Reallabore der Energiewende
Innovationen in die Praxis bringen

Reallabore der Energiewende

Reallabore der Energiewende des Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) greifen als wichtige Säule der Energieforschung zentrale Herausforderungen im industriellen Maßstab auf.

In ihrem 7. Energieforschungsprogramm hat die Bundesregierung die Reallabore der Energiewende als neues Förderformat etabliert. Sie ermöglichen es, innovative Technologien in der praktischen Anwendung unter realen Bedingungen und im industriellen Maßstab zu testen. Die Reallabore betrachten das systemische Zusammenspiel von Energiebereitstellung und Energiebedarf auf der Ebene z.B. eines konkreten Quartiers, einer oder mehrerer ausgewählter Städte, oder sie erstrecken sich sogar über mehrere Bundesländer.

Die in den Projekten gesammelten Erfahrungen können Fachleute anschließend nutzen, um den tiefgreifenden Umbau des Energiesystems in Deutschland entscheidend Richtung Klimaneutralität voranzubringen. Reallabore sind ein wertvoller Praxistest für Innovationen auf dem Weg in die energiewirtschaftliche Umsetzung und damit eine wichtige Unterstützung für den Erfolg der Energiewende.

Neues Förderkonzept für die Reallabore der Energiewende

Mit dem Förderformat Reallabore der Energiewende schließt das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz die technologische Entwicklungslücke für Innovationen zwischen der anwendungsnahen Forschung und der breiten Umsetzung in der Praxis.

Am 1. Juli 2021 hat das BMWK ein neues Förderkonzept für die Reallabore der Energiewende veröffentlicht. Das Konzept ist themenoffen gestaltet und kann somit Reallabore zu allen Forschungsbereichen der BMWK-Förderung im Energieforschungsprogramm umfassen.

Die Veröffentlichung eines neuen Förderkonzepts ist strategisch bewusst gewählt, um die Reallabore als Förderinstrument nach dem ersten Ideenwettbewerb von 2019 zu verstetigen.

Weitere Informationen zum Förderkonzept finden Sie hier.

Ideenwettbewerb Reallabore der Energiewende – An der Schnittstelle von Forschung und Praxis

Der ehemalige Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier hatte im Februar 2019 erstmals einen Ideenwettbewerb für die Reallabore der Energiewende ausgeschrieben. Zentrale Themen der ersten Ausschreibungsrunde waren Innovationen aus den Bereichen Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien, großskalige Energiespeicher im Stromsektor und energieoptimierte Quartiere.

An dem Wettbewerb haben sich 90 Konsortien mit über 500 Partnern aus Industrie und Forschung beteiligt. Am 18. Juli 2019 wurden die Gewinner-Konsortien bekannt gegeben. Bislang haben zehn Reallabore der Energiewende ihre Arbeit aufgenommen.

Seit April 2021 begleitet zudem das Transferforschungsprojekt Trans4ReaL die Reallabore der Energiewende mit dem Fokus Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien wissenschaftlich. Die in dem Vorhaben gewonnenen Erkenntisse sollen anschließend als Handlungsoptionen in eine Wasserstoff-Roadmap der Bundesregierung einfließen.

Die bereits laufenden Reallabore der Energiewende auf einen Blick

Reallabore der Energiewende zu energieoptimierten Quartieren

Laufzeit: 2021 bis 2026

Konsortialführer: Technische Universität Darmstadt mit Industriepartner

Land: Hessen

Fokus: Energieflüsse Großstadt

Projekt: Schaufenster für die urbane Energiewende durch interagierende energieoptimierte Quartiere

Zusammenfassung: Im künftigen Energieversorgungssystem müssen städtische Quartiere energieoptimiert funktionieren. Und: Sie müssen untereinander interagieren, damit innerhalb einer Stadt als Ganzes der Energiebedarf soweit wie möglich reduziert und Energie effizient eingesetzt werden kann.

In Darmstadt sollen mehrere Quartierstypen – von Industrie über Gewerbe und Bildung bis hin zum Wohnen – mit Netzinfrastrukturen in den Bereichen Strom, Wärme, Gas, Kommunikation und Verkehr verknüpft werden. Die Partner von DELTA werden die entsprechende Interaktion anschließend analysieren und optimieren. Die Netze sollen damit besser ausgelastet und gekoppelt werden, sodass sektorübergreifende Synergien entstehen. Übergeordnetes Ziel ist das Reduzieren von Energieverbrauch und Kohlendioxid-Ausstoß in Stadtquartieren. Auch die wirtschaftliche Umsetzbarkeit und gesellschaftliche Akzeptanz werden überprüft. Nicht zuletzt soll DELTA die Planung der künftigen Energieversorgung vereinfachen, Kosten für Infrastruktur reduzieren und den Aufbau neuer Kapazitäten mindern.

