Photovoltaikanlage, Solarzellen, Gasbehälter und Stromnetzleitungen
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Sektorkopplung

Strom aus erneuerbaren Energien muss in den verschiedensten Sektoren unseres Energiesystems nutzbar gemacht werden. Ein aufeinander abgestimmtes Zusammenspiel von Wärme, Mobilität und Industrie kann die Versorgung mit erneuerbaren Energien künftig effizienter sicherstellen.

Erneuerbare Energiequellen haben Potenzial, einen großen Teil unseres Energiebedarfs zu decken. Allerdings sind sie nicht immer in gleichem Maß verfügbar. Ist es windstill oder bewölkt, können Windräder und Photovoltaik-Anlagen keinen oder nur wenig Strom produzieren. Bei Wind und Sonnenschein gibt es hingegen viel Strom. Diese Fluktuationen müssen ausgeglichen werden,  damit es nicht zu Engpässen im Stromnetz kommt.

Durch eine optimale Verknüpfung der Sektoren lässt sich der Anteil erneuerbarer Energie im Energiesystem sukzessive erhöhen. Gleichzeitig wird der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert, da weniger fossile Energiequellen wie Kohle oder Öl benötigt werden. Dieser Forschungsschwerpunkt ist also essenziell, um die Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen.

Wenn das Energiesystem als Ganzes betrachtet wird, kann  über die Sektorkopplung eine flächendeckende und zuverlässige Versorgung mit erneuerbarer Energie sichergestellt werden. Forscherinnen und Forscher können mit  systemanalytischen Modellen technische, rechtliche, volkswirtschaftliche und sozioökonomische Zusammenhänge aufzeigen und damit Risiken besser abschätzen. Dazu gehören zum Beispiel Analysen des Betriebs, der Sicherheit, der Technologie, der Wirtschaftlichkeit und des Lebenszyklus unter Einbeziehung von Recycling.

Weitere Fragestellungen sind: Wie lässt sich die derzeitige Infrastruktur für erneuerbare Energien optimieren? Wo muss nur an kleinen Stellschrauben gedreht werden? Und wo sind tiefgreifende Veränderungen notwendig?

Je mehr erneuerbare Energien in das Energiesystem integriert werden, desto flexibler bewegen sich die Energieflüsse zwischen Erzeugung und Verbrauch. Damit das Gesamtsystem mit diesen neuen Anforderungen fertig wird, müssen Regelung und Betrieb von Erzeugungsanlagen, Speichern und Netzknotenpunkten neu gedacht und optimiert werden. Informationen müssen sicher und in Echtzeit zwischen den Knotenpunkten im Versorgungssystem ausgetauscht werden können. Forscherteams entwickeln innovative Informations- und Kommunikationstechnologien und Geschäftsmodelle, die Sektorkopplung marktfähig machen sowie Ideen, wie verschiedene Infrastrukturen effizient miteinander verknüpft werden können.

Das Energiesystem, wie wir es heute kennen, ist auf die Versorgung durch zentrale fossile oder auch nukleare Kraftwerke ausgelegt. Das spiegelt sich auch in den regulatorischen Rahmenbedingungen wider. Dies hat zur Folge, dass innovative, klimafreundliche Technologien an vielen Stellen die strikten Anforderungen nicht erfüllen können und somit nicht vollumfänglich eingesetzt, geschweige denn ausführlich erprobt werden können. Die Reallabore der Energiewende sollen hier wichtige Bedarfe sichtbar machen.

Hinzu kommt: Energieinfrastrukturen machen nicht an den Grenzen Deutschlands halt. Daher muss bei der Entwicklung von Lösungen über die Ländergrenzen hinweg gedacht werden. Bei all den energiepolitischen und technologischen Veränderungen darf der Mensch als Faktor nicht vergessen werden. Nachhaltige Veränderung braucht gesellschaftliche Akzeptanz und Beteiligung. Aus diesem Grund müssen auch das Verhalten und die Interessen von Verbrauchern und Nutzern bei Konzepten zur Sektorkopplung modelliert und beachtet werden.

