Forschungsnetzwerk
Flexible Energieumwandlung

Nahaufnahme einer Turbine
(Bild: www.siemens.com/press)

Noch arbeiten die meisten Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen. In Zukunft werden alternative Brennstoffe - wie Biomasse - Kohle oder Gas ersetzen. Im Forschungsnetzwerk können sich die Mitglieder über neueste Entwicklungen austauschen, gemeinsame Forschungsprojekte initiieren und mit den Fachreferenten im Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über Förder- und Forschungsschwerpunkte diskutieren.

Die Aufgabe konventioneller Kraftwerke hat sich in Zeiten der Energiewende grundlegend geändert. Während die Kraftwerke noch vor einigen Jahren im Dauerbetrieb liefen, sind sie heutzutage als flexible Dienstleister gefragt. Ihre Aufgabe ist es, in sonnenarmen oder windschwachen Zeiten ausreichend Strom zu produzieren, um die Energieversorgung sicherzustellen. Dafür müssen die Anlagen häufiger als früher an­ und abgefahren oder in Teillast betrieben werden.

Zudem sind innovative Lösungen gefragt, um die anfallenden CO2­-Emissionen zu reduzieren, zu speichern oder energetisch sinnvoll zu Brennstoffen und Chemikalien umzuwandeln. So kann CO2 beispielsweise als Grundstoff verwendet werden, um daraus flüssige Kraft- oder Brennstoffe herzustellen.

Solarthermische Kraftwerke ohne CO2-Emissionen

Nahezu CO2-frei arbeiten solarthermische Kraftwerke, die Sonnenenergie in Strom umwandeln.Solarthermische Kraftwerke benötigen allerdings eine hohe Sonneneinstrahlung. Dies ist in Ländern wie Marokko oder Spanien der Fall. In Deutschland entwickelte Kraftwerke und Kraftwerkskomponenten können daher nicht vor Ort eingesetzt werden. Durch ihren Export tragen sie jedoch weltweit zur Kohlenstoffdioxidreduktion bei.

Um diese vielfältigen Herausforderungen zu bewältigen, haben sich im Frühjahr 2017 auf Initiative des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) Experten aus Hochschulen, wissenschaftlichen Forschungsinstituten und der Industrie im Forschungsnetzwerk Flexible Energieumwandlung zusammengeschlossen. Die bereits bestehende Forschungsinitiative Cooretec, die sich mit CO2-Reduktions-Technologien beschäftigt hatte, ist in das offene und selbstorganisierte Expertennetzwerk integriert worden.

Mitarbeit im Forschungsnetzwerk Flexible Energieumwandlung

Das Forschungsnetzwerk Flexible Energieumwandlung hat am Konsultationsprozess zum 7. Energieforschungsprogramm intensiv mitgearbeitet, um den Forschungsförderbedarf eng an den Bedürfnissen von Wissenschaft und Industrie auszurichten. Die Mitarbeit im Netzwerk steht interessierten Fachleuten jederzeit offen. Voraussetzung ist, dass sie sich als Mitglied für das Netzwerk kostenlos registrieren. Ein Engagement ist in einer oder mehreren der fünf Arbeitsgruppen möglich, die mit ihren Empfehlungen Impulse für die künftige Forschungsförderung in den politischen Raum geben.

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Forschungs- und Entwicklungsthemen von Gas- und Dampfkraftwerken, die mit festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen betrieben werden und die freigesetzte thermische Energie in Strom und Wärme umwandeln. Dazu gehören auch Anlagen auf Basis neuer Prozessvarianten und Hybridkonzepte. Auch wenn die eingesetzten Energieträger aktuell noch überwiegend aus fossilen Brennstoffen bestehen, lassen sich fortschrittliche thermische Kraftwerke langfristig auch mit erneuerbaren Brennstoffen, zum Beispiel aus Power-to-X-Prozessen, betreiben. Die Mitglieder der Arbeitsgruppe forschen unter anderem daran, wie der Kraftwerkbetrieb flexibilisiert und die CO2-Emissionen reduziert werden können. Weitere Themen sind der Einsatz von alternativen Brennstoffen, Digitalisierung und innovative Systemdienstleistungen.

