Innovation durch Forschung – Jahresbericht 2012 zur ... - BMU

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Innovation durch Forschung – Jahresbericht 2012 zur ... - BMU

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Innovation durch Forschung

Jahresbericht 2012 zur Forschungsförderung

im Bereich der erneuerbaren Energien


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INNOVATION DURCH FORSCHUNG

IMPRESSUM

Herausgeber:

Redaktion:

Fachliche Beratung:

Gestaltung:

Druck:

Abbildungen:

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)

Referat Öffentlichkeitsarbeit • 11055 Berlin

E-Mail: service@bmu.bund.de • Internet: www.bmu.de

Meike Bierther (PtJ),

BMU, Referat E II 6 Forschung und Entwicklung im Bereich Klimaschutztechnologien und erneuerbare Energien

Projektträger Jülich (PtJ)

BLOCK DESIGN Kommunikation & Werbung

Druckhaus Dresden

Titel: Rainer Weisflog, S. 4 (links): CDU/CSU-Bundestagsfraktion/Christian Doppelgatz,

S. 4/5: DOTI/alpha ventus/Matthias Ibeler, S. 6: E.ON Hanse AG, S. 7: Herrenknecht AG, S. 8: Fraunhofer IWES,

S. 9 (oben): SolarWorld AG/Detlev Müller, S. 9 (unten) : Baker Hughes INTEQ GmbH, S. 10: Stadtwerke Crailsheim GmbH,

S. 11: DLR, S. 16: BMU/Holger Vonderlind, S. 17: Rainer Weisflog, S. 19: ZSW, S. 21: Fraunhofer IWES, S. 22: Meike Bierther/PtJ,

S. 23: Rainer Weisflog, S. 24: Rainer Weisflog, S. 27: BMU/Holger Vonderlind, S. 28: Meike Bierther/PtJ, S. 29: EWE,

S. 30 (links): DOTI/alpha ventus/Matthias Ibeler, S. 30 (rechts): Offshore-Stiftung/alpha ventus/Trond Hattrem,

S. 32: BARD, S. 33: Rainer Weisflog, S. 35: BMU/Eisermann, S. 36 (oben): Manz AG, S. 36 (unten): Manz Coating GmbH,

S. 37: Fraunhofer ISE, S. 38: Fraunhofer ISE, S. 40: ISFH, S. 41: geo x GmbH, S. 43: Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG,

S. 44: Geothermie Neubrandenburg GmbH, S. 45: Stadtwerke München GmbH, S. 47: Rainer Weisflog, S. 50: ZAE, S. 51: DLR,

S. 53: Flabeg Holding GmbH, S. 54: RWE Innogy GmbH, S. 55: DLR, S. 56: ANDRITZ Hydro Hammerfest, S. 59 BMU,

S. 61: Leif Arne Holme/NTE, S. 67: BMU/Holger Vonderlind

Stand: März 2013

1. Auflage: 6.000 Exemplare


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 3

INHALTSVERZEICHNIS

Vorwort ..................................................................... 4

Highlights der Forschungsförderung

SystEEm: Regenerative Energieversorgungssysteme

und Integration erneuerbarer Energien ............... 6

Windenergie .............................................................. 7

Photovoltaik ............................................................... 8

Geothermie ................................................................ 9

Niedertemperatur-Solarthermie ............................. 10

Solarthermische Kraftwerke ................................... 10

Übergreifende Fragestellungen .............................. 11

Solarthermische Kraftwerke

Schwerpunkte der Forschungs förderung

vor dem Hintergrund der Markt- und

Technologie entwicklung ......................................... 51

Auswahl geförderter Projekte ................................. 52

Wasserkraft und Meeresenergie

Schwerpunkte der Forschungs förderung

vor dem Hintergrund der Markt- und

Technologie entwicklung ......................................... 56

Auswahl geförderter Projekte ................................. 56

Forschung und Entwicklung für

die Energiewende ................................................. 12

SystEEm: Regenerative Energieversorgungssysteme

und Integration

erneuerbarer Energien

Schwerpunkte der Forschungs förderung

vor dem Hintergrund der Markt- und

Technologie entwicklung ......................................... 17

Auswahl geförderter Projekte ................................. 19

Windenergie

Schwerpunkte der Forschungs förderung

vor dem Hintergrund der Markt- und

Technologie entwicklung ......................................... 24

Auswahl geförderter Projekte ................................. 26

Übergreifende Fragen der

Energieforschung

Schwerpunkte der Forschungs förderung

vor dem Hintergrund der Markt- und

Technologie entwicklung ......................................... 57

Auswahl geförderter Projekte ................................. 58

Internationale Zusammenarbeit

SET-Plan ...................................................................... 60

Internationale Energieagentur (IEA) ..................... 60

IEA-Tasks/-Annexe/-Projekte mit

BMU-Beteiligung zum Thema erneuerbare

Energien im Jahr 2012 ............................................. 63

Förderprogramm

Energetische Biomassenutzung ................... 66

Photovoltaik

Schwerpunkte der Forschungs förderung

vor dem Hintergrund der Markt- und

Technologie entwicklung ......................................... 33

Auswahl geförderter Projekte ................................. 35

Geothermie

Schwerpunkte der Forschungs förderung

vor dem Hintergrund der Markt- und

Technologie entwicklung ......................................... 41

Auswahl geförderter Projekte ................................. 42

Forschungsförderung anderer Ministerien

mit Bezug zu erneuerbaren Energien

Bundesministerium für Ernährung,

Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) ... 67

Bundesministerium für Wirtschaft und

Technologie (BMWi) ................................................. 68

Bundesministerium für Bildung

und Forschung (BMBF) ............................................. 68

Institutionelle Förderung ........................................ 69

Wichtige Links ....................................................... 70

Niedertemperatur-Solarthermie

Schwerpunkte der Forschungs förderung

vor dem Hintergrund der Markt- und

Technologie entwicklung ......................................... 46

Auswahl geförderter Projekte ................................. 47

Statistischer Überblick .................................... 71


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VORWORT

Liebe Leserin, lieber Leser,

mit der Weichenstellung für die Energiewende hat

sich Deutschland dazu entschieden, einen Grundpfeiler

seiner Industriegesellschaft grundlegend umzubauen.

Die Energiewende ist ein Generationenprojekt

und das größte Infrastrukturprojekt seit dem Wiederaufbau

unseres Landes nach dem Krieg. Sie wird

ganz wesentlich bestimmen, welche Position die

deutsche Volkswirtschaft in den kommenden Jahren

im internationalen Wettbewerb einnehmen wird und

welche Signalwirkung wir für den Klimaschutz weltweit

senden. Damit wird sie diesem Land gut tun

und es uns ermöglichen, auf dem Weg in eine

emissionsarme und nachhaltige Zukunft voran ­

zugehen.

Um die Ziele der Energiewende zu erreichen, schöpfen

wir aus einer breiten Palette von Instrumenten.

Eines davon ist das Voranbringen von Innovationen

durch die Förderung von Forschung, Entwicklung

und Demonstration. Innovationen sind strategisch

entscheidend für eine kosteneffiziente und umweltverträgliche

Umstellung unserer Energiesysteme und

helfen deutschen Unternehmen, sich als „First-Mover“

zu positionieren. Aus diesem Grund unterstützt das

Bundesumweltministerium seit vielen Jahren zuverlässig

und in wachsendem Umfang Forschung und

Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien.

Auch 2012 wurde diese Förderung erneut stark ausgebaut

370 innovative Projekte mit einem Gesamtvolumen

von rund 290 Millionen Euro wurden neu

bewilligt.

Mit dem vorliegenden Bericht möchten wir Ihnen

auch in diesem Jahr wieder die interessantesten Vorhaben

im Bereich der erneuerbaren Energien vorstellen,

die wir 2012 auf den Weg gebracht haben. Dabei

zeigen sowohl völlig neue technische Lösungen als

auch kostensenkende Weiterentwicklungen beste ­


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hender Technologien die hohe Innovationskraft der

deutschen Wissenschaft und der Unternehmen.

Besonders freut es uns, dass in diesem Jahr eine Vielzahl

von Projekten im Bereich Regenerative Energieversorgungssysteme

und Integration erneuerbarer

Energien (SystEEm) starten konnten. In diesem Förderschwerpunkt

geht es um die Neugestaltung des

Energiesystems, in dem die Versorgung durch erneuerbare

Energien und die Nachfrage nach Energie

durch intelligente Netze und ergänzende Stromspeicher

so aufeinander abgestimmt wird, dass trotz

schwankender Einspeisung von Wind- und Solarstrom

eine zuverlässige Versorgung gesichert werden kann.

Im Rahmen der ressortübergreifenden Förderinitia ­

tive Energiespeicher konnten wir 2012 wichtige Projekte,

zum Beispiel zu Power-to-Gas und dezentralen

Kurzzeitspeichern, bewilligen. Alle Projektbeispiele

zeigen, dass es bei der Energiewende um viel geht

um technische Neuerungen, um Kostensenkung, um

Umweltschutz, um Nachhaltigkeit, um Arbeitsplätze

und um Wettbewerbsfähigkeit zugleich. Die Umsetzung

der Projekte bietet große Chancen für Wissenschaft,

Forschung und Produktentwicklung gleichermaßen

und damit für unsere gesamte Gesellschaft.

Ich wünsche Ihnen eine interessante Lektüre.

Peter Altmaier

Bundesminister für Umwelt, Naturschutz

und Reaktorsicherheit


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INNOVATION DURCH FORSCHUNG

HIGHLIGHTS DER FORSCHUNGSFÖRDERUNG

SystEEm: Regenerative Energieversorgungssysteme

und Integration

erneuerbarer Energien

Weltweit einzigartiger Praxistest auf

der Nordseeinsel Pellworm

Die Nordseeinsel Pellworm soll zu einer Modellregion

für die Nutzung erneuerbarer Energien und zur Speicherung

des so erzeugten Stroms ausgebaut werden.

Das BMU unterstützt diese Initiative mit dem Forschungs-

und Entwicklungsprojekt Smart Region Pellworm.

Bei bestimmten Wetterbedingungen (viel Sonne

und/oder viel Wind) kommt es in Deutsch land

mittlerweile vor, dass mehr Strom erzeugt wird, als

die Netze aufnehmen können. Durch den Einsatz von

Speichern kann dieser Strom genutzt werden. Insgesamt

werden Energiespeicher perspektivisch immer

wichtiger, um momentane Über- oder Unterproduk ­

tion abzupuffern und erneuerbare Energien saisonal

speichern zu können.

In dem Vorhaben Smart Region Pellworm wird ein

hybrides Speichersystem aus zentralen und dezentralen

Einheiten entwickelt und mit rund 170 Haushalten

vernetzt. Das Speichersystem soll aus zwei sich ergänzenden

Großspeichern bestehen einer Lithium-

Ionen-Batterie (Leistung 560 Kilowatt, Speicherkapazität

560 Kilowattstunden) und einer Redox-Flow-Batterie

(Leistung 200 Kilowatt, Kapazität 1.600 Kilowattstunden).

Weiterhin sollen steuerbare verteilte Stromverbraucher

und -erzeuger aus den Haushalten einbezogen

werden. Mit einem Hybridkraftwerk, bestehend

aus Photovoltaik- und Windenergieanlagen sowie

dem Speichersystem, werden die Endverbraucher

über ein Direktvermarktungskonzept mit Strom versorgt.

Zusätzlich soll das Speichersystem multifunktional

auch für Netzdienstleistungen eingesetzt werden,

um dessen Wirtschaftlichkeit zu steigern. Das

Ziel ist die Entwicklung einer stabilen, kosteneffizienten

und marktorientierten Energieversorgung mit einem

hohen Anteil erneuerbarer Energien.

Das Projekt unter Koordination der E.ON AG und der

Schleswig-Holstein Netz AG, in Zusammenarbeit mit

der Gustav Klein GmbH & Co. KG, der Saft Batterien

GmbH, dem Fachbereich Technik der Fachhochschule

Westküste, dem Fraunhofer-Anwendungszentrum

für Systemtechnik Ilmenau (IOSB) und der Rheinisch-

Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH)

wird im Rahmen der Förderinitiative Energiespeicher

unterstützt. Dabei handelt es sich um eine gemeinsame

Initiative von Wirtschafts-, Umwelt- und Forschungsministerium,

für die insgesamt 200 Millionen Euro

bereitgestellt werden (siehe auch Seite 20). Das BMU

fördert das Projekt mit rund 4,1 Millionen Euro.

Neue Verfahren für Regelenergie durch

Windenergieanlagen

Weltweit einzigartiger Praxistest: 1.000-Kilowatt-Hybridkraftwerk

Pellworm

Bei der Realisierung der Energiewende kommt es

nicht nur auf den quantitativen Ausbau der erneuerbaren

Energien an, sondern auch darauf, dass die erneuerbaren

Energien zunehmend auch die Systemdienstleistungen

für das Stromnetz übernehmen. Bisher

sind Windenergieanlagen aus verschiedenen

Gründen noch nicht in der Lage, Regelenergie bereitzustellen.

Diese wird aber benötigt, um Ungleichgewichte

zwischen Verbrauch und Erzeugung auszugleichen

und so die Frequenz des Stromnetzes auf

dem Sollwert zu halten. In dem Projekt Regelenergie

durch Windenergieanlagen wird ein entsprechendes

Verfahren entwickelt. Projektpartner sind das

Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik

(IWES), der Windenergieanlagenhersteller

ENERCON GmbH, der Windparkbetreiber Energiequelle

GmbH und die zwei Übertragungsnetzbetreiber

Amprion GmbH und TenneT TSO GmbH. Eine

Herausforderung ist unter anderem der Nachweis,

der für die Bereitstellung von Regelenergie gefordert

wird. Bei herkömmlichen Kraftwerken wird dieser


HIGHLIGHTS DER FORSCHUNGSFÖRDERUNG 7

über den Vergleich von geplanter Leistung mit der

später gemessenen realen Leistung erbracht. Dieses

Verfahren ist für Windenergieanlagen problematisch,

da die exakte Leistung wegen der Wetterabhängigkeit

schwierig zu planen ist. Deshalb wird im

Projekt ein angepasstes Nachweisverfahren entwickelt

und demonstriert, bei dem der Nachweis über

den Vergleich der möglichen Ist-Einspeisung mit der

realen Einspeisung erfolgt.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten besteht darin,

konkrete Angebote für Regelenergie von Windenergieanlagen

bestimmen zu können gefordert sind

hier zurzeit Zuverlässigkeitswerte von 100 Prozent.

Für die Angebotserstellung sollen probabilistische

Prognosen genutzt werden, die die Wahrscheinlichkeit

für das Über- oder Unterschreiten einer bestimmten

Leistung angeben. Des Weiteren werden Regelungsalgorithmen

entwickelt, mit denen die benötigte

Regelleistung der Anlagen zum einen auf verschiedene

involvierte Parks und zum anderen auf einzelne

Anlagen innerhalb der Parks aufgeteilt werden kann.

Die technische Machbarkeit der Ergebnisse soll

schließlich in einem Feldtest demonstriert werden.

Das BMU fördert das Projekt mit 500.000 Euro.

Vertikale Bohrungen bei der Errichtung von Offshore-Anlagen: Funktionsprinzip

der Offshore-Foundation-Drilling-Maschine innerhalb eines

Monopiles

Windenergie

Lärm- und Kostenreduktion durch Bohren

statt Rammen

Die Errichtung von Offshore-Windenergieanlagen

mitten im Meer stellt nach wie vor eine hohe technische

Herausforderung dar. Ein zentrales Thema ist

die Verankerung der Anlagen im Boden. Bei dem bisher

gängigen Verfahren, bei dem die Pfähle (Piles)

zwischen 30 und 40 Meter tief in den Boden gerammt

werden, entstehen starke Schallemissionen,

die die maritime Tierwelt teilweise erheblich schädigen.

Deshalb ist es aus Naturschutzgründen unabdingbar,

bei der Errichtung von Offshore-Windenergieanlagen

Schalldämmungsmaßnahmen zu ergreifen

oder aber das Gründungsverfahren so zu modifizieren,

dass weniger Schall entsteht. Dafür haben die

Herrenknecht AG und die Hochtief Solutions AG ein

innovatives Verfahren unter dem Namen Offshore

Foundation Drilling OFD® entwickelt, bei dem die

Gründungselemente senkrecht in den Boden gebohrt

werden. Dieser vertikale Vortrieb durch Bohren ist

deutlich leiser als das Einrammen der Piles. Auch

können auf diese Weise Pfähle mit einem Durchmesser

von über sechs Metern in den Boden eingebracht

werden, was die Gründung von Anlagen mit kostengünstig

herzustellenden Monopiles, also einem einzigen

großen Pfahl, möglich macht.

Der Pfahl wird von einer Hubinsel oder einem Installationsschiff

gestützt und zunächst bis auf den Meeresboden

abgesenkt. Kernelement der zum Bohren

eingesetzten Offshore-Foundation-Drilling- Maschine

ist ein computergesteuerter Fräsarm, der an der Rohr ­

innenwand des Pfahls verankert wird und den Boden

direkt unterhalb des Piles ausfräst. Das dabei entstehende

Wasser-Boden-Gemisch wird über ei ne Förderleitung

nach oben gepumpt. Der Pfahl wird während

des Bohrvorgangs kontinuierlich in das entstehende

Loch nachgeführt, bis die erforderliche Tiefe erreicht

ist. Abschließend kann die Bohrmaschine nach oben

aus dem Pfahl herausgehoben werden.

Nach einer vom BMU geförderten Machbarkeitsstudie

und einem Projekt zur Ausarbeitung der Maschinentechnik

folgen nun die Ausarbeitung im Detail

sowie der Bau eines Prototyps. Nach mehreren Funktionstests

an Land ist ein Nearshore-Test unter an ­

nähernden Offshore-Bedingungen geplant. Das BMU

fördert die Arbeiten mit rund 6,3 Millionen Euro.

Standortbewertung in komplexem Gelände

Als derzeit die noch kostengünstigere Variante der

Windenergienutzung bleibt die Onshore-Windenergie

ein wichtiges Standbein der Energiewende. In

Deutschland wird sie einerseits durch Repowering,

den Ersatz bestehender durch leistungsstärkere An ­

lagen, andererseits durch die Erschließung bisher


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INNOVATION DURCH FORSCHUNG

realen Anlagenbelastungen mit den aus den Windmessungen

errechneten Daten verglichen werden sollen.

Ein weiterer Projektpartner, die anemos Gesellschaft

für Umweltmeteorologie mbH, entwickelt angepasste

Wind- und Strömungsmodelle für einen

Onshore-Windatlas, aus dem das weitere Potenzial

der Windenergienutzung im Binnenland abgeleitet

werden kann. Das BMU fördert das Projekt mit rund

2,1 Millionen Euro.

Photovoltaik

Höhere Effizienz durch Reduktion von

Defekten in multikristallinem Silizium

Aufzeichnung von Windeigenschaften in 40 bis 200 Metern Höhe:

Höchster Windmessmast Deutschlands am Rödeser Berg (Hessen)

ungenutzter Flächen, wie des bewaldeten Mittelgebirges,

ausgebaut. Um das Design der Anlagen an solche

komplexen Standorte anzupassen, bedarf es jedoch

noch besserer Informationen zu den dort herrschenden

Windbedingungen. Generell sind die im flachen

Gelände angewandten Verfahren zur Standortbewertung

nicht auf komplexe Gelände übertragbar.

Im Rahmen des Projekts Windenergienutzung im

Binnenland, das durch das Fraunhofer-Institut für

Windenergie und Energiesystemtechnik IWES koordiniert

wird und sich mittlerweile in der zweiten Phase

befindet, wurde 2011 am Rödeser Berg nahe Wolfhagen

(Hessen) der mit 200 Metern derzeit größte deutsche

Windmessmast errichtet. Der Standort ist wegen

seiner Geländestruktur und Umgebung gut dafür geeignet,

die Windcharakteristika in komplexem Gelände

zu untersuchen. Mit dem lasergestützten, bodenbasierten

Fernmessverfahren LIDAR (Light Detection

and Ranging) werden die Eigenschaften des Windes

in Höhen zwischen 40 und 200 Meter aufgezeichnet.

Ziel des Projekts ist, die LIDAR-Windmessungen an ­

hand der Daten des Messmastes zu validieren und

die Geräte für den Einsatz in komplexem Gelände

weiterzuentwickeln.

Durch die Kooperation mit Windpark-Planern und

-Betreibern im Projekt (juwi Wind GmbH, ABO Wind

AG, OSTWIND Gewerbe-Bau GmbH) werden weitere

Messdaten zur Verfügung gestellt. Die ENERCON

GmbH liefert Anlagen für einen am Standort des

Messmastes geplanten Windpark, in welchem die

In der Photovoltaik sind die wichtigsten Entwicklungsziele

derzeit die Senkung der Produktionskosten

und die Erhöhung der Moduleffizienz, damit Photovoltaikstrom

noch günstiger bereitgestellt werden

kann. In dem Projekt HENSi erarbeiten die Solarworld

Innovations GmbH als Koordinator mit dem

Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH), der

Abteilung Photovoltaik an der Universität Konstanz

und dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme

und Bauelementetechnologie (IISB) Lösungen für Solarzellen

aus kristallinem Silizium. Kernstück dieser

Technologie ist ein durchschnittlich 200 Mikrometer

dünner Siliziumwafer. Dessen Herstellung durch

Kristallisation soll innerhalb des Projekts so optimiert

werden, dass ein um 0,3 bis 1 Prozent höherer Wirkungsgrad

entsteht, also ein entsprechend höherer

Anteil der Sonne in Strom umgewandelt werden

kann. Prinzipiell besteht die Wahl zwischen monokristalliner

und multikristalliner Waferstruktur. Die

Kristallstruktur bei monokristallinen Wafern ist einheitlich

angeordnet, wodurch sich der Wirkungsgrad

erhöht. Allerdings ist die Kristallzüchtung im Vergleich

zu multikristallinen Wafern teurer. Multikristalline

Wafer weisen unterschiedlich große Kristalle

auf und enthalten Defekte. In HENSi soll die günstigere

Blockkristallisation, die zur Herstellung von

multikristallinem Silizium genutzt wird, derart opti ­

miert werden, dass sogenanntes defektreduziertes

Silizium entsteht und damit dem Wirkungsgrad von

monokristallinen Siliziums nahekommen. Die Dotierung

dieses defektreduzierten Siliziums ist Haupt ­

gegenstand des Projekts. Für multikristalline n-typ-

Siliziumblöcke ist noch nicht erforscht, wie eine

möglichst homogene Dotierung erreicht werden

kann hier sollen erstmals Konzepte dafür entwickelt

werden. Schließlich soll evaluiert werden, welche

Wir kungsgrade mit diesem defektreduzierten n-Typ-

Material maximal erreicht werden können, um anschließend

industrietaugliche, wirtschaftliche Her ­

stellungsprozesse zu entwickeln. Das BMU fördert

den Verbund mit rund 4,1 Millionen Euro.


HIGHLIGHTS DER FORSCHUNGSFÖRDERUNG 9

Im Verbundprojekt INKOTEK wird ein innovativer

und kostengünstiger Fertigungsprozess für Solarzellen

und Solarzellen-Baugruppen für Konzentrator-Module

entwickelt, mit dem Ziel, bis 2015 die Herstellungskosten

pro Watt auf Modulebene um 40 Prozent

zu senken. Ausgehend von der Fertigung bei dem

einzigen europäischen Hersteller AZUR SPACE Solar

Power GmbH soll die Optimierung der gesamten

Wertschöpfungskette vom Substrat über die Epitaxie

und Zellfertigung bis zur Baugruppe aus Montageplatine,

Zelle und Optik vorangetrieben werden. Dabei

spielen neben Verbesserungen einzelner Schritte

die Entwicklung von innovativen Fertigungsverfahren

und die Modifizierung der Solarzellenstruktur für

höhere Wirkungsgrade eine besondere Rolle. Bereits

im ersten Projektjahr ist es den Wissenschaftlern gelungen,

eine Rekordzelle mit einem Wirkungsgrad

von 43,3 Prozent unter 500-fach konzentriertem

Sonnenlicht zu demonstrieren. Zusammen mit AZUR

SPACE sind sechs weitere Projektpartner und vier

Unterauftragnehmer an INKOTEK beteiligt, darunter

verschiedene Photovoltaik-Unternehmen, Anlagenund

Prozessentwickler, Materialhersteller sowie Forschungseinrichtungen.

Das Projekt wird innerhalb

der Innovationsallianz Photovoltaik mit rund 3,2 Millionen

Euro gefördert (zur Innovationsallianz siehe

Kapitel Photovoltaik, Seite 35).

Geothermie

Kristallisierter Siliziumblock bei der Solarworld Innovations GmbH

Neue Fertigungsprozesse für

kosten güns tigere Konzentratorzellen

Im Gegensatz zu konventioneller Photovoltaik nutzt

die konzentrierende Photovoltaik höchsteffiziente

und ursprünglich für die Raumfahrt entwickelte

Mehrfach- oder Stapelsolarzellen in Kombination mit

einer konzentrierenden Optik. Dabei werden mehrere

Einzelsolarzellen übereinander geschichtet, um

ein besonders breites Spektrum des Sonnenlichts für

die Stromerzeugung zu nutzen. Mit Hilfe der Optik

generieren sie Strom unter bis zu 1.000-facher Sonnenkonzentration

und erreichen aktuell einen Wirkungsgrad

von rund 40 Prozent. Die höheren Kosten

für das Zellenmaterial werden durch signifikant kleinere

Zellengrößen, die günstige Optik und den hohen

Wirkungsgrad ausgeglichen. An geeigneten

Standorten mit hoher direkter Sonneneinstrahlung

können die mit Konzentrator-Photovoltaik erreich ­

baren Strompreise so unter denen von konventionellen

Silizium-Flachmodulen liegen.

Hochtemperatur-Teststand für optimierte

Förderpumpen eingeweiht

Für den wirtschaftlichen Betrieb eines Geothermiekraftwerks

sind zuverlässige und effiziente Tauchpumpen

von großer Bedeutung. Durch hohe Temperaturen

und Volumenströme sowie aggressive Bestandteile

in Tiefenwässern sind sie anderen Bedingungen

ausgesetzt als etwa Untertagepumpen, die

zur Förderung von Erdöl eingesetzt werden. Vor die-

Optimierte Förderpumpen für die Geothermie: Hochtemperatur-

Teststand am Standort der Baker Hughes INTEQ GmbH


10

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

sem Hintergrund entwickelt die Baker Hughes INTEQ

GmbH in dem Projekt Optimierte Förderpumpen

für die Geothermie angepasste Untertagepumpen

für den Einsatz in Geothermiebohrungen. Im Sommer

2012 wurde am Standort von Baker Hughes in

Celle für diese Zwecke ein Hochtemperatur-Pumpenteststand

in Betrieb genommen, durch den neue Erkenntnisse

über die optimale Auslegung der Pumpen

erwartet werden.

