Dossier

Förderinitiative "Zukunftsfähige Stromnetze"

Die Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF), für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) haben eine gemeinsame Initiative zur Förderung von Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet zukunftsfähiger Stromnetze gestartet. Mit der Initiative sollen auf diesem für die Umsetzung der Energiewende wichtigen Gebiet die notwendigen technologischen Voraussetzungen und Innovationen für eine langfristig gesicherte, bezahlbare und umweltverträgliche Stromversorgung geschaffen werden.

Der Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wächst beständig. Damit kommen die Stromnetze an ihre technischen Grenzen. Der Ausbau der erneuerbaren Energien und der Stromnetze muss deshalb im Gleichklang erfolgen, um die Energiewende zum Erfolg zu führen. Neue Anforderungen, wie höhere Übertragungsleistungen, zeitliche und geografische Schwankungen bei der Einspeisung aus erneuerbaren Energien und eine steigende dezentrale Stromproduktion fernab von Verbrauchsschwerpunkten, erfordern neue Technologien und Konzepte. Deshalb werden im Rahmen der Initiative wichtige Aspekte, wie beispielsweise optimierte Übertragungs- und Verteiltechniken, intelligente Stromnetze, neue Konzepte zur Netzplanung und Betriebsführung sowie innovatives Lastmanagement adressiert.

Die Förderinitiative "Zukunftsfähige Stromnetze" ist Bestandteil des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung. Die drei beteiligten Ressorts werden bis zu 150 Millionen Euro für die gemeinsame Initiative bereitstellen und damit laufende Förderaktivitäten in dem Bereich verstärken. Nach der gemeinsamen Forschungsinitiative im Bereich Energiespeichertechnologien  ist dies die zweite ressortübergreifende Maßnahme im Rahmen des Energieforschungsprogramms.

Die Förderrichtlinien wurden am 11. Januar 2013 im Bundesanzeiger veröffentlicht. Projektskizzen bis zum 27. März 2013 eingereicht werden.

Förderinitiative "Energiespeicher"

Im Sommer 2012 gaben BMBF, BMWi und BMU den Startschuss für 60 innovative Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Energiespeicher. Rund 40 dieser Projekte werden durch das BMBF gefördert.


Um bis zum Jahre 2050 bei gleich bleibenden Anforderungen an die Versorgungssicherheit 80 Prozent des Strombedarfs aus Erneuerbaren Energien decken zu können, soll die gemeinsame Förderinitiative "Energiespeicher" der Bundesregierung notwendige technologische Durchbrüche und Kostensenkungen unterstützen und zu einer schnellen Markteinführung neuer Energiespeicher beitragen.

Konkrete Projekte

Neben den beiden Leuchttürmen "Wind-Wasserstoff-Kopplung" und "Batterien in Verteilnetzen" werden Forschungsvorhaben u.a. zu den Themen Energiesystemanalyse und thermische Speicher gefördert. Um auch langfristig Kompetenzen für den Umbau des Energiesystems zu sichern, werden zudem Nachwuchsgruppen an fünf deutschen Universitäten gefördert, die interdisziplinär zu verschiedenen Speichertechnologien forschen.

Im Rahmen der Projekte des Leuchtturms "Wind-Wasserstoff-Kopplung" besteht die größte technische Herausforderung darin, bei der Zerlegung von Wasser zu speicherbarem Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Beispielprojekte:

