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Digitalisierte Wärmespeicher für die Energiewende

In dem Projekt DARING soll die Energieeffizienz von Wärmespeichern (z.B. Puffer- und Trinkwasserspeicher) im Bereich der Gebäudeenergieversorgung signifikant gesteigert werden. Dafür wird eine innovative Sensortechnologie (Sensorhaut) für die großflächige Erfassung des Temperaturprofils an den Speichern optimiert. Mit den generierten Daten lässt sich der exakte Beladungszustand bestimmen und die Energiezufuhr gezielter steuern. Durch eine bessere Steuerung von Wärmepumpensystemen kann eine Effizienzsteigerung um bis zu 10% erreicht werden. Für Solarthermie-Anlagen im Gebäudebereich sowie Fernwärme-Hausstationen werden äquivalente Werte prognostiziert. Bei der vorgelagerten Gebäudeversorgung über Wärmenetze besteht bei einer Integration in das übergeordnete Lastmanagement das Potenzial, vom kontinuierlichen in den Pulsbetrieb überzugehen, womit Trinkwasserspeicher gezielt beladen werden können. Die Technologie der Sensorhaut basiert auf druckbarer organischer Dünnschicht-Elektronik und erlaubt die zuverlässige Messung verschiedener Parameter (z.B. Temperatur) über große Flächen hinweg in Echtzeit. Durch den speziellen Herstellungsprozess (Flüssigprozessierung) sind die Sensorfolien in Form und Funktion nahezu beliebig konfigurierbar. Dabei entsteht nur ein minimaler Material- und Energieverbrauch, woraus sich im Vergleich zu herkömmlicher Sensorik Kostenvorteile sowie eine bessere CO2 Bilanz ergeben. DARING ist als Verbundprojekt konzipiert, in dem Experten aus Forschung und Praxis zusammenarbeiten. Dadurch wird gewährleistet, so nah an den realen Gegebenheiten und Bedürfnissen zu entwickeln wie möglich. Neben dem Institut für Angewandte Physik der TU Dresden sind die Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung, die Firma Viessmann Climate Solutions SE sowie die Cupasol GmbH als direkte Projektpartner an der Umsetzung und Erprobung beteiligt. Darüber hinaus ist die Vonovia SE als Drittmittelgeber Teil des Konsortiums.

Substitution des kritischen Rohstoffs Cobalt in Hartmetallwerkzeugen und Steigerung der Ressourceneffizienz durch neue Ansätze zur Wiederaufarbeitung und Restauration, Teilvorhaben: Entwicklung von Vorbehandlungs- und Aufbereitungsschritten für den Einsatz Co-freier Hartmetalle

Lebensdaueroptimierte 'Multi-Use' Speichersysteme

Als 'Enabling technology' für Schnelladesäulen an Autobahnen, PV-Mieterstromkonzepten oder zur Verbesserung der Netzstabilität sind industrielle Batteriespeichersysteme (CSS) ein entscheidender Baustein der zukünftigen Energiewende. Derzeit ist der Betrieb dieser Technologie nur in Einzelfällen oder durch öffentliche Fördermittel wirtschaftlich darstellbar. Ein bisher bewährter Ansatz zur Ertragsoptimierung ist es den Speicher für mehrere Anwendungen zu nutzen (PV-Eigenverbrauch; BHKW Optimierung; Peak Shaving). Der Einfluss dieser 'Multi-Use' Ansätze auf die Alterung der Energiespeicher ist jedoch weitgehend unbekannt. In der Praxis wird daher häufig eine Überdimensionierung der Speichersysteme sowie eine Einschränkung der Garantiebedingungen vorgenommen. Das Projekt 'Storage Multi-App' will daher über 'digitale Zwillinge' Speicher hinsichtlich der Alterungseigenschaften optimiert Auslegen und Betriebsstrategien entwickeln, welche deren Kosten und Ertragskraft signifikant verbessert.

