UNSERE STRATEGIE
KURS 2025
UNSERE STRATEGIEFORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH
1.904
Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Administration sowie der Projektträger
Auszubildende, Praktikantinnen und 323
Praktikanten in 26 Berufen
Gastwissenschaftlerinnen und 792
-wissenschaftler aus 75 Ländern
3.687
Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftler und technisches Personal
2.165
Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftler und junge Talente in wissenschaftlicher Ausbildung
536 Doktorandinnen und Doktoranden
davon
davon
5.914 Beschäftigte
Auf einen Blick
davon europäische/ 30
internationale
59 neue
Patent anmeldungen
243 Millionen Euro , 9
Drittmittel
609 Millionen Euro Erlöse , 3
(gesamt)
10 Jahre
Jülich Aachen Research Alliance
2.442 Publikationen
davon
Das Forschungszentrum Jülich leistet wirksame Beiträge zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Information, Energie und Bioökonomie. Mit seinen knapp 6.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gehört das Zentrum zu den großen interdisziplinären Forschungs- zentren Europas. Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft.
Exzellenz, Redlichkeit, Kollegialität und Verantwortung sind
Werte, für die das Forschungszentrum steht. Zu seiner Ver-
antwortung zählt es auch, wissenschaftliche Expertise für
die Gesellschaft zugänglich zu machen. Das Forschungszent-
rum Jülich arbeitet national und international mit zahlreichen
Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammen - zum
gemeinsamen Nutzen. Mit der RWTH Aachen unterhält es
die Jülich Aachen Research Alliance (JARA), eine deutsch-
landweit einzigartige Kooperation einer Hochschule mit
einer Forschungseinrichtung.
U NSE R E S T R AT EG I E > I N H A LT
INHALT
Auf einen Blick Klappe vorn
Vorwort 2
Vision 4
Information 6
Energie 14
Bioökonomie 22
Infrastrukturen 30
Campus 32
Strategieentwicklung Klappe hinten
Was uns wichtig ist Klappe hinten
Prof. Wolfgang Marquardt Vorstandsvorsitzender
Karsten Beneke
Stellvertretender Vorstandsvorsitzender
Prof. Sebastian M. Schmidt Mitglied des Vorstands
Prof. Harald Bolt Mitglied des Vorstands
Fast 6.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und mehr als 360 Millionen Euro jährliche institutionelle Förderung: Das Forschungszentrum Jülich, Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, ist eine der großen Forschungseinrichtungen in Deutschland und Europa. Forscherinnen und Forscher in zehn Instituten mit rund 60 Institutsbereichen verfolgen in Jülich das Ziel, zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausfor- derungen beizutragen – durch Grundlagenforschung, die stets davon inspiriert ist, in der Gesellschaft wirksam zu werden. Wir nennen das vom Nutzen inspirierte Grundlagenforschung.
Als Großforschungseinrichtung kennzeichnet uns einerseits die langfristig und programmatisch ausge- richtete Forschung; die gewachsene Vielfalt der wissenschaftlichen Themen und Disziplinen ist typisch für uns und eine Stärke der Jülicher Forschung. Andererseits wissen wir aber auch, dass nur ein klares Profil und ein strategisch ausgerichtetes Forschungsportfolio auf Dauer unsere Kooperations- und Wettbewerbsfähigkeit im wissenschaftlichen Gesamtsystem sichern.
Weil wir unseren Platz in diesem Spannungsfeld neu bestimmen möchten, haben wir in einem umfang- reichen, partizipativ gestalteten Prozess eine Strategie entwickelt, wie wir uns als Partner und Wettbe- werber in der Wissenschaftslandschaft klarer positionieren können. Besonders wichtig war dabei für uns, Leitthemen zu definieren, zu denen wir als multithematische Großforschungseinrichtung in enger Kooperation mit Universitäten, Forschungseinrichtungen, Politik, Wirtschaft und Gesellschaft wesent- liche Beiträge leisten können. Künftig werden die Schwerpunkte Information und Energie sowie Bioöko- nomie unsere strategische Ausrichtung und unsere Entwicklung bestimmen.
Unsere „Strategie 2025“ umzusetzen, ist ein ehrgeiziges Unternehmen, das wir hartnäckig und mit langem Atem verfolgen wollen. Aber wenn wir den Weg konsequent gehen, den unsere neue Strategie vorzeichnet, dann schärft das langfristig unser Profil und macht uns leistungsfähiger. Unsere traditio- nellen Stärken bauen wir weiter aus: Unsere Forschung bleibt multithematisch und multidisziplinär. Die systemische Betrachtungsweise behalten wir bei. Wissenschaftliche Lösungsansätze für die großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts bleiben unsere Aufgabe. Stärken werden wir die themenver- bindende Zusammenarbeit. Auf einem integrierenden Forschungscampus mit gemeinsam entwickelten und genutzten, teilweise weltweit einzigartigen wissenschaftlichen Infrastrukturen wollen wir noch enger zusammenwachsen.
Das Forschungszentrum ist mehr als die Summe seiner Teile. Dies unter Beweis zu stellen, ist die Mess- latte für den Erfolg unserer Strategie. Gelingen wird uns das nur, wenn alle kollegial zusammenarbeiten, wie es unser Leitbild formuliert: mit Begeisterung, Respekt und der Bereitschaft, voneinander zu lernen.
Wir haben uns auf den Weg gemacht, mit einer neuen Strategie als Karte. Was unser Ziel ist und wie wir dort hingelangen wollen – dies stellen wir Ihnen in dieser Broschüre vor.
Wir wünschen eine anregende Lektüre!
VOM NUTZEN INSPIRIERT
U NSE R E S T R AT EG I E > VO RWO R T
WIR HABEN VIEL VOR UND EIN KLARES ZIEL.
SO WOLLEN WIR 2025 SEIN:
Im Jahr 2025 ist das Forschungszentrum Jülich eine Wissenschaftseinrichtung, in der die Grenzen zwischen den Disziplinen aufgehoben sind. Dass die Institute und Standorte eng zusammenarbeiten, ist mittlerweile eine Selbstverständlichkeit.
Das wissenschaftliche Portfolio ist von Themen bestimmt, die nicht nur von hoher wissenschaftlicher Bedeutung sind, sondern auch eine große gesellschaftliche Relevanz haben. Die Idee der nutzeninspi- rierten Grundlagenforschung ist zum Markenzeichen der Jülicher Forschung und ihrer strategischen Ausrichtung geworden; sie verbindet Erkenntnisorientierung mit dem Anspruch, konkrete Probleme zu lösen und gesellschaftliche Wirkung zu entfalten.
Leitbegriffe und Schwerpunkte der Forschung
Kohärenz und Konvergenz sind 2025 fest etablierte Leitbegriffe für die kontinuierliche Weiterentwick- lung der Jülicher Forschung. Kohärenz steht dabei für das „Was“ der Jülicher Forschung, sprich: ein eng abgestimmtes Forschungsportfolio, das als Ganzes in einem sinnvollen und produktiven Zusammenhang steht. Konvergenz, Zusammenwachsen, beschreibt das „Wie“ der Forschung, bei dem – im Kontext eines wissenschaftlich herausfordernden Problems – die Grenzen der Disziplinen zusammenrücken, bis sie schließlich unwichtig werden und verschmelzen.
Diesen Leitbegriffen folgend, hat sich das Forschungszentrum auf wenige Gebiete fokussiert. Es sind solche, bei denen die Zusammenarbeit der verschiedenen Forschungsgruppen unter einem Dach den größten Mehrwert für den Erkenntnisfortschritt verspricht und bei denen Jülicher Forschung dauerhaft und wirksam dazu beitragen kann, große gesellschaftliche Herausforderungen zu meistern. Schwer- punkte der Forschung sind nun die Felder Information, Energie und Bioökonomie. Mit besonderer Auf- merksamkeit behandeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Nahtstellen dieser Felder, weil gerade dort zukunftsweisende wissenschaftlich-technische Erkenntnisse und Entwicklungen möglich sind.
Der Forschungsschwerpunkt Information
Im Forschungsschwerpunkt Information laufen die Linien der Jülicher Forschung zusammen. Zwischen den Simulations- und Datenwissenschaften mithilfe von Höchstleistungsrechnern und den wissen- schaftlichen Disziplinen wurden starke, mittlerweile viel genutzte Brücken gebaut. Denn alle wissen: Es macht den entscheidenden Unterschied, die spezifischen Erkenntnisprozesse klug zu gestalten, die aus rasant wachsenden Datenmengen relevantes Wissen generieren.
