Speicher in nachhaltigen Händen

Das KIT, die Universität Ulm und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg forschen an Energiespeichern der nächsten Generation. Die Plattform CELEST schafft dafür einen standortübergreifenden Rahmen.

Lithium und Kobalt sind kostbare Rohstoffe. Sie bilden die Basis von Lithium-Ionen-Akkus, die nicht nur Mobiltelefone und Laptops mit Strom versorgen, sondern auch immer mehr Elektrofahrzeuge mit Energie speisen. Während die Nachfrage nach leistungsstarken Energiespeichern steigt, nehmen die Rohstoffvorkommen jedoch stetig ab. Hinzu kommen geopolitische Unsicherheiten: Beispielsweise findet man die mit Abstand größten Vorkommen von Kobalt im Kongo – einem von Bürgerkriegen geprägten Land, in dem der Rohstoff teilweise noch immer unter menschenunwürdigen Bedingungen abgebaut wird.

„Es ist an uns Forschern, bereits heute Lösungen für die Herausforderungen der Zukunft zu erarbeiten“, so Professor Maximilian Fichtner, Direktor von CELEST und stellvertretender Direktor des Helmholtz-Instituts in Ulm (HIU), das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) initiiert wurde.

„Trotz der räumlichen Distanz ist es ein riesiger Vorteil, Partner zu haben, mit denen man sich austauschen kann. Von der Grundlagenforschung bis hin zur Anwendung können wir von der gesammelten Expertise aller CELEST-Mitglieder profitieren.“

Prof. Dr. Helmut Ehrenberg, Karlsruher Institut für Technologie

Um die Zusammenarbeit zu stärken und gemeinsame Forschungsaktivitäten zu verstetigen, haben die Universität Ulm und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gemeinsam mit dem KIT im Januar 2018 mit CELEST die größte deutsche Forschungs- und Entwicklungsplattform für Energiespeichersysteme gegründet. Die Abkürzung steht für Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe.

Der Fokus von CELEST liegt auf drei Themenfeldern: Lithium-Ionen-Technologie, Energiespeicherung jenseits von Lithium und alternative Techniken zur elektrochemischen Energiespeicherung, etwa Brennstoffzellen oder Redox-Flow-Batterien. „Uns war es wichtig, spezifische Kompetenzen zu bündeln, ohne thematisch zu sehr eingeengt zu sein. Dies ermöglicht es uns, bestehende Technologien wie die Lithium-Ionen-Batterie weiterzuentwickeln, aber gleichzeitig über den Tellerrand zu blicken und mit alternativen Rohstoffen zu forschen“, erklärt Professor Helmut Ehrenberg. Er leitet das Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) am KIT und ist als stellvertretender Direktor von CELEST tätig.

Ehrenberg betont außerdem: „Mit CELEST schenken wir der Batterieforschung endlich die Aufmerksamkeit, die gesellschaftlich gefordert wird. Hier können Technologien im Gesamtkontext getestet werden, statt nur einzelne Komponenten und Prozesse zu betrachten.“

Aktuell forschen die CELEST-Mitglieder unter anderem an Magnesium- und Natrium-Ionen-Batterien. Diese Rohstoffe sind in Europa in größeren Mengen vorhanden, ungiftig und einfach zu recyceln. Verglichen mit Lithium-Ionen-Batterien verfügen sie zwar über eine geringere Energiedichte und sind dadurch bei gleicher Leistung wesentlich schwerer. „Wenn es um stationäre Anwendungen geht, dann ist eine geringe Masse aber auch nicht unbedingt erforderlich. Da zählt eher, dass das Speichermedium langlebig und kostengünstig ist und man einen ökologisch weniger bedenklichen Fußabdruck hinterlässt. Meine Vision ist eine nachhaltige Energietechnologie“, so Ehrenberg.

