Konferenz 2017 in Berlin

Interdisziplinäre und flexible Forschung für das künftige Energiesystem

Das Energiesystem der Zukunft wird sich vom heutigen deutlich unterscheiden: Um den Anteil regenerativer Energien zu erhöhen, bedarf es neuer Technologien zur Energiespeicherung und -verteilung. Ein Umbau hin zu einer umweltverträglichen und sicheren, zugleich zuverlässigen und bezahlbaren Energieversorgung erfordert, die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität anhand intelligenter Informations- und Kommunikationstechnologien zu koppeln. Die Energiewende stellt Deutschland damit vor komplexe Herausforderungen. Um greifbare und verwertbare Lösungen zu entwickeln, sind nicht nur die technischen Komponenten zu betrachten, sondern auch Aspekte der Ethik und der Akzeptanz einzubeziehen. Diesen Aufgaben stellt sich die Initiative „Energie System 2050“ der Helmholtz-Gemeinschaft.

„Energie System 2050“, ein Beitrag des Helmholtz-Forschungsbereichs Energie, startete 2015 und hat bereits einiges erreicht. Dies zeigte die erste große Konferenz der Initiative vom 29. bis 31. Mai 2017 in Berlin, an der rund 90 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von acht Helmholtz-Zentren aus ganz Deutschland teilnahmen. Zum Abschluss der Konferenz präsentierten der Koordinator der Initiative „Energie System 2050“, Professor Holger Hanselka, Vizepräsident der Helmholtz-Gemeinschaft, Koordinator des Helmholtz-Forschungsbereichs Energie und Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), sowie Professor Otmar D. Wiestler, Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft, die interdisziplinäre Initiative vor Vertretern von Politik und Presse. Sprecher der fünf Forschungsthemen „Speicher und Netze“, „Biogene Energieträger“, „Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff“, „Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene“ sowie „Toolbox mit Datenbanken“ berichteten über laufende Arbeiten und erste Ergebnisse und beantworteten Fragen der Konferenzteilnehmer.

Greifbare Lösungen für die Energiewende

Die Initiative „Energie System 2050“ steht beispielhaft für die Möglichkeiten der Helmholtz-Gemeinschaft, große Themen grundlegend und umfassend zu behandeln – mit hervorragenden Forscherinnen und Forschern, einzigartigen Infrastrukturen sowie institutioneller Förderung durch Bund und Sitzländer, wie Helmholtz-Präsident Otmar D. Wiestler in seinem Grußwort betonte. Der Forschungsbereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft liefert in sieben Forschungsprogrammen grundlegende und anwendungsorientierte Beiträge zu maßgeschneiderten Energiesystemen mit flexiblen Komponenten. „Auf diesen laufenden Programmen setzt die Initiative ,Energie System 2050’ auf, um die Aufgaben der Energiewende vernetzt zu bearbeiten und Lösungen bereitzustellen, die Politik und Wirtschaft aufgreifen können, um daraus Entscheidungen abzuleiten“, erklärte Koordinator Holger Hanselka.

Dr. Frank Heidrich, Ministerialdirigent im Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) verwies auf die enge Beziehung zwischen Energieforschung und industrieller Forschung. Wichtig für den Erfolg der Energiewende sei, Erkenntnisse aus der Forschung zeitnah in Produkte und Prozesse zu überführen. Die Politik habe die Aufgabe, die entsprechenden Rahmenbedingungen zu schaffen, Forschung zu fördern und deren Ergebnisse offen zu erörtern. Zu den Aufgaben der Wissenschaft gehöre, ihre Erkenntnisse allgemein verständlich darzustellen.

Für Realismus, Technologieoffenheit und Wettbewerb in der Energieforschung plädierte Wilfried Kraus, Ministerialdirigent im Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Er appellierte an die Helmholtz-Gemeinschaft, ihren systemischen Ansatz zu erhalten und darauf aufzubauen. In langfristiger Sicht sei es ratsam, aufgeschlossen gegenüber verschiedenen technologischen Optionen zu bleiben und Alternativen zu prüfen. Die Energiewende sei als komplexer Prozess zu betrachten, der permanent nachzusteuern sei und immer neue Impulse benötige.