Thema: Energieoptimierte Quartier

 

Laufzeit: 2021 bis 2025

Konsortialführer: TAGFW-Projekt GmbH – ein Unternehmen des AGFW | Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V. Analyse und Optimierung verknüpft.

Land: Baden-Württemberg, Bayern und Berlin

Fokus: Mittelstadt, Großstadt

Projekt: Schaufenster für die urbane Energiewende durch interagierende energieoptimierte Quartiere

Zusammenfassung: Ein großer Teil des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen in Deutschland entfällt auf die Wärmeversorgung. Aus diesem Grund liegt insbesondere beim Einsatz von Großwärmepumpen (GWP) großes Potenzial, Treibhausgase zu reduzieren. Um hier innovative Konzepte zu entwickeln, müssen regulatorische Hemmnisse abgebaut werden.

Das Reallabor GWP hat deshalb zum Ziel, wirtschaftliche und regulatorische Rahmenbedingungen sowie effiziente Betriebskonzepte für den Einsatz von Großwärmepumpen zu erproben. Zudem will das Konsortium herausfinden, wie sich Großwärmepumpen für die übergeordnete Transformation der Wärme- und Strominfrastruktur nutzen lassen und somit einen wesentlichen Beitrag zur Sektorkopplung leisten können. Dazu sollen fünf Großwärmepumpen mit unterschiedlichen Einbindekonzepten, Wärmequellen und weiteren Spezifika in die Fernwärmenetze in Deutschland integriert werden. Die Standorte sind für sich genommen eigenständig, aber über eine übergeordnete zentrale Datenerfassung, Analyse und Optimierung verknüpft.

Thema: Energieoptimierte Quartiere

Laufzeit: 2020 bis 2024

Konsortialführer: Hamburg Energie GmbH

Land: Hamburg

Fokus: Großstadt

Zusammenfassung: Wilhelmsburg in Hamburg zeigt mit dem Reallabor IW3, dass eine zuverlässige und bezahlbare Wärmeversorgung auf Basis erneuerbarer Energien möglich ist. In dem stark wachsenden Stadtteil werden Wärme, Strom und Mobilität effizient miteinander gekoppelt.

Über eine Geothermie-Anlage wird aus etwa 3.500 Metern Tiefe geothermische Energie gewonnen und in ein lokales Nahwärmenetz gespeist. In den Sommermonaten soll überschüssige Wärme in einem oberflächennahen, wasserleitenden Gestein zwischengespeichert werden. Eine systemübergreifende Technologieplattform koppelt über ein virtuelles Kraftwerk Wärme, Strom und Mobilität im Quartier für eine intelligente, effiziente und regenerative Energieversorgung. Die Partner entwickeln für das Reallabor einen offenen Wärmemarktplatz, über den Wärme aus verschiedenen Quellen und von verschiedenen Anbietern transparent, hochautomatisiert und effizient gehandelt werden soll. Das Konzept der integrierten Wärmewende macht Wilhelmsburg zu einem Leuchtturm für die Energie- und Wärmewende in urbanen Räumen, die deutschlandweit übertragbar ist.

Thema: Energieoptimierte Quartiere

Laufzeit: 2020 bis 2024

Konsortialführer: innogy SE

Land: Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz

Fokus: Ländlicher Raum, Kleinstadt, Großstadt

Projekt: Smarte Energiequartiere

Zusammenfassung: Um die Klimaziele zu erreichen, muss aus der Stromwende eine „richtige“ Energiewende gemacht werden, die die Sektoren Energie, Wärme und Mobilität stärker als bislang miteinander verknüpft. SmartQuart soll zeigen, dass dies innerhalb eines Quartiers und im Zusammenspiel mit benachbarten Quartieren bereits heute technisch und wirtschaftlich möglich ist. Essen und Bedburg in Nordrhein-Westfalen sowie Kaisersesch in Rheinland-Pfalz bilden gemeinsam dieses Reallabor.

Die Stadtquartiere werden jeweils in sich und auch miteinander vernetzt, damit die vorhandenen Energieinfrastrukturen effizient genutzt werden können. Smart-Grid-Lösungen koppeln Wärme, Kälte, „grünen“ Strom, Wasserstoff und den Bereich Mobilität intelligent miteinander. Ziel ist, in den Modellregionen eine klimaneutrale Energieversorgung zu erreichen. In allen drei Stadtquartieren beteiligen sich Bewohner, Energieversorger sowie lokale Technologieanbieter. SmartQuart repräsentiert typische Stadtquartiere in einem eng verdichteten, ländlichen sowie städtischen Raum, sodass die Konzepte auf andere Quartiere übertragbar sind.

