Cluster EnergieForschung.NRW

Themen

Der Cluster stellt das komplexe Energieversorgungssystem als Ganzes in den Fokus seiner inter- und transdisziplinären Aktivitäten. Dabei werden neben technologischen und ökonomischen auch die gesellschaftspolitischen Aspekte der Energieforschung (z.B. Akzeptanz und Partizipation) berücksichtigt. Ein besonderer Fokus des Clusters liegt auf folgenden Forschungsfeldern:

Digitalisierung

Die Digitalisierung der Energiewende ist eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Transformation des Energieversorgungssystems. Elektrische Energie wird zunehmend dezentral durch viele kleinere Anlagen erzeugt. Es kommen neue Verbraucher wie z.B. batterieelektrische Fahrzeuge oder Wärmepumpen hinzu. Um das Energiesystem räumlich und zeitlich möglichst flexibel ausgestalten zu können, ist eine Vernetzung der Sektoren Strom, Gas, Wärme und Mobilität erforderlich. Diese zunehmende Komplexität bedeutet insbesondere für die Stromnetze eine besondere Herausforderung, die ohne digitale Plattformen und Technologien nicht beherrschbar ist. Auch die Energiewirtschaft steht vor großen Umbrüchen.

Die Digitalisierung ist deshalb auch in der Energieforschung in NRW ein zentrales Thema. Am E.ON Research Center der RWTH Aachen werden beispielweise wichtige Technologien zur Steuerung und Simulation von elektrischen Netzen entwickelt. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik (FIT) entwickelt u.a. Lösungen für die Simulation und Konzeption lokaler Energiemärkte und den Einsatz von Blockchain-Technologie in Energiesystemen.

Erneuerbare Energien

Das bisher zentral ausgerichtete Energiesystem wandelt sich seit Jahren mehr und mehr in ein von hoher Dezentralität geprägtes System. Den erneuerbaren Energien, insbesondere der Solar- und Windenergie, kommt hier eine Schlüsselrolle zu. Die Gestehungskosten für elektrische Energie aus diesen Energiequellen sind in den letzten Jahren stark gefallen. Ohne Energieforschung wären diese Fortschritte nicht möglich gewesen. NRW gehört in diesem Zusammenhang zu den forschungsstärksten Bundesländern.

Im Bereich Windenergie bündelt das Center for Wind Power Drives (CWD) der RWTH Aachen die F&E-Arbeiten auf dem Gebiet der Antriebstechnik von Windenergieanlagen. Das Herzstück des Zentrums ist ein innovativer 4-Megawatt-Systemprüfstand.
Auch an der Nutzung von Solarenergie wird in NRW geforscht. Ein wichtiges Thema sind hierbei solarthermische Kraftwerke. Das Solarthermische Versuchskraftwerk des DLR in Jülich ist Vorbild und Versuchskraftwerk für zukünftige kommerzielle Kraftwerke im Sonnengürtel der Erde.

In NRW wird zudem intensiv im Bereich der Photovoltaik geforscht. So werden am Forschungszentrum Jülich, an der Universität Duisburg-Essen oder auch an der Universität zu Köln neue Materialien und Zellkonzepte für die Photovoltaik entwickelt.
Eine Vielzahl von Forschungsaktivitäten findet auch im Bereich der Nutzung von Geothermie statt. Ein Beispiel hierfür ist das Geothermiezentrum Bochum.

Flexible Fossile Kraftwerke

Die Energiewende stellt das Energieversorgungssystem vor große Herausforderungen. Der Strommix hat sich in Deutschland in den letzten Jahren bereits stark verändert und der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung beträgt zeitweise schon mehr als 50 Prozent. In einem Energiesystem der Zukunft müssen zum einen diese volatilen Energien integriert und zum anderen die Versorgungsicherheit gewährleistet werden.

Gleichzeitig wurde mit dem Ausstieg aus der Kernenergie und dem sogenannten „Kohleausstiegsgesetz“ ein Paradigmenwechsel im Stromerzeugungssystem eingeleitet.