Professor Holger Hanselka gab einen einführenden Überblick über die Helmholtz-Gemeinschaft, den Forschungsbereich Energie und dessen gemeinsame Initiative „Energie System 2050“, kurz ES2050. Am Forschungsbereich Energie sind acht Helmholtz-Zentren beteiligt: das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Forschungszentrum Jülich (FZJ) mit der Jülich Aachen Research Alliance (JARA), 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. In der aktuellen Förderperiode 2015 bis 2019 (PoF III) verfügt der Forschungsbereich Energie über ein Gesamtbudget von rund zwei Milliarden Euro. Der Forschungsbereich gliedert sich in sieben Programme: Die Programme „Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen“ (EMR), „Erneuerbare Energien“ (EE), „Speicher und vernetzte Infrastrukturen“ (SCI), „Zukünftige Informationstechnologie“ (FIT) sowie „Technik, Innovation und Gesellschaft“ (TIG) sind für die Energiewende unmittelbar relevant. Das Programm „Nukleare Entsorgung, Sicherheit und Strahlenforschung“ (NUSAFE) begleitet den sicheren Ausstieg Deutschlands aus der Kernenergie und dient der Erhaltung der Kompetenz angesichts internationaler Entwicklungen. Das Programm „Kernfusion“ (FUSION) befasst sich mit einer sicheren und sauberen grundlastfähigen Energiequelle als Option für die Zukunft.

Ganzheitliche Betrachtung

„Energie System 2050“ vernetzt alle Zentren, Programme, Ebenen und Kompetenzen des Helmholtz-Forschungsbereichs Energie und verfolgt einen neuen systemischen Ansatz, um das Energiesystem der Zukunft umfassend abzubilden. „Das deutsche Gemeinschaftsprojekt Energiewende erfordert eine ganzheitliche Betrachtung“, erklärte Holger Hanselka als Koordinator der Initiative. „ES2050 arbeitet interdisziplinär, themenübergreifend und flexibel. Da wir heute noch nicht wissen können, wie das Energiesystem der Zukunft genau aussehen wird, müssen wir für heute noch unbekannte Elemente offen bleiben.“ Aktuell sind an der Initiative rund 130 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Technik- und Naturwissenschaften, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften beteiligt. Die Organisation liegt bei Professor Joachim Knebel, Leiter des Bereichs III für Maschinenbau und Elektrotechnik des KIT, der die Konferenz in Berlin moderierte, und Dr. Wolfgang Breh, Geschäftsführer des KIT-Zentrums Energie. ES2050 startete im Juli 2015 und ist auf viereinhalb Jahre angelegt. Das Budget beträgt 15 Millionen Euro. Zur Organisation und Koordination wurde eine eigene Geschäftsstelle eingerichtet. Die Initiative wird von einer strategischen Expertenkommission begleitet und von einer energiewirtschaftlichen Beratergruppe unterstützt. Über die Forschung hinaus übernimmt ES2050 Funktionen in der Politikberatung und der Öffentlichkeitsarbeit. Neben der aktiven Vernetzung ist die Nachwuchsförderung ein wichtiges Anliegen der Initiative.

Die fünf Forschungsthemen (FT) der Initiative umfassen drei ausgewählte technologische Wertschöpfungsketten im Energiesystem – „Speicher und Netze“ (FT 1; Sprecher Professor Mathias Noe, KIT), „Biogene Energieträger“ (FT 2; Sprecher Professor Dieter Stapf, KIT), „Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff“ (FT 3; Sprecher Professor Detlef Stolten, FZJ) –, eine „Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene“ (FT 4; Sprecher Dr. Tobias Naegler, DLR), die Fallstudien für alle drei Wertschöpfungsketten einschließt und die Sektoren koppelt, sowie eine gemeinsame „Toolbox mit Datenbanken“ (FT 5; Sprecher Professor Veit Hagenmeyer, KIT) auf der Basis von realen Daten und Modellen. Überdies erarbeitet eine aus Mitgliedern aller Forschungsthemen zusammengesetzte Task Force gemeinsame Szenarien.