Gemeinsam mit seinen Partnern, insbesondere der RWTH Aachen, ist das Forschungszentrum ein inter- national anerkanntes Zentrum für zukünftige Informationstechnologien geworden; hierbei konzentriert es sich auf Quantencomputing und Neuromorphes Computing.
EIN BLICK IN JÜLICHS ZUKUNFT
Die neurowissenschaftliche Grundlagenforschung nutzt die Jülicher Höchstleistungsrechner, arbeitet mit den Simulations- und Datenwissenschaften zusammen und steht im Austausch mit der Erforschung künftiger Informationstechnologien. Von diesem Wechselspiel profitiert einerseits die Hirnforschung, der es um ein grundlegendes Verständnis des menschlichen Gehirns geht, das die Basis bildet, um künf- tig neuronale Krankheiten frühzeitig diagnostizieren und auch therapieren zu können. Andererseits wird durch diese enge Verbindung eine Adaption neuronaler Prinzipien für zukünftige Computertechnologien ermöglicht.
Der Forschungsschwerpunkt Energie
Jülich trägt signifikant dazu bei, dass die Energiewende in Deutschland gelingt und international verein- barte Klimaziele erreicht werden können. Die Jülicher Energieforschung zielt auf ein durch erneuerbare Energien bestimmtes Energiesystem; sie konzentriert sich auf Wertschöpfungsketten und Fragen des Systems. Die Atmosphärenforschung arbeitet mit hochaufgelösten atmosphärischen Messungen und Simulationen. Sie konzentriert sich auf die Veränderungen von Luftqualität und Klima im Zuge der Ener- giewende und untersucht, wie lokale Wettervorhersagen zum Management eines durch erneuerbare Energiequellen dominierten Energiesystems genutzt werden können.
Der Forschungsschwerpunkt Bioökonomie
Nachhaltige Bioökonomie wird transdisziplinär und kooperativ gestaltet: thematisch und methodisch über die einzelnen Disziplinen Bodenforschung, Pflanzenforschung und Biotechnologie hinausgehend und zusammen mit regionalen Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft. Dass auf diese Weise For- schungsprojekte entlang der gesamten Wertschöpfungskette bearbeitet werden, vom Acker bis zum biotechnologisch hergestellten Endprodukt, ist auf nationaler Ebene ein Alleinstellungsmerkmal. Im Zentrum steht die Erforschung und Validierung biobasierter Produkte und ihrer Produktionsprozesse.
Eingesetzt werden zu diesem Zweck hochauflösende Messmethoden sowie Modellierung und Simu- lation mithilfe des Höchstleistungsrechnens. Gemeinsam mit seinen Kooperationspartnern hat das Forschungszentrum das Bioeconomy Science Center zu einem nationalen Zentrum für Bioökonomie weiterentwickelt.
Wissenschaftliche Infrastruktur
Jülich konnte seine exzellente wissenschaftliche Infrastruktur erhalten und weiter ausbauen. Einrichtun- gen wie das Jülich Supercomputer Centre (JSC), die Helmholtz Nano Facility (HNF), das Helmholtz Quan- tum Center (HQC), das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) oder das Photonenlabor JuSPARC ergänzen sich komplementär und sind, dem Beispiel des Jülich Centre for Neutron Sciences (JCNS) folgend, als Forschungsinfrastrukturen mit Nutzern aus aller Welt etabliert.
Zudem hat Jülich neben JARA (Jülich Aachen Research Alliance) unterschiedliche innovative Part- nerschaftsmodelle zum Erfolg geführt, die an die spezifischen Bedarfe der Partner und ihrer Themen angepasst sind. Damit trägt das Forschungszentrum zur Weiterentwicklung der deutschen Wissen- schaftslandschaft bei.
U NSE R E S T R AT EG I E > V ISI O N
INFORMATION
Die zunehmende Digitalisierung aller Lebens- bereiche ist auch für die Forschung mit enor- men Herausforderungen verbunden. Diesen wollen wir uns künftig noch konsequenter stellen.
Mit Höchstleistungscomputern lassen sich rasant wachsende Mengen von Daten auswerten und verarbeiten. Damit daraus Erkenntnisfortschritt, etwa in der Klima- forschung, den Neurowissenschaften oder der Materialforschung, entstehen kann, sind Simulationen ein zentrales Werkzeug der For- schung – digitale Modelle, die es ermöglichen, komplexe Systeme in ganz neuen Dimensio- nen zu analysieren.
Die schnellste und effizienteste Informations- verarbeitung leisten biologische Systeme wie das menschliche Gehirn. Die hier zugrun- deliegenden Prozesse und Prinzipien bieten Orientierung für die Entwicklung zukünftiger Supercomputer. Eine Voraussetzung hierfür ist die enge Zusammenarbeit zwischen Infor- mationstechnologien und Neurowissenschaf- ten. Umgekehrt eröffnen Simulationen mit Höchstleistungsrechnern in den Neurowis- senschaften ganz neue Chancen auf ein tiefe- res Verständnis neurologischer und psychiat- rischer Erkrankungen und auf Unterstützung bei Diagnose und Therapie.
Gehirn oder Computer?
Das Gehirn und neue Informations- technologien sind sich ähnlicher als gedacht. So unterstützen Supercom- puter die Aufklärung neurologischer Prozesse, andererseits dient die menschliche Informationsverarbeitung
als Vorbild für Lösungen in der Informationstechnologie. Mit der Lupe lässt sich ein Eindruck dieser
Gleichartigkeit gewinnen.
SCHWERPUNKT INFORMATION
Beim strategischen Schwerpunkt Information konzentrieren wir uns im Forschungszentrum Jülich auf ausgewählte wissenschaftliche und technologische Aspekte eines sehr breiten und in vielerlei Hinsicht diver- gierenden Forschungsfeldes. Dabei fassen wir den Begriff Information offen auf, weit über das herkömmliche Verständnis von Informations- und Kommunikationstechnologien hinaus.
Das heißt: Im Schwerpunkt Informati- on verbinden wir in Jülich die Simula- tions- und Datenwissenschaften des High-Performance Computing (HPC), die Hirnforschung, eingebettet in den Kontext der Erforschung technischer und biologischer Informationsverar- beitung, und die Forschung zu den bio- und nanoelektronikbasierten In- formationstechnologien der Zukunft.
In allen drei miteinander verbunde- nen Bereichen des Schwerpunktes forschen wir aus verschiedenen Perspektiven, mit unterschiedlichen Methoden und nutzen dabei verschie- dene Infrastrukturen; methodisch und thematisch ergänzen sich die verschiedenen Ansätze sinnvoll (siehe Abbildung rechts).
Neurowissenschaften
TIEFE EINBLICKE INS MENSCHLICHE GEHIRN
In den Neurowissenschaften ist die Jülicher Forschung auf die Erfassung von Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns ausgerichtet. Die Forscherinnen und Forscher in der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung arbei- ten zu diesem Zweck Hand in Hand mit Kolleginnen und Kollegen im Bereich Modellierung, Simulation und Analyse von Big Data. Unser Ziel ist es, auf diese Weise die doppelte Herausforderung der Komplexität des Gehirns und der großen Menge der in der Hirnforschung generierten Daten zu meistern. Die Ergebnisse sollen in mehrere Richtungen Fortschritt ermöglichen: Für die Diagnose und Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen und für neuroinspirierte Rechnerarchitekturen.
