Mit den neuen Forschungsfeldern Energie in Industrie und Gewerbe setzt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) seine Vernetzungsstrategie in der Energieforschung fort. Als Schnittstelle zwischen Politik, Forschung und Wirtschaft werden sie künftig wichtige Synergien schaffen. Die themenspezifischen Forschungsfelder ermöglichen den wissenschaftlichen Austausch, eine langfristige Konzeptionierung von Forschungskooperationen sowie programmatische Weiterentwicklungen:

Forschungsfelder

Die Wissenschaft der Tribologie beschreibt Reibung, Schmierung und Verschleiß sich gegeneinander bewegender Oberflächen. Je weniger Reibung, desto geringer sind die Energieverluste und desto höher ist die Lebensdauer der sich aneinander reibenden und damit verschleißenden mechanischen Komponenten. Von diesen Effekten hängen Leistung und Treibstoffverbrauch eines Fahrzeugs ab, aber auch Lebensdauer und Wartungskosten von Landmaschinen oder Pumpen. Um die Prozesse der sich gegeneinander reibenden Kontaktflächen in Maschinen wie Motoren, Lagern oder Pumpen energetisch zu optimieren, müssen die Wissenschaftler die Interaktion genauer verstehen: Welche Rolle spielt das Material, die Form der Oberfläche oder die Chemie des Schmierstoffs? Welchen Einfluss haben Temperatur und Luftfeuchtigkeit? Wie rau oder glatt müssen die im Tribokontakt stehenden Flächen sein?

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Die Fertigung ist das Rückgrat der deutschen Volkswirtschaft. Hunderttausende Arbeitsplätze in der Industrie sind in Deutschland direkt in der Fertigung oder mit dem Umfeld der Fertigung verbunden. Eine der größten Herausforderungen an Forschung und Entwicklung ist es, einzelne Fertigungsschritte nicht mehr separat zu betrachten und energetisch zu optimieren, sondern vor- und nachgelagerte Prozesse sowie die Peripherie genau zu berücksichtigen. Die Optimierung der gesamten Prozesskette muss in Zukunft aus ökologischer, ökonomischer sowie aus Sicht der Qualität betrachtet werden.

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Bei nahezu jedem industriellen Prozess entsteht Wärme. Das reicht von vergleichsweise niedrigen Temperaturen von rund 40 Grad Celsius, die in der Industrie bei technischen Anlagen wie etwa Kompressoren oder Pumpen entstehen, bis zu über 1.000 Grad Celsius bei Verbrennungsprozessen. Mehreren Studien zufolge liegt das Abwärmepotential in Deutschland zwischen etwa 88 und 260 Terawattstunden pro Jahr. Das BMWi hat alle Aktivitäten einer effektiven und effizienten Forschung dieses Schlüsselthema im Forschungsfeld Abwärme gebündelt und ermöglicht so einen wissenschaftlichen Austausch, langfristige Forschungskooperationen sowie programmatische Weiterentwicklungen. Abwärmepotenziale, deren Nutzung im Prozess und eingesetzte Technologien können so erschlossen werden.

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Die Hochtemperatursupraleitung (HTSL) gehört zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts: Ein HTS-Leiter kann den elektrischen Strom nahezu verlustfrei übertragen und besitzt eine 10 bis 100 mal so hohe Stromtragefähigkeit wie ein Kupferdraht mit vergleichbaren Dimensionen. HTSL kann sowohl in der Energietechnik, bei speziellen Industrieanwendungen, als auch in modernen Stromnetzen vielfältig verwendet werden und trägt dazu bei, die Effizienz des gesamten Energiesystems zu erhöhen. Um die notwendigen Innovationen zu beschleunigen sowie auf- und weiter auszubauen, unterstützt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit dem Forschungsfeld HTSL in Deutschland langfristig Kompetenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

