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Artikel - Energieforschung

Förderschwerpunkte

Einleitung

Quelle: picture alliance/dpa

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Der von der Bundesregierung bis zum Jahr 2050 geplante Umbau der deutschen Energieversorgung auf Basis hoher Effizienz und weitgehender Nutzung erneuerbarer Energien ist nur durch erhebliche technologische Innovationen in nahezu allen Komponenten des Energiesystems erreichbar. Die Energieforschung ist aus diesen Gründen ein strategisches Element der Energie- und Wirtschaftspolitik bei der Gestaltung der Energiewende. Mit der Neuausrichtung der Energiepolitik ergeben sich somit auch neue und weiterführende Prämissen für die Energieforschungspolitik der Bundesregierung insbesondere im anwendungsorientierten Bereich.

Vor diesem Hintergrund bündelt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) seine Maßnahmen in der nichtnuklearen Energieforschung und treibt die systemorientierte Weiterentwicklung des 6. Energieforschungsprogramms voran. Dabei wird die gesamte Energiekette abgebildet, von der Energiebereitstellung und -umwandlung über den Transport und die Verteilung einschließlich Speicherung bis hin zum Energieeinsatz in verschiedenen Sektoren.

Gefördert werden Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu erneuerbaren Energien und zur Energieeffizienz in folgenden Themenbereichen:

Die Energie des Windes lässt sich mittels moderner Windenergieanlagen (WEA) in elektrischen Strom umwandeln. Die am weitesten verbreitete Bauart sind dabei dreiflüglige Windräder mit horizontaler Achse, die die vom Wind hervorgerufene Drehung des Rotors auf einen Generator übertragen, welcher elektrische Energie an das Stromnetz abgibt.

In Deutschland waren Ende 2016 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 49,5 Gigawatt (GW) an Land im Einsatz. Die Windenergienutzung weist auch in den nächsten Jahren weiterhin das mit Abstand größte Ausbaupotenzial unter allen erneuerbaren Energien auf. Während der Ausbau der Windenergienutzung an Land (Onshore) insbesondere durch den Austausch älterer Anlagen an windreichen Standorten durch modernere WEA mit größerer Energieausbeute zu erzielen ist (Repowering), muss bei der Windenergie auf See (Offshore) noch viel Aufbauarbeit geleistet werden. Ein wichtiger Schritt zur Nutzung der Offshore-Windenergie war die Inbetriebnahme von Deutschlands erstem Offshore-Windpark, dem Testfeld Alpha Ventus, dessen Errichtung vom Bundesumweltministerium unterstützt wurde, und an dem im Rahmen der Forschungsinitiative RAVE (Research at Alpha Ventus) vielfältige Forschungsprojekte zu zentralen Fragen der Offshore-Windenergieentwicklung durchgeführt werden. Inzwischen ist der Ausbau der Offshore-Anbindungen weiter vorangeschritten. Ende 2016 waren in Deutschland Offshore-Windenergieanlagen mit einer Leistung von insgesamt 4,1 GW am Netz. Das EEG-Ausbauziel von 6,5 GW Windenergie-Leistung auf See bis 2020 ist damit in greifbare Nähe gerückt.

Die Forschungsförderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat im Bereich der Windenergie Kostensenkungen, Ertragssteigerungen sowie einen zuverlässigen Betrieb der Windenergieanlagen zum Ziel (siehe Förderbekanntmachung zum 6. Energieforschungsprogramm (PDF: 1.12 MB)). Von entscheidender Bedeutung für den weiteren Ausbau der Windenergie ist die Integration des erzeugten Stroms in die öffentlichen Versorgungsnetze. Forschungsrelevant sind daher auch Fragen der Netzanbindung von Offshore-Windparks, des Last- und Erzeugungsmanagements und von windenergiespezifischen Aspekten der Speicherung sowie der Verbesserung von Windprognosen. Um den Ausbau der Windenergie umwelt- und naturverträglich zu gestalten, spielt auch die ökologische Begleitforschung eine Rolle.

Unter anderem durch die Unterstützung von Großtestständen für Rotorblätter, Gondeln und Tragstrukturen, aber auch durch die Forschungsplattformen auf See und den Forschungswindpark Alpha Ventus, steht der Windenergieindustrie und den Forschungsinstituten in Deutschland eine ausgezeichnete Forschungsinfrastruktur zur Verfügung.

Pressemitteilung

  • 27.04.2018 - Pressemitteilung - Erneuerbare Energien

    Pressemitteilung: Staatssekretär Bareiß zu den Ergebnissen der zweiten Ausschreibung für Offshore-Windparks

    Öffnet Einzelsicht
  • 29.05.2017 - Pressemitteilung - Industrie 4.0

    Pressemitteilung: Parlamentarischer Staatssekretär Beckmeyer: „Die Windindustrie hat sich zum Leistungsträger der Energiewirtschaft entwickelt“

    Öffnet Einzelsicht

Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen. Zur Anwendung kommen verschiedene Technologien und Werkstoffe, wobei die kristalline Silizium-Solarzelle derzeit am weitesten verbreitet ist.

Nach wie vor besitzen deutsche Unternehmen ein großes Know-how in der Produktion von Solarzellen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert deshalb Forschungsprojekte, die der Erhaltung der technologischen Führerschaft dienen. Aber auch der weitere Ausbau der Solarenergienutzung in Deutschland ist ein Ziel der Forschungsförderung.

