Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Die deutsche Bundesregierung hat für alle Bereiche der Energiewende klare Ziele formuliert. Die Energieversorgung soll zunehmend auf erneuerbare Energien umgestellt und effizienter genutzt werden. Neben dem Fokus auf die Stromerzeugung bieten die Sektoren Wärme und Mobilität hin zu erneuerbaren Energien ein großes Potenzial. Um das Zusammenspiel der drei Sektoren zu analysieren, bedarf es angepasster Methoden und Tools. Das Fraunhofer IFAM verfügt über einen umfangreichen Werkzeugkasten an Modellen und Simulationswerkzeugen zur Analyse verschiedener Energiesysteme und Szenarien sowie für die Entwicklung nachhaltiger Energieversorgungssysteme. Dies erfolgt sowohl in öffentlichen Forschungsprojekten als auch im Auftrag von Energieversorgungsunternehmen oder Landesbehörden.
Energiewende im Quartier
Im Zuge der Energiewende rückt die Energieversorgung und -erzeugung im Quartier in den Fokus. Hier fallen Strom-, Wärme- und Mobilitätsbedarfe an, es gibt aber auch verschiedene potenzielle Energiequellen. Indem das Quartier als Ganzes betrachtet wird, können Synergien genutzt und die vorgelagerten Netze entlastet werden. Zudem lassen sich auch lokale Potenziale in der Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung einbeziehen. Die integrale Versorgung eines Quartiers erfordert die Abstimmung des Zusammenspiels der Erzeugungs-, Verbrauchs- und Speichertechniken. Um diesen Prozess zu unterstützen, verfügt das Fraunhofer IFAM über Tools zur Simulation und Visualisierung von Wärmenetzen. Für unterschiedliche Zeitreihen kann berechnet werden, wie viel Wärme zur Deckung der Wärmebedarfe und -verluste erforderlich ist. Die Ergebnisse ermöglichen dann eine optimale Auslegung der Energiesysteme im Quartier. Durch die Umgestaltung der Energieversorgung des Quartiers wird nicht nur das Treibhausgas-Minderpotenzial erschlossen. Die hierbei notwendigen Maßnahmen wie Sanierung, Umbau und Neuinstallation von Techniken führen auch zu positiven Wertschöpfungsund Beschäftigungseffekten in der Region. Die Energiewende im Quartier trägt somit zur Erreichung kommunaler Ziele bei: Klimaschutz, Selbstversorgung und wirtschaftliche Prosperität. Zur Ermittlung der regionalökonomischen Effekte hat das Fraunhofer IFAM ein Tool entwickelt, mit dem in unterschiedlichen Szenarien das Wertschöpfungs- und Beschäftigungspotenzial der implementierten Technologien analysiert werden kann.
Sektorkopplung
Durch die Kopplung unterschiedlicher Energiesektoren (Strom mit Wärme, Gas und Verkehr) kann fluktuierende erneuerbare Energie besser integriert und auf alle Sektoren verteilt werden. Mit dem entwickelten Modell »MuGriFlex« werden sektorübergreifende Energiesysteme z. B. mit Elektrokesseln, Wärmepumpen, Speichern, KWK-Anlagen und Elektrolyseuren unter verschiedenen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen simuliert. Das Tool errechnet einen stundenscharf optimierten Fahrplan für geringste Wärmeversorgungskosten oder maximale Systemdienlichkeit und ermittelt Anlagenkombinationen und -größen zur betriebswirtschaftlich optimalen Versorgung. Besonderer Fokus liegt auf dem Einfluss und den möglichen Weiterentwicklungen der Rahmenbedingungen, wie Investitionsförderungen oder staatlich induzierte Preisbestandteile. In dem vom BMWi geförderten Verbundvorhaben »Fahrplan Gaswende« werden diese Arbeiten mit dem Fokus auf den Klimaschutz im Gas- und Wärmesektor vertieft.
Elektrofahrzeuge unterstützen Stromnetze
Die Digitalisierung wird im Automobilsektor immer wichtiger, insbesondere im Bereich der Elektrofahrzeuge. Doch Elektrofahrzeuge können mehr als nur Mobilität: Sie können auch mit den Sektoren Strom und Wärme gekoppelt werden. Im Rahmen des BMWi-Projekts »i-rEzEPT« werden rückspeisefähige (V2G) Elektrofahrzeuge genutzt, um Stromnetze zu stabilisieren bzw. zu entlasten. Zum einen nehmen sie am Primärregelleistungsmarkt teil, zum anderen dienen sie als Pufferspeicher im Gebäudebereich und speichern überschüssige Energie aus lokalen Photovoltaikanlagen zwischen. Die Fahrzeuge stellen also eine quasistationäre Energiequelle als auch -senke zugleich dar. Ziel der Forschungsarbeiten am Fraunhofer IFAM ist es, mehrere Fahrzeuge samt Ladeinfrastruktur digital an bestehende Energiemanagementsysteme von Gebäuden und Stromnetzen anzubinden, sodass die Energieservices zuverlässig geleistet werden können.
Ladeinfrastruktur für nachhaltige Mobilität
Der Ausbau der Elektromobilität ist ein wichtiges Element der Verkehrswende. Dazu müssen ausreichend viele emissionsarme bzw. emissionsfreie Fahrzeuge in den Markt gebracht werden. Gleichzeitig muss aber auch die entsprechende Ladeinfrastruktur zügig ausgebaut werden. Nur wenn die Fahrerinnen und Fahrer von Elektrofahrzeugen sicher sein können, dass sie immer eine gute und verlässliche Ladeinfrastruktur vorfinden, wird ein schneller Wechsel hin zur Elektromobilität gelingen. Im Projekt »Cities in Charge« wird daher nicht nur Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge errichtet, sondern auch erforscht, wie der Ausbau der Ladeinfrastruktur beschleunigt werden kann. Dazu wird untersucht, wie die im Projekt aufgebauten Ladestationen genutzt werden. Befragungen von Nutzerinnen und Nutzern der Ladeinfrastruktur haben das Ziel, herauszufinden, wie das Laden von E-Fahrzeugen optimal in den Alltag integriert werden kann. Darüber hinaus wird durch Gespräche mit Kommunen und Städten analysiert, welche konkreten Hemmnisse und Herausforderungen auftreten und welche Strategien bei der Planung und dem Bau neuer Ladeinfrastrukturen besonders erfolgreich waren. Des Weiteren wird untersucht, welchen Beitrag die Nutzung der Ladestationen zur Reduktion von Emissionen leistet. Hierzu wurde eine Methodik entwickelt, mit der auf Basis von Daten zu Ladevorgängen die Reduzierung von NOx-Emissionen durch den Einsatz von E-Fahrzeugen für einzelne Ladesäulen, Ladenetze einzelner Betreiber oder für ganze Regionen berechnet werden kann.