Technologien für die Energiewende

Damit künftig mehr Strom aus erneuerbaren Energien in die Netze fließt, forschen über 2000 Fraunhofer-Mitarbeitende an verschiedensten Technologien, zum Beispiel an Konzentratorsolarzellen.

Fraunhofer-Technologien für das Herkulesprojekt Energiewende

Die Transformation der Energieversorgung gelingt durch effektivere und gleichzeitig günstigere Technologien, ein flexibles Kapazitätsmanagement und synthetische Brennstoffe.

Allen ist klar, dass es nicht leicht wird, was die 195 Mitgliedsstaaten der UN beim Klimagipfel in Paris Ende 2015 gemeinsam beschlossen haben: Bis 2050 soll weitgehend auf Kohle, Öl und Gas verzichtet und der CO2-Ausstoß radikal gesenkt werden. Eine Herkulesaufgabe für alle Staaten, auch für Deutschland. Die Energiewende bietet jedoch enorme Chancen für den Innovationsstandort und die Technologieführerschaft der deutschen Industrie im internationalen Markt. Dass aus diesen Chancen ein Erfolg wird, daran arbeiten Fraunhofer-Institute mit ihren herausragenden Kompetenzen mit.

Veränderte und neue Technologien sind jetzt zu allen Aspekten des Energiesystems gefragt. Mehrere Bundesministerien unterstützen deshalb Innovationen der Energiewende. Ein Dialog über die strategische Ausrichtung der Energieforschung mit den nationalen Akteuren in Bund, Wirtschaft und Wissenschaft findet in der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie koordinierten Energiewende-Plattform Forschung und Innovation statt.

In diesem Plenum begleitet Professor Georg Rosenfeld, Fraunhofer-Vorstand für Technologiemarketing und Geschäftsmodelle, auch das Thema »Energieeffizienz in Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen«: »Die neue Ausgestaltung des Förderschwerpunkts und das dafür gegründete ›Forschungsnetzwerk Energie in Industrie und Gewerbe‹ unterstützen eine gezielte Forschungsförderung zur Energieffizienz. Fraunhofer wird sich mit viel Expertise in die verschiedenen Forschungsfelder des Förderschwerpunkts einbringen können, etwa zu Eisen und Stahl oder Fertigungstechnik.«

Rekorde mit Sonne und Wind

Fraunhofer-Institute entwickeln wesentliche technologische Grundlagen für den Energiewandel – allem voran Technologien zur Energiegewinnung aus Wind und Sonne.

Laser-basierter Fertigungsprozess für hocheffiziente Solarzellen

Um hocheffiziente PERC-Solarzellen in Serie herzustellen, entwickelten Dr. Jan Nekarda und Dr.-Ing.Ralf Preu (v.l.n.r.) den Laser Fired Contact-Prozess.
© Foto Dirk Mahler/Fraunhofer

Um hocheffiziente PERC-Solarzellen in Serie herzustellen, entwickelten Dr. Jan Nekarda und Dr.-Ing. Ralf Preu (v.l.n.r.) den Laser Fired Contact-Prozess.

Ein preisgekröntes Beispiel in der Photovoltaik (PV) ist der Laser-Fired-Contact (LFC)-Prozess: Hier fügt man in PV-Zellen hochreflektierende Spiegel als dünne Zwischenschicht ein: Diese reflektieren jene Photonen, die in konventionellen PV-Zellen bisher nicht absorbiert werden konnten, wieder zurück in die Zelle. Sie durchlaufen den Halbleiter mehrmals, mehr Strom wird erzeugt. Der am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE erarbeitete LFC-Prozess erlaubt nun erstmals die Massenproduktion solcher neuartiger Solarzellen.

Für das Verfahren wurden Dr. Ralf Preu und Jan Nekarda mit einem Joseph-von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnet. Die Jury betonte, die LFC-Technologie trage dazu bei, »dass deutsche Unternehmen weiterhin im umkämpften Photovoltaik-Markt erfolgreich agieren.«

Effiziente Windenergieanlagen

Am Standort Bremerhaven des Fraunhofer IWES werden Prüfstände und Textmethoden für Windenergieanlagen entwickelt, wie hier für Lager der Rotorblätter.
© Foto Rolf Nachbar / IMO

Am Standort Bremerhaven des Fraunhofer IWES werden Prüfstände und Textmethoden für Windenergieanlagen entwickelt, wie hier für Lager der Rotorblätter.