In der Photovoltaik konnten bereits deutliche Kostensenkungen durch die Forschungsförderung und durch die Anwendungsunterstützung über die Vergütung des eingespeisten Stroms auf der Grundlage des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) erreicht werden. Um diese Entwicklung weiter voranzubringen und das bestehende Ausbaupotenzial wirtschaftlich und effizient zu realisieren, sind die Wirkungsgrade und die Lebensdauer der photovoltaischen Systeme zu verbessern und weitere, deutliche Kostensenkungen zu erreichen. Die Forschungsförderung kann einen wichtigen Beitrag leisten, um

  • die Wirkungsgrade weiter zu erhöhen, insbesondere die Lücke zwischen den im Labor erzielten und in der Produktion erreichten Wirkungsgraden zu schließen,
  • die Kosten durch effizientere Produktionsverfahren und den Einsatz neuer Prozessschritte weiter zu senken,
  • den Materialeinsatz durch Effizienzmaßnahmen sowie den Einsatz neuer Materialien und Materialkombinationen zu reduzieren und
  • die Lebensdauer aller Komponenten weiter zu erhöhen.

Gefördert werden vorwiegend die anwendungsorientierte Forschung und die vorwettbewerbliche Forschung, auf deren Ergebnisse möglichst viele deutsche Unternehmen Zugriff haben (siehe Förderbekanntmachung zum 6. Energieforschungsprogramm (PDF: 1.12 MB)). Dabei werden Forschungsaufgaben in den Bereichen Siliziumwafertechnologie, Dünnschichtsolarzellen, Systemtechnik, alternative Solarzellenkonzepte und neue Forschungsansätze sowie übergreifende Fragestellungen gesehen.

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Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert die Nutzung von Erdwärme für Nutzwärme oder zur Stromgewinnung. Bei dieser so genannten tiefen Geothermie wird Erdwärme aus geothermischen Reservoiren in Tiefen ab 400 Metern genutzt, die mittels Bohrungen erschlossen werden. Bei der hydrothermalen Geothermie wird vorwiegend die Energie des im Untergrund enthaltenen warmen bis heißen Wassers genutzt, bei der petrothermalen Geothermie die im Gestein gespeicherte Energie.

Bei der Geothermie handelt es sich um eine Energiequelle, die im Gegensatz zu den nur fluktuierend zur Verfügung stehenden Wind- und Sonnenenergie kontinuierlich genutzt werden kann. Sie kann deshalb in einem regenerativen Energiemix der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Insgesamt hat geothermische Energienutzung ein signifikantes Potenzial, mit dem sich der Energiebedarf Deutschlands theoretisch um ein Vielfaches decken ließe. Derzeit ist die Stromerzeugung mittel tiefer Geothermie allerdings noch teurer als vergleichbare regenerative Energiequellen. Daher unterstützt das BMWi Forschungsprojekte mit dem Ziel, die Nutzung der Geothermie verlässlicher zu machen und die Kosten zu senken (siehe Förderbekanntmachung zum 6. Energieforschungsprogramm (PDF: 1.12 MB)).

Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschungsförderung des BMWi ist es, die Erkundungsmethoden weiterzuentwickeln, um geeignete Standorte auswählen zu können. Vor dem Hintergrund hoher Kosten für die Bohrung muss das Risiko, auf kein geeignetes Wasserreservoir beziehungsweise ausreichend heißes Gestein zu stoßen, minimiert werden. Ein verringertes Fündigkeitsrisiko würde die Technologie dann auch für Investoren attraktiver machen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist es, die Akzeptanz für Geothermieprojekte zu erhöhen. Durch eine verbesserte Information der Bevölkerung über die zur Anwendung kommenden Technologien und den Nutzen dieser Energieform können die Voraussetzungen für den Start weiterer Projekte gelegt werden. Vor allem aber müssen die Kosten für Projekte weiter sinken, um die Technologie in Zukunft wirklich wirtschaftlich einsetzen zu können. Dazu trägt die Technologieentwicklung in allen verschiedenen Projektphasen bei: in der Planungs- und Explorationsphase, in der Bohr-/Errichtungs-/Bauphase sowie in der Test- und Betriebsphase.

In solarthermischen Kraftwerken wird die Sonnenstrahlung zur Stromerzeugung in einem ansonsten konventionellen Kraftwerksprozess genutzt. Spiegel konzentrieren das Sonnenlicht auf einen Strahlungsempfänger und erhitzen ein Wärmeträgermedium, derzeit meist Thermoöl. Diese Energie wird über eine Turbine in Strom umgewandelt. In trockenen und heißen Zonen mit einem hohen Anteil an direkter Strahlung sind solarthermische Kraftwerke eine effiziente Technik, um Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln.

Solarthermische Kraftwerke werden mittlerweile in erheblichen Stückzahlen kommerziell gebaut und betrieben. Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht weiterhin, um Bau und Betrieb der Kraftwerke kostengünstiger zu gestalten und damit die Stromgestehungskosten deutlich reduzieren zu können. Aktuell ist Strom aus solarthermischen Kraftwerken noch drei- bis viermal so teuer wie Strom aus fossilen Kraftwerken. Schreitet die Markteinführung weiter voran (Skaleneffekte) und wird weitere effiziente Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet, könnten sich die Stromgestehungskosten laut einer Studie des EASAC von November 2011 in den kommenden 10 bis 15 Jahren um 50 bis 60 % reduzieren.