Thema: Energieoptimierte Quartier

Laufzeit: 2020 bis 2025

Konsortialführer: E.ON Energy Solutions GmbH

Land: Nordrhein-Westfalen

Fokus: Mittelstadt, Großstadt

Projekt: Transformation der netzgebundenen, urbanen Wärme- und Kälteversorgung mit intersektoralen Power-2-Heat Lösungen als Beitrag zum Strukturwandel in den Kohlerevieren NRWs

Zusammenfassung: Das Reallabor TransUrbanNRW transformiert die Wärmeversorgung an fünf Standorten in Nordrhein-Westfalen. Bisher werden die von Braunkohleabbau geprägten Quartiere über Fernwärmenetze versorgt. Im Reallabor setzt das Konsortium auf Wärmenetze der 5. Generation, die erneuerbare Energien und Abwärme auf allen Temperaturniveaus einbinden.

Wärmenetze der 5. Generation fungieren als eine Energieplattform für „Prosumer“ – also für Verbraucher, die sowohl Energie nutzen als auch selber bereitstellen, etwa über ihre PV-Anlage auf dem eigenen Hausdach. Der notwendige Erzeugungsmix für die Wärme- und Kältebereitstellung kann bei diesen Wärmenetzen aus fossilen und CO2-freien Erzeugungskapazitäten synthetisiert werden. Dies ermöglicht einen schrittweisen Umbau von der heutigen fossilen Erzeugung in eine strombasierte und zunehmend regenerative Wärme- und Kältebereitstellung. Im Zuge des Kohleausstiegs wandelt sich damit die Rolle des klassischen Fernwärmeversorgungsunternehmens zu Energieplattformanbietern für Wärme, Kälte, Strom und Mobilität.

Thema: Energieoptimierte Quartiere

Reallabore der Energiewende zu Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien

Laufzeit: 2021 bis 2025

Konsortialführer: VNG AG

Land: Sachsen-Anhalt

Fokus: 35-Megawatt-Elektrolyse, Gas- und Wasserstoffnetz

Projekt: Erprobung der Wasserstoffwertschöpfungskette

Zusammenfassung: Besonders in Strukturwandelregionen sind neue Konzepte zur Energieversorgung gefragt. Im Reallabor Energiepark Bad Lauchstädt im mitteldeutschen Chemiedreieck wird Strom aus einem Windpark über ein Elektrolyse-Verfahren in Wasserstoff umgewandelt. Hierfür errichten die Projektpartner eine Anlage mit 30 Megawatt und damit mit einer systemrelevanten Größe. Anschließend wird der Wasserstoff über eine umgerüstete ehemalige Erdgasleitung an den Chemiepark Leuna geliefert und dort stofflich für chemische Prozesse genutzt. Im Energiepark Bad Lauchstädt erproben Fachleute die gesamte Wertschöpfungskette für Wasserstoff. Der Energieträger soll künftig dazu beitragen, die mitteldeutsche Chemieindustrie nachhaltiger zu machen und Wertschöpfung in der Region auch nach dem Strukturwandel zu erhalten.

Thema: Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien

Laufzeit: 2021 bis 2025

Konsortialführer: thyssenkrupp Steel Europe AG

Land: Nordrhein-Westfalen

Fokus: 10.000 m3 pro Stunde Wasserstoffeinblasung in Hochofen und 6,5 km Wasserstoffpipeline

Projekt: Reallabor Wasserstofftechnologien zur schrittweisen Dekarbonisierung der Stahlindustrie

Zusammenfassung: Stahl hat das Ruhrgebiet geprägt. Deutschland ist heute der größte Stahlhersteller in der Europäischen Union. Hier die Produktion von CO2 zu reduzieren, schafft Wettbewerbsvorteile und leistet einen bedeutenden Beitrag für die Energiewende und für den Klimaschutz. Der Strukturwandel hin zu einem modernen Industriestandort wird unterstützt.

Das Reallabor H2Stahl setzt auf Wasserstofftechnologien, um aus Erz Eisen zu gewinnen. Bisher wird für diesen Prozess im Hochofen Einblaskohle verwendet. In einer Übergangsphase soll in den bestehenden Anlagen reiner Wasserstoff beigemischt werden, der den Prozess teilweise dekarbonisiert. Die Betreiber gehen davon aus, dass diese Brückentechnologie CO2-Emissionen um 20 Prozent mindert. Um in späteren Schritten die CO2-Emissionen weiter zu senken, wird parallel erprobt, reinen Wasserstoff in einer Versuchsanlage für Direktreduktion einzusetzen.