Der Teststand wurde im September 2012 durch den

damaligen niedersächsischen Ministerpräsidenten

David McAllister eingeweiht. In ihm werden Hochtemperatur-Tests

durchgeführt, in denen gezielt die

Isolation der Motorwicklungen sowie das Kompen ­

sationssystem der Pumpen durch Hitze weit über

200 Grad Celsius belastet werden. Zudem werden in

dem Projekt sämtliche Pumpenausfälle in geothermalen

Anwendungen analysiert. Als Ergebnis wurden

bereits Än derungen an den Motoren vorgenommen.

Das BMU fördert das Projekt mit rund 3,9 Millionen

Euro.

Niedertemperatur-Solarthermie

Größte Solarthermieanlage Deutschlands

versorgt Stadtquartier zu 50 Prozent mit

Wärme

260 Wohneinheiten, eine Schule und eine Sporthalle

werden im baden-württembergischen Crailsheim zu

rund 50 Prozent mit Wärme aus Sonnenenergie versorgt:

Im Jahr 2012 wurde dort die größte Solarthermieanlage

Deutschlands, Hirtenwiesen II, in der

gleichnamigen Neubausiedlung eingeweiht. Die

Anlage ist ein hervorragendes Praxisbeispiel für die

solare Energieversorgung eines ganzen Stadtquartiers.

Bisher wurden in Deutschland insgesamt elf

große Pilotanlagen zur solaren Langzeitwärmespeicherung

gebaut. Mit Hirtenwiesen II ist das bisher

kostengünstigste Konzept gelungen.

In das Nahwärmenetz der Siedlung wird Wärme aus

Solarkollektoren, installiert auf sieben Dachflächen

und auf einem Schallschutzwall der Siedlung, mit

einer Fläche von rund 7.600 Quadratmetern eingespeist.

Zur Solarthermieanlage gehören zwei Pufferspeicher

mit 480 und 100 Kubikmeter Fassungsvermögen,

um die Nächte und kurze Schlechtwetter ­

perioden zu überbrücken. Zusammen mit einem

39.000 Kubikmeter großen saisonalen Erdsonden-

Wärmespeicher wird die Solarwärme somit das ganze

Jahr hindurch nutzbar. Die Erdsonden reichen

55 Meter in den Boden, der die im Sommer gesammelte

überschüssige Sonnenwärme aufnehmen und

speichern kann. Im Winter wird diese Wärme aus

Größte Solarthermieanlage Deutschlands: Solarkollektoren auf dem

Schallschutzwall in Hirtenwiesen II

dem Erdboden entnommen, durch eine Wärmepumpe

im Temperaturniveau angehoben und wieder an

das Versorgungsnetz abgegeben. Ohne Wärmepumpe,

mit vorrangiger Direkteinspeisung der Solarenergie

in das Wärmenetz, konnte bereits ein durchschnittlicher

solarer Deckungsanteil von 35 Prozent

erreicht werden an Sommertagen bis 100 Prozent.

Dank des Ganzjahresspeicherkonzepts erreichte der

solare Deckungsanteil 2012 (1. März 2012 bis 28. Februar

2013) im Ergebnis des projektbegleitenden Mess ­

programms bereits 51 Prozent.

Hirtenwiesen II, ein Projekt der Stadtwerke Crailsheim,

wurde vom BMU, vom baden-württembergischen

Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft

und von der Stadt Crailsheim gefördert.

Das BMU hat das Projekt mit einer Summe von

2,5 Millionen Euro unterstützt.

Solarthermische Kraftwerke

Standardisierte Verfahren für Transparenz

und Qualität

Der internationale Markt für solarthermische Kraftwerke

wächst langsam, aber stetig. Dennoch gibt es

bisher für die Bewertung der Leistungsfähigkeit einzelner

Komponenten und ganzer Solarfelder dieser

Kraftwerke keine einheitlichen Messmethoden und

Kriterien. Standardisierte Verfahren sind aber not­


HIGHLIGHTS DER FORSCHUNGSFÖRDERUNG 11

wendig, damit Kunden die Qualität von Bauteilen

vergleichen und deren Kosten im Verhältnis zur Lebensdauer

und Leistungsfähigkeit des Kraftwerks bewerten

und finanzieren können. Die Erfahrung zeigt,

dass insbesondere die deutsche Industrie von international

anerkannten Qualitätsstandards profitiert,

da qualitativ hochwertige Produkte besser vermarktet

werden können.

Vor diesem Hintergrund entwickelt das Deutsche

Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit

mit dem Fraunhofer-Institut für Solare

Energiesysteme (ISE) in dem Vorhaben StaMeP standardisierte

Messmethoden und Prüfstände für Komponenten

und Felder von Parabolrinnenkraftwerken.

In StaMeP werden diese Methoden weiterentwickelt,

validiert und harmonisiert. Die Ergebnisse der Arbeiten

werden in die zuständigen Gremien eingebracht,

etwa unter dem Dach von SolarPACES, dem Implementing

Agreement der Internationalen Energieagentur

(IEA), und in geplante Kraftwerksprojekte

integriert. Das BMU fördert StaMeP mit rund 2 Mil ­

lionen Euro.

Übergreifende Fragestellungen

Zukünftiger Bedarf an Energiespeichern

Um dem fluktuierenden Angebot von erneuerbaren

Energien zu begegnen, wird neben intelligentem

Lastmanagement vor allem das Speichern von Strom

und somit der Bau von Speicherkapazitäten notwendig,

damit die sichere Stromversorgung bei einem

weiteren Ausbau erneuerbarer Energien gewährleistet

werden kann. Die Fragen, wie viel Speicherkapazität

wo benötigt wird und welche Speichertechnologie

für welche Standorte infrage kommt, sind jedoch

noch nicht geklärt. Um einen gezielten und volkswirtschaftlich

optimierten Ausbau von Speichern für

ganz Deutschland zu ermöglichen, erstellt das Fraunhofer-Institut

für Windenergie und Energiesystemtechnik

(IWES) in Kassel als Koordinator zusammen

mit dem Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft

(IAEW) der RWTH Aachen und der Stiftung

Umweltenergie recht aus Würzburg nun eine

Roadmap Speicher.

In dem Vorhaben werden die Stromversorgungssystem

für die Jahre 2020, 2030 und 2050 simuliert und

darin die notwendige Verbreitung sowie die Kosten

und Nutzen verschiedener Speichertechnologien untersucht.

Als Grundlage für die Zukunftsszenarien

dienen die in der Leitstudie des BMU „Langfrist ­

szenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren

Energien in Deutschland bei Berücksichtigung

der Entwicklung in Europa und global“

Teststand zur Bestimmung der thermischen Verluste von Parabolrinnenreceivern

im QUARZ-Zentrum des DLR

(www.bmu.de/N48591/) angegebenen Ausbausze na ­

rien sowie der im Sommer 2012 von den Übertra ­

gungsnetzbetreibern vorgelegte Netzentwicklungsplan.

Wie die Zukunft aussehen wird, hängt von vielen

Faktoren ab, so dass in den Simulationen die mögliche

Bandbreite zukünftiger Entwicklungen durch

verschiedene Szenarien abgedeckt wird. In einem

Szenario mit verlangsamtem Netzausbau werden lediglich

die wichtigsten Netzausbauprojekte berücksichtigt,

wohingegen in einem anderen Szenario mit

beschleunigtem Netzausbau alle Bauprojekte erfolgreich

und somit auch höhere Handelsflüsse mit den

Nachbarländern möglich sind. Um den Speicherbedarf

in Deutschland nicht zu überschätzen, wird

ganz Europa in die Simulation mit einbezogen, da

dort zum Teil bereits große Speicherkapazitäten existieren.

Neben der technisch-ökonomischen Unter ­

suchung wird auch eine rechtliche Analyse durch ­

geführt, angefangen von den Planungs- und Genehmigungsverfahren

für Speicher über energiewirtschaftsrechtliche

Kosten und Abgaben, Konsequenzen

der Trennung von Stromerzeugung und Stromtransport

bis hin zu beihilfe- und finanzverfassungsrechtlichen

Anforderungen an eine Speicherförderung.

Als Ergebnis sind Empfehlungen für volkswirtschaftlich

sinnvolle Betriebskonzepte und geeignete

Förderprogramme vorgesehen, damit die Roadmap

umgesetzt werden kann. Das BMU fördert das Projekt

mit rund 800.000 Euro. ■


12

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG

FÜR DIE ENERGIEWENDE

Förderung innovativer Technologien für eine regenerative

Energieversorgung durch das Bundesumwelt ministerium

Deutschland stellt seine Energieversorgung um auf

ein System, das auf erneuerbaren Energien beruht

und dabei umweltschonend, zuverlässig und bezahlbar

ist. Der erste Monitoringbericht zur Energiewende

im Dezember 2012 hat gezeigt: Die Generationenaufgabe

Energiewende ist bereits nach zwei Jahren

ein gutes Stück vorangekommen. In den meisten Bereichen

sind positive Entwicklungen zu verzeichnen,

bei fast allen Zielen liegt die Energiewende auf dem

neu eingeschlagenen Kurs. Erneuerbare Energien tragen

immer stärker zur Energieversorgung bei. Eine

zuverlässige Stromversorgung ist trotz Abschaltung

von acht Kernkraftwerken gewährleistet und die

Grundlagen für einen beschleunigten Aus- und Umbau

der Stromnetze sind gelegt. Auch die Steigerung

der Energieeffizienz geht voran, muss jedoch noch

beschleunigt werden.

Dennoch bleiben Herausforderungen bestehen, die

es in den kommenden Jahren zu meistern gilt. Neben

der großen Aufgabe der weiteren Verbesserung der

Energieeffizienz geht es vor allem darum, die Energiewende

zu möglichst niedrigen gesamtgesellschaftlichen

Kosten zu erreichen und die Energieversorgungssysteme

intelligent neu zu organisieren.

Zur Bewältigung dieser Herausforderungen leistet die

Forschungsförderung des Bundesumweltministeriums

einen wichtigen Beitrag. Die Energieforschungspolitik

unterstützt Technologieentwicklungen, die es erlauben,

die Ziele der Energiewende zuverlässiger, umweltschonender

und kostengünstiger zu erreichen.

Das Bundesumweltministerium baut seine Projektförderung

für erneuerbare Energien zur Unterstützung

der Energiewende aus und fokussiert sie weiterhin

auf anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung.

Das Spektrum reicht dabei von den Erzeugungstechnologien

(Wind, Solar, Geothermie) bis zu Technologien,

die für den Umbau hin zu einem Energieversorgungssystem

auf Basis erneuerbarer Energien

von zentraler Bedeutung sind, also insbesondere Netze

und Speicher. Gefördert werden qualitativ herausragende

Projekte, die dazu beitragen, das Energieversorgungssystem

immer mehr auf erneuerbare Energien

umzustellen, die Kosten der erneuerbaren Energien

weiter zu senken, die Wettbewerbsfähigkeit

deutscher Unternehmen in diesen globalen Zukunftsmärkten

zu steigern und die Umwelt- und Naturverträglichkeit

der Technologien zu verbessern. Dabei

kooperiert das BMU anlassbezogen mit anderen Bundesministerien,

um Forschungsmittel bei übergreifenden

Themen zu bündeln.

Im Jahr 2012 hat das BMU Forschungs- und Entwicklungsprojekte

im Bereich der erneuerbaren Energien

mit insgesamt rund 154,5 Millionen Euro aus dem

Bundeshaushalt und dem Energie- und Klimafonds

unterstützt. Dies entspricht einer Steigerung um

34 Millionen Euro gegenüber 2010 und einer Verdreifachung

gegenüber 2004.

Quelle: BMU

Ausgaben in Mio. Euro

200

150

100

50

50,2

85,8 81,2 81,3

98,5

109,6 120,2

129,4

154,5

0

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Originäre Haushaltsmittel

EKF (Energie- und Klimafonds)

Fördermittel des BMU für Forschung im Bereich erneuerbarer Energien


FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG FÜR DIE ENERGIEWENDE 13

Quelle: BMU

Sonstige 2,7 %

Projekte von

Forschungseinrichtungen 41,7 %

Projekte mit

Unternehmensbeteiligung

55,6 %

Wirtschaft 28,0 %

Forschungseinrichtungen in

industriellen Verbundvorhaben

27,6 %

Verwendung der Fördermittel nach Empfängergruppen (2012)

Im Jahr 2012 konnten die Anzahl und das Volumen

neu bewilligter Projekte, vor allem aufgrund des im

Energie- und Klimafonds vorgesehenen Aufwuchses,

erheblich ausgeweitet werden: 370 neue Projekte mit

einem Gesamtvolumen von knapp 290 Millionen

Euro wurden bewilligt. Damit wurde gegenüber 2010

das Gesamtvolumen neu bewilligter Projekte mehr

als verdoppelt, gegenüber dem Jahr 2004 fast ver ­

vierfacht. Der Mittelaufwuchs kommt allen Förderthemen

zugute (statistischer Überblick siehe Seite 71).

Angesichts der energiepolitischen Bedeutung von

technologischen Lösungen für den Netzaus- und -umbau,

für das intelligente Zusammenspiel von Energieangebot

und -verbrauch und für die mittel- und langfristig

wichtige Energiespeicherung hat das BMU insbesondere

den Förderschwerpunkt SystEEm (Regenerative

Energieversorgungssysteme und Integration erneuerbarer

Energien) ausgebaut. Im Jahr 2012 flossen

bereits 15 Millionen Euro in Projekte in diesen

Bereich gegenüber knapp 13 Millionen im Jahr 2010.

Für die kommenden Jahre wurden 2012 80 Projekte

neu bewilligt, die mit insgesamt knapp 66 Millionen

Euro gefördert werden sollen. Damit kommt dieser

Förderschwerpunkt zunehmend auf Augenhöhe mit

den Förderthemen Windenergie und Photovoltaik,

die ebenfalls deutlich aufgestockt wurden.

In der Windenergie sinken absehbar Preise und

Margen. Umso wichtiger ist es, den Technologievorsprung

etwa bei Netzeigenschaften, Rotorblättern

oder Antriebstechnik zu halten. Das BMU unterstützt

daher eine Reihe großer Testeinrichtungen, unter

anderem für Rotorblätter, Gondeln und Tragstrukturen.

Diese können als originalgroße Bauteilkomponenten

somit auch unter Laborbedingungen getestet

werden, wodurch deren Entwicklung beschleunigt

und auf Dauer hohe Kosten eingespart werden.

Quelle: BMU

Mittelabfluss (1.000 Euro)

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 *2011 *2012

Photovoltaik 24.417 41.961 37.609 32.108 39.939 32.889 39.087 38.827 51.667

Wind 7.354 16.885 9.765 15.741 29.908 27.894 36.774 44.013 38.451

Geothermie 5.883 10.667 13.985 14.443 7.415 13.837 9.889 11.599 20.816

Niedertemperatur-Solarthermie 3.532 4.920 6.612 5.676 5.736 6.313 8.371 6.451 7.965

Solarthermische Kraftwerke 5.552 5.154 5.906 5.935 7.078 7.068 5.841 6.058 7.574

SystEEmt 822 10.874 11.332 12.819 15.061

Sonstiges 3.504 6.229 7.322 7.421 7.610 10.677 8.908 9.631 12.940

Summe 50.242 85.816 81.199 81.324 98.508 109.552 120.202 129.398 154.474

* inklusive EKF


14

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Quelle: BMU

Photovoltaik 33,4 % Photovoltaik 23,6 %

Sonstiges 8,4 %

Sonstiges 3,6 %

SystEEm 9,7 %

SystEEm 22,6 %

Solarthermische Kraftwerke 4,9 %

Niedertemperatur-Solarthermie 5,2 %

GESAMTBETRAG

154,47 Mio. Euro

Solarthermische Kraftwerke 7,2 %

GESAMTBETRAG

289,71 Mio. Euro

Geothermie 13,5 %

Niedertemperatur-Solarthermie 3,4 %

Wind 24,9 %

Geothermie 7,4 %

Wind 32,2 %

Mittelabfluss für laufende Projekte und Mittelvolumen für neu bewilligte Projekte (beide inklusive Energie- und Klimafonds)

Im Bereich der Offshore-Windenergie machte eine

internationale Konferenz der vom BMU geförderten

Forschungsinitiative RAVE (Research at alpha ventus)

im Mai 2012 den Erkenntnisgewinn im Hinblick auf

Kostensenkung, Zuverlässigkeit und ökologische Auswirkungen

deutlich. Um Offshore-Forschung und Entwicklung

weiter voranzubringen, werden das Fraunhofer-Institut

für Windenergie und Energiesystemtechnik

(IWES) und die Offshore-Stiftung im Dialog

mit der Offshore-Industrie ein Konzept für ein „verteiltes

Testfeld“ am Rand kommerzieller Windparks

entwickeln. Insgesamt ging der Mittelabfluss für Projekte

im Bereich Windenergie 2012 mit 38,5 Millionen

Euro gegenüber 2011 (rund 44 Millionen Euro)

etwas zurück. Das lässt sich vor allem auf Verzögerungen

bei Großvorhaben aufgrund der schwierigen

Marktsituation zurückführen. Das Neubewilligungsvolumen

lag jedoch mit 93,2 Millionen Euro nochmals

rund 16,1 Mil lionen Euro über dem des Vor ­

jahres.

Im Rahmen der Initiative NER300 (NER: New Entrance

Reserve Versteigerung von CO 2 -Zertifikaten

für Demonstrationsprojekte in den Bereichen Carbon

Capture and Storage [CCS] und erneuerbare Energien)

der Europäischen Kommission wurde drei deutschen

Demonstrationsprojekten im Bereich der erneuer ­

baren Energien der Zuschlag für eine Förderung erteilt.

Neben einem Biogaskraftwerk sind jeweils ein

Offshore-Windpark der Firmen RWE Innogy GmbH

und BARD Holding GmbH vorgesehen. Der Offshore-

Windpark von RWE Innogy soll ein Testfeld für

Offshore-Gründungen enthalten und ergänzt damit

ideal die Ausrichtung der Förderung des BMU.

Deutsch land hat damit schon in der ersten Auswahlrunde

die im Rahmen von NER300 maximale Anzahl

an Projekten erreicht.

Die Photovoltaik befindet sich aktuell in einem

schwierigen Konsolidierungsprozess. Die „BMU Wissenschaftstage

Photovoltaik“ im November 2012 haben

gezeigt, dass in dieser Phase der Konsolidierung

der Photovoltaikindustrie die Fokussierung der BMU-

Förderung auf sehr anwendungsnahe, praxisorientierte

Verbünde mit industrieller Beteiligung sinnvoll

ist. Daneben sind aber auch Vorläuferprojekte an Instituten

mit einem Umsetzungshorizont von über

fünf Jahren wichtige Elemente der Forschungsförderung.

Insbesondere zur Innovationsallianz Photovoltaik

haben die beteiligten Unternehmen eine sehr

positive Zwischenbilanz gezogen und eine zweite

Phase vorgeschlagen, die zurzeit von den beteiligten

Ministerien BMU und BMBF vorbereitet wird. Der

Mittelabfluss für Projekte im Bereich Photovoltaik hat

im Jahr 2012 mit rund 51,7 Millionen Euro einen

sehr hohen Stand erreicht. Dies ist insbesondere auf

die Innovationsallianz Photovoltaik sowie das insgesamt

steigende Budget zurückzuführen. Das Neubewilligungsvolumen

lag mit 68,3 Millionen Euro aufgrund

der im Energie- und Klimafonds vorgesehenen

Mittelzuwächse erneut deutlich über dem Stand der

vorhergehenden Jahre.

Auch die Themen Geothermie, solarthermische Kraftwerke

und Niedertemperatur-Solarthermie wurden

ausgebaut. Der Mittelabfluss für Projekte der Geothermie

stieg von 11,6 Millionen Euro im Jahr 2011

auf 20,8 Millionen Euro im Jahr 2012 und liegt damit

deutlich über dem bisherigen Rekordwert von 14,1 Mil ­

lionen Euro aus dem Jahr 2007. Neue Projekte konnten

mit einem Gesamtvolumen von 21,4 Millionen

Euro bewilligt werden. Für die Forschung und Entwicklung

an solarthermischen Kraftwerken flossen

2012 7,6 Millionen Euro in laufende Projekte, eben ­

falls ein neuer Rekord wert, der nach zwei Jahren mit


FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG FÜR DIE ENERGIEWENDE 15

Quelle: BMU

Mio. Euro

300

250

200

150

100

50

0

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 * 2012 *

Haushaltsansatz (inklusive FuE-Verstärkung aus Marktanreizprogramm 2004/2005) Mittelabfluss (Ausgaben) Neubewilligungen

Entwicklung der BMU-Projektfördermittel seit 2004 (* inklusive Energie- und Klimafonds)

weniger Mittelabfluss noch über den Jahren 2008

und 2009 mit je 7,1 Millionen Euro liegt. Zu diesem

Forschungsbereich wurde seit 2007 ein beständiger

Aufwuchs des Neubewilligungsvolumens angesetzt,

der mit 20,7 Millionen Eu ro für 2012 den mit Abstand

(2011: 11,2 Millionen Eu ro) höchsten Wert erreicht

hat. In der Niedertemperatur-Solarthermie

knüpfte der Mittelabfluss im Jahr 2012 für laufende

Projekte mit 8 Millionen Euro wieder an den bisherigen

Rekord von 8,4 Millionen Euro aus dem Jahr

2010 an. Auch hier ist das Neubewilligungsvolumen

mit 9,4 Millionen Euro im Jahr 2011 und rund 10 Millionen

Euro im Jahr 2012 vergleichsweise hoch aus ­

gefallen. Auch die Untersuchungen sozialer, ökologischer

und ökonomischer Rahmenbedingungen im

Rahmen der Förderung übergreifender Fragestellungen

konnten 2012 mit einem Mittelabfluss von rund

3,8 Millionen Euro den Wert des Vorjahres (3 Millionen

Euro) übersteigen. Für diesen Forschungsbereich

wurde mit neu bewilligten Projekten in Höhe von

4,8 Millionen Euro wieder das Niveau des vergangenen

Jahres (4,9 Millionen Euro) erreicht. Ergänzt werden

diese Forschungsschwerpunkte durch das Programm

zur Förderung von Forschung und Entwicklung

zur klima effizienten Optimierung der energetischen

Biomassenutzung.

Der vorliegende Bericht gibt einen Überblick über

alle Bereiche der Forschungsförderung des Bundesumweltministeriums.

Nach einem Blick auf die jeweilige

Markt- und Technologieentwicklung werden beispielhaft

wichtige Projekte, die mit Unterstützung

Quelle: BMU

Photovoltaik

Wind

Geothermie

Niedertemperatur-

Solarthermie

Solarthermische

Kraftwerke

SystEEm

Sonstiges

Mittel in Mio. Euro 0 10 20 30 40 50 60

2011 2012

Vergleich des Mittelabflusses für die Jahre 2011 und 2012


16 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG FÜR DIE ENERGIEWENDE

des BMU realisiert werden, vorgestellt. Ergänzend

werden Förderaktivitäten anderer Bundesministerien

mit Bezug zu erneuerbaren Energien kurz dokumentiert.

Eine Gesamtschau der forschungspolitischen

Förderaktivitäten der Bundesregierung wird im

„Bundesbericht Energieforschung“ gegeben, dessen

Veröffentlichung im Frühjahr 2013 vorgesehen ist.

Insgesamt ist festzuhalten, dass die Mittel für Forschung

und Entwicklung im Bereich der erneuerbaren

Energien und Energieeffizienz, also den beiden

zentralen Säulen der Energiewende, in den vergangenen

Jahren deutlich gestiegen sind und sich seit 2006

nahezu verdoppelt haben.

Die im Jahr 2012 angepasste Planung des 6. Energieforschungsprogramms

sieht bisher für die Jahre 2013

und 2014 einen erheblichen weiteren Anstieg der

Mittel für diese Kernbereiche vor. Die Realisierung

ist abhängig von der Entwickung des Energie- und

Klimafonds. ■

Von der Wetterlage abhängige Stromproduktion: Photovoltaikmodule und Windenergieanlagen als bedeutende Komponenten einer erfolgreichen

Energiewende


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 17

SystEEm:

REGENERATIVE ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEME

UND INTEGRATION ERNEUERBARER ENERGIEN

Erneuerbare Energien werden in Deutschland zukünftig

den Hauptanteil der Energieversorgung

übernehmen. Bis 2050 soll ihr Anteil an der Stromversorgung

mindestens 80 Prozent betragen. Auf

diesem Weg werden die konventionellen Energieträger

in einem dynamischen Energiemix kontinuierlich

durch erneuerbare Energien ersetzt. Dies

erfordert einen grundlegenden Umbau der Energieversorgungssysteme.

Dabei kommt es auch auf

ein abgestimmtes Vorgehen zwischen dem Ausbau

der erneuerbaren Energien und dem Aus- beziehungsweise

Umbau der Stromnetze an. Im Förderschwerpunkt

Regenerative Energieversorgungs ­

systeme und Integration erneuerbarer Energien

(SystEEm) werden daher Technologie entwicklung

und Praxistests für die Energiewelt von morgen

gefördert.

Schwerpunkte der Forschungsförderung

vor dem Hintergrund der

Markt- und Technologieentwicklung

Für den erfolgreichen Übergang in das Zeitalter der

erneuerbaren Energien müssen beide Seiten, die verbleibenden

konventionellen Kraftwerke wie die erneuerbaren

Energien, ihren Beitrag leisten. Das künftige

Energieversorgungssystem wird auf einen hohen

Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien ausgelegt

sein. Deshalb müssen die konventionellen Kraftwerke

zukünftig flexibel sein. Die erneuerbaren Energien

müssen parallel Systemverantwortung übernehmen

und Systemdienstleistungen erbringen. Für den

Umbau werden intelligente Netzstrukturen, innova ­

tives Lastmanagement und perspektivisch auch die

Speicherung erneuerbarer Energien benötigt. Für

diese Herausforderungen sind neue und bessere

technische Lösungen erforderlich.

Vor diesem Hintergrund baut das BMU den Förderschwerpunkt

SystEEm kontinuierlich aus und kooperiert

mit dem Bundeswirtschafts- (BMWi) und dem

Bundesforschungsministerium (BMBF) im Rahmen der

ressortübergreifenden Förderinitiativen zu Energiespeichern

und zukunftsfähigen Stromnetzen. Die Forschungsförderung

des BMU unterstützt gezielt den

Umbau der Energieversorgungssysteme für das regenerative

Energiezeitalter. Bereits 2008 hat das BMU

dafür den Förderschwerpunkt SystEEm eingerichtet.

