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.

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.

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.«

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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.

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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.

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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.

• www.energy-seeds.org

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.

• www.smartregion-pellworm.de 

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.

• www.projekt-eweline.de

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.

• Innovationspreis für Kooperationsprojekt REStable

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.

• www.ibp.fraunhofer.de