Das deutsche Klima ist wegen fehlender direkter Sonnenstrahlung nicht für den kommerziellen Betrieb solarthermischer Kraftwerke geeignet. Deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen sind jedoch auf diesem Gebiet technologisch weltweit führend, das heißt die Technologie bietet ein hohes Exportpotenzial. Die in Deutschland entwickelten Schlüsselkomponenten werden zu großen Anteilen in solarthermischen Kraftwerken weltweit eingesetzt.

Die Förderung von Forschung und Entwicklung im Bereich solarthermische Kraftwerke soll aktuell vor allem dazu beitragen, die Technologie durch Kostenreduktion, Effizienzsteigerung und zuverlässigen Betrieb konkurrenzfähig zu gestalten und somit weiter am Markt zu etablieren (siehe Förderbekanntmachung zum 6. Energieforschungsprogramm (PDF: 1.12 MB)). Dabei soll vor allem der Vorteil der bedarfsorientierten Stromerzeugung weiter ausgebaut und nutzbar gemacht werden.

Für die Stromproduktion aus Wasserkraft wird die natürliche Fließbewegung des Wassers - in erster Linie von Flüssen bzw. Stauseen - genutzt. Im Bereich der Meere lassen sich sowohl der Tidenhub (das periodische Fallen und Steigen des Meeresspiegels) als auch der Energiegehalt von Strömung und Wellen für die Stromerzeugung einsetzen.

Der Vorteil von Wasserkraft und Meeresenergie gegenüber der Windenergie und Photovoltaik besteht darin, dass die Energie zeitlich recht konstant bereitgestellt bzw. zuverlässig vorausgesagt werden kann. Bei der Wasserkraft handelt es sich um eine bewährte Energiequelle, die allerdings in Deutschland an weitgehend allen geeigneten Standorten bereits zum Einsatz kommt. Die Nutzung der Meeresenergie dagegen befindet sich weltweit noch im Demonstrationsstadium und ist nicht für die Anwendung in Deutschland geeignet.

Die Forschungsförderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt bei gegebener ökologischer Eignung der Technologien Forschungsprojekte zur Stromerzeugung aus Wasserkraft und Meeresenergie (siehe Förderbekanntmachung zum 6. Energieforschungsprogramm (PDF: 1.12 MB)).

Energiewirtschaftliche Ausgangslage

Die fossilen Energieträger Kohle, Öl und Gas bilden die tragende Säule der Strom- und Energieversorgung in Deutschland und weltweit. Was ihre zukünftige Rolle für die Stromerzeugung angeht, muss zwischen den Zielvorstellungen in Deutschland und den Prognosen zur globalen Entwicklung unterschieden werden.

Nach Prognosen der Internationalen Energieagentur (IEA) wird die weltweite Stromerzeugung aus Kohle, Öl und Gas bis zum Jahr 2035 um bis zu 86 % zunehmen und dann, je nach zugrunde gelegtem Szenario, einen Anteil zwischen 54 % und 67 % erreichen.

In Deutschland stellt sich ein anderes Bild dar. Der Anteil von fossilen Energieträgern an der Gesamtstromerzeugung beträgt 57 % (Stand 2013). Mit Blick auf das Jahr 2050 wird angestrebt, den Stromverbrauch gegenüber 2008 absolut um 25 % zu reduzieren und den Bruttostromverbrauch zu maximal 20 % aus fossilen Energieträgern zu decken. Dazu sind erhebliche Anstrengungen zur Energieeinsparung notwendig.  

Technologieentwicklung und Förderstruktur

Der Förderbereich "Kraftwerkstechnik und CCS-Technologien" kann auf bestehende Förderstrukturen und Strategien der Bundesregierung aufbauen. Im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsinitiative COORETEC (COORETEC: CO2-Reduktions-Technologien) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie wurde eine umfangreiche und langfristig angelegte Entwicklungsstrategie für zukunftsfähige Kraftwerke gemeinsam mit Akteuren aus Wirtschaft und Wissenschaft entwickelt. Die einzelnen Arbeitsgruppen bearbeiten unter anderem folgende Forschungsziele:

  • Systemintegration von Kraftwerksprozessen optimieren,
  • Flexibilität von Kraftwerksprozessen erhöhen,
  • Effizienz erhöhen,
  • Emissionen reduzieren,
  • neue technologische Optionen erschließen.

Neben den vier COORETEC-Arbeitsgruppen, deren Fokus auf der Entwicklung und Optimierung der entsprechenden Prozesse liegt, gibt es als thematischen Verbund die "AG Turbo", die sich der Komponentenentwicklung im Bereich der Turbomaschinen widmet. Die "AG Turbo" als Verbund aus Herstellerfirmen von Turbomaschinen, Universitäten und Forschungseinrichtungen setzt die erfolgreichen Arbeiten der letzten Jahre fort.