Aus- und Umbau der Stromnetze in Abstimmung mit dem Ausbau der

erneuerbaren Energien

Der schnelle Fortschritt in den einzelnen Technologien

zur Nutzung erneuerbarer Energien und die

Energiewende selbst haben den Umbau der Energieversorgungssysteme

immer stärker in den Vordergrund

gerückt. Ziel ist die Optimierung des Gesamtsystems.

Von der Stromerzeugung über Transport,

Speicherung und Verteilung der Elektrizität bis zum

Verbrauch sind alle Bereiche zu beachten. Hierfür

müssen Lösungen entwickelt werden, die einen Beitrag

zu einer klimaverträglichen, sicheren und wettbewerbsfähigen

Energieversorgung leisten. Das BMU

unterstützt in diesem Förderbereich Forschungs- und

Entwicklungsprojekte zu folgenden Themen:

— Energiespeicher

für den Ausgleich kurzfristiger Fluktuationen bis

zur Langzeitspeicherung erneuerbarer Energien

bei saisonalen Schwankungen und zur Netzstützung

— Netze

Anpassung und Weiterentwicklung von Netzinfrastruktur

und Netzbetrieb für hohe Anteile

erneuer barer Energien; intelligente Netze für das

Zusammenspiel von Erzeugung, Verbrauch und

Netz; Anbindung der Offshore-Windenergie

— Systemdienstleistungen

Übernahme der Systemverantwortung durch

erneuerbare Energien


18

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Quelle: BMU

Ausgaben in Mio. Euro

16 15,1

14 12,8

12 10,9

11,3

10

8

6

4

2 0,8

0

2008 2009 2010 2011 2012

Energiespeicher Netztechnik Smart Grids Systemdienstleistungen Kombikraftwerke Prognosen Mobilität

SystEEm: Jährliche Projektfördermittel zwischen 2008 und 2012

— regenerative Kombikraftwerke /

virtuelle Kraftwerke

Verknüpfung von Erzeugungsanlagen, Speicher

und Verbrauch zur gezielten Einspeisung, Direktvermarktung

— Prognosen für Erzeugung und Verbrauch

für einen effizienten Netzbetrieb und Energiehandel

Im Bereich Energiespeicher begleitet das BMU gemeinsam

mit BMWi und BMBF die ressortübergreifende

Förderinitiative Energiespeicher (siehe Seite

20). Hier werden insbesondere Projekte zu den

Themen-Leuchttürmen „Batterien in Verteilnetzen“

(Kopplung von Batteriespeichern mit dezentralen Erneuerbaren-Energien-Anlagen,

insbesondere Photovoltaik)

und „Wind-Wasserstoff-Kopplung“ (Erzeugung

von Wasserstoff oder Methan mittels Windüberschussstrom;

Stichwort Power-to-Gas, siehe auch

Seite 19) gefördert. Des Weiteren haben BMU, BMWi

und BMBF Anfang 2013 gemeinsam die ressortübergreifende

Förderinitiative Zukunftsfähige Stromnetze

gestartet, in deren Fokus intelligente Verteilnetze,

Übertragungsnetze, die Anbindung der Offshore-

Windenergie und relevante Schnittstellen zwischen

diesen Bereichen stehen.

Zur Ausrichtung und Weiterentwicklung der Forschungsförderung

führt das BMU regelmäßig Strategiegespräche

mit Vertretern aus Wirtschaft und Forschung

durch. Im September 2012 fand das Strategiegespräch

zur Forschungsförderung im Bereich SystEEm

statt. Die Ergebnisse flossen auch in die Anfang

2013 veröffentlichte Förderinitiative Zukunftsfähige

Stromnetze ein. Das Treffen betonte die Bedeutung

des Förderschwerpunkts SystEEm und hat dessen

grundsätzliche inhaltliche Ausrichtung bestätigt. Im

Bereich Energiespeicher identifizierten die Experten

die Senkung der Investitionskosten sowie die Erhö-

Quelle: BMU

Mio. Euro

70 65,6

60

50

40

30

28,2

26,3

20

11,5 12,2

10

0

2008 2009 2010 2011 2012

SystEEm: Entwicklung des Neubewilligungsvolumens seit 2008


SystEEm: REGENERATIVE ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEME 19

hung des Wirkungsgrads und der Lebensdauer als

vordringlichste Entwicklungsaufgaben. Die kurz- und

mittelfristige Speicherung wurde dabei als wichtiger

bewertet als die Langzeitspeicherung. Bei Netzen

wurde der Forschungs- und Entwicklungsbedarf für

die Anpassung der Betriebsführung der Verteilnetze

betont. Lastmanagement im industriellen und privaten

Bereich, der Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik

(IKT) zur Vernetzung von Erzeugung,

Verbrauch und Netzbetriebsmitteln sowie die

Konvergenz verschiedener Netze (Strom, Gas, Wärme,

Mobilität) wurden als bedeutende Themen benannt.

Die Entwicklung von Konzepten für Systemdienstleistungen

durch erneuerbare Energien wurde

zudem als prioritär eingestuft.

Diese Fragen sind von zentraler Bedeutung für das

Energieversorgungssystem. In den gesamten Förderschwerpunkt

flossen im Jahr 2012 insgesamt rund

15,1 Millionen Euro (2010: 11,3 Millionen Euro) in

laufende Vorhaben. Die für neu bewilligte Projekte

vorgesehenen Mittel haben sich im Vergleich zum

Vorjahr mehr als verdoppelt und stellen einen neuen

Rekordwert dar. 2012 wurden für diesen Themen ­

bereich 80 Projekte mit einem Fördervolumen von

insgesamt 65,6 Millionen Euro neu bewilligt. Bereits

2011 hatte sich das Fördervolumen für Neubewilligungen

mit 26,3 Millionen Euro für 26 Projekte gegenüber

2010 mit 12,2 Millionen Euro für 22 Projekte

verdoppelt.

Auswahl geförderter Projekte

An dieser Stelle werden einige vom BMU geförderte

Projekte im Bereich Regenerative Energieversorgungssysteme

und Integration erneuerbarer Energien vorgestellt.

Leuchtturmprojekte aus diesem Technologiebereich

sind außerdem im Kapitel „Highlights“ zu

finden (siehe Seiten 6/7).

Speichertechnologien

Power-to-Gas: 6,3-Megawatt-Praxistest zur

Umwandlung von Strom in Methan

Eine interessante Speichertechnologie für die Langzeitspeicherung

erneuerbarer Energien besteht in

der Umwandlung des Stroms in Wasserstoff oder Methan

auch Power-to-Gas genannt. Der Speicherort

dafür ist bereits vorhanden: Als Hauptbestandteil von

Erdgas kann Methan unbegrenzt in das Erdgasnetz

eingespeist werden. Das Konzept des dafür notwendigen

Verfahrens zur Methanherstellung durch regenerativen

Strom stammt vom Zentrum für Sonnenenergie-

und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

(ZSW), der SolarFuel GmbH und dem Fraunhofer-Institut

für Windenergie und Energiesystemtechnik

250-Kilowatt-Demonstrationsanlage für Power-to-Gas am ZSW

(IWES). Die Entwicklung wurde vom BMU unter anderem

durch den Bau einer 250-Kilowatt-Demonstrationsanlage

gefördert, die Ende Oktober 2012 am

ZSW eingeweiht wurde.

Bei Power-to-Gas wird mittels Elektrolyse aus Wasser

Wasserstoff erzeugt, der in einem zweiten Schritt mit

Kohlendioxid zu Methan umgewandelt wird. Unter

der Koordination der Audi AG entwickeln die Partner

des Projekts WOMBAT am Anlagenstandort Werlte

eine Demonstrationsanlage, um das Verfahren für

den industriellen Einsatz weiterzuentwickeln. Dabei

soll erstmals eine Power-to-Gas-Anlage zur Methanherstellung

mit einer Leistung von 6,3 Me gawatt gebaut

werden, die unter realen Bedingungen betrieben

und optimiert werden soll. Sie wird an eine Biogasanlage

als regenerative Kohlendioxidquelle angebunden.

Der Strom stammt aus erneuerbaren Energien.

Das erzeugte Methan wird in das Erdgasnetz

eingespeist. Für den Standort Werlte soll darüber

hinaus getestet werden, wie die Power-to-Gas-Anlage

für das Angebot von Regelenergie zur Stabilisierung

des Stromnetzes genutzt werden kann.

Das BMU fördert die wissenschaftliche Begleitung

von Planung, Bau und Betrieb der Anlage aus Mitteln

der Förderinitiative Energiespeicher mit rund 5,9 Millionen

Euro.

Photovoltaikstrom effizient und intelligent speichern

Speziell bei der Stromerzeugung durch Photovoltaikanlagen

geht es um die Frage, wie die Aufteilung

zwischen Eigennutzung und Einspeisung in das öffentliche

Verteilnetz sinnvoll geregelt werden kann.

Speicher spielen hierbei eine große Rolle. Um zu erreichen,

dass durch den Einsatz lokaler Speicher einerseits

der Anteil des selbst genutzten Stroms optimiert

wird und anderseits die Netze entlastet wer­


20

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Speicher im Fokus: Förderinitiative Energiespeicher

Die Speicherung von Energie ist ein zentrales

Thema der Energiewende. Mit Windenergie, Photovoltaik

und Solarthermie kommen Technologien

zum Einsatz, deren Energie wetterabhängig zur

Verfügung steht. Dies muss durch einen flexiblen

Verbrauch und Speicherung von Strom und Wärme

sowie ein intelligentes Netz ausgeglichen werden.

Bisher stehen einem wirtschaftlichen und massenfähigen

Einsatz von Energiespeichern noch teilweise

grundlegende technologische Hürden im Weg. Mit

der ressortübergreifenden Förderinitiative Energiespeicher

beabsichtigt die Bundesregierung, die Entwicklung

von Energiespeichertechnologien in

Deutschland zu beschleunigen. Für die Förderinitiative

stellen Bundeswirtschafts-, Bundesumwelt- und

Bundesforschungsministerium gemeinsam Mittel in

Höhe von bis zu 200 Millionen Euro bereit. Im Jahr

2012 haben die ersten Arbeiten begonnen, insgesamt

wurden bis Ende 2012 163 Projekte mit einem breiten

Themenspektrum bewilligt. Im Fokus stehen stationäre

Speichertechnologien mit unterschiedlichen

Anforderungen vom Ausgleich kurzfristiger Fluktuationen

bis hin zur Langzeitspeicherung erneuerbarer

Energien. Gegenstand der Forschungsförderung

sind unter anderem die Weiterentwicklung von

Batterien und Anpassung an fluktuierende Einspeisung,

zum Beispiel zur Netzstützung und Erhöhung

des Photovoltaikeigenverbrauchs, die Umwandlung

und Speicherung von fluktuierender Einspeisung in

Wasserstoff und Methan sowie Lösungsansätze für das

effiziente Speichern von Wärme und für intelligentes

Lastmanagement. Aufgrund ihrer zentralen Bedeutung

wurden Projekte zu den Themen Wind-Wasserstoff-Kopplung

und Batterien in Verteilnetzen in

Leuchttürmen gebündelt. Dadurch soll eine bessere

Vernetzung dieser Projekte erreicht und der Austausch

und die Zusammenarbeit zwischen den Akteuren verstärkt

werden. Die beteiligten Ministerien haben den

Projektträger Jülich mit dem Projektmanagement der

Förderinitiative beauftragt. Erste Projekte mit Unterstützung

des BMU sind unter anderem das Projekt

Smart Region Pellworm (siehe Kapitel „Highlights“,

Seite 6) sowie die Projekte WOMBAT und Hei-PhoSS

Hocheffizienter und intelligenter Photovoltaik­

Strom-Speicher (siehe Seiten 19/20). Nähere Informationen

zur Förderinitiative und den Projekten finden

sich auch im Internetportal der Förderinitia tive unter

www.forschung-energiespeicher.de ■

den, ist eine intelligente Regelung und Kommuni ­

kation mit dem Netz, idealerweise einem Smart

Grid, notwendig. Hierfür haben sich in dem Projekt

Hei-PhoSS mit der Sunways AG als Koordinator,

der Akasol Engineering GmbH und dem Fraunhofer-

Institut für Solare Energiesysteme (ISE) Know-how-

Träger im Bereich Photovoltaik, Batterieladung und

-überwachung sowie intelligente Steuerung dezentraler

Anlagen im Stromnetz zusammengeschlossen. Es

ist das Ziel, ein hocheffizientes Hochvolt-Photovoltaik-

Batteriesystem zu entwickeln, das mit einer intelligenten

Kommunikations- und Regelungstechnik

verbunden wird. Die Batterie, die im Rahmen des

Projekts entwickelt wird, weist eine Spannung von

350 Volt auf. Bisher sind im Handel nur Systeme mit

maximal 48 Volt erhältlich, die mit mehr Wandlerstufen

arbeiten und bei denen der von der Photovoltaikanlage

erzeugte Gleichstrom zunächst für den

Gebrauch in Wechselstrom gewandelt werden muss,

um bei Überproduktion für die Batterie wieder in

Gleichstrom umgewandelt zu werden. Die Hochvolt-

Batterie dagegen kann direkt von der Photovoltaikanlage

geladen werden. Dadurch können Bauteile, Umwandlungsschritte,

Wirkungsgradverluste und damit

die Systemkosten verringert werden. Das bei dem

Projekt entwickelte Energiemanagement soll den Ei ­

gen verbrauch, die Einspeisung und Ladezyklen und

damit die Lebensdauer der Batterie optimieren. Das

BMU fördert das Projekt im Rahmen der Förderinitiative

Energiespeicher mit rund 1,8 Millionen Euro.

Netztechnologien

Intelligent vernetzt in E-Energy-Modellregionen

Die Weiterentwicklung dezentraler Energiesysteme

hin zu intelligenten Netzen ist zu einem Hauptthema

von Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbarer

Energien geworden. Bereits 2008 fiel der Startschuss

für sechs große Modellregionen-Projekte, die

sich mit diesem Thema innerhalb der gemeinsamen

Förderinitiative E-Energy von Bundeswirtschafts- und

Bundesumweltministerium befasst haben. Anfang

2013 konnten die vom BMU geförderten Projekte

RegModHarz Regenerative Modellregion Harz

und moma Modellstadt Mannheim erfolgreich

abgeschlossen werden.

Kernstück des Projekts RegModHarz ist ein virtuelles

Kraftwerk, an das mittels moderner Informationsund

Kommunikationstechnologien (IKT) verschiedene

Erneuerbare-Energien-Anlagen, Speicher und Verbraucher

aus dem Landkreis Harz angeschlossen wurden.

Das virtuelle Kraftwerk ermöglicht die fahrplan­


SystEEm: REGENERATIVE ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEME 21

In dem Projekt moma mit acht Projektpartnern unter

Koordination des Mannheimer Energieunternehmens

MVV Energie AG ging es um die Umsetzung

eines dezentralen und zellularen Energiesystems mit

einem virtuellen Energiemarkt im urbanen Raum.

In Feldtests mit über 1.000 Teilnehmern wurde ein

System erprobt, in dem der Energieausgleich zwischen

Haushalten und Stromerzeugern über intelligente

Kommunikationstechnik und variable Strompreise

geregelt wurde. In den Haushalten wurde für

das Energiemanagement der sogenannte „Energiebutler“

als Steuergerät eingesetzt. Das Projekt konnte

in den Feldtests empirisch nachweisen, dass Verbraucher

bereit sind, den Betrieb ihrer Geräte in Zeiten

mit kostengünstigem Strompreis zu verschieben. Im

Projekt wurde das Betriebssystem OGEMA der Open

Gateway Energy Management Alliance als offene

Plattform für Anwendungen im Smart Home und

Smart Grid erstmalig umfassend erprobt. RegMod-

Harz wurde vom BMU mit rund 10,4 und moma mit

rund 10,2 Millionen Euro gefördert.

Messestand des Projekts RegModHarz: So funktioniert ein virtuelles

Kraftwerk.

basierte Marktintegration der Erzeugungsanlagen

und damit deren bedarfsorientiertes Verhalten. Im

Projekt wurde hierfür ein Standard entwickelt, der

eine einfache Anbindung von neuen Anlagen an das

virtuelle Kraftwerk ermöglicht. Über die Leitwarte

des virtuellen Kraftwerks konnte die Leistung der angeschlossenen

Komponenten beobachtet, prognostiziert

und deren Vermarktung unter anderem an einer

Strombörse simuliert werden. Bei Feldtests konnten

Verbraucher mit Hilfe eines im Projekt weiterentwickelten

Energiemanagementgerätes den Verbrauch

ihrer elektrischen Geräte an einen variablen

Stromtarif auf Basis der regionalen Stromerzeugung

aus erneuerbaren Energien anpassen. Dabei

hat sich gezeigt, dass auch private Verbraucher auf

Preissignale reagieren, solange diese nicht zu kompliziert

sind. Mit Hilfe hochpräziser, während des Projekts

installierter Messgeräte kann der Netzzustand

besser beobachtet werden, um das Netz zukünftig

auch bei zunehmendem Ausbau sicherer und wirtschaftlicher

betreiben zu können. Unter Koordination

des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik

(IWES) hatten sich in dem Projekt

21 Partner, darunter sämtliche Verteilnetzbetreiber

des Landkreises Harz, zusammengeschlossen.

Dynamische Netzstützung durch Photovoltaikanlagen

Solarparks, die in die Mittelspannungsebene der

Stromnetze einspeisen, müssen dafür bestimmte

Richtlinien einhalten. Dazu zählt in Deutschland

neben einer statischen Netzstützung auch die dynamische

Netzstützung, also das Verhalten der Erzeugungsanlagen

während Netzfehlern und Netzspannungseinbrüchen.

Die Netzspannung kann während

solcher Netzfehler mit speziellen Stromregelalgorithmen

gestützt werden. Zum Nachweis, dass eine solche

dynamische Netzstützung möglich ist, müssen

die Erzeugungsanlagen den LVRT-Test (Low Voltage

Ride Through) bestehen. Nur dann ist ein zuverlässiger

Betrieb auch bei niedriger Spannung beziehungsweise

plötzlichem Spannungseinbruch gewährleistet.

Nach den aktuellen Richtlinien ist es für den Test ausreichend,

einzelne Geräte zu testen. Bei Photovoltaik-

Kraftwerken (Verbund mehrerer Wechselrichter) werden

in der Regel Typprüfungen der einzelnen Wechselrichter

mit Simulationsrechnungen der LVRT-

Fähig keit für das komplette Photovoltaik-Kraftwerk

kom biniert. Die Erfahrung zeigt allerdings, dass

ausgehend von Einzelgeräten noch keine sichere

Aussage über das Verhalten eines Wechselrichter ­

verbunds gemacht werden kann. Innerhalb des Vorhabens

MULTI-PV-LRT des Fraunhofer-Instituts für

Solare Energiesysteme (ISE) soll deshalb sowohl in

Labor- als auch in Feldvermessungen die LVRT-Fähigkeit

mehrerer Wechselrichterverbünde untersucht

werden. Mit den dabei entwickelten Simulationsmodellen

wäre es möglich, das Verhalten von Solarparks

bei Netzfehlern besser zu bewerten und geeignete

Abhilfemaßnahmen zu untersuchen. Das BMU fördert

das Projekt mit rund 1,5 Millionen Euro.


22

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Konstant trotz Fluktuation

Systemdienstleistungen durch erneuerbare Energien

Mit einem 11.000 Kilometer langen Höchstspannungsnetz

in Deutschland ist die Amprion GmbH

ein bedeutender Übertragungsnetzbetreiber in

Europa. Für den stabilen Betrieb dieses Stromnetzes

sind verschiedene Systemdienstleistungen notwendig.

Die größte Herausforderung besteht darin,

dezentral erzeugte Energie so in das Stromnetz

einzuspeisen, dass durchgängig die erforderliche

Regelenergie für die Frequenzhaltung verfügbar

ist, betont Dr. Markus Stobrawe, Abteilungsleiter

bei der Amprion GmbH.

Welches ist Ihrer Ansicht nach

die wichtigste Systemdienstleistung?

Die wichtigste Systemdienstleistung

überhaupt ist die Haltung

der Netzfrequenz als Indikator

des Leistungsgleichgewichts. In

Deutschland und europaweit

sind 50 Hertz als Soll-Frequenz

vorgeschrieben. Ungleichgewichte

in der Leistungsbilanz entstehen

zum Beispiel durch Kraftwerksausfälle,

aber auch durch

Prognosefehler, etwa hinsichtlich

der Windenergie oder des Verbrauchs.

Frequenzhaltung unsererseits bedeutet, dass

wir in solchen Fällen die Möglichkeit haben, möglichst

schnell Erzeugungsreserven zu aktivieren, um

die Frequenz zu stabilisieren.

Eine stabile Frequenz wäre demnach automatisch

gegeben, wenn der Strom überall gleichmäßig erzeugt

und verbraucht wird.

Für die richtige Frequenz müssen Erzeugung und

Verbrauch jederzeit, eigentlich in jeder Sekunde, im

Einklang sein. Sie sind es aber nicht immer, weil wir

den Strom nach Bedarf verbrauchen. Auch die Erzeugung

geschieht nicht mehr so planmäßig wie früher.

Durch die Erneuerbaren fluktuiert sie stärker. Man

kann das stark vereinfacht so verstehen: Wenn Sie

auf dem Fahrrad sitzen und gleichmäßig treten, fahren

Sie mit konstanter Geschwindigkeit. Wenn es

jetzt aber plötzlich den Berg hochgeht, werden Sie,

wenn Sie nicht stärker treten, automatisch langsamer

bergab ist es umgekehrt. Wir wollen die gleiche

Frequenz, die gleiche Geschwindigkeit halten und

müssen immer wieder nachlegen oder etwas rausnehmen.

Wie gehen Sie dabei vor?

Für die Frequenzhaltung brauchen wir das, was wir

Regelenergie nennen, diese Leistung schreiben wir

aus. Dafür können alle Erzeuger und Verbraucher genutzt

werden, die in der Lage sind, sich sehr schnell

regeln zu lassen. Auch Speicher nehmen heute schon

daran teil, weil sie sehr flexibel sind. Bisher ist die Regelenergie

im überwiegenden Teil durch herkömmliche

Kraftwerke erzeugt worden. Aber wir haben zum

Beispiel auch schon viele Biogasanlagen, die Regelenergie

erbringen. Schwieriger ist es, wenn Kraftwerke,

die Regelenergie erbringen sollen, selbst schon

fluktuierend sind. Aber man überlegt sich jetzt Techniken,

um auch die Windenergie- und Photovoltaikanlagen

dazu zu befähigen, Regelenergie erbringen

zu können.

Welche Herausforderungen ergeben sich daraus?

Die modernen Anlagen sind heutzutage technisch

gut und schnell regelbar. Die größte Herausforderung

ist nach wie vor, im Voraus zu wissen, wie viel

die Photovoltaik- oder Windenergieanlagen einspeisen

und zwar verlässlich. Eine fehlerhafte Windoder

Solarprognose wirkt genauso wie ein Kraftwerksausfall:

Es fehlt Leistung, die Sie den Verbrauchern

zugesagt haben. Hinsichtlich des Regelenergiemarktes

müssen wir es zukünftig außerdem schaffen,

dass die Anlagen planmäßig einspeisen und alles

dafür tun, diese planmäßige Einspeisung zu halten,

statt so viel wie möglich einspeisen zu wollen.

Werden durch den weiteren Ausbau der erneuerbaren

Energien weitere Systemdienstleistungen

nötig?

Ich glaube nicht, dass wir neue Systemdienstleistungen

brauchen. Zusätzlich zur Frequenzhaltung be ­

nötigen wir heute die Spannungshaltung und eine

weitere Leistung, die wir als Redispatch bezeichnen.

Dabei geht es darum, die Einspeiseleistung von einigen

Kraftwerken auf andere zu verlagern, wenn Engpässe

im Netz auftreten. Wenn der Transport von

Nord nach Süd an seine Grenzen stößt, partiell, an

einzelnen Leitungen, müssen wir meist im Süden ein

Kraftwerk aktivieren und im Norden etwas herunterfahren,

um gegenzusteuern. Die Spannungshaltung

ist ebenfalls eine lokale Größe. Wenn Kraftwerke abgeschaltet

werden, müssen wir Spannungshaltung

aus anderen Kraftwerken bekommen. Zum Beispiel

von großen Windparks, die direkt an das Übertragungsnetz

angeschlossen sind. Darüber hinaus kann

ich mir keine besondere Systemdienstleistung vorstellen.


Dr. Markus Stobrawe ist Abteilungsleiter für Systemdienstleistungen

und -bilanzierung bei der Amprion GmbH


SystEEm: REGENERATIVE ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEME 23

Präzise, lokal aufgeschlüsselte Einspeiseprognosen als wichtiges Element eines stabilen und sicheren Netzbetriebs Netzsteuerungsstelle

von Vattenfall Europe in Berlin

Prognosen für Erzeugung und Verbrauch

Sicherer Netzbetrieb auch bei lokalen Wetter ­

phänomenen

Um die Netze vorausschauend und sicher betreiben

zu können, spielen präzise, lokal aufgeschlüsselte

Einspeiseprognosen eine wichtige Rolle. Für eine

Optimierung der Möglichkeiten arbeitet die

energy & meteo systems GmbH als Koordinator in

dem Projekt ORKA mit dem Deutschen Wetterdienst

und den Netzbetreibern 50 Hertz Transmission (Übertragungsnetz)

sowie E.ON Avacon (Verteilnetz) zusammen.

In dem Projekt sollen regional hochaufgelöste

Einspeiseprognosen für erneuerbare Energien im

Hinblick auf die Netzbetriebsführung verbessert werden.

Bisher wurden Wettervorhersagen hauptsächlich

für größere Gebiete wie etwa ganze Regelzonen

erstellt, mit denen Übertragungsnetzbetreiber Bilanzen

über den Anteil erneuerbarer Energien ziehen

konnten. Vorhersagefehler, die durch lokale Effekte

wie Wolken über einer Photovoltaikanlage entstehen,

haben sich dabei zum großen Teil aufgrund der

großen Anlagenanzahl im Vorhersagegebiet ausge ­

glichen.

Das System COSMO-DE-EPS des Deutschen Wetterdienstes

arbeitet mit hochauflösenden Ensemble-Vorhersagen

(verschiedene Szenarien eines vorhergesagten

Verlaufs) und soll innerhalb des Projekts für die

Netzsicherung nutzbar gemacht werden. Zum einen

sollen die Kürzestfristvorhersagen für eine Zeitspanne

von bis zu acht Stunden verbessert werden. Zum

anderen sollen die Ensemble-Vorhersagen dazu genutzt

werden, die Risiken für schlimmste zu erwartende

Szenarien abzuschätzen. Insbesondere bei

schwierig vorherzusagenden Wetterlagen, in denen

eine große Bandbreite von Einspeiseverläufen möglich

ist, spielt das eine wichtige Rolle. Das BMU fördert

ORKA mit rund 770.000 Euro.

