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Energiesysteme

Energiesysteme_by_pixelio_Reinhard_Latzke

Der zweite Schwerpunkt sucht nach Wegen, um natürliche und regenerative Ressourcen zur nachhaltigen Energieversorgung zu nutzen. Dazu werden Technologien und Komponenten zur effizienten Energieumwandlung, -regelung, -speicherung und -nutzung entwickelt. Die energieeffiziente und nachhaltige Systemintegration wird dabei für sowohl kleine als auch großskalige Systemen erforscht, um intelligente Lösungen für verschiedene Anforderungen zu finden. Außerdem werden Lösungsmöglichkeiten entworfen, wie die Energieversorgungsinfrastruktur den diversifizierten Anforderungen der Zukunft gerecht werden kann.

Technologien der Energiewandlung
Für eine nachhaltige Energiewirtschaft müssen insbesondere jene Energiewandler effizienter gestaltet werden, die erneuerbare Energieträger wie Sonne, Wind, Wasser und Biomasse nutzen. Die Forschungsschwerpunkte werden dabei auf die Entwicklung von Solaren Energiewandlern (Photovoltaik, Solarthermie) gelegt. So können zum Beispiel durch die Entwicklung hocheffizienter und langlebiger Solarzellen und Module die Kosten erneuerbarer Energien signifikant reduziert werden. Unterschiedliche sonnenreiche Klimata außerhalb Deutschlands bergen zusätzliche Marktpotenziale, erfordern jedoch zur Sicherung der Erträge und der Zuverlässigkeit technologische Weiterentwicklungen. Weitere Forschungsgebiete im Bereich der nachhaltigen Energiewandlung erschließen sich aus nachwachsenden Rohstoffen (Biomasse), Windenergie, Geothermie oder auch komplett neuen Energiewandlern, die durchweg Anknüpfungspunkte zu anderen Fakultäten (Physik, Chemie, UNR) bieten.

Neben der genannten Nutzung der erneuerbaren Energien ist auch eine Effizienzsteigerung konventioneller Energiewandler für eine nachhaltige Energiewandlung unabdingbar. Neben der Effizienzsteigerung von herkömmlichen Energiewandlern stehen zudem auch neue Technologien wie Micro Energy Harvesting, induktive Verfahren und die Abwärmeverstromung (Thermoelektrik), thermische Wandler und optische Laserleistungsübertragung im Vordergrund.

Für alle zu entwickelnden Technologien für die Energiewandlung spielen nicht nur die Effizienz und Zuverlässigkeit eine große Rolle, sondern auch die Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses, wie der energetische Footprint, die Vermeidung seltener oder giftiger Elemente und die Recyclebarkeit. Hier ergeben sich Synergien mit dem Thema „Produktion“ im Bereich Sustainable Materials.


Komponenten für effiziente Energiesysteme
Ein wesentlicher Entwicklungszweig, der hier adressiert wird, sind Komponenten, die für die Integration und Nutzung nachhaltiger Energiewandler zwingend erforderlich sind, wie zum Beispiel eine effektive elektronische Steuerung und leistungsfähige Speicher. Den zentralen Bestandteil bildet eine effiziente Leistungselektronik mit allen ihren Ausprägungen vom Material zum fertigen Energiesystem. Auf diesem Gebiet besteht grundlegender Forschungsbedarf, da die Leistungselektronik bisher noch nicht alle Spannungs- und Leistungsklassen bedienen kann. Gleichzeitig besteht bei verbrauchernahen Anwendungen noch Optimierungsbedarf hinsichtlich der Größe, des Gewichts (Materialeinsatz), und der Regelbarkeit. Neuartige passive und aktive Bauelemente, zum Beispiel Transistoren auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), eröffnen viele innovative Möglichkeiten in der Leistungselektronik sowohl für Nieder- als auch für Mittelspannungsanwendungen.

Weiterhin spielen die Speichertechnologien in allen heutigen Energieversorgungs-Szenarien aufgrund des fluktuierenden Erzeugungsprofils von erneuerbaren Energien eine große Rolle. Bei der Entwicklung der Speicherung elektrischer Energie in klassischen Batterien (Li-basiert, Redox-Flow etc.) besteht dringender Forschungsbedarf, z.B. als an PV-Anlagen angekoppelte Zwischenspeicher. Darüber hinaus sind grundlegende Entwicklungen notwendig, um die existierenden Batterie- und Kondensatorkonzepte zu erweitern und gerade die bekannten Defizite, wie niedrige Energiedichten und mangelnde Zyklierbarkeit (Langzeitstabilität), durch Grundlagenforschung anzugehen. Ein weiterer Schwerpunkt wird die Wasserstofftechnologie sein, bei der zum Beispiel die weitere Optimierung von Brennstoffzellen sehr relevant ist. Der Mix aus frühen und reiferen Technologien an der Universität Freiburg (Fakultät für Chemie und Pharmazie) und an den Freiburger Fraunhofer-Instituten bietet hier sehr gute Kooperationsmöglichkeiten. Bei der Entwicklung nachhaltiger Speichersysteme ist der Einsatz umweltverträglicher Materialien und deren langfristige Verfügbarkeit, Langlebigkeit und Wiederverwertbarkeit von entscheidender Bedeutung.


