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5. Jahrestagung des KIT-Zentrums Energie

Blick nach vorne – Energiesystem 2050

Das KIT-Zentrum Energie richtet seine 5. Jahrestagung aus
Heinrich-Hertz-Preis geht an Professor Hartmut Schmeck

Der Umbau des Energiesystems in Deutschland reicht weit in die Zukunft. Für die Energieforschung bedeutet dies, vorausschauend und fachübergreifend zu denken. Den „Blick nach vorne – Energiesystem 2050“ wagte das KIT-Zentrum Energie bei seiner 5. Jahrestagung am 15. Juni 2016. In der Aula des Fortbildungszentrums für Technik und Umwelt (FTU) am KIT Campus Nord begrüßte der Wissenschaftliche Sprecher des KIT-Zentrums Energie, Professor Thomas Schulenberg, zahlreiche Experten und Interessierte.

Mit rund 1 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eines der größten Energieforschungszentren in Europa bündelt das KIT-Zentrum Energie die Energieforschungsarbeiten des KIT und namhafter Kooperationspartner. Die Jahrestagung erstreckte sich über das gesamte Spektrum der Aktivitäten – von der Entwicklung maßgeschneiderter Materialen über innovative Konzepte zur Umwandlung, Speicherung, Verteilung und effizienten Nutzung von Energie bis hin zur Energiesystemanalyse. Der Geschäftsführer des KIT-Zentrums Energie, Dr. Wolfgang Breh, moderierte die Tagung, die 15 wissenschaftliche Vorträge umfasste. Bei einer Ausstellung mit rund 40 Postern stellten Forscherinnen und Forscher ihre Projekte vor und beantworteten Fragen der Besucher, woraus sich viele spannende Gespräche ergaben.

Pionier der Energieinformatik

Ein Höhepunkt der Tagung war die Verleihung des Heinrich-Hertz-Preises an Professor Hartmut Schmeck, Leiter des Instituts für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren (AIFB) des KIT. Mit der Auszeichnung würdigen das KIT und die EnBW-Stiftung Hartmut Schmecks Lebenswerk und besonders seine Beiträge zur Entwicklung und zum Einsatz innovativer Informations- und Kommunikationstechnologien in intelligenten Energiemanagementsystemen. „Professor Hartmut Schmeck verfügt über den Weitblick, Entwicklungen und Herausforderungen frühzeitig zu erkennen, interessante Schnittstellen klar zu sehen, und über die Kompetenz, tragfähige Lösungen zu entwickeln“, sagte Professor Holger Hanselka, Präsident des KIT und Vorsitzender des Kuratoriums der EnBW-Stiftung, in seiner Laudatio. In einer Reihe von aufeinander aufbauenden Projekten habe Schmeck Energie, Mobilität und Information miteinander verbunden.

Der Informatiker Hartmut Schmeck befasst sich seit Langem mit Lösungen, Energie flexibler zu nutzen und erneuerbare Energien in das Energiesystem zu integrieren. Er gilt als Pionier der Energieinformatik. Unter anderem baute er das „Energy Smart Home Lab“ am KIT auf, Prototyp des intelligenten Hauses der Zukunft, und trug wesentlich zum erfolgreichen Antrag des KIT für das „Energy Lab 2.0“ bei, eine europaweit einzigartige Infrastruktur zur Erforschung künftiger Energiesysteme. Fragen der IT-Sicherheit bearbeitet Hartmut Schmeck auch am Kompetenzzentrum für Angewandte Sicherheitstechnologie (KASTEL) des KIT. Als Direktor am FZI Forschungszentrum Informatik Karlsruhe bringt er seine Kompetenz in die integrierte Forschungslandschaft „FZI House of Living Labs“ ein.

Den mit 10 000 Euro dotierten Heinrich-Hertz Preis überreichte Professor Wolfram Münch, Leiter des Ressorts Forschung und Entwicklung bei EnBW, für den Vorstand der EnBW-Stiftung. Professor Hartmut Schmeck betonte in seiner Danksagung die Bedeutung einer übergreifenden Zusammenarbeit der wissenschaftlichen Disziplinen. So erfordere der Umbau des Energiesystems das enge Zusammenwirken von Energietechnik, Regelungstechnik und Informatik.

