Großes Arbeitstreffen 2019 in Frankfurt am Main

Lösungen für das Energiesystem der Zukunft werden greifbar

Forscherinnen und Forscher von acht Helmholtz-Zentren aus ganz Deutschland trafen sich im Mai 2019 in Frankfurt am Main, um bisherige und künftige Arbeiten der Initiative „Energie System 2050“ vorzustellen sowie übergreifende Themen zu erörtern. Bei dem großen Arbeitstreffen der Initiative ging es vor allem um die Flexibilisierung des Energiesystems, die Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr sowie den Zusammenhang zwischen Energie- und Rohstoffversorgung, um synthetische Kraftstoffe und um Open-Source-Modelle zur Optimierung des Energiesystems, zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und zur Erfassung von technologischen Innovationspotenzialen sowie um den Blick in die Zukunft. Impulse aus der Perspektive der Industrie gab Dr. Sylvio Kosse von Siemens: Er sprach über die Realisierungsmöglichkeiten für zukunftssichere Energiesysteme.

Der Umbau des Energiesystems in Deutschland stellt die Forschung vor komplexe Herausforderungen, die sich nur über die Grenzen von Institutionen, Disziplinen und Programmen hinweg meistern lassen. Dazu trägt der Helmholtz-Forschungsbereich Energie mit der Initiative "Energie System 2050" (ES2050) bei. Die Initiative erarbeitet greifbare und verwertbare Lösungen für das Energiesystem der Zukunft und bietet sie der Politik und der Wirtschaft an, um darauf aufbauend Entscheidungen zu treffen bzw. Produkte und Services zu entwickeln. Acht Helmholtz-Zentren sind an ES2050 beteiligt: das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), das Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) als assoziiertes Mitglied.

Einleitend zum Arbeitstreffen gab Moderator Dr. Wolfgang Breh, Geschäftsführer des KIT-Zentrums Energie, einen Überblick über die Initiative: ES2050 startete im Juli 2015 und läuft – wie die Energieforschungsprogramme der aktuellen Periode der programmorientierten Förderung (POF III) um ein Jahr verlängert – bis Dezember 2020. Das Budget beträgt insgesamt 20 Millionen Euro. Die Leitung der Initiative liegt beim Koordinator des Helmholtz-Forschungsbereichs Energie, Professor Holger Hanselka, Präsident des KIT, die Organisation bei Professor Joachim Knebel, Leiter des Bereichs III für Maschinenbau und Elektrotechnik des KIT, und Dr. Wolfgang Breh. An den Arbeiten, welche die sieben Programme des Helmholtz-Forschungsbereichs Energie begleiten und ergänzen, sind insgesamt rund 160 Forscherinnen und Forscher aus Technik- und Naturwissenschaften sowie Wirtschafts- und Sozialwissenschaften beteiligt. Sie behandeln fünf ausgewählte Forschungsthemen (FT). Davon beziehen sich drei auf technologische Wertschöpfungsketten: "Speicher und Netze" (FT1), "Biogene Energieträger" (FT2) sowie "Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff" (FT3). Eine "Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene" (FT4) unter ökologischen, ökonomischen und sozialen Aspekten sowie eine gemeinsame "Toolbox mit Datenbanken" (FT5), die Realdaten und Modelle einbezieht, ergänzen die ganzheitliche Betrachtung. Dank der Vernetzung zwischen Helmholtz-Zentren und Programmen hat ES2050 bereits zahlreiche interdisziplinäre Publikationen hervorgebracht. Überdies fördert die Initiative erfolgreich den wissenschaftlichen Nachwuchs und betreibt Öffentlichkeitsarbeit.

Beim Arbeitstreffen berichteten Koordinatoren und Beteiligte der Forschungsthemen über Aufgaben, Stand und weitere Entwicklung der Arbeiten. Professor Mathias Noe (KIT) und Professor Dirk Witthaut (FZJ) präsentierten die bisherigen Ergebnisse zum FT1 „Speicher und Netze“. Der Ausbau dieser Energiesystemkomponenten ist unerlässlich, um die teils stark fluktuierenden regenerativen Energien zu integrieren, Angebot und Nachfrage auszugleichen und Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Die Forscher haben ein gemeinsames Verständnis für Aufbau und Verhalten wesentlicher Komponenten und ihrer Schnittstellen erarbeitet. Für ausgewählte Netze sind abgestimmte Modelle verfügbar, nämlich ein Modell zur Stromversorgung und ein Modell zur Gasversorgung in Deutschland. Erste Netze unterschiedlicher Energieträger lassen sich miteinander gekoppelt untersuchen. Zudem sind erste Benchmarks für die Validierung von Modellen und wichtigen Aspekten, wie der Netzstabilität, erarbeitet und abgestimmt.