Strategisch wichtige Förderbereiche

Die künftigen Maßnahmen des Förderschwerpunktes "Kraftwerkstechnik und CCS-Technologien" orientieren sich an Empfehlungen von Experten unter Einbeziehung des COORETEC-Beirates. Sie werden sich auf folgende Schwerpunkte konzentrieren:

  • Dampfkraftwerke: Materialforschung und Entwicklung von Füge- und Fertigungstechniken für Dampftemperaturen von 700 °C und Drücken bis 350 bar; Qualifizierung neuer Materialien in Langzeitversuchen, die 30.000 Stunden und mehr umfassen; verbessertes Verständnis von Mikrostruktur und Langzeitstabilität; Modelle zur Optimierung von Lebensdauern und Wartungsstrategien; neue Prüfverfahren für dickwandige Bauteile; brennstoffflexible Verbrennungssysteme.
  • Gasturbinen- und Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD): Effiziente Kühlkonzepte und neuartige Wärmedämmschichten (z. B. nanostrukturierte Wärmedämmschichten) zur Realisierung von Turbineneintrittstemperaturen von über 1.500 °C; Entwicklung und Validierung von Simulationsmodellen zur Optimierung des Zusammenspiels von Kühltechnik und Materialentwicklung; aerothermodynamische Optimierung von Verdichtern und Turbinen unter Einbeziehung modernster numerischer Verfahren und deren experimentelle Validierung; Erweiterung des Brennstoffbandes (insbesondere für wasserstoffreiche Gase mit Blick auf eine Kopplung mit chemischen Speichern).
  • CO2-Abscheidung: Technologieoffene Erforschung der verschiedenen CCS-Technologien; "Post-Combustion" und "Oxyfuel" aus heutiger Sicht im Pilot- und Demonstrationsmaßstab mit den größten Erfolgsaussichten; Einbeziehung von "Carbonate Looping", "Chemical Looping" oder membranbasierten Verfahren sowie umwelt- und sicherheitsrelevanter Aspekte unterschiedlicher Abscheidetechniken.
  • CO2-Transport und -Speicherung: Speicherung in unterschiedlichen geologischen Formationen; Informationssysteme für CO2-Speicher und Deckgesteine, Sicherheitskonzepte inklusive Langzeitsicherheit, großräumige Überwachung/Monitoring-Verfahren; Risikoanalysen; Simulation zur Ausbreitung des CO2 im Untergrund; Untersuchungen des Langzeitverhaltens von CO2 im Untergrund; Auswirkungen von abscheidungsbedingten Zusatzstoffen im CO2-Strom auf Pipelines und Speicher (z. B. Korrosion, Carbonatbildung).
  • Konzeptuntersuchungen zur Regelung und zum Lastmanagement von Kraftwerken: Dynamische Simulationen eines Energieversorgungssystems mit hohem Anteil erneuerbarer Energien; Auswirkungen auf die Lastflexibilität von Anlagen und Komponenten; Kopplung mit Materialermüdung und Untersuchungen zu Lebensdauern.

Beispielprojekte

Beispielprojekte finden sie hier.

Energiewirtschaftliche Ausgangslage

In der Energieversorgung gilt es mit Blick auf das im Energiekonzept festgelegte Ziel der Reduzierung des Primärenergieverbrauchs, auch zunehmend die Stromerzeugung mit der Nutzung der in der Regel gleichzeitig anfallenden Wärme durch Kraft-Wärme-Kopplung zu verbinden. Für den Einsatz der Brennstoffzelle im Vergleich zu anderen Technologien spricht hier deren hoher elektrischer Wirkungsgrad beziehungsweise die hohe Stromkennziffer.
Die Brennstoffzelle wird sowohl für die dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung als auch als Antriebsaggregat für Kraftfahrzeuge bei mobilen Anwendungen seit vielen Jahren in Deutschland entwickelt. Im Vergleich zu thermischen Prozessen zeichnet sich die Brennstoffzelle durch einen grundsätzlich höheren Wirkungsgrad aus. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass der Wirkungsgrad auch in Teillast und in kleinen Einheiten auf hohem Niveau bleibt.

Stationäre Brennstoffzellen werden in der Regel zur Kraft-Wärme-(Kälte-)Kopplung eingesetzt und sind mittlerweile als Hausenergieanlagen im Leistungsbereich von etwa 1 kWel und in Industrieanwendungen in einer Leistungsklasse von mehreren hundert kW im Feldtest. Als Brennstoff wird auf ein breites Spektrum von Primärenergieträgern (Erdgas, Biogas, Klärgas etc.) zurückgegriffen.
In der mobilen Anwendung im Fahrzeug wird der elektrische Antrieb über eine Brennstoffzelle mit Strom versorgt, die mit Wasserstoff als Sekundärenergieträger betrieben wird. Der Brennstoffzellenantrieb bietet dabei den Vorteil, die hohe Abhängigkeit der Mobilität vom Erdöl zu reduzieren, da der Wasserstoff aus einer Vielzahl von Primärenergieträgern gewonnen werden kann.

Durch die in der Vergangenheit geförderten Maßnahmen haben deutsche Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen in den Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologien eine internationale Spitzenstellung erreicht. Um diese Position zu erhalten beziehungsweise weiter auszubauen, sind auch künftig intensive Forschungs- und Entwicklungsmaßnahmen notwendig.

Technologieentwicklung und Förderstruktur

Die BMWi-Förderung von Forschung und Entwicklung der Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologien ist eingebunden in das 2006 gestartete "Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien" (NIP). Das Programm wird im Zeitraum 2016 bis 2025 als Regierungsprogramm NIP2 fortgesetzt. Mit NIP2 baut die Bundesregierung auf der erreichten Technologiereife und Marktverfügbarkeit erster Gerätegenerationen auf. Für die nunmehr anstehende Markteinführungsphase soll sichergestellt werden, dass die nationalen Aktivitäten von Wissenschaft, Industrie und der öffentlichen Hand weiterhin unter einem gemeinsamen programmatischen Dach stattfinden. Ziel ist, die Innovationen im Technologiefeld Wasserstoff und Brennstoffzellen, die noch keine Marktfähigkeit erreicht haben, weiter zu entwickeln, die entsprechenden Infrastrukturen aufzubauen und die Technologien, die an der Schwelle zum Markeintritt stehen, durch geeignete Instrumente und Maßnahmen beim Markteintritt zu unterstützen.