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Die Eisen- und Stahlindustrie gehört zu den besonders energieintensiven Branchen. Stahl ist der dominierende Werkstoff u. a. im Hochbau, im Automobil- und Schiffbau, sowie Maschinenbau. Allein der Begriff „Stahl“ beinhaltet mehr als 2.000 Sorten, die sich in ihren Legierungen und Materialeigenschaften unterscheiden. Stahl hat sich mittlerweile zu einem regelrecht High-Tech-Produkt entwickelt, und die Nachfrage auf dem Weltmarkt wächst stetig. Mit Forschung und Entwicklung ist es bereits in den vergangenen Jahren gelungen, den Werkstoff Stahl energieeffizienter zu produzieren und durch ständige Weiterentwicklung auch Produkte hervorzubringen, die durch ihre Anwendung eine höhere Effizienz sichern. Weiterer Forschungsbedarf besteht in der Entwicklung von Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz in Verbindung mit flexibler Produktion (demand side management) und unter kontinuierlicher Erfassung sowie Überwachung aller wichtigen Produkt- und Materialeigenschaften. Energieverluste sollen durch effizientere Kuppelgasnutzung und weitere Maßnahmen (etwa Vorwärmung von Medien und Einsatzstoffen) vermieden werden. Durch den Einsatz moderner Hochtemperaturwerkstoffe soll das Nutzgut gezielt erwärmt werden. Zudem werden auch Beiträge zur Abwärmenutzung und Verkürzung der Prozessketten erwartet.

Die chemische Industrie gehört zu den energieintensivsten Wirtschaftszweigen, deren Produktionsverfahren noch immer erhebliche Energieeinsparpotentiale aufweisen. Zu betrachten sind dabei unterschiedlichste Produktionsvolumina von der kontinuierlich und nahe am Optimum betriebenen Basischemie im Megatonnenmaßstab bis hin zur Spezialchemie, die jeweils nur in wenigen Tonnen pro Jahr anfallen und vorwiegend im Batchbetrieb ausgeführt werden. Während erstere nur durch einen mit hohem FuE-Risiko und hohen Investitionen behafteten Eingriff in den Anlagenbau bestehender Anlagen weiter optimiert werden können, entziehen sich Produktionen mit kleiner werdendem Maßstab aufgrund der wachsenden Differenzierung bei gleichzeitig geringerem Einsparpotential im Einzelfall vor allem aus wirtschaftlichen Gründen einer energetischen Optimierung.

Ziel des Forschungsfeldes ist, Grundlagen, Entwicklungen und demonstrierte Verfahren zur Verfügung zu stellen, die skalen- und applikationsübergreifend mit teils neuen Technologien und optimierten Prozessen eine energieeffiziente und flexiblere Produktion sicherstellen.Nach einer Vorlaufphase begann 2010 die Anlaufphase, in deren Verlauf der Forschungsbedarf konkretisiert und Konsortien gebildet wurden. Ab 2014 wurden mit der Initiative ENPRO etwa zwei Dutzend Einzelprojekte in enger Vernetzung gestartet, die sich dem Ziel der skalenübergreifenden Energieeffizienz aus unterschiedlicher Richtung nähern. Hierzu werden smart scale Komponenten und ein Datenmanagement entwickelt, welche eine Modularisierung und schließlich den Übergang von batchweiser zu energieeffizienterer kontinuierlicher Produktion ermöglichen. In einer zweiten Phase ab 2018 soll eine applikationsübergreifende Effizienz zusammen mit Standardisierung auch von Sensorik und Messtechnik erreicht werden. Ab 2021 ist ein Abschluss mit Demonstrationsanlagen im Pilotmaßstab vorgesehen.

Verbrennungsmotoren als Wandler von chemischer Energie in mechanische (und ggf. nachgeschaltet elektrische) Energie können auch in einem zukünftigen Energiesystem eine Rolle einnehmen, insbesondere wenn statt fossiler regenerativ erzeugte Kraftstoffe zum Einsatz kommen. Ziele der Forschung sind die Steigerung des Wirkungsgrads auch in Verbindung mit einer Verbreiterung des Kennfeldes und einer Brennstoffflexibilisierung, hohe Leistungsdichte und Betriebssicherheit sowie die Senkung der Emissionen.

Numerische und statistische Verfahren sollen verstärkt eingesetzt werden, um Entwicklungen anhand von Strömungs- und Verbrennungsmodellen und automatisierten Versuchsreihen zu beschleunigen. Schaden- und Ausfallmodelle können Wartungskosten ohne Verlust der Betriebssicherheit minimieren. Fragen der Reibungsminimierung und Trockenlaufbeständigkeit, aber auch neue Fertigungstechniken sollen betrachtet werden. Weiterentwicklungen in der Regelungstechnik können weitere Anwendungsfälle auch bei wechselnden Gasqualitäten erschließen.

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