In die umfassende „Welt des Kohlenstoffs“ führte Professor Dieter Stapf (KIT) ein. Die heute dominierenden kohlenstoffbasierten Energieträger werden auch morgen als Rohstoffe für die chemische Industrie und als Treibstoffe für die Mobilität über lange Strecken benötigt werden. Das FT2 „Biogene Energieträger“ befasst sich mit der Umstellung auf nachhaltige Kohlenstoffquellen, größtmöglicher Effizienz in der stofflichen und energetischen Nutzung, der Einkopplung von Zusatzwasserstoff, der Nutzung der Nebenprodukte wie der thermodynamisch hochwertigen Wärme, der Entwicklung von Prozessketten, die technisch für dynamischen Lastwechselbetrieb geeignet sind, sowie der Umwandlung bestehender Infrastrukturen und der Ermittlung hochkonzentrierter Kohlenstoffquellen, um Wirtschaftlichkeit zu ermöglichen. Zu den erwarteten Ergebnissen gehören eine komplette Integration der Prozesskette „Biogene Energieträger“ mit den Verknüpfungen Synthesegas, Strom und Wärme und ihre experimentelle Validierung in der Forschungsinfrastruktur Energy Lab 2.0.

Über Arbeiten zum FT3 „Wasserstoffpfade“ berichtete Dr. Martin Robinius (FZJ). Wasserstoff ist nicht nur vielseitig einsetzbar, sondern ermöglicht auch die sektorenübergreifende Bereitstellung von Energie und Rohstoffen und die Reduktion von Treibhausgasemissionen. Martin Robinius präsentierte unter anderem das Modell FINE-NESTOR (National Energy System model with integrated SecTORcoupling), das Power-to-X-Technologien zur Speicherung oder Nutzung von Stromüberschüssen, Infrastrukturaspekte, Biomasseverteilung, Energieeffizienzmaßnahmen und Energiespeichertechnologien detailliert implementiert sowie Kostenunsicherheiten berücksichtigt. Zudem stellte er Arbeitsgruppen zur CO2-armen Zementproduktion, zur Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff und zu möglichen Wasserstoffspeichern vor. Derzeit untersuchen die Forscher Möglichkeiten, Wasserstoff in Salzkavernen zu speichern.

Im Querschnittsthema FT4 "Nachhaltigkeitsanalyse" entwickeln Forscher Methoden zur Bewertung der Nachhaltigkeit einzelner Energietechnologien sowie des gesamten Energiesystems. Dabei berücksichtigen sie möglichst den vollständigen Lebenszyklus, wie Dr. Tobias Naegler (DLR) erläuterte. Sie konkretisieren die Methodik des Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) anhand von Fallstudien zu ausgewählten Technologien rund um Speicher und Netze, biogene Energieträger und Komponenten einer Wasserstoffinfrastruktur. Zugleich entwickeln sie methodische Ansätze zur Nachhaltigkeitsbewertung auf der Ebene des Gesamtsystems, was Umweltauswirkungen jenseits der CO2-Emissionen, den Bedarf an kritischen Ressourcen – unter anderem für die (Elektro-)Mobilität sowie die Kopplung von Energie- und Rohstoffsystem betrifft.

Das FT5 "Toolbox mit Datenbanken" führt Daten aus allen anderen FT zusammen. Professor Veit Hagenmeyer (KIT) und Professor Dirk Müller (RWTH Aachen/Jülich Aachen Research Alliance – JARA) präsentierten die bisherigen Ergebnisse: Die Forscher haben das PROcessOperation Framework (PROOF) ausgebaut und einen virtuellen Campus konzipiert, haben Datenverarbeitung, -Datenrepräsentation und Datenformate forschungsthemenübergreifend abgestimmt, optimierte Prognosemethoden komplexer Energiesysteme implementiert, Open-Source-Software im Bereich automatisierte Ersatzmodellerstellung und Visualisierung veröffentlicht, Komponenten für Monitoring und Simulationen weiterentwickelt und getestet sowie Optimierungsalgorithmen verbessert, sodass diese das Nutzerverhalten sowie Aspekte der Energiewirtschaft und der Nachhaltigkeit berücksichtigen. In den weiteren Arbeiten wird es unter anderem darum gehen, die entwickelten Methoden anhand des virtuellen Campus oder in den Reallaborumgebungen Living Lab Energy Campus und Energy Lab 2.0 zu erproben.

In einem Impulsvortrag über "Zukunftssichere Energiesysteme – Realisierungsmöglichkeiten heute und perspektivisch" plädierte der Physiker Dr. Sylvio Kosse, der bei Siemens Corporate Technology eine Forschergruppe zum Thema "Switching and Power Grid" leitet und innerhalb des Kopernikus-Projekts ENSURE mit Partnern aus Wissenschaft – unter ihnen das KIT – und Wirtschaft zusammenarbeitet, an die Forschung, nicht nur auf das Gesamtenergiesystem zu schauen, sondern auch auf die Details zu achten, besonders auf Effizienz. Elektrische Energie sei universeller als jede andere Energieform, und Flexibilität sei ein Schlüsselfaktor im Wechselspiel zwischen den Anforderungen und Zielen der Energieversorgung und des Klimaschutzes.

