Was kommt nach der Lithium-Ionen-Batterie? Wie lässt sich Sonnenenergie chemisch speichern? Und wie gelingt eine massentaugliche Fertigung von Brennstoffzellen? Auf dem Green Energy Campus Ulm gehen Forschende diesen Fragen mit viel Neugier nach – und entwickeln neue Technologien für die Energiespeicherung und -wandlung.
Auf dem Green Energy Campus Ulm arbeiten die Universität Ulm, das Helmholtz-Institut Ulm (HIU), das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Technische Hochschule Ulm (THU) mit Unternehmen aus der Region zusammen. Das Ziel: leistungsstarke, sichere und nachhaltige Speichersysteme für die Energiewende und die Mobilität der Zukunft.
Die Ulmer Wissenschaftsstadt gilt als weltweit führendes Zentrum im Bereich Energieforschung. Unser Ziel ist es, die großen Zukunftsthemen zu erforschen und die Gesellschaft voranzubringen.
Prof. Birgit Esser
Institut für Organische Chemie II und Neue Materialien
Das Leichtmetall Lithium gilt als „Weißes Gold“. In Lithium-Ionen-Akkus sorgt es für eine hohe Energiedichte und bietet damit hohe Spannungen bei niedrigem Gewicht und geringer Dichte. Doch die explodierende Nachfrage bringt teils gravierende ökologische, ökonomische und politische Probleme und Unwägbarkeiten mit sich. Deshalb suchen Forschende auf dem Green Energy Campus Ulm mit viel Leidenschaft nach Alternativen.
International sichtbares Flaggschiff des Green Energy Campus Ulms ist POLiS, der bundesweit einzige Exzellenzcluster zur Batterieforschung. Die Abkürzung steht für “Post Lithium Storage Cluster of Excellence”. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Ulm forschen bei POLiS gemeinsam zu innovativen Batteriematerialien und Speichertechnologien.
Der Exzellenzcluster wurde 2018 bewilligt und für sieben Jahre mit 47 Millionen Euro ausgestattet. 2025 werden DFG und Wissenschaftsrat entscheiden, ob der Exzellenzcluster um weitere sieben Jahre verlängert wird. Assoziierte Partner sind das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Universität Gießen.
Ziel unseres Clusters ist es, umweltfreundliche, sichere und leistungsstarke Speichermaterialien zu entwickeln, die möglichst ohne problematische Substanzen wie Lithium und Kobalt auskommen. Stattdessen sollen Batterieelektroden auf der Basis von Natrium, Kalium, Calcium beziehungsweise Magnesium realisiert und evaluiert werden.
Die Herausforderung besteht darin, die Nachteile, die bislang mit solchen lithiumfreien Systemen verbunden sind, mit Hilfe innovativer Ansätze auszuräumen. Dazu gehören die niedrige Mobilität der Ionen, die schnelle Alterung und die unzureichende Reversibilität von Lade- und Entladeprozessen. Nur so können wir unsere Vision realisieren.
Ein heißer Kandidat unter den Batterien der nächsten Generation sind Speichersysteme aus organischen Elektrodenmaterialien (OEM). Die kommen ganz ohne Metalle aus, was auch ein ökonomischer Vorteil ist. Schließlich sollte die Batterie der Zukunft nicht nur sicher, stark und umweltfreundlich sein, sondern auch bezahlbar.
Trotz all der Bemühungen um Alternativen bleibt die Lithium-Ionen-Batterie eine äußerst vielversprechende Technologie. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von POLiS arbeiten deshalb parallel an der Optimierung und Verfeinerung lithiumbasierter Speichersysteme und an neuen Konzepten für das Batterie-Recycling.
Auf dem Green Energy Campus haben sich Chemikerinnen und Chemiker der Universitäten Ulm und Jena von der Photosynthese inspirieren lassen. Sie arbeiten an Techniken, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln: im Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB) 234 CataLight „Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien – Synthese und mechanistische Studien”. Der SFB wird seit 2018 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert Rund zehn Millionen Euro gab es für diese erste Förderrunde.