Höchstleistungsrechnen, Simulations- und Datenwissenschaften
RECHNEN, FORSCHEN, KOOPERIEREN
Wir entwickeln modulare Hardware-Architekturen für das Exascale-Computing: Rechner aus mehreren Bausteinen, die sich nach Bedarf kombinieren lassen. Exascale-Systeme können eine Trillion Rechenoperationen pro Sekunde durch- führen. Außerdem bauen wir unsere traditionelle Stärke des Höchstleistungsrechnens (HPC) zur Simulation und zur Analyse großer Datenmengen aus. Davon sollen alle Wissen- schaftsbereiche am Standort Jülich profitieren. Aber unser Horizont reicht weit über Jülich hinaus: Indem wir HPC- und Datenmanagementsysteme der höchsten Leistungsklasse betreiben, können wir den Kompetenzaufbau in vielen For- schungsgebieten vorantreiben. Dazu prädestiniert uns, dass wir in Jülich das Höchstleistungsrechnen mit multithemati- scher Eigenforschung verbinden können. Die enge Zusam- menarbeit der Experten der Simulations- und Datenwissen- schaften mit Kolleginnen und Kollegen aus den jeweiligen Wissenschaftsdisziplinen prägt auch die Art und Weise, wie wir in Jülich Nutzerunterstützung betreiben: nämlich in sogenannten Simulations- und Datenlaboratorien (SimLabs, DataLabs), die auf die spezifischen Bedarfe bestimmter Scientific Communities ausgerichtet sind.
U NSE R E S T R AT EG I E > I N FO R M AT I O N
Informationstechnologien
KOMPONENTEN FÜR DIE RECHNER DER ZUKUNFT
In den Informationstechnologien ist es unser Ziel, Konzepte für Geräte und Prozesse mit geringem Energieverbrauch und hoher Energieeffizienz zu entwickeln. Die Arbeiten konzent- rieren sich auf die Forschung zu grundlegenden Eigenschaf- ten verschiedener Materialklassen mit neuartigen Quanten- effekten und auf Forschung zum Einsatz organischer und biologischer Moleküle zur energieeffizienten Informations- verarbeitung. In den Informationstechnologien werden außer neuen Materialien und Bauteilen künftig auch revolutionäre Rechnerkonzepte wie das Quantencomputing benötigt, wel- che auf völlig andere physikalische Phänomene als das HPC zurückgreifen; auch dazu arbeiten wir in Jülich.
Konvergenz ist unsere Leitidee für die Herangehensweise an große Forschungsfragen, die nur gelöst werden können, wenn Disziplinen regelrecht verschmelzen. Ist Konvergenz erreicht, sieht man nur noch das ganze Bild und nicht mehr die einzelnen Puzzleteile. Prominentes Beispiel in Jülich ist der Forschungsschwerpunkt Information. Simulation und Datenwissenschaften mit Höchstleistungsrechnern, Neurowissenschaften und Informationstechnologien der Zukunft: Mittel- bis langfristig wollen wir diese früher weitgehend getrennt bearbeiteten Forschungsgebiete ver- schränken. Von diesem Zusammenwachsen der Forschung versprechen wir uns viel. So eröffnet beispielsweise die verknüpfte Forschung zu technischer und biologischer Informationsverarbeitung völlig neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuromorpher Computer oder innovativer Neurotechnologien.
LEITIDEE KONVERGENZ
Wirkungsdreieck: Hirnforschung – Informationstechnologien – High-Performance Computing
INFORMATION
Hirnforschung Grundlagen, Technologie,
Translation
Höchstle istungsrec
hnen Exascale, Bi
g Data (
Analytics), Modellierung
, Simu lation
Infor
mat
ions tec
hnologien Quantencomputing, Re
sistive S
peich
er, Spintronics, Bioelek
tronik
Biophysik Strukturbiologie
Bionische Materialien
Neuromorphes Computing
Künstliche Intelligenz
Quantenmaterialien
Anorganische Bauteile &
Architekturen Gehirnsimulationen
Neuronale Informationsverarbeitung
Neuronale Netzwerke
Energieeffiziente Hardware
Materialsimulationen Virtual Materials Design Maschinelles Lernen
Bioelektronik
Spintronics Quantencomputing
Modulares Smart Exascale HPC Neurobildgebung
WAS WIR VORHABEN
AUFBAU EINES CENTER FOR SIMULATION AND DATA SCIENCES
Um die Simulations- und Datenwissenschaften zu stärken, gründen wir mit der RWTH Aachen ein Center for Simulation and Data Sciences (CSD). Ziel ist es, die Infrastrukturen beider Standorte zu einem in Europa einzigartigen Kompetenzzentrum für Höchstleistungsrechnen, Simulations- und Datenwissenschaften auszubauen. Das CSD wird in vier Bereichen aktiv sein: Forschung, Bereitstellung von Infrastruktur, Nach- wuchsqualifikation und Transfer.
Für die Weiterentwicklung des Supercomputings konzentrieren wir uns unter anderem auf modulare Hardware-Architekturen für Exascale-Computing sowie Softwarekomponenten für inter- aktives Supercomputing und Echtzeit-Visualisierung. Die strate- gische Gewichtung der informationsorientierten Forschung in Jülich wird aber auch Alternativen zu Von-Neumann-Architek- turen wie das Quantum-Computing und neuromorphe Archi- tekturen befördern. Im Center for Simulation and Data Scien- ces (CSD) werden methodische und disziplinäre Forschung in den Bereichen Simulation, Datenanalyse und Höchstleistungs- rechnen sowie die Nutzerunterstützung der beiden Partner zusammengeführt. Damit wollen wir Spitzenforschung anregen, die sonst unmöglich wäre.“
Prof. Thomas Lippert, Jülich Supercomputing Centre
„
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ENTWICKLUNG DES FORSCHUNGSFELDES QUANTENCOMPUTING
Die prägenden Themen auf diesem Gebiet sind Quantenphänomene in Materialien, die Entwicklung von Bau- teilen und deren Integration in experimentelle Rechnerarchitekturen – derzeit gibt es nur Quantenrechner mit wenigen Qubits. Langfristiges Ziel ist es, in Jülich Quantencomputer zu realisieren, sei es isoliert oder als Teil eines modularen Exascale-Supercomputers. Solche Computer sollen die Kapazität heutiger Höchst- leistungsrechner um ein Vielfaches übertreffen und es ermöglichen, Forschungsfragen zu bearbeiten, die heute noch als so gut wie unlösbar gelten. Vor diesem Hintergrund beteiligen wir uns auch an einem großen internationalen Forschungsprojekt zum Thema Quantentechnologie, das von der EU mit einer Milliarde Euro über 10 Jahre hinweg gefördert wird.
Quanteninformationsverarbeitung verspricht eine exponentielle Beschleunigung der Rechenleistung.
Damit könnten sich beispielsweise die atomaren Strukturen von Molekülen und Materialien simulieren lassen und physikalisch abgesicherte Quantenkom- munikationsnetzwerke entstehen. In Jülich unter- suchen wir unter anderem zwei der am häufigsten verwendeten Festkörpertypen für Quantencomputer:
Halbleiter und Supraleiter.“
Prof. David DiVincenzo, Peter Grünberg Institut
„
ENTWICKLUNG DES FORSCHUNGSFELDES NEUROMORPHES COMPUTING
Das menschliche Gehirn ist in vielen Bereichen erheblich leistungsfähiger als heutige Computer. Daher sollen Ergebnisse der Hirnforschung in die Entwicklung neuartiger neuromorpher Computer einfließen. Bei neuromorphen Rechenarchitekturen werden Prinzipien, Strukturen und Funktionen biologischer Schalt- kreise auf elektronische Substrate und entsprechende Software übertragen. Für diese interdisziplinäre Aufgabe bietet der Standort Jülich weltweit einzigartige Möglichkeiten: Alle Kompetenzen von der Grund- lagenforschung in der Neurowissenschaft und an memristiven elektronischen Bauelementen über die Ent- wicklung von Schaltkreisen und Simulations-Software bis hin zum Supercomputing und dem Betrieb großer Forschungsgeräte sind hier vorhanden.
Koordiniert werden diese Bereiche in Zukunft durch ein neues Institut für neuromorphes Computing.
Zunächst sollen bessere Computer für die Neurowissenschaft entstehen und schrittweise abgeleitet davon leistungsfähigere Hardware für die künstliche Intelligenz (KI). Neben der technischen Nachbildung biologischer Prinzipien ist auch die Integration elektronischer Bauteile und biologischer Zellen Teil dieses Forschungsfeldes.
Das Gehirn ist das Paradebeispiel eines informationsver- arbeitenden Systems. Die Verschaltungsdichte des neu- ronalen Netzwerks kann keine heutige Technik realisieren.
