Energiewirtschaftliche Einordnung
Mit dem neuen Energieforschungsprogramm etabliert die Bundesregierung Reallabore der Energiewende als neue Säule der Forschungsförderung. In zeitlich und räumlich begrenzten Experimentierräumen sollen sowohl innovative Technologien als auch integrale Energiekonzepte unter realen Bedingungen marktnah und im systemischen Zusammenspiel erprobt werden. Ziel ist es, innovative Technologien für die Transformation des Energiesystems marktnah weiterzuentwickeln, dafür geeignete Anpassungen des Regulierungsrahmens zu prüfen und die gesellschaftlichen Konsequenzen von Innovationen im Blick zu behalten. Reallabore sind größer und thematisch umfassender als bisherige Demonstrationsprojekte und eröffnen Wege zum „regulatorischen Lernen“. Die Reallabore der Energiewende sind im 7. Energieforschungsprogramm ein neues Förderformat, bauen jedoch auf Erfahrungen aus der Umsetzung bisheriger Förderinitiativen im Kontext der Energieforschung auf. Als Beispiele sind hier das  „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende" (SINTEG) und die gemeinsame Förderinitiative von BMWi und BMBF „Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“ zu nennen.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Ausschlaggebend für den Erfolg eines Reallabors ist der Nachweis, dass der Systemgedanke mit einem Höchstmaß an Energieeffizienz umgesetzt wurde. Reallabore haben Pioniercharakter für die Transformation des Energiesystems und widmen sich Forschungsfragestellungen, die auf dem Weg zur Energiewende eine Schlüsselrolle haben. Reallabore der Energiewende sollen an die gesellschaftlichen Entwicklungen vor Ort angepasst sein und ganzheitliche Lösungen entwickeln, erproben und bekannt machen. Das erfordert starke Partnerschaften von Unternehmen, die innovative Energietechnologien und Konzepte in den Markt bringen wollen, mit lokalen Akteuren, die mit den Herausforderungen in der Region oder im Quartier vertraut sind. Hinzu kommen wissenschaftliche Institutionen, die den Transfer von Forschungsergebnissen vorbereiten und die Umsetzung des Reallabors wissenschaftlich begleiten. Darüber hinaus kommt der Beteiligung kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) sowie Start-Ups eine wichtige Rolle zu.

Den thematischen Auftakt der Reallabore bilden Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien. Ziel ist es, in einem großformatigen Labormaßstab verschiedene Pfade der Umstellung der Versorgungssekrtoren innerhalb des zukünftigen CO₂-emissionsfreien Energiesystems zu erproben. Ein weiteres Themenfeld für den Auftakt des Förderformats Reallabore bilden große energieoptimierte Quartiere.

Ihre Ansprechpersonen beim Projektträger Jülich zu diesem Förderschwerpunkt finden Sie auf unserer Seite Infos zur Antragstellung. Der erste Ideenwettbewerb „Reallabore der Energiewende“ hat zwischen dem 11. Februar 2019 und dem 5. April 2019 stattgefunden.

Energiewirtschaftliche Einordnung
In Deutschland entfallen rund 35 Prozent des Energieverbrauchs auf Gebäude und Quartiere, davon wiederum über 90 Prozent für das Bereitstellen von Wärme. Die Bundesregierung strebt für das Jahr 2050 einen nahezu klimaneutralen Gebäudebestand an. Daher müssen Neubauten und Sanierungen kompatibel mit den energiepolitischen Zielen für das Jahr 2050 sein. Die Grundlage dafür sind wirtschaftliche und zuverlässige technische Lösungen. Neben der Entwicklung einzelner Technologien gewinnt im Gebäude und Quartier das systemische Zusammenwirken untereinander und mit der Energieinfrastruktur an Bedeutung. Dezentrale Versorgungsstrukturen nehmen zu und mit Verknüpfung der Sektoren Strom, Wärme, Verkehr sowie Mobilität müssen Gebäude und Quartiere künftig immer mehr mit dem Stromsystem interagieren: Das macht eine flexibilisierte und netzgebundene Energieversorgung notwendig. Zu den energie-, nachhaltigkeits- und ressourcenbezogenen Herausforderungen müssen in allen Forschungsaktivitäten Fragen der Akzeptanz mitgedacht werden. Zudem sollen Planungs- und Bauprozesse soziale Faktoren wie das Wohnumfeld, neue Formen des Wohnens und Arbeitens, Demographie und nachhaltige Mobilität  integrieren.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Die Forschung und Entwicklung energieeffizienter Gebäude und Quartiere untersucht ein breites Spektrum an Themen. Innovationen zu Baustoffen und Materialien sowie die Weiterentwicklung von bautechnischen Komponenten und Gebäudetechnik bilden die Basis für ortsangepasste, integrierte Konzepte. Sie sollen die Einsparung, Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Nutzung thermischer und elektrischer Energie in Einklang bringen. Künftig werden gebäudeintegrierte Photovoltaik und Solarthermie sowie gekoppelte photovoltaisch-thermische Lösungen eine wichtige Rolle spielen. Innovative Niedrigenergie-Gesamtkonzepte machen das Stromsystem flexibel und ermöglichen eine erneuerbare, netzgebundene, dezentrale Wärme- und Kälteversorgung. Integrierte Speicher in Gebäuden, Quartieren und in der Industrie können schwankende Erträge aus lokal verfügbaren Quellen nutzbar machen. Weiter sind Brennstoffzellen im Kontext von Gebäuden und Quartieren ein zusätzlicher Baustein der künftigen Versorgungsstrategie. Hier gilt es die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer unter typischen Einsatzbedingungen zu erhöhen und die Kosten von Kern- und Systemkomponenten zu senken. Zusätzlich soll der Systemaufwand reduziert und Betriebsstrategien optimiert werden. Im Bereich Gebäude und Quartiere sind Demonstrationsprojekte ein wichtiger Teil der Forschungsförderung, um die Komplexität der Vernetzung aus Energie- und Wärmeversorgung, Systemintegration und der Bereitstellung von Mobilität bis hin zu gesellschaftlichen Prozessen und Bedürfnissen überschaubar zu machen und ganzheitlich zu betrachten.