Dementsprechend ändern sich auch die Anforderungen an konventionelle Kraftwerkskapazitäten. Flexibilität, Effizienz und Umweltverträglichkeit werden zu den entscheidenden Kriterien für den Betrieb von fossilen Kraftwerken auf dem Weg in ein Zeitalter der erneuerbaren Energien. Hierzu bedarf es zum einen innovativer Technologien und zum anderen ökonomisch wie gesellschaftlich vertretbare Geschäftskonzepte. Diese zu entwickeln ist die zentrale Aufgabe der Energieforschung.
So können moderne konventionelle Kraftwerke kurz- bis mittelfristig einen wesentlichen Beitrag zur Umsetzung der Energiewende leisten. Diesen Prozess unterstützt das Cluster EnergieForschung.NRW in vielfältiger Weise, wie z.B. durch die Unterstützung des Vereins Rhein Ruhr Power e.V.

Netze und Speicher

Die zunehmende Dezentralisierung der Energieversorgung und die fluktuierende Einspeisung durch die erneuerbaren Energien erhöht die Anforderungen an die Transport- und Verteilnetze. In NRW wird insbesondere an den Universitäten Aachen, Dortmund und Wuppertal intensiv daran geforscht, unsere Stromnetze für die Zukunft fit zu machen. Das HGÜ-Testzentrum (HGÜ: Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) an der TU Dortmund bietet die notwendige Infrastruktur, um Komponenten und Betriebsmittel für die Anwendung in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung zu entwickeln, zu optimieren und zu verifizieren.

Die Bergische Universität Wuppertal nimmt die Verteilnetze in den Fokus. Hier werden z.B. Komponenten für intelligente Ortsnetzstationen entwickelt. Mit Hilfe dieser intelligenten Technologien können Verteilnetze erstmals überwacht und so besser ausgelastet werden.

Die Speicherung von Strom ist eine Schlüsseltechnologie sowohl für die Energiewende als auch für eine nachhaltige Mobilität. Das Batterieforschungsinstitut MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) an der WWU Münster erforscht u.a. neue Materialien und Prozesse für leistungsfähige Lithium-Ionen-Batteriezellen und gehört zu den führenden Forschungsinstituten weltweit. Intensive Materialforschung betreibt auch das Forschungszentrum Jülich. Das Systemdesign von Batteriespeichern und die Produktionstechnik wird an der RWTH Aachen intensiv bearbeitet.

Sektorenkopplung

Zur Integration von fluktuierenden erneuerbaren Energien müssen neben der Speicherung zukünftig noch weitere Flexibilitätsoptionen - wie z.B. sog. „Power-to-X“ – Technologien (X steht z.B. für Gas, Wärme oder chemische Grundstoffe bzw. Treibstoffe) in das System einfließen. Power-to-X – Technologien haben zudem das Potenzial, die Treibhausgasemissionen gerade in der energieintensiven Industrie deutlich zu mindern. Das Land NRW hat hierzu einen interdisziplinären Forschungsverbund aus sieben Forschungseinrichtungen, das Virtuelle Institut „Strom zu Gas und Wärme“, ins Leben gerufen.

Ein weiterer Leuchtturm ist das Projekt „Carbon2Chem“. Hier entwickeln acht Industrieunternehmen gemeinsam mit der Max-Planck- und der Fraunhofer-Gesellschaft sowie mehreren Universitäten eine Lösung, um die Hüttengase der Hochöfen in Vorprodukte für Kraftstoffe, Kunststoffe oder Dünger umzuwandeln.

Die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoff wird auch am Forschungszentrum Jülich und an der RWTH Aachen intensiv untersucht. Im Forschungsprojekt „Inkubator für Nachhaltige Elektrochemische Wertschöpfung" (iNEW) arbeiten die Einrichtungen zusammen an der Entwicklung von elektrochemischen Verfahren. Zusammen mit dem RWTH-Excellenzcluster „Fuel Science Center“ werden komplett nachhaltige Wertschöpfungsketten von regenerativen Ressourcen zu definierten chemischen Grundstoffen und Treibstoffen entwickelt.