Speicher und Netze – für Stabilität und Versorgungssicherheit

Wie der Sprecher des Forschungsthema 1 „Speicher und Netze“, Professor Mathias Noe, bei der Konferenz erläuterte, bringt die Integration der teils stark fluktuierenden erneuerbaren Energien in das Energiesystem besondere Herausforderungen mit sich: Versorgungssicherheit auch bei volatiler Stromerzeugung und Übertragung über weite Strecken zu gewährleisten, technische sowie wirtschaftliche und gesellschaftliche Aspekte der Dezentralisierung einzubeziehen sowie lebenszyklusbezogene Umweltlasten zu reduzieren. Dazu entwickeln die am FT 1 beteiligten Wissenschaftler Modelle für Komponenten – beispielsweise für neue Speichertechnologien –, definieren Schnittstellen zwischen den Komponenten, erarbeiten abgestimmte Modelle für Netze der verschiedenen Energieträger Strom, Gas und Wärme, erstellen Szenarien und erschließen Transformationspfade, stellen Benchmarks für Versorgungssicherheit sowie Referenzdaten für numerische Analysen bereit und bieten Nutzersupport für Modelle.

Zu den Entwicklungen im FT 1 gehört das Werkzeug Power Hardware in the Loop (PHIL) im Energy Lab 2.0, einer Simulationsplattform am KIT, die elektrische, thermische und chemische Energieströme verbindet und mit Informations- und Kommunikationstechnologien zu einem intelligenten Gesamtsystem verknüpft. PHIL kann reale elektrische Komponenten in einem simulierten komplexen Stromnetz testen. So lassen sich unter anderen die Netzanbindung von Batterie und Photovoltaikanlage untersuchen und Fehlerfälle simulieren. Außerdem befassen sich die Forscher unter anderem mit der netzdienlichen Integration von Schwungmassenspeichern, die kinetische Energie speichern und zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen können, mit einem Modell für ein Multi-Terminal Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs (HGÜ)-Netz in der Nordsee 2030 und mit Benchmarkrechnungen für das Transportnetz Deutschland.

Biogene Energieträger – nachhaltige Kohlenstoffquellen

Kohlenstoffbasierte Energieträger werden gegenwärtig und zukünftig weiterhin als Rohstoffe vor allem für die chemische Industrie sowie als Treibstoffe für die Langstreckenmobilität benötigt, wie der Sprecher des FT 2 „Biogene Energieträger“, Professor Dieter Stapf, in seiner Präsentation betonte. Daher geht es nicht eine sogenannte Dekarbonisierung der Wirtschaft, sondern vielmehr um eine Umstellung auf nachhaltige Kohlenstoffquellen für den künftigen Kohlenstoffkreislauf sowie um eine Steigerung der Effizienz in der stofflichen und energetischen Nutzung. Dies lässt sich erreichen durch die Einkopplung von Zusatzwasserstoff sowie durch die Nutzung der Nebenprodukte, wie thermodynamisch hochwertige Wärme. Weiterhin bedarf es innovativer Prozessketten, die technisch für dynamischen Lastwechselbetrieb geeignet sind. Bestehende Infrastrukturen sind entsprechend zu transformieren. Zudem sind unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit hochkonzentrierte Kohlenstoffquellen zu identifizieren.

Biogene Reststoffe, etwa Abfall- und Nebenprodukte aus der Land- und Forstwirtschaft, besitzen das Potenzial, rund zehn Prozent des heutigen Primärenergiebedarfs in Deutschland nachhaltig zu decken. Dabei steht ihre Nutzung nicht in Konkurrenz zur Nahrungs- oder Futtermittelproduktion. Die beteiligten Wissenschaftler befassen sich mit exemplarischen zentralen und dezentralen Prozessketten der energetischen und stofflichen Nutzung solcher Non-Food-Biomassen. Ein Beispiel ist der in das Energy Lab 2.0 am KIT integrierte mehrstufige bioliq®-Prozess, bei dem die biogenen Reststoffe, die eine niedrige Energiedichte aufweisen, zunächst in regionalen Anlagen in ein Zwischenprodukt von hoher Energiedichte umgewandelt, dann in industriellen Großanlagen weiterverarbeitet werden. Darüber hinaus untersuchen die Forscher, wie sich biogene Energieträger in das Energiesystem integrieren lassen und wie sie zur Sektorenkopplung beitragen.

Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff – zur Speicherung und Sektorkopplung

Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen ist inzwischen mit der aus fossilen Quellen konkurrenzfähig – nun gilt es, ihre Einbindung zu optimieren. Dabei sollte und muss das auf regenerativen Quellen basierende Energiesystem letztlich nicht teurer werden. Eine wesentliche Herausforderung liegt darin, Energiebereitstellung und -nachfrage räumlich, zeitlich und sektoral zusammenzuführen. Dazu sind Flexibilitätsinstrumente erforderlich. Wasserstoff ist ideal geeignet, wie Sprecher Professor Detlef Stolten bei der Vorstellung des FT 3 „Energie und Rohstoffpfade mit Wasserstoff“ erläuterte.

