Energieforschung bei Fraunhofer

Der Anteil, den PV-Anlagen bereits zur deutschen Stromversorgung beitragen, ist nicht unerheblich. Im Jahr 2021 lag er bei 9,1% des Bruttostromverbrauchs. Dennoch muss dieser Wert bis 2040 bedeutend steigen, um im Einklang mit den Klimazielen zu sein. Die Fraunhofer-Gesellschaft arbeitet hierzu, unter anderem, an immer effizienteren Solarzellen, um deren Wirkungsgrade und damit die Effizienz zu steigern. 

Eine weitere erneuerbare Energiequelle, die von der Fraunhofer-Gesellschaft erforscht wird, ist die Geothermie. Mehr zum Thema Geothermie finden Sie im Themenbereich Wärme. 

Geothermie ist die Wärmeenergie, die in der Erde gespeichert ist. Sie kann als Energiequelle genutzt und für die Herstellung von Strom, Wärme und Kälte verwendet werden. Da Geothermie CO₂-neutral ist, ist sie besonders im Rahmen der Energiewende von großem Interesse. Folglich stellt die Entwicklung von Technologien zur Gewinnung von Wärme, Kälte und Strom aus Erdwärme ein immer größer werdendes Forschungsfeld dar. Die Aufsuchung, Erschließung und die technischen Anbindungen von Geothermie an bestehende und zukünftige Versorgungsstrukturen sind Bereiche, in denen die Fraunhofer-Institute forschen und entwickeln. Das gesamte Forschungsangebot der Fraunhofer-Gesellschaft zu Geothermie geht allerdings noch viel weiter über diese Bereiche hinaus.

Das Thema Wärme ist sehr vielseitig und wird entsprechend vielschichtig in den Fraunhofer-Instituten bearbeitet, beispielsweise hinsichtlich innovativer Wärme- und Kältetechnologien und Speicherlösungen im Gebäude- und Industriesektor bis hin zur Gestaltung einer erfolgreichen Wärmewende allgemein. Wärmepumpen sind ein Beispiel für die Zukunft von Heizungstechnologien. Sie werden bereits bei verschiedenen Gebäudetypen genutzt, sind vielfältig anwendbar, sparen Treibhausemissionen und können flexible Stromverbräuche bedienen. In der Wärmewende spielt die Geothermie eine große Rolle. Diese nutzt die vorhandene, natürliche Wärme im Erdinneren zur Erzeugung von Strom. Dadurch ist sie in der Lage, lokal und witterungsunabhängig Energie zu liefern und kann einen großen Beitrag zur klimaneutralen Wärmegewinnung leisten.

Energie-intensive Industrien, wie die Stahlindustrie, von fossilen Brennstoffen zu befreien, stellt eine große Herausforderung in der Energiewende dar. Hierbei nehmen Wasserstofftechnologien eine Schlüsselposition ein, genauso wie im Bereich der Mobilität. Voraussetzungen, die zur Produktion solch riesiger Wasserstoffmengen in Zukunft erfüllt sein müssen, sind genügend grüner Strom, große Elektrolyse-Anlagen und Transportmöglichkeiten. Zum Thema Wasserstoff arbeiten die Fraunhofer-Institute unter anderem an der Entwicklung von Technologien, an Studien zur Marktentwicklung und Infrastrukturen sowie an Produktionssystemen.

Im heutigen Zeitalter spielt die Digitalisierung in beinahe jedem wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Bereich eine Rolle. Folglich sind die Strukturen, Prozesse, Produkte und Geschäftsausrichtungen von Unternehmen großen Veränderungen unterworfen. Aufkommende Potentiale sollten nach Möglichkeit genutzt werden, da sich Markt- und Wettbewerbsstrukturen rapide ändern können. In der Fraunhofer-Gesellschaft sind die Forschungskompetenzen zum Thema Digitalisierung schwerpunktmäßig in den Bereichen Business, Cybersecurity, Big Data und System architecture gebündelt. 

Die Systemanalyse beschreibt die Untersuchung eines Systems, um anschließend Aussagen darüber treffen zu können. Dies beinhaltet beispielsweise Optimierungsansätze, Prognosen sowie das Formulieren von Empfehlungen für dessen Konzeption und Auslegung. Darüber hinaus können Überwachungs- und Managementansätze abgeleitet werden. Die Systeme, die in den Fraunhofer Instituten untersucht werden, variieren stark. Sie können zum Beispiel von Echtzeitanlagenbetrieb und Antriebstechnik über Wärmepumpen, Wasserstoff-Transportlösungen, Energiespeichersysteme und Medizingeräte bis hin zu beispielsweise Kunstrasenplätzen reichen.  