Skizzeneinreichung und Kontakt

Um Fördermittel für Ihr Projekt zu beantragen, müssen Sie zunächst Ihren Vorschlag über easy-Online einreichen, ein Portal zur Beantragung von Fördermitteln des Bundes. Natürlich stehen Ihnen bei Fragen zur Antragstellung die Kontaktpersonen bei PtJ auch persönlich zur Verfügung:

Gebäude und Quartiere
Gebäude: Kerstin Lorenz: 02461 61-96678, k.lorenz@fz-juelich.de | Quartiere: Dr. Stefan Krengel: 02461 61-96816, s.krengel@fz-juelich.de | Erneuerbare Wärme: Kerstin Krüger 030 20199-530, k.krueger@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Rund 30 Prozent des Endenergieverbrauchs in Deutschland entfallen auf die Industrie, zwei Drittel davon als Prozesswärme. Eine große Wirkung auf die Energiebilanz geht von wenigen Einzelanlagen in energieintensiven Branchen aus. Weite Teile der Unternehmenslandschaft in Deutschland sind aber von kleinen und mittelständischen Unternehmen geprägt, die einzeln jeweils nur einen geringen, in der Summe jedoch einen erheblichen Beitrag an der Energiebilanz aufweisen. Wichtigster Energieträger im Sektor Industrie und Gewerbe ist – nach Mineralöl, Kohle und Gas – der Strom. Sein Anteil am industriellen Energiemix steigt sukzessive. Dieser Trend verstärkt sich auch mit der Zunahme digitalisierter und automatisierter Prozesse in der Industrie. Gleichzeitig entstehen neue Herausforderungen, zum Beispiel wie Strom aus fluktuierenden, erneuerbaren Energiequellen flexibel genutzt oder Wärmeenergie umweltfreundlich bereitgestellt werden kann. Um die Klimaschutzziele in Industrie und Gewerbe zu erreichen, ist die Energieeffizienz entlang des gesamten Lebenszyklus der Produkte, von der Rohstoffgewinnung über die Verarbeitung, Fertigung und den Energieverbrauch während der Nutzungsphase bis hin zur Entsorgung oder Aufarbeitung am Ende der Lebensdauer, zu betrachten und zu steigern.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Für eine erfolgreiche Transformation zu CO₂-armen Industrieprozessen bedarf es in Industrie und Gewerbe umfangreicher Forschung und Technologieentwicklung mit dem Ziel der Steigerung der Energieeffizienz. Der Fokus liegt daher branchenübergreifend auf der Suche nach innovativen und effizienten Prozessen und Prozesstechnologien, die den Energieeinsatz reduzieren. Industrieprozesse müssen auch flexibler werden, damit sie in das sich verändernde Energiesystem eingebunden werden können. Weiter sind mit Forschung und Entwicklung bestehende Industrieprozesse energetisch zu optimieren sowie sekundäre Energieformen effizient einzusetzen. Im Bereich der industriellen Prozesswärme existieren aufgrund der Vielzahl an Branchen und Prozessen bisher noch kaum übergreifende Konzepte. Für die Forschung gilt es zunächst, individuelle Wege zu finden, um die benötigte Wärmeenergie zu senken und gleichzeitig die Produktqualität beizubehalten; in weiteren Schritten sollen die Ergebnisse auch in die Anwendungsbreite der Branchen übertragen werden.

Weiteres Ziel der Forschungsförderung ist es, die Energieeffizienzpotenziale industrieller Querschnittstechnologien konsequent auszuschöpfen. Eine breit angelegte Demonstration konkreter Anwendungen und die Vermittlung ihrer technischen und wirtschaftlichen Vorteile in Modellprojekten sind notwendig, um den Transfer in die Breite der Unternehmenslandschaft zu unterstützen.

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Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen
Dr. René Gail: 02461 61-2887, r.gail@fz-juelich.de | Dr. Gordon Kaußen 02461 61-9806, g.kaussen@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Auf den Verkehr entfallen 29 Prozent des Endenergieverbrauchs in Deutschland, weshalb Schnittstellen des Energiesektors zum Bereich Mobilität und Transport auch im Fokus der Energieforschung stehen. Mobilität und Transport erleben zurzeit sehr dynamische Veränderungen. In naher Zukunft werden Carsharing, autonomes Fahren, Elektroroller und Elektro-Fahrrad den urbanen Verkehr prägen. Auch Technologien wie Lieferdrohnen und Flugtaxis könnten bald zum Alltag gehören. Aus Sicht der Energiewende spielen sich die größten Veränderungen allerdings bei den Antriebstechnologien ab. Hier geht der Trend weg von emissions- und schadstoffreichen fossilen Energieträgern hin zu batterieelektrischen Antrieben, Brennstoffzellen und alternativen Kraftstoffen. Diese sind nicht nur emissionsärmer als ihre Vorgänger. Die neuen technologischen Entwicklungen in diesem Bereich tragen außerdem dazu bei, die Integration erneuerbarer Energien in den Verkehrs- und Transportsektor voranzutreiben. So können Elektrofahrzeuge regenerativen Strom direkt umsetzen und, zusammen mit einer netzdienlichen Ladeinfrastruktur, durch das gesteuerte Laden und Entladen (Vehicle-to-Grid) Lastspitzen im Stromnetz kompensieren. Für den individuellen Transport sowie in der Industrie und bei Nutzfahrzeugen bieten sich gleichermaßen der Betrieb von Verbrennungsmotoren mit alternativen oder synthetischen Kraftstoffen an, wie auch neue Antriebe auf Grundlage von regenerativ erzeugtem Wasserstoff. Hierzu zählen sowohl moderne Brennstoffzellen wie auch Hybridlösungen mit Batterien.  Eine besondere Rolle spielen die alternativen Kraftstoffe im Luftverkehr, wo es wenig Alternativen gibt.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Zu den größten Herausforderungen des Verkehrssektors aus Sicht der Energieforschung zählen die Weiterentwicklung innovativer Mobilitätskonzepte, alternativer und schadstoffarmer Antriebstechnologien an den Schnittstellen zwischen Energiewirtschaft und Verkehr. Für eine flächendeckende Marktdurchdringung müssen Batterien und Brennstoffzellen effizienter, kostengünstiger und langlebiger werden. Eine nachhaltige batterieelektrische Mobilität verlangt, die Wertschöpfungskette von den Rohstoffen über die Produktion und Nutzung bis hin zu Nachnutzung und Recycling von Batterien zu betrachten. Reichweiten und Schnellladefähigkeit sind dabei ebenso wichtig wie intelligente Batteriemanagementsysteme (BMS) oder Leistungselektronik. Für spezifische Anwendungsfälle sollen Hybridsysteme aus Batterien und Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen weiterentwickelt werden. Synthetische Kraftstoffe sollen in systemdienlichen Anlagen mit erneuerbarem Strom erzeugt und in konkreten Anwendungsfällen getestet und bewertet werden. Auch die Erzeugung synthetischer Kraftstoffe aus Biomasse muss systemdienlich und unter strengen Maßstäben für die Nachhaltigkeit erfolgen. Schließlich spielt auch die gesellschaftliche Akzeptanz eine entscheidende Rolle bei der Evolution des Transport- und Mobilitätssektors. So braucht es unter anderem einen benutzerfreundlichen und bezahlbaren Zugang zu Lade- und Tankstationen sowie zu Wartung und Reparatur.