Während ein Transistor über drei Anschlüsse verfügt, weist eine Nervenzelle über 10.000 auf. Bisher gelingt es nicht, Netzwerke gleicher Dichte technisch zu realisieren. Ein Grund liegt darin, dass das Gehirn seine Verschaltungen in drei Dimensionen anlegt, die Halbleitertechnologie aber nur in zwei. Eine weitere Stärke des Gehirns ist seine Effizienz:
Kein Supercomputer kann Hirnprozesse in Echtzeit simu- lieren. Dabei benötigt unser Denkorgan etwa die Leistung einer Glühbirne – ganz im Gegensatz zu heutigen Super- computern. Das neuromorphe Computing lässt sich daher in Bezug auf Algorithmen und Hardware von Hirnprozessen inspirieren.“
Prof. Markus Diesmann, Institut für Neurowissenschaften und Medizin
„
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ZUSAMMENFÜHRUNG VON HIRNFORSCHUNG UND BIOLOGISCHER INFORMATIONSVERARBEITUNG
Im Bereich Hirnforschung untersuchen wir Funktion und Dysfunktion des menschlichen Gehirns. Zu diesem Zweck wird das Gehirn auf verschiedenen Ebenen analysiert: von kleinsten Einheiten bis zum Gesamt- system aller neuronalen Verbindungen. Mit unseren Erkenntnissen wollen wir die Diagnose und Therapie neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen unterstützen. Darüber hinaus kann die Informationsver- arbeitung des menschlichen Gehirns aber auch als Orientierung für die Entwicklung neuromorpher Rechner dienen. Dieses Forschungsfeld wird nun zusammengeführt mit dem Bereich Biologische Informationsver- arbeitung. Hier erforschen wir die Prinzipien, welche den Eigenschaften lebender Zellen und makromoleku- larer Funktionssysteme zugrunde liegen. Die Verbindung der beiden Bereiche wird einen Multiskalenansatz ermöglichen, der von der Untersuchung des einzelnen Moleküls bis zur Beschreibung unseres Verhaltens und seiner interindividuellen Variabilität reicht. Die konsequente Verknüpfung von experimentellen Zugän- gen mit Höchstleistungsrechnen zur innovativen Analyse von großen Datenmengen und zur Simulation von komplexen Systemen potenziert die Leistungsfähigkeit beider Zugänge und stellt ein Jülicher Alleinstel- lungsmerkmal in der Hirnforschung dar.
Wir erforschen die Zusammenhänge der unterschiedlichen Ebenen der Hirnorganisation von Molekülen über Zellen bis hin zu Netzwerken, die solche komplexen Phänomene wie Kognition, Sprache und Verhalten hervorbringen. Mithilfe dieser Erkenntnisse wird es zum Beispiel besser möglich sein, Erkrankungen zu behandeln oder früher zu diagnosti- zieren. Um die verschiedenen Befunde miteinander in Beziehung zu setzen, ist es notwendig, sie ortsgenau in einem gemeinsamen Referenzsystem abzubilden – einem Hirnatlas. Dieser muss eine hohe räumliche Auflösung im Bereich eines Mikrometers haben, um Nervenzellen erfassen zu können. Dadurch entstehen sehr große Daten- mengen, deren Analyse Höchstleistungsrechner mit hohen Speicherkapazitäten erfordert.“
Prof. Katrin Amunts, Institut für Neurowissenschaften und Medizin
„
Weg von Öl und Kohle – hin zu Sonne, Wind und Wasser: Ziel der Energiewende in Deutschland ist es, fossile Energieträger nach und nach durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Damit will die Bundesregierung sowohl den Klima- und Umweltschutz för- dern als auch das Modell eines alternativen Systems der Energieversorgung schaffen, das die Abhängigkeit moderner Industriege- sellschaften von endlichen Rohstoffvorräten verringert.
Die Erwartungen an die Forschung sind hoch: Energiewandlung und -speicherung, Integrati- on dezentraler Komponenten in übergreifende Versorgungssysteme oder Auswirkung von Energietechnologien auf das Klimageschehen – zu all diesen Fragen ist der Forschungsbedarf immens. Wir wollen uns künftig ganz darauf konzentrieren, dass die Jülicher Energie- forschung zu diesen Themen wesentliche Beiträge leistet, das heißt: Wir richten unsere Forschung konsequent auf das Gelingen der Energiewende und das Erreichen von Luftqua- litäts- und Klimazielen aus.
ENERGIE
Prosumer
Private Haushalte werden künftig nicht mehr nur Stromverbraucher, sondern in zunehmendem Maße auch
-erzeuger sein.
Unsichtbare Komplexität
Ein Wohnhaus mit Photovoltaikanlage in ländlicher Lage – nur scheinbar abgeschieden vom Rest der Welt. Tatsächlich ist es
Teil eines komplexen Systems.
Weg von Öl und Kohle – hin zu Sonne, Wind und Wasser: Ziel der Energiewende in Deutschland ist es, fossile Energieträger nach und nach durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Damit will die Bundesregierung sowohl den Klima- und Umweltschutz för- dern als auch das Modell eines alternativen Systems der Energieversorgung schaffen, das die Abhängigkeit moderner Industriege- sellschaften von endlichen Rohstoffvorräten verringert.
Die Erwartungen an die Forschung sind hoch:
Energiewandlung und -speicherung, Integrati- on dezentraler Komponenten in übergreifende Versorgungssysteme oder Auswirkung von Energietechnologien auf das Klimageschehen – zu all diesen Fragen ist der Forschungsbedarf immens. Wir wollen uns künftig ganz darauf konzentrieren, dass die Jülicher Energie- forschung zu diesen Themen wesentliche Beiträge leistet, das heißt: Wir richten unsere Forschung konsequent auf das Gelingen der Energiewende und das Erreichen von Luftqua- litäts- und Klimazielen aus.
ENERGIE
Prosumer
Private Haushalte werden künftig nicht mehr nur Stromverbraucher, sondern in zunehmendem Maße auch
-erzeuger sein.
Unsichtbare Komplexität
Ein Wohnhaus mit Photovoltaikanlage in ländlicher Lage – nur scheinbar abgeschieden vom Rest der Welt. Tatsächlich ist es
Teil eines komplexen Systems.
ENERGIE
Prosumer
Private Haushalte werden künftig nicht mehr nur Stromverbraucher, sondern in zunehmendem Maße auch
-erzeuger sein.
Weg von Öl und Kohle – hin zu Sonne, Wind und Wasser: Ziel der Energiewende in Deutschland ist es, fossile Energieträger nach und nach durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Damit will die Bundesregierung sowohl den Klima- und Umweltschutz för- dern als auch das Modell eines alternativen Systems der Energieversorgung schaffen, das die Abhängigkeit moderner Industriege- sellschaften von endlichen Rohstoffvorräten verringert.
Die Erwartungen an die Forschung sind hoch: Energiewandlung und -speicherung, Integrati- on dezentraler Komponenten in übergreifende Versorgungssysteme oder Auswirkung von Energietechnologien auf das Klimageschehen – zu all diesen Fragen ist der Forschungsbedarf immens. Wir wollen uns künftig ganz darauf konzentrieren, dass die Jülicher Energie- forschung zu diesen Themen wesentliche Beiträge leistet, das heißt: Wir richten unsere Forschung konsequent auf das Gelingen der Energiewende und das Erreichen von Luftqua- litäts- und Klimazielen aus.
Elektroauto
Lädt bei ausreichend verfügbarem erneuerbarem Strom, kann bei Bedarf auch Strom wieder ins Netz
einspeisen
Volatile Erzeuger
Windkraft- und Fotovoltaikanlagen erzeugen Strom je nach Tageszeit und Witterung
Pufferspeicher
Speichersysteme gleichen den Gap zwischen Produktions- und
Abnahmemengen aus.
Steuerbare Erzeuger
Kraftwerke, die mit Biogas oder grünem Wasserstoff betrieben werden, erzeugen
auch bei Windstille und bei bedecktem Himmel Strom.
Steuerzentrale
Hier werden alle Daten aus dem Netz erfasst sowie Stromproduktion und
-verbräuche gesteuert
Lastvariable Großverbraucher
Manche Abnehmer (z. B. produzierende Betriebe, Kühlhäuser) können ihre Verbräuche je nach Stromangebot
und -preis steuern.
Elektroauto
Lädt bei ausreichend verfügbarem erneuerbarem Strom, kann bei Bedarf auch Strom wieder ins Netz
einspeisen.
Volatile Erzeuger
Windkraft- und Photovoltaikanlagen erzeugen Strom je nach Tageszeit und Witterung.