• Der Verbund "ekolyser" nutzt die Expertise von Forschungseinrichtungen (Forschungszentrum Jülich und Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft) und Industrie (Solvicore, Gräbener Maschinentechnik, FuMA-Tech) zur Entwicklung verbesserter Komponenten für flexible PEM-Elektrolyseure. Aufbauend auf den umfangreichen Erfahrungen der Teilnehmer des Verbunds in der Entwicklung der Komponenten für Brennstoffzellen sollen die Standzeit von Membranen verbessert, metallische Bipolarplatten für den anspruchsvollen Betrieb in Elektrolyseuren entwickelt und die Beladung mit teuren Katalysatoren reduziert werden. (Zuständigkeit liegt beim BMWi)
•  Im Projekt "LastElSys" entwickeln das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Hydrogenics GmbH PEM-Elektrolyseure weiter und passen diese an die wechselnden Lasten an, die bei der Verwendung von Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien auftreten. Ziel sind lastwechselresistente Membran-Elektrolyse-Einheiten für PEM-Elektrolysesysteme. Dazu wird ein Testsystem aufgebaut, in dem verschiedene Kombinationen von Membranen und Katalysatoren erforscht und getestet werden können. (Zuständigkeit liegt beim BMU)
•  Ein Projekt der Technischen Universität Berlin verfolgt die Entwicklung neuartiger hochaktiver preisgünstiger Elektrolysekatalysatoren für beide Teilreaktionen der Wasserstoffelektrolyse. Das Vorhaben trägt zur mittel- bis langfristigen Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Energiespeicherung in Form von Wasserstoff bei. 

Ziel des zweiten Leuchtturms "Batterien in Verteilnetzen" ist es, Strom - insbesondere aus Solaranlagen - gezielt vor Ort zu nutzen, zu speichern oder bedarfsgerecht einzuspeisen, um das Stromnetz zu entlasten. Darüber hinaus können Batterien auch direkt im Verteilnetz zu einem verbesserten Netzbetrieb beitragen und so den Netzausbaubedarf reduzieren. Beispielprojekte:

• Im Projekt "Smart Region Pellworm" wird eine stabile, kosteneffiziente und marktorientierte Elektrizitätsversorgung auf Basis erneuerbarer Energien mit Hilfe eines hybriden Speichersystems entwickelt. Dafür werden in dem Verbundvorhaben auch Netzdienstleistungen mit dem Speichersystem erbracht (Projektpartner: E.ON Hanse AG, Gustav Klein GmbH, Saft Batterien GmbH, Fachhochschule Westküste, Fraunhofer-Anwendungszentrum Systemtechnik und RWTH Aachen). (Zuständigkeit liegt beim BMU)
• In einem Verbundprojekt der Firma Eisenhuth GmbH & Co. KG mit der Technischen Universität Clausthal werden neuartige Bipolarplatten und Dichtungswerkstoffe für Redox Flow Batterien untersucht. Durch die Optimierung der Herstellprozesse kann ein wichtiger Beitrag zur Effizienzsteigerung und zur kostengünstigen Herstellung der Komponenten von Redox-Flow-Batterien erreicht werden. (Zuständigkeit liegt beim BMWi)
•  Batterien müssen zukünftig aufwändig vernetzt und teilweise zu größeren Einheiten hochskaliert werden. Da beides neue Herausforderungen mit sich bringt, erforscht und verbessert das Verbundprojekt zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie, Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG, Freudenberg Forschungsdienste KG und die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg die Komponenten von Vanadium-Redox-Flow-Batterien und erschafft neuartige Teststände zum Erproben dieser Materialien. 

Bei den geförderten Nachwuchsgruppen handelt es sich um Grundlagenforschung an der Ruhr-Universität Bochum, der Westfälische Wilhelms-Universität Münster, am Leibniz Institut für Neue Materialien in Saarbrücken, an der Universität Ulm und am Zentrum für Sonnen- und Wasserstoff-Forschung am Standort Ulm.

Netze und Speicher

Die stärkere Nutzung erneuerbarer Energiequellen erfordert auch einen Umbau der Infrastruktur. Weil die Stromerzeugung bei vielen der erneuerbaren Energien von Tageszeit, Wetter und anderen Umweltbedingungen abhängig ist, schwankt die Menge der aus diesen Quellen erzeugten Energie. So wird zuweilen mehr Strom produziert, als eigentlich benötigt wird, während zu anderen Zeiten weniger Energie zur Verfügung steht, als eigentlich gebraucht würde. Um den Strombedarf auch künftig zuverlässig decken zu können, müssen diese Leistungsschwankungen ausgeglichen werden.