Auch Windenergieanlagen werden ständig effizienter: Etwa indem man Schäden früher erkennt und damit Ausfälle oder hohe Reparaturkosten, vor allem Offshore, vermeidet. Besonders empfindlich sind die Lager der Rotorblätter in großen Anlagen. Um diese zu optimieren, konzipierten Forscher am Institutsteil Bremerhaven des Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES eine Testmethodik und einen Prüfstand. »Wir entwickeln eine beschleunigte Methode, die in nur sechs Monaten einen 20-jährigen Betrieb einer Windenergieanlage simuliert«, beschreibt Christian Broer das Förderprojekt Highly Accelerated Pitch Bearing Test.

Am Institutsteil Bremerhaven steht die weltweit einmalige Windenergie-Prüfeinrichtung »Dynamic Nacelle Testing Laboratory« (DyNaLab): Hier kommen die bis zu 400 Tonnen schweren Gondeln von Windanlagen der nächsten Generation auf den Prüfstand.

Netze, die Effizienz schaffen

Energieversorgung von Industrieprozessen sicherstellen

Im Kopernikus-Projekt SynErgie, das über 80 Partner aus Industrie, Forschung und Gesellschaft vereint, arbeiten Fraunhofer-Institute an Technologien und Methoden, um auch bei volatiler Energieversorgung energieintensive Industrieprozesse sicherzustellen. Konsortialführer im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien ist das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Dort sollen beispielsweise die technischen und marktseitigen Anforderungen auf einer Plattform zusammengeführt werden, um den Energiebedarf der deutschen Industrie effektiv mit dem schwankenden Energieangebot zu synchronisieren. Unter den sieben Branchenverantwortlichen des SynErgie-Projekts vertritt zudem das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU den Maschinen- und Anlagenbau, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT die Papierindustrie.  

Konsortialführer im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien ist das Fraunhofer IPA. Dort sollen beispielsweise die technischen und marktseitigen Anforderungen auf einer Plattform zusammengeführt werden, um den Energiebedarf der deutschen Industrie effektiv mit dem schwankenden Energieangebot zu synchronisieren. Unter den sieben Branchenverantwortlichen des SynErgie-Projekts vertritt zudem das Fraunhofer IWU den Maschinen- und Anlagenbau, das Fraunhofer FIT die Papierindustrie.  

Keimzellen für die Energiewende im Industriemaßstab

The energy monitoring system SEEDS
© Foto Fraunhofer IISB

The energy monitoring system SEEDS

Wie sich verschiedene Technologien für die lokale Anwendung in einzelnen Industriebetrieben adaptieren lassen, untersucht das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB im Förderprojekt SEEDs am eigenen Institut: Dessen Labor- und Anlagentechnik ist vergleichbar mit einem mittleren Industriebetrieb. »Neben elektrischer Energie betrachten wir auch Energie in Form von Wärme und Kälte, die in der Industrie eine große Rolle spielen«, erläutert Projektkoordinator Dr. Richard Öchsner. »Für die Kopplung der unterschiedlichen Energieformen und Komponenten entwickeln wir leistungselektronische Wandler.« Neben dem Fraunhofer IISB wirken auch das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC an SEEDs mit.

Nordseeinsel Pellworm: Vorbild für Energiemix von morgen

SmartRegion Pellworm: unneeded wind and solar energy are stored in high-performance batteries and household heating systems
© Foto Schleswig-Holstein Netz AG

Als Vorbild für den Energiemix von morgen gilt die Nordseeinsel Pellworm, auf der bereits 90 Prozent des Bedarfs von Wind, Sonne und Biomasse gedeckt werden. Dort konstruierten Wissenschaftler des Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT und des Ilmenauer Teils des Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB ein Betriebsführungswerkzeug für das hybride Speichersystem vor Ort. Dieses Tool berechnet automatisiert Fahrpläne, um beispielsweise Regelenergie für Netzbetreiber oder einen möglichst hohen Eigenverbrauch von erneuerbaren Energien auf der Insel zu ermöglichen.

Wetter und Stromerzeugung zuverlässig vorhersagen

Prognoseplattform EWeLINE
© Foto Fraunhofer IWES

Die neue Demonstrations-Plattform »EnergyForecaster« stellt Prognosen für die Einspeisung von erneuerbaren Energien generell (links) sowie für Photovoltaik- und Windeinspeisung einzeln (rechts) dar. Insgesamt können über 20 verschiedene Warnungen und Prognosen angezeigt werden.

Die Stromerzeugung aus den wetterabhängigen erneuerbaren Energien planbar und verlässlich macht die Prognoseplattform EWeLINE. Für dieses Vorhaben haben sich das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES, der Deutsche Wetterdienst DWD und drei Übertragungsnetzbetreiber zusammengetan. Die IWES-Wissenschaftler ermöglichen mit Hilfe modernster mathematischer Methoden sehr genaue Vorhersagen für die Stromeinspeisung von Sonne und Wind.