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Energiewende im Verkehr
Dr. Gregor Kampwerth: 030 20199-3530, g.kampwerth@fz-juelich.de | Dr. Jochen Seier: 02461 61-3267, j.seier@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
In einer Brennstoffzelle reagiert ein zugeführter Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, Erdgas oder Methanol, mit Sauerstoff. Dabei werden elektrische Energie und Wärme freigesetzt. Die effiziente Nutzung dieser elektrochemischen Reaktion hat großes Potenzial, in stationären, mobilen oder netzfernen Anwendungen einen signifikanten Beitrag für eine klimafreundliche, nachhaltige, bezahlbare und sichere Energieversorgung zu leisten. Brennstoffzellen-Heizungen (BZH), die dezentral mit Kraft-Wärme-Kopplung Strom und Wärme erzeugen, sind mittlerweile marktreif. Das ist unter anderem ein Erfolg des „Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (NIP). Für eine breite stationäre und mobile Nutzung müssen die nächsten Generationen der Brennstoffzellensysteme aber nicht nur kostengünstiger werden, sondern auch den Anwendungen entsprechend kompakt, robust, langlebig und zuverlässig.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Der Forschungsbereich Brennstoffzellen ist eingebunden in das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP2), in dem das BMWi die Förderung der Forschung und Entwicklung im Technologiebereich übernimmt. Aufgabe von Forschung und Entwicklung im Schwerpunkt Brennstoffzellentechnologie ist, die jeweiligen Einzelkomponenten und deren Zusammenspiel im Gesamtsystem zu verbessern. Dazu gehören insbesondere Maßnahmen, die den Betrieb der Brennstoffzelle in allen Betriebspunkten optimieren, sodass die Effizienz im realen Einsatz gesteigert und die Lebensdauer erhöht wird. Um einen wirtschaftlichen Einsatz der Technologie zu ermöglichen, müssen robuste Verfahren zur industriellen Produktion der Einzelkomponenten bis hin zum Komplettsystem entwickelt werden. Unterstützt werden technologieoffen alle Varianten der Brennstoffzelle, die sich zum Beispiel aufgrund von Betriebstemperatur und Dynamikbereich in unterschiedlich starker Weise für stationäre und mobile Anwendungen eignen.

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Brennstoffzellen
Dr. Gregor Kampwerth: 030 20199-3530, g.kampwerth@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Ziel der Bundesregierung ist es, die Energiebereitstellung sicher, wirtschaftlich und umweltverträglich zu gestalten. Photovoltaik und Windkraft gelten als tragende Säulen der Energiewende. Aktuelle Studien belegen, dass sich durch die bewusste Kombination beider Technologien und deren abgestimmten Einsatz Netzschwankungen, verursacht durch die Variation der lokalen Sonneneinstrahlung und Windgeschwindigkeit, vermindern lassen.

Charakteristisch für die  Photovoltaikindustrie ist eine breite Wertschöpfung von der Bereitstellung der Roh- und Hilfsstoffe über die Produktionsmittel- und Komponentenfertigung bis hin zur Installation, dem Anlagenbetrieb (einschließlich Contracting oder Mieterstrom), den Netz- beziehungsweise Speicheraspekten und einem ressourcenschonenden Recycling. Der Photovoltaikweltmarkt weist dynamische Wachstumsraten auf, die Kosten für Solarstrom sinken deutlich. Deutschland hat mit seinen Innovationen in Forschung, großtechnischer Umsetzung und Markteinführung einen großen Anteil an dieser Entwicklung.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Um die erarbeiteten Kompetenzen – eine hohe Qualität der Produkte sowie fortschrittliche und innovative Technologien und Produktionsverfahren – konsequent weiterzuentwickeln und die Breite der nationalen Wertschöpfung auszubauen, sind kontinuierliche Forschungsaktivitäten essentiell. Die strategischen Ziele der FuE-Förderung sind an das dynamische und kompetitive Umfeld beständig anzupassen und richten sich auf mehrere Aspekte: Für eine konkurrenzfähige Photovoltaikindustrie und eine erfolgreiche weltweite Energiewende ist es notwendig, bei steigender Produktqualität Kostensenkungspotenziale entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu heben. Eine Hauptaufgabe besteht vor dem Hintergrund des erreichten Entwicklungsstands der Photovoltaik darin, neue Materialien und innovative Technologien bis zur Produktionsreife weiterzuentwickeln sowie deren Kosteneffizienz nachzuweisen.

Diverse Anwendungen erfordern maßgeschneiderte Produktlösungen, wie zum Beispiel eine gebäudeintegrierte Photovoltaik. Diese Märkte werden langfristig einen größeren Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten müssen, da sie großes Potential zur Sektorkopplung mit anderen Bereichen wie der Gebäudetechnik oder Mobilität bieten. Sie stellen aber an die Technologie Anforderungen, die über die reine Fokussierung auf Stromerzeugung hinausgehen.

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Um Fördermittel für Ihr Projekt zu beantragen, müssen Sie zunächst Ihren Vorschlag über easy-Online einreichen, ein Portal zur Beantragung von Fördermitteln des Bundes. Natürlich stehen Ihnen bei Fragen zur Antragstellung die Kontaktpersonen bei PtJ auch persönlich zur Verfügung:

Photovoltaik
Dr. Christoph Hünnekes: 02461 61-2227, ch.huennekes@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Die Windenergie ist eine tragende Säule der Energieversorgung in Deutschland und ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Im Jahr 2017 wurden durch die Windenergienutzung über 16 Prozent des deutschen Stroms erzeugt. Diese Form der Elektrizitätserzeugung weist sehr geringe spezifische Kohlendioxidemissionen auf. Damit leistet die Windenergie einen besonders hohen Beitrag zu dem Ziel der Bundesregierung, die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren. Dabei fallen die Kosten für die Erzeugung von Windstrom sowohl an Land als auch auf dem Meer stetig. Aufgrund ihrer starken Wettbewerbsposition ist die Windbranche zudem ein wichtiger Arbeitgeber. In Deutschland hergestellte Windenergieanlagen sind bedeutende Exportprodukte, für Service und Wartung der Windenergieanlagen stehen speziell ausgebildete Fachleute bereit. Damit schafft die Windenergie verlässliche Arbeitsplätze.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Zukünftige Anlagen sollen nochmals leistungsstärker und zuverlässiger werden. Sie sollen auch bei schwächerem Wind noch Strom erzeugen. Für den weiteren Ausbau der Windenergienutzung in Deutschland sind Windenergieanlagen erforderlich, die auch unter schwierigeren Umständen verlässlich Strom erzeugen. Dies betrifft beispielsweise bergige und bewaldete Gebiete, wo die Windverhältnisse weniger stetig und stärker verwirbelt sind als in der norddeutschen Tiefebene. Dazu sind weitere Forschungsarbeiten notwendig.

Je mehr Windenergieanlagen an das deutsche Stromnetz angeschlossen werden, desto wichtiger wird es, dass sie die Aufgaben herkömmlicher Kraftwerke übernehmen. Diese Aufgaben werden auch Systemdienstleistungen genannt und halten das Stromnetz stabil. Sind mehrere Anlagen in Windparks zusammengefasst, können auch ganze Windparks diese Aufgaben übernehmen.