Verbrennungsprozesse in Kraftwerken verursachen die meisten globalen CO2-Emissionen, gefolgt von Produktionsprozessen in der Industrie. Die Mitglieder der Arbeitsgruppe erarbeiten Lösungen, mit denen CO2 aus Abgasen abgetrennt, gespeichert oder als Rohstoff weiterverwendet werden kann.

Für die Stromproduktion in Kraftwerken existieren bereits technische Lösungen in Demonstrationsanlagen, mit denen CO2 isoliert wird. Diese Technologien sollen zur Marktreife weiterentwickelt und auf andere Produktionsprozesse übertragen werden. Kohlenstoffdioxid lässt sich zudem zu Kraft- und Brennstoffen oder Chemikalien weiterverarbeiten. Um CO2 als Rohstoff zu nutzen, muss an innovativen Speichern und deren Infrastruktur geforscht werden. Die bisherigen Forschungen und Analysen haben den Bedarf von Großkraftwerken berücksichtigt. Im dezentralen Energiemarkt der Zukunft werden dezentrale Speicher- beziehungsweise Zwischenspeicheroptionen benötigt.

Solarthermische Kraftwerke nutzen die Sonneneinstrahlung, um klimafreundlich - das heißt ohne Treibhausgase - Strom zu produzieren. Auch wenn sich Deutschland aufgrund seines Wetters nicht als Standort eignet: Die Planung und der Bau beziehungsweise Betrieb solcher Kraftwerke in sonnenreichen Ländern wie Marokko oder Spanien bieten interessante Geschäftsmöglichkeiten für deutsche Unternehmen.

In der Arbeitsgruppe werden innovative digitale Technologien erforscht, die dazu beitragen, die Kosten von Kraftwerken weiter zu senken sowie deren Effizienz und Zuverlässigkeit zu steigern. Dazu zählen additive Herstellungsverfahren, moderne Datenauswertungsverfahren oder netzgestütztes Monitoring. Außerdem arbeiten die Experten daran, Mess- und Prüfverfahren für Komponenten zu definieren und zu standardisieren.

Durch Speicher lassen sich die Produktion und der Verbrauch von Energie zeitlich und räumlich entkoppeln: ein entscheidender Faktor, wenn es darum geht, mehr elektrischen Strom aus regenerativen Energiequellen ins Stromnetz zu integrieren. Denn Sonnen­- und Windenergie sind wetterabhängig und fluktuieren daher stark.

Die Fachleute in der Arbeitsgruppe beschäftigen sich mit Fragen der Kurz- und Langzeitspeicherung sowie mit thermischen Speichermöglichkeiten. Optimierte Power-to-X-Verfahren wie die Elektrolyse sollen dazu beitragen, die Stromproduktion mit anderen Sektoren wie dem Verkehr, der Industrie oder den Haushalten zu koppeln. Die Experten forschen unter anderem an Elektrokatalysatoren und Materialien sowie an der Anlagentechnik und Systemintegration.

Gas- oder Dampfturbinen werden zum Wandeln und Transportieren der erneuerbaren Energien benötigt. Sie sind zentrale Komponenten, die sowohl mit synthetischen und biologischen Kraftstoffe also auch mit Wasserstoff betrieben werden können. Auch solar- - und geothermische Kraftwerke sowie Wasserkraftwerke und Pumpspeicher sind auf sie angewiesen.

Die Fachleute der Arbeitsgruppe forschen daher daran, wie hohe Wirkungsgrade bei gleichzeitiger Schadstoffemissionsreduktion und Brennstoffflexibilität erreicht werden können. Mithilfe der Digitalisierung können hochauflösende und multidisziplinäre Simulationsverfahren weiterentwickelt werden. Darüber hinaus ermöglichen digitale Systeme, dass Betriebsdaten in Echtzeit erfasst und interpretiert werden können.

Publikationen

Forschungsnetzwerk Flexible Energieumwandlung

Expertenempfehlung für das 7. Energieforschungs-programm

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2017PDF1 MB

Kontakt

Dr. Heiko Gerhauser
Projektträger Jülich

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