Bei CataLight entwickeln die Forschenden nachhaltige Verfahren für die lichtgetriebene Wasserspaltung – zur Gewinnung von grünem Wasserstoff. Die DFG hat den SFB 234 CataLight, der seit 2018 gefördert wird, im Sommer 2022 verlängert und dafür weitere zwölf Millionen Euro bewilligt. Der Sonderforschungsbereich befasst sich mit der Optimierung von photokatalytischen Materialien und Methoden, um auf dieser Grundlage chemische Solarenergiewandler zu entwickeln.
„Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle in der lichtgetriebenen Wasserspaltung, denn er ist ein hervorragender Energiespeicher“, erklärt Professor Sven Rau. Der Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm ist Co-Sprecher des SFB 234 CataLight.
„In der Natur sind lichtgetriebene Prozesse wie die Photosynthese immer in hierarchisch strukturierten Umgebungen eingebettet, die dynamisch und anpassungsfähig sind“, erläutert der Chemiker. Solche biologischen Architekturen, wie sie in den photosyntheseaktiven Zellorganellen der Pflanze zu finden sind, wollen die Forscherinnen und Forscher konzeptionell mit sogenannten “Soft Matter-Materialien” nachbilden. Dazu gehören zum Beispiel biomimetische Lipiddoppelschichten.
In der ersten Förderperiode ist es “CataLight” bereits gelungen, einen molekularen Mechanismus für die Selbstreparatur von Photokatalysatoren zu entwickeln.
Neben den federführenden Universitäten Jena und Ulm tragen die Uni Wien sowie das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und das Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. zum SFB 234 bei. Neu hinzugekommen ist als Partner das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW). Zusammen erkunden wir mehrere Wege zur Gewinnung von grünem Wasserstoff.
"Dass wir mit unserer Forschung einen wichtigen Beitrag zu einer effizienten und nachhaltigen Energieversorgung leisten, motiviert uns enorm."
Prof. Axel Groß
Institut für Theoretische Chemie
"An neuen Energiespeichern auf der Basis verträglicher Rohstoffe zu arbeiten, ist eine besondere Motivation für mein Team und für mich.”
Prof. Maximilian Fichtner
Helmholtz-Institut Ulm
"Grüne Energieerzeugung und nachhaltige Energiespeicherung sind unsere Strategien für eine nachhaltige Zukunft."
Dr. Montaha Anjass
Institut für Anorganische Chemie I
"Mit unserer Forschung an Wasserstoff und Kohlendioxid haben wir die Chance, völlig neue Wege zu gehen."
Prof. Robert Güttel
Institut für Chemieingenieurwesen
Exzellente Forschung braucht starke Partner. Die Universität Ulm kooperiert auf dem Green Energy Campus Ulm deshalb eng mit dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU) und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie mit ausgewählten Unternehmen in der Wissenschaftsstadt.
Von der Grundlagenforschung bis zur Produktion – hier ist ein einzigartiges Ökosystem mit einer entsprechenden Wertschöpfungskette aufgebaut worden. Dank dieser erstklassigen Kooperationen gehen die einzelnen Innovationsschritte Hand in Hand.
Am Helmholtz-Institut Ulm für elektrochemische Energiespeicherung (HIU) entwickeln und testen internationale Forschergruppen innovative Batteriematerialen und neue Speichertechnologien. Das HIU wurde vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und der Universität Ulm sowie den assoziierten Partnern Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gegründet.
2011 wurde das HIU feierlich eröffnet. Heute zählt es zu den bundesweit führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Energiespeicherung und genießt auch international großes Ansehen.
Das ZSW, das 1988 mit Sitz in Stuttgart und Ulm gegründet wurde, ist eine gemeinnützige Stiftung. Ihr Fokus liegt darauf, Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung beschleunigt in vermarktungsfähige Anwendungstechnik umzusetzen. Außerdem sollen Erkenntnisse an die Wirtschaft transferiert werden. Beides betrifft vor allem das Gebiet der erneuerbaren Energien und der Energiewandlung.