„Neue Stromtarife braucht das Land“, forderte Professor Wolf Fichtner, Leiter des Instituts für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP) des KIT, in seinem Festvortrag zur Preisverleihung: Zunehmende Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energien, abnehmende Verfügbarkeit von Leistung aus konventionellen Kraftwerken sowie geringe Großhandelspreise, aber durch steigende fixe Kosten, Umlagen und Steuern relativ hohe Endkundenpreise führen dazu, dass der Großhandelspreis seine Koordinationsaufgabe nicht mehr adäquat erfüllen kann. Für den Verbraucher wird es immer attraktiver, selbst Strom zu erzeugen. Wie aber lässt sich das Elektrizitätssystem künftig finanzieren? Fichtner stellte verschiedene neue Tarifkonzepte vor und untersuchte ihr Potenzial zur Lastverschiebung sowie die Akzeptanz bei den Kunden. Für die Zukunft wäre ein Mix aus Grundbetrag, Leistungstarifen und dynamischen Arbeitstarifen möglich.

Fortschritte in der Fusionstechnologie

Der Erforschung einer neuen Primärenergiequelle – nämlich der Fusion – widmete sich der Eröffnungsvortrag der Jahrestagung des KIT-Zentrums Energie: Professor Robert Wolf, Leiter des Bereichs Stellarator-Heizung und -Optimierung am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IIP) erörterte als Gastreferent die Grundlagen und Herausforderungen der Fusion und berichtete über die weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator: Wendelstein 7-X am IIP in Greifswald. Am 3. Februar 2016 erzeugte die Anlage das erste Wasserstoff-Plasma. Wendelstein 7-X soll den wesentlichen Vorteil der Stellaratoren vorführen – den Dauerbetrieb. Dagegen lassen sich Anlagen vom Typ Tokamak, wie der derzeit in Cadarache/Frankreich aufgebaute Experimentalreaktor ITER, nur gepulst betreiben.

Die für die Bauteile von Fusionsanlagen verwendeten Materialien müssen extremen Belastungen standhalten. Geeignet ist Wolfram, das sich durch hohe Dichte auszeichnet und den höchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente besitzt. Wegen seiner Sprödigkeit ist die herkömmliche Fertigung von Bauteilen aus Wolfram allerdings zeit- und kostenaufwendig. Dr. Steffen Antusch vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffprozesstechnik (IAM-WPT) des KIT stellte „maßgeschneidertes“ Wolfram vor: Am KIT haben Forscher den Pulverspritzguss für Wolfram etabliert. Das zeit- und kosteneffiziente Verfahren liefert endkonturnahe Bauteile, die keine Nachbearbeitung erfordern, in vielfältigen Größen und Formen.

Über die Hochtemperatur-Supraleitung und ihren Einsatz für Magnete und Energieübertragung sprach Dr. Walter Fietz, stellvertretender Institutsleiter und Bereichsleiter Fusionsmagnete des Instituts für Technische Physik (ITEP). Er stellte den Hochtemperatur-Supraleiter Cross-Conductor (HTS-CroCo) vor, der HTS-Bänder durch das kreuzförmige Zusammenlöten zweier Kupfer-Halbschalen in einen runden Leiter integriert. Forscher des KIT haben dieses Konzept mit Bändern aus dem supraleitenden Material REBCO in unterschiedlicher Breite modifiziert.

Konzepte zur optimalen Nutzung erneuerbarer Energien

Einen Vergleich verschiedener solarbasierter Heizsysteme nimmt Amar Abdul-Zarah am Fachgebiet Bauphysik & Technischer Ausbau (fbta) vor. Bei der Tagung präsentierte Fachgebietsleiter Professor Andreas Wagner die Arbeit. Sie untersucht verschiedene Solarsysteme, Wärmeerzeuger und Regelungsstrategien für ein Einfamilienhaus in mehreren Varianten und bewertet sie nach Primärenergieverbrauch und Gesamtkosten. Optimal ist demnach eine Kombination aus Photovoltaik und Wärmepumpe mit intelligenter Regelung. Zukünftig können auch Hybridmodule attraktiv sein, die sich für Photovoltaik und Solarthermie zugleich nutzen lassen.

Dem „Energy Smart Home Lab“ war der Vortrag von Ingo Mauser vom Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren (AIFB) gewidmet. Das intelligente Haus verbindet Wohnen, Energie und Elektromobilität so, dass sich erneuerbare Energien optimal nutzen lassen und zugleich ein hoher Komfort gewährleistet ist. Wie Mauser darlegte, sind höhere Flexibilität und Energieeffizienz nur durch den Einsatz geeigneter Informations- und Kommunikationstechnologie möglich.

Ein thermochemisches Modell eines Schneckenreaktors zur Pyrolyse von Biomasse und Reststoffen stellte Marco Tomasi Morgano vom Institut für Technische Chemie (ITC) vor. Solche kleineren Anlagen, die sich mit geringem Aufwand betreiben lassen, könnten künftig in landwirtschaftlichen Betrieben eingesetzt werden.