Planfeststellungsverfahren nach §§ 43 ff. des Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG) mit Umweltverträglichkeitsprüfung für den Ersatzneubau und den Betrieb der 110-kV-Leitung zwischen den Umspannwerken Hardebek und Kellinghusen/Nord

Die Vorhabenträgerin, Schleswig-Holstein Netz GmbH, Schleswag-HeinGas-Platz 1, 25451 Quickborn, hat beim Amt für Planfeststellung Energie (AfPE) für das Bauvorhaben einen Antrag auf Planfeststellung nach dem EnWG gestellt. Das zum Ministerium für Energiewende, Klimaschutz, Umwelt und Natur des Landes Schleswig-Holstein gehörende AfPE ist sowohl für das Anhörungsverfahren als auch für die Entscheidung über die Zulässigkeit des Vorhabens zuständig. Diese Entscheidung erfolgt mittels eines Planfeststellungsbeschlusses. Zweck der Planfeststellung ist es, alle durch das Vorhaben berührten öffentlich-rechtlichen Beziehungen zwischen der Vorhabenträgerin und den Behörden sowie den durch den Plan Betroffenen rechtsgestaltend zu regeln. Für das Vorhaben besteht gemäß § 7 Abs. 1 Satz 1 des Gesetzes über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG) i. V. mit Nr. 19.1.3 Spalte 2 der Anlage 1 zum UVPG die Verpflichtung zur Durchführung einer allgemeinen Vorprüfung zur Feststellung der UVP-Pflicht. Die Vorhabenträgerin hat gemäß § 7 Abs. 3 UVPG die Durchführung einer UVP im Voraus beantragt und im Einverständnis mit der zuständigen Behörde entschieden, keine UVP-Vorprüfung durchzuführen. In dem Fall besteht für das Vorhaben eine UVP-Pflicht. Durch die Veröffentlichung und Auslegung der Planunterlagen erfolgt gleichzeitig die Anhörung der Öffentlichkeit zu den Umweltauswirkungen des Bauvorhabens nach § 18 und § 19 UVPG. Wesentlicher Inhalt der Planung ist: • Errichtung und Betrieb einer zweisystemigen 110-kV-Freileitung LH-13-186 vom Umspannwerk Hardebek bis zum Umspannwerk Kellinghusen/Nord auf einer Länge von 15 km • Rückbau der einsystemigen 60-kV-Leitung zwischen dem neu zu errichtenden Umspannwerk Hardebek, dem Umspannwerk Brokstedt und dem derzeitigen Umspannwerk Kellinghusen • Umbindung der bestehenden 60-kV-Leitung von Brachenfeld nach Brokstedt an das neu zu errichtende Umspannwerk Hardebek • Errichtung und Betrieb eines einsystemigen Provisoriums im Bereich Kellinghusen zwischen den Bestandsmasten 37 und 39 der Leitung 441 • Erschließung des Baufeldes über das örtliche Wegenetz sowie über neue oder bestehende Zufahrten • Bauzeitliche Ertüchtigung sowie bauzeitlicher Ausbau diverser gemeindlicher Wege für die Erschließung der Baustelle • Ausweisung von Kompensationsmaßnahmen im Rahmen des landschaftspflegerischen Begleitplanes (LBP) sowie weitere aus den Planunterlagen ersichtliche Maßnahmen auf den Gebieten der Gemeinden Kellinghusen, Quarnstedt, Brokstedt und Rosdorf im Kreis Steinburg sowie Borstel, Hasenkrug, Hardebek und Großenaspe im Kreis Segeberg.