Herausragender Brückenkopf des ZSW für den Technologietransfer ist zum Beispiel die im Mai 2024 eingeweihte Pilotanlage für die Produktion von Batteriematerialien “Powder-Up!”. Ein anderes Highlight ist die Forschungsfabrik für Wasserstofftechnologie und Brennstoffzellentechnik “HyFaB”. Die Forschungsfabrik umfasst zum einen das 2022 in Betrieb genommene Testzentrum für Brennstoffzellen, das europaweit größte in der Klasse bis 250 Kilowatt. Zum anderen gehört dazu auch eine Montagehalle für die roboterunterstützte, automatisierte Stapelung von Brennstoffzellen-Stacks. Sie geht Ende 2024 an den Start.
Gemeinsam möchten wir auf dem Green Energy Campus Ulm die Weichen für eine nachhaltige Zukunft stellen. Dabei ist die campus-weite Vernetzung essenziell. Wie gut das klappt, zeigen besonders die Energiespeicherforschungsplattform CELEST und das Zentrum für Energieforschung und -technologie (ZET).
Während CELEST die wissenschaftliche Zusammenarbeit internationaler Akteure fördert, finden im ZET Wissenschaft und Industrie zusammen. Wie immer auf dem Green Energy Campus Ulm gilt: Auf höchstem Niveau!
Eine der größten und weltweit ambitioniertesten Plattformen auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiespeicherung ist CELEST. Das einzigartige Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe – gegründet 2018 vom KIT, der Uni Ulm und dem ZSW – vernetzt die wichtigsten internationalen Akteure in der wissenschaftlichen Zusammenarbeit für die Batterie- und Brennstoffzellenentwicklung. Das Spektrum reicht dabei von der elektrochemischen Grundlagenforschung bis in die großtechnische Zellfertigung, von der experimentellen Materialsynthese über die Computermodellierung bis zur Batterie- und Brennstoffzellenprüfung. Beteiligt sind aktuell 55 Mitglieder aus über 30 Instituten an den beiden Standorten Ulm und Karlsruhe. Den Forschenden von CELEST ist es 2018 gelungen, mit POLiS den ersten und bislang einzigen Exzellenzcluster in der Batterieforschung einzuwerben. Das Netzwerk CELEST koordiniert außerdem gemeinsame wissenschaftliche Aktivitäten mit Forschungseinrichtungen und Unternehmen im In- und Ausland und fördert den Technologietransfer in der Region und darüber hinaus.
In diesem Zentrum beforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von Uni Ulm, Technischer Hochschule Ulm (THU) und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) seit 2018 gemeinsam Energiethemen.
Dabei geht es vor allem um verschiedene Perspektiven: von intelligenten Stromnetzen bis zum synthetischen Kraftstoff, von den Grundlagen bis zur Anwendung. Im ZET ergänzen sich die drei beteiligten Einrichtungen.
Am Institut für Chemieingenieurwesen der Universität Ulm geht es um die Frage, wie synthetische Treibstoffe aus regenerativen Energiequellen nachhaltig gewonnen werden können. Die Forschenden der THU befassen sich unter anderem mit Smart Grids, also intelligenten Stromnetzen. Das ZSW sorgt für den Brückenschlag in die Industrie.
Der Green Energy Campus Ulm ist mit modernster Forschungsinfrastruktur ausgestattet. Besonders herzvorzuheben sind dabei der Supercomputer JUSTUS und das Supermikroskop SALVE. Der Computer ist das Herzstück des bwForCluster für die theoretische Chemie, der später um die Quantenwissenschaften erweitert wurde. Beim Supermikroskop wiederum handelt es sich um das weltweit einzige farb- und öffnungsfehler-korrigierte Niederspannungstransmissionselektronenmikroskop. Entwickelt wurde es mit viel Ehrgeiz direkt auf dem Green Energy Campus.