Entwicklung verbesserter Erzeugungsprognosen

für Wind- und Photovoltaik

Einen Projektansatz zur Weiterentwicklung von Prognosesystemen

für die Stromerzeugung aus Wind und

Photovoltaik verfolgt das Projekt EWeLiNE, in dem

das Fraunhofer IWES, der Deutsche Wetterdienst und

die Übertragungsnetzbetreiber Amprion GmbH, TenneT

TSO GmbH und 50 Hertz Transmis sion GmbH kooperieren.

In dem Projekt sollen Wettermodelle für

die Verwendung in der Energiewirtschaft optimiert

werden. Dabei sollen die Transformation meteorologischer

Daten in Wind- und Photovoltaikleistung sowie

aktuelle Messungen an repräsentativen Windund

Photovoltaikanlagen direkt in die Modellkette integriert

werden. Durch einen projektbegleitenden Industrie-

und Lenkungskreis wird sichergestellt, dass

die Änderungen der Wettermodelle an die Bedürfnisse

von Anbietern und Anwendern der Prognosen angepasst

werden. Als Basis für die Optimierung wird

eine Software-Referenzarchitektur entwickelt, die bestehende

Komponenten und Standards enthält und

auch anderen Institutionen zur Weiterentwicklung

dienen soll. Das BMU fördert das Verbundprojekt mit

rund 7 Millionen Euro. ■


24

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

WINDENERGIE

Installation einer neuen Windenergieanlage: In Deutschland waren es über 1.000 Anlagen im Jahr 2012.

Die Windenergie bleibt bezogen auf die erzeugte

Strommenge weiterhin das Zugpferd der erneuerbaren

Energien in Deutschland. Ziele der Forschungsförderung

sind deshalb, die Kosten weiter

zu senken, den Ausbau on- und offshore sowohl

ökonomisch als auch ökologisch zu optimieren

und die gute Position der deutschen Windindustrie

in einem absehbar von Überkapazitäten und

neuen Wettbewerbern geprägten Markt zu erhalten

und auszubauen.

Schwerpunkte der Forschungsförderung

vor dem Hintergrund der

Markt- und Technologieentwicklung

Für das Jahr 2013 rechnen Experten weltweit mit einem

Zubau von Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung

von 45 Gigawatt. Dabei entfällt der

größte Anteil (rund 20 Gigawatt) der Neuerrichtungen

auf den asiatischen Raum, wenngleich der Zubau

in China sich von 19,1 Gigawatt im Jahr 2011 auf

13,2 Gigawatt im Jahr 2012 deutlich verringert hat.

Der Zubau in Europa dürfte sich 2013 relativ stabil

im Bereich von 10 Gigawatt bewegen. Der für Nordamerika

befürchtete deutliche Markteinbruch ist bisher

nicht eingetreten. Vielmehr wurden in den USA

im Jahr 2012 mit 13,1 Gigawatt beinahe ebenso hohe

Zubauzahlen wie in China erreicht. Sollte es dennoch

mittelfristig zu einem deutlichen Einschnitt im nordamerikanischen

Markt kommen, könnte dies aufgrund

der bestehenden Überkapazitäten, insbesondere

in Nordamerika und Asien, aber auch in Deutschland,

zu Marktkonsolidierungen führen, da Preise

und Margen sinken. Nach jetzigem Ermessen dürfte

eine Situation wie im Photovoltaikmarkt jedoch nicht

zu erwarten sein. Zwar werden die Preise für inländische

Turbinen vor allem von asiatischen Wettbewerbern

unterboten, doch wird dieser Preisvorteil von

Logistikkosten zumindest teilweise kompensiert. Vorteilhaft

ist auch die oft langjährige Erfahrung deutscher

Hersteller, die eine günstige Finanzierung der

erheblichen Investitionen in Windparks ermöglicht.

Der Zubau von Windenergieanlagen innerhalb

Deutschlands hat sich im Jahr 2012 in Bezug auf die

Leistung um 20 Prozent verstärkt, 1.008 neue Anlagen

mit einer Leistung von insgesamt rund 2.400 Megawatt

wurden installiert (2011: 895 Anlagen beziehungsweise

insgesamt 2.007 Megawatt). Dazu hat

auch ein deutlich gestiegener Anteil von Repowering

beigetragen. Der Anteil an Offshore-Anlagen blieb

mit 16 neuen Anlagen von insgesamt 80 Megawatt

(2011: 6 Anlagen mit insgesamt 30 Megawatt) hinter

den Erwartungen zurück. Einer der wesentlichen


WINDENERGIE 25

Gründe dafür liegt in fehlenden Netzanschlüssen

für neue Offshore-Windparks.

40 Projekte, offshore (45,05 Mio. Euro)

Quelle: BMU

Im Rahmen der BMU-Strategiegespräche Windenergie

diskutierten im September 2012 Vertreter von

Forschungsinstituten, Hochschulen, der Windbranche

sowie von Behörden und Verbänden über die

Ausrichtung der Forschungsförderung sowie neue

Themenfelder im Bereich der Windenergie. Dabei

herrschte Konsens über die primären Ziele Kosten ­

reduktion und Erhöhung der Verlässlichkeit der An ­

lagen. Zusätzlich wurden von den Teilnehmern neue

Forschungsthemen in den Bereichen Wartung und

Betrieb, gegenseitige Beeinflussung der Windenergieanlagen

in einem Windpark sowie Erschließung

komplexer Onshore-Terrains vorgeschlagen. Hinsichtlich

der Anlagenkomponenten wurde Forschungs ­

bedarf zu Condition-Monitoring-Systemen, lokaler

Sensorik, aber auch zu Standardisierungen von Testmethoden

und Testkapazitäten der Komponenten

definiert.

In Zukunft wird entscheidend sein, den deutschen

Technologievorsprung vor allem bei Rotorblättern

und Antriebstechnik zu halten. Das BMU unterstützt

dazu die Entwicklung einer Reihe großer Testeinrichtungen

für Rotorblätter, Gondeln und Tragstrukturen.

Im internationalen Vergleich sind diese Prüfstände

für originalgroße Bauteilkomponenten einmalig.

Ergänzend zu den Forschungsaktivitäten im Offshore-

Testfeld alpha ventus (siehe Seite 30) kann zukünftig

ein „verteiltes Testfeld“ zweckmäßig sein, um innerhalb

kommerziell errichteter Offshore-Windparks einzelne

Anlagen zu Forschungszwecken zu nutzen. Auf

diese Weise kann eine Vielzahl unterschiedlicher

Anlagentypen und Standortbedingungen untersucht

werden. Das Fraunhofer IWES und die Offshore-Stif-

38 Projekte, übergreifend

(44,60 Mio. Euro)

6 Projekte, onshore (3,51 Mio. Euro)

Neu bewilligte Forschungsvorhaben im Bereich Wind (2012)

tung werden hierzu im Dialog mit der Industrie und

Forschungseinrichtungen ein Konzept entwickeln.

Auch der als Demonstrationsprojekt unter dem

NER300-Programm der Europäischen Kommission

finanzierte Offshore-Windpark von RWE Innogy soll

ein Testfeld für Offshore-Gründungen enthalten.

Sehr gut entwickelt hat sich die Institutslandschaft

im Bereich der Windenergieforschung. Durch Zusammenschlüsse

wie ForWind (Universitäten Oldenburg,

Hannover und Bremen), WindForS (Universitäten

Stuttgart und Tübingen, Technische Universität München,

Karlsruher Institut für Technologie, Hochschule

Aalen und Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung

Baden-Württemberg) oder die Zusammenarbeit

des Deutschen Zentrums für Luft- und

Raumfahrt (DLR) mit dem Fraunhofer-Institut für

Quelle: BMU

Ausgaben in Mio. Euro

45

40 36,7

35

30

29,9 28,3

25

20

15,6

15

9,6

10

5

0

43,9

38,5

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Ökologische Begleitforschung Plattformen, Bau und Betrieb Offshore-Testfeld Technik (inklusive Schallschutz)

Windenergie: Jährliche Projektfördermittel zwischen 2006 und 2012


26

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Quelle: BMU

Mio. Euro

100 93,2

90

80

77,1

70

60

53,0

50

40,1

40

34,7

30

28,2

20 16,1

10

0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Windenergie: Entwicklung des Neubewilligungsvolumens seit 2006

Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) und

ForWind wurden Kompetenzen gebündelt und Synergien

genutzt, die die Bearbeitung besonders komplexer

Fragestellungen ermöglichen.

In erheblichem Umfang werden Vorhaben zu schall ­

armen Offshore-Gründungstechnologien durchgeführt,

um während der Bauphase von Offshore-Windparks

marines Leben zu schützen. Neben Wartungslösungen,

die eine Verringerung des Aufwands und

der Stillstandzeiten ermöglichen, wird an Verbesserungen

zum Schutz des Personals beim Bau und Betrieb

von Windenergieanlagen geforscht.

Im Bereich Onshore-Windenergie liegen die Förderschwerpunkte

weiterhin in einem umweltfreund ­

lichen Betrieb und in der Bewältigung logistischer

Herausforderungen bei weiter wachsenden Anlagengrößen

sowie der Erschließung von Waldstandorten.

Durch neue Verfahren sollen Störungen von Radar ­

anlagen vermieden werden, wodurch derzeit nicht

genehmigungsfähige Standorte erschlossen werden

können.

Bei der Projektförderung war 2012 mit rund 38,5 Millionen

Euro ein Rückgang des Mittelabflusses im Vergleich

zum Vorjahr (rund 44 Millionen Euro) zu verzeichnen,

der vor allem auf Verzögerungen bei Großvorhaben

aufgrund der schwierigeren Marktsituation

zurückzuführen ist. Trotzdem konnte das BMU die

Forschungsförderung für den Windbereich nochmals

weiter ausbauen. Mit 93,2 Millionen Euro lag das

Neubewilligungsvolumen 2012 rund 16,1 Millionen

Euro über dem des Vorjahres. Insbesondere sind eine

Reihe von Schallschutzvorhaben, Prüfständen sowie

Verbünde zur Rotorblattforschung hervorzuheben.

Im Vergleich zum Vorjahr stieg die Zahl der neu bewilligten

Projekte um 10 auf nunmehr 84 Projekte

an. Gegenüber dem Bezugsjahr 2004 (12,6 Millionen

Euro Neubewilligungsvolumen) stand für Forschungs ­

vor haben im Bereich Windenergie mehr als das Siebenfache

an Bundesmitteln zur Verfügung.

Auswahl geförderter Projekte

An dieser Stelle werden einige vom BMU geförderte

Projekte im Bereich Windenergie vorgestellt, die

einen Einblick in die Umsetzung der zugrunde liegenden

Forschungsschwerpunkte aus der Förder ­

bekanntmachung geben. Leuchtturmprojekte aus

diesem Technologiebereich sind außerdem im Ka ­

pitel „Highlights“ zu finden (siehe Seite 7/8).

Technikforschung

Prüfstand für Großkomponenten schließt Lücke

In den vergangenen Jahren wurde die Senkung der

Stromgestehungskosten im Windenergiebereich vor

allem durch die Vergrößerung der Anlagen und die

damit verbundene Ertragssteigerung erreicht. Mit zunehmender

Turmhöhe, Rotorblattlänge und Generatorgröße

steigt aber auch das Anlagengewicht stark

an. Dadurch werden sowohl Grenzen der Materialbelastbarkeit

als auch der logistischen Handhabbarkeit

der Komponenten erreicht. Die Auslegung von Anlagenkomponenten

erfolgt derzeit über vereinfachende

Betriebsfestigkeitsberechnungen, die relativ hohe Sicherheitszuschläge

vorsehen. Soll der Materialeinsatz

für Großkomponenten bei gleichen Anforderungen

an die Betriebssicherheit der Anlagen verringert werden,

muss die Materialbeanspruchung unter realen

Bedingungen noch besser untersucht und in der Auslegung

berücksichtigt werden.


WINDENERGIE 27

In dem Projekt BeBenXXL entwickelt die Suzlon Energy

GmbH als Koordinator zusammen mit dem Fraunhofer

IWES und der Hochschule für angewandte Wissenschaften

Hamburg einen Prüfstand für Großkomponenten,

insbesondere die Hauptwelle sowie perspektivisch

unter anderem für die Rotornabe und die

Hauptlager. Damit schließt das Projekt die Lücke zwischen

Großprüfständen, zum Beispiel dem Gondelprüfstand,

und reinen Materialprüfungen. Die aktuelle

Auslegungspraxis soll am Beispiel der Hauptwelle

überprüft werden, welche als wesentliche strukturelle

Komponente die Nabe mit dem Getriebe verbindet.

Die Ergebnisse sollen aber auch auf andere Bauteile

übertragbar sein, so dass die entsprechenden

Richtlinien angepasst und zukünftig Bauteile mit

deutlich geringerem Materialeinsatz gebaut werden

können. Das BMU fördert das Projekt mit rund

3,9 Millionen Euro.

Standardisierte Ausfalldaten als Grundlage für die

Weiterentwicklung von Anlagen

Der Ertrag und damit die Wirtschaftlichkeit einer

Windenergieanlage werden maßgeblich bestimmt

durch ihre Verfügbarkeit. Dies gilt besonders für Offshore-Windenergieanlagen,

deren Wartung und Reparatur

kostenintensiv sind und bei schlechtem Wetter

sogar für längere Zeiträume unmöglich sein können.

Ausgefeilte Instandhaltungsstrategien erfordern

zunächst eine genaue Analyse der typischen Schadensbilder.

In dem Verbundprojekt EVW-Phase 2 unter Koordination

der Ingenieurgesellschaft Zuverlässigkeit und

Prozessmodellierung Dresden (IZP) soll die Verfügbarkeit

von Windenergieanlagen mit Hilfe einer Wissensdatenbank

und durch die Implementierung von Methoden

und Werkzeugen für ein zuverlässigkeitsorientiertes

Betriebs- und Instandhaltungsmanagement

erhöht werden. Die Projektpartner bauen dazu eine

unternehmensübergreifende Schadensdatenbank auf,

in der standardisiert eingebrachte Daten verschiedener

Betreiber von Windenergieanlagen zusammen ­

getragen werden. Diese Informationen ermöglichen

Auswertungen, die zur Optimierung von Wartungs ­

intervallen und zur Weiterentwicklung von besonders

fehleranfälligen Anlagenkomponenten dienen.

Durch Einbeziehung der Fördergesellschaft Windenergie

und andere Erneuerbare Energien (FGW e.V.)

konnte eine erste Version eines Standards zur Beschreibung

von Zuständen, Ereignissen und deren

Ursachen implementiert werden. Durch die Entwicklung

eines Vertraulichkeits- und Datensicherheitskonzepts

ist es gelungen, mehrere Unternehmen für die

Beteiligung an dem Datenpool zu gewinnen. Nun

geht es darum, eine Plattform für ein neutrales Branchen-Benchmarking

zu implementieren und Empfehlungen

für die Optimierung von Betrieb und Instandhaltung

abzuleiten. Dabei sind auch Besonderheiten

des Offshore-Einsatzes im Fokus. Bis zum Ende des

Projekts errichten die Partner ein durchgängiges

Test- und Demonstrationssystem, anhand dessen die

Praxisrelevanz der Lösung nachgewiesen werden

kann. Interessenten am EVW-Datenpool oder den

EVW-Ergebnissen können sich per E-Mail an

Dr. Harald Jung, h.jung@izp.de, wenden. Das BMU

fördert EVW-Phase 2 mit rund 830.000 Euro.

Ganzheitliches, flexibles Softwaremodell

Der Zweck numerischer Simulationen in der Entwicklung

von Windenergieanlagen liegt in der Untersuchung

von innovativen Entwicklungsideen, ohne die

Konzepte technisch umsetzen zu müssen. Das spart

Zeit und Geld und ermöglicht es, eine Vielzahl von

Nach wie vor die wichtigste erneuerbare Energie in Deutschland im Hinblick auf die erzeugte Energiemenge: die Windenergie


28

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Designalternativen miteinander zu vergleichen. In

dem Projekt OneWind Phase 2 entwickelt das Fraunhofer

IWES eine Software, mit der sowohl einzelne

Windenergieanlagen als auch ganze Windparks analysiert

werden können. Das Softwaresystem soll dazu

alle Komponenten eines Windparks in einer einzigen

objektorientierten Modellierung abbilden. Die Topologie,

mit der Zusammenhänge zwischen den Komponenten

der Simulation, beispielsweise Baugrund,

Tragstruktur/Gründung oder Rotorblätter, beschrieben

werden, ist variabel angelegt. So ist die Software

nicht auf eine einzige Struktur festgelegt. Je nach Fragestellung

kann damit auf verschiedenen Detaillierungsstufen

gearbeitet werden. Der am Beginn einer

jeden Entwicklung stehende iterative Prozess von Lastenrechnung

und Komponentenauslegung soll so vereinfacht

und in seiner Fehleranfälligkeit reduziert

werden. In einer ersten Phase entwickelte das IWES

bereits Modelle der einzelnen Komponenten und begann

mit der Softwareentwicklung. Nun soll die Software

umgesetzt werden. Das BMU fördert Phase 2

mit rund 3,6 Millionen Euro, Phase 1 wurde mit rund

2,5 Millionen Euro unterstützt.

Arbeitsschutz

Medizinische Erstversorgung auf Offshore-Anlagen

durch Telemedizin

Der Ausbau der Offshore-Windenergienutzung

schafft neue Arbeitsplätze. Bedingt durch die rauen

Wetterbedingungen an Offshore-Standorten sind die

Techniker, die Anlagen zu Wartungs- oder Reparaturarbeiten

aufsuchen, besonderen Unfallgefahren aus-

Riesig und stabil, leicht und kostengünstig das Rotorblatt der Zukunft

Ein Rotorblatt für Onshore-Anlagen

von rund 60 Metern Länge wiegt in

der aktuellen Bauweise im Schnitt

10 bis 15 Tonnen. Blätter für Offshore-Anlagen

könnten zukünftig bis

zu 100 Meter lang sein. Damit würden

sie nach heutiger Bauweise deutlich

über 80 Tonnen wiegen zu

schwer und unhandlich, um auf hoher

See verbaut zu werden.

Die Forschungsansätze rund um das

Thema Rotor sind zahlreich. Aktuell

wird unter anderem in dem vom BMU

geförderten Projekt Smart Blades untersucht,

wie sich durch intelligent steuerbare

Rotorblätter Materialbelastungen

verringern lassen, was eine Gewichtsersparnis

beim Blattaufbau ermöglichen

würde. Projektpartner hierbei sind das

Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt

(DLR), das Fraunhofer-Institut für

Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) sowie

die Universitäten Hannover und Oldenburg. Auf Grund ­

lage des Know-hows aus der Luftfahrtforschung befasst

sich das DLR innerhalb des Bereiches Windenergie

mit dem Thema Rotorblatt. Bernhard Milow und

Sarina Keller vom DLR haben die wichtigsten Forschungsansätze

in einem Interview dargestellt.

Gibt es den typischen Aufbau eines Rotorblattes?

Milow: Im Normalfall baut man zuerst zwei Schalen,

die anschließend zusammengeklebt werden. Innen

befindet sich ein Hohlraum, je nach Größe des Blattes

werden dort Verstärkungen aus vorgefertigten

Teilen eingebaut. Typisch ist, dass die Außenhaut der

Blätter zumindest in Teilen wie ein Sandwich aufgebaut

ist zuerst eine Gewebelage, dann ein Zwischenmaterial

und noch eine zweite Gewebelage.

Muss an diesem Aufbau für die Zukunft etwas

geändert werden?

Milow: Die bisherigen Blätter können nicht beliebig

größer gebaut werden. Die Blätter werden zu schwer,

zu unhandlich und zu teuer. Im Moment wird relativ

viel Material verbaut, um sicher zu sein, dass sich die

Blätter lange stabil im Wind drehen. Die Ziele sind

hier ein optimiertes Design und darauf abgestimmte

Produktionsprozesse, damit die Blätter wesentlich

leichter werden und trotzdem so sicher halten wie

bisher. Lösungen bietet hier die Leichtbaukonstruktion.

Der entscheidende Unterschied ist, dass dabei die

Stabilität nicht mehr in der Außenhülle liegt, sondern

dass diese sehr dünn sein kann und eine Gerippekonstruktion

darunter die Kräfte aufnimmt.

Das heißt, die Vorgabe „längere Blätter“ muss

durch Forschung und Entwicklung umgesetzt werden.

Welche weiteren Herausforderungen ergeben

sich daraus?

Keller: Die Unternehmen gehen jetzt in neue Gefilde,

mit neuen Strukturen und neuen Materialien. Es wird

zum Beispiel an Kohlefaser geforscht. Man versucht

auch, die Blätter elastischer zu bauen, damit die Lasten,

die auf ein Blatt treffen, besser verarbeitet werden.

Sehr starre Rotorblätter können auf Dauer zu

Materialproblemen und somit zu Stabilitätsproblemen

führen. Das ist eine Design-Frage, eine Auslegungsfrage,

die jetzt mit den Material- und Strukturfragen

im Rotorblattbereich zusammenfällt. Gleich­


WINDENERGIE 29

gesetzt. Dabei erschwert die Lage der Windparks

häufig viele Kilometer von der Küste entfernt ein

Eingreifen von externen Helfern. Während die entsprechenden

Abläufe für Onshore-Windenergieanlagen

bereits reguliert sind, gibt es für die Versorgung

verunglückter oder akut erkrankter Personen im

Offshore-Bereich noch kein Konzept.

Um diesem Problem zu begegnen, werden in dem Projekt

SOS Sea and Offshore Safety des Telemedizinzentrums

Charité und der Klinik für Anästhesiologie

und Intensivmedizin der Charité-Universitätsmedizin

Berlin zusammen mit der EWE Vertrieb GmbH Prozess-

und Technikkonzepte für eine Notfallversorgung

auf Offshore-Anlagen entwickelt und erprobt. Das

Projekt sieht vor, Telemedizin einzusetzen, die die

räumliche Distanz zwischen dem Arzt auf dem Land

Rettungseinsatz an einer Offshore-Windenergieanlage

zeitig muss dabei die Gesamtanlage betrachtet werden,

da Lasten auf die ganze Struktur wirken.

Gibt es das optimale Material? Sie sagten gerade

schon Kohlefaser…

Keller: Das ist eines der Forschungsthemen, weil es sich

um ein besonders stabiles und gleichzeitig leichtes

Material handelt. Allerdings ist der Einsatz von Kohlefaser

in den Gewebelagen eine große Kosten frage, so

weit ist man im Windenergiebereich noch nicht. Hier

wird meistens nur Glasfaser verbaut. Nur in wenigen

Ausnahmen setzten die Hersteller Kohlefaser für Teile

des Rotorblatts ein und auch hier im Verbund mit

Glasfaser. Neben den Gewebelagen sind die Zwischenlagen

zum Beispiel aus Holzcomposites ein Thema,

die bei der Sandwich-Struktur verwendet werden.

Gibt es wegen des Gewichts auch einen Trend zu

schlankeren Blattdesigns?

Milow: Der Trend ist auf jeden Fall da. Das bedeutet

aber auch, dass leichtere Blätter elastischer sind: Das

Blatt darf nicht so elastisch sein, dass es gegen den

Turm schlägt. Zukünftig können Anlagenbauer das

abfangen, indem man die einzelnen Blätter aktiver

steuert. Das sind die sogenannten Smart Blades. Das

ist ein relativ komplexes System, weil man dafür genau

wissen muss, welcher Wind auf die Anlage trifft.

Seit wann gibt es denn die Idee der Smart Blades?

Milow: Die Idee ist bestimmt schon zehn Jahre alt.

Den Flügel zu steuern, um den Ertrag zu optimieren,

der Gedanke liegt nicht fern. Die Herausforderungen

sind jedoch groß: Solche Rotorblätter sind komplizierter

und teurer in der Herstellung. Wir müssen daher

in einer kostengünstigen Konstruktion und Produktion

arbeiten. Damit sich der Aufwand lohnt, müssen

die Rotorblätter auch eine lange Lebensdauer haben.

Mit diesen optimierten Rotorblättern können wir jetzt

allerdings die deutsche Position auf dem Weltmarkt

beeinflussen, wenn wir da voranschreiten können.

Wir als DLR forschen natürlich nicht allein, sondern

im Verbund mit mehreren Forschungseinrichtungen

in Deutschland. Daraus entsteht ein Mehrwert, weil

wir nicht nur Teilaspekte optimieren, sondern uns abstimmen

und das Gesamtsystem betrachten können.

Keller: In den letzten zehn Jahren hat die Windindustrie

sehr viel am Verkaufsvolumen gearbeitet. Jetzt ist

ein Punkt erreicht, an dem man einen Schritt zurückgehen

und sich die Technologie nochmal anschauen

muss. Jetzt ist der Zeitpunkt für Hersteller und Entwickler,

sich zum Beispiel mit den Smart Blades auseinanderzusetzen.

Ein anderer Entwicklungsaspekt ist die automatisierte

Produktion. Ginge das in die Richtung, die

Produktion billiger zu gestalten?

Milow: Das eine ist der Kostenaspekt, das andere ist

aber auch die Qualität und überhaupt die Möglichkeit,

designgerecht zu produzieren. Durch die kostenoptimierte

Produktion sind bisher gewisse Einschränkungen

vorgegeben. Man kann bestimmte Gewebe lagen

nur in einer gewissen Weise anbringen, damit Aufwand

und Kosten nicht zu groß werden. Der Konstrukteur

würde gern mehr Besonderheiten einbauen und

die Materiallagen nur da platzieren, wo sie benötigt

werden. Das könnte man mit der Automatisierung

deutlich vorantreiben, bis hin zur einzelnen Faser ­

ablage durch Roboter. Bereits häufig automatisiert

sind die Nachbearbeitungsschritte, zum Beispiel das

Lackieren. Generell ist man mit der Automatisierung

allerdings noch weitgehend im Forschungsstadium. ■

Bernhard Milow ist Direktor des Programms Energie des DLR

Sarina Keller ist Programmbeauftragte Energie des DLR


30

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Vier Jahre Offshore vier Jahre Erkenntnisgewinn durch die

Forschungsinitiative RAVE

Sie sind Pioniere auf See: die Erbauer, Betreiber

und Forscher des mitten in der Nordsee gelegenen

Windparks alpha ventus. Die zwölf im Jahr 2009

errichteten 5-Megawatt-Anlagen bilden den ersten

deutschen Offshore-Windpark, zugleich ein Offshore-Testfeld.