Hier setzen die Speichertechnologien an: Der in Spitzenzeiten erzeugte, aber nicht verbrauchte Strom wird eingelagert, so dass er nicht verloren geht. Vielversprechende Ansätze der derzeitigen Forschung an dauerhaften Energiespeichern sind zum Beispiel elektrische Speicher wie Li-Ionen-Batterien, stoffliche Speicher, bei denen die Energie zum Beispiel durch die Erzeugung von Wasserstoff oder Methan gespeichert wird, oder thermische Speicher, etwa in Verbindung mit der Solarthermie. Auch der Stromverbrauch kann mit Hilfe des so genannten intelligenten Stromnetzes an die jeweils verfügbare Energiemenge angeglichen werden. Das intelligente Stromnetz basiert auf der Idee, den Verbrauch von Energie besser steuern zu können. Ein entsprechend umgerüstetes Stromnetz könnte dann zum Beispiel besser auf Spitzen reagieren, indem es über intelligente Verbrauchssysteme in den Haushalten nur dann energieintensive Vorgänge wie das Wäschewaschen startet, wenn ein Stromüberschuss vorhanden ist. In Zeiten niedriger Energieversorgung könnte es den Stromverbrauch begrenzen.

Doch trotz der Energiewende wird der Einsatz fossiler Brennstoffe auf absehbare Zeit notwendig bleiben. Am 07. Juli 2011 wurde daher vom Bundestag der Entwurf des Kohlendioxid-Speicherungsgesetzes beschlossen. Ziel des Gesetzentwurfs ist zunächst nur die weitere Erforschung sowie die Erprobung und Demonstration der CCS-Technologien (Carobon Capture an Storage). CCS könnte langfristig zu einer realen Verminderung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre - also einer Netto-Entlastung - beitragen, falls diese Technologie auch in Verbindung mit Biomasseprozessen eingesetzt wird. Inwieweit CCS eines Tages allerdings tatsächlich kommerziell und großtechnisch zur Anwendung kommen kann, hängt von der Forschung und vom Erfolg der Demonstrationsprojekte ab.
 

Regenerative Energiequellen & Forschungsansätze

Windenergie

Die Windenergie ist neben der Wasserkraft die wirtschaftlichste der erneuerbaren Energieformen. Im Vergleich zu fossilen Energiequellen kann sie in dieser Hinsicht problemlos mithalten. Aktuell sind in Deutschland Anlagen zur Gewinnung von Windenergie mit einer Gesamtleistung von 27 Gigawatt installiert. Bis 2020 soll sich diese Zahl verdoppeln. Um dies zu erreichen, sollen zum einen große und besonders leistungsfähige Offshore-Windparks vor den deutschen Küsten entstehen. Dort weht der Wind konstanter als an Land, so dass eine gleichmäßigere und umfangreichere Energiegewinnung möglich ist. Die Forschung spielt auch hier eine zentrale Rolle: Vom Bau der Anlagen auf hoher See bis hin zur Netzwerktechnik, die sich mit dem Transport des erzeugten Stroms zum Netz an Land beschäftigt, sind an vielen Stellen weitere technologische Entwicklungen gefragt.

Sonnenenergie

Die Gewinnung von Strom aus Sonnenkraft gilt seit Jahrzehnten als die Zukunft der Energieversorgung. Tatsächlich ist sie mittlerweile ein wichtiger Wirtschaftsfaktor in Deutschland: Jedes zweite photovoltaische Modul weltweit stammt aus deutscher Herstellung. Die Photovoltaik hat jedoch zwei große Nachteile. Aufgrund relativ hoher Produktionskosten und der für eine Photovoltaik-Anlage benötigten Fläche erfordert sie große Investitionen. Gleichzeitig erzielt sie deutlich geringere Wirkungsgrade als andere Technologien. Wichtig sind hier deshalb die Erforschung neuer Materialien und Fertigungstechnologien, die Entwicklung effizienterer Produktionsverfahren und die Steigerung des Wirkungsgrades von Photovoltaik-Anlagen. Die heute handelsüblichen Solarzellen weisen einen Wirkungsgrad von 10-15 Prozent auf. Das bedeutet, dass nur 10-15 Prozent der ihrer Energie tatsächlich als Strom ins Netz eingespeist werden können. Aber die Perspektiven sind vielversprechend: Im Labor können bereits Wirkungsgrade von über 40 Prozent erzielt werden. Dies zeigt, dass die Forschung auf diesem Feld künftig zu einer höheren Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit der Solarenergie führen wird.