Da die Anlagen in einem Windpark sich gegenseitig beeinflussen, ist schon bei dem Aufstellen der Anlagen eine sorgfältige Planung notwendig, auch unter der Berücksichtigung des Schutzes von Vögeln und Fledermäusen. Sind die Anlagen nach etwa zwanzig Jahren am Ende ihrer Lebensdauer, sollen sie umweltverträglich abgebaut und die verbauten Rohstoffe weitestgehend wiederverwendet werden. Gerade beim Rotor, der zu großen Teilen aus Faserverbundwerkstoffen (heute überwiegend Glasfasern) besteht, ist dies eine Herausforderung. Sowohl Rotor als auch andere Komponenten von Windenergieanlagen lassen sich durch neue Werkstoffe leichter und stabiler fertigen, was nicht nur Rohstoffe spart, sondern auch den Strompreis weiter senkt. Weitere Kostensenkungspotenziale liegen in der Standardisierung und Automatisierung der Fertigung, beim Transport zum Aufstellungsort und bei der Installation der Anlagen, sowohl auf dem Meer als auch an Land.

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Windenergie
Dr. Martin Weber: 02461 61-96424, ma.weber@fz-juelich.de | Dr. Klaus Korfhage: 02461 61-4589, k.korfhage@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Bioenergieanlagen sind in der Energiewende ein Schlüsselelement bei der Umstellung des Energiesystems. Bioenergie ist effizient speicherbar, flexibel und dezentral einsetzbar und damit der ideale Partner im erneuerbaren Energiemix. Gezielt eingesetzt kann sie das schwankend verfügbare Angebot erneuerbarer Energiequellen wie Wind und Sonne ausgleichen. Biomasse ist transport- und lagerfähig. Aus ihr können vielfältige gasförmige, flüssige und feste Energieträger gewonnen werden. Diese kommen in allen Sektoren wie Strom, Wärme/Kälte und Mobilität zum Einsatz und bieten zugleich die Möglichkeit, diese miteinander zu verknüpfen. Damit hilft Bioenergie den zunehmenden Bedarf der Sektorkopplung umzusetzen. Beispielsweise beherrschen flexible Bioenergieanlagen die gleichzeitige und bedarfsgerechte Strom- und Wärmeerzeugung. Damit tragen sie zu einem effizienten und stabilen Gesamtenergiesystem bei.

Biokraftstoffe werden vor allem dort zum Einsatz kommen, wo es keine nachhaltigen Energiealternativen gibt, wie im Flug-, Schiffs- und Schwerlastverkehr. Perspektivisch wird die Biomassenutzung einen zunehmenden Beitrag zur Energiebereitstellung in der Industrie im Hochtemperaturwärme- beziehungsweise Kältebereich leisten. Angesichts begrenzter Flächen und des Vorrangs der Nahrungsmittelproduktion ist in Deutschland der Anbau von Energiepflanzen beschränkt. Deshalb wird der Nutzung von Rest- und Abfallstoffe aus Biomasse eine wesentliche Rolle und weiterer Forschungsbedarf beigemessen.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Im Fokus der Forschung steht die anwendungsnahe Erprobung von effizienten Technologien zur Strom- beziehungsweise Wärmeerzeugung, insbesondere auch deren gekoppelte Nutzung (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK). Die Flexibilisierung, Vernetzung und Marktfähigkeit von Bioenergieanlagen soll für Strom und Wärme weiter verbessert werden. Hierzu wird vor allem digital basierte Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik realisiert. Unter dem Gesichtspunkt der Systemdienstleistungen werden neue Geschäftsmodelle entwickelt. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Einsatz nachhaltig erzeugter, flüssiger und gasförmiger Biokraftstoffe. Im Wärmebereich werden vor allem kompakte Kleinstfeuerungen und brennstoffflexible Feuerungen weiter verbessert. Sie dienen der Wärmeversorgung von Niedrigenergie- oder Passivhäusern bis hin zu ganzen Quartieren und spielen eine tragende Rolle in kommunalen Nahwärmenetzen. Neuartige Ansätze zur Kopplung von zwei oder mehreren unterschiedlichen Energieanlagen (für Hybrid-oder Multibridsysteme) im Zusammenspiel von Strom, Wärme und Mobilität können mit Bioenergie umgesetzt werden.

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Energetische Nutzung biogener Rest- und Abfallstoffe
Heike Neumann: 030 20199-3306, h.neumann@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Mehr als 50 Prozent der Primärenergie in Deutschland werden für die Wärmeerzeugung verbraucht. Daher betrifft das Ziel der Bundesregierung einer sicheren, wirtschaftlichen und umweltverträglichen Energiebereitstellung neben dem Strom auch die zukünftige Wärmeversorgung. Die Geothermie bietet hier eine Alternative. Dabei kommen zur Strom- und Wärmegewinnung je nach Tiefenlage, Geologie und Anwendungszweck verschiedene Technologien zum Einsatz.

Werden beispielsweise auf der Quartiersebene Bohrungen in den Untergrund mit Wärmetauschern oder Wärmepumpen und Verteilernetzen kombiniert, so sind für die geothermische Stromgewinnung und großräumige Wärmeversorgung in Deutschland Tiefbohrungen notwendig, um ausreichend hohe Temperaturen für den großskaligen Kraft-/Heizwerksbetrieb zu erreichen.
Im Vergleich zur Stromerzeugung konnte die geothermische Wärmenutzung dabei schon die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit zur konventionellen Wärmeerzeugung nachweisen. Die Geothermie kann somit künftig fossile Brennstoffe substituieren und einen entscheidenden Beitrag zur Wärmewende und zur CO₂-Emmisionsminderung leisten.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Der flächendeckende Ausbau der geothermischen Wärme- und Kältebereitstellung kann wesentlich zu den oben genannten Zielen der Bundesregierung für eine zukünftige Energieversorgung beitragen. Die zunehmende Nutzung der Geothermie als lokale Energiequelle erhöht zudem die Unabhängigkeit von Brennstoffimporten und fördert die heimische Wertschöpfung. Dazu ist die Steigerung der Bekanntheit und öffentlichen Akzeptanz der Geothermie ebenso notwendig wie die Reduzierung von Energieerzeugungskosten, die Ausweitung geothermischer Speicheranwendungen sowie der Abbau von technischen und finanziellen Risiken. Ein strategisches Ziel der FuE-Förderung umfasst daher Demonstrations- und Pilotvorhaben, welche die technische Machbarkeit und den wirtschaftlichen Betrieb großräumiger geothermischer Wärmenutzung aufzeigen und als Vorbilder für weitere Standortentwicklungen dienen.

Weitere Ziele sind wissenschaftliche Beiträge zur Kostensenkung, Effizienzsteigerung und Anlagenbetriebsoptimierung sowie zur Automatisierung und Digitalisierung der Geothermie im Strom- und Wärmebereich. Die Weiterentwicklung saisonaler und kurzzeitiger Wärme- und Kältespeicher im Untergrund bilden ein weiteres Ziel, wie auch der Ausbau der geologischen Datenbasis zu geothermischen Nutzungsmöglichkeiten im Strom- und Wärmebereich oder Sicherheitsaspekte von Verfahren und Nutzungskonzepten.