Obwohl es mittlerweile viele weitere

Bauprojekte gibt, handelt es sich bei der Offshore-Windenergie

noch immer um eine junge

Branche, in der noch viele Erfahrungen gemacht

werden müssen. Die Anlagen wurden in Wassertiefen

von 30 Metern und in 45 Kilometern Entfernung

von der Insel Borkum errichtet und sollen dort

20 Jahre lang zuverlässig Strom produzieren. Bauherr

und Betreiber von alpha ventus ist ein Konsortium

der Energieversorger EWE, E.ON und Vattenfall (DOTI

GmbH & Co. KG). Das Ziel des Testfelds besteht darin,

die Technologie sowie alle dazugehörigen Abläufe so

zu optimieren, dass die notwendige Zuverlässigkeit

erreicht, die Umwelt geschont und zudem die Kosten

so weit gesenkt werden, dass Strom aus Offshore-

Windparks wirtschaftlich erzeugt werden kann. Berücksichtigt

werden müssen neben der Anlagentechnologie

insbesondere die Umgebungsbedingungen

wie Baugrund, Wellen, Wetter, aber auch die Einflüsse

auf die Umwelt und der Arbeitsschutz des dort tätigen

Personals. Die mit Mitteln des BMU geförderte

Forschungsinitiative RAVE, kurz für Research at alpha

ventus, mit über 150 beteiligten Wissenschaftlerinnen

und Wissenschaftlern hat im Jahr 2012 die

ersten Projekte erfolgreich abgeschlossen. Auf einer

internationalen Konferenz im Mai 2012 in Bremerhaven

präsentierten sie ihre Erkenntnisse, auch um diese

in den weiteren Ausbau der Offshore-Windenergie

einzubringen. Da allein die Auflistung der Highlights

den an dieser Stelle zur Verfügung stehenden Platz

weit überschreiten würde, werden hier zwei der

Untersuchungs gegenstände beispielhaft dargestellt.

Maßnahmen gegen Kolke

Verschiedene Einflüsse wie Wasserströmung, Gezeiten

und Wellen führen dazu, dass die Bodenschichten

um die Gründungsstrukturen mit der Zeit aus ­

gespült werden können. Hierdurch entstehen Vertiefungen

im Meeresboden, sogenannte Kolke. Durch

das Testfeld alpha ventus konnte die zeitliche und

räum li che Entwicklung von Kolken an Mehrbein-

Fundamenten mittels Echoloten vor Ort erfasst werden.

In dem Projekt RAVE-Geologie wurden stationäre

Echolote an den Anlagen AV7 (Gründung: Tripod)

und AV4 (Gründung: Jacket) installiert, durch die seit

2009 kontinuierlich der Abstand der Gründungen

zum Meeresboden gemessen wird. Die Werte eines

am südöstlichen Pfahl der AV7 angebrachten Echolots

zeigten zum Beispiel eine Vertiefung des Kolks

um 1,7 Meter Anfang 2010, die Anfang 2011 auf

2,5 Meter und Anfang 2012 auf 3,4 Meter angestiegen

ist.

Neben der Messung durch stationäre Echolote wird

der Meeresboden um die beiden ausgewählten Anlagen

herum zudem jährlich vom Forschungsschiff

WEGA des Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie

(BSH) untersucht. Bei den hierbei entstehenden

2D- und 3D-Abbildungen der Kolk-Morphologie

zeigte sich, dass die Art und Weise der Kolkbildung

stark von der Konstruktion des Fundaments beeinflusst

wird, wobei die Jacket-Gründung ein geringeres

Kolkverhalten aufweist als die Tripod-Gründung.

Transport von Jacket-Gründungen für alpha ventus

Vorbereitung der Tripods für den Einsatz in alpha ventus


WINDENERGIE 31

Auf Grundlage der Ergebnisse an der Forschungsanlage

AV7, parallelen Untersuchungen in einem künstlich

angelegten Wellenkanal der Universität Hannover

sowie numerischer Simulation der Kolkprozesse

wurde die Konstruktion der Gründung daraufhin

modifiziert, um die Kolkbildung zu reduzieren. Darüber

hinaus wurde in dem Projekt RAVE GIGAWIND

alpha ventus ein innovatives, extern angebrachtes

Kolkschutzsystem entwickelt, durch das die Kolktiefen

um die Pfähle eines Modell-Tripods zum Teil

deutlich verringert werden konnten. Durch alpha

ventus kann die Entwicklung der Auskolkungen an

den Gründungen weiterhin über längere Zeit und

insbesondere auch nach auftretenden Extremereignissen

wie Stürmen beobachtet werden. Die bisherigen

Erkenntnisse wurden im November 2012 in einem

Fachgespräch im BSH gemeinsam mit Windanlagenherstellern,

der Universität Hannover und Behördenvertretern

diskutiert, um ihren Eingang in die

Offshore-Praxis zu unterstützen. Die Expertenrunde

zum Thema Kolk soll fortgeführt werden.

Tragfähigkeit von Gründungen

Die zyklischen Einwirkungen durch Wind, Wellen

und Anlagenbetrieb haben Auswirkungen auf die

Tragfähigkeit und Verformung der Gründungsstrukturen.

In dem Projekt Entwicklung eines anwendungsorientierten

Bemessungs- und Überwachungsmodells

für Offshore-Gründungskonstruktionen

unter zyklischer Belastung wurden diese

Auswirkungen untersucht. Für Mehrpfahlgründungen

bot sich durch die in alpha ventus verbauten

Gründungsformen Tripod und Jacket die Gelegenheit,

Laborversuche mit Messungen am Objekt zu

kombinieren. Anhand von Modellversuchen wurde

für diese Gründungstypen ein Rechenverfahren entwickelt,

das durch Messdaten aus alpha ventus überprüft

und validiert wurde. Damit können eine unter

zyklisch auftretenden Zug- und Druckkräften infolge

von Wind und Wellen entstehende mögliche Degradation

der Pfahltragfähigkeit sowie eine mögliche

Schiefstellung der Gründung im Voraus berechnet

werden.

Das Nachweisverfahren und weitere Erkenntnisse

sind in die Anwendungshinweise für die konstruktive

Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen des

Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie

(BSH) sowie in die Empfehlungen des Arbeitskreises

Pfähle (EA Pfähle) der Deutschen Gesellschaft für

Geotechnik e.V. (DGGT) eingegangen.

Das BMU hat die Forschungsinitiative RAVE (also Projekte,

die in alpha ventus durchgeführt wurden beziehungsweise

werden und Projekte, die Daten aus

alpha ventus nutzen) bisher in insgesamt 39 Einzelvorhaben

mit einem Gesamtbudget von rund 60,7 Mil ­

lionen Euro gefördert. ■

und dem Notfallgeschehen vor Ort per Telekommunikation

so lange überbrückt, bis ein Rettungsteam eintrifft.

Die Mitarbeiter sollen befähigt werden, unter

Anleitung auch über längere Zeiträume vor Ort Hilfe

zu leisten. Bei der Evaluierung sinnvoller Lösungen

werden die Grenzen berücksichtigt, die bei einer notfallmedizinischen

Behandlung durch Laien, auch

wenn diese geschult sind und angeleitet werden, bestehen.

Es wird zum Beispiel darauf geachtet, dass

die auf den Anlagen angebrachten Systeme einfach

und intuitiv zu bedienen sind.

Zunächst startet das Projekt mit der Erfassung aktueller

Versorgungsmöglichkeiten, um auf dieser Basis

ein Kommunikations-, Datenerhebungs- und Datennutzungskonzept

zu erstellen. Davon ausgehend werden

geeignete Geräte und Systeme ausgewählt. Die

während eines Einsatzes entstandenen Daten sollen

direkt an eine Erst- und Weiterversorgungsklinik geleitet

werden. Innerhalb der Arbeiten werden Übungs ­

szenarien entwickelt und umgesetzt, um die telemedizinischen

Module unter realen Bedingungen zu

testen. Das BMU fördert das Vorhaben mit rund

940.000 Euro.

Technologische Lösungen zur Minderung der

Umweltbelastungen durch die Windenergie

Vorhersage von Schallminderungspotenzial durch

Simulationen

Um marines Leben zu schützen, müssen Offshore-

Windenergieanlagen möglichst schallarm errichtet

werden. Deshalb werden schon seit Jahren unterschiedliche

Schalldämmungskonzepte entwickelt, die

die Geräuschemissionen beim Rammen der Gründungspfähle

mindern sollen. Zum Einsatz kommen

zum Beispiel Blasenschleier, deren im Wasser aufsteigende

Luftbläschen die Schallausbreitung deutlich

reduzieren. Die meisten Schallschutzmaßnahmen

befinden sich allerdings noch im Konzeptstadium.

Da sie in die Prozesse zur Installation der Fundamente

eingreifen, können Praxistests für das jeweilige

Bauvorhaben zeitliche Verzögerungen und somit

wirtschaftliche Verluste bedeuten.

Das Institut für Modellierung und Berechnung der

TU Hamburg-Harburg als Koordinator entwickelt nun

zusammen mit dem Institut für Geotechnik und Baubetrieb

sowie dem Institut für Statik und Dynamik

der Leibniz Universität Hannover und der Abteilung

Geophysik am Institut für Geowissenschaften der

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel innerhalb des

Projekts BORA leistungsfähige Simulationsmodelle

für die Entstehung und Ausbreitung des Rammschalls

unter Wasser. Damit sollen vorab Aussagen

über das Schallminderungspotenzial bestimmter


32

WINDENERGIE

Systeme getroffen werden, ohne dass diese in aufwendigen

Offshore-Tests untersucht werden müssen.

Darüber hinaus wird ein Expertensystem für einen

breiten Anwenderkreis wie etwa Genehmigungs- und

Naturschutzbehörden, Zertifizierer und Biologen entwickelt.

Die Simulationsmodelle werden durch umfangreiche

Offshore-Messkampagnen, die begleitend

zur Errichtung von Windparks durchgeführt werden,

validiert. Die erste Messkampagne wurde Anfang

September 2012 rund 90 Kilometer nordwestlich von

Borkum im Baufeld BARD Offshore 1 erfolgreich abgeschlossen.

Messungen in zwei weiteren Windparks

sind für 2013 und 2014 geplant. Das BMU fördert

BORA mit insgesamt 5,6 Millionen Euro.

Optimiertes Rotorblattdesign für leiseren Betrieb

Um Windenergie onshore weiter auszubauen, ist

Repowering der Ersatz alter Anlagen durch neue,

leistungsstärkere Anlagen die wichtigste Methode,

bestehende Standorte intensiver zu nutzen. Dabei

wird ein Augenmerk auch auf die Schallemissionen

der neuen Anlagen gerichtet. Möglichst leise Rotorblätter

fördern sowohl die Akzeptanz in der Bevölkerung

als auch die Wirtschaftlichkeit eines Windparks.

Bei gleichem Schall wird dann mehr Leistung

produziert, ein Vorteil auch hinsichtlich der Betriebsgenehmigungen

für die Parks.

Eine zentrale Geräuschquelle von Windenergieanlagen

sind die Hinterkanten der Rotorblätter. Die Ur ­

sache dafür liegt in der Blatt-Grenzschicht, einer dünnen

Luftschicht, die direkt am Rotorblatt anliegt. Der

Schall entsteht durch eine Wechselwirkung von turbulenten

Druckschwankungen in dieser Schicht mit

der Hinterkante. In dem Projekt ActiQuiet untersucht

das Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG)

an der Universität Stuttgart mit Unterstützung der

Universität Tel Aviv, wie eine aktive Beeinflussung

der Luftströmung an dieser Stelle den Geräuschpegel

reduzieren kann.

Im Gegensatz zu passiven Maßnahmen, zum Beispiel

dem Anbringen von Bürsten, können aktive Maßnahmen

optimal auf den jeweiligen Anströmzustand abgestimmt

werden. Das Vorhaben baut auf einem

durch das BMU geförderten Projekt auf, das bereits

in Simulationen und Versuchen bestätigt hat, dass

sich gezieltes, flächiges Absaugen der Grenzschicht

lärmmindernd auswirkt. In ActiQuiet sollen diese Ergebnisse

nun auf ein dreidimensional umströmtes

Rotorblatt übertragen und eine integrierbare Absaugkonfiguration

mit möglichst geringem Leistungsbedarf

erarbeitet werden. Das BMU fördert das Projekt

mit rund 380.000 Euro. ■

Offshore-Messkampagne während der Errichtung des Windparks BARD Offshore 1: Kleiner Blasenschleier SBC2 der Firma MENCK


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 33

PHOTOVOLTAIK

Eine von 1,3 Millionen Photovoltaikanlagen in Deutschland im Jahr 2012

Die Zubauzahlen für Photovoltaik lagen in den

letzten drei Jahren jeweils deutlich über 7 Gigawatt.

Dies hat dazu geführt, dass seit Ende 2012

rund 1,3 Millionen Anlagen an das deutsche Netz

angeschlossen sind. In jüngster Zeit wurde die

Entwicklung von einem deutlichen Preisverfall

getrieben, der die Branche weltweit vor eine

harte Bewährungsprobe stellt.

Schwerpunkte der Forschungsförderung

vor dem Hintergrund der

Markt- und Technologieentwicklung

2012 wurden weltweit Photovoltaikanlagen mit einer

Gesamtleistung zwischen 30 und 35 Gigawatt installiert,

davon allein 16 bis 20 Gigawatt in Europa. Der

deutsche Markt liegt mit mehr als 7,6 Gigawatt noch

über dem Rekordniveau von 2010 (7,4 Gigawatt) und

2011 (7,5 Gigawatt). Ein Großteil der Anlagen wurde

bis Ende Oktober installiert. Somit waren gegen Jahresende

2012 in Deutschland rund 32,4 Gigawatt

Photovoltaik an das Stromnetz angeschlossen. Trotzdem

haben globale Produktionsüberkapazitäten zu

drastisch fallenden Preisen von Solarmodulen geführt,

die größtenteils ein Niveau unterhalb der Fertigungskosten

erreichten. Die Konsequenz waren hohe

Verluste bei nahezu allen Unternehmen weltweit und

infolgedessen Insolvenzen, Geschäftsaufgaben und

Übernahmen auch in Deutschland.

Auch für 2013 wird ein schwieriges Geschäftsumfeld

erwartet, da davon ausgegangen wird, dass der Weltmarkt

stagniert und die Überkapazitäten nur langsam

abgebaut werden. Für die weitere Entwicklung

der Photovoltaik stellen sich damit Aufgaben auf unterschiedlichen

Ebenen. Sämtliche Fertigungsschritte

müssen signifikante Kostenreduktionspotenziale erschließen.

Die heutigen Fertigungskosten von rund

0,80 Euro pro Watt auf Modulebene müssen auf unter

0,60 Euro pro Watt gesenkt werden. Für die deutschen

Unternehmen bedeutet das, qualitativ hochwertige

Produkte zu entwickeln, um so ihre Marktanteile

wieder auszubauen. Die Basis sowohl für Kostensenkungen

als auch für Produktverbesserungen sind

weiterentwickelte, hocheffiziente Zell- und Modulkonzepte

und die dazugehörigen Fertigungsanlagen.

Angesichts niedriger Modulpreise geraten zudem die

Systemkosten stärker in den Fokus. Auch hier sind

deutliche Kostensenkungen notwendig, unter anderem

durch preiswertere, leistungsfähigere Wechselrichter

oder Standardisierung bei der Montage. Wegen

der inzwischen teilweise hohen Netzdurchdringung

der Photovoltaik sind Maßnahmen zum Leistungsausgleich

auf dezentraler Ebene (Steigerung des


34

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Quelle: BMU

Ausgaben in Mio. Euro

50

40

30

39,3 38,1 38,1

34,1

30,5

32,3

51,7

20

10

0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Kristallines Silizium Dünnschichttechnologien System, Sonstiges

Photovoltaik: Jährliche Projektfördermittel zwischen 2006 und 2012

Eigenverbrauchs, Speicherung) zu entwickeln und

umzusetzen, um einen sicheren Netzbetrieb zu gewährleisten.

Die Geschäftsaufgaben von SCHOTT Solar zum kristallinen

Silizium, Schüco/Malibu und Bosch Solar zur

Siliziumdünnschichttechnologie sowie die Insolvenzen

von Q-Cells, Sovello (beide kristallines Silizium),

Inventux (Siliziumdünnschichttechnologie) und

Soltecture (CIGS) schränken die Breite der angewandten

Forschung aktuell insgesamt deutlich ein, da sich

die Forschungsförderung auch an den Verwertungsmöglichkeiten

zu orientieren hat. Doch auch wenn

die schwierige wirtschaftliche Situation der Photovoltaikindustrie

durch Forschungsförderung nicht wesentlich

beeinflusst werden kann, bleibt es eine zentrale

Aufgabe, dass die Unternehmen durch die hiermit

ermöglichten technologischen Weiterentwicklungen

bei Produktinnovationen unterstützt werden.

Dazu trägt ebenfalls die laufende BMU-Förderung

der Innovationsallianz Photovoltaik als gemeinsame

Aktivität von BMU und Bundesforschungsministerium

(BMBF) bei, die bereits jetzt erkennbare positive

Effekte aufweist. So wurden seit Start der Initiative

im Sommer 2010 laut einer Erhebung des Bundesverbands

Solarwirtschaft e.V. (BSW-Solar) bis zum Herbst

2012 bereits rund 260 Millionen Euro seitens der Industrie

zusätzlich für Innovationen aufgewendet.

Der Deutsche Umweltpreis der Deutschen Bundesstiftung

Umwelt (DBU) für das Jahr 2012 honoriert ebenfalls

die langjährige Photovoltaik-Forschungsförderung.

Die drei Preisträger haben mit ihren Unternehmen

oder Instituten bereits an vielen verschiedenen

vom BMU geförderten Projekten mitgearbeitet: Günther

Cramer, Mitbegründer und Aufsichtsratschef der

SMA Solar Technology AG, Dr. Andreas Bett, stellvertretender

Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare

Energiesysteme (ISE) und Hansjörg Lerchenmüller,

Geschäftsführer der Soitec Solar GmbH, teilen sich

Quelle: BMU

Mio. Euro

80 74,3

70

68,3

60

50 43,4 41,6

39,7

39,8

40

31,4

30

20

10

0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Photovoltaik: Entwicklung des Neubewilligungsvolumens seit 2006


PHOTOVOLTAIK 35

den mit 500.000 Euro höchstdotierten Umweltpreis

Europas.

Bei den 2012 neu begonnenen Vorhaben wurde die

anwendungsnahe Forschung weiter verstärkt, um

eine schnelle Umsetzbarkeit zu fördern. Zudem wurde

ein Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung etablierter

Technologien gesetzt. Das Hauptaugenmerk

bei den geförderten Photovoltaik-Technologien liegt

auf der Entwicklung von Zellen, Modulen und zugehörigen

Fertigungstechniken, die sich neben einer

signifikanten Kostensenkung und Leistungssteigerung

auch durch eine deutliche Qualitätssteigerung

auszeichnen. Parallel wurden Forschungsvorhaben

des Anlagenbaus gefördert, die Konzepte zur Realisierung

innovativer Prozesse, zur Verwendung neuer

Materialien und für eine effiziente Produktion um ­

fassen. Die Thematik der Netzintegration wird größtenteils

im Förderschwerpunkt SystEEm (siehe Seite

17 ff.) behandelt.

Inhaltlich liegen die Schwerpunkte der BMU-Forschungsförderung

weiter auf der Siliziumwafer-Technologie,

den Dünnschichttechnologien auf Basis von

Silizium und CIGS-Verbindungshalbeitern (Material

aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen), der Systemtechnik

sowie auf alternativen Solarzellenkonzepten

und neuen Forschungsansätzen, zum Beispiel der

konzentrierenden Photovoltaik. Die Solarzelle aus

kristallinem Silizium hält 2012 weiterhin den größten

Marktanteil der Solarzellentypen. Die Fertigungs ­

kosten dieser Technologie haben sich seit 1976 von

75 auf heute deutlich unter einem Euro pro Watt

reduziert. Die Modulleistung soll in den nächsten

Jahren von heute 240 bis 250 Watt auf weit über

300 Watt erhöht werden mit weiteren Kostenreduktionen.

Bei den Dünnschichttechnologien gibt es die

größten Erfolge bei der Weiterentwicklung der CIGS-

Zellen. Dort konnte eine kontinuierliche Steigerung

des Wirkungsgrads erreicht werden.

Aufgrund der deutlich erhöhten Neubewilligungen

der letzten beiden Jahre wurde im Jahr 2012 im Bereich

Photovoltaik ein Mittelabfluss von rund 51,7 Mil ­

lionen Euro erreicht, der um 37 Prozent über dem

Mittelwert der letzten vier Jahre liegt. Das Neubewilligungsvolumen

lag 2012 mit 68,3 Millionen Euro

rund 29 Millionen Euro über dem Niveau von 2010.

In den Jahren 2011 und 2012 sind insbesondere die

Zuwendungen für die Innovationsallianz Photovoltaik

hervorzuheben. Mit Bezug auf diese Förderinitiative

wurden in diesen beiden Haushaltsjahren vom

BMU insgesamt zwölf Verbünde mit zusammen

41 Millionen Euro bewilligt. Gegenüber dem Bezugsjahr

2004 (17,8 Millionen Euro Neubewilligungsvolumen)

wurde annähernd eine Vervierfachung des

Budgets erreicht.

Eröffnung der „BMU Wissenschaftstage Photovoltaik“ durch

Bundesumwelt minister Peter Altmaier

Der hohe Stand der Forschung und Entwicklung wurde

anlässlich der „BMU Wissenschaftstage Photovoltaik“

im November 2012 deutlich. Bei deren Eröffnung

hob Bundesumweltminister Peter Altmaier die

Photovoltaik als eines der entscheidenden Elemente

zur Umsetzung der Energiewende hervor und erinnerte

an die großen Fortschritte der vergangenen

15 Jahre. Rund 160 Wissenschaftler aus Industrie und

Forschung diskutierten bei den Wissenschaftstagen

mit dem BMU über aktuelle technologische Ansätze

aus der Festkörperphysik bis zur Systemtechnik.

Tenor war, dass sich die Photovoltaikforschung in

Deutschland nach wie vor auf höchstem Niveau bewegt

und so fortzuführen ist, dass die Innovations ­

potenziale zur Erschließung neuer Märkte genutzt

werden können.

Auswahl geförderter Projekte

An dieser Stelle werden einige vom BMU geförderte

Projekte im Bereich Photovoltaik vorgestellt, die

einen Einblick in die Umsetzung der zugrunde

liegenden Forschungsbereiche aus der Förderbekanntmachung

geben. Leuchtturmprojekte aus diesem

Technologiebereich sind außerdem im Kapitel

„Highlights“ zu finden (siehe Seiten 8/9).

Innovationsallianz Photovoltaik

Solarstrom zu gleichen Kosten wie fossil erzeugter Strom

Unterstützt durch die Innovationsallianz Photovoltaik

konnte das baden-württembergische Maschinenbauunternehmen

Manz AG im Bereich der Dünnschicht ­

photovoltaik im September 2012 mit einem Weltrekord

aufwarten: 14,6 Prozent Wirkungsgrad für ein


36

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Erfolgreich dank Forschung und Entwicklung

Die Entwicklung und der Verkauf von integrierten

Produktionslinien für die Photovoltaikindustrie, für

Lithium-Ionen-Batterien und für Flachbildschirme

sind die drei Standbeine der 1987 gegründeten

Manz AG in Reutlingen. Forschung und Entwicklung

spielen in allen drei Bereichen eine wichtige Rolle

und machen das Unternehmen erfolgreich. Der Vorstandsvorsitzende

Dieter Manz erläutert dies am

Beispiel der Photovoltaik.

Ihr Unternehmen bezeichnet sich selbst

als Schrittmacher für Innovationen

und Zukunftssicherheit. Worin äußert

sich das?

In unserem Unternehmen spielen Forschung

und Entwicklung eine ganz zentrale

Rolle. Wir haben uns mit Absicht

auf Zukunfts- und Wachstumsindustrien

fokussiert. Das sind Bereiche, die in relativ

kurzen Zyklen immer wieder neue

Technologien hervorbringen. Da sich die

Randbedingungen in der Produktion

schnell ändern, werden neue Produktionstechnologien

benötigt. Wir haben einen starken Engineering-

Anteil, in Deutschland ist etwa die Hälfte unserer Mitarbeiter

im Bereich Forschung und Entwicklung tätig.

Das heißt, Sie nutzen den Standort auch im Bereich

Photovoltaik, um Ihre Qualität zu verbessern?

Nicht nur die Qualität, auch die Leistungsfähigkeit

der Anlagen und Prozesse. Als Maschinenbauer haben

wir zwei Dimensionen: Zum einen geht es bei

uns um die Forschung und Entwicklung im Bereich

des Maschinenbaus, um die Produktivität der Anlagen.

Seit der Kooperation mit Würth Solar und der

Übernahme der Innovationslinie in Schwäbisch Hall

2010 ist für uns außerdem die zweite Dimension neu

dazugekommen, nämlich die Forschung und Entwick ­

lung der Prozesstechnologie selbst. Das ist im Maschinenbau

relativ neu, früher war die Prozesstechnologie

das Know-how des Kunden. Ein Stück weit sind

wir Vorreiter: Wir sind der einzige Maschinenbauer,

der eine eigene Innovations- und Pilotlinie hat.

Mit der sie auch einen Rekord erreicht haben.

Genau. Wir haben Anfang September 2012 den Wirkungsgradweltrekord

mit 14,6 Prozent für ein CIGS-

Solarmodul gemeldet. Das ist mit Abstand der höchste

Wirkungsgrad, der jemals für ein Dünnschichtmodul

im Produktionsformat erreicht wurde. Wir haben

heute schon das erreicht, was wir uns für 2014 vorgenommen

hatten. Wir sind auch sehr stolz, dass wir

als kleines Unternehmen gegenüber dem Weltmarktführer

der Dünnschichttechnologie technologisch die

Nase vorne haben. Bisher wurde der Rekord von First

Solar gehalten. Das ist der intensiven Forschung und

Entwicklung zu verdanken, dem vielen selbst investierten

Geld und der Forschungsförderung. Ich denke,

ohne die Unterstützung, die wir auch speziell

vom BMU erhalten, wäre es für uns als kleiner Maschinenbauer

schwierig, so etwas überhaupt zu tun.

Trägt das auch zur Wahl Ihres Hauptstandorts

Deutschland bei?

Deutschland ist für uns mit Abstand der wichtigste

Standort für Forschung und Entwicklung und wird

Solarmodul auf Basis der CIGS-Dünnschichttechnologie.

