Energie System 2050 – Ein Beitrag des Forschungsbereichs Energie

"Energie System 2050" ist eine gemeinsame Initiative des Forschungsbereichs Energie der Helmholtz-Gemeinschaft. Ziel ist es, bis 2019 greifbare und verwertbare systemtechnische Erkenntnisse und technologische Lösungen zu erarbeiten, die Politik und Wirtschaft aufgreifen können.

Forschungsthema 1: Speicher und Netze 

Koordinatoren: Prof. Dr. Mathias Noe (KIT), Dr. Dirk Witthaut (FZJ) 

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ, GFZ, HZB, HZDR, KIT 

Die Energiewende in Deutschland erfordert den umfangreichen Ausbau von Netzen verschiedener Energieträger und den Einsatz von sicheren und bezahlbaren Energiespeichern, um die teils stark fluktuierenden erneuerbaren Energien zu integrieren, Angebot und Nachfrage auszugleichen und Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

Das Forschungsthema „Speicher und Netze“ zielt auf ein gemeinsames Verständnis für den Aufbau und das Verhalten wesentlicher Energiekomponenten und der Schnittstellen zwischen ihnen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erarbeiten Modelle für verschiedene Energieträger wie Strom, Gas und Wärme, die Simulation und Auslegung in unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Untergliederungen ermöglichen. Für die Strom- und Gasversorgung in Deutschland erstellen sie abgestimmte Netzmodelle. Sie untersuchen Netze verschiedener Energieträger miteinander gekoppelt und erarbeiten Benchmarks zur Validierung von Modellen und wichtigen Kriterien, wie beispielsweise Netzstabilität.

Forschungsthema 2: Biogene Energieträger 

Koordinatoren: Prof. Dr. Dieter Stapf (KIT), Prof. Dr. Daniela Thrän (UFZ) 

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ, KIT, UFZ 

Dieses Forschungsthema zielt darauf, die Prozesskette „Biogene Energieträger“ zur Produktion von chemischen Energieträgern (Kraftstoffen), chemischen Grundstoffen sowie Strom und Wärme vollständig zu integrieren, technisch an fluktuierende Randbedingungen anzupassen und wirtschaftlich zu optimieren. Dabei fungiert eine für den brennstoff- und lastflexiblen Betrieb mit Synthesegas modifizierte Gasturbine als Strom- und Wärmequelle im industriellen Maßstab.

Die Forscherinnen und Forscher untersuchen auch die Prozesse zur Umwandlung von Biomassen in Zwischenprodukte mit höherer Energiedichte, die sich wirtschaftlich über lange Strecken transportieren lassen, um in zentralen Anlagen zu Synthesegas weiterverarbeitet zu werden, und optimieren sie in Bezug auf Kosten, Rohstoff- und Energieeffizienz. Zudem befassen sie sich mit Möglichkeiten, biogene Synthesegaserzeugung und Wasserstoffbereitstellung durch Elektrolyse zu verknüpfen, um synthetische Flüssigkraftstoffe und speicherbare gasförmige Energieträger herzustellen. Sie beschreiben die Prozesskette „Biogene Energieträger“ mit zusätzlichen Elementen aus dem Bereich Biogas in einem Modell, um die flexible Biogasnutzung je nach Systemanforderungen zu optimieren.  

 

Forschungsthema 3: Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff 

Koordinatoren: Prof. Dr. Detlef Stolten (FZJ), Dr. Axel Liebscher (GFZ) 

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ, GFZ, HZB, UFZ 

Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar, beispielsweise als Kraftstoff für Fahrzeuge oder als Rohstoff für die Industrie. Damit eröffnet er die Möglichkeit, erneuerbare Energien vom Stromsektor in die Sektoren Industrie und Verkehr zu übertragen. Eine solche sektorenübergreifende Bereitstellung von Energie und Rohstoffen erfordert es, Strom- und Gasinfrastrukturen zu vernetzen sowie neuartige großtechnische Speicher bereitzustellen. 

Im Forschungsthema „Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff“ untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Rolle von Wasserstoff bei der Reduktion von Treibhausgasen, erarbeiten Konzepte zum Aufbau einer integrierten Strom- und Wasserstoff-Versorgungsinfrastruktur, untersuchen und bewerten Optionen der energetischen und stofflichen Selbstversorgung von Industrie und Haushalten und analysieren die Chancen globaler Bereitstellungsinfrastrukturen für erneuerbare Energien und Wasserstoff.  

 

Forschungsthema 4: Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene 

Koordinatoren: Dr. Tobias Naegler (DLR), Dr. Petra Zapp (FZJ) 

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ, HZB, HZDR, IPP, KIT, UFZ

Um die Energiewende erfolgreich fortzuführen und zu vollenden, ist es wichtig, technisch-naturwissenschaftliche, ökologische, ökomische und soziale Aspekte der Transformation frühzeitig und umfassend zu analysieren und in das Vorgehen einzubeziehen. Zu diesem Forschungsthema übertragen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Methode des Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) auf die Ebene von Energiesystemen. 

Sie untersuchen Speicher und Netze, biogene Energieträger sowie Wasserstoffpfade lebenszyklusbasiert unter technischen, ökologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Aspekten. Dabei identifizieren sie unter anderem auch Wechselwirkungen mit Aspekten außerhalb des Energiebereichs – beispielsweise Flächennutzungskonkurrenz – und analysieren soziale Indikatoren, wie Beschäftigungs- und Einkommenseffekte oder die Wahrnehmung und Akzeptanz von Technologien. Ziel ist eine auf wesentliche Parameter fokussierte und anhand der drei konkreten Beispiele getestete State-of-the-art-Methodik der Lebenszyklusorientierten Nachhaltigkeitsanalyse von Energietechniken. 


Forschungsthema 5: Toolbox mit Datenbanken 

Koordinatoren: Prof. Dr. Veit Hagenmeyer (KIT), Prof. Dr. Dirk Müller (RWTH Aachen/JARA) 

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ/JARA, GFZ, IPP, KIT 

Aufbau und Optimierung des zukünftigen Energiesystems mit seinen dezentral organisierten und zeitlich variablen Erzeuger- und Verbraucherstrukturen sowie seinen teilweise vielfachen Umwandlungs- und Speicherschritten erfordern es, die dynamischen und systemtechnischen Zusammenhänge aller Komponenten sowie die Prozess- und Steuerungsvariablen grundlegend zu verstehen. Dazu müssen die wesentlichen Komponenten eines zukünftigen Energiesystems in ihren physikalischen und systemischen Eigenschaften genau beschrieben werden. Die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten untereinander und deren Verhalten in einem übergeordneten Energiesystem müssen ermittelt werden. Dafür bedarf es der Entwicklung von Teilmodellen für die einzelnen Komponenten, wie Erzeuger, Speicher und Verbraucher, sowie der Verbindungselemente, wie Strom- und Gasnetze, Wärme- und Kältenetze, im Gesamtsystem. 

Ziele dieses Forschungsthemas sind, einheitliche Datenformate zu definieren und die Zusammenführung verschiedener Datenquellen zu ermöglichen, einheitliche Modelle für Komponenten des Energiesystems zu entwickeln und zuverlässige Algorithmen für die Planung, den Betrieb und die Optimierung des Gesamtenergiesystems zu erstellen. 

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