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Um Fördermittel für Ihr Projekt zu beantragen, müssen Sie zunächst Ihren Vorschlag über easy-Online einreichen, ein Portal zur Beantragung von Fördermitteln des Bundes. Natürlich stehen Ihnen bei Fragen zur Antragstellung die Kontaktpersonen bei PtJ auch persönlich zur Verfügung:

Geothermie
Dr. Volker Monser: 02461 61-2808, v.monser@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Die Nutzung der Wasserkraft ist für die Stromversorgung in Deutschland neben der Windenergienutzung und der Photovoltaik eine bewährte regenerative Energiequelle und trägt maßgeblich zu einer sauberen dezentralen Energieversorgung bei. Im Gegensatz zur konventionellen Wasserkraftnutzung befindet sich die Nutzung der Meeresenergie weltweit noch in einem Demonstrationsstadium. Der Tidenhub, also der Unterschied zwischen dem Scheitelpegel und dem untersten Pegelstand, der Energiegehalt in Strömung und Wellen sowie Thermal- oder Salzgradienten können für die elektrische Energiegewinnung genutzt werden. Aufgrund der geografischen Bedingungen ist die Energiegewinnung an deutschen Küsten wirtschaftlich nicht vielversprechend. Für die deutsche Industrie besteht jedoch die Chance auf wachsende Exportmärkte.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Technische Neuerungen und die Modernisierung von Turbinen und Generatoranordnung können insbesondere den Wirkungsgrad und die Verfügbarkeit verbessern. Parallel steigen auch die ökologischen Anforderungen an die Wasserkraftnutzung. Strategisches Ziel ist es daher, in angemessenem Umfang neben innovativen Komponenten für Laufwassersysteme die Entwicklung und Demonstration von Meeresströmungsturbinen und Wellenenergiekonvertern zu fördern und damit angemessen auf diese Anforderungen zu reagieren.

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Wasserkraft und Meeresenergie
Dr. Volker Monser: 02461 61-2808, v.monser@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Die Stromerzeugungsinfrastruktur in Deutschland besteht überwiegend aus thermischen Kraftwerken. Hier wird Wärme aus verschiedenen Energiequellen durch Gas- und Dampfkreisprozesse in Strom umgewandelt. Bislang waren dies zumeist Kohle, Erdgas und Kernenergie, zukünftig sollen verstärkt Abfälle, Biomasse, Erdwärme und anderweitig nicht nutzbarer erneuerbarer Strom eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist eine drängende Forschungsfrage, wie bestehende Energieinfrastrukturen, zu denen auch die mit Blick auf zentrale Großkraftwerke ausgebauten Stromnetze gehören, durch neue technologische Lösungen für die Energiewende nutzbar gemacht werden können.

Gaskraftwerke haben ein hohes Flexibilitätspotenzial und können einen Beitrag dazu leisten, die fluktuierende Erzeugung aus erneuerbaren Energieanlagen auszugleichen. Auch mittels tiefer Geothermie lässt sich, neben der direkten Nutzung geothermischer Wärme, Wärme bereitstellen und Strom produzieren. Solarthermische Kraftwerke nutzen konzentrierte Sonnenenergie als Wärmequelle. Zwar existieren diese aufgrund der geringen direkten Sonneneinstrahlung in Deutschland nur als Demonstrationsanlagen. Allerdings  spielt die solarthermische Nutzung der Sonneneinstrahlung in anderen Regionen der Welt eine wichtige Rolle. Entsprechend sind auch deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der solarthermischen Stromerzeugung tätig und verfügen über ein entsprechendes Exportpotenzial.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Zentrale Forschungsziele bestehen darin, neue Kraftwerksprozesse zu entwickeln sowie bestehende zu verändern. Hier gilt es, neuartige Kreisprozesse oder hybride Anlagenkonzepte zu entwickeln und Energiespeicher in den Kraftwerksprozess zu integrieren. Durch Retrofitmaßnahmen sollen veränderte oder neue Brennstoffzusammensetzungen zum Einsatz kommen, auch sollen der Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Betriebsarten erhöht sowie Emissionen gemindert werden. Darüber hinaus sind Werkstoffentwicklung und -weiterentwicklung für kraftwerkstechnische Einsatzbereiche und Komponenten von Bedeutung, die es ermöglichen, CO₂ abtrennen und nutzen zu können. Eine konkrete Forschungsfrage betrifft das Speichern von Strom über Power-to-X-Prozesse. Da es derzeit nicht möglich ist, Strom in ausreichendem Maße direkt zu speichern, wird der zu viel produzierte Strom bei Power-to-X eingesetzt, um Wasserstoff oder andere Brennstoffe zu erzeugen. Diese können dann gespeichert und bei Bedarf zum Beispiel in Gaskraftwerken rückverstromt werden. Hierzu muss unter anderem der Einsatz von gasförmigen synthetischen Brennstoffen aus Power-to-X Anlagen weiter erforscht werden.

Allgemein soll die Entwicklung dezentraler, modularer Kraftwerksanlagen mittlerer Leistungsklasse vorangetrieben werden. Darüber hinaus spielt die Vernetzung dezentraler Kraftwerke und Gasmotoren mit Erzeugungsanlagen, die erneuerbare Energien nutzen, und Energiespeichern in Form virtueller Kraftwerke eine Rolle. Um etwa die Exportchancen im Bereich der solarthermischen Kraftwerkstechnologie zu nutzen, braucht es Integrationskonzepte für solarthermische Kraftwerke und Wärmespeicher im Verbund mit anderen erneuerbaren Energiequellen. Technologieübergreifende Konzepte, auch in Kombination mit Photovoltaik, Wind, Biomasse und Biogas, sind generell wichtige Themen für Forschung und Entwicklung im Bereich Thermische Kraftwerke. Speziell für geothermische Kraftwerke besteht zudem Forschungsbedarf im Bereich Wärmeübertragungsanlagen und Kühlprozesse.

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Thermische Kraftwerke
Dr. Hermann Stelzer: 02461 61-8810, h.stelzer@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Weniger Treibhausgase produzieren und effizienter mit Energie umgehen: So lauten die zentralen Ziele für das deutsche Energiesystem. Um diese Ziele zu erreichen, stellt Deutschland auf CO₂-neutrale erneuerbare Energien um und entwickelt Technologien, mit deren Hilfe weniger Energie verbraucht wird. Damit das gelingt, müssen die Stromnetze ausgebaut und modernisiert werden. Die Entfernungen zwischen den Standorten von Erzeugung und Verbrauch nehmen dabei einerseits zu, andererseits werden mehr regionale dezentrale Versorgungsstrukturen aufgebaut. Um solche heterogenen regionalen und überregionalen Netze miteinander verknüpfen zu können, muss der Betrieb durch ein intelligentes Netz (Smart Grid) besser abgestimmt und flexibilisiert werden. Untersucht wird auch, wie die Aufnahme- und Transportkapazität der Netze erhöht werden kann. Dabei kommt es darauf an, dass der Netzbetrieb stabil und sicher bleibt. Um die genannten Ziele schneller und nachhaltiger zu erreichen, kooperiert Deutschland eng mit anderen europäischen Ländern.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Um die Stromnetze fit für die Zukunft zu machen, werden Betriebsmittel wie etwa Stromrichter verbessert und neu entwickelt. Sie sollen verfügbar sein und effizienter und kostengünstiger werden. Wenn Betriebsmittel wie Erdkabel, Leitungen oder Schaltanlagen ausgetauscht werden, kommen oft neue Materialien zum Einsatz. Darüber hinaus arbeiten Experten daran, dezentrale Versorgungsstrukturen und unterschiedliche Spannungsebenen über Sektoren (Strom, Wärme, Verkehr) hinweg so in Einklang zu bringen, dass die Netze schnell und zuverlässig bleiben. Das ist wichtig, weil erneuerbare Energien, je nach Windstärke und Sonneneinstrahlung, von Natur aus schwankend sind. Dementsprechend entwerfen Fachleute auch neue Konzepte, um bei Stromausfällen reagieren und das Energiesystem wiederaufbauen zu können.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt umfasst die Themen Automatisierung und Digitalisierung. Fortschritte sind in dem Bereich nicht nur bedeutsam, um das Energiesystem besser beobachten und steuern zu können. Sie ermöglichen auch, Stromnetze informationstechnisch zu vernetzen. Dabei entstehen große Datenmengen, für deren Speicherung, Verarbeitung und Auswertung innovative Lösungen entwickelt werden müssen. Von zentraler Bedeutung ist ebenfalls, die IT-Sicherheit zu verbessern.