Das entspricht bereits dem Niveau von kristallinem

Silizium. Neue Moduldesigns, schnellere Abscheideraten,

modifizierte Verschaltung und andere

Verbesserungen haben außerdem dazu beigetragen,

dass die Herstellungskosten weiter gesenkt werden

konnten. Durch die aktuellen Erfolge rechnet das Unternehmen

mit Stromkosten von je nach Standort

4 Cent (Spanien) und 8 Cent (Deutschland) pro Kilowattstunde

für Solarmodule, die auf einer state-ofthe-art-Produktionslinie

für CIGS-Dünnschichtsolarmodule

hergestellt werden. Somit liegt der Solarstrom

absehbar auf einem ähnlichen Preisniveau wie

Strom aus fossilen Kraftwerken. Durch das BMU geförderte

Projekte haben zu diesem Erfolg beigetra­

Vakuum-Durchlaufanlage zur Beschichtung von hocheffizienten

CIGS-Schichten durch Ko-Verdampfung


PHOTOVOLTAIK 37

auch der Hauptstandort des Unternehmens bleiben,

weil wir die Nähe der deutschen Forschungseinrichtungen

brauchen, zum ZSW, zum Fraun ­

hofer ISE und anderen. Wir brauchen auch den

Zugang zu den Hochschulen, wir brauchen die

guten Ingenieure und Wissenschaftler, die wir in

Deutschland haben. Gleichzeitig liegt der Schwerpunkt

der deutschen Produktion auf neuen, hochwertigen

Maschinen. Die Standardmaschinen werden

an anderen Standorten produziert, in der

Slowakei, in Ungarn sowie in Taiwan und in

China.

Sehen Sie für Ihr Geschäft eine gute Zukunft

im Bereich Photovoltaik?

Da glauben wir fest dran, sonst hieße es aufgeben.

Derzeit sind wir in einer unheimlich schwierigen

Marktsituation für die Photovoltaik. Seit ungefähr

einem Jahr wird praktisch nichts mehr investiert,

weil in China eine Überkapazität vorhanden ist.

Das wird noch mal ein halbes Jahr, vielleicht auch

ein ganzes Jahr anhalten und dann wird es sich

wieder lösen. Ich persönlich bin mehr als überzeugt,

dass die Photovoltaik eine riesengroße Zukunft

hat. Es wurden Fortschritte in den Bereichen

Effizienz und Kosten erzielt. Vor zehn Jahren hätten

wir nicht geglaubt, dass das so schnell möglich

ist. ■

Dieter Manz ist Vorstandsvorsitzender der Manz AG

in Reutlingen

gen, speziell das innerhalb der Innovationsal lianz

realisierte Projekt CIGSfab gleichzeitig der Name

der Produktionslinie, die Manz auf dem Weltmarkt

anbietet. In dem Verbundprojekt der Manz CIGS

Technology GmbH, der Manz Coating GmbH, der

Manz AG und des Zentrums für Sonnenenergie- und

Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW)

liegen die Schwerpunkte auf den Abscheidungsverfahren

der CIGS-Absorber- und der Pufferschichten

sowie auf den Strukturierungsprozessen für eine

integrierte Serienverschaltung mittels Laser. Der

Projektpartner ZSW konnte im Labor auf einer Zelle

von 0,5 Quadratzentimetern bereits einen Wirkungsgrad

von 20,3 Prozent erreichen ebenfalls der

aktuelle Weltrekord für diese Bedingungen. Das

Gesamtprojekt CIGSfab wird mit rund 6 Millionen

Euro gefördert.

Dreiphasiger, transformatorloser Wechselrichter mit einer Leistung

von 6 Kilowatt zur Netzkopplung von Photovoltaikanlagen

Optimale Wirtschaftlichkeit für kleine Wechselrichter

Durch die stetige Reduktion der Einspeisevergütung

wird das Segment der kleinen, privaten Photovoltaikanlagen

im Vergleich zu großen Photovoltaik-Kraftwerken

in Zukunft an Attraktivität zunehmen. Innovationen

für Netzwechselrichter konzentrierten sich

jedoch in den vergangenen Jahren auf Anlagen, die

eine Leistung von mindestens 5 Kilowatt aufweisen.

In dem Projekt INET-PV widmen sich die Steca Elektronik

GmbH als Koordinator in Zusammenarbeit mit

dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

(ISE) und der Hochschule Kempten nun der Weiterentwicklung

der Wechselrichter-Leistungsklasse bis

6 Kilowatt, um die Technologieführerschaft in diesem

Segment zu erreichen. In dem Projekt soll ein

dreiphasiger Wechselrichter entwickelt werden, der

auf einem innovativen Schaltungsprinzip mit mehreren

gekoppelten Wechselschaltern basiert und so ein

Wirkungsgrad von 99 Prozent erreicht werden kann.

Gleichzeitig sollen durch diese neuartige Topologie

die Kosten erheblich reduziert und die Lebensdauer

verlängert werden.

Für die Zukunft werden außerdem Systemkonzepte

für Wechselrichter benötigt, die sowohl den Eigenstrombedarf

sicherstellen als auch in das öffentliche

Netz einspeisen können. Für diese Mischkonzepte ist

eine effiziente und flexible Nutzung von Batteriespeichern

notwendig, unterstützt durch den Wechselrichter.

Das Projekt legt die Grundlage für einen Multifunktions-Inselwechselrichter,

indem die dafür geeigneten

Systemlösungen untersucht werden. Das BMU

fördert INET-PV innerhalb der Innovationsallianz

Photovoltaik mit rund 2,2 Millionen Euro.


38

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Siliziumwafer-Technologie

PVTEC-Labor des Fraunhofer ISE: Hochmoderne industrielle Rohrofenanlage

für n-Typ-Solarzellen

Industrienahe Fertigungsverfahren für hocheffiziente

n-Typ-Solarzellen

Mit der integrierten Entwicklung von Materialien,

Prozesstechnologien und Solarzellenstrukturen verfolgt

das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

(ISE) im Projekt THESSO einen praxisorientierten

Ansatz zur Erhöhung des Wirkungsgrads industriell

produzierbarer Solarzellen auf bis zu 21,5 Prozent für

Zellen aus monokristallinem und bis zu 19,5 Prozent

für multikristallines Silizium. Der heutige Industriestandard

basiert auf p-Typ-Siliziummaterial. Da gegenwärtig

insbesondere Solarzellen auf n-dotierten

Substraten die höchsten Wirkungsgrade erreichen,

liegen diese im Fokus des Projekts. Bis heute hat sich

keine dominante Prozesskette für n-Typ-Solarzellen

im Weltmarkt etabliert. Für eine breite Massenfertigung

sollen daher die Technologien innerhalb des

Kunstwerk kristallines Solarmodul

Zell- und Modulkonzepte der kristallinen Siliziumwafer-Technologie

sind sehr unterschiedlich und in

sich komplex. Auch wenn der Grundaufbau ähnlich

erscheint, gibt es viele verschiedene Prozessschritte

und somit viele Ansätze für Innovationen.

Aktuell sind neue, kosteneffiziente Konzepte, die

sich auf den vorhandenen Maschinen umsetzen

lassen, aufgrund der schwierigen Wirtschaftslage

von großem Interesse. Da die einzelnen technologischen

Schritte voneinander abhängig sind, muss bei

jedem neuen Entwicklungsschritt der vollständige

Herstellungsprozess bedacht werden. Die Zellen müssen

am Ende innerhalb der Module zusammengeschaltet

werden. Dabei dürfen weder der Zuwachs an

Wirkungsgrad noch die Lebensdauer der Module reduziert

werden. Das Verbundprojekt SONNE unter

Koordinierung der SolarWorld Innovations GmbH behandelt

aus dieser Überlegung heraus einen umfassenden

Ansatz an Zell- und Moduldesign, Materialien

und Produktionsprozessen. Unter anderem ist es hier

bislang gelungen, einen berührungslosen Feinliniendruck

mit Silberpaste zu entwickeln, der in einer

Pilotserie zu aufgedruckten Kontakten in einer Breite

von 40 Mikrometern führt. 30 Mikrometer sollen

noch ermöglicht werden. In der internationalen

Roadmap für Halbleiter (IRTS) waren 40 Mikrometer

erst für 2017 vorgesehen. Ein weiterer erfolgreicher

Ansatz des Projekts besteht in der Verwendung halber

Zellen innerhalb der Module, durch deren Verschaltung

die Modulleistung aufgrund geringerer

Widerstandsverluste gesteigert werden kann. Ein Plus

von rund 6 Watt wurde bereits experimentell bestätigt.

Für die Produktion entwickelten die Partner einen

automatischen Zellteilungsprozess. Jeder einzelne

Aspekt für sich bringt die Technologie weiter, solange

das Gesamtkonzept nicht außer Acht gelassen wird.

Auch die Rekorde der Projekte TopShot und HighScreen

(siehe Seiten 39/40) sind gute Beispiele dafür.

Viele der in der Photovoltaik benötigten Herstellungs ­

prozesse erinnern an ein Chemielabor. Die Zellen

werden in Tauchbäder gesetzt, gereinigt, Schichten

werden aufgetragen und nach zwischengeschalteten

Prozessen wieder abgeätzt. Sie werden bestrahlt, erhitzt,

in einem Vakuum mit Stoffen versetzt. Sie werden

gelasert, bedruckt und gelötet. Aus den Behandlungen

ergeben sich teils Vorgänge im Innern des

Materials auf atomarer Ebene. Die einzelnen Prozessschritte

können sich ergänzen, aber auch behindern.

Emitter zum Beispiel sind für die Funktion der Zelle

essenziell notwendige Schichten, in denen der Siliziumwafer

durch Atome eines anderen Elements ersetzt

wird. Durch die Schichtgrenze werden die

durch Sonnenlicht entstandenen, freien positiven

und negativen Ladungsträger daran gehindert, sich

wieder aneinander zu binden. Allerdings gelangen

durch den Prozess auch Verunreinigungen in das

Silizium. Mit neuen Prozessen wird versucht, diese so

gering wie möglich zu halten.

Diese Konzepte sind nur Beispiele aus einem großen

Pool von Ideen zum Zellaufbau, zu Materialien und

Prozessen. Die Anstrengungen der vergangenen Jahre,

unter anderem mit Hilfe der Forschungsförderung

des Bundes, bilden eine solide Grundlage für die notwendigen

Neuerungen.


PHOTOVOLTAIK 39

Fertigungsprozesses neu entwickelt beziehungsweise

angepasst und der gesamte Aufbau der Solarzellen

überarbeitet werden. Auch das zugrunde liegende

mono- und multikristalline Siliziummaterial und dessen

Herstellung im Kristallzüchtungsprozess werden

optimiert. Im Fokus steht dabei die Beeinflussung des

Basiswiderstands durch eine homogene Dotierung

über die Blockhöhe bei hoher Materialqualität. Ziel

bei allen Arbeiten ist ein hoher Wirkungsgrad bei

gleichzeitig schlankem Fertigungsprozess.

Die entwickelten Solarzellenprozesse werden auf

Pilotniveau am Photovoltaik Technologie Evaluations ­

center PV-TEC, einem mit Fördermitteln des BMU eingerichteten

Großlabor mit modernsten Prozess- und

Charakterisierungsgeräten, entwickelt und demonstriert.

Das Projekt THESSO wird vom BMU mit rund

6,6 Millionen Euro gefördert.

Rekordwerte für optimierte und neue

Solarzell konzepte

Das deutsche Know-how in der Photovoltaik zeigt

sich unter anderem in regelmäßigen neuen Wirkungsgradrekorden.

Auch das Institut für Solarenergieforschung

Hameln (ISFH) hat 2012 in zwei vom

BMU geförderten Projekten neue Rekorde veröffentlicht.

So erreichte das ISFH innerhalb des Verbundprojekts

TopShot in Zusammenarbeit mit dem Institut

für Silizium-Photovoltaik am Helmholtz-Zentrum

Berlin (HZB) unter Laborbedingungen einen Wirkungsgrad

von 20,2 Prozent für eine rückkontaktierte

Heteroübergang-Solarzelle der zurzeit höchste,

von einem unabhängigen Institut bestätigte Wirkungsgrad

dieser Solarzellenart. Die Zelle vereint

zwei erfolgversprechende Konzepte: Rückkontakte

vermeiden Verschattungen auf der Vorderseite einer

Solarzelle. Die Heterokontakttechnologie verbindet

zudem zwei Halbleitermaterialien, nämlich kristalli­

bis zirka 2000

Wirkungsgrad: 12 Prozent

Ag-Metallisierung

TiO 2

Emitter

2010

Wirkungsgrad: 16 Prozent

verbesserte Vorderseitenpassivierung, Strukturierung für

optimierten Lichteintrag (gelbe gewinkelte Schicht)

Ag-Metallisierung

SiNx

Si

Si

Al

Al

Ag

TiO 2

Emitter

Si

Al

Silber, elektrischer Frontkontakt der Solarzelle

Titanoxid, dient der Passivierung, verhindert Rekombination

positiver und negativer Ladungsträger

Bereich anderer Dotierung zur Ladungstrennung

Silizium, Ausgangsmaterial der Solarzelle

Aluminium, elektrischer Rückkontakt der Solarzelle

SiNx

Si

Al

Siliziumnitrid, dient der Passivierung

Silizium, Ausgangsmaterial der Solarzelle

Aluminium, elektrischer Rückkontakt der Solarzelle

2012

PERC — Wirkungsgrad: 18 Prozent

2015

MWT — Wirkungsgrad: 20 Prozent

optimierte Kontakte

selektive Emitter

Si Si Si

Si

Passi- vierung

lokale Kontakte

PERC (Passivated Emitter and Rear Cell): Sowohl der Emitter

auf der Vorderseite als auch die Rückseite sind passiviert.

Front-, Rückkontaktierung

MWT (Metal Wrap Through): Die Frontkontakte liegen auf der

Rückseite der Solarzelle, so dass Abschattungsverluste reduziert

werden und eine einseitige Verschaltung erfolgen kann.


40

PHOTOVOLTAIK

der Fingerbreite und durch den Einsatz eines selektiven

Emitters weiter erhöht werden. Hierfür werden

verschiedene industrie taugliche Prozessvarianten

evaluiert. HighScreen wird mit rund 710.000 Euro gefördert.

Dünnschichttechnologie

Wirkungsgradrekord: 20,1-Prozent-Siebdrucksolarzelle aus dem ISFH

nes und amorphes Silizium, für eine bessere Nutzung

der Solarstrahlung. Die Kombination könnte zu Wirkungsgraden

bis 25 Prozent führen. Ziel des Projekts

lag zum einen in der Erhöhung des Wirkungsgrads

durch optimierte Zellkonzepte. Zudem wurden produktionsrelevante

Strukturierungs- und Prozesstechniken

für die Herstellung großflächiger Heteroübergang-Solarzellen

entwickelt. Das mittlerweile abgeschlossene

Projekt wurde vom BMU mit rund 970.000

Euro gefördert.

In dem Projekt HighScreen konnte das ISFH zusammen

mit verschiedenen Industriepartnern einen Wirkungsgrad

von 20,1 Prozent für Siliziumwafer-Solarzellen

erlangen, welche in dem üblichen Siebdruckverfahren

und größtenteils industrietypischen Prozesssequenzen

hergestellt werden konnten. Üblich

sind zurzeit Wirkungsgrade von 18,5 Prozent. Zum

einen wurde der Rekord durch eine Rückseitenpassivierung,

bestehend aus einer Doppelschicht aus Aluminiumoxid

und Siliziumnitrit, erreicht. Dabei wurde

das Aluminiumoxid mit einer neuartigen, von ISFH

und der Singulus Technologies AG entwickelten Abscheidemethode

mit der Bezeichnung Inductively

Coupled Plasma aufgetragen. Zum anderen wurde

die Vorder seite mittels Doppelsiebdruck metallisiert,

um eine geringe Abschattung durch besonders

schmale Kontaktfinger zu erreichen. Zukünftig soll

der Wirkungsgrad durch eine weitere Reduzierung

Besserer Lichteinfang und optimierte Schichtzustände

Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Silizium bieten

eine hohe Materialverfügbarkeit und eine erprobte

Anlagentechnik. Wegen ihres geringeren Wirkungsgrads

und längerer Produktionstaktzeiten sind sie

derzeit aber nur in Nischen marktfähig. Für rein

amorphe Siliziumzellen werden in der Produktion

derzeit 6,5 Prozent Wirkungsgrad erreicht, mit Tandemzellen

aus amorphem und kristallinem Silizium

sind es 8,5 Prozent. Entwicklungsziel für die nächsten

zwei Jahre ist es, durch optimierte Modulkonzepte

den Wirkungsgrad stabil über 10 Prozent zu bringen.

Über 11 Prozent hinaus gehende Wirkungsgrade

machen ein Redesign der Zelle notwendig.

Unter anderem kann die Verbesserung der Schichteigenschaften

zu einem höheren Wirkungsgrad beitragen,

was durch eine nachträgliche Temperaturbehandlung

(Tempern) der Schichten, die im Anschluss

an die Deposition auf dem Glassubstrat stattfindet,

erreicht werden kann. Es wurde bereits beobachtet,

dass es nach dem Tempern zu einer schwächeren

lichtinduzierten Degradation von amorphen Siliziumschichten

kommt. In dem Projekt Globe-Si unter Koordination

des Helmholtz Zentrums Berlin (HZB) werden

Lasertools für eine großflächige Temperaturbehandlung

von Siliziumschichten entwickelt, die in

die industrielle Fertigung integriert werden sollen.

Weitere Projektpartner sind das Forschungszentrum

Jülich (FZJ), das Institut für Photonische Technologien

Jena, die TU Berlin, die Universität Bielefeld sowie die

Unternehmen Coherent Deutschland GmbH und die

LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH. Primär sollen

amorphe sowie Tandemzellen aus amorphem und

kristallinem Silizium durch die entwickelten Lasertools

optimiert werden. Die Arbeiten sollen auch zu

einem Fortschritt bei der Entwicklung von polykristallinen

Silizium-Dünnschichtzellen führen. Diese besitzen

unter anderem wegen einer deutlich höheren

Ladungsträgerbeweglichkeit ein Potenzial, das durch

die bisherigen Herstellungsprozesse nicht ausgeschöpft

wird. Globe-Si wird mit rund 2,8 Millionen

Euro gefördert. ■


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 41

GEOTHERMIE

Im Bereich der Nutzung tiefer Geothermie für die

Erzeugung von Strom wurden in den vergangenen

Jahren deutliche wissenschaftlich-technische Fortschritte

erzielt. Dennoch befindet sich die Geothermie

noch nicht in einem Stadium, in dem diese

Technologie zuverlässig in wirtschaftlichen Maß ­

stäben genutzt werden kann. Angesichts des erheblichen

Potenzials und des erwarteten Beitrags

der Geothermie zu einem künftig auf erneuer ­

baren Energien basierenden Energiesystem unterstützt

das BMU entsprechende Forschungsprojekte.

Schwerpunkte der Forschungsförderung

vor dem Hintergrund der

Markt- und Technologieentwicklung

Bei der Geothermie handelt es sich um eine Energiequelle,

die im Gegensatz zu der nur fluktuierend

Strom produzierenden Wind- und Sonnenenergie

kontinuierlich zur Verfügung steht. Neben der direkten

thermischen Nutzung, beispielsweise in Nahwärmenetzen,

bietet sich die Geothermie auch für die

Stromproduktion an und kann deshalb in einem regenerativen

Energiemix der Zukunft eine wichtige

Rolle spielen. Insgesamt hat geothermische Energienutzung

ein Potenzial, mit dem sich der Energiebedarf

Deutschlands theoretisch um ein Vielfaches decken

ließe. Um dieses zu erschließen, wurden bereits

erhebliche Anstrengungen unternommen von der

Auffindung und Erschließung besonders geeigneter

Regionen, der Entwicklung von Bohrtechnologien bis

hin zum Anlagenbau, um die gewonnene Erdwärme

in Strom umzuwandeln.

Geothermiekraftwerk Landau

In Deutschland gibt es drei Regionen, die für die geothermische

Nutzung besonders geeignet sind das

norddeutsche Becken im nördlichen Drittel Deutschlands,

der Oberrheingraben im Südwesten und das

Molassebecken im Süden. 2012 konnten in diesen

Regionen zwei Standorte für die Stromgewinnung

erschlossen werden: Sauerlach (Bayern) und Insheim

(Rheinland-Pfalz) kamen zu den bestehenden Stand-

Quelle: BMU

Ausgaben in Mio. Euro

21

18

15 14,0 14,4

12

9

6

3

0

7,4

13,8

10,0

11,6

20,9

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Prospektion und Exploration Warmwasser- und Dampflagerstätten Hot Dry Rock Sonstiges

Geothermie: Jährliche Projektfördermittel zwischen 2006 und 2012


42

GEOTHERMIE

Quelle: BMU

Mio. Euro

25 24,1

23,7 21,4

20

15

16,4

14,9

15,1

10

5

0

8,1

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Geothermie: Entwicklung des Neubewilligungsvolumens seit 2006

orten Landau (Rheinland-Pfalz, 2007), Unter haching

(Bayern, 2008/2009) und Bruchsal (Baden-Würt ­

temberg, 2009) hinzu. Drei weitere Geothermieprojekte

zur Stromgewinnung sind im Bau: Kirchstockach,

Kirchweidach (beide in Bayern) sowie Oberhaching

(ebenfalls Bayern, Strom nur als Nebennutzung).

Nach Angaben des Bundesverbands Geothermie

e.V. (GtV) waren im Oktober 2012 deutschlandweit

20 geothermisch versorgte Heizkraftwerke in

Betrieb, die über Fernwärmenetze Haushalte, Un ­

ternehmen und öffentliche Gebäude mit Wärme ­

energie versorgen.

Die aktuell laufenden Forschungsprojekte des BMU

umfassen alle Stufen der geothermischen Wertschöpfung.

Ihr Ziel liegt vor allem darin, die Kosten für die

Projekte weiter zu senken, um die Geothermie in den

Bereich der Wirtschaftlichkeit zu führen. Dazu trägt

Technologieentwicklung in allen Projektphasen bei:

in der Planungs- und Explorationsphase, in der Bohr-,

der Errichtungs- und in der Bauphase sowie in der

Test- und Betriebsphase. Der Hauptteil der Investitionskosten

wird derzeit durch die Bohrungen verursacht.

Diese müssen kostengünstiger und schneller

werden. Aber auch der Betrieb fertig gestellter An ­

lagen muss effizient, wartungsarm und zuverlässig

funktionieren. Außerdem zählen neben der technischen

Weiterentwicklung in der Geothermie die Konzepte

für eine verbesserte Öffentlichkeitsarbeit inzwischen

zum selbstverständlichen Bestandteil erfolgreicher

Forschungsvorhaben. Nicht zuletzt müssen zudem

Grundlagen geschaffen werden, die Geothermie

auch in weniger günstigen Regionen einsetzbar zu

machen.

Der Mittelabfluss für im Jahr 2012 laufende Projekte

im Bereich der tiefen Geothermie stieg aufgrund der

deutlich gestiegenen Neubewilligungen der vergangenen

beiden Jahre von rund 11,6 Millionen Euro im

Vorjahr auf 20,8 Millionen Euro an. 37 neue Vorhaben

mit einem Volumen von 21,4 Millionen Euro

wurden 2012 zur Bewilligung gebracht. Damit konnte

das Bewilligungsvolumen des Vorjahres wieder erreicht

und die erfolgreiche Forschung im Bereich der

tiefen Geothermie verstetigt werden. Gegenüber

2004 hat sich die Summe der Neubewilligungen im

Durchschnitt verdoppelt.

Auswahl geförderter Projekte

An dieser Stelle werden einige vom BMU geförderte

Projekte im Bereich der tiefen Geothermie vorgestellt.

Ein weiteres Leuchtturmprojekt aus diesem

Technologiebereich ist außerdem im Kapitel „Highlights“

zu finden (siehe Seiten 9/10).

Vorerkundungsverfahren

Verbesserte Erfolgswahrscheinlichkeit durch

fundierte Risikoanalyse

Im Vorfeld einer geothermischen Bohrung wird

zunächst das Potenzial des Untergrunds am geplanten

Standort ermittelt. Hierzu werden vorhandene

Daten recherchiert und neue geophysikalische Daten

zum Beispiel anhand von 2D- oder 3D-seismischen

Messungen erhoben. Anschließend folgt eine Erkundungsbohrung,

die im optimalen Fall als Förder- oder

Injektionsbohrung ausgebaut werden kann. Bereits

die Erkundungsbohrungen in einigen Kilometern

Tiefe bedeuten Investitionskosten von mehreren

Millionen Euro. Falsche Potenzialschätzungen im

Vorfeld sind deshalb gleichbedeutend mit einem

hohen Verlust. Dementsprechend muss das Fündigkeitsrisiko

für die wirtschaftliche Nutzung der Geothermie

minimiert werden. Um die Abschätzung zu

optimieren, führen die Projektpartner RWTH Aachen

als Koordinator, Freie Universität Berlin, Christian­

Albrechts-Universität zu Kiel, TU Bergakademie

Freiberg, Geophysica Beratungsgesellschaft mbH

und Friedrich-Schiller-Universität Jena im Projekt

MeProRisk II eine Machbarkeitsstudie an drei ausgewählten

Geothermiestandorten durch. Die hier zu


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 43

testenden Methoden für eine verlässliche Potenzialschätzung

wurden in einem durch das BMBF geförderten

Vorgängerprojekt erarbeitet. Unterschiedliche

Daten aus bestehen den Bohrungen, seismischen Messungen,

hydraulischen Pumpversuchen und Labormessungen

an Gesteinsproben wurden genutzt, um

sie nach und nach in Wahrscheinlichkeitsberechnungen

über Fließvorgänge innerhalb eines Reservoirs

einzubeziehen. Hierdurch wurden die Unsicherheiten

hinsichtlich Temperatur und Fließraten quantifizierbar.

Die entstehende Fehlerangabe ergänzt die

Potenzialschätzung, so dass eine fundierte Risikoanalyse

erstellt werden kann. Aktuell befindet sich kein

deutsches Geothermieprojekt in einer für das Forschungsvorhaben

geeigneten Phase. Daher wird das

Verfahren zunächst an zwei Projekten in Italien und

einem in Australien getestet. Zwei deutsche Standorte

können zu einem späteren Zeitpunkt hinzugezogen

werden. Das BMU fördert die Studie mit rund

3,1 Millionen Euro.

Flächendeckende Potenzialkarten für

Norddeutschland

Das geothermische Potenzial Norddeutschlands liegt

in Tiefen zwischen 1.000 und 3.000 Metern. Dort zirkulieren

Thermalwässer mit Temperaturen zwischen

40 und 120 Grad Celsius in Sandsteinreservoiren.

Welche Potenziale darin an welcher Stelle zu finden

sind, ist bisher nicht hinreichend ermittelt worden.