Pufferspeicher
Speichersysteme gleichen den Gap zwischen Produktions- und
Abnahmemengen aus
Steuerbare Erzeuger
Kraftwerke, die mit Biomasse oder Biogas betrieben werden, erzeugen auch bei Wind- stille und bei bedecktem Himmel Strom
Steuerzentrale
Hier werden alle Daten aus dem Netz erfasst sowie Stromproduktion und
-verbräuche gesteuert.
Lastvariable Großverbraucher
Manche Abnehmer (z. B. produzierende Betriebe, Kühlhäuser) können ihre Verbräuche je nach Stromangebot
und -preis steuern
Prosumer
Private Haushalte werden künftig nicht mehr nur Stromverbraucher, sondern in zunehmendem Maße auch
-erzeuger sein.
Prosumer
Private Haushalte werden künftig nicht mehr nur Stromverbraucher, sondern in zunehmendem Maße auch
-erzeuger sein.
ENERGIE
Prosumer
Private Haushalte werden künftig nicht mehr nur Stromverbraucher, sondern in zunehmendem Maße auch
-erzeuger sein.
Weg von Öl und Kohle – hin zu Sonne, Wind und Wasser: Ziel der Energiewende in Deutschland ist es, fossile Energieträger nach und nach durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Damit will die Bundesregierung sowohl den Klima- und Umweltschutz för- dern als auch das Modell eines alternativen Systems der Energieversorgung schaffen, das die Abhängigkeit moderner Industriege- sellschaften von endlichen Rohstoffvorräten verringert.
Die Erwartungen an die Forschung sind hoch:
Energiewandlung und -speicherung, Integrati- on dezentraler Komponenten in übergreifende Versorgungssysteme oder Auswirkung von Energietechnologien auf das Klimageschehen – zu all diesen Fragen ist der Forschungsbedarf immens. Wir wollen uns künftig ganz darauf konzentrieren, dass die Jülicher Energie- forschung zu diesen Themen wesentliche Beiträge leistet, das heißt: Wir richten unsere Forschung konsequent auf das Gelingen der Energiewende und das Erreichen von Luftqua- litäts- und Klimazielen aus.
Elektroauto
Lädt bei ausreichend verfügbarem erneuerbarem Strom, kann bei Bedarf auch Strom wieder ins Netz
einspeisen
Volatile Erzeuger
Windkraft- und Fotovoltaikanlagen erzeugen Strom je nach Tageszeit und Witterung
Pufferspeicher
Speichersysteme gleichen den Gap zwischen Produktions- und
Abnahmemengen aus.
Steuerbare Erzeuger
Kraftwerke, die mit Biogas oder grünem Wasserstoff betrieben werden, erzeugen
auch bei Windstille und bei bedecktem Himmel Strom.
Steuerzentrale
Hier werden alle Daten aus dem Netz erfasst sowie Stromproduktion und
-verbräuche gesteuert
Lastvariable Großverbraucher
Manche Abnehmer (z. B. produzierende Betriebe, Kühlhäuser) können ihre Verbräuche je nach Stromangebot
und -preis steuern.
Elektroauto
Lädt bei ausreichend verfügbarem erneuerbarem Strom, kann bei Bedarf auch Strom wieder ins Netz
einspeisen.
Volatile Erzeuger
Windkraft- und Photovoltaikanlagen erzeugen Strom je nach Tageszeit und Witterung.
Pufferspeicher
Speichersysteme gleichen den Gap zwischen Produktions- und
Abnahmemengen aus
Steuerbare Erzeuger
Kraftwerke, die mit Biomasse oder Biogas betrieben werden, erzeugen auch bei Wind- stille und bei bedecktem Himmel Strom
Steuerzentrale
Hier werden alle Daten aus dem Netz erfasst sowie Stromproduktion und
-verbräuche gesteuert.
Lastvariable Großverbraucher
Manche Abnehmer (z. B. produzierende Betriebe, Kühlhäuser) können ihre Verbräuche je nach Stromangebot
und -preis steuern
Prosumer
Private Haushalte werden künftig nicht mehr nur Stromverbraucher, sondern in zunehmendem Maße auch
-erzeuger sein.
Prosumer
Private Haushalte werden künftig nicht mehr nur Stromverbraucher, sondern in zunehmendem Maße auch
-erzeuger sein.
SCHWERPUNKT ENERGIE
Die Entwicklung eines Energiesys- tems, das sowohl ökologisch als auch ökonomisch effizient ist, gehört zu den größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Auf nationaler wie internationaler Ebene geht es darum, die Energiewirtschaft zu dekarboni- sieren, das heißt darum, Kohlendio- xid-Emissionen deutlich zu reduzieren oder zu vermeiden. Im Gegenzug soll der Anteil erneuerbarer Energien deut- lich steigen. Der Erfolg der deutschen Energiewende wird aber auch daran gemessen werden, ob Klimaziele mit wirtschaftlicher Wettbewerbsfähigkeit vereinbart werden können.
Um die damit verbundenen technologi- schen Herausforderungen erfolgreich anzugehen, arbeitet die Jülicher Energie- und Klimaforschung ska- lenübergreifend, multidisziplinär und systembezogen.
Wir erforschen Phänomene und Prozesse auf allen Größen- skalen, vom Atom- oder Ionenverband bis zum transnatio- nalen sektorgekoppelten Energiesystem. Wir können so die gesamte Wertschöpfungskette zwischen Grundlagen- und Anwendungsforschung abdecken.
Wir arbeiten multithematisch und entwickeln ein breites Spektrum von Technologien, die für die Energiewende gebraucht werden: Verfahren zur Energieproduktion, -wandlung und -speicherung, zum Energietransport und zur Rückverstromung beim Verbraucher.
Wir verfolgen einen verbindenden Ansatz. Denn hintereinan- dergeschaltet, bilden diese Technologien Kreisläufe im Ver- sorgungsnetz ab. Auf diese Weise kann unsere Energie- und Klimaforschung relevante Themen der Energiewende schnell identifizieren und adäquat im Systemkontext bearbeiten.
Wir werden auch zukünftig innovative Technologien in integ- rierten Forschungs- und Entwicklungsprozessen erarbeiten:
von grundlegenden Fragen zu Materialeigenschaften über mikro- und makroskopische Funktionsweisen bis hin zu Komponenten und Systemen in der Energieversorgung.
Aus diesem Verständnis erforschen und entwickeln wir:
• Photovoltaik, mit dem Fokus auf innovative Materialien und Bauelementkonzepte mit deutlich höheren Wirkungs- graden und erweitertem Anwendungsspektrum (zum Beispiel für Gebäudeintegration)
• Batteriespeicher, die durch neue Elektrolyte und Mate- rialverbunde wesentlich höhere Leistungsfähigkeiten beziehungsweise Sicherheitspotenziale aufweisen
• Wasserstofferzeugung aus fluktuierendem, erneuerba- rem Strom mittels effizienter Elektrolyse und die direkte Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht
• Koelektrolysetechnologien zur Nutzung von CO2 und zur Erzeugung von Synthesegas
WIE WIR ARBEITEN
UNSERE THEMEN
• Dezentrale Stromerzeugung durch effiziente Brennstoff- zellen mit optimierter Lebensdauer
• Technologien für die stoffliche Energiespeicherung inklu- sive Gastrennung und die Aufwertung von Konversions- produkten zu Chemikalien und Treibstoffen
Verknüpft ergeben diese Technologien Prozessketten, die grundlegende Bedeutung für die dezentrale und CO2-freie Energieversorgung haben und im Gesamtsystem zusam- menwirken. Weil es in der künftigen Energieversorgung zentral darum geht, Energie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen und bereitzustellen, trägt auch die Jülicher Atmo- sphärenforschung (etwa auf dem Gebiet der Energiemete- orologie) wesentlich zur systemischen Energieforschung bei. Sozioökonomische Forschung komplettiert unseren systemischen Ansatz: Wir betreiben sie, um die technologie- orientierte Forschung in den gesellschaftlichen Kontext zu bringen. Denn nur in diesem Kontext können Strategien der Dekarbonisierung gelingen.