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Stromnetze
Dr. Wolfgang Rolshofen: 02461 61-4877, w.rolshofen@fz-juelich.de | Dr. Karl Waninger: 02461 61-9009, k.waninger@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Wind und Sonnenenergie sind schon heute wichtige Eckpfeiler der Stromversorgung in Deutschland. Allerdings sind diese Energiequellen sehr volatil, denn wieviel Strom ins Netz eingespeist werden kann, ist stark vom Wetter abhängig. Damit der Anteil der erneuerbaren Energien weiter erhöht werden kann, braucht es Technologien, die die Schwankungen der ins Netz gespeisten Strommengen ausgleichen. Ein essentieller Baustein sind dabei die Energiespeicher. In dem sie Strom aufnehmen und bei erhöhtem Bedarf Strom an das Netz abgeben, tragen sie direkt zur Stabilisierung des Stromnetzes und zur Versorgungssicherheit bei.

Speicher können aber noch viel mehr und sind für unterschiedlichste Anwendungen einsetzbar: Batterien ermöglichen in Fahrzeugen den Antrieb mit Strom, können aber auch stationär zur Erhöhung des Eigenverbrauchs von regenerativ erzeugtem Strom eingesetzt werden. Elektrische Speicher werden aufgrund ihrer kurzen Lade- und Entladezeiten unter anderem zur Kompensation von Verbrauchsspitzen genutzt. Mechanische Speicher wie Schwungmassenspeicher können Lastspitzen am Netz ausgleichen. Darüber hinaus sind Speicher ein wichtiges Bindeglied in der Sektorkopplung, bei der die Sektoren Strom, Wärme, Verkehr und Industrie miteinander verknüpft werden und so das Energiesystem effizienter machen können.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Ziel der Forschungsförderung Stromspeicher ist es, den Industriestandort Deutschland international zu stärken und wettbewerbsfähiger zu machen. Das bedeutet, geringere Kosten für Entwicklung und Produktion auf der einen Seite, und eine Steigerung von technischer Performance, Qualität, Sicherheit und Nachhaltigkeit auf der anderen. Damit dies gelingt, konzentriert sich die Forschung in Deutschland verstärkt auf die Entwicklung und Erprobung anwendungsspezifischer Speichertechnologien, sowie digitaler Methoden zur Steuerung von Speichersystemen. Die verbesserten Technologien bilden wiederum die Grundlage für neuartige Geschäftsmodelle und Dienstleistungen im Strommarkt.

Im Mittelpunkt der Förderung stehen die Batterietechnologien. Erprobt werden innovative Konzepte zur elektrochemischen Energiespeicherung mit verbesserten technischen Eigenschaften, unkritischen Rohstoffen und einer günstigen Umweltbilanz. Um die alternativen Materialien zu testen und einen stabilen Betrieb der neuen Technologien zu ermöglichen, werden zudem neue Messverfahren untersucht. Darüber hinaus sollen Fertigungsprozesse automatisiert und die Produktion insgesamt intelligenter werden, um die Herstellung von Batterien günstiger zu machen. Damit die entsprechenden Forschungsergebnisse auch erfolgreich im Markt etabliert werden können, werden die Speicherlösungen konkret in bestimmten Anwendungen vorgestellt und getestet. Neben der Produktion konzentriert sich die Forschung außerdem auf die Entwicklung von Recyclingverfahren, um die Umweltbilanz von Batterien zu verbessern und die Abhängigkeit von Rohstoffimporten zu verringern.

Skizzeneinreichung und Kontakt

Um Fördermittel für Ihr Projekt zu beantragen, müssen Sie zunächst Ihren Vorschlag über easy-Online einreichen, ein Portal zur Beantragung von Fördermitteln des Bundes. Natürlich stehen Ihnen bei Fragen zur Antragstellung die Kontaktpersonen bei PtJ auch persönlich zur Verfügung:

Stromspeicher
Dr. Jochen Seier: 02461 61-3267, j.seier@fz-juelich.de | Dr. Gregor Kampwerth: 030 20199-3530, g.kampwerth@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Die Energiewende verläuft in den Sektoren Strom, Wärme und Verkehr sehr unterschiedlich. Erneuerbare Energien konnten bisher am besten in den Stromsektor integriert werden. Durch die Sektorkopplung sollen nun auch die Bereiche Mobilität, Transport, Wärme und Kälte von erneuerbarem Strom profitieren. Und zwar einerseits durch die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in anderen Sektoren, andererseits indem die Energieinfrastrukturen für Strom, Gas, Wärme und Kraftstoff effizient miteinander vernetzt werden. Ein wichtiger Baustein hierfür ist Wasserstoff. Wird dieser mittels erneuerbaren Stroms in Elektrolyseanlagen, über biogene und biochemische Verfahren oder mit solaren Verfahren (künstliche Photosynthese) hergestellt, sind mit der Nutzung keine oder nur sehr geringe Treibhausgas-Emissionen verbunden. Gleichzeitig ist Wasserstoff ein sehr vielseitiger Energieträger. Als Energiespeicher kann er überschüssigen Strom zum Beispiel aus Windenergieanlagen aufnehmen und dauerhaft speichern. Zudem dient er als Grundlage für alternative Kraft- und Brennstoffe sowie synthetische Gase und findet auch in chemischen Prozessen Anwendung.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Die Sektorkopplung setzt eine intelligente technische Verknüpfung der Infrastrukturen und eine Kopplung der in den verschiedenen Sektoren unterschiedlich funktionierenden Märkte voraus. Entsprechend müssen auch die im Energiesystem verwendeten Einzeltechnologien in der Lage sein,  vernetzt zu agieren und Informationen schnell und zuverlässig auszutauschen. Grundlage für eine intelligente Planung ist, die betroffenen Anlagen und Infrastrukturen genau zu modellieren. Zudem braucht es intelligente Systeme und Technologien zu Steuerung, Regelung und Betrieb. Dazu müssen entsprechende Informations- und Kommunikationstechnologien weiterentwickelt werden.