Statt flächenhafter Daten zur räumlichen Verteilung

der Reservoire sind bis heute nur punktuell Daten

vorhanden, weswegen jede Bohrung mit einem Erkundungsrisiko

einhergeht, das nun durch das Vorhaben

Sandsteinfazies minimiert werden soll. Die

Projektpartner Geothermie Neubrandenburg GmbH

(GTN, Koordinator) und das Institut für Geologie an

der TU Bergakademie Freiberg erstellen ein detailliertes

Kartenwerk, in dem die Verbreitung, Ausbildung

und die hydraulischen Eigenschaften dieser Sandsteinaquifere

bewertet und dargestellt werden. Die

mögliche Produktivität und daraus resultierende

Förderraten thermaler Wässer zu Wärme- oder

Stromer zeugung soll aus diesen Daten abgeschätzt

werden können.

Im Blick der Projektpartner liegen die geothermischen

Hauptreservoire, die sich durch Schichtdicken

über 20 Meter und geeignete hydraulische Parameter

auszeichnen: Sandsteine des Dogger, des Rhät-Lias

und des Schilfsandsteins. Deren räumliche Verbreitung,

enthaltene Ablagerungen sowie Wasserdurchlässigkeit

variieren erheblich. Zur Bestimmung der

Parameter bearbeiten und bewerten die Projektpartner

rund 40 Kernbohrungen neu, die in den geologischen

Landesämtern archiviert sind. Das Raster aus

Kernbohrungen wird durch ungefähr 800 geophysikalisch

vermessene Bohrungen verdichtet, wodurch

die räumlich hochaufgelöste Darstellung der geothermischen

Hauptreservoire ermöglicht wird. Vielfältige

manuelle Untersuchungen, etwa die Bestimmung der

Gesteinsporosität anhand von Dünnschliffen, werden

durch experimentell im Labor ermittelte Daten sowie

eine bereits bei GTN vorhandene Datenbank unterlegt.

Im Anschluss der detaillierten Untersuchungen

sollen die Daten vereinfacht auch in das bestehende

Kartenwerk des GeotIS-Projekts integriert werden.

Das BMU fördert das Projekt mit rund 590.000 Euro.

Anlagenbetrieb

Aussagen zu Langzeitverhalten von Reservoiren durch

temperaturempfindliche Tracer

Um Geothermalreservoire zu erkunden, werden unter

anderem Tracer eingesetzt, also Substanzen, mit

denen das Wasser vor der Injektion in Geothermal ­

reservoire versetzt und somit markiert wird. Aus der

Form der Tracerkonzentrationskurve des geförderten

Thermalwassers lassen sich Erkenntnisse über Fließgeschwindigkeiten,

bestehende Klüfte oder Porosität

des Gesteins gewinnen. Das Geowissenschaftliche

Zentrum der Universität Göttingen sieht darüber

hinaus ein weitaus höheres Potenzial in Tracern,

welches im Projekt REAKTHERM erschlossen werden

soll. Geplant ist, die Strukturen verschiedener organischer

Verbindungsklassen zu identifizieren, die auf

Temperaturänderungen reagieren und sie nach Temperaturbereich

und Reaktionsart in einer Datenbank

zu strukturieren. Parallel dazu wird in einem Labor-

Geothermiekraftwerk Unterhaching: Plattenwärmetauscher (rechts

oben) und Turbine zur Stromerzeugung (unten, gelbgrün)


44

GEOTHERMIE

experiment das beschreibende physikalisch-chemi ­

sche Modell verifiziert.

Aus den Daten sollen neue Moleküle gezielt synthe ­

tisiert werden. Mit Hilfe einer Software sollen die in

der Datenbank gesammelten geothermisch relevanten

Tracer für maßgeschneiderte Experimente vorgeschlagen

werden. Damit sollen erstmalig Temperaturverteilung

und hydraulische Wegsamkeiten in Zusammenhang

gesetzt werden, was eine exakte Prognose

über die Abkühlung von Geothermalreservoiren

während des Kraftwerkbetriebs ermöglicht, wodurch

wiederum wichtige Aussagen über die Wirtschaftlichkeit

der Anlage im Langzeitbetrieb getroffen werden

können. Bisher sind in Geothermieprojekten

lediglich kommerziell erhältliche Tracer ein gesetzt

worden. Durch die gezielte Entwicklung neuer Tracer

und Evaluation geeigneter Molekülstrukturen werden

sich deutlich präzisere Untersuchungsmethoden

ergeben. Das BMU fördert das Projekt mit rund

670.000 Euro.

Sicherer Betrieb im bayerischen Molassebecken

Um eine Anlage für einen möglichst langen und

wirtschaftlichen Betrieb auslegen zu können, werden

neben Kenntnissen über das Abkühlverhalten des

Thermalwassers auch Kenntnisse über dessen genaue

Zusammensetzung benötigt. Diese Daten werden bislang

nicht hinreichend genau erfasst, was unnötig

hohe Kosten bei der Auslegung und Instandhaltung

verursacht und zu Ausfällen und sogar zu einer verkürzten

Lebenszeit der Anlage führen kann. Unter

Koordination der Stadtwerke München, zusammen

mit dem Institut für Wasserchemie der TU München

und der Erdwerk GmbH, finden Projektarbeiten zur

Minimierung von Risiken bei Planung und Betrieb

tiefengeothermischer Anlagen im bayerischen Molassebecken

statt. Die Entwicklungsarbeiten teilen

sich auf vier Felder auf: angepasste Materialien, angepasste

Filter, Messmethoden für Zustandsänderungen

in Bohrloch und Reservoir, Bestimmung des in

der An lage entstehenden Drucks. Wegen Unsicherheiten

bei der Bestimmung des Drucks werden zum

Beispiel zurzeit kostenintensive Sicherheitszuschläge

von 100 Prozent auf den berechneten Wert aufgerechnet.

Deshalb soll ein Verfahren ermittelt werden,

mit der eine kontinuierliche quantitative Gasanalyse

während des Betriebs ermöglicht wird.

Das Augenmerk der Projektpartner liegt auf dem

Geothermieheizkraftwerk Sauerlach, dem zweiten

Geothermieprojekt der Münchner Stadtwerke. Mit

einem vergleichsweise hohen Gasgehalt sowie einer

hohen Sulfidkonzentration im Wasser und in der

Deutsche Geothermie gut aufgestellt für Wärmeversorgung und Export

Als Ingenieurbüro hat die Geothermie

Neubrandenburg GmbH (GTN) seit 20

Jahren Erfahrung mit Geothermieprojekten.

Mitarbeiter des Unternehmens

waren bereits 1982 mit der Planung

und Ausführung der ältesten geothermischen

Wärmeversorgungsanlage

Deutschlands in Waren-Papenberg

beauftragt. Ebenfalls trug GTN zur

Aufrüstung des Heizwerks in Neustadt-Glewe

bei, das 2003 als erstes

deutsches Kraftwerk Strom aus

Geo ther mie produzierte. GTN- Geschäftsführer

Dr. Peter Seibt schätzt für den Jahresbericht die

zukünftigen Möglichkeiten der tiefen Geothermie

in Deutschland ein.

Wie stellt sich für Sie die aktuelle Situation der

tiefen Geothermie in Deutschland zurzeit dar?

Die Geothermie verfügt über ein interessantes Potenzial

mit großen Chancen, vor allem für die tiefe Geothermie

in der Wärmeversorgung. Hier sehen wir

auch von den Temperaturen her in Deutschland einen

Markt, der mit den bekannten Technologien erschlossen

werden kann und sicherlich ausgebaut

wird. Für die Stromerzeugung sollten momentan Anlagen

der Kraft-Wärme-Kopplung der Vorrang gegeben

werden. Dabei leistet die Wärme einen erheblichen

Beitrag zur Wirtschaftlichkeit.

Und die reine Stromversorgung durch Geo thermie?

Für die Stromproduktion besteht noch großer Forschungsbedarf,

denn wenn man hohe Strombeiträge

erreichen möchte, muss man die petrothermale Geothermie,

das heißt die in den Gesteinen gespeicherte

Energie, nutzen. Petrothermale Systeme werden bisher

noch nicht kommerziell verwendet. Es gibt einige

Forschungsansätze, aber es muss noch der Nachweis

erbracht werden, dass sie funktionieren. Und dieser

Nachweis wird einige hundert Millionen Euro kosten.

Investoren werden erst danach in großem Umfang

tätig wenn sie sich davon überzeugen können, dass

sich das Ganze rechnet.

Ähnlich verhält es sich ja auch mit Investoren aus

dem Ausland, die bereits deutsche Technologie zu

hydrothermalen Lagerstätten einkaufen.

Wir können nur exportieren, wenn wir die Technologie

zuhause demonstriert haben. Deutsches Knowhow

ist sehr gefragt. In Chile, in Serbien, in Ungarn,


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 45

Geothermieheizkraftwerk Sauerlach im bayerischen Molassebecken

Gasphase, einer teils deutlichen Konzentration von

Kohlenwasserstoffen und hohen Temperaturen (bis

142 Grad Celsius) bestehen innerhalb des bayerischen

Molasse beckens in Sauerlach besonders herausfordernde

Bedingungen. Das BMU fördert das Projekt

mit rund 770.000 Euro. ■

überall wird gefragt: Gibt es die Anlagen? Wenn wir

Interessenten aus dem Ausland mit funktionierenden

Anlagen überzeugen können, sind wir im Markt. Das

ist ein wichtiger Aspekt zur Situation der Geothermie.

Denn auch wenn sie in Deutschland selbst nicht

die Verbreitung erreicht, die wir uns wünschen, handelt

es sich um eine ganz wichtige Exporttechnologie.

Die schwierigen Bedingungen in Deutschland helfen

noch dabei. Auf einer Konferenz in Serbien habe ich

gesagt, was bei uns läuft, das läuft hier erst recht!

Gibt es derzeit eine Aufbauphase für die Geo ­

thermie in Deutschland?

Ich sehe das schon. Bei GTN waren wir ursprünglich

zehn Leute, die sich mit Geothermie beschäftigt haben,

jetzt sind wir 21 und befassen uns zu 99 Prozent

mit Geothermie. Der Markt hat sich entwickelt, man

sieht es an der Zahl der Projekte.

Gibt es einen regionalen Schwerpunkt für neue

Projekte? Generell eignen sich ja der Oberrheingraben,

das Molassebecken und das Norddeutsche

Becken für hydrothermale Geothermieprojekte.

Eindeutig das Molassebecken in Süddeutschland.

Wenn man die drei Gebiete charakterisiert, erhält

man folgende Merkmale: Im Norddeutschen Becken

existiert das geringste Erkundungsrisiko. Dort sind

jedoch die Fördermengen gering, begrenzt bei 100

bis 200 Kubikmeter pro Stunde. Im Molassebecken ist

das Erkundungsrisiko etwas höher. Die Bohrungen

dort müssen versichert werden. Dafür hat man aber

eine 3- bis 4-fache Fördermenge bei gleichem Temperaturgradienten.

Das ist natürlich effizient. Der

Oberrheingraben hat den großen Vorteil, dass er einen

höheren geothermischen Temperaturgradienten

hat, man also mit einer Bohrung schneller an hohe

Temperaturen gelangt. Hier ist jedoch ein höheres

geologisches Erkundungsrisiko vorhanden. Hinzu

kommen die Fragen im Zusammenhang mit induzierter

Seismik und Akzeptanz. Zusammengefasst ist

das Molassebecken für mich der Schwerpunkt. Aber

auch in Norddeutschland wird sich zukünftig einiges

tun. So gibt es zum Beispiel in Berlin viele Akteure,

die dort etwas aufbauen möchten. ■

Dr. Peter Seibt ist Geschäftsführer für den Bereich Untertage

der Geothermie Neubrandenburg GmbH (GTN)


46

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

NIEDERTEMPERATUR-SOLARTHERMIE

Bei neu errichteten Ein- und Zweifamilienhäusern

sowie bei der Heizungsmodernisierung ist die Niedertemperatur-Solarthermie

aktuell die maßgebliche

Variante der regenerativen Wärmeversorgung.

Da deren Anteil am Endenergieverbrauch für Wärme

bislang noch weniger als ein Prozent beträgt,

besteht hier noch erhebliches Ausbaupotenzial.

Weitere Anwendungsfelder für die Niedertemperatur-Solarthermie

sind die Bereitstellung von solarer

Prozesswärme, die Kälteerzeugung sowie die Wärmeabgabe

in Nahwärmenetze.

Schwerpunkte der Forschungsförderung

vor dem Hintergrund der

Markt- und Technologieentwicklung

In Deutschland macht die Wärme- und Kälteerzeugung

mit rund 54 Prozent über die Hälfte des Endenergieverbrauchs

aus. Betrachtet man nur private

Haushalte, liegt der Anteil sogar zwischen 80 und

90 Prozent. Grundsätzlich stellt dies einen großen

Einsatzbereich für die Niedertemperatur-Solarthermie

dar, welche sich aber aufgrund der mittlerweile

vielfältigen technologischen Lösungen zum Heizen

und zum Energiesparen in einem sehr herausfordernden

Marktumfeld befindet. Insbesondere ist durch

die kostengünstigere Photovoltaik ein Konkurrenzdruck

entstanden, da auch diese mittlerweile für Heizung

und Klimatisierung eingesetzt wird. Vor diesem

Hintergrund lag das Absatzvolumen der deutschen

Solarthermie-Unternehmen 2012 lediglich auf dem

Niveau der beiden Vorjahre. Es wurden rund 1,2 Millionen

Quadratmeter Kollektorfläche neu errichtet.

Damit waren Ende 2012 insgesamt 16,4 Millionen

Quadratmeter Kollektorfläche, entsprechend rund

11,4 Gigawatt thermische Leistung, installiert. Der

überwiegende Marktanteil der Neuinstallationen lag

mit rund 95 Prozent nach wie vor im Kernsegment

der Ein- und Zweifamilienhäuser.

Weltweit wächst der Markt für die Niedertemperatur-

Solarthermie mit etwa 20 Prozent pro Jahr durchaus

dynamisch. Neben China, der Türkei und Australien

sind vor allem in Brasilien und Indien neue Märkte

entstanden. In Europa ist Deutschland hinsichtlich

der installierten Kollektorfläche nach wie vor Marktund

Technologieführer. Es ist nach China und der

Türkei der drittgrößte Markt der Welt.

Der Erfahrungsbericht zum Erneuerbare-Energien-

Wärmegesetz (EEWärmeG), nach welchem Eigentümer

neuer Gebäude seit Anfang 2009 einen Teil ihres

Wärme- und Kältebedarfs aus erneuerbaren Energien

decken müssen, wurde am 19. Dezember 2012 verabschiedet.

Im Mittel der Jahre 2009 bis 2011 wurde

danach etwa in jedem fünften Neubau Solarthermie

eingesetzt. Die für 2020 gesetzten Ziele verlangen

allerdings unverändert hohe Anstrengungen. Entsprechend

konstatiert der Erfahrungsbericht weiterhin

großen Förderbedarf, auch bei der Solarthermie.

Hier wird die Relevanz bisher wenig genutzter Einsatzfelder

(Prozesswärme, Wärmenetze, Mehrfamilienhäuser,

Nichtwohngebäude) für das Erreichen der

mittel- und langfristigen Ziele betont. Das hat auch

die Novelle des Marktanreizprogramms (MAP) von

August 2012 aufgegriffen. Neben der allgemeinen

Verbesserung der Förderkonditionen werden insbesondere

Anlagen zur Prozesswärmenutzung sowie

Quelle: BMU

Ausgaben in Mio. Euro

9 8,4

8

7 6,6

6

5,7 5,7

6,3

5

4

3

2

1

0

6,5

8,0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Kollektorentwicklung Speicher Solares Heizen Solare Kälte

Solare Prozesswärme Begleitforschung Pilot-/Demovorhaben

Niedertemperatur-Solarthermie: Jährliche Projektfördermittel zwischen 2006 und 2012


NIEDERTEMPERATUR-SOLARTHERMIE 47

Herstellung von Vakuumröhren mit hohem Wirkungsgrad für solarthermische Anlagen

große Solaranlagen ab 40 Quadratmeter bei Einspeisung

in Nahwärmenetze gefördert.

Kernaufgabe für die Weiterentwicklung solarthermischer

Kollektoranlagen ist nach wie vor die signifikante

Senkung der Systemkosten sowie die weitere

Standardisierung. Zudem sollen die Forschungsansätze

zukünftig verstärkt in Pilot- oder Demonstrationsanlagen

getestet und für weitere Entwicklungen

ausgewertet werden. Insbesondere die Entwicklung

solarthermischer Gesamtlösungen vom einzelnen

Wohngebäude zu komplexen Stadtquartieren ist

relevant. Ein Beispiel ist die bisher größte solarthermische

Solaranlage Deutschlands in Crailsheim, die

im Mai 2012 in Betrieb genommen wurde (siehe

Seite 15).

Auch in der Niedertemperatur-Solarthermie ist seit

2004 das Neubewilligungsvolumen der BMU-Forschungsförderung

kontinuierlich gestiegen. Mit

9,9 Millionen Euro im Jahr 2012 hat es mittlerweile

mehr als das Doppelte des Bewilligungsvolumens aus

dem Jahr 2004 mit 4,8 Millionen Euro erreicht. Zu

begrüßen ist auch, dass der Großteil der Bewilligungen

(7,2 Millionen Euro) für Einzelvorhaben und Verbünde

mit Industriebeteiligung zur Verfügung gestellt

werden konnte, denn bei allen Fördervorhaben

steht die Verwertung der Forschungsergebnisse im

Fokus. Eine Industriebeteiligung ist dafür eine wichtige

Voraussetzung. Der Mittelabfluss belief sich 2012

auf knapp 8 Millionen Euro und damit rund 20 Prozent

über dem Mittelwert der Vorjahre.

Auswahl geförderter Projekte

An dieser Stelle werden einige vom BMU geförderte

Projekte im Bereich Niedertemperatur- Solarthermie

vorgestellt, die einen Einblick in die Umsetzung der

zugrunde liegenden Forschungsschwerpunkte aus

der Förderbekanntmachung geben. Ein weiteres

Leuchtturmprojekt aus diesem Technologiebereich

ist zudem im Kapitel „Highlights“ zu finden (siehe

Seite 10).

Komponentenentwicklung

Günstigere Absorber durch Hohlprägen und

Streckziehen

Zwei Ansätze, die dazu führen, Absorberkosten deutlich

zu reduzieren, verfolgt das Fraunhofer-Institut

für Solare Energiesysteme (ISE) als Koordinator gemeinsam

mit der Gräbener Pressensysteme GmbH &

Co. KG im Verbundprojekt SAPRES. Das Projekt sieht

vor, ein in der Heizkörperproduktion eingesetztes

Hohlpräge-Streckziehverfahren zu adaptieren, durch

welches flächige Materialien in eine bestimmte Form

gebracht werden können. Mit diesem Produktionsverfahren

sollen große Stückzahlen in flexibler Länge

gefertigt werden können. Gleichzeitig sollen statt

Kupfer die im Vergleich günstigeren Materialien

Stahl oder Aluminium eingesetzt werden. Deren

niedrigere thermische Effizienz kann durch ein an ­

gepasstes Design, dessen Produktion durch das Hohlpräge-Streckziehverfahren

ermöglicht wird, ausge ­


48

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Quelle: BMU

Mio. Euro

10

8 7,5

10,1 10,0

9,4

7,0 6,8

6 5,1

4

2

0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Niedertemperatur-Solarthermie: Entwicklung des Neubewilligungsvolumens seit 2006

glichen werden. Der Wirkungsgrad des Systems soll

so bei niedrigeren Herstellungskosten gleich bleiben

oder sogar übertroffen werden.

Marktübliche solarthermische Absorber bestehen aus

beschichtetem Absorberblech (Aluminium oder Kupfer).

Darunter befinden sich Rohre beziehungsweise

Kanäle, meist aus Kupfer, für die Wärmeträgerflüssigkeit.

Mit der Anzahl der Kanäle nimmt die thermische

Effizienz des Absorbers zu. Aber auch die Produktionskosten

steigen. Beim Hohlpräge-Streckziehverfahren

werden Vertiefungen in die Absorberplatten

geprägt und anschließend zwei Platten aufeinander

gefügt, so dass sich die Kanäle dazwischen befinden.

Bei derartigen Verfahren ist eine höhere Anzahl

an Kanälen beinahe kostenneutral. Ebenso werden

innovative Designs, beispielsweise das mehrfach verzweigte

FracTherm®-Design, ermöglicht. Das BMU

fördert SAPRES mit rund 670.000 Euro.

Systementwicklung

Potenzialanalyse der Nutzung von Solarenergie

Die Auswahl an erneuerbaren Energiesystemen ist

groß. Um Sonnenenergie zu nutzen, kann man beispielsweise

solarthermische Kollektoren für Wärme

und eine Photovoltaikanlage für elektrischen Strom

oder aber auch Photovoltaik, kombiniert mit einer

Wärmepumpe für die Wärmeversorgung, einsetzen.

Darüber hinaus gibt es noch viele weitere Konzepte.

Um für verschiedene Anwendungsbereiche optimierte

Gesamtsysteme zu identifizieren, führt das Institut

für Gebäude‐ und Solartechnik (IGS) der TU Braunschweig

unter Beteiligung des Instituts für Thermodynamik

und Wärmetechnik (ITW) der Universität

Stuttgart und mehreren Industriepartnern in dem

Projekt future:solar eine umfassende Systemanalyse

durch. Das Ziel besteht darin, das technische und

wirtschaftliche Potenzial der Solarenergie für einen

Anteil von 50 und 100 Prozent an der Energieversorgung

(Wärme und Strom) von Einfamilienhäusern,

Mehrfamilienhäusern und Stadtquartieren zu ermitteln

und das Potenzial von Bestandsgebäuden zu untersuchen.

Dabei wird der Nutzen, der durch anlagentechnische

Ausrüstungen entsteht, dem Nutzen

bauphysikalischer Sanierungen gegenübergestellt.

Zunächst sollen durch eine Marktanalyse verschiedene

Möglichkeiten einer regenerativen Energieversorgung

von 50 und 100 Prozent identifiziert werden.

Anschließend werden die Konzepte anhand von Systemsimulationen

energetisch, ökologisch und wirtschaftlich

untersucht und bewertet. Das BMU fördert

future:solar mit rund 420.000 Euro.

Solare Prozesswärme

Branchenkonzept für Brauereien

Ein großes Potenzial der Solarthermie liegt in der

Nutzung solarer Prozesswärme in industriellen Anwendungsbereichen.

Dafür kommen vor allem industrielle

Prozesse mit hohem Wärmebedarf im Temperaturbereich

bis 250 Grad Celsius in Frage. Laut der

Potenzialstudie der Universität Kassel SOPREN

Solare Prozesswärme und Energieeffizienz können

in Deutsch land mehrere Branchen aus der solaren

Prozesswärme großen Nutzen ziehen. Es besteht laut

dieser Studie in Deutschland ein technisches Poten ­

zial von 15,6 Terawattstunden pro Jahr, das entspricht

3,1 Prozent des industriellen Wärmebedarfs.

In dieser Studie wurde auch die messtechnische Begleitung

einer Pilotanlage in der Hütt-Brauerei in

Kassel-Baunatal übernommen, welche neben einer

Solaranlage ein energieeffizientes Kochverfahren und

eine verbesserte Wärmerückgewinnung anwendet.

Anhand dieses Beispiels konnte gezeigt werden, dass

die solarthermische Anlage reibungsfrei in bestehende

Prozesse integriert werden konnte und dabei signifikant

zur Reduktion des Primärenergiebedarfs beiträgt

(siehe auch JahresberichtInnovation durch

Forschung“ 2011, Seite 57). Um diese Erkenntnisse in


NIEDERTEMPERATUR-SOLARTHERMIE 49

Saisonale Wärmespeicherung von der Forschung in die Praxis

Um Wärme saisonal zu speichern, sind mehrere

Faktoren relevant. Zum einen muss der Speicherbehälter

selbst optimiert werden. Ebenso wichtig

für seine technische und ökonomische Effizienz

ist das Gesamtsystem, in das er eingebunden ist:

Der Wärmespeicher selbst ist passiv, die Wärme

wird über Leitungsnetze oder andere technische

Komponenten zu- und abgeführt.

Ein saisonaler Wärmespeicher sollte mindestens

1.000 Kubikmeter groß sein, um die Oberfläche im

Verhältnis zur gespeicherten Energiemenge aufgrund

des Wärmeverlusts klein zu halten. Da sich

mit so einer Größe mehrere Wohneinheiten versorgen

lassen, ist die Integration des Speichers in ein

Wärmenetz sinnvoll. Berücksichtigt werden müssen

dementsprechend verschiedene handwerkliche Bereiche

wie Baugewerbe, Gebäudetechnik sowie Energieerzeugung

und -verteilung. Für den Wärmebedarf

von Trinkwasser und Heizung nimmt die sensible,

also fühlbare Wärmespeicherung durch Wasser oder

den Untergrund aktuell eine zentrale Rolle ein. Als

zukünftige Alternativen werden Phasenwechsel von

Materialien (PCM) sowie thermochemische Reaktionen

(TCM) zur quasi verlustfreien Speicherung von

Wärme erforscht, die gegenüber Wasser zudem eine

deutlich höhere spezifische Speicherkapazität ermöglichen.

Die Kosten dafür sind momentan noch zu hoch.

Für die Konzepte zur saisonalen Wärmespeicherung

durch Wasser stehen grundsätzlich vier verschiedene

Alternativen zur Auswahl: Behälterspeicher, Erdbeckenspeicher,

Erdsondenwärmespeicher und Aquiferspeicher.