Die gemeinsame Grundlage für die verschiedenen The- menfelder des Forschungsschwerpunktes Energie sind die
Materialwissenschaften. Wissenschaftlerinnen und Wissen- schaftler in Jülich nutzen außer Forschungsinfrastrukturen zur Analyse und Entwicklung von Werkstoffen mithilfe von Elektronen, Neutronen und Photonen zunehmend auch die Methode der digitalen Modellierung von Materialien auf Höchstleistungsrechnern.
Dieses Leitprinzip der Jülicher Forschung bezeichnet die Art und Weise, in der sich die Jülicher Forschungsthemen und -projekte aufeinander beziehen: in sinnvoller Ergän- zung und in Kooperationen, die Mehrwert schaffen. Die verschiedenen Forschungsthemen lassen sich dabei wie Puzzleteile zu einem thematischen Gesamtbild zusammen- fügen und sind anschlussfähig für weitere Puzzleteile. Bei- spiele dafür in der Jülicher Energieforschung sind etwa die Energiemeteorologie, die die Atmosphärenforschung mit der Erforschung von Technologien zur Nutzung erneuerba- rer Energiequellen verbindet, oder die sozioökonomische Forschung, die die Energieforschung in den gesellschaftli- chen Kontext stellt.
LEITIDEE KOHÄRENZ
U NSE R E S T R AT EG I E > E N E R G I E
Das Konzept der Jülicher Energieforschung
TE C HNOL OG IE N
GRUNDLAGEN KOMPONENTEN SYSTEM
Materialien und Elektrochemie Verknüpfung zu Prozessketten Energiesysteme
LU FT Q U A LI TÄ T U ND KLI M A
Photovoltaik
Batteriespeicher
(Ko-) Elektrolyse
Brennstoffzelle
Chemische/Stoffliche Energiespeicher
WAS WIR VORHABEN
ENERGIEMATERIALFORSCHUNG
Es ist ein Alleinstellungsmerkmal unserer Energieforschung, dass wir Forschung und Entwicklung für rele- vante Energietechnologien entlang der gesamten Wertschöpfungskette betreiben, von der Synthese und Charakterisierung von Energiematerialien bis zur Herstellung von fertigen Komponenten. Künftig wollen wir diese besondere Expertise noch weiter stärken, indem wir unsere Arbeiten im Bereich Modellierung und Simulation ausbauen. Denn: Die Modellierung von Energiematerialien wird immer häufiger nicht nur dazu genutzt, um experimentelle Daten zu validieren, sondern auch um Materialeigenschaften vorherzusagen, Material gezielt zu designen oder komplexe Funktions- und Strukturbauteile zu entwickeln.
ENERGY SYSTEMS ENGINEERING UND DIE WECHSELWIRKUNG ZWISCHEN ENERGIESYSTEM UND KLIMA
Die Energiewende führt zu einem immer stärker dezentralisierten Versorgungsnetz. Ob Windkraft- oder Solaranlagen, konventionelle Kraftwerke oder stationäre Systeme wie Brennstoffzellenstacks – um alle Elemente harmonisch miteinander zu verbinden, ist die Entwicklung digitaler Modelle erforderlich. Die extre- men Datenmengen und auch die hohe Reaktionsgeschwindigkeit, die für eine effiziente Steuerung benötigt wird, stellen große Anforderungen an Soft- und Hardware. In Jülich werden unterschiedliche Modelle erforscht, wie man dezentrale Energienetze koordinieren könnte.
Materialforschung, die in die Wertschöpfungskette integriert ist, berücksichtigt von Anfang an die Integra- tion von Werkstoffen in Komponenten und bezieht die Betriebsbedingungen wie Temperatur, Atmosphäre, Druck etc. mit ein. Dieser Ansatz gilt zum Beispiel für die Jülicher Festoxidbrennstoffzellen. Materialwissen- schaftler arbeiten Hand in Hand mit Elektrochemikern und Verfahrensingenieuren, um die besten Zellen zu entwickeln.“
Prof. Olivier Guillon, Institut für Energie- und Klimaforschung
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Was wir uns vorgenommen haben:
• Wir wollen Modellierungswerkzeuge und Systemkonzepte entwickeln, die Echtzeitsimulationen in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung liefern. Denn solche Simulationen helfen, die Energieversorgungs- systeme zu verbessern. Mittelfristig wollen wir ein Simulationslabor für „Energy Systems Engineering“
am Jülicher Höchstleistungsrechner einrichten.
• Um das Energiesystem digital modellieren zu können, werden Daten benötigt. Diese wollen wir in dem Experiment Living Lab Energy Campus gewinnen. Im Living Lab Energy Campus richten wir eine For- schungsinfrastruktur ein, die es uns ermöglicht, Parameter des Versorgungssystems am Forschungszen- trum zu erheben und in Simulationen einzuspeisen. Der gesamte Jülicher Campus mit 5.300 Mitarbeite- rinnen und Mitarbeitern wird zum Reallabor. Die Vision besteht darin, Simulationswerkzeuge für urbane Energiesysteme zu entwickeln, die sich bis zur Größenordnung von Städten und sogar Megacitys hoch- skalieren lassen.
• Aufbauend auf experimentell gewonnenem Prozessverständnis der Atmosphärenchemie, nutzt die Jüli- cher Klimaforschung Modellierung, um zu beurteilen, wie sich veränderte Energieemissionen auf Luftqua- lität und Klima auswirken. Hierzu gehört auch das Thema Energiemeteorologie: Die Forschung auf diesem Gebiet trägt wesentlich dazu bei, Modelle für hochaufgelöste Kurzfristvorhersagen der erneuerbaren Energieerzeugung zu entwickeln. Diese Modelle sollen in die Echtzeitoptimierung integriert werden.
Eines unserer wichtigsten Forschungsanliegen ist es, die Auswirkungen von natürlichen wie auch vom Menschen verursachten Emissionen auf das Klima zu untersuchen.
Durch die Energiewende werden manche von Menschen verursachte Schadstoffe spürbar zurückgehen – was unsere Forschung zu diesen veränderten Zusammensetzungen in der Atmosphäre umso interessanter macht. Zugleich wollen wir aber auch die Luftverschmutzung erforschen, die gerade durch erneuerbare Energien entsteht, etwa durch Biokraft- stoff. Ein Ziel unserer Forschung ist es, entscheidende Details der Energiewende beeinflussen zu können.“
Prof. Andreas Wahner, Institut für Energie- und Klimaforschung
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ELEKTROCHEMISCHE SPEICHER: BATTERIEN
Die Jülicher Batterieforschung verfolgt einen breiten technologischen beziehungsweise materialtechnischen Ansatz. An dem übergreifenden Thema Batterie arbeiten Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaft- ler mit Partnern in der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster – teilweise seit über 25 Jahren. Weltweite Sichtbarkeit finden ihre Arbeiten im Helmholtz-Institut Münster, einer Außenstelle des Forschungszentrums.
International werden insbesondere die Forschungsarbeiten zur Elektrolytforschung und zu Feststoffbatte- rien als richtungsweisend wahrgenommen. Für die Entwicklung von Batteriezellen und deren Komponenten haben sich an den einzelnen Standorten klare Kompetenzschwerpunkte etabliert. Wir wollen diese Kom- petenzen komplementär, sich gegenseitig ergänzend einsetzen. Auf diese Weise können wir Herausforde- rungen für Forschung und Entwicklung ganzheitlich angehen: von den elektrochemischen Prozessen auf atomistischem Level bis zu kompletten Batteriezellen mit industrienahem Design.
In der Batterieforschung gibt es unter anderem Materialsysteme, Zellsysteme, Batteriesysteme und das System in der Anwendung, zum Beispiel im Antrieb oder bei der erneuerbaren Energieversorgung.
Gezielte Systemforschung zu eindeutig skizzierten Systemen, bei denen die Komponenten klar definiert und für sich vollständig bekannt sind, ist auch in der Batterieforschung ein Muss. Materialsystem- und Zellsystemforschung wenden wir schon seit Jahr- zehnten an – und diesen systemischen Forschungs- ansatz werden wir intensivieren.“
Prof. Martin Winter, Helmholtz-Institut Münster, Institut für Energie- und Klimaforschung
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POWER-TO-X: ELEKTROCHEMISCHE VERFAHREN, MATERIALIEN UND KOMPONENTEN
Power-to-X, dieser Begriff bezeichnet Technologien zur Speicherung von Stromüberschüssen, wie sie entstehen, wenn Wind- und Solaranlagen zu viel produzieren. Das X steht dabei für verschiedene Produkte, in die der Strom in solchen Fällen umgewandelt werden kann – Kraftstoffe zum Beispiel oder Basischemika- lien. Eines der X-Produkte, an denen wir in Jülich arbeiten, ist Synthesegas – ein Gasgemisch, das in vielen industriellen Prozessen verwendet wird. Ein weiteres Thema, das wir ausbauen wollen, sind elektrochemi- sche Produktionsverfahren. Eine zentrale Rolle auf beiden Gebieten spielen neuartige Katalysatoren und elektrokatalytische Materialien.