Das BMWi unterstützt diese Ziele unter anderem im Energieforschungsprogramm durch Förderung von Forschung und Entwicklung als Grundlage für spätere Anwendungen in den Bereichen Verkehr Wasserstoffproduktion, Hausenergieversorgung sowie Industrieanwendungen, speziellen Märkten für Brennstoffzellen und Querschnittsaufgaben.

Weiterführende Informationen

  • 10.04.2018 - Pressemitteilung - Strommarkt der Zukunft

    Pressemitteilung: Staatssekretär Bareiß begrüßt Start der Ausschreibungsrunde für KWK-Anlagen und innovative KWK-Systeme

    Öffnet Einzelsicht
  • 30.06.2017 - Pressemitteilung - Energieeffizienz

    Pressemitteilung: BMWi setzt auf Innovationen im Wärmemarkt: Die Brennstoffzellenförderung wird erweitert und Wärmenetze der 4. Generation besonders gefördert

    Öffnet Einzelsicht

Energiewirtschaftliche Ausgangslage

Die sich in Zukunft abzeichnenden Änderungen in der Erzeugungsstruktur für elektrische Energie erfordern mittel- bis langfristig einen steigenden Bedarf an Speicherkapazitäten. Heute bereits wirtschaftlich verfügbar ist die Pumpspeichertechnologie. Alternative Technologien, wie z. B. hocheffiziente Druckluftspeicher, stehen erst am Anfang der Entwicklung.

Elektrochemische Speicher auf Lithiumbasis werden z. Z. als zukunftsweisende Technologieoption für den Einsatz in teil- oder vollelektrisch betriebenen Fahrzeugen eingestuft. Entsprechend den Zielen der "Nationalen Plattform Elektromobilität" strebt die Bundesregierung für das Jahr 2020 den Bestand von einer Million Elektrofahrzeugen an. Das BMWi hat dazu den Förderschwerpunkt "Energiewirtschaftliche Schlüsselelemente der Elektromobilität" aufgelegt. Langfristig wird den elektrochemischen Speichern auch eine Option zur Regelung der Stromnetze eingeräumt. Heute verfügbare elektrochemische Speicher weisen nicht die für beide Einsatzfälle erforderlichen technischen und wirtschaftlichen Bedingungen auf.

Thermische Speicher finden in den Bereichen Energieumwandlung, Energieversorgung und in allen Sektoren des Endverbrauches ihren Einsatz. Sie stellen ein wichtiges Element für die weitere Steigerung der Energieeffizienz dar und leisten einen wesentlichen Beitrag bei der Optimierung von Energieversorgungssystemen (Kraft-Wärme-Kopplungs-Systeme).

Stoffliche Speicher, beispielsweise Wasserstoff, werden durch die zu erwartende Verknappung und damit einhergehende Verteuerung von Primärenergieträgern als Alternative zu herkömmlichen Brenn- und Kraftstoffen zunehmend interessant.

Technologieentwicklung und Förderstruktur

Bis vor einigen Jahren stand die Forschungsförderung für Energiespeicher nicht im Fokus des Energieforschungsprogramms, was u. a. daran lag, dass der Bedarf an Stromspeichern zur Regelung der Netze vergleichsweise gering war und bei elektrochemischen Speichern keine wesentlichen Durchbrüche zu beobachten waren.

Die Situation hat sich in den letzten Jahren drastisch geändert. Der Bedarf an Speichern in den Stromnetzen wird künftig enorm zunehmen und neue Lithium-Ionen-Techniken versprechen aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energie- und Leistungsdichte den Einsatz in der Elektromobilität.

Energiespeicher umfassen ein breites Technologie- und Anwendungsspektrum und die technologischen Entwicklungen weisen eine hohe Heterogenität auf. Aus diesem Grund werden wesentliche Anteile der Aktivitäten zur Entwicklung von stationären Energiespeichern im Rahmen einer gemeinsam von den Bundesministerien für Wirtschaft und Energie (BMWi) und für Bildung und Forschung (BMBF) initiierten "Forschungsinitiative Energiespeicher" durchgeführt.

Strategisch wichtige Förderbereiche

In der ressortübergreifenden Förderinitiative zu stationären Speichern sind Themen in folgenden Bereichen Gegenstand der Förderung:

  • elektrische Speiche (Batterien, Druckluftspeicher, virtuelle Speicher, Kondensatoren, Schwungrad- sowie Pumpspeicher),
  • stoffliche Speicher (Umwandlung flexibler Strommengen in Wasserstoff und Methan, geologische Speicherung, effiziente Rückverstromung stofflicher Speicher),
  • thermische Speicher (Materialien und Konstruktionsprinzipien, Konzepte für solarthermische Kraftwerke, für Gebäudeversorgung, Integration in Wärmenetze),
  • übergeordnete Themen (Management verteilter Speicher, Herstellungsverfahren, systemanalytische Untersuchungen und Akzeptanz von Speichern).

