chemischen Energiespeicherung und -wandlung konzipiert. Weiterhin eröffnen ein Atomprobentomograph und das Supermikroskop SALVE den Forschern neue Einblicke.
Ebenfalls der Grundlagenforschung zuzuordnen ist der 2022 verlängerte Transregio-Sonderforschungsbereich CataLight. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Ulm und Jena ergründen gemeinsam, wie sich Sonnenenergie in Wasserstoff chemisch speichern lässt. Außerdem bündeln die Technische Hochschule Ulm und die Universität Ulm ihre Aktivitäten im „Zentrum für Energieforschung und -technologie“ (ZET). Dabei decken die Forschungsprojekte ein breites Themenspektrum ab – von intelligenten Stromnetzen bis zum synthetischen Kraftstoff und den ebenfalls intensiv beforschten Brennstoffzellen.
Starke Partner in der Wissenschaftsstadt - HIU und ZSW
Bindeglieder zwischen universitärer Forschung 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.
2011 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.
Die 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.
Für den Antrieb von LKW oder zum Beispiel Zügen können Brennstoffzellen eine sinnvolle Alternative sein. Dazu wird Strom (aus erneuerbaren Energien) über Elektrolyse von Wasser zu grünem Wasserstoff umgewandelt. Derzeit entsteht am ZSW die Forschungsfabrik HYFab für die Massenproduktion solcher Brennstoffzellen: Neben der seriennahen Herstellung und Optimierung von PEM Brennstoffzellenstacks werden auch Fachkräfte geschult. Das große Potenzial von „grünem“ Wasserstoff soll weiterhin in interdisziplinären Projekten wie HYFive untersucht werden.
Beste Chancen für Nachwuchsforschende
Für qualifizierten Nachwuchs in der Energieforschung ist in der Wissenschaftsstadt gesorgt: Zum einen durch die englischsprachigen Masterstudiengänge Energy Science and Technology sowie Chemical Engineering an der Uni 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.
Vor allem aber betreibt die Plattform CELEST die größte Graduiertenschule Deutschlands auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiespeicherung. Die Ausbildung umfasst nicht nur technische Themen, sondern vermittelt auch Fertigkeiten für den Jobeinstieg und interkulturelle Kompetenzen.