Um auf diesen Gebieten voranzukommen, erforschen wir Technologien vom Werkstoff und über das einzelne Bauelement bis zur Prozessführung und zum Gesamtsystem. Wir tun das, um die Funktionalität und Validität technologisch, ökonomisch und ökologisch zu demonstrieren. Gemeinsam mit der RWTH Aachen und der Dechema koordinieren wir das Kopernikus-Projekt Power-to-X des Bundesforschungsministeriums. In der zweiten Projektphase ist es auch hier das Ziel, die Grundlagenerkenntnisse in die technische Innovation und den Systemzusammenhang zu bringen.
Im Rahmen des Kopernikus-Projektes P2X erforschen wir eine vollkommen neue Wertschöpfungskette mit CO
2als Ausgangs- stoff zur Synthese energiereicher Chemikalien zur Verwendung als Energiespeicher oder Kraftstoff.“
Prof. Rüdiger A. Eichel, Institut für Energie- und Klimaforschung
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Biomasse
Statt Rohöl bilden zum Beispiel Pflanzen, Pilze, Bakterien und Algen
die Rohstoffbasis einer nachhaltigen und bio-
basierten Wirtschaft. Grundstoffe
Die Biomasse wird in molekulare Bestandteile zerlegt, die Grundstoffe.
Das sind zum Beispiel Stärke, Zucker oder Cellulose.
Basisprodukte
Aus den Grundstoffen lassen sich Basisprodukte gewinnen wie Biokraftstoffe,
Papier, Chemikalien und Biokunststoffe.
Endprodukte
Die Basisprodukte werden z. T. zu komplexeren
Endprodukten weiterver- arbeitet. PEF-Flaschen aus
Biokunststoffen sind z. B.
gasdichter und stabiler als erdölbasierte PET-
Flaschen.
Sammlung und Verwertung
Haben Produkte ausgedient, sind sie kein Abfall. Sie werden recycelt, in Energie
umgewandelt oder dienen zum Beispiel als Dünger für
neue Biomasse.
Energie- gewinnung
Mit Reststoffen aus dem Recy cling lässt sich Energie erzeugen. Dabei entstehendes
CO2 dient Pflanzen, Algen und Bakterien als Nahrung und sorgt so für neue
Biomasse.
BIOÖKONOMIE
B IO BA SI ER TE K RE ISL AUFW IRTSCHAFT
Die Weltbevölkerung wächst und damit auch ihr Bedarf an Nahrung, Rohstoffen und Energie. Da Ackerfläche und fossile Ressourcen begrenzt sind, müssen alter- native Strategien gefunden werden, um der steigenden Nachfrage zu begegnen.
Forscherinnen und Forscher suchen des-
halb nach Wegen, um nachwachsende
Rohstoffe nachhaltig für die Nahrungs- und
Futtermittelproduktion zu nutzen, für die
Herstellung biobasierter Chemikalien und
für die Erzeugung von Bioenergieträgern
mit biotechnologischen Verfahren. Prozes-
se und Dienstleistungen für die Produktion,
Verarbeitung und Nutzung biologischer
Ressourcen stehen dabei nicht isoliert für
sich, sondern sollen in einem zukunftsfä-
higen, nachhaltigen Wirtschaftssystem
zusammengeführt werden.
SCHWERPUNKT BIOÖKONOMIE
Unter dem Begriff Bioökonomie verstehen wir eine moderne Form des Wirtschaftens, die darauf basiert, biologische Ressourcen wie Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen effizient und nach- haltig zu nutzen. Um einem solchen Wirtschaf- ten den Weg zu ebnen – davon sind wir in Jülich überzeugt – sind innovative Forschungsansätze auf dem insgesamt noch relativ jungen, interdis- ziplinären Wissenschaftsfeld notwendig. Solche Ansätze können wichtige Beiträge zur Lösung globaler Probleme leisten.
Wir haben sehr gute Chancen, in den kommenden Jahren auf Basis unserer bestehenden Kom- petenzen, Partnerschaften und Netzwerke das hochaktuelle und innovative Forschungsgebiet Bioökonomie in Jülich als international sichtbaren Leuchtturm zu etablieren.
Die Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen, Pflanzen und Boden ist dabei ein besonders herausforderndes Thema, welches eine wesentliche Rolle spielt, um in der Landwirt- schaft die Ressourceneffizienz zu verbessern und die Pflanzengesundheit zu erhalten. Dass wir in Jülich über international zum Teil einmalige Expertise und Forschungsinfrastrukturen in der Mikrobiologie, der Biotechnologie, der Pflanzen- und Bodenforschung verfügen, ist eine hervorra- gende Voraussetzung, um Kompetenzen eng zu vernetzen und das Forschungsfeld aufzubauen.
Starke Knoten für die Vernetzung haben wir bereits geknüpft: Das Forschungszentrum ist Gründungsmitglied und Koordinator des Bio- economy Science Center (BioSC), in dem wir die Bioökonomieforschung gemeinsam mit den Part- neruniversitäten in Aachen, Bonn und Düsseldorf strategisch entwickeln. Komplementär hierzu werden die Arbeiten unserer Agrosphärenfor- schung im Geoverbund ABC/J gemeinsam mit den Universitäten in Aachen, Bonn und Köln gestaltet.
Die Jülicher Biotechnologie-Forschung ist in ver- schiedenen Netzwerken wie CLIB2021 (Clustering Science, Innovation, Business) mit unseren Part- nern in der Region verbunden. Langfristig wollen wir über die Region hinaus die Bioökonomiefor- schung verschiedener Wissenschaftseinrichtun- gen in einer institutionell geförderten Verbundor- ganisation mit nationaler und internationaler Ausstrahlung integrieren und gestalten.
Innerhalb des Forschungszentrums wollen wir die Bioökonomieforschung stärker mit den For- schungsschwerpunkten Information und Energie verbinden: etwa durch die Verstärkung der Arbei- ten zur Simulation von Boden-Pflanze-Wechsel- wirkungen, durch die inhaltliche und methodische Anknüpfung an die strukturbiologischen und biophysikalischen Arbeiten (beispielsweise die Strukturaufklärung mittels NMR-Spektroskopie) oder die Entwicklung von energieeffizienteren bioökonomischen Verwertungsmethoden.
TECHNOLOGIEN FÜR DIE BIOÖKONOMIE VERBINDEN
Forschungs- und Technologieplattformen sind eine Stärke und ein Alleinstellungsmerkmal der Bioökonomie- forschung in Jülich. Unsere teilweise weltweit einmaligen Infrastrukturen für die Bio- und Geowissenschaf- ten nutzen wir nicht nur selbst, sondern betreiben sie in vielen Fällen auch als User Facilities, die externen Partnern den Zugriff auf diese Technologien ermöglichen.
Wir wollen die bestehenden Infrastrukturen für die bioökonomische Forschung in Jülich ebenso ausbauen wie strategisch wichtige gemeinsame Infrastrukturen mit nationalen und internationalen Partnern. Dazu gehören insbesondere die OMICS-Plattformen PlabiPD (als Teil des nationalen Bioinformatik-Netzwerks den.bi), das Helmholtz- und industriefinanzierte MiBioLab sowie die nationalen Technologieplattformen für Pflanzenphänotypisierung DPPN, TERENO, MOSES und AGRASIM. Automatisierung, Miniaturisierung und Digitalisierung spielen dabei eine wichtige Rolle. Beispielsweise in der Biotechnologie: Hier werden Ent- wicklungslabore gebraucht, die einer automatisierten Fertigungsstraße ähneln. Auf diese Weise lassen sich Entwicklungszeiten verkürzen und planbarer machen.
