Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Jahr 2025 unter das Thema „Zukunftsenergie“ gestellt. Wir von Helmholtz Energy beteiligen uns am Wissenschaftsjahr und werden das Thema Zukunftsenergie in all seinen Facetten beleuchten sowie spannende Einblicke in die Arbeit unserer Forschenden geben.

Energie spielt in unserem Leben eine zentrale Rolle. Ohne Energie fahren unsere Autos nicht, kann die Industrie keine Produkte herstellen und wären unsere Wohnungen im Winter eiskalt. Statt aus Kohle, Gas oder Öl soll die Energie in Zukunft aus erneuerbaren, klimafreundlichen Energien wie Sonne und Wind kommen. 

Die Energiewende ist eine Herkulesaufgabe, die uns alle betrifft und die wir alle beeinflussen können. Wir brauchen neue Ideen und Lösungen, insbesondere neue Technologien, um ein klimafreundliches und bezahlbares Energiesystem zu gestalten. Die Wissenschaft spielt bei der Gestaltung des Energiesystems der Zukunft eine zentrale Rolle. Sie erforscht innovative Technologien, um klimaschädlicher Emissionen zu reduzieren. Gleichzeitig zielt sie darauf ab, dass die Gesellschaft und die Wirtschaft vom Wandel profitieren. Wir in Helmholtz Energy verfolgen bei unserer Forschung einen interdisziplinären Ansatz, d.h. verschiedene wissenschaftliche Disziplinen wie Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Sozialwissenschaften und Informatik arbeiten zusammen, um das Energiesystem der Zukunft zu gestalten.

Wir möchten im Zuge des Wissenschaftsjahres 2025 unsere Forschung näher beleuchten und zeigen welchen Beitrag wir beim Thema Zukunftsenergien leisten. Wir stellen im ersten Quartal die erneuerbaren Energien vor und dabei vor allem die Entwicklung neuer Technologien. Den Anfang machen die Themen Solarenergie und Windenergie.

Diese erneuerbaren Energien waren im Jahr 2024 die wichtigsten Energiequellen für die Stromversorgung in Deutschland. Windkraft- und Photovoltaikanlagenerzeugten zusammen mehr als 200 TWh, was 46,5% der gesamten Stromerzeugung in Deutschland entspricht (Bundesnetzagentur). Innovationen in diesen Bereichen sind weiterhin wichtig, um die Transformation des Energiesystems voranzutreiben und Klimaneutralität zu erreichen.

Solarenergie

Zur Solarenergie arbeiten Forschende von Helmholtz Energy an der Entwicklung und Skalierung von Perowskit-Solarzellen, die als die Zukunft der Photovoltaik-Industrie gelten. Ziel dieser Forschungsprojekte ist die Entwicklung hocheffizienter und vollständig kreislauffähiger Solarzellen und Module, um die Nachhaltigkeit des Energiesystems zu erhöhen.

Windenergie

Windenergie ist die wichtigste Stromquelle in Deutschland und liefert bereits mehr als ein Viertel unseres Stroms. Im Jahr 2023 erzeugten die über 28.677 Windenergieanlagen in Deutschland genug Energie für 34 Millionen Haushalte (Daten vom Bundesverband erneuerbare Energie e.V.). Bis 2030 soll die Stromerzeugung aus Windenergie etwa verdoppelt werden. Forschung ist weiterhin notwendig, um die Effizienz, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen weiter zu verbessern.

2023 wurde der Forschungspark WiValdi (Wind Validation) eröffnet. Diese einzigartige Großforschungsanlage wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit Partnern aus dem Forschungsverbund Windenergie betrieben und ist Teil von Helmholtz Energy. Die Technologie und die Zusammensetzung des Forschungsparks sind einmalig und ermöglichen Wissenschaft im Originalmaßstab mit einem bisher unerreichten Detailgrad unter realen Umweltbedingungen. Das Ziel dieser Forschung ist es, die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Windenergie weiter zu steigern, die Schallemissionen zu verringern und damit die Akzeptanz dieser Technologie voranzutreiben.

Fusion

Eine langfristige Option zur Deckung des global steigenden Energiebedarfs ist die Kernfusion.

Anders als bei der Kernspaltung (Fission) werden bei der Fusion leichte Atomkerne (z. B. Wasserstoff) unter Einsatz von Energie dazu gebracht, miteinander zu schwereren Atomkernen (z. B. Helium) zu verschmelzen. Beim Prozess des Verschmelzens wird eine große Menge Energie frei. Zum Beispiel gewinnen Sterne wie die Sonne ihre Energie aus Kernfusion.