Da der Wasserstoff ein Scharnier der Sektorkopplung ist, ist insbesondere die (Weiter-)Entwicklung von Verfahren zur Erzeugung, Speicherung, Transport und Anwendung erneuerbaren Wasserstoffs ein wichtiger Förderschwerpunkt. In diesem Zusammenhang ist unter anderem die Verknüpfung des Gas- und Stromsektors ein wichtiges Forschungsthema – insbesondere, wenn es darum geht, Wasserstoff, der mithilfe von erneuerbarem Strom erzeugt wurde, in das vorhandene Gasnetz einzuspeisen. Darüber hinaus sollen Anlagen, die elektrische Energie in Wasserstoff, synthetische Gase, alternative Kraftstoffe oder chemische Rohstoffe umwandeln, effizienter, flexibler und wirtschaftlicher werden. Auch die Erzeugung synthetischer Kraftstoffe aus Biomasse muss systemdienlich und unter strengen Maßstäben für die Nachhaltigkeit erfolgen.

Schließlich spielen die Menschen selbst eine zentrale Rolle für den Erfolg der Energiewende. Deshalb sollen die Konzepte der Sektorkopplung mit besonderem Blick auf deren Bedürfnisse und Wünsche entwickelt werden. Damit dies gelingt,  muss das Verhalten von Verbrauchern und Nutzern bei der Entwicklung von Konzepten zur Sektorkopplung eingehend modelliert und beachtet werden.

Skizzeneinreichung und Kontakt

Um Fördermittel für Ihr Projekt zu beantragen, müssen Sie zunächst Ihren Vorschlag über easy-Online einreichen, ein Portal zur Beantragung von Fördermitteln des Bundes. Natürlich stehen Ihnen bei Fragen zur Antragstellung die Kontaktpersonen bei PtJ auch persönlich zur Verfügung:

Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien
Dr. Jochen Seier: 02461 61-3267, j.seier@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
CO₂-Emissionen sind ein Haupt-Verursacher des Klimawandels. In Deutschland entstehen CO₂-Abgase überwiegend durch die Nutzung fossiler Energieträger wie Kohle, Öl und Gas. Das Herabsetzen von CO₂-Emissionen ist deshalb ein zentrales Ziel der Energiepolitik. Dies soll erreicht werden, indem die Energieeffizienz gesteigert und erneuerbare Energie in das Energiesystem integriert wird. Außerdem sollen alternative industrielle Verfahren entwickelt werden, die weniger oder keine CO₂-Emissionen verursachen.

Bei Industrieprozessen werden zwei einander ergänzende Strategien verfolgt. Zum einen können mithilfe von Energieeffizienz-Maßnahmen CO₂-Emissionen in der Industriebranche nachhaltig gesenkt werden. Zum anderen entwickeln Fachleute für Industrieprozesse, bei denen kaum vermieden werden kann, dass CO₂ entsteht, Technologien zur Wiederverwendung von Kohlenstoffdioxid. CO₂ kann beispielsweise in der chemischen Industrie als Grundlage für bestimmte Stoffe verwendet werden. Es kann auch eingesetzt werden, um flüssige Kraft- und Brennstoffe herzustellen. Zur Schließung des Kohlenstoffkreislaufs braucht man Technologien, bei denen CO₂ aus Abgasen oder der Atmosphäre abgeschieden werden. Das kann biologisch (Pflanzenwachstum) oder über technische Verfahren erfolgen. Exportrelevante Technologien für Abscheidung, Transport, Speicherung und Verwendung von CO₂ sollen verstärkt erforscht werden, damit deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen eine internationale Vorreiterrolle einnehmen können.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Die Ziele der Forschungsförderung sind sehr vielfältig. Dazu gehören neben der Entwicklung von skalierbaren technologischen Prozessen und wirtschaftlichen Konzepten zur CO₂-Abscheidung die genannte Verbesserung und Neuerfindung von Technologien. Das umfasst eine große Bandbreite verschiedener Anlagen, Komponenten, Werkstoffe, Verfahren und Einsatzbereiche in der Industriebranche. Darüber hinaus sollen auch Alternativen zum bisherigen Transport- und Verkehrssystem erarbeitet werden.

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Technologien für die CO₂-Kreislaufwirtschaft
Dr. Hermann Stelzer: 02461 61-8810, h.stelzer@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Für eine effektive Energiewende muss sich unser Energiesystem tiefgreifend verändern. Wir bewegen uns weg von zentraler hin zu dezentraler Energieerzeugung und müssen lernen, mit Schwankungen bei der Einspeisung erneuerbarer Energien umzugehen. Zudem sollen neue Konzepte und Denkansätze das Energiesystem effizienter machen, etwa indem Sektoren wie Strom, Wärme und Verkehr miteinander verknüpft werden. Akteure aus Politik, Gesellschaft und Wirtschaft stehen vor der Herausforderung, die Auswirkungen dieser neuen Technologien sowie das Marktgeschehen im Energiesystem rechtzeitig und umfassend zu beurteilen. Unterstützung bieten hierbei systemanalytische Modelle und Untersuchungen. Indem sie einzelne Aspekte oder Zusammenhänge des Energiesystems nachvollziehbar abbilden, lassen sich nicht nur die Auswirkungen möglicher Entwicklungspfade des Energiesystems, sondern auch das Zusammenspiel von bestehenden und neuen Energietechnologien analysieren. Fachleute sind dann in der Lage, verschiedene Handlungsoptionen gegenüberzustellen und ihre Entscheidung auf Grundlage wissenschaftlich fundierter und belastbarer Informationen zu treffen. Grundlage für solche Energiesystemmodelle sind systemanalytische Werkzeuge, Methoden und Datenbasen. Da sich das Energiesystem kontinuierlich wandelt und verändert, unterstützt die Bundesregierung mit dem Förderschwerpunkt Energiesystemanalyse die Neu- und Weiterentwicklung dieser Instrumente. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist die Transparenz, denn nur wenn die Ergebnisse einer systemanalytischen Untersuchung  nachvollziehbar und von Dritten überprüfbar sind, können diese als belastbare Grundlage für Weichenstellungen zur künftigen Ausgestaltung des Energiesystems dienen.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Da sich unser Energiesystem aus Akteuren unterschiedlichster Bereiche zusammensetzt,  vereint die Energiesystemanalyse ein breites Spektrum an Fachdisziplinen – unter anderem Ingenieurwissenschaften, Wirtschaftswissenschaften, angewandte Mathematik, Informatik, Sozialwissenschaften und Rechtswissenschaften. Im interdisziplinären Austausch befassen sich die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen mit der (Weiter-)Entwicklung von Methoden, etwa um Zusammenhänge im System abzubilden oder zu beschreiben. So wird beispielsweise untersucht, inwiefern sich verschiedene Modelle mittels Schnittstellen koppeln lassen. Auch das Verhalten von Akteuren, wie Menschen oder Industrie, wird in der Systemanalyse einbezogen. Außerdem müssen Wege gefunden werden, das immer komplexere Energiesystem trotzdem in handhabbaren Modellen abzubilden, während gleichzeitig die Rechenzeit reduziert wird. Wichtige Tools sind in diesem Zusammenhang selbstlernende Algorithmen, neuronale Netzwerke und moderne statistische Methoden. Anhand von Modellvergleichen können die Forscherinnen und Forscher darüber hinaus Qualität und Verbesserungsbedarf etablierter Modelle bestimmen.