In Jülich wollen wir uns von möglichen Anwendungen unserer Forschung dazu inspirieren lassen, den Dingen auf den Grund zu gehen. Neugier und Lösungsorientie- rung führen hier gleichermaßen zu Erkenntnissen, aus denen sich Handlungsoptionen für verschiedene Probleme unserer Gesellschaft ableiten lassen. Der Begriff nutzen- inspirierte Grundlagenforschung beschreibt dieses Feld – wir forschen also, um zu verstehen. Und dieses neue Wissen wenden wir an, um der Gesellschaft Lösungs- möglichkeiten anzubieten.
ERFOLGSFAKTOR NUTZENINSPIRIERTE GRUNDLAGENFORSCHUNG
WAS WIR VORHABEN
Mein Forschungsfeld ist die Biokatalyse, ein Gebiet, das durch die Verschmelzung von Biologie und Chemie entstanden ist.
Wir nutzen biologische Katalysatoren – Stoffe, die Reaktionen beschleunigen –, um Wertstoffe zu erzeugen. Dabei handelt es sich um pharmazeutische Wirkstoffe mit einem breiten Anwen- dungspotenzial, das von antibakteriellen bis zu krebshemmen- den Medikamenten reicht. Unser Alleinstellungsmerkmal sind Enzymkaskaden. Hierfür schalten wir Enzyme hintereinander, die in der Natur nicht zusammen vorkommen. Auf diese Weise ist es möglich, ganze Plattformen von Produkten mit hoher Reinheit und in wenigen Schritten herzustellen. Unser Ziel für die kommenden Jahre ist es, die Lücke zwischen Labor und Industrie zu schließen. Wir wollen Prozesse entwickeln, die öko- nomisch und ökologisch effizient sind, und diese nachhaltigen Methoden in der Wirtschaft etablieren. Um die Anforderungen der Firmen zu berücksichtigen, befinden wir uns kontinuierlich im Gespräch mit Unternehmensvertretern.“
Prof. Dörte Rother, Institut für Bio- und Geowissenschaften
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REGIONALVERBUND ZUR BIOÖKONOMIE ETABLIEREN
Eine besondere Stärke der Bio- und Geowissenschaften in Jülich ist die starke Vernetzung mit Forschungs- partnern in der Region auf strategisch relevanten Themenfeldern. Die Kooperation mit Partnereinrichtungen ermöglicht es uns, in vielen Bereichen die gesamte Wertschöpfungskette abzudecken. Einen großen Schritt voran wollen wir durch die engere Verzahnung der bisher weitgehend unabhängig agierenden Netzwerke Geoverbund und Bioeconomy Science Center (BioSC) gehen. Denn dies eröffnet die Chance, die Sichtbarkeit und wissenschaftliche Wirksamkeit des Forschungszentrums zu erhöhen.
U NSE R E S T R AT EG I E > B I O Ö KO N O M I E
Ziel unserer Forschung ist es, das terrestrische System zu modellieren – wir wollen verstehen, wie die Erde funktioniert. Zu diesem Zweck beobachten wir verschiedene Prozesse wie den Wasserkreislauf, den Energiekreislauf und den Stoffkreislauf.
Bei der terrestrischen Systemforschung handelt es sich um ein relativ neues Forschungsfeld, das aus der Verbindung mehrerer Disziplinen entstanden ist. Lange Zeit bildete die Landober- fläche die Grenze: Während sich Meteorologen oder Atmo- sphäriker dem Bereich oberhalb der Erde widmeten, war es Aufgabe der Hydrologen, das Gebiet darunter zu erforschen. In der Systemforschung sind diese Gebiete nun integriert. Von der Methodik her verwenden wir zwei Ansätze: zum einen die expe- rimentelle Erhebung von Daten, beispielsweise an Erdbeobach- tungsstationen oder mit Satelliten, und zum anderen Simulati- onen auf Supercomputern. Dabei werden die digitalen Modelle anhand von Beobachtungsdaten überprüft und korrigiert.
Unsere Vision besteht darin, Informationen von gesellschaft- licher Relevanz bereitzustellen, zum Beispiel für die Wasser- wirtschaft oder die Landwirtschaft. Wie viel Wasser gibt es in dieser Parzelle? Wie verändern sich terrestrische Kreisläufe mit dem Übergang in die Bioökonomie, beispielsweise wenn in großem Ausmaß nachwachsende Rohstoffe angebaut werden?
Solche Fragen beantworten zu können – daran arbeiten wir.“
Prof. Stefan Kollet, Institut für Bio- und Geowissenschaften
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PFLANZENFORSCHUNGSZENTRUM AUFBAUEN
Ziel der einzigartigen Experimentierplattform „Marginal Field Labs“, derzeit in der Konzeptionsphase, ist die Optimierung des Pflanzenwachstums unter marginalen Bedingungen und die Züchtung ressourceneffi- zienter Nutzpflanzen. Darüber hinaus wollen wir eine gemeinsam von Jülich und dem Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (HMGU) getragene Helmholtz Part- nership for Plant Sciences als Brücke zwischen Bioökonomie und Gesundheitsforschung aufbauen. Hier möchten wir alle Kapazitäten unter einer gemeinsamen Governance zusammenführen und auf diese Weise eines der größten Pflanzenforschungszentren in Deutschland etablieren.
Die Ackerflächen, die weltweit zur Verfügung stehen, sind begrenzt – was daher benötigt wird, sind Pflanzen, die sowohl auf fruchtbaren als auch auf kargen und nähr- stoffarmen Böden hohe Erträge produzieren. In jeder Art gibt es von Natur aus Exemplare, die das besser können als andere. Solche Varianten versuchen wir zu identifizieren und herauszufinden, welche speziellen Merkmale in ihrem Wurzelwerk enthalten sind. Um die besten Pflanzenvarian- ten zu finden, benötigen wir hoch spezialisierte Geräte und Anlagen zur Phänotypisierung, welche die Dynamik von Pflanzenwachstum und Bodennutzung in Echtzeit messen.
Diese bauen wir vor Ort am Institut für Bio- und Geowissen- schaften. Ergänzend hierzu verwenden wir das 4-D-Wurzel- modell OpenSimRoot, mit dessen Hilfe wir Wurzelsystem- architekturen entwerfen können, die den Verbrauch von Wasser und Nährstoffen verringern. Gegenstand unserer Forschung sind Kulturpflanzen von weltweiter Bedeutung wie Mais, Weizen, Reis und Maniok.“
Prof. Michelle Watt, Institut für Bio- und Geowissenschaften
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BIOECONOMY INNOVATIONS- UND TRANSLATIONS-CENTER
Durch gemeinsame Anträge mit unseren Kooperationspartnern wollen wir die Bioökonomieforschung, ins- besondere die Forschung zu Boden-Pflanzen-Wechselwirkungen, signifikant stärken. Unser längerfristiges Ziel ist es, ein Bioeconomy Innovations- und Translations-Center zu etablieren. Es soll als weltweit erstes Forschungsinstitut zur integrierten Bioökonomie in gemeinsamer Trägerschaft von Helmholtz-Gemein- schaft, Fraunhofer-Gesellschaft und Leibniz-Gemeinschaft sowie verschiedener Universitäten eine neue Dimension inter- und transdisziplinärer Forschung erreichen.
Experten prognostizieren, dass die Wirtschaft der Zukunft biobasiert sein wird und wir uns damit auf ein Jahrhundert der Biologen zubewegen. In vielen Zweigen der Industrie wird der Einsatz nachwachsender Rohstoffe immer mehr zur Routine. Noch werden 40 Prozent von dem, was wir pro- duzieren, weggeworfen, – entweder schon auf dem Acker oder später während der Verarbeitung oder beim Verbrau- cher. Um diese Ressourcen zu verwerten, gibt es inzwischen zahlreiche Ansatzpunkte. Mit dem Bioeconomy Science Center – einer Kooperation des Forschungszentrums mit den Universitäten Aachen, Bonn und Düsseldorf – möch- ten wir hier einen Beitrag leisten. Zu den aktuellen Zielen gehören die Entwicklung eines konkurrenzfähigen Bioraffi- nerieprozesses und die Nutzung pflanzlicher Naturstoffe als Quelle für bioaktive Substanzen, aus denen sich wiederum Agrochemikalien und Pharmazeutika herstellen lassen.“
Prof. Ulrich Schurr, Institut für Bio- und Geowissenschaften