Die Technologien für ein Fusionskraftwerk sind noch lange nicht ausgereift. Bis ein funktionstüchtiges und wirtschaftliches Fusionskraftwerk Strom in unsere Steckdosen speist, ist es noch ein langer Weg. Mit dem Programm „Fusion“ will Helmholtz dazu beitragen, die Kernfusion als nahezu unerschöpfliche Energiequelle nutzbar zu machen.

Im Programm Fusion erforschen und entwickeln wir als Teil der europäisch koordinierten und geförderten Fusionsforschung die physikalischen und technischen Grundlagen für die Auslegung und den Bau von Fusionskraftwerken. Zentrale Anlagen hierfür sind Wendelstein 7-X in Greifswald – als weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator – sowie das Tokamak-Experiment ITER, welches derzeit in Cadarache/Frankreich aufgebaut wird.

Energiesystem

Im zweiten Quartal werden wir das Thema Energiesystem vorstellen. Das Energiesystem umfasst die Gesamtheit der Netze - wie z. B. das Strom- oder Wärmenetz -, die alle Komponenten zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Energie miteinander verbinden. Sie sind für unsere Wirtschaft und unseren Alltag unverzichtbar, da sie die Energie für Haushalte, Industrie und Verkehr bereitstellen.

Unsere Forschenden arbeiten an einer Vielzahl von technologischen Entwicklungen, die für den Umbau unseres Energiesystems eine entscheidende Rolle spielen. Ob innovative Speichersysteme, grüner Wasserstoff oder KI-Methoden für das Energiesystem - all diese Technologien sind notwendig, um eine bezahlbare, sichere und nachhaltige Energieversorgung zu schaffen.

Wasserstoff - Schlüssel zur klimaneutralen Zukunft

Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle in der Energiewende. Er kann in vielen Bereichen als Energieträger eingesetzt werden – zum Beispiel in der Industrie, im Verkehr oder zur Energiespeicherung. Insbesondere als Energiespeicher ermöglicht Wasserstoff die zeitliche Entkopplung von Energieerzeugung und -nutzung, was ihn zu einem wichtigen Baustein für die Integration erneuerbarer Energien macht. Besonders wichtig ist sogenannter „grüner Wasserstoff“. Er wird klimaneutral; d.h. mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind oder Sonne, hergestellt.

Der Bedarf an grünem Wasserstoff wächst in Deutschland rasant: während 2023 noch rund 55 Terawattstunden (TWh) benötigt wurden, könnten es bis 2030 schon 130 TWh sein – und bis 2045 sogar über 350 TWh (EY-Studie: "Wasserstoff: Energieträger der Zukunft"). Das zeigt: Wasserstoff wird ein zentraler Baustein unserer zukünftigen Energieversorgung.

Wie entsteht grüner Wasserstoff? Wasserstoff entsteht durch einen Prozess namens Elektrolyse. Dabei wird Wasser mithilfe von Strom in zwei Bestandteile zerlegt: Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). Wichtig ist: der Strom muss aus erneuerbaren Energien stammen – also zum Beispiel aus Wind- oder Sonnenkraft. Nur dann spricht man von grünem Wasserstoff, weil die Herstellung klimaneutral ist (d.h. kein CO₂ entsteht).

Im Mittelpunkt der Herstellung stehen spezielle Geräte, die Elektrolyseure genannt werden. Sie führen die Aufspaltung des Wassers durch. Je besser diese Geräte arbeiten, desto effizienter und günstiger kann Wasserstoff produziert werden – und desto einfacher lässt sich die Technik in großem Maßstab einsetzen.

Forschung für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft. Unsere Forschenden arbeiten daran, die Herstellung von Wasserstoff effizienter, nachhaltiger und günstiger zu machen. In einzigartigen Forschungsinfrastrukturen entwickeln sie neue Technologien rund um den Wasserstoff – und testen sie direkt in der Praxis. Das Ziel ist, diese Innovationen so weiterzuentwickeln, dass sie alltagstauglich und wirtschaftlich nutzbar werden. Die Forschung reicht dabei von den Grundlagen bis hin zur konkreten Anwendung – und deckt die gesamte Wertschöpfungskette ab.

Elektrochemische Energiespeicher: Was sind sie und warum sind sie so wichtig?

Elektrochemische Energiespeicher – wie zum Beispiel Batterien – können elektrische Energie speichern und bei Bedarf wieder abgeben. Das ist besonders wichtig, wenn wir Strom aus Sonne oder Wind nutzen wollen. Denn diese Energiequellen liefern nicht immer gleichmäßig Strom – zum Beispiel scheint die Sonne nicht nachts, und der Wind weht nicht ständig.