Stefan Harth vom Engler-Bunte-Institut, Bereich Verbrennungstechnik (EBI-vbt) berichtete über das EU-Projekt HELMETH (Integrated High-Temperature ELectrolysis and METHanation for Effective Power to Gas Conversion). Ziel des Projekts ist, den Wirkungsgrad der Produktion von Methangas aus Wind- und Sonnenstrom zu steigern. Dazu werden Elektrolyse und Methanisierung verbunden. Methan lässt sich im bestehenden Erdgasnetz transportieren.

Geothermie birgt ein großes Energiepotenzial, ist grundlastfähig, liefert Strom und Wärme, benötigt wenig Platz und verursacht kaum CO2-Emissionen. Um die thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemischen Prozesse tiefer geothermischer Reservoire zu erforschen, plant die Helmholtz-Gemeinschaft ein GeoLaB (Geothermie-Labor im Bergwerk). Dr. Carola Meller-Aichele vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW), Abteilung für Geothermie, stellte die am KIT koordinierten Planungen vor. Die im GeoLaB gewonnenen Erkenntnisse sollen die Basis für eine umweltgerechte Technologieentwicklung schaffen und Argumente für eine gesellschaftliche Akzeptanz von Geotechnologien liefern.

In der Photovoltaik lassen sich mit Tandem-Solarzellen aus Silizium und Perowskit hohe Wirkungsgrade erzielen, wie Dr. Ulrich W. Paetzold vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) erläuterte. Dazu bedarf es allerdings optimaler Lichteinkopplung und einer hohen Transmission des niederenergetischen Lichts in die Silizium-Bottom-Solarzelle. Neuartige nanophotonische Materialien sollen dies ermöglichen.

Lösungen für die Energieverteilung und -speicherung

Über die Erforschung und Entwicklung von Systemen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC) berichtete Simon Wenig vom Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik (IEH). Sie erfordern eine Vernetzung vielfältiger Kompetenzen von der Leistungselektronik bis hin zur Energiesystemanalyse.

Sebastian König, ebenfalls vom IEH, sprach über den aktuellen Stand der Technik und die Perspektive von Flussbatterien. Diese können enorme Strommengen speichern. Zudem lassen sich Leistung und Speicherkapazität unabhängig voneinander skalieren. Dies macht die Technik attraktiv für den Aufbau großer Speicher.

Auch Themen der Energiesystemanalyse standen auf dem Programm der Tagung. So erörterte Hasan Ümitcan Yilmaz vom IIP die Auswirkungen eines möglichen Kohleausstiegs in Deutschland und Großbritannien auf Strompreise und Emissionen, wobei er verschiedene Szenarien durchspielte und den gesamteuropäischen Kontext berücksichtigte.

Kompetenzen zur Nuklearenergie und Sicherheit bleiben über den deutschen Ausstieg aus der Kernenergie gefragt. Unter anderem wird die sichere Entsorgung radioaktiver Abfälle, wie sie bei der Nutzung der Kernenergie, aber auch in der Forschung und Medizin anfallen, die Gesellschaft weiter beschäftigen. Vanessa Montoya vom Institut für Nukleare Entsorgung (INE) sprach über die gegenwärtige Situation in Deutschland und die Perspektiven für 2050.

Dr. Lena Andriolo vom Institut für Kern- und Energietechnik (IKET) warf einen Blick ins Nachbarland Frankreich: Dort ist die Kernenergie die dominierende Energiequelle. 2012 betrug ihr Anteil am Primärenergieverbrauch 41 Prozent, und sie bleibt weiter eine starke Option. Der Anteil der erneuerbaren Energien nimmt in Frankreich zu, aber vor allem zulasten fossiler Energien.

Tragfähige Lösungen für ein nachhaltiges Energiesystem

„Das KIT-Zentrum Energie ist hervorragend aufgestellt, um tragfähige Lösungen für ein langfristig sicheres, sauberes und bezahlbares Energiesystem zu erarbeiten.“ Dieses Fazit zog Geschäftsführer Dr. Wolfgang Breh aus der Jahrestagung 2016. Mit einem abendlichen Sommerfest klang die Veranstaltung aus.

Im kommenden Jahr wird das KIT-Zentrum Energie seine Jahrestagung wieder als Doktorandenkolloquium abhalten, um Nachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern die Chance zu bieten, einem größeren Publikum ihre laufenden Arbeiten vorzustellen.