Projekt REStable analysiert Einführung erneuerbarer Energien in Europa

Auch länderübergreifend wird geforscht. Das deutsch-französisch-portugiesische Kooperationsprojekt REStable identifiziert die wesentlichen technischen, wirtschaftlichen und regulatorischen Herausforderungen einer Umstellung des europäischen Stromversorgungssystems auf erneuerbare Energien. Hier erarbeiten Forscher Lösungsstrategien, um langfristig ökonomisch sinnvolle Mechanismen zu entwickeln. »Erstmals setzen wir hier das von uns über viele Jahre in Kooperation mit Unternehmen entwickelte Konzept »Regenerative Kombikraftwerke« länderübergreifend ein«, erklärt Dr. Kurt Rohrig, stellvertretender Leiter des Fraunhofer IWES, Institutsteil Kassel. Das Virtuelle Kombikraftwerk IWES.vpp ist ein modulares Echtzeitsystem, das erneuerbare Energieanlagen überwachen, steuern, aggregieren und nach unterschiedlichen Strategien optimieren kann. Im Juni erhielt REStable den Deutsch-Französischen Innovationpreis für Erneuerbare Energie der Deutschen Energie-Agentur dena.

 

Gemeinsamer Energiespeicher für Plusenergiehäuser

Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP vernetzt aktuell in Wuppertal einzelne Plusenergiehäuser zu einer Siedlung: Hier haben sich 19 Eigentümer von Einfamilienhäusern zusammengeschlossen und einen gemeinsamen Energiespeicher angeschafft. Die Untersuchungen führen die IBP-Wissenschaftler um Hans Erhorn mit Unterstützung des Bundesbauministeriums und des Verbands der Deutschen Fertighaushersteller durch. Erhorns Abteilung Energieeffizienz und Raumklima betreut diverse Siedlungskonzepte unterschiedlicher Investoren.

Kohlenstoff im Kreis führen

Trotz aller Effizienzsteigerung und Systemoptimierung: In manchen Branchen bleibt ein Anteil an Kohlendioxid, der emittiert werden muss. Stahl zum Beispiel lässt sich heute in der geforderten Qualität nicht ohne den Einsatz von Kohle herstellen. Auf der anderen Seite fällt bereits heute zeitweilig kostengünstiger CO2-armer »Überschussstrom« an, aus dem sich wiederum nutzbare Produkte herstellen lassen. Hier setzt das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT mit drei Projekten an.

Leitprojekt »Strom als Rohstoff«

Mit der Aufgabenstellung, wie sich eine stromgeführte Produktion aufbauen lässt, befasst sich das Leitprojekt »Strom als Rohstoff«. Fließt der günstige Überschussstrom in elektrochemische Reaktionen ein, werden Basischemikalien für die industrielle Produktion zugänglich, für die man bislang meist Erdöl einsetzen musste. Zehn Fraunhofer-Institute arbeiten, koordiniert vom Fraunhofer UMSICHT, an neuen elektrochemischen Verfahren und bereiten deren Einkopplung in das deutsche Energiesystem vor. Das Konsortium will Verwertungsketten aufbauen, um Fraunhofer in zehn Jahren als »Vollsortimenter für elektrochemische Forschung und Entwicklung« präsentieren zu können.  

Leistungszentrum Dynaflex

Mit der eher systemischen Fragestellung, wie sich fluktuierende Energiesysteme und kontinuierliche Produktionssysteme koppeln lassen, wird sich das Leistungszentrum Dynaflex befassen. »Produktion ist heute, insbesondere in der chemischen Industrie, auf einen 24 / 7-Betrieb angelegt«, erklärt Professor Görge Deerberg, stellvertretender Institutsleiter. »Künftig werden die Energiepreise stärker schwanken. Darauf müssen Produktionssysteme reagieren können, indem sie sich an- und ausschalten lassen oder im modularen Betrieb laufen können«. Die Kooperation zwischen Fraunhofer UMSICHT und den Universitäten der Metropole Ruhr wird im Leistungszentrum um strategische Industriepartner ergänzt.

Verbundprojekt Carbon2Chem®

Gemeinsam mit der thyssenkrupp AG und dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim koordiniert das Fraunhofer UMSICHT die Entwicklung von Technologien und Systemlösungen zur Gasreinigung, zur Anpassung der katalytischen Herstellung von Methanol und höheren Alkoholen sowie für die Kraftstoffherstellung. Im Verbundprojekt Carbon2Chem® geht es bereits ganz konkret darum, Hüttengase in chemische Grundstoffe umzuwandeln.