Transformationsforschung

Betrachtet man derzeit das deutsche Energieversorgungssystem so kann konstatiert werden, dass mehr und mehr erneuerbare Energieerzeugungstechnologien wie Windkraft-, Solar- und Biomasseanlagen sowie neue Stromleitungen sich ausbreiten. Dieser Transformationsprozess verändert nicht nur das Landschaftsbild, sondern verdeutlicht gleichzeitig den grundlegenden technischen und gesellschaftlich-ökonomischen Wandel zur Schaffung eines Energieversorgungssystems der Zukunft.

Dieser Transformationsprozess stellt Politik, Wirtschaft und Gesellschaft vor große Herausforderungen. Dies gilt insbesondere für Deutschland als starken Industriestandort. Neben den politischen Maßnahmen zur Umsetzung des Pariser Klimaschutzabkommens sowie der technologischen Energieforschung kann auch die sozio-ökonomische Forschung einen wesentlichen Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende in allen Sektoren leisten.

Der Erfolg der Umgestaltung unseres Energieversorgungssystems wird entscheidend davon abhängen, ob es gelingt, wirtschaftliche, technische, gesellschaftliche und kulturelle Aspekte zu verknüpfen, wie z.B. in Form von Bürgerbeteiligungsverfahren, neuen Governanceansätzen, innovativen Geschäftsmodellen sowie einem interdisziplinär geprägten Systemverständnis.

Diesen Transformationsprozess unterstützt das Cluster EnergieForschung.NRW in vielfältiger Weise, wie z.B. durch die Initiierung des Virtuellen Instituts Transformation – Energiewende NRW.

Wasserstoff und Brennstoffzelle

Auf dem Weg zu einer klimaneutralen Energieversorgung für Industrie und Gesellschaft kommt dem Wasserstoff eine zentrale Rolle zu, da er vielseitig in den verschiedenen Sektoren (Energie, Industrie und Mobilität) eingesetzt werden kann. Unter Nutzung von erneuerbaren Energien lässt sich Mithilfe der Wasserelektrolyse „grüner“ Wasserstoff erzeugen. Die hierfür benötigten kostengünstigen und langlebigen Elektrolyseure und deren Komponenten sind aktueller Gegenstand vieler Forschungsarbeiten, wie etwa im Forschungszentrum Jülich, an der Ruhr-Universität Bochum, der Westfälischen Hochschule oder bei der Fraunhofer-Gesellschaft UMSICHT und auch im industriellen Bereich.

Bei der Rückverstromung des Wasserstoffs erzielen Brennstoffzellensysteme höchste Wirkungsgrade sowohl für die Nutzung im stationären als auch mobilen Bereich. In Nordrhein-Westfalen befassen sich ein Vielzahl von Instituten an Hochschulen und Forschungseinrichtungen mit der Brennstoffzellentechnik z.B. in der Material-, Komponenten-, Systementwicklung sowie geeigneter Produktionstechnologien, wie etwa im Zentrum für BrennstoffzellenTechnik in Duisburg, dem Forschungszentrum Jülich oder der Westfälischen Hochschule.

Dr. Frank-Michael Baumann
Geschäftsführung
EnergieAgentur.NRW
0211 8664211, 0209 1672801
baumann@energieagentur.nrw

Dr. Stefan Rabe
Leiter Themengebiet Energieforschung
Cluster EnergieForschung.NRW

EnergieAgentur.NRW
0211 86642429
0171 7707706
rabe@cef.nrw

Sabine Michelatsch
Stv. Leiterin Kommunikation
EnergieAgentur.NRW
0211 86642248
michelatsch@energieagentur.nrw
XING

Georg Unger M. A., MBA, M. Sc.
Leiter Themengebiet Energieforschung
Cluster EnergieForschung.NRW

EnergieAgentur.NRW
0211 86642430
0171 7707702
unger@cef.nrw

Sie erreichen die EnergieAgentur.NRW außerdem werktags von 8 bis 18 Uhr über die Hotline unter 0211 - 8371930.

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