Integriertes vollumfängliches Regio-Wasserstoffkonzept

Spätestens seit der Verkündung der nationalen Wasserstoffstrategie im Jahr 2020 spielt die Produktion und Verwendung von Grünem Wasserstoff in der deutschen und auch in der europäischen Energiewende eine bedeutende Rolle. Durch Grünen Wasserstoff wird die Sektorenkopplung ermöglicht und Grüner Strom kann für lange Zeiträume gespeichert werden. Die notwendigen Komponenten der Technologie, von der Erzeugung von Grünem Wasserstoff über den Transport bis hin zur Rückumwandlung in andere Energieformen, sind am Markt erprobt und werden aktuell skaliert. Somit können die Mengen an Wasserstoff, die für die kommenden Jahre benötigt werden (je nach Studie 4 TWh bei 1 GW installierter Elektrolyseleistung bis zu 20 TWh bei 5 GW installierter Elektrolyseleistung bis 2030) zumindest in Teilen in Deutschland selbst produziert werden. Bei der Skalierung der Anlagen kommen zwei Ansätze in Frage: Einerseits werden einzelne Anlagen größer, andererseits wird die Anzahl kleiner und mittelgroßer Anlagen erhöht. Grundsätzlich wird die Skalierung in beiden Dimensionen benötigt werden, um die enorme Nachfrage nach Grünem Wasserstoff bedienen zu können. Dieses Vorhaben fokussiert hierbei auf die skalierbare Auslegung und Produktion kleiner bis mittelgroßer Anlagen. So ist es das Ziel des Vorhabens, ein Konzept zu entwickeln, anhand dessen Elektrolyseure im Leistungsbereich von 500 kW bis 5 MW in eine regionale Energieversorgung eingebracht werden können. Hierbei gilt es, die entstehenden Stoffströme integriert zu betrachten, um so dezentrale und nachhaltige Wasserstoffkonzepte in die Realität zu überführen. Um dieses Konzept skalierbar zu entwickeln und an weiteren Standorten ausrollen zu können, muss ein grundsätzliches Vorgehen entwickelt werden, anhand dessen eine modularisierbare Anlage auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden kann.

Integriertes vollumfängliches Regio-Wasserstoffkonzept, Teilvorhaben: Entwicklung einer Wasserstoff-Onlineplattform

Spätestens seit der Verkündung der nationalen Wasserstoffstrategie im Jahr 2020 spielt die Produktion und Verwendung von Grünem Wasserstoff in der deutschen und auch in der europäischen Energiewende eine bedeutende Rolle. Durch Grünen Wasserstoff wird die Sektorenkopplung ermöglicht und Grüner Strom kann für lange Zeiträume gespeichert werden. Die notwendigen Komponenten der Technologie, von der Erzeugung von Grünem Wasserstoff über den Transport bis hin zur Rückumwandlung in andere Energieformen, sind am Markt erprobt und werden aktuell skaliert. Somit können die Mengen an Wasserstoff, die für die kommenden Jahre benötigt werden (je nach Studie 4 TWh bei 1 GW installierter Elektrolyseleistung bis zu 20 TWh bei 5 GW installierter Elektrolyseleistung bis 2030) zumindest in Teilen in Deutschland selbst produziert werden. Bei der Skalierung der Anlagen kommen zwei Ansätze in Frage: Einerseits werden einzelne Anlagen größer, andererseits wird die Anzahl kleiner und mittelgroßer Anlagen erhöht. Grundsätzlich wird die Skalierung in beiden Dimensionen benötigt werden, um die enorme Nachfrage nach Grünem Wasserstoff bedienen zu können. Dieses Vorhaben fokussiert hierbei auf die skalierbare Auslegung und Produktion kleiner bis mittelgroßer Anlagen. So ist es das Ziel des Vorhabens, ein Konzept zu entwickeln, anhand dessen Elektrolyseure im Leistungsbereich von 500 kW bis 5 MW in eine regionale Energieversorgung eingebracht werden können. Hierbei gilt es, die entstehenden Stoffströme integriert zu betrachten, um so dezentrale und nachhaltige Wasserstoffkonzepte in die Realität zu überführen. Um dieses Konzept skalierbar zu entwickeln und an weiteren Standorten ausrollen zu können, muss ein grundsätzliches Vorgehen entwickelt werden, anhand dessen eine modularisierbare Anlage auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden kann.

Umweltfreundliches Galvanisierungsverfahren zum Ersatz von Silber durch Kupfer für PV-Solarzellenkontakte