Die beim Arbeitstreffen anschließend behandelten Themenblöcke erstreckten sich jeweils über mehrere Forschungsthemen von ES2050, wobei sich an jeden Block von Kurzvorträgen eine Diskussion mit den Referentinnen und Referenten anschloss. Zum Themenblock "Flexibilisierung und Sektorkopplung" stellte Dr. Martin Robinius (FZJ) die "Roadmap zur Sektorenkopplung für das Energie System 2050" (FT3) vor. Um die Treibhausgasemissionen zu verringern, bedarf es der Beiträge von Stromversorgern, Industrieunternehmen, Transportsektor und Haushalten. Professor Karl Gerald van den Boogaart (HZDR) sprach über die "Langfristperspektive auf die Kopplung von Energie- und Rohstoffsystem" (FT4), wies auf mögliche Rückkopplungen bei Rohstoffverknappung hin und betonte, dass die Systeme in jedem Fall gemeinsam sowie global zu betrachten sind. Anna Marcellan (DLR) referierte über "Mikrogasturbinen – bedarfsgerechte Nutzung von Bio- und Synthesegasen in der Sektorkopplung" (FT2). Zu den Vorteilen der vorgestellten Mikrogasturbinen gehören eine große Brenngasflexibilität sowie ein hoher Gesamtwirkungsgrad. Mit der "Dekarbonisierung der Stahlindustrie: Sektorkopplung und Infrastrukturbedarf" (FT1) setzte sich Thiemo Pesch (FZJ) auseinander. Er stellte das Direktreduktionsverfahren vor, das eine fast CO2-freie Stahlerzeugung ermöglicht, allerdings eine umfassende Infrastruktur zum Transport des Wasserstoffs zu den Stahlwerken erfordert.

Innerhalb des Themenblocks "Synthetische Kraftstoffe" nahm Dr. Martina Haase (KIT) eine "Nachhaltigkeitsbewertung synthetischer Kraftstoffe" (FT4) vor und verglich den bioliq®-Prozess, bei dem aus trockener Restbiomasse synthetische Kraftstoffe und chemische Grundstoffe erzeugt werden, mit der konventionellen Kraftstoff und Stromerzeugung. Die multikriterielle Entscheidungsunterstützung (MCDA) zeigt den Einfluss normativer Bewertung auf die relative Präferenz von bioliq®-Treibstoff im Vergleich zu fossilem Treibstoff. Dr. Peter Pfeifer (KIT) präsentierte Möglichkeiten der "Erzeugung synthetischer Kraftstoffe aus erneuerbarem Strom" (FT2). Motiviert ist die Entwicklung solcher Prozesse dadurch, dass aus regenerativen Quellen erzeugter Strom räumlich ungleich verteilt ist und/oder zeitlich stark fluktuiert. Über die "Rolle von Power-to-Gas und Power-to-Fuel im Energiesystem 2050 (FT3)" sprach Dr. Thomas Grube (FZJ). Er wies dabei auch auf die Herstellungskosten der Fahrzeuge als wesentlichen Faktor für die Gesamtkosten einer Pkw-Flotte hin.

Zum Themenblock "Open-Source-Modelle/ES2050 Outreach" steuerte Dr. Tom Brown (KIT) einen Vortrag über "Wege zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen mit Open-Source-Modellen" (FT1) bei. Er betonte, dass Open-Source-Modelle die Transparenz, Reproduzierbarkeit und Glaubwürdigkeit der erzielten Ergebnisse erhöhen, mehrfachen Aufwand vermeiden und Kooperationen erleichtern. Dr. Heidi Heinrichs (FZJ) präsentierte "FINE – ein Modellframework zur Optimierung und Bewertung von Energiesystemen" (FT3), das die verschiedenen Dimensionen von Energiesystemen – zeitlich, räumlich und sektoral – berücksichtigt, und erläuterte Anwendungen auf internationaler, nationaler und regionaler Ebene sowie für Inselenergiesysteme und einzelne Gebäude. Die Bedeutung von Patenten als Indikatoren für die Bedeutung von Erfindungen erörterte Dr. Manuel Baumann (KIT). Er stellte ein "Patentanalysetool zur Erfassung von technologischen Innovationspotenzialen" (FT4) vor. Susanne Sass (RWTH Aachen) und David Shu (FZJ) sprachen über ein "Modellkompendium und Benchmarks für Energiesysteme" (FT5) und stellten die Helmholtz Energy Computing Initiative HECI vor, eine Plattform, auf der skalierbare Methoden, realistische Daten und Software für die Projektierung und Optimierung künftiger Energiesysteme verfügbar sein sollen. – Zwischen den Vorträgen hatten die rund 80 Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Großen Arbeitstreffens Zeit und Gelegenheit zur Arbeit an gemeinsamen Projekten und zum fächerübergreifenden Austausch.

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