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Gemeinsam neue Speicher erforschen

Der schnelle Umbau der Energieversorgung erfordert entscheidende Fortschritte in der Grundlagenforschung und eine rasche Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse. Aus diesem Grund hat die Helmholtz-Gemeinschaft ihr Programm zur Energieforschung im Jahr 2011 ausgebaut. Ein zentraler Aspekt ist die Speicherung von Energie und die hocheffektive Energiewandlung. Zusammen mit Helmholtz-Partnern und ausgewählten Universitäten arbeiten Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, neue Speichertypen und -lösungen bis zur Marktreife zu entwickeln. Die laufenden Vorhaben sollen dabei größtmögliche Betriebssicherheit gewährleisten, die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer verbessern sowie Materialeinsatz und Kosten senken. Insgesamt ist das Forschungszentrum Jülich an drei zusätzlichen Vorhaben beteiligt, die durch die Helmholtz-Gemeinschaft gefördert werden.

Mobile und stationäre Energiespeichersysteme

In der neu gegründeten Helmholtz-Initiative "Mobile und stationäre Energiespeichersysteme" werden die materialorientierten Grundlagen für die Entwicklung neuer Batterien geschaffen. Diese können nur dann eine Schlüsselfunktion als effiziente und sichere Energiespeicher erfüllen, wenn es gelingt, durch neue Materialien und Strukturen sowie innovative Schichtsysteme zu fortschrittlichen Batteriegenerationen zu kommen. Jülicher Wissenschaftler erforschen zusammen mit den Verbund-Partnern neue Werkstoffe und Funktionsschichten für zukünftige Lithiumionenbatterien. Batterien dieses Typs versorgen heute schon standardmäßig Mobilgeräte wie Handys und Notebooks mit Strom. Sie sind die leistungsfähigsten Akkumulatoren, die derzeit zur Verfügung stehen.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung des Betriebsverhaltens. Jülicher Forscherinnen und Forscher führen Experimente an Modellzellen durch und beobachten damit elektrochemische Vorgänge während des Betriebs, die Stromdichteverteilung und die Temperaturabhängigkeit. Die Erkenntnisse dienen unter anderem dazu, die Zuverlässigkeit und Sicherheit zu verbessern sowie eine "Idealzelle" für die Hybridisierung zu ermitteln – also den Zelltyp, der für den Betrieb in Kombination mit einer Brennstoffzelle am besten geeignet ist. Darüber hinaus wird die technische, ökonomische und umweltseitige Eignung von Festkörperbatterien für verschiedene mobile und stationäre Anwendungen bestimmt.

Beteiligt sind neben dem Forschungszentrum Jülich das koordinierende Karlsruher Institut für Technologie, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und die Helmholtz-Zentren in Berlin, Dresden-Rossendorf und Geesthacht.

Elektrochemische Speicher im System

Der Anteil an Elektrofahrzeugen auf Deutschlands Straßen soll weiter ausgebaut werden, so das Ziel der Bundesregierung. Ein wichtiger Schlüssel dafür ist die Verfügbarkeit einer geeigneten Batterie. Sie muss effizient, sicher, bezahlbar und kundenfreundlich einsetzbar sein. Mit dem neu eingerichteten Portfoliothema "Elektrochemische Speicher im System" verstärkt die Helmholtz-Gemeinschaft die Forschung auf diesem Gebiet. Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten zusammen mit den Verbund-Partnern daran, gezielt Energiespeicherlösungen für zukunftsweisende Antriebssysteme zu entwickeln und anzupassen. Solche mobilen Speicher sind zukünftig auch stationär gefordert. Sie sollen dazu beitragen, Strom aus erneuerbaren Energien bedarfsgerecht bereitzustellen.

Aussichtsreichster Kandidat für diese Anwendung ist die Lithiumionenbatterie. Die Forscher wollen grundlegende Erkenntnisse über Transport- und Einlagerungsvorgänge in der Zelle gewinnen. Diese fließen unter anderem in die Anpassung der Zellgröße ein, die auf die Ansprüche mobiler Anwendungen hin zugeschnitten und vergrößert werden soll. Andere Arbeitsgruppen optimieren das Design ganzer Hybridsysteme, etwa für den Antrieb von Kleinfahrzeugen oder die Bordstromversorgung von Flugzeugen, Schiffen, Bahnen und Lastwagen. Solche Hybridsysteme erzeugen elektrische Energie mit Brennstoffzellen, Batterien fangen Lastspitzen und Stromausfälle auf. Darüber hinaus werden in dem Portfoliothema unterschiedliche Optionen für die Energiespeicherung aus techno-ökonomischer Sicht verglichen und bewertet.

Beteiligt sind neben dem Forschungszentrum Jülich das koordinierende Karlsruher Institut für Technologie sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit ihren Universitätspartnern, der Justus-Liebig-Universität Gießen, der Universität Hamburg, der Technischen Universität Darmstadt, der Technischen Universität München, der Rheinisch-Westfälisch Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster.

Stationäre elektrochemische Speicher und Wandler

Die stationäre Energiespeicherung und -wandlung mit elektrochemischen Technologien ist eine wichtige Voraussetzung, um die zukünftige Stromversorgung effizienter und sauberer zu gestalten. Doch bis jetzt fehlt eine einsatzfähige Lösung. In der Helmholtz-Energie-Allianz "Stationäre elektrochemische Speicher und Wandler" verfolgen Jülicher Wissenschaftler zusammen mit ihren Partnern daher unterschiedliche Ansätze wie neue Formen der großskaligen Wasserelektrolyse. Im Fokus stehen dabei elektrochemische Zellen, die wie Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen aufgebaut sind. Mit ihnen könnten große Mengen Wasserstoff aus überschüssigem Wind- und Solarstrom erzeugt werden, um die elektrischen Netze zu entlasten. Im großen Maßstab in Salzkavernen gespeichert könnten sie über Wasserstofftankstellen an die wachsende Zahl von hocheffizienten Brennstoffzellen-Fahrzeugen verteilt werden und in zukünftigen Brennstoffzellen- oder Gasturbinen-Kraftwerken bedarfsgerecht rückverstromt werden.

Auch die Technologie der für die Elektromobilität favorisierten Lithiumionen-Batterie muss für die stationäre Anwendung neu konzeptioniert, verbessert und verbilligt werden. Zu den Forschungsthemen der Allianz zählen daneben auch neue Lösungen wie Metall-Luft- und Hochtemperatur-Batterien. Sie versprechen eine deutlich höhere Speicherkapazität, sind aber von der Marktreife noch weit entfernt. Darüber hinaus werden die Entwicklungen technologisch und sozioökonomisch bewertet und ihre Einbindung in das Energienetz untersucht.

Beteiligt sind neben dem koordinierenden Forschungszentrum Jülich das Karlsruher Institut für Technologie und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit ihren Hochschul-Partnern, der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, der Ruhr-Universität Bochum und der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen.


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