Bioenergie

Das Stichwort Bioenergie umfasst eine Reihe von Technologien, die auf nachhaltige Weise Energie aus Biomasse produzieren. Zu Biomasse zählen zum Beispiel Pflanzenabfälle, aber auch speziell zur Verbrennung angebaute Pflanzen, aus denen sich Biokraftstoffe gewinnen lassen. Ziel der Europäischen Union ist es, bis 2020 14 Prozent der Gesamtenergie aus Bioenergie zu erzeugen. Die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme ist die momentan am meisten verwendete kommerzielle Nutzung der Bioenergie. Hier ist ähnlich wie bei Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen vor allem die Effizienzsteigerung und das Erreichen höherer Wirkungsgrade ein wichtiges Thema für die Forschung.

Solarthermie

Wie Kohle- oder Erdgaskraftwerke setzen auch solarthermische Kraftwerke auf Hitze, mit der Dampf erzeugt wird, der letztendlich eine Turbine antreibt und Strom erzeugt. Bei solarthermischen Kraftwerken wird diese Hitze jedoch nicht aus der Verbrennung fossiler Energieträger gewonnen. Stattdessen konzentrieren zum Beispiel Hohlspiegel die Wärme der Sonne auf einen Strahlungsempfänger. Dort erhitzt die gebündelte Strahlung einen Wärmeträger wie etwa Öl oder Wasser, der dann durch eine Turbine strömt. Die Technologie ist jedoch noch nicht soweit, um tatsächlich flächendeckend für die Stromerzeugung genutzt werden zu können. Denn der Prozess funktioniert nur so lange, wie die Sonneneinstrahlung für das Erhitzen des Wärmeträgers ausreicht. Danach bricht die Stromerzeugung zusammen. Hier setzt die aktuelle Entwicklung an. So gibt es Ansätze, die Wärmeentwicklung in sonnenarmen Zeiten durch eine Befeuerung mit Biomasse oder fossilen Energieträgern zu unterstützen. Gleichzeitig arbeiten Forscher an Systemen, die die Hitze der Sonne besser speichern und so die Stromerzeugung auch in Zeiten ohne Sonne aufrecht erhalten können.

Erdwärme

Bei der Energieerzeugung durch Geothermie (auch Erdwärme) werden Schächte in tiefe Gesteinsschichten gebohrt, durch die Wasser eingeleitet wird. Die Wärme der Erde erhitzt das Wasser, das zurück an die Oberfläche getrieben und dort in einem Wärmetauscher zur Dampf- und Stromerzeugung genutzt werden kann. Diese Energie ist grundsätzlich vom Wetter unabhängig, ständig verfügbar und praktisch unerschöpflich. Geothermiekraftwerke wären im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit mit anderen Großkraftwerken vergleichbar. Ein großer Vorteil der Erdwärme ist, dass für Haushalte in der Umgebung konstant, und ohne Klimagase zu erzeugen, Heizwärme zur Verfügung gestellt werden kann. Allerdings ist die Technologie derzeit hierzulande noch nicht im großen Stil für die Praxis nutzbar. Tiefbohrungen sind sehr kostenintensiv und bergen Gefahren durch Verwerfungen in den tiefliegenden Gesteinsschichten. Auch Risiken durch Solen und Gase müssen zunächst besser erforscht werden. Die Entwicklung spezieller Fernwärmenetze ist eine weitere wichtige Voraussetzung für die Anwendungen der Geothermie zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung. 

