Helmholtz-Forschende stellen Modellierungswerkzeuge für die Energiesystemoptimierung frei zur Verfügung (Montage: KIT Bildstelle; Bernhard Mühr www.wolkenatlas.de; Julian Quinting).

Open-Source-Modelle für das künftige Energiesystem

Es braucht neue Technologien, aber vor allem starke Modelle, Algorithmen und IT-Systeme, um das Energiesystem der Zukunft umweltfreundlich, wirtschaftlich und sicher zu gestalten. Die Helmholtz-Initiative „Energie System 2050“ macht diese Werkzeuge frei zugänglich.

Ein Gespräch mit dem Koordinator von „Energie System 2050“, Holger Hanselka, über die Bilanz der Initiative und Perspektiven.

Die Ziele der Energiewende sind umfassend und sehr ambitioniert. Was hat die Helmholtz-Initiative mit Blick darauf erreicht?

Wir haben einen einzigartigen Forschungsverbund geschaffen, um neue Technologien und Komponenten des Energiesystems zu entwickeln und in einem realistischen Umfeld zu testen. Viele Bauteile betreiben wir real, andere Komponenten simulieren wir mit Computern und neuen IT-Systemen. Mit den gebündelten Kompetenzen von über 170 Forscherinnen und Forscher aus sieben Helmholtz-Zentren können wir somit ein multimodales Gesamtsystem und unterschiedliche Transformationspfade darstellen und bewerten. Die von uns erarbeiteten systemischen Lösungsoptionen sind flexibel, sodass Akteurinnen und Akteure aus Politik und Wirtschaft künftig Handlungsvorschläge für sehr unterschiedliche Entwicklungen haben, die bislang nicht im Detail vorhersehbar sind.

In dem Projekt bilden wir auch viele Fachleute aus, die dringend benötigt werden. Noch bis Ende des Jahres werden an unseren Helmholtz-Zentren fast 40 Doktorandinnen, Doktoranden und weitere Nachwuchskräfte ihren Abschluss machen. Das sind bestens qualifizierte Fachkräfte für die Aufgaben im Zuge der Energiewende. Sie können künftig nicht nur in der Forschung, sondern auch in der Wirtschaft, der Politik oder bei Nichtregierungsorganisation wichtige Beiträge für das Energiesystem der Zukunft leisten.

Welche Schwerpunkte haben Sie bei dieser komplexen Aufgabe gesetzt?

Unser Fokus liegt auf fünf Forschungsthemen. Erstens: Speicher und Netze. Sie sind das Rückgrat unserer Energieversorgung. Weil die regenerative Energieerzeugung, etwa durch Sonne und Wind, stark zunehmen wird, müssen wir Stabilität garantieren. Das leisten neue Speichertechnologien und Konverter. Sie sorgen zum Beispiel dafür, den Strom der Offshore-Windparks vom Meer ans Land zu bringen.

Zweitens: Biogene Energieträger. Bei der Herstellung synthetischer Biokraftstoffe, einem wichtigen Bestandteil des Energiesystems, sind wir ein gutes Stück weitergekommen. Außerdem bei der Entwicklung von Gasturbinen, die Synthese- und Biogas verstromen können. Sie müssen sowohl mit verschiedenen Brennstoffen arbeiten als auch mit schwankender Auslastung klarkommen. Zudem wird Biomasse eine immer wichtigere Rolle spielen, wofür wir unter anderem flexible Biogasanlagen benötigen.

Drittens: Wasserstoff ist unverzichtbar, um eine nahezu treibhausgasneutrale Energieversorgung zu realisieren. Wir haben Lösungen entwickelt, wie ein umfassendes Transport- und Verteilnetz aussehen kann, das auch die saisonale Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen ermöglicht.

Das klingt enorm aufwendig. Ist es auch nachhaltig?

Hier liegt unser vierter Schwerpunkt: Damit das System nachhaltig wird, haben wir den kompletten Lebenszyklus im Blick, von der Wiege bis zur Bahre, vom Gesamtbild bis hin zu den Einzeltechnologien. Wir wissen nun, dass viele negative Umweltauswirkungen in einem klimafreundlichen Energiesystem zurückgehen – aber nicht alle. Der Verkehr wird zum Beispiel weiterhin Emissionen verursachen, weil viel Energie für die Bereitstellung neuer Kraftstoffe bzw. für Strom benötigt wird. Deshalb entwickeln wir ökologische, ökonomische und soziale Kriterien, um die Transformation umfassend bewerten zu können.

Unser Augenmerk liegt fünftens auf dem abgestimmten Betrieb aller Anlagen und Netze im Gesamtsystem. Die laufende Einbindung erneuerbarer Energie von kleinen Photovoltaikanlagen auf dem Dach bis hin zu großen Windparks macht dies zu einer Herausforderung. Das Gesamtsystem wird viel komplexer als bisher. Energieflüsse sind darin keine Einbahnstraßen mehr, Daten werden in großem Umfang ausgetauscht und Szenarien simuliert. Bei dieser Überwachung, Planung und Optimierung spielt die IT eine zentrale Rolle – und damit deren Sicherheit. Dafür haben wir eine Toolbox mit Datenbanken, Computerprogrammen und Modellen konzipiert, mit der das Energiesystem sektorübergreifend effizient gesteuert werden kann. Das ist einerseits wichtig, um die wetterbedingt schwankende Leistung der Windkraft- und Solaranlagen auszugleichen, aber auch, um das System flexibel zu halten und die Kosten zu senken. All diese Werkzeuge werden frei zugänglich sein, also anderen Forschenden innerhalb und außerhalb von Helmholtz zur Verfügung gestellt.