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Technologieorientierte Systemanalyse
Dr. Johannes Tambornino: 02461 61-8619, j.tambornino@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Ob Produktion, Kommunikation oder Verwaltung– die Digitalisierung prägt bereits heute die wichtigsten Aspekte des beruflichen und privaten Alltags. Bei dem Generationenprojekt „Energiewende“ kommt ihr ebenfalls eine Schlüsselrolle zu. Denn um Versorgungssicherheit mit erneuerbaren Energien zu gewährleisten, müssen Verbraucher, Versorger und Erzeuger sowie alle anderen beteiligten Akteure informationstechnisch miteinander vernetzt werden. Dazu braucht es Instrumente und Konzepte zur intelligenten und sicheren Datenübertragung. Ein durchgängiger Informationsaustausch erzeugt wiederum riesige Datenmengen, die effizient verarbeitet, schnell ausgewertet und sicher verwaltet werden müssen. Die Digitalisierung der Energiewende bedeutet also: Je digitaler und automatisierter die einzelnen Prozesse in unserem Energiesystem, desto intelligenter muss das System selbst werden.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Aufgrund der schnellen Entwicklung moderner Informations- und Kommunikationstechnologien müssen sich Forschung und Forschungsförderung kontinuierlich an veränderte Rahmenbedingungen anpassen und dabei kommende und bereits etablierte Entwicklungen für die Energiewende nutzbar machen. Themen wie „Internet of Things“, „Big Data Analytics“, „Künstliche Intelligenz“, IKT-Sicherheit und Resilienz etc. spielen auch in der Energiewirtschaft und damit in der Energieforschung eine wachsende Rolle. Genau wie in anderen Wirtschaftsbereichen, in denen die Digitalisierung Einzug hält, sind darüber hinaus in der Energiewirtschaft beispielsweise Datenschutz oder Datennutzungsrechte rund um innovative digitale Geschäftsmodelle von Bedeutung. Insgesamt ist der Forschungsbedarf hinsichtlich der Digitalisierung interdisziplinär und fachübergreifend. In allen  Bereichen braucht es Methoden, Konzepte und IT-Werkzeuge, um die großen Mengen an Steuerungs- und Überwachungsdaten effizient verarbeiten zu können.

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Digitalisierung der Energiewende
Dr. Karl Waninger: 02461 61-9009, k.waninger@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Der verantwortungsvolle Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen ist ein Ziel der Bundesregierung. Die Energiewende trägt wesentlich dazu bei, indem fossile Ressourcen durch erneuerbare Energien (EE) ersetzt werden. Dieser Beitrag wird beispielsweise durch immense Infrastrukturinvestitionen in Erneuerbare-Energien-Erzeugungsanlagen und Stromnetze oder auch durch die Digitalisierung der Energiewende ermöglicht. Allerdings haben neue Energie- und Speichertechnologien, der Ausbau der Stromnetze sowie die Elektromobilität selbst auch einen erheblichen Bedarf an Rohstoffen und weiteren Ressourcen. Dies verändert die Nachfrage am internationalen Rohstoffmarkt maßgeblich. Die sichere Bereitstellung von Rohstoffen ist für das Gelingen der Energiewende, für die Aufrechterhaltung der Produktion, einen hohen Beschäftigungsstand und stetiges Wirtschaftswachstum in Deutschland unerlässlich.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Die Forschung zu den Ressourcen für die Energiewende zielt darauf ab, strategische und begrenzt verfügbare Rohstoffe zu schützen und nachhaltiger zu verwenden. Dies mindert das Risiko, dass sich die Energiewende für eine nachhaltige, sichere und bezahlbare Energieversorgung durch steigende Rohstoffpreise beziehungsweise Rohstoffverknappung verteuert und dadurch selbst gefährdet. Die Ressourcenforschung für die Energiewende verbessert die Material- und Ressourceneffizienz auch dadurch, dass besonders energieintensive Materialien in höheren Anteilen wiederverwendet werden. Die bisherigen Recyclingquoten reichen allein nicht aus, um den zukünftigen Rohstoffbedarf nachhaltig zu decken.

Zusätzlich soll für die Energiewende daher der strategische Ansatz der zirkulären Wirtschaft (Circular Economy) erforscht und damit das Modell der Kreislaufwirtschaft weiterentwickelt werden. Damit trägt die Ressourcenforschung auch zum Aktionsplan „Circular Economy“ der EU bei. Auch die Digitalisierung soll die Ressourceneffizienz steigern, indem beispielsweise das Wissen über die in Produkten enthaltenen Rohstoffe verbessert wird und langfristig verfügbar bleiben kann. Darüber hinaus zielt die Ressourcenforschung beispielsweise darauf ab, die Lebensdauerkosten von Erneuerbare-Energien-Anlagen-Anlagen durch den Einsatz von Leichtbautechnologien zu verringern und eine ganzheitliche Betrachtung vom Anlagendesign über Anlagenertrag und -lebensdauer bis hin zum Rückbau/Recycling der Komponenten zu ermöglichen.

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Ressourceneffizienz im Kontext der Energiewende
Heike Neumann: 030 20199-3306, h.neumann@fz-juelich.de

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Energiewirtschaftliche Einordnung
Für das Voranbringen der Energiewende als Generationenaufgabe ist das gute Zusammenspiel aller gesellschaftlichen Akteure, vom Energieerzeuger bis zum Endverbraucher, notwendig. Zum einen ist die breite Gesellschaft mit ihren Bedürfnissen, Erwartungen und Investitionen ein maßgeblicher Mitgestalter der Energiewende. Zum anderen beeinflussen die mit der Energiewende verbundenen neuen Technologien, innovative Energiedienstleistungen und -produkte bis hin zur Digitalisierung die gesellschaftliche Entwicklung und den Strukturwandel. Zu einer Energiewende als gesamtgesellschaftliches Projekt gehört daher auch eine gesellschaftsbezogene Energiewendeforschung.

Strategische Ziele von Forschung und Entwicklung
Um eine hohe Teilhabe und Akzeptanz in der Energiewende und frühzeitig in der Entwicklung neuer Technologien und Systemlösungen zu erreichen, müssen sich Forschung und Entwicklung mit übergreifenden Fragen wie Technikfolgenabschätzung, Verhaltensökonomie bis hin zu Akzeptanz und Partizipation auseinandersetzen. Die Bandbreite an Themen und die Vielfalt der Akteursgruppen erfordern hierfür ein inter- und transdisziplinäres Zusammenarbeiten verschiedener Fachdisziplinen aus den Natur- und Ingenieurswissenschaften, Sozial- und Kommunikationswissenschaften bis hin zu Wirtschaftswissenschaften und Rechtswissenschaften.

Skizzeneinreichung und Kontakt

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Energiewende und Gesellschaft
Heike Neumann: 030 20199-3306, h.neumann@fz-juelich.de

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