Zielsetzung: Die Solarenergie ist neben der Windenergie eine der Hauptsäulen der Energiewende. Damit die Klimaziele erreicht werden, ist es notwendig die Solarindustrie weltweit massiv zu skalieren. Pierre Verlinden, einer der weltweit führendsten Solarexperten, äußert sich dazu 2020 im Journal of Renewable and Sustainable Energie wie folgt: “The [PV] industry has demonstrated that it is capable to grow at a very high rate and to continuously reduce the cost of manufacturing. There are no challenges related to the technology, manufacturing cost, or sustainability, except for the consumption of silver, which needs to be reduced by at least a factor of 4 […].” Silber ist die einzige kritische Ressource in der Solarzellenproduktion. Derzeit werden bereits weltweit ca. 17 % des jährlich in Minen abgebauten Silbers für die Solarzellenfertigung beansprucht. Gleichzeitig wächst die Fertigungskapazität für Solarzellen exponentiell um 20 - 30 % pro Jahr. Ohne technologische Innovation würde die Solarindustrie bereits im Jahr 2030 das gesamte weltweit verfügbare Silber aus dem Bergbau nachfragen. Es versteht sich von selbst, dass dies kein tragfähiges Szenario ist, zumal auch andere Zukunftstechnologien, wie die Elektromobilität, einen zunehmend hohen Silberbedarf anmelden. Expert*innen sind sich einig, dass die Versorgung der Solarindustrie mit Silber für die elektrischen Kontakte der Solarzellen bereits in 2 - 4 Jahren das größte Problem für das nötige Wachstum der Solarindustrie sein wird und somit auch zum Flaschenhals für die gesamte Energiewende wird. Das Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, PV2+, hat eine patentierte Galvaniktechnologie entwickelt, die es Solarzellenherstellern erlaubt mithilfe eines speziell entwickelten Elektrolyten, in Solarzellenkontakten Silber durch Kupfer zu substituieren. Dies ermöglicht die Skalierung der Solarindustrie und löst somit eine der zentralen Nachhaltigkeitsherausforderungen unserer Zeit. Fazit: Das Förderprojekt PV2+ verfolgte das Ziel, Silber durch Kupfer in Solarzellenkontakten zu ersetzen, um Kosten zu senken, die Rohstoffabhängigkeit zu verringern und die ökologische Nachhaltigkeit der Photovoltaikbranche zu stärken. Die gewählte technische Vorgehensweise erwies sich als sehr erfolgreich: Prozesse wie Sputtern und Laserablation wurden optimiert und auf Industrieanlagen übertragen, eine neue Galvanikanlage ermöglichte die homogene Kupferabscheidung auf über 500 Zellen bei stabilisiertem Elektrolyt. Der Proof of Concept wurde durch bessere Zellleistungen auf Industriewafern und einem ROI < 1 Jahr erbracht. Auch erste Umsätze durch Kundenbemusterungen bestätigen den Marktbedarf. Strategisch war eine Kurskorrektur nötig: Aufgrund des Rückgangs der europäischen Solarindustrie wurde der Fokus erfolgreich auf Asien und die USA sowie auf eigene pilotähnliche Demoproduktion verlagert. Diese Neuausrichtung erwies sich als essenziell für Markteintritt und Skalierung. Alternative technische Ansätze wie Kupfer-Nanopartikel oder Polymermasken wurden geprüft, boten jedoch keine vergleichbare Leistung, Wirtschaftlichkeit oder Umweltbilanz wie das patentierte Galvanikverfahren von PV2+. Die zentrale alternative Idee war daher nicht technologischer, sondern strategischer Natur und sie trug maßgeblich zur Zielerreichung bei.

Graswurzelbewegung bei der Energiewende: Die Rolle von Extremereignissen für die gesellschaftliche Akzeptanz nachhaltiger Wärmeversorgung, Teilvorhaben: Hemmnisse und Hebel für die Transformation der Wärmeversorgung in Deutschland aus Sicht von Bürger:innen und Expert:innen

Mit dem Themenschwerpunkt der privaten Wärmeversorgung in Deutschland analysieren wir in bevölkerungsrepräsentativen Umfragen die Akzeptanz verschiedener Energiequellen im zeitlichen Verlauf. Die Ergebnisse werden in Bürgerdialogen diskutiert und mit Unterstützung eines Praxisbeirats eingeordnet. Dadurch können wir Aussagen über die Entwicklung von Einstellungen und Akzeptanz und über die Dauerhaftigkeit eventueller Einstellungsänderungen treffen. Welchen Effekt Extremereignisse wie der Krieg in der Ukraine dabei haben, ist ebenso zentral wie die Frage, ob solche Ereignisse auch das Potential haben, Kritiker:innen der Energiewende zu überzeugen. Kernelement der Studien sollen Discrete-Choice-Experimente (DCE) und Multi-Criteria-Decision-Analysis (MCDA) sein, mit deren Hilfe sich Szenarien erstellen lassen, die mit einem frei verfügbaren Online-Tool auf einer Website abrufbar sind.