Systemintegration (kleinstskalig bis hin zu großskalig)
In diesem Arbeitspunkt sollen jene  neu entwickelten Technologien zur Energiewandlung und die innovativen Komponenten zu Energiesystemen integriert werden, die nachhaltige und intelligente Lösungen für verschiedene Anwendungen von Mikrosystemen bis zu Groß-Systemen wie Smart Cities bieten. Diese neuartigen Systeme benötigen grundlegend neue Formen der Kommunikation, der Sensorik und der Regelungstechnik inklusive der dafür notwendigen Informations- und Softwaretechnik.

Alle Aspekte zur Energieverteilung – von der Wahl und Optimierung der eingesetzten Materialien über die Modellierung der Komponenten und den eigentlichen Herstellungsprozess bis hin zur abschließenden Charakterisierung und Prüfung – sollen bei den anstehenden Entwicklungsarbeiten adressiert werden. Außerdem werden Regelmechanismen inklusive der dafür notwendigen Hardware und Software sowie komplexe Sensorik zur Ansteuerung der Energiesysteme künftig eine zentrale Rolle spielen und daher entwickelt. Dabei sind insbesondere die durch die neuen Systemaspekte wie Smart Grids entstehenden Fragestellungen zu berücksichtigen.


Transformation des Energiesystems
Das Energienetz wird aufgrund der aktuellen Relevanz und Wichtigkeit für die Energiewende als spezieller Forschungsschwerpunkt erforscht. Hierbei spielen intelligente Systemlösungen bei der Bereitstellung und Verteilung unterschiedlicher Energieträger insbesondere unter Einbeziehung fluktuierender, erneuerbarer Energien eine zentrale Rolle. Neben elektrischen Stromflüssen sollen dabei auch Wärme- und Stoffflüsse und deren Vernetzung sowie neben stationären Erzeugern und Verbrauchern auch mobile Flüsse (Verkehr) berücksichtigt werden. Dies geschieht vor dem Hintergrund, dass  Ansprüche, wie Netzstabilität und Sicherheit, an die neuartigen Systeme in einer Volkswirtschaft des 21. Jahrhunderts noch weiter steigen werden, da unsere Systeme sich immer stärker vernetzen. Grundlegend soll die Effizienz und die Nachhaltigkeit des Gesamtsystems verbessert werden. Die Herausforderung beginnt bei der präzisen kurz- und mittelfristigen Prognose von Erträgen und Verbrauch. Die Komponenten zur Energiewandlung und -speicherung müssen daher intelligent vernetzt werden, um eine größtmögliche Versorgungssicherheit in dezentralen und zentralen Netzen zu erreichen.

Ein zentrales Merkmal eines nachhaltigen Energienetzes liegt in seiner konkreten Auslegung auf funktions- und bedarfsoptimierte Skalen. Hierbei muss eine Transformation des Energienetzes stattfinden, die die langfristigen Primär- und Sekundärkosten ebenso wie die harmonische Einbettung in das technologische wie sozio-ökonomische Umfeld berücksichtigt. Bei der Einbindung neuer Energiewandlungs- und -speichertechnologien in das Energienetz ist der Bedarf und Verbrauch an Primärressourcen zu berücksichtigen. Ebenso müssen die Rollen von Netzwerkstrukturen und -hierarchien für hohe Funktionsstabilität unter womöglich stark fluktuierenden Energieverbrauchs- und -speicherlasten einbezogen werden. Dies wirft innovative Fragen von Netzwerkstabilität und -struktur auf, mit einem potenziell wesentlichen Beitrag aus der mathematischen und physikalischen Theorie stark rückgekoppelter, dynamischer Systeme. Für den Einsatz fortgeschrittener Methoden aus mathematischer und physikalischer Grundlagenforschung bedarf es zur korrekten Modellbildung des engen Abgleichs mit technologischen und sozio-ökonomischen Randbedingungen (und deren Plastizität) aus den entsprechenden Disziplinen. Gerade das sozio-ökonomische Umfeld lässt sich durch Kooperationen mit den Gesellschaftswissenschaften an der Universität Freiburg erforschen. Der Entwicklung von umfassenden Energieszenarien kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, da sie als Basis für die zukünftige Gestaltung unseres Energiesystems dienen können.