Die Aktivitäten des BMWi konzentrieren sich darüber hinaus im Wesentlichen auf die mobilen Anwendungen, die durch die vorgenannte gemeinsame Förderinitiative nicht abgedeckt sind:

  • elektrische Speicher mit Schwerpunkten auf der Weiterentwicklung der Lithium-Technologie,
  • stoffliche Speicher, insbesondere bei der Nutzung von Wasserstoff,
  • thermische Speicher mit Blick auf Effizienz, Verfügbarkeit und Kosten bei der Anwendung in Kraftwerksanlagen, industriellen Prozessen und im Gebäudebereich.

Beispielprojekte

Beispielprojekte finden sich auf den Seiten des Webportals der Forschungsinitiative Energiespeicher.

Publikation

Weiterführende Informationen

  • Artikel - Energieforschung

    40 Jahre Energieforschung: Forschen für die Energiewende

    Öffnet Einzelsicht

Newsletter "Energiewende direkt"

Energiewirtschaftliche Ausgangslage

Technologien zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie zeichnen sich durch hohe Investitionskosten und lange Amortisationszeiten aus. In den nächsten Jahrzehnten wird sich die Struktur der elektrischen Energieversorgung stark verändern. Der kontinuierliche Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere im Bereich Offshore-Wind, führt zu einer weitgehenden geographischen Entkopplung der Stromerzeugung von den Stromverbrauchern.

Gleichzeitig setzt sich durch den zunehmenden Einsatz zum Beispiel von Photovoltaik- und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen die Tendenz zur Dezentralisierung der Stromerzeugung fort. Darüber hinaus wird sich durch die geographische Lage in Europa der Transit von elektrischer Energie durch Deutschland in den nächsten Jahren signifikant erhöhen. Für eine sichere, verlässliche und bezahlbare Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie sind daher neue Technologien und Lösungen notwendig, die zügig entwickelt und in die Anwendung überführt werden müssen.

Um die gewohnte Versorgungssicherheit in der Energieversorgung auch zukünftig zuverlässig zu gewährleisten, muss das Energieversorgungssystem an einen steigenden Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien angepasst werden. Die Bandbreite der erforderlichen technologischen Entwicklungen im Bereich der Stromnetze wird damit zusätzlich erweitert. Ein intelligentes Lastmanagement ist ein wichtiger Lösungsbestandteil bei der Integration fluktuierender Energiequellen. Hierbei wird Strom gezielt dann verbraucht, wenn gerade viel elektrische Leistung zur Verfügung steht, beispielsweise in Starkwindzeiten.

Die bisher passiv gestalteten Verteilnetze müssen entsprechend zu flexiblen und aktiven Netzen, weiterentwickelt werden, die für hohe Anteile erneuerbarer Energien ausgelegt sind. Auch Systemdienstleistungen zur Sicherstellung der Netzqualität müssen zukünftig dezentral durch erneuerbare Energien erbracht werden. Hierfür muss von Grund auf umgedacht werden. Neben der Weiterentwicklung und der Umgestaltung der Energienetze spielen Speicher perspektivisch eine wichtige Rolle zum Ausgleich kurz- und langfristiger Schwankungen in Energiebereitstellung und -bedarf.

Technologieentwicklung und Förderstruktur

Forschung und Entwicklung von neuen Technologien zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie wurden seit 1980 bis vor wenigen Jahren kaum staatlich unterstützt. Dies lag darin begründet, dass die wirtschaftlichen und technologischen Risiken im Vergleich zu den Stromerzeugungstechnologien gering waren und dadurch kein Bundesinteresse für die Förderung zu diesem Zeitpunkt mehr gegeben war. Die Liberalisierung der Energiewirtschaft, die im Wesentlichen erfolgte Trennung von Stromerzeugung und Stromübertragung bzw. -verteilung sowie die Zunahme der fluktuierenden Netzeinspeisung aus erneuerbaren Energiequellen führten zu einer Neubewertung der mit dem Einsatz neuer Technologien und Lösungen einhergehenden Entwicklungsrisiken. Die Bundesregierung setzt deshalb die notwendigen Rahmenbedingungen, um mit einer Unterstützung von Forschung, Entwicklung und Demonstration solche Entwicklungsrisiken abzufedern und Innovationen zu beschleunigen.

Bereits 2007 wurde das Förderprogramm "E-Energy" gestartet. Hierzu richteten das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) gemeinsam mit der deutschen Wirtschaft sechs Modellregionen ein, in denen zwischen 2008 und 2013 Schlüsseltechnologien und Geschäftsmodelle für den Aufbau von intelligenten Stromnetzen, sog. Smart Grids, erforscht, entwickelt und erprobt wurden. Der Abschlussbericht zum Technologieprogramm E-Energy zeigt auf, dass mit dem verstärkten Einsatz von IKT in der Energiewirtschaft neue Märkte und Geschäftsmodelle für Unternehmen entstehen können, zum Beispiel bei der Direktvermarktung der erzeugten Energie aus vielen kleinen Anlagen oder bei der Vermarktung von Flexibilitäten im Energieverbrauch.

Das im Jahr 2010 veröffentlichte Förderkonzept "Netze für die Stromversorgung der Zukunft" des BMWi, das im 6. Energieforschungsprogramm weiter geführt wird, umfasste das Gesamtsystem von der Netzeinspeisung über die Übertragung und Verteilung bis hin zur Nutzung der elektrischen Energie. Dabei ist das Zusammenwirken mit den anderen Förderschwerpunkten des Energieforschungsprogramms wichtig.