Graswurzelbewegung bei der Energiewende: Die Rolle von Extremereignissen für die gesellschaftliche Akzeptanz nachhaltiger Wärmeversorgung, Teilvorhaben: Programmierung eines interaktiven MCDA-Webtools zur Szenariendarstellung und -analyse

Mit dem Themenschwerpunkt der privaten Wärmeversorgung in Deutschland analysieren wir in bevölkerungsrepräsentativen Umfragen die Akzeptanz verschiedener Energiequellen im zeitlichen Verlauf. Die Ergebnisse werden in Bürgerdialogen diskutiert und mit Unterstützung eines Praxisbeirats eingeordnet. Dadurch können wir Aussagen über die Entwicklung von Einstellungen und Akzeptanz und über die Dauerhaftigkeit eventueller Einstellungsänderungen treffen. Welchen Effekt Extremereignisse wie der Krieg in der Ukraine dabei haben, ist ebenso zentral wie die Frage, ob solche Ereignisse auch das Potential haben, Kritiker:innen der Energiewende zu überzeugen. Kernelement der Studien sollen Discrete-Choice-Experimente (DCE) und Multi-Criteria-Decision-Analysis (MCDA) sein, mit deren Hilfe sich Szenarien erstellen lassen, die mit einem frei verfügbaren Online-Tool auf einer Website abrufbar sind.

Nutzung städtischer digitaler Zwillinge zur gemeinsamen Schaffung flexibler positiver Energiesysteme für Stadtteile, Teilvorhaben: Projektkoordination und Fallstudie Stuttgart

Bislang gibt es kaum Beispiele, die die von der Bevölkerung betriebene urbane Energiewende hin zu Positive Energy Districts (PEDs) untersuchen. Obwohl verschiedene urbane Energiesimulationstools zur Verfügung stehen, die bei der Planung und Verwaltung von PEDs helfen, ist für Kommunen die Anpassungsfähigkeit hin zu PEDs immer noch ein großes Problem. Dies behindert letztlich den Fortschritt bei der Realisierung von PEDs und erweist sich als großer Engpass bei der Erreichung des ehrgeizigen EU-Ziels, bis 2025 100 PEDs zu errichten. Um diese Lücke zu schließen, wird das Projekt DigiTwins4PEDs innovative Forschungsmethoden und Umsetzungsstrategien anwenden. Diese werden durch einen partizipativen Prozess unterstützt, der die wichtigsten Interessengruppen und Bürger:innen in den Phasen des Co-Designs, der Co-Creation und des Co-Learnings einbezieht, welche innerhalb des Projekts entwickelt, bewertet und iterativ angepasst werden. Im Rahmen von Reallaboren mit verschiedenen Fallstudien werden die Bürger:innen während des gesamten Projekts kontinuierlich einbezogen. So können bürgergetriebene Maßnahmen in Zukunft leichter berücksichtigt und umgesetzt werden, um eine aktive Beteiligung der Verbraucher:innen für ein flexibles Energiemanagement und eine Interaktion zwischen PEDs und dem regionalen Energiesystem zu ermöglichen. Um diesen Prozess der Bürgerbeteiligung zu unterstützen, werden neue Werkzeuge und Methoden unter Verwendung von Urban Digital Twins entwickelt und angepasst, die es den Bürger:innen ermöglichen, die Energie-wende in ihren Gemeinden voranzutreiben und besser informiert Entscheidungen zu treffen. Die HFT mit ihrer langjährigen Erfahrung mit digitalen Zwillingen in Städten, der Entwicklung von städtischen Datenmodellen und städtischen Energiesimulationen ist der Projektkoordinator. Die HFT arbeitet auch eng mit der Stabsstelle Klimaschutz der Landeshauptstadt Stuttgart für die Betreuung der deutschen Fallstudie in Stuttgart zusammen.

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