Topic 5 - System & Nachhaltigkeit

Die beschleunigte Energiewende hin zu einem vorwiegend auf erneuerbaren Energien beruhendes Energiesystem stellt in vielerlei Hinsicht eine gewaltige technologische wie gesellschaftliche Herausforderung dar.

In einem vielteiligen und hoch dezentralen Energiesystem ist das Zusammenspiel von Erzeugung, Speicherung, Bereitstellung von Energie im Zusammenhang von variierender Nachfrage und volatiler Stromeinspeisung durch bspw. PV- oder Windkraftanlagen unter unterschiedlichen Randbedingungen sehr komplex. Daher muss eine holistische Betrachtung der Energiesystemintegration, dem Ausbau der dafür erforderlichen Transport-, Verteil- und Informations- und Kommunikationsinfrastruktur, neben Kriterien der techno-ökonomischen Machbarkeit und der gesellschaftlichen Akzeptanz, auch systemische Risiken und Unsicherheiten einbeziehen.

Der vermehrte Einsatz neuer energieverbrauchender Technologien, Auswirkungen des Klimawandels auf die Energiebereitstellung und -nachfrage, mögliche Beeinträchtigungen durch Cyber-Angriffe sowie neue Rohstoffabhängigkeiten müssen daher bei der Identifikation nachhaltiger, resilienter bzw. robuster und zukunftsfähiger Energiesysteme einkalkuliert werden.

Vor diesem Hintergrund betrachtet das Topic "System und Nachhaltigkeit" in einem interdisziplinären Umfeld aus Ingenieur-, Geisteswissenschaften und Mathematikern, alle Energiesystemebenen und bewertet, modelliert und simuliert Einzeltechnologien, einschließlich neuer smarter Steuer- und Managementkonzepte, im Gesamtzusammenhang möglicher zukünftiger Energiesysteme und schafft damit notwendige Voraussetzungen für die Identifikation  nachhaltiger und  optimierter Energiesysteme.

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  Schwerpunktbereich Beschreibung
Energiesystemintegration

Ein stabiler und resilienter Betrieb dezentraler Energiesysteme, welche auf erneuerbaren Energien beruhen, erfordert auf allen Netzebenen den Einsatz neuer Energietechnologien. Wesentliche Ziele sind die schrittweise Reduktion von Treibhausgas-Emissionen und die Entwicklung hin zu einer bezahlbaren und klimaneutralen Energieversorgung. Für die Integration neuer Energietechnologien in die natürliche oder gebaute Umwelt müssen dafür neben der technisch-ökonomischen Realisierbarkeit Akzeptanzfragen sowie Folgen für Mensch und Umwelt untersucht und auch Lebenszyklusanalysen durchgeführt werden.
Energienetze

Der stete Ausbau von Energienetzen und deren Betrieb ist ein entscheidendes Kapitel der Energiewende. Energienetze ermöglichen den Transport und die Verteilung von erneuerbaren Energien von den Erzeugungs- und Bereitstellungsstandorten bis zu den Orten des Verbrauchs. Die Auslegung von Energienetzen und die Möglichkeiten des intelligenten Netzbetriebs müssen zusammen gedacht werden. Ein intelligenter Netzbetrieb sorgt dafür, dass die Energieversorgung nicht nur bei kurzfristigen, teils unerwarteten Schwankungen in der Stromerzeugung oder -nachfrage stabil bleibt, sondern auch im Kontext langanhaltender kritischer Phasen (z. B. Energiemangel) resilient ist.
Informations- und Kommunikationsinfrastruktur

Informations- und Kommunikationstechnologien sind für den intelligenten Betrieb von Energienetzen notwendig. Mit der digitalen Vernetzung technischer Komponenten, von der Stromerzeugung, der Energieumwandlung bis hin zur Verteilung, ist ein intelligentes Energiesystem in der Lage, eine optimale Nutzung der vorhandenen Ressourcen zu ermöglichen und zugleich eine zuverlässige Versorgung zu gewährleisten. Da mittels Smart Meter Daten zum Verbrauch und zur Einspeisung für Netzbetreiber zugänglich werden, können neue Verteilmanagementansätze dazu beitragen, dass sich die Energienachfrage am schwankenden Angebot erneuerbarer Energien orientiert und eine Netzüberbelastung vermieden wird. Allerdings birgt eine fortschreitende Digitalisierung neue Risiken, weshalb in mehr Cyber Security sowie operationelle Technologien zur Erhöhung der Resilienz investiert werden muss.
Gebäude und Quartiere

Der Immobiliensektor sieht sich zunehmend mit fundamentalen Herausforderungen konfrontiert und steht dabei - wie alle anderen Branchensektoren auch - in der Pflicht und Verantwortung, Klimaneutralität, globale Emissionen und Ressourcenverbräuche zielgerecht und langfristig zu reduzieren. Die Forschungsarbeiten am KZE zu Gebäuden und Quartieren beschäftigen sich mit umweltfreundlichen Baustoffen, ressourcenschonender Energieversorgung und Digitalisierungsstrategien für Wohn- und Nichtwohngebäude, öffentliche Einrichtungen, Industrie, Handel sowie für Infrastruktursysteme und beziehen den gesamten Lebenszyklus ein.
Verkehr und Transport

Verkehr und Transport stellen unerlässliche Infrastrukturen für die Gesellschaft dar und sind von entscheidender Bedeutung für die Erreichung der globalen Nachhaltigkeitsziele. Sie verbrauchen enorm viel Energie, sind eine der Hauptquellen von Treibhausgasemissionen und tragen zur Verschlechterung der Luftqualität bei. Um eine nachhaltige Entwicklung im Verkehr und Transport zu erreichen, ist es von entscheidender Bedeutung, eine systemische Perspektive zu verfolgen und die Interdependenzen und Wechselwirkungen zwischen dem Verkehrssystem und anderen Infrastruktursystemen, insbesondere auch das der Energieversorgung, zu berücksichtigen.
Ressourcen und Kreislaufwirtschaft Kreislaufwirtschaft zielt darauf ab, Abfall- und Ressourcenströme in einem geschlossenen System zu betrachten und die Ressourceneffizienz zu maximieren. In Infrastruktursystemen und im Energiesektor kann dies dazu beitragen, die Umweltbelastung zu reduzieren und die Nachhaltigkeit zu fördern. Durch die nachhaltige Schließung des Kohlenstoff- und mineralischen Kreislaufs kann ein wichtiger Beitrag zur Reduzierung des Treibhauseffekts und zur Verfügbarkeit kritischer Ressourcen für die Energieerzeugung und -speicherung geleistet werden. Die Forschung in diesem Bereich ist wichtig, um die Effizienz der Technologien und Methoden zur Umsetzung von Kreislaufwirtschaft zu verbessern und neue Lösungen zu entwickeln, die die Nachhaltigkeit fördern.