Die Arbeiten zum Forschungsschwerpunkt Energie zielen darauf, Technologien für eine langfristige und umweltverträgliche Energieversorgung einer ständig wachsenden Weltbevölkerung bereitzustellen.

Brennstoffzellen sind eine viel versprechende Technik zur Energieumwandlung. Sie wandeln die chemische Energie ihrer Betriebsstoffe, wie Erdgas, Methan oder Wasserstoff, direkt in elektrische Energie um. Damit lassen sich theoretisch Wirkungsgrade bis zu 70 % erreichen. Ein nur geringer Ausstoß des Treibhausgases CO₂ - Folge des günstigen Wirkungsgrads - und so gut wie keine Emission von Schwefel- und Stickoxiden sind weitere Pluspunkte der Brennstoffzelle. Mehrere in Bau und Funktion ähnliche Brennstoffzellen-Typen konkurrieren zurzeit miteinander. Die Unterschiede liegen vor allem bei den verwendeten Werkstoffen, Art der Elektrolyten und bei den Betriebstemperaturen. Diese betragen zwischen 60°C und 200°C im Niedertemperaturbereich beziehungsweise 600°C und 1000°C bei der Hochtemperatur-Brennstoffzelle - der so genannten Solid Oxide Fuel Cell (SOFC).

Bei letzterer konzentrieren sich die FE-Arbeiten des Forschungszentrums auf die technische Machbarkeit des "Jülicher Substratkonzepts", eines SOFC-Systems für die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung mit einer elektrischen Leistung von 20 kW.

Die Arbeiten zur Niedertemperatur-Brennstoffzelle - speziell zur Proton-Austauschmembran-Brennstoffzelle (PEFC) - sind auf die Erarbeitung von System- und Verfahrensvorschlägen und den daraus resultierenden Komponenten ausgerichtet. Daneben wird die Entwicklung einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) als effizientes und schadstoffarmes Antriebssystem für Kraftfahrzeuge vorangetrieben.

Fossil befeuerte Kraftwerke werden auch im 21. Jahrhundert einen erheblichen Beitrag zur weltweiten Energieversorgung leisten. Die Anstrengungen konzentrieren sich darauf, den Wirkungsgrad deutlich zu steigern. Insbesondere bei Gas- und Damp-turbinen-Kraftwerken mit über 100 Megawatt Leistung sollen Wirkungsgrade von über 60 % erreicht werden. Im Bereich der Gasturbine spielen neben verbesserten Kühltechnologien und zuverlässigen Auslegungsmethoden der Komponenten insbesondere neue Werkstoffsysteme eine zentrale Rolle. Im Jülicher FE-Vorhaben Werkstoffsysteme für Kraftwerke werden wichtige Arbeiten zu neuen hoch belastbaren Werkstoffsystemen für fossil betriebene Kraftwerke und zukünftige Kernfusionsreaktoren durchgeführt. Dabei reicht das Spektrum von neu konzipierten Einzelwerkstoffen über die Wirkungsweise von Struktur und Funktion im Verbund verschiedener Werkstoffe bis zur Realisierung und Erprobung von Komponenten für das Kraftwerk.

Unter den erneuerbaren Energien ist die direkte photovoltaische Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrische Energie eine wichtige Option für eine zukünftige Energieversorgung. Damit die Photovoltaik in den kommenden Jahrzehnten einen merklichen Beitrag zum wachsenden globalen Strombedarf leisten kann, müssen die Herstellungskosten photovoltaischer Module jedoch deutlich gesenkt werden. Dünnschichtsolarzellen versprechen wegen ihres geringen Bedarfs an hochreinem, teuer und energieintensiv herzustellendem Material, niedriger und damit energiesparender Herstellungstemperaturen sowie vollautomatisierter Prozessabläufe günstigere Herstellungskosten als die heute vorherrschende Technologie, die dicke, kristalline Siliziumscheiben verwendet. Die Jülicher Arbeiten zur Photovoltaik zielen auf neuartige Konzepte für Dünnschichtsiliziumzellen auf der Basis intensiver Materialforschung und einer Prozesstechnologie für kostengünstige industrielle Massenproduktion. Als Trägermaterialien werden vorwiegend Glas, aber auch Metall und Kunststofffolien verwendet.

Eine weitere nahezu unerschöpflich nutzbare Energiequelle könnte die kontrollierte Kernfusion werden. Weltweit wird intensiv an der Lösung dieser schwierigen Aufgabe gearbeitet: Es müssen heiße Gase (sog. Plasmen) von über 100 Millionen Grad bestehend aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium erzeugt und genügend lang zusammen gehalten werden. Gleichzeitig muss die bei der Verschmelzung der Kerne entstehende Energie zur Nutzung ausgekoppelt werden. Das Jülicher FE-Vorhaben Kernfusions- und Plasmaforschung konzentriert sich auf Schlüsselthemen der Beherrschung eines Fusionsplasmas: die Plasma-Wand-Wechselwirkung, der Energie- und Teilchentransport sowie die Beherrschung von Instabilitäten. Die Arbeiten sind eng gekoppelt mit der niederländischen und belgischen Fusionsforschung im Rahmen des Trilateralen Euregio Clusters (TEC) und eingebettet in das Fusionsprogramm der EU. Das zentrale Jülicher Forschungsgerät für die Fusionsforschung ist der Tokamak TEXTOR. Die Arbeiten sind eng gekoppelt mit der niederländischen und belgischen Fusionsforschung im Rahmen des trilateralen Euregio Clusters (TEC) und einebettet in das Fusionsprogramm der EU. Entsprechend sind die Hauptprogrammfelder des europäischen Fusionsprogramms / ITER, begleitendes Physikprogramm zu ITER, Fusionstechnologie jenseits von ITER und alternative Einschlusskonzepte (Stellaratorforschung) / integraler Bestandteil des FE-Vorhabens.

Im Mittelpunkt der Nuklearen Sicherheitsforschung stehen einerseits Untersuchungen zur Sicherheitsqualität nuklearer Anlagen sowie andererseits Forschungsarbeiten zur nuklearen Entsorgung. Dabei geht es sowohl um Konzepte zur Minimierung und Vermeidung langlebiger Radionuklide als auch um Verfahren für die effiziente Trennung der langlebigen radiotoxischen Nuklide von weniger problematischen Bestandteilen des nuklearen Abfalls. Arbeiten zur Langzeitsicherheit der Endlagerung zielen auf das Verständnis der Mobilisierungs-, Transport- und Rückhaltemechanismen für Aktinide und langlebige Spaltprodukte.