Für die saisonale Langzeitspeicherung von Energie bietet sich Gasspeicherung an. Die Speicherung von Energie aus Strom in Gas geht immer über Wasserstoff. Als flexibles Instrument lässt sich Wasserstoff direkt, zur Hydrogenierung von Biomasse und zur Erzeugung von synthetischen Treibstoffen sowie in der Industrie nutzen. Wasserstoff ermöglicht die wirtschaftlich darstellbare Kopplung der Sektoren Strom und Verkehr. Über einen intelligenten Aufbau lassen sich die Infrastrukturkosten minimieren. Die Wissenschaftler in FT 3 untersuchen dazu unter anderem auch die Möglichkeiten europäischer und globaler Vernetzung.

Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene – nach technisch-naturwissenschaftlichen, ökonomischen, ökologischen und sozialen Kriterien

Co-Sprecherin Dr. Petra Zapp vom FZJ präsentierte das FT 4 „Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene“. In diesem untersuchen Forscher das zukünftige Energiesystem und zukünftige Energietechnologien nach technisch-naturwissenschaftlichen, ökonomischen und ökologischen Kriterien, um Machbarkeit, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Umweltwirkungen zu bewerten. Zugleich betrachten sie die Energiewende als gesellschaftlichen Prozess und befassen sich mit Voraussetzungen und Auswirkungen der Transformation, unter anderem mit der Akzeptanz von Technologien und mit deren Potenzial für inländische Wertschöpfung. 

Lebenszyklusorientierte Bewertungen erstrecken sich von der Herstellung über die Nutzung bis hin zur Wiederverwertung oder Entsorgung. Aktuell existieren bereits etablierte Methoden zur Bewertung von Umweltauswirkungen von Produkten und Systemen, wie Life Cycle Assessment (LCA), sowie zur Analyse der Kosten, wie Life Cycle Costing (LCC). Methoden zur Bewertung gesellschaftlicher Auswirkungen werden derzeit noch entwickelt und erprobt. Das FT 4 setzt die Methode des Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) ein, entwickelt sie abgestimmt auf Energietechnologien weiter und konkretisiert sie anhand von Fallstudien zu Speichern und Netzen, biogenen Energieträgern sowie Komponenten einer Wasserstoff-Infrastruktur.

Toolbox mit Datenbanken – gemeinsame Modelle und Algorithmen

Das Energiesystem der Zukunft wird sich durch dezentrale Organisation, zeitlich variable Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen sowie teilweise vielfache Wandlungs- und Speicherschritte kennzeichnen. Die Optimierung dieses Systems erfordert eine übergreifende Datenbereitstellung durch Datenbanken und Big Data, gemeinsame Modelle und Simulationen sowie den Aufbau eines „Internet der Energie“, in dem Informations- und Kommunikationstechnologien die Erzeugung und den Verbrauch intelligent und effizient koordinieren. Im FT 5 „Toolbox mit Datenbanken“, das Sprecher Professor Veit Hagenmeyer bei der Konferenz vorstellte, definieren Forscher gemeinsam eine Datengrundlage sowie Randbedingungen und Szenarien des zukünftigen Energiesystems. Sie entwickeln Plattformen, Schnittstellen und Datenformate zum Datenaustausch, erstellen gemeinsame Modelle, Algorithmen und Tools.

Die Arbeiten zielen unter anderem auf einheitliche Formate zum Datenaustausch, auf generische Services für das Management großer Datenmengen und des gesamten Datenlebenszyklus von der Datenerfassung über die Datenverwaltung und Datenanalyse bis zur Datennutzung sowie auf einheitliche Modelle von Komponenten wie Speichern, Netzen oder Gebäuden, die sich für Simulationen und Prognosen, zur Steuerung und Regelung eignen. Weitere Ziele sind Algorithmen für die Planung, den Betrieb und die Optimierung des Gesamtenergiesystems, eine IT-Systemarchitektur und ein IKT-Netz, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Privatheit gewährleisten, sowie ein Monitoring- und Datenanalyse-Tool zur Erfassung, Verarbeitung und Visualisierung.

Weitere Informationen auf unserer Themenseite zur Energiewende

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