Im Januar 2013 hat das BMWi gemeinsam mit dem BMUB und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eine Förderinitiative "Zukunftsfähige Stromnetze" im Rahmen des Energieforschungsprogramms gestartet. In dieser Initiative wurden insgesamt 306 Vorhaben ausgewählt, wovon 242 mit über 100 Millionen Euro von BMWi gefördert werden. Damit wurden zusätzlich Aspekte der Grundlagenforschung, der Aus- und Weiterbildung von jungen Wissenschaftlern und Ingenieuren sowie netzspezifische Anforderungen von Photovoltaik- und Windkraftanlagen adressiert.

Über den Verlauf der Forschungsprojekte der Verbünde wird auf dem gemeinsamen Internetportal des Bundeswirtschaftsministeriums und des Bundesbildungsministeriums forschung-stromnetze.info seit Januar 2015 regelmäßig und ausführlich berichtet.

Das Forschungsnetzwerk Stromnetze wurde im Mai 2015 ins Leben gerufen und wird zu Beginn des Jahres 2017 neu strukturiert, um den Aufgaben der Zusammenarbeit und des Austauschs der Forschungsakteure gerecht zu werden. Ziele der Forschungsnetzwerke sind unter anderem die Erhöhung der Transparenz der Forschungsaktivitäten sowie die Beförderung der Qualitätssicherung.

Strategisch wichtige Förderbereiche

Der Förderschwerpunkt "Netze für die Stromversorgung der Zukunft" umfasst ein breites Themenspektrum. Folgende Felder von Forschung und Entwicklung sind von besonderer Bedeutung:

  • Komponenten und Betriebsmittel für Übertragungs- und Verteilernetze,
  • Netzbetriebsführung, Modellbildung, Design und Überwachung,
  • Demonstrationsmaßnahmen,
  • Netzplanung, Systemverhalten und Systemsicherheit.

Das BMWi fördert zudem insbesondere Forschungsprojekte, die zum Ziel haben, das Energieversorgungssystem optimal auf einen Hauptanteil erneuerbarer Energien auszurichten.

Im Frühjahr 2015 veröffentlichte das BMWi aufgrund des großen identifizierten Forschungsbedarfs zusätzlich einen befristeten Förderaufruf zum Thema „Leistungselektronik“. Dieses Angebot zur gezielten Forschungsförderung wurde sehr gut angenommen und es wurden 16 Vorhaben ausgewählt.

Weitere Themenbereiche

Forschung und Innovation im Netzbereich werden in  der Plattform "Energienetze" des BMWi thematisiert. Wichtige Akteure aus der Energiewirtschaft und der Wissenschaft informieren über eigene Aktivitäten und diskutieren neue technologische Optionen. Dieser Dialog gibt Anstöße zur Weiterentwicklung der Energieforschungspolitik in diesem Bereich. Darüber hinaus wird erörtert, wie Rahmenbedingungen Innovationsprozesse beschleunigen können und neue Technologien möglichst zügig in marktfähige Produkte entwickelt werden können.

Buildings and neighbourhoods play a key role for the energy transition as the building sector offers enormous potential to save energy and meet the remaining demand in an efficient way by using renewable energy: in Germany, residential and non-residential buildings account for about one third of total energy consumption and CO2 emissions. The Federal Government's Energy Efficiency Strategy for Buildings aims to render the building stock virtually climate-neutral by 2050 and to reduce energy demand by around 80% compared with 2008.

Research and development are making a considerable contribution to reaching these targets: they harness efficiency potentials in buildings and neighbourhoods, develop technical solutions, and do research on and test technologies in demonstration projects that are scientifically evaluated. Apart from looking at individual technologies, the focus is on connecting different innovations in a smart and efficient manner, and on speeding up the transfer of research findings from the lab to the market.

For more information about the areas in which the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy is funding research and development projects, please click here.

Energiewirtschaftliche Ausgangslage

Etwa 44 Prozent der in Deutschland verbrauchten Endenergie entfallen auf die Sektoren Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen. Rund zwei Drittel dieser Endenergie werden hier in Form von Wärme benötigt. Mechanische Energie, etwa zum Betrieb von Motoren oder Maschinen, sorgt für circa ein Viertel des Verbrauchs; Raumwärme hat nur einen kleinen Anteil. Wichtigster Energieträger der Industrie ist Gas mit einem Anteil von gut 27 Prozent, vor Strom mit 21 Prozent und Mineralöl mit 20 Prozent. Erneuerbare Energien spielen mit etwa 3 Prozent bisher nur eine untergeordnete Rolle.

Um den Primärenergieverbrauch in Deutschland nachhaltig zu senken, müssen auch in Industrie und Gewerbe ungenutzte Potenziale identifiziert, bemessen sowie energieeffiziente Technologien entwickelt werden. Energieeffizienz und die intensivere Nutzung erneuerbarer Energien nehmen für den Industriesektor eine Schlüsselrolle bei der Energiewende ein.

Strategisch wichtige Förderbereiche

Die Entwicklungen zur energetischen Optimierung einzelner Maschinen und Prozesse sind mittlerweile an vielen Stellen nahezu ausgereizt. Deshalb stehen nun auch gesamte Prozessketten in Herstellungsverfahren und das energetische Zusammenspiel vom Rohstoff bis zum fertigen Produkt im Fokus der Forschungsförderung. Die Fördermaßnahmen konzentrieren sich auf vier Schwerpunkte:

  • Reduktion des Energieeinsatzes im Prozess durch Entwicklung und Einsatz neuer Verfahren und Materialien in energieintensiven Industriebranchen,
  • Optimierung bestehender Prozesse durch Adaption von Prozessparametern, Substitution von Betriebsstoffen, Einsatz neuer oder verbesserter Komponenten und durch Reorganisation,
  • effizienter Umgang mit elektrischer Energie auf der Verbraucherseite, aber auch bei der dezentralen Erzeugung,
  • Querschnittsfragen zum effizienten Einsatz von Strom und Abwärme sowie prozessübergreifendes Energiemanagement.