Hochkomplexe Modellierungen, aufwändige Simulationen und umfangreiche Datenanalysen in unfassbaren Ausmaßen – all das macht der Ulmer Supercomputer JUSTUS möglich. Die Landesinitiative für das High Performance Computing stärkt neben der theoretischen Chemie inzwischen auch die Batterieforschung.
2014 wurde JUSTUS in Betrieb genommen und 2020 sein Nachfolger JUSTUS 2, der zu dieser Zeit zu den 400 leistungsstärksten Supercomputern der Welt gehörte. Im Frühjahr 2024 wurde JUSTUS 3 bewilligt, der in den nächsten Jahren seinen Vorgänger ablösen wird.
Eintauchen in die Welt der Atome – das tun Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Batterieforschung am Ulmer Supermikroskop. Das Besondere: Weil es mit Niederspannung arbeitet, können auch strahlempfindliche Materialien untersucht werden – bis auf die atomare Ebene. So konnten bereits zahlreiche Anoden- und Kathodenmaterialien atomgenau untersucht werden. Die Erkenntnisse helfen dabei, die tatsächliche Kristallstruktur der Materialien aufzudecken und entsprechende Computermodelle zu verifizieren.
Für das Gelingen der Energiewende braucht es Fachkräfte – sowohl mit beruflicher als auch mit akademischer Aus- und Weiterbildung. Der Green Energy Campus Ulm ist das ideale Sprungbrett dafür: Hier vermitteln verschiedene Einrichtungen Grundlagen-, Fach- und Spezialwissen zur elektrochemischen Energiespeicherung (EES). Mit viel Leidenschaft und Neugier bringen wir die Energiewende gemeinsam voran!
Die Universität Ulm stattet junge Menschen durch eine hervorragende Lehre bereits in den Bachelor-Studiengängen mit den notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen und topaktuellen Erkenntnissen aus. Zudem bietet sie zwei englischsprachige Master-Studiengänge mit Bezug zur Energieforschung: Energy Science and Technology und Chemical Engineering. So legen wir gemeinsam die Basis für eine nachhaltige Zukunft.
Die Graduiertenschule „Electrochemical Energy Storage“ (GS-EES) und das Graduiertenkolleg „Simulation Mechanisch-Elektrisch-Thermischer Vorgänge in Lithium-Ionen- Batterien“ (SiMET) richten sich an Promovierende, die sich fachlich in EES-Themen vertiefen wollen. Eingebettet sind die Programme in das Energiespeicherforschungsnetzwerk CELEST. Schauen Sie doch direkt auf die Website!
Auch die Technische Hochschule Ulm (THU) hält ein umfassendes Studienangebot rund um Energiethemen bereit. Ob Bachelor- oder Masterstudiengang, hier werden Sie fündig!
Fachkräfte wenden sich an das Weiterbildungszentrum für innovative Energietechnologien (WBZU) der Handwerkskammer Ulm. Hier werden Sie für den Umgang mit Wasserstoff, Brennstoffzellen, Batteriespeicher oder Wärmepumpen fit gemacht!
Verlängerung
SFB 234 CataLight
Gründung
"Zentrum für Energieforschung und -technologie" (ZET)
Bewilligung
"Exzellenzcluster Post Lithium Storage" (POLiS)
Bewilligung
SFB 234 CataLight "Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien - Synthese und mechanische Studien"
Gründung
Forschungsplattform "Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe" (CELEST)
Gründung
"Helmholtz-Institut für Elektrochemische Energiespeicherung" (HIU)
DFG Forschergruppe
"Elementary Steps in Electrocatalysis: Theory meets Experiment" (FOR 1376)
Gründung
"Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg" (ZSW)
Bereits seit 2020 gibt es den Podcast “Geladen”. Er ist ein Gemeinschaftsprojekt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und des Exzellenzclusters “POLiS”. Im Podcast diskutieren die Hosts Daniel Messling und Patrick von Rosen leidenschaftlich mit renommierten Experten und Expertinnen zu Themen rund um Batterieforschung, Energiewende und Elektromobilität.