Thema: Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien

Laufzeit: 2021 bis 2025

Konsortialführer: Energiedienst AG

Land: Baden-Württemberg

Fokus: Bis zu 10 Megawatt alkalische Elektrolyse mit Strom aus Wasserkraftwerk

Projekt: Entwicklung und Untersuchung eines Testraums für die lokale Energie- und Rohstoffversorgung der Sektoren Gebäude, Verkehr und Industrie auf Basis regenerativen, strombasierten Wasserstoffs

Zusammenfassung: Wasserstoff als Energiespeicher ist ein wichtiger Baustein für eine nachhaltige und saubere Energieversorgung. Seine Nutzung bedeutet keine oder nur sehr geringe Treibhausgas-Emissionen.

In der Elektrolyse-Anlage in Grenzach-Wyhlen am Rhein wird mittels Strom aus dem dortigen Laufwasserkraftwerk Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff kann dann für verschiedene Nutzungswege bereitstehen. Mit H2-Wyhlen soll die in Grenzach-Wyhlen bereits bestehende Power-to-Hydrogen-Infrastruktur mit dem angrenzenden Quartier und Industrieareal zu einem Testraum ausgebaut werden: Vorgängig sollen hierbei Geschäftsmodelle für die bedarfsgerechte Erzeugung, lokale Verteilung und Nutzung des Gases in den verschiedenen Sektoren entwickelt und bei Tragfähigkeit erprobt werden. Geforscht wir an der Entwicklung großskalig fertigbarer Elektrolysetechnologie. Erforscht wird auch, wie die Prozesswärme weiterverwendet werden kann. Eine Begleitforschung berücksichtigt zusätzlich gesellschaftliche Faktoren. Nach der Förderung soll das Gesamtsystem soweit entwickelt sein, dass ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist.

Thema: Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien

Laufzeit: 2021 bis 2025

Konsortialführer: Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz (CC4E) der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Land: Hamburg, Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern

Fokus: Elektrolyse mit insgesamt 77 Megawatt; H2-Tankstellen und -Transport

Projekt: Norddeutsches Reallabor – die Energiewendeallianz für Sektorkopplung

Zusammenfassung: Im Norddeutschen Reallabor soll die ganzheitliche Transformation des Energiesystems erprobt und so zu einer schnellen Dekarbonisierung aller Verbrauchssektoren beigetragen werden. Verteilt auf fünf geografische „Hubs“ in Hamburg, Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern sollen großskalige Konzepte für die Sektorkopplung entwickelt werden, mit Fokus auf Wasserstoff und energieeffizienten Quartierslösungen im Wärmebereich.

Um CO2 einzusparen, sollen beispielsweise Rückstände aus Raffinerien mit „grünem“ Wasserstoff weiterverarbeitet werden. Auch soll untersucht werden, wie sich das Beimischen von Wasserstoff in Erdgas-Brennern auswirkt. Um den Verkehrssektor systemisch einzubinden, sollen vermehrt Brennstoffzellen-Fahrzeuge genutzt und Wasserstofftankstellen gefördert werden. Für das Vorantreiben der Wärmewende wollen die Partner zudem die Abwärme einer Müllverbrennungs- sowie einer Industrieanlage mittels vorhandener Fernwärmeleitungen nutzbar machen. – Mit den geplanten Vorhaben des Norddeutschen Reallabors können etwa 560.000 Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr eingespart werden.

Thema: Sektorkopplung, Wasserstofftechnologien und Quartierslösungen

Laufzeit: 2020 bis 2025

Konsortialführer: Raffinerie Heide GmbH

Land: Schleswig-Holstein

Fokus: 30-Megawatt-Elektrolyse, Kavernenspeicher, Gas- und Wasserstoffnetz

Projekt: Grüner Wasserstoff und Dekarbonisierung im industriellen Maßstab

Zusammenfassung: Mit WESTKÜSTE100 entsteht die „Musterregion Heide“. Hier wird in kleinem Maßstab erprobt, was die Industriegesellschaft künftig möglichst flächendeckend leisten soll: ein nahezu klimaneutrales Gewinnen von Energie und Produzieren von Gütern. Dafür wollen die Projektpartner mithilfe eines 30 Megawatt starken Elektrolyseurs Strom aus Wind in Wasserstoff umwandeln. Das Gas kann dann weitergeleitet und bedarfsgerecht genutzt werden, unter anderem zur Produktion von CO2-neutralem Kraftstoff.

In diesem Reallabor soll der Wasserstoff in einer Salzkaverne gespeichert werden. Geplant ist auch ein Modellnetz zum Wasserstofftransport an verschiedene Abnehmer. Zudem soll der bei der Elektrolyse gewonnene Sauerstoff im Verbrennungsprozess in einem etwa 60 Kilometer entfernten Zementwerk zu hochreinem Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden. Daraus lassen sich beispielsweise chemische Grundstoffe für Lösemittel herstellen. Außerdem entwickelt das Konsortium Betriebs- und Geschäftsmodelle sowie Empfehlungen für die Weiterentwicklung des regulatorischen Rahmens.

Thema: Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien

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