Im aktuellen Förderkonzept werden die zur Verfügung stehenden Förderinstrumente näher erläutert. Zur weiter bestehenden Förderung in Einzelprojekten, Verbundprojekten und thematischen Verbünden tritt das Instrument des Forschungsfelds hinzu: Ein Forschungsfeld bündelt die Förderaktivitäten über mehrere Jahre und dient einem abgestimmten und effizienten Vorgehen in strategischen Schlüsseltechnologien. Diese sieben Forschungsfelder sind in das BMWi-Forschungsnetzwerk Industrie und Gewerbe eingebunden:

  • Chemische Verfahrenstechnik
  • Hochtemperatur-Supraleitung
  • Tribologie
  • Fertigungstechnik
  • Abwärmenutzung
  • Gas- und Industriemotoren
  • Eisen und Stahl

Weiterführende Informationen

Batterien sind das entscheidende Element für den Erfolg des elektrifizierten Antriebsstrangs. Für einen breiten mobilen Einsatz müssen Batterien noch leistungsfähiger, langlebiger, sicherer und kostengünstiger werden. Stationär eingesetzte Batterien können auch Beiträge zur Integration erneuerbarer Energien in das Gesamtsystem leisten.

Die abrufbaren Kenndaten eines Batteriesystems ergeben sich im Zusammenspiel der Batteriezellen mit einem Batteriemanagementsystem. Erhebliche Anteile der Wertschöpfung liegen bereits im Aufbau der Batteriezelle. Ziel der Forschungsförderung ist es zunächst, durch verbesserte Materialien, Komponenten und weiterentwickelte Fertigungsmethoden die wissenschaftlichen Grundlagen für Batteriezellen made in Germany zu schaffen. Optimierte Leistungselektronik im Batteriemanagementsystem trägt in einem weiteren Schritt dazu bei, die eingesetzten Zellen optimal in die konkrete Anwendung einzubeziehen und hinsichtlich Energiemenge, Ladedauer oder Alterung den Anforderungen ohne Einbußen an die Sicherheit anzupassen.

Die fortlaufende Weiterentwicklung der Energieforschungspolitik mit Blick auf die sich ändernden Rahmenbedingungen erfordert umfangreiches und detailliertes Orientierungswissen. Vor diesem Hintergrund werden Forschungsvorhaben gefördert, die sich auf methodisch fundierte Art und Weise mit potenziellen Entwicklungspfaden des Energiesystems befassen sowie deren Auswirkungen analysieren.

Im Förderschwerpunkt "En:SYS - Systemanalyse für die Energieforschung" werden dazu methodische und analytische Arbeiten unterstützt, die sich mit der zukünftigen Ausgestaltung des Energiesystems beschäftigen. Eine wichtige Rolle spielen dabei quantitative Modelle, die potenzielle Entwicklungen des Energiesystems simulieren und die darin zum Einsatz kommenden Techniken gesamtwirtschaftlich bewerten.

Die Bandbreite der geförderten Themen reicht von ingenieurwissenschaftlichen und ökonomischen über sozialwissenschaftliche bis zu mathematischen und informationstechnischen Forschungsarbeiten.

Das 2015 ins Leben gerufene Forschungsnetzwerk Systemanalyse dient der Zusammenarbeit und dem Austausch der Forschungsakteure. Mithilfe des Forschungsnetzwerks sollen unter anderem die Forschungsaktivitäten transparenter gemacht und der Praxistransfers und die Qualitätssicherung gefördert werden.

Strategisch wichtige Förderthemen

  • Fachlich-thematische Analysen (unter anderem zu Speicher, Netze, Elektromobilität, Technikbewertung, Technikakzeptanz, Hemmnisanalysen)
  • Methodische Weiter- und Neuentwicklung von Energiemodellen (unter anderem mathematische und informationstechnische Verfahren, Energieträgerkopplung, Unsicherheiten)
  • Datenbasis und Kohärenz der Modelle (unter anderem Qualitätssicherung, Bewertung von Datenquellen, Referenzdatensatz, Modellvalidierung)

The funding initiative entitled "Energy transition in the transport sector: sector coupling through the use of electricity-based fuels"

On 27 February 2017, the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy launched the funding initiative entitled "Energy transition in the transport sector: sector coupling through the use of electricity-based fuels". The initiative aims to create a close technological and innovation-policy link between the energy industry, the transport sector and the maritime industry.

The focus of the funding initiative is on research projects which seek to produce and use alternative electricity-based fuels and to integrate the latest technologies into the energy sector. Electricity-based fuels can be used in passenger vehicles, lorries, sea-faring vessels, construction equipment or in stationary industrial engines. Against this background, the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy is also providing funding for research and development in the fields of maritime systems using synthetic fuels and smart micro-grids in port areas.

For this purpose, the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy will be making available around €130 million in the coming three years in the context of the following programmes:

The planned funding is clearly based on an application-oriented approach. New solutions are to be developed and tested in the context of precompetitive cooperation between industry (large companies, small and medium-sized enterprises) and research institutes.

Publikationen

Weiterführende Informationen

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