Was muss sich ändern, damit die Energiewende zum Erfolg wird?

Wir müssen uns interdisziplinär viel stärker vernetzten. In unserer Initiative haben Ingenieur-, Natur-, Geistes- und Sozialwissenschaftler eng zusammengearbeitet – und zwar enorm erfolgreich. Auch die konsequente Veröffentlichung der Ergebnisse, Daten und Simulationswerkzeuge als Open Source hat dazu beigetragen, dass die erarbeiteten Ergebnisse auch im Markt umgesetzt werden. Dies bauen wir ebenso aus wie die Infrastruktur: von größeren Einzelkomponenten über Reallabore bis hin zur Verknüpfung mit Big Data und IKT-Infrastruktur. Dabei sollte der inhaltliche Schwerpunkt auf Sektorkopplung, Energieeffizienz und CO2-Reduzierung liegen.

Um die realen Herausforderungen zeitnah und kostenoptimiert angehen zu können, sind schnellere und detailliertere Tests von neuen Technologien im großen Maßstab angesagt. Hierfür müssen Hürden bei der Beantragung und bei der Zusammenarbeit mit Industriepartnern beseitigt werden. So ließe sich etwa eine Wasserstoff- oder E-Ladeinfrastruktur von großen LKW-Flotten schaffen. Steuerliche Anreize, Abschreibungen oder andere Arten der Förderung können dazu beitragen, dass neue Technologien ohne Verzögerung in das entstehende System integriert werden. Auch die Bepreisung von CO2 für die Bereiche Wärme und Verkehr, die 2021 kommt, kann dazu beitragen. Durch all das ergeben sich Vorteile für Effizienztechnologien.

Was sind die nächsten Schritte Ihrer Initiative?

Der Aufbau unserer Forschungsinfrastrukturen geht nun in eine neue Phase. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Forschungszentrum Jülich werden zu großen Laboren, in denen wir neue Techniken zur Überwachung und Steuerung von Stromnetzen im realen Betrieb testen: Das Energy Lab 2.0 in Karlsruhe und das Living Lab Energy Campus in Jülich realisieren konkret im größeren Maßstab eines Reallabors, was bislang in der Praxis noch in den Kinderschuhen steckt. Dabei arbeiten wir auch mit sogenannten „digitalen Zwillingen“: Software simuliert eine Technologie, die es in der Realität noch gar nicht gibt. In Kombination mit Hardware-Komponenten ermöglicht der „digitale Zwilling“ die Simulation eines Systems, in dem die künftige Komponente einmal eingesetzt werden soll. Das beschleunigt die Forschung am Gesamtsystem immens. Dank dieses Werkzeugs kann das Stromnetz mit anderen Sektoren stärker zusammenwachsen, etwa mit der Nahwärmeversorgung, dem Gasnetz oder einem experimentellen Wasserstoffnetz.

Schritt für Schritt weiten wir unsere Simulationen und Tests unter Realbedingungen aus; speziell in den Reallaboren am KIT in Karlsruhe, am Forschungszentrum Jülich und am DLR in Oldenburg. Wir arbeiten dabei künftig mit vielen Partnern zusammen, etwa mit allen großen Netzbetreibern und einer Vielzahl von national und international agierenden Industriepartnern, namhaften wissenschaftlichen Einrichtungen sowie innovativen Startup-Unternehmen.

 

https://www.helmholtz.de/forschung/energie/energie_system_2050/

21.09.2020 , Lars Klaaßen

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G.Seeck 3 Wochen

Guten Tag,
als Ingenieur begeistert mich Ihre Arbeit total. Vor lauter Komplexität scheint mir aber ein einfacher, älterer Ansatz ganz aus den Augen verloren zu sein. So schön es sein mag, Gas aus Strom zu erzeugen (mit hohen Verlusten) und zu speichern (im Winter kurzzeitig, denn wir benötigen viel Gas zum Heizen), warum wird nicht der Strom direkt zum Heizen vorgesehen? Es gibt nachts große Überschüsse, die in Nachtspeicherheizungen genutzt werden könnten. Wärmepumpenheizungen sind zwar effizienter, stehen aber tagsüber in Konkurrenz zu anderen Abnehmern wie z.B. der Industrie. Wenn wir 2 bis 3 kWh benötigen, um 1 kWh Gas zu erzeugen-ohne die Verluste bei Speicherung, Transport und Verbrennung-, ist die Speicherheizung die bessere Alternative. Leider darf man Speicherheizung heute nicht mehr sagen, denn viele Leute halten sie für überholt und für Stromfresser, was aber nicht stimmt. Forschen Sie doch auch an verbesserten Dämmstoffen (die es im kleinen Maßstab sogar schon gibt); damit ließ sich Wärme für mehrere Tage problemlos speichern und das bei sehr geringen Investitionskosten.

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