Unter den verschiedenen Speicherarten gelten Batterien als besonders umweltfreundlich und zukunftsfähig. Die bekannteste Batterieart ist die Lithium-Ionen-Batterie. Sie steckt in vielen Geräten, die wir täglich nutzen – etwa in Smartphones, Laptops oder Elektroautos. Ihr großer Vorteil: Sie kann viel Energie auf kleinem Raum speichern.

Doch die Forschung geht weiter. Neue Batterietypen sollen noch nachhaltiger, sicherer und leistungsfähiger werden:

• Natrium-Ionen-Batterienkönnten helfen, seltener Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt zu ersetzen, und damit, die Entwicklung einer Europäischen Batterieindustrie unterstützen.
• Festkörperbatterien nutzen feste Materialien statt Flüssigkeiten und gelten als besonders sicher und leistungsstark.

Die Europäische Union sieht Batterien als Schlüssel für den Klimaschutz und die Energiewende. Deshalb wird auch an einer Kreislaufwirtschaft gearbeitet – also daran, wertvolle Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt aus alten Batterien zurückzugewinnen.

In Helmholtz Energy forschen wir intensiv an Batterien der Zukunft. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen entwickeln neue Materialien, analysieren Batterien mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und arbeiten daran, Batterien noch effizienter, günstiger und nachhaltiger zu machen.

Wärmespeicher für eine klimaneutrale Industrie

Viele industrielle Prozesse benötigen große Mengen an Wärme – etwa beim Schmelzen, Trocknen oder bei chemischen Reaktionen. In Deutschland entfällt etwa die Hälfte des industriellen Energieverbrauchs auf diese Wärmeprozesse, wobei ein großer Teil als Hochtemperaturwärme über 400 °C benötigt wird. Rund 70 % dieser Wärme stammt derzeit noch aus fossilen Energieträgern wie Erdgas. Dadurch verursacht die industrielle Prozesswärme etwa 75 % der Treibhausgasemissionen des gesamten Industriesektors in Deutschland (Quelle: Metalverse). Eine nachhaltige und effiziente Wärmeversorgung ist daher essenziell für die Dekarbonisierung des Industriesektors.

Wärmespeicher als Schlüsseltechnologie. Thermische Energiespeicher sind Systeme, die Wärmeenergie aufnehmen, speichern und bei Bedarf wieder abgeben können – vergleichbar mit einer Batterie, jedoch für Wärme statt Strom. Sie ermöglichen die zeitliche Entkopplung von Energieerzeugung und -nutzung, steigern die Energieeffizienz und erleichtern die Integration erneuerbarer Energien wie Solarthermie oder Power-to-Heat-Technologien. Sie gelten als vielversprechende Lösung, um fossile Energieträger zu ersetzen und die Industrie klimaneutral zu gestalten (Quelle: Umweltbundesamt).

Ohne Mobilitätswandel keine Energiewende

Deutschlands CO₂-Emissionen sind 2023 auf den niedrigsten Stand seit 70 Jahren gesunken. Doch der Verkehrssektor bleibt ein Sorgenkind: Seine Emissionen gingen im Vergleich zu 2022 lediglich um 2 % zurück – und damit verfehlte er zum dritten Mal in Folge seine Klimaziele.

Unsere Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen erforschen zahlreiche Aspekte nachhaltiger Mobilität, um innovative Technologien zu entwickeln und die Transformation aktiv mitzugestalten. Im Folgenden möchten wir einige Projekte vorstellen.

Beispiel Straßenverkehr: Der Ausbau einer flächendeckenden und intelligenten Ladeinfrastruktur ist eine zentrale Voraussetzung für die erfolgreiche Elektrifizierung (und damit die Dekarbonisierung) des Straßenverkehrs. Ergänzend dazu kann die Ladeinfrastruktur eine zentrale Rolle bei der Netzstabilisierung spielen. Mithilfe von Vehicle-to-Grid-Technologien (V2G) können Elektrofahrzeuge bidirektional genutzt werden. Dadurch tragen sie aktiv zur Netzstabilität bei und unterstützen die Integration erneuerbarer Energien.

Beispiel Luftverkehr: Ein besonders herausfordernder Bereich ist der Luftverkehr. Seine Dekarbonisierung erfordert einen ganzheitlichen Ansatz: technologische Innovationen, betriebliche Effizienz und politische Maßnahmen müssen zusammenspielen. Eine Schlüsselstrategie ist der Einsatz nachhaltiger Flugkraftstoffe (Sustainable Aviation Fuels, SAF), die aus nicht-fossilen Rohstoffen hergestellt werden und die Emissionen im Luftverkehr deutlich senken können.