Auch im Bereich Aus- und Weiterbildung will man bereits heute die Weichen für die Zukunft stellen. So laufen aktuell Planungen für eine gemeinsame Graduiertenschule. Fichtner erklärt: „Wir wollen der Gesellschaft nicht nur technische Neuerungen bereitstellen, sondern auch gut ausgebildetes Personal. Schulungen spielen bei CELEST eine zentrale Rolle, schließlich bilden qualifizierte Nachwuchswissenschaftler die Basis für den Erfolg unserer Forschung.“

„Wirklich erfolgreich sind wir aber erst dann, wenn unsere Forschungsergebnisse auch auf Interesse seitens der Industrie stoßen“, betont Fichtner. Ein Jahr nach dem Start von CELEST fruchtet die gebündelte Forschungsexpertise bereits. Verschiedenste Kooperationspartner stehen mit den Forschern in Kontakt, beispielsweise Materialhersteller oder Mobilitätsdienstleister. Eine wichtige Rolle spielt dabei auch das Batterietechnikum am Campus Nord des KIT – eine Forschungsfabrik, in der Projekte mit hoher Marktnähe umgesetzt werden. Von der Entwicklung neuer Materialien und Zellen bis hin zur Integration in das Gesamtsystem werden hier ganzheitliche Ansätze in Kooperation mit der Wirtschaft verfolgt. Ehrenberg und Fichtner blicken optimistisch in die Zukunft: „Gute Grundlagen sind geschaffen. Jetzt liegt es an uns, etwas daraus zu machen.“

Bilder v.o.n.u.: Stocksnapper / Shutterstock, bearbeitet von DER PUNKT | Andreas Drollinger / KIT

Exzellenzcluster „Energy Storage beyond Lithium“

Die steigende Bedeutung nachhaltiger Energiespeichersysteme verdeutlicht der gemeinsame Exzellenzcluster des KIT und der Universität Ulm, welcher seit Januar 2019 im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder für zunächst sieben Jahre gefördert wird. Aus insgesamt 88 eingereichten Clusteranträgen wählte die Deutsche Exzellenzkommission den Antrag „Energiespeicherung jenseits von Lithium – Neue Konzepte für eine nachhaltige Zukunft“ zusammen mit weiteren 56 Anträgen aus.

Zentrales Ziel des Clusters ist es, ein fundamentales Verständnis der elektrochemischen Energiespeicherung in neuartigen Systemen zu erarbeiten, grundlegende Materialeigenschaften mit kritischen Leistungsparametern zu verbinden und so die Grundlagen für die praktische Nutzung von Post-Lithium-Technologien zu schaffen. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Justus-Liebig-Universität Gießen agieren dabei als Partner.

Bild: Laila Tkotz / KIT

Einweihung Forschungsplattform CELEST und Batterie-Exzellenzcluster

Prof. Dr. Maximilian Fichtner

Prof. Dr. Maximilian Fichtner studierte Chemie und promovierte 1992 mit Auszeichnung in Chemie / Oberflächenwissenschaften an der damaligen Universität Karlsruhe. Nach der Promotion ging er unterschiedlichen Tätigkeiten am KIT nach, bis er im Jahr 2000 die Leitung einer Gruppe des Instituts für Nanotechnologie (INT) übernahm. Im Jahr 2013 führte sein Weg zum Helmholtz-Institut-Ulm, an dem er seit 2015 stellvertretender Direktor ist.

In seiner Forschung konzentriert er sich auf unterschiedliche Felder in der Chemischen und Thermischen Mikroverfahrenstechnik. Insbesondere forscht er auf dem Gebiet der neuen Materialien für die Wasserstoffspeicherung und fokussiert sich auf die Untersuchung nanoskaliger Effekte in Energiematerialien. In seiner Arbeit versucht er zudem, neue Lösungskonzepte in der Batterieforschung zu entwickeln. Seit 2018 ist Prof. Fichtner Direktor des „Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe“ (CELEST).

Prof. Dr. Helmut Ehrenberg

Prof. Dr. Helmut Ehrenberg studierte Physik und promovierte 1996 in Materialwissenschaft an der Technischen Universität Darmstadt. Seit 2010 ist er als habilitierter Professor an der Lehre des KIT beteiligt, seit 2012 ist er Leiter des Instituts für Angewandte Materialien- Energiespeichersysteme (IAM- ESS). Neben seiner Tätigkeit am KIT ist Prof. Ehrenberg seit 2011 leitender Wissenschaftler am Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU). Zusätzlich ist er seit 2018 stellvertretender Sprecher des „Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe“ (CELEST).

Sein Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der Materialforschung für eine nachhaltige Energietechnologie, insbesondere die Charakterisierung von Batteriezellen in Forschung und Entwicklung. Zusätzlich engagiert er sich in einer Vielzahl von Komitees und Gremien wie beispielsweise für den Topic „Energy Sources an Storage Systems“ am KIT-Zentrum Mobilitätssysteme.

Bilder v.o.n.u.: HIU | Elvira Eberhardt, Uni Ulm

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