Energie Effizient

Effiziente Energiewandlung

Im Bereich der effizienten Energiewandlung ist die Fraunhofer-Allianz Energie in verschiedenen zukunftsträchtigen Forschungs­feldern aktiv:
Ein zentraler Aspekt ist die Polygeneration – die simultane Wandlung von Energie in mehrere Energieträger, zum Beispiel die simultane Erzeugung von Elektrizität und Wärme.

Um hochkalorische Abfälle zu verwerten, entwickeln Fraunhofer-Experten dezentrale Kleinverbrennungsanlagen mit integrierter Kraft-Wärme-Kopplung. In diesem Bereich soll die Weiter­entwicklung von Anlagen zur solaren Kühlung im kleineren und mittleren Maßstab neue Märkte erschließen.

Ein weiteres Forschungsfeld sind Organic Rankine Cycle-Anlagen (ORC-Anlagen), die beispielsweise genutzt werden können, um die Abwärme von Biogasmotoren zu nutzen. Für die moderne Kraft­werkstechnik entwickeln Experten hochtemperaturbeständige keramische Werkstoffe (»Ceramic Matrix Composites«) und Leichtbaustrukturen. Mittels dieser innovativen Materialien können die Betriebstemperaturen in Brennkammern oder Wärme­­tauschern gesteigert und so die Effizienz erhöht werden.

Bestehende Schlüsseltechnologien, u. a. Bioenergie-, Photovoltaik- und Windenergieanlagen, werden kontinuierlich hinsichtlich Wirkungsgrad, Lebensdauer, Ressourceneinsatz und Produktions­kosten optimiert. Durch die Verwendung neuer Materialien, Technologiekonzepte und Produktionstechnologien können erneuerbare Energietechnologien noch effizienter und kostengünstiger zur Stromerzeugung beitragen.

 

Effiziente Energieverteilung

Um elektrische Energie effizient nutzen zu können, müssen Leitungsverluste beim Stromtransport minimiert werden. Intelligente Netze (Smart Grids) regeln die Netzinfrastruktur so, dass der Strom aus dezentralen erneuerbaren Energie­quellen möglichst effizient erzeugt, verteilt, gespeichert und verbraucht wird. Dies geschieht durch Abgleich der kurz­fristigen Erzeugungsprognosen mit zeitlichen Verbrauchsprofilen der Stromkonsumenten mittels Datenkommunikation. Dadurch reduziert sich die Höhe der Lastspitzen in der Stromversorgung.

Die Fraunhofer-Allianz Energie unterstützt Kunden bei der Entwicklung, Auslegung und Implementierung von (Industrial) Smart Grids, zum Beispiel auch von DC-Netzen. Bei dem Ziel, Systemkosten zu senken und höchste Effizienz bei der Bereitstellung von elektrischer Energie zu erreichen, spielen DC-basierte Systeme und Netze zukünftig eine Schlüsselrolle.

Fraunhofer-Experten forschen zudem an leistungselektronischen Systemen wie Wechselrichtern und Betriebsregelungssystemen für Photovoltaikanlagen, DC / DC-Wandlern für die Kopplung von Brennstoffzellen an Batterien, Ladereglern für das Monitoring von Batterien und an hoch­integrierten Spannungsreglern für das Powermanagement in mobilen Endgeräten. Großes Potenzial bieten außerdem schnellladefähige Batteriesysteme, die zur Energierückgewinnung verwendet werden.

 

Effiziente Energienutzung

Im Bereich der Optimierung von Energiesystemen bietet die Fraunhofer-Allianz Energie Exergieanalysen für verschiedene Energiesysteme, v. a. für Gebäude, Produktion und Verkehr. Hier wird die umgesetzte Energie unterteilt in nutzbare Energie (Exergie) und »minderwertige« Energie (Anergie), die etwa durch Wandlung in Wärme nicht mehr für den eigentlichen Anwendungszweck zur Verfügung steht.

 

Schwerpunkt »Energieeffizienz in Städten und Regionen«

Um die Energieeffizienz in Städten und Regionen zu verbessern, müssen Maßnahmen wie Gebäudesanierung, Ausbau von Block­heizkraftwerken und Integration dezentraler Stromgewinnung aus erneuerbaren Energien sinnvoll verknüpft werden. Zusätzlich zum Aufbau einer intelligent ineinandergreifenden Infrastruktur ist ein weiterer Schwerpunkt, die Energieeffizienz innerhalb der Gebäude zu steigern. In diesem Bereich zählen insbesondere innovative Bauteile, Komponentenentwicklung und Anlagentechnik zum Portfolio.

Um Effizienz und Versorgungssicherheit angebundener Systeme zuverlässig zu gewährleisten, ist der Einsatz von Energiespeichern unerlässlich. Durch die Sektorkopplung sowie die intelligente Integration von Speicherlösungen lassen sich elektrische Systeme flexibilisieren und Lastspitzen abfedern. Aus diesem Grund entwickelt die Fraunhofer-Allianz  Energie innovative Systemkonzepte und Betriebsstrategien für Energiesysteme mit hoher Energiediversität.

 

Schwerpunkt »Energieeffiziente Produktion«

Die Forschung an energieeffizienter Produktion umfasst auch die Herausforderung der Energie­flexibilität, die erforderlich wird, wenn Produktionsprozesse und die fluktuierende Energiebereitstellung aufeinander abgestimmt werden müssen.

Systeme, die im Rahmen von Industrie 4.0 entwickelt werden, bieten die notwendige Daten­bereitstellung und somit die Basis für ein übergeordnetes Energiemanagement. Die Expertise im Bereich der energieeffizienten Produktion umfasst die Analyse, Optimierung und Steuerung der Energieflüsse in der Produktion. Damit eng verbunden ist die Forschung an neuen Technologien und organisatorischen Innovationen zur Prozessoptimierung und Effizienzsteigerung.

 

Schwerpunkt »Energieeffiziente Verkehrsinfrastruktursysteme und Elektromobilität«

Innovative Systemkonzepte für die urbane Mobilität von morgen helfen, den Verkehrssektor in Richtung energieeffizienter und umweltfreundlicher Mobilität zu wandeln. So untersuchen Fraunhofer-Experten zum Beispiel, wie man Elektrofahrzeuge effizient als »intelligente Lasten« und mobile Stromspeicher nutzen kann, um Energie auch bei fluktuierender Einspeisung verlässlich nutzbar zu machen. Ebenso zum Portfolio zählen zukunftsorientierte Vehicle-to-Grid-Konzepte sowie die dafür benötigte elektronische und softwareseitige Steuerungs- und Regelungstechnik.