Damit die Versorgung von Strom, Gas und Kommunikation zuverlässig gewährleistet ist, benötigt es umfassende, aktuellen Standards entsprechende Infrastruktur. Netze sind ein wichtiger Teil davon und zusätzlich ein Bereich, in dem sich momentan viel bewegt. Hohe Anteile erneuerbarer Energien sind eine Herausforderung für die Netzinfrastruktur. Diese muss unter den hinzugekommenen Belastungen stabil bleiben können. Ein Aspekt der zukunftsgewandten Netzplanung sind sogenannte Smart Grids, welche alle Komponenten eines Stromnetzes miteinander verbinden und intelligent steuern lassen. Ein besonderer Vorteil dieser, ist die effiziente Einbindung von Energien aus dezentraler und erneuerbarer Energiegewinnung. 

Von einer Sektorkopplung spricht man, wenn verschiedene Sektoren -wie Wärme, Strom und Mobilität- miteinander verbunden werden. Dabei kann Energie über deren Grenzen hinaus genutzt und flexibel verlagert werden. Zudem können die verschiedenen Energiesektoren gemeinsam optimiert werden. Für die Energiewende kann eine solche Kopplung von Sektoren ein enormes Potenzial mit sich bringen. Um die Energieversorgung von CO2-Emissionen zu befreien, ist die Kopplung der Sektoren Wärme und Verkehr ein kostengünstiges Vorgehen, bei dem der Anteil fossiler Energieträger sukzessive zurück geht und gleichzeitig der an Strom steigt.

Effizienzen spielen eine große Rolle bei der Bekämpfung des Klimawandels und der Erschöpfung natürlicher Ressourcen. Durch Ressourceneffizienz können wertvolle Rohstoffe eingespart werden, was beispielsweise im Bereich Bau eine große Auswirkung hat. Energieeffizienzen wiederum sind ein integraler Bestandteil der Energiewende. Dabei sind unter anderem die Energieeffizienz von Gebäuden, Kommunen und Siedlungen sowie die Effizienz von Photovoltaik-Anlagen von hoher Relevanz in den beteiligten Fraunhofer- Instituten. Darüber hinaus befasst sich Fraunhofer mit der Entwicklung, Analyse und Bewertung von energieeffizienten Technologien sowie mit der Erarbeitung von Strategien im Umgang mit diesen.

Das Thema Speicher ist sehr bedeutsam, insbesondere im Rahmen der Energiewende. Überschüssige Energien speichern zu können und bei Bedarf wieder in den Umlauf zu bringen, ist die Basis einer nachhaltigen Energieversorgung. Solche Speicher können elektrisch sein, beispielsweise Li-Ionen Batterien. Sie können aber auch thermisch oder chemisch sein. Beispiele dafür sind Wärme- und Kältespeicher oder die chemische Erzeugung von Wasserstoff als Zwischenspeichertechnologie. In verschiedenen Fraunhofer Instituten werden Lösungen zu Speichertechnologien entwickelt, analysiert und optimiert. Darüber hinaus decken die Institute die gesamte Wertschöpfungskette bis hin zur Integration der fertigen Speichersystemen ab. 

Im Themenbereich Quartiere geht es bei Fraunhofer darum, nicht nur einzelne Gebäude oder ganze Städte bei der Umstellung von Energiesystemen im Blick zu haben. Eine Zusammenfassung bzw. Gliederung von Gebäuden und Städten in Gebäudeverbünde – sogenannte Quartiere – birgt bestimmte Chancen. So können beispielsweise Energieüberschüsse, die von einzelnen Gebäuden generiert werden, lokal genutzt und übergeordnete Netzebenen entlastet werden. Ziel ist es, durch diese Synergieeffekte, Treibhausgase zu mindern und positive Effekte in der Beschäftigung und Wertschöpfung einer Region zu erlangen. Die Schwierigkeit solche energetischen Quartiere zu entwickeln, liegt unter anderem an der Vielzahl von Personengruppen, die daran beteiligt sind. Beispiele hierfür sind Ingenieure, Stadtwerke, Wohnungsgenossenschaften und Klimaschutzbeauftragte.