Die Speicherung von grünem Strom ist für Haushalte, Industrie und vor allem für den Mobilitätssektor interessant, da dieser direkt von Elektrofahrzeugen genutzt werden kann. Damit die Kopplung von Strom- und Verkehrssektor funktioniert, entwickeln Forscherinnen und Forscher langlebige Batteriesysteme und sogeannte intelligente Methoden für die Steuerung des Lade- und Entladeprozesses (Vehicle-to-Grid).

Auch die Stromnetze gilt es bei der Erforschung von Sektorkopplungstechnologien zu berücksichtigen. Wird ein Fahrzeug an einer Schnellladesäule geladen, wird innerhalb kürzester Zeit viel Strom aus dem Netz benötigt. Passiert dies an vielen Orten gleichzeitig, können Versorgungsengpässe entstehen – zum Beispiel abends nach der Arbeit oder morgens vor dem Berufsverkehr. Fachleute arbeiten daran,  private und öffentliche Ladestationen so zu optimieren, dass sie netzdienlich werden. Dann können Elektrofahrzeuge, die über Nacht an der Ladestation hängen, sogar Schwankungen im Stromnetz abpuffern.

Auch in der Wärme- und Kälteversorgung kann erneuerbarer Strom direkt oder mittels Wärmepumpen eingesetzt werden. Hier müssen sowohl Einzeltechnologien entwickelt als auch ganzheitliche Konzepte im Kontext von Gebäuden und Quartieren erforscht werden.

Damit verschiedene Sektoren verknüpft werden können, muss elektrische Energie umgewandelt werden. Je nach Anwendungsgebiet bieten sich in diesem Zusammenhang   synthetische Gase (Power-to-Gas), alternative Kraftstoffe (Power-to-Fuel/-Liquids)  oder chemische Rohstoffe (Power-to-Chemicals) an. Bisher kommt es bei der Umwandlung noch zu hohen Energieverlusten. Zudem sind die Anlagen in der Regel sehr teuer und nicht für den flexiblen Betrieb mit erneuerbarem Strom konzipiert. Darum entwickeln Forscherinnen und Forscher Technologien, mit denen sich Effizienz, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen steigern lässt.

Eine weitere Möglichkeit, große Mengen erneuerbaren Stroms nutzbar zu machen, ist die indirekte (Langzeit-)Speicherung. Der grüne Strom wird genutzt, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten, wobei die Energie im chemischen Potenzialunterschied der beiden Elemente gespeichert wird. Dieser Vorgang heißt Wasserelektrolyse. Der Wasserstoff kann elementar oder chemisch gebunden über lange Zeiträume gelagert und bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese sogenannte Rückverstromung kann mittels Brennstoffzellen oder stationären Verbrennungsmotoren erfolgen. Besonders interessant sind Brennstoffzellen- und Elektrolytsysteme, die in beide Richtungen genutzt und flexibel eingesetzt werden können (siehe auch „Wasserstoff speichern“).

Wird grüner Strom als gasförmiger Wasserstoff gespeichert, bietet es sich an, diesen über die etablierten Gas- und Stromleitungen zu transportieren. Um die Wege kurz und die Verluste niedrig zu halten, entwickeln Expertinnen und Experten Konzepte für Power-to-Gas-Anlagen zwischen Stromerzeugung und Gasnetz. Sie erforschen, wie viel Wasserstoff die Gasleitungen und die daran angeschlossenen Geräte gefahrlos und ohne Schaden zu nehmen, aufnehmen können.  Denn Wasserstoff kann das Material von Gasleitungen auf Dauer zersetzen. Diese Art von Korrosion wird als Wasserstoffversprödung bezeichnet und ist auch bei der Konstruktion von Brennstoffzellen ein Problem. Eine derart beschädigte Gasleitung könnte dem Druck nicht mehr standhalten und wäre undicht, wodurch leicht entflammbares Gasgemisch austreten könnte. Um dies zu vermeiden, entwickeln Forscherinnen und Forscher innovative Leitungs- und Beschichtungsmaterialien, die vor Korrosion schützen. Gleichzeitig müssen Messmethoden entwickelt werden, mit denen potenzielle Schäden an Armaturen und Leitungen frühzeitig erkannt und behoben werden können.

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