Wasserkraft

Wasserkraft ist eine Form der Energiegewinnung, die seit Jahrzehnten eingesetzt wird und deshalb besonders ausgereift ist. Sie deckt etwa 19 Prozent des weltweiten Stromangebots und ist damit derzeit noch die mit Abstand größte erneuerbare Energiequelle. Bei der Wasserkraft werden Flussläufe zu großen Seen aufgestaut und ihr Wasser dann durch Öffnungen im Stauwerk geleitet. Hier treibt es Wasserturbinen oder Wasserräder an und erzeugt so Strom. Heute sind weltweit 45.000 große Staudämme in Betrieb, davon etwa 300 sogenannte Mega-Staudämme. Schätzungen gehen davon aus, dass das weltweite Potential der Wasserkraft erst zu einem Drittel ausgeschöpft ist. In Deutschland kann die Wasserkraft nur noch begrenzt ausgebaut werden. Etwa zehn bis zwanzig Prozent der Flussökosysteme sind dem Naturschutz vorbehalten, was die Suche nach neuen Standorten für Stauseen deutlich erschwert.Technisch ist diese Form der Energiegewinnung ausgereift. Sie sorgt jedoch immer wieder für gesellschaftliche Kontroversen. Der Bau von Staudämmen beansprucht große Flächen die entweder schon besiedelt sind, oder aus anderen Gründen als erhaltenswert gelten. Das führt zu berechtigten sozialen Konflikten, die vor dem Neubau solcher Anlagen geklärt werden müssen.

Meeresenergie

Die Kraft des Meeres bietet vielfältige Möglichkeiten zur Stromerzeugung. So gibt es Gezeitenkraftwerke, in denen der Tidenhub für den Antrieb von Turbinen genutzt wird. Andere Kraftwerke nutzen die Energie des Wellengangs oder starker Meeresströmungen. Wieder andere Anlagen treiben über den osmotischen Druck, der aus der Differenz von Süßwasser und salzhaltigem Meereswasser entsteht, eine Wasserturbine an oder nutzen die Temperaturunterschiede verschiedener Meeresschichten. Wie die Geothermie ist auch die Meereskraft konstant nutzbar und unbegrenzt verfügbar. Der Bau großer Meereskraftwerke greift jedoch stark in Umwelt und Landschaft ein, weshalb Großprojekte in diesem Bereich aus Naturschutzgründen und im Hinblick auf die Interessen der Anwohner immer wieder kontrovers diskutiert werden.

Energiewende im Dialog

In den vergangenen zehn Jahren hat sich der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung in Deutschland annähernd vervierfacht: von 4,5 auf heute etwa 17 Prozent. Diese enorme Steigerung der Leistung zeigt, dass die Nutzung der erneuerbaren Energien hierzulande eine beispiellose Erfolgsgeschichte ist. Wasserkraft, Windenergie, Photovoltaik und Bioanlagen sind inzwischen eine nicht mehr wegzudenkende Säule der Energiewirtschaft in Deutschland. Bereits heute wird mit erneuerbaren Energien ein Gesamtumsatz von etwa 25 Milliarden Euro erzielt. Eine Viertelmillion Menschen sind in diesem Bereich beschäftigt.
Der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung soll bis 2020  auf mindestens 35 Prozent steigen. Bis 2030 strebt die Bundesregierung einen Anteil von 50 Prozent an, 2040 sollen es 60 Prozent und 2050 dann 80 Prozent sein.

Die Diskussion über die Energiewende soll keinesfalls wissenschaftlichen Experten vorbehalten sein. Denn nachhaltige Entwicklung erfordert das aktive Zusammenwirken von Gesellschaft und Staat, ambitionierte Forschung und den offenen Austausch untereinander. Im Bürgerdialog "Energietechnologien für die Zukunft", des Bundesministeriums für Bildung und Forschung diskutierten Bürgerinnen und Bürger im vergangenen Herbst Fragen, Bedenken und Vorschläge zur zukünftigen Energieversorgung. Die Ergebnisse wurden in einem Bürgerreport festgehalten. Dieser wurde am 6. November 2011mit konkreten Empfehlungen für die Gestaltung der Energiewende an Bundesforschungsministerin Schavan überreicht. "Jetzt ist wichtig, die Ergebnisse dieses Bürgerdialogs in die Gremien einzubringen, die sich mit der Gestaltung der Energiewende beschäftigen - in der Politik, in der Wissenschaft, in der Wirtschaft, in der Zivilgesellschaft", sagte Schavan zum Abschluss.