Die ersten Versuchsspeicher wurden 1996

in Hamburg und Friedrichshafen realisiert. Die technologische

Grundlage dafür boten damals die Erkenntnisse

aus einem Versuchsspeicher am Institut

für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der

Universität Stuttgart. Bis zum Jahr 2000 konnte mit

einer ersten Speichergeneration gezeigt werden, dass

die saisonale Wärmespeicherung von Solarwärme zu

moderaten Kosten realisierbar ist. Mit einer zweiten

Generation wurden Alternativen getestet, zum Beispiel

ein Speicher aus Hochleistungsbeton in Hannover

oder der Einsatz neuer Dämmstoffe. Um die Wärmeverluste

von saisonalen Speichern weiter zu minimieren,

wurde in einem Forschungsvorhaben am

ITW der gekoppelte Wärme- und Stofftransport durch

Speichersysteme grundlegend untersucht. Auf dieser

Basis ist nun eine dritte Generation saisonaler Wärmespeicher

entstanden. Insgesamt konnten zwischen

1996 und 2008 die durchschnittlichen Kosten für

eine Kilowattstunde Solarwärme aus einem Nahwärmesystem

mit saisonalem Wärmespeicher in Abhängigkeit

von der Speichergröße halbiert werden (siehe

www.saisonalspeicher.de). ■

Investitionskosten je Kubikmeter Wasseräquivalent (Euro/Kubikmeter)

500

Ilmenau (GfK)

Crailsheim

Behälter (TTES)

450

400

350

Rottweil

Steinfurt

Behälter (TTES) Studie

Erdbecken (PTES)

Erdwärmesonden (BTES)

Aquifer (ATES)

Aquifer (ATES) Studie

Sonstige

300

Kettmannhausen (GfK)

250

200

150

100

50

0

Stuttgart

Hannover (HLB)

Hamburg

Bielefeld

Eggenstein

München

Berlin-Biesdorf

Chemnitz

Friedrichshafen

Attenkirchen ( Hybrid)

Marstal (DK)

Neckarsulm-1

Neckarsulm-2

Potsdam

Brædstrup ( DK) Crailsheim Marstal-2 (DK)

Rostock

100 1.000 10.000 100.000

Speichervolumen in Kubikmeter Wasseräquivalent (Kubikmeter)


50

NIEDERTEMPERATUR-SOLARTHERMIE

der Praxis zu verbreiten, hat das ITE ein Branchenkonzept

für Brauereien zur Solarwärmenutzung erstellt

und einen Leitfaden erarbeitet, der speziell auf

Planer und Energieberater zugeschnitten ist. Mittels

einer Checkliste wird darin eine schnelle Identifikation

sinnvoller Integrationsmöglichkeiten für solarthermische

Anlagen ermöglicht. Entsprechende Anlagenkonzepte

sind ebenfalls enthalten. Konzept und Leitfaden

sind unter www.solar.uni-kassel.de/downloads

abrufbar. Das BMU hat das Projekt mit rund 250.000

Euro gefördert.

Solare Kühlung

Chancen und Grenzen der solaren Kühlung

Zur Klimatisierung von Gebäuden und zur Prozesskühlung

kann mit thermisch angetriebenen Verfahren

in Verbindung mit solarer Wärme Primärenergie

eingespart werden. In einem BMU-Fachworkshop

Ende 2012 wurde mit 50 Experten und Branchenvertretern

eine Zwischenbilanz der bisher erreichten

Forschungsergebnisse zur solaren Kühlung gezogen.

Deutsche Forschungseinrichtungen und Unternehmen

haben sich auf diesem Gebiet eine international

führende Stellung erarbeitet. Trotzdem ist der Markt

mit weltweit 1.000 bis 2.000 Anlagen ein Nischenmarkt.

Um das zu ändern, müssen die Systeme deutlich

kostengünstiger werden.

Solare Kühlanlage der Firma Lindner

Auf dem Workshop wurden unter anderem die Ergebnisse

des Projekts EVASOLK vorgestellt, welches

die verschiedenen Anwendungsbereiche und Perspektiven

der solarthermischen Kühlung auch im

Vergleich mit der solarelektrischen Kühlung aus lotet.

In EVASOLK findet ein umfangreiches Monitoring in

acht Installationen mit konventioneller Kompres ­

sionskältetechnik statt. Als erstes Ergebnis hat sich

gezeigt, dass die solarthermische Kühlung an sonnigen

Standorten und bei sorgfältiger Auslegung bereits

mit moderaten Kostensenkungen wirtschaftlich

attraktiv ist, wenn gleichzeitig der solarthermische

Kollektor ganzjährig, also auch zur Wärmeerzeugung

in kälteren Jahreszeiten, genutzt wird. In Anwendungen

mit ausschließlich sommerlichem Kühlbedarf

ohne weitere Wärmeverbraucher führt die

Option konventionelle Kühltechnik mit netzgekoppelter

Photovoltaik allerdings oft zu höheren Primärenergieeinsparungen.

Das Vorhaben wird vom Fraunhofer-Institut

für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg,

dem Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK

Dresden) und dem Zentrum für Angewandte Energieforschung

(ZAE Bayern) in Garching durchgeführt.

Das BMU fördert das Vorhaben mit rund 800.000 Euro.

Speicherung

Labor für thermochemische Speicher

Könnte man mehr Wärmeenergie mit gleichem Volumen

speichern, dann würde entweder bei gleichbleibendem

Bedarf Platz gespart oder es kann mehr Wärme

bei begrenzten örtlichen Gegebenheiten gespeichert

werden. Das macht das Prinzip der thermochemischen

Wärme- und Kältespeicher (TCM) so interessant:

Die Aufnahmegrenze für die heute genutzten,

gut erforschten und kostengünstigen Wasserspeicher

liegt bei etwa 60 Kilowattstunden pro Kubikmeter.

Thermochemische Materialien könnten hin gegen zwischen

200 und 500 Kilowattstunden pro Kubikmeter

an Wärmeenergie aufnehmen. Bei TCM erfolgt die

Wärmespeicherung durch eine umkehr bare chemische

Reaktion, zum Beispiel durch das Entziehen von

Wasserdampf. Wird dieser später wieder hinzugefügt,

gibt das Material die Wärme wieder ab. Die praktische

Anwendbarkeit der TCM muss jedoch noch erforscht

werden. Um diesen Bedarf zu erfüllen, hat die

Abteilung Technik für Energiesysteme und Erneuer ­

bare Energien des Bayerischen Zentrums für Angewandte

Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) ein TCM-

Labor errichtet, in dem die Speichermaterialien getestet

und bezüglich ihrer Eignung beurteilt werden

können. Ein Ziel besteht darin, standardisierte Tests

zu etablieren, um eine gemeinsame Basis für entsprechende

Forschungsaktivitäten aufzubauen.

Im Oktober 2012 wurde der neue Erweiterungsbau

der Garchinger Abteilung des ZAE Bayern eröffnet,

in dem sich auch große Teile des TCM-Labors mit

diversen Versuchsständen befinden. In dem Labor ist

unter anderem ein Alterungsteststand geplant, an

dem die Festigkeit des Materials bei zahl reichen Aufund

Entladezyklen sowie seine Stabilität gegenüber

dem Einfluss von Schadgasen untersucht werden

können. Das BMU hat die Entwicklung des Labors

mit rund 1,1 Millionen Euro gefördert. ■


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 51

SOLARTHERMISCHE KRAFTWERKE

DISS-Anlage (DIrect Solar Steam) auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien

Solarthermische Kraftwerke eignen sich besonders

in Regionen mit hoher direkter Einstrahlung für

die Stromerzeugung. Deren großer Vorteil liegt darin,

dass sie durch ihre integrierten Speicher Solarstrom

bedarfsgerecht zur Verfügung stellen können.

In Deutschland entwickelte Schlüsselkomponenten

werden in Kraftwerken weltweit eingesetzt.

Schwerpunkte der Forschungsförderung

vor dem Hintergrund der

Markt- und Technologieentwicklung

Solarthermische Kraftwerke werden mittlerweile in

erheblichen Stückzahlen kommerziell gebaut und betrieben.

Trotzdem verläuft die Marktentwicklung

langsamer als erhofft. Die an der Entwicklung solarthermischer

Kraftwerke beteiligten Firmen befinden

sich aktuell in einem schwierigen Umfeld. Aufgrund

der hohen Investitionskosten, den damit verbundenen

finanziellen Restriktionen, aber auch politischen

Instablitäten, vor allem in Nordafrika und im Mittleren

Osten (MENA-Region), kommen Kraftwerksprojekte

oft nur langsam zur Umsetzung. Vor allem aber

besteht eine Konkurrenzsituation zur Photovoltaik,

die Solarstrom aufgrund der Preisentwicklung der

letzten Jahre wesentlich günstiger zur Verfügung

stellen kann. Solarthermische Kraftwerke erreichen

aktuell Stromkosten von 0,15 bis 0,20 Euro pro Kilowattstunde,

im Vergleich dazu ist die Kilowattstunde

Photovoltaikstrom unter gleichen Bedingenen schon

für unter 0,10 Euro zu haben. Dies hat dazu beigetragen,

dass in den vergangenen beiden Jahren eine

Reihe von Unternehmen Insolvenz anmelden mussten

oder sich aus dem Geschäftsbereich zurückzogen.

Demgegenüber sind aber auch positive Trends zu verzeichnen:

Die Industrievereinigung ESTELA (European

Solar Thermal Electricity Association) hat 2012 eine

weltweite Kraftwerkskapazität von 2,4 Gigawatt aus ­

gewiesen. Gegenüber dem Vorjahr ist das ein Zuwachs

von 1,1 Gigawatt. Aktuell befinden sich Kraftwerksprojekte

für weitere 3,2 Gigawatt im Bau oder in der Bauvorbereitung.

Neue Märkte stehen kurz vor der Erschließung,

zum Beispiel in der MENA-Region, in

China und in Indien. Die verbliebenen deutschen Unternehmen

sind auf die künftigen Märkte gut vorbereitet,

da sie nach wie vor technologisch weltweit führend

sind. In Deutschland entwickelte Schlüsselkomponenten

wie Spiegel, Absorber und Kollektoren werden

zu großen Anteilen in solarthermischen Kraftwerken

weltweit eingesetzt. Vor diesem Hintergrund führt das

Bundesumweltministerium die Förderung von Forschung

und Entwicklung dieser Technologie fort.

Um die Technologien der solarthermischen Kraft ­


52

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Quelle: BMU

Ausgaben in Mio. Euro

8 7,1 7,1

7,6

5,9 5,9 5,8

6,1

6

4

2

0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Turm Parabol Fresnel Speicher Sonstiges

Solarthermische Kraftwerke: Jährliche Projektfördermittel zwischen 2006 und 2012

werke mit Blick auf die notwendige Kostenreduktion

und den Ausbau der Speicherfähigkeit weiterzuentwickeln,

hat das BMU 2012 vor allem Vorhaben der angewandten

Forschung unter industrieller Führung

oder mit industrieller Beteiligung gefördert. Gegenüber

dem Mittelwert des Neubewilligungsvolumens

seit 2004, der knapp unter 9 Millionen Euro liegt,

konnte im Haushalt 2012 mit 20,7 Millionen Euro

mehr als eine Verdopplung des Budgets für Forschungs-

und Entwicklungsvorhaben zu solarthermischen

Kraftwerken, vor allem durch einen steigenden

Anteil an industriegeführten Verbundvorhaben, rea ­

lisiert werden. In der Konsequenz steigt auch der

Mittelabfluss in den laufenden Vorhaben. Mit rund

7,5 Millionen Euro lag er 2012 gut eine Million Euro

über dem Niveau der Vorjahre.

Mit seiner Forschungsförderung möchte das BMU

auch zukünftig die Markteinführung der solarthermischen

Kraftwerke unterstützen, insbesondere zu folgenden

Schwerpunktthemen:

— neue Wärmeträgerfluide (Salzschmelzen,

Direktverdampfung) für Parabol- und Fresnelkraftwerke

— Turmkraftwerke

— Speichertechnologien und Hybridisierung

— Entwicklung von Konzepten für einen

effizienten, kostengünstigen Anlagenbetrieb

Dabei soll vor allem der Vorteil der bedarfsorientierten

Stromerzeugung nutzbar gemacht werden.

Auswahl geförderter Projekte

An dieser Stelle werden einige vom BMU geförderte

Projekte im Bereich solarthermische Kraftwerke vorgestellt,

die einen Einblick in die Umsetzung der zugrunde

liegenden Forschungsschwerpunkte aus der Förderbekanntmachung

geben. Ein Leuchtturmprojekt aus

diesem Technologiebereich wurde bereits im Kapitel

„Highlights“ vorgestellt (siehe Seiten 10).

Parabolrinnenkollektoren

Entwicklung und Erprobung des Durchlaufkonzepts

für die solare Direktverdampfung

Im Gegensatz zum gebräuchlichen Thermoöl bietet

der Einsatz von Wasser beziehungsweise Wasserdampf

als Wärmeträger in Parabolrinnenkraftwerken

die Möglichkeit, die obere Prozesstemperatur von

Quelle: BMU

Mio. Euro

25

20

20,7

15

10

5

6,9 5,9

8,2 8,6 9,7

11,2

0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Solarthermische Kraftwerke: Entwicklung des Neubewilligungsvolumens seit 2006


SOLARTHERMISCHE KRAFTWERKE 53

400 auf bis zu 500 Grad Celsius zu erhöhen. Damit

erreicht man höhere Wirkungsgrade. Gleichzeitig ist

Wasser kostengünstiger als Thermoöl, thermisch stabil,

nicht brennbar und nicht umweltgefährdend. In

dem Projekt DUKE testet das Deutsche Zentrum für

Luft- und Raumfahrt (DLR) die Anwendung der solaren

Direktverdampfung nach dem Durchlaufkonzept.

Im Gegensatz zum bereits erprobten Rezirkulationskonzept

ist beim Durchlaufkonzept kein Abscheider

im Solarfeld mehr notwendig, wodurch die Investitionskosten

gesenkt werden. Allerdings ist die Prozessführung

anspruchsvoller und bedarf weiterer Forschungs-

und Entwicklungsarbeit. In DUKE soll daher

der stabile Betrieb im Durchlaufkonzept in einem

kommerziellen Maßstab demonstriert und dessen Potenzial

quantifiziert werden. Dazu wurde die DISS-Anlage

(Direct Solar Steam) auf der Plataforma Solar de

Almería in Spanien komplett umgebaut. Drei neue

Kollektoren erweitern die Länge des Kollektorstrangs

um 300 auf nun 1.000 Meter. Sämtliche Receiver wurden

erneuert, sodass nun auch 500 Grad Celsius und

110 bar am Austritt des Kollektorstrangs erreicht werden

können die mittelfristig als sinnvoll erachteten

Parameter für effiziente Kraftwerke mit Speicher. Außerdem

wurde die Anlage um umfangreiche, auf die

Erforschung des Durchlaufkonzepts angepasste Messtechnik

erweitert. Der Aufbau des Testloops ist abgeschlossen

und befindet sich in der Inbetriebnahme.

Der Versuchsbetrieb startet voraussichtlich Anfang

2013. Das BMU fördert DUKE mit rund 2 Millionen

Euro.

Neuer Solarkollektor mit bis zu 25 Prozent Kosteneinsparung

Für solarthermische Kraftwerke mit höherer Leistung

müssen künftig deutlich größere Parabolrinnenkollektoren

zum Einsatz kommen. Zusammen mit einem

Ingenieurteam von schlaich bergermann und

partner, dem Deutschen Zentrum für Luft- und

Raum fahrt (DLR) und dem Fraunhofer-Institut für

Materialfluss und Logistik (IML) entwickelt die Firma

flabeg ein neues Kollektordesign den Ultimate

Trough®. Mit einer Aperturweite (Öffnung von Spiegelkante

zu Spiegelkante) von 7,51 Meter ist dieser im

Vergleich zu den am Markt verfügbaren Kollektoren

um fast 30 Prozent größer und mit einer Länge von

24 Metern doppelt so lang. Durch die größeren Kollektorelemente

wird zudem die Anzahl der Antriebe,

Sensoren und Steuerelemente um über 50 Prozent

gesenkt. Damit verringert sich die Zahl der Teile, die

montiert, geprüft, zusammengebaut, ausgerichtet

und in Betrieb genommen werden müssen, deutlich.

In der Konsequenz können sich die Kosten des Solarfelds

mit einer Aperturfläche von 500.000 bis

2.500.000 Quadratmetern, für die der Ultimate

Trough optimiert ist, um bis zu 25 Prozent verringern.

Prototyp des Ultimate Trough: Mögliche Kosteneinsparungen beim Bau

großer Anlagen von bis zu 25 Prozent

Im Sommer 2011 wurde in Köln ein aus zwei Kollektorelementen

bestehender Prototyp aufgebaut und

die optische Güte vermessen. Mit 99,2 Prozent Intercept

Faktor, also dem Anteil an Sonnenstrahlung, der

von den Spiegeln auf den Absorber reflektiert wird,

wurde das Designziel übertroffen. Im November wurden

zwei Kollektoren von insgesamt 500 Metern Länge

als Demonstrationsloop in einem Kraftwerk in den

USA in Betrieb genommen. In einer zweijährigen

Testphase soll die Performancesteigerung validiert

werden. Das BMU fördert die Entwicklung des Ultimate

Trough mit rund 1,9 Millionen Euro.

Solarturmkraftwerke

Optimierung von Gasturbinen für den Einsatz in

solarthermischen Turmkraftwerken

Ziel des Verbundprojekts HYGATE Hybrid High Solar

Share Gas Turbine Systems ist die Anpassung einer

Gasturbine für den Einsatz in solarthermischen

Turmkraftwerken. Gemeinsam untersuchen das Deutsche

Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), MAN

Diesel & Turbo SE, die Technische Universität Dresden

(TUD) und VGB PowerTech e.V. die Grundlagen

für eine solar-hybride Gasturbinenanlage. Durch die

Hybridisierung soll neben der solaren Anwendung jederzeit

ein rein fossiler Betrieb, etwa nachts, oder ein

Mischbetrieb, etwa bei Wolkendurchgängen, möglich

werden. Dadurch werden keine zusätzlichen Back-up-

Kraftwerke benötigt. In einem Nachfolgeprojekt soll

eine Demonstrationsanlage errichtet werden.


54

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Salz in der Rinne

Jede Technik ist nur so lange aktuell, bis eine andere

Lösung ein größeres Potenzial aufweist und

deren Machbarkeit erwiesen ist. Da die derzeit eingesetzten

Wärmeträgermedien die Betriebstemperatur

und somit direkt den Wirkungsgrad solarthermischer

Kraftwerke noch stark begrenzen, besteht

großer Bedarf an neuen Lösungen.

Für Parabolrinnenkraftwerke ist bislang Thermoöl

die verwendete Substanz und alternativ Wasserdampf

(siehe Seiten 52/53, Projekt DUKE). Eine wei ­

tere vielversprechende Alternative stellen nun in

jüngerer Zeit entwickelte Salzschmelzen dar. Während

Thermoöl maximale Betriebstemperaturen von

400 Grad Celsius erlaubt, können geschmolzene Salze

bis zu 550 Grad Celsius erreichen.

Anforderungen an ein geeignetes Wärmeträgermedium

sind generell eine hohe Temperaturstabilität, ein

einfach umsetzbares Speicherkonzept, ein einfacher

Kollektorbetrieb, Umweltverträglichkeit und die kostengünstige

Beschaffung des Mediums. Außer für

den Kollektorbetrieb selbst verspricht Flüssigsalz in

allen Punkten Vorteile gegenüber Thermoöl. Salzschmelzen

erlauben einen druckarmen Betrieb, sind

im Gegensatz zu Thermoöl umweltverträglich, vergleichsweise

günstig erhältlich und lassen sich direkt

in Tanks speichern. Und nicht zuletzt sind durch die

große Wärmekapazität der Salze vergleichsweise geringe

Speichergrößen realisierbar.

Eine Herausforderung ist der hohe Erstarrungspunkt

der derzeit eingesetzten Salze. Bereits bei einer Abkühlung

auf 220 Grad Celsius werden die eingesetzten

Salzschmelzen fest, was im Kraftwerksbetrieb natürlich

zu einer Beschädigung vieler Komponenten

führen würde. In dem Projekt HPS wird aus diesen

Überlegungen heraus ein neues Wärmeträgermedium

auf Basis einer Salzschmelze entwickelt, das speziell

für die Anforderungen eines solarthermischen

Kraftwerkbetriebs geeignet ist. Von der Anlagenseite

her muss die Temperaturstabilität und Korrosionsbeständigkeit

der Komponenten, welche mit der heißen

Salzschmelze in Berührung kommen, betrachtet werden.

Auch das in dem BMU-Projekt Ultimate Trough

Solarthermisches Kraftwerk Andasol 3 mit Salzspeicher (links) in der

spanischen Provinz Granada

entwickelte gleichnamige Parabolrinnenkonzept (siehe

Seite 53) soll in einem Anschlussprojekt für einen

Salzschmelze-Betrieb ertüchtigt werden.

Kommerziell eingesetzt werden bereits Speicher auf

der Basis von Salzschmelzen. So sind zum Beispiel

große Salzspeicher in die Andasol-Kraftwerke 1 bis 3

in Südspanien integriert. Das dort im Kollektorfeld

verwendete Thermoöl gibt seine Wärme an die flüssige

Salzschmelze ab, welche bei Bedarf wiederum das

Öl erhitzen kann. Bei jeder Wärmeübertragung geht

allerdings ein Teil der Energie verloren. Bei der Verwendung

von Salzschmelzen als Wärmeträgermedium

wäre eine solche Umwandlung nicht unbedingt

gegeben, denn theoretisch lässt sich das flüssige Salz

direkt speichern und bei Bedarf aus dem Speicher

entnehmen, wodurch der Wirkungsgrad der Parabolrinnenanlage

nochmals deutlich steigen würde. Da

sich die Anforderungen an Salz als Wärmeträger versus

Speichermedium jedoch in einigen Punkten unterscheiden,

wird in HPS grundlegend ermittelt, inwiefern

der Einsatz zweier unterschiedlicher Salze

und zweier getrennter Kreisläufe eventuell auch bei

einem solchen Konzept weiterhin sinnvoll ist. ■

Gemeinsam mit dem BMU, das für die Forschung im

Bereich erneuerbarer Energien verantwortlich ist, fördert

das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi), zuständig

für Forschung zu modernen Kraftwerkstechnologien,

das Vorhaben. Die Entwicklungsarbeiten

bauen auf den Ergebnissen der Studie SHCC (Solar

Hybrid Combined Cycle) auf, in der bereits ein Referenzkonzept

für eine solar-hybride Gasturbinenanlage

entwickelt wurde. Für die Entwicklungsarbeiten

wird von einer maximalen Prozesstemperatur von

950 Grad Celsius bei solarer Direkteinstrahlung ausgegangen.

Die Herausforderung liegt in der Verbindung

und im Betrieb des Solarreceivers mit der parallel

angeordneten Brennkammer, die beide stufenlos


SOLARTHERMISCHE KRAFTWERKE 55

Oben: Keramikkugeln für eine Aufbauoption des Hochtemperatur-Speichers

(Verbundprojekt HOTSPOT), unten: Testanlage HOTREG am DLR in

Stuttgart

im Bereich von 0 bis 100 Prozent betrieben werden

sollen. Neben der in der SHCC identifizierten bevorzugten

Variante direkte Wärmeeinkopplung in

eine im Solarturm in Receivernähe angeordnete Gasturbinenanlage

sollen auch weitere Alternativen

bedacht werden und auch die Option der Einbindung

eines Hochtemperaturwärmespeichers untersucht

werden. Das BMU fördert die Arbeiten mit

rund 1,3 Millionen Euro.

Speichertechnologien

Hochtemperatur-Speicher aus Formsteinen und

Natursteinschüttungen

Aktuell nutzen die meisten Solarturmkraftwerke Sattdampf

oder Salz als Wärmeträger. Dabei werden Betriebstemperaturen

von rund 250 beziehungsweise

rund 550 Grad Celsius ermöglicht. Bei einer alternativen

Anwendung von Luft als Wärmeträger können

hingegen rund 800 Grad Celsius und mehr als Betriebstemperatur

und damit hohe Verstromungswirkungsgrade

erreicht werden. Eine aussichtsreiche

Speichertechnologie sind zum Beispiel direkt mit erhitzter

Luft durchströmte Feststoffspeicher aus Formsteinen

oder Schüttungen. Im Verbundprojekt

HOTSPOT werden erstmals Konzepte für Hochtemperaturspeicher

im Großmaßstab entwickelt, die mit

drucklosen und druckbeaufschlagten Receivern ausgestattet

sind.

In dem Vorhaben werden Konzeptstudien für die

kraftwerkstechnischen Randbedingungen sowie für

thermische Speicherkapazitäten bis über eine Gigawattstunde

durchgeführt, Aufbaukonzepte identifiziert

und vergleichend bewertet. Die Lösungsvarianten

nutzen unter anderem wabenartige, keramische

Formsteine und Natursteinschüttungen. Letztere bieten

im Vergleich zu konventionellen Materialien ein

wesentliches Kostenreduktionspotenzial. Die bisher

erarbeiteten Konzepte wurden an der Technikums ­

anlage HOTREG des Deutschen Zentrums für Luftund

Raumfahrt (DLR) Stuttgart bei Temperaturen bis

zu 800 Grad Celsius experimentell überprüft. Zu weiteren

kritischen Aspekten, wie etwa den bei Schüttungen

auftretenden mechanischen Belastungen,

wurden die für die künftige Auslegung benötigten

Rechenwerkzeuge geschaffen. Mit Ergebnissen zu

Speicherkonzepten und Auslegungsgrundlagen

liefert HOTSPOT damit wesentliche Bausteine für

die Weiterentwicklung und Marktfähigkeit dieses

Kraftwerkstyps. Das BMU hat das Projekt mit rund

800.000 Euro gefördert. ■


56

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

WASSERKRAFT UND MEERESENERGIE

Wasserkraft gilt als eine bewährte Energiequelle

die Nutzung der Meeresenergie dagegen befindet

sich weltweit noch im Demonstrationsstadium.

Der Vorteil von Wasserkraft und Meeresenergie

gegenüber Windenergie und Photovoltaik besteht

darin, dass die Energie zeitlich weitgehend konstant

bereitgestellt und zuverlässig vorausgesagt

werden kann.

Schwerpunkte der Forschungsförderung

vor dem Hintergrund der

Markt- und Technologieentwicklung

Gezeitenströmungsanlage von ANDRITZ Hydro Hammerfest

Für die Stromproduktion aus Wasserkraft wird die

natürliche Fließbewegung des Wassers, in erster Linie

von Flüssen oder Stauseen, genutzt. Im Meer stehen

sowohl der Tidenhub (das periodische Fallen und

Steigen des Meeresspiegels) als auch der Energiegehalt

von Strömung und Wellen für die Stromerzeugung

zur Verfügung. Für die Nutzung der Gezeitenströmung

sind Turbinen geeignet, die unter Wasser

dem Prinzip von Windenergieanlagen ähneln. Sie

werden entlang der Hauptströmungsrichtung ausgerichtet

und müssen sowohl vorwärts als auch rückwärts

gerichtete Strömungen umsetzen. In den kommenden

Jahren ist der Bau von Strömungsenergieparks

in geeigneten Regionen, unter anderem Großbritannien

oder Irland, vorgesehen.

Für deutsche Unternehmen bietet sich hier eher die

Möglichkeit zum Export. Vor der deutschen Küste

selbst kann die Technologie nicht wirtschaftlich eingesetzt

werden, da die Strömungsgeschwindigkeiten

und der Tidenhub relativ gering sind, die Küste wirtschaftlich

stark genutzt wird und diverse Naturschutzgebiete

vorhanden sind. Das BMU fördert vor diesem

Hintergrund im Bereich Meeresenergie lediglich Forschungsprojekte

in begrenztem Umfang. 2012 wurde

ein neues Projekt bewilligt.

Auswahl geförderter Projekte

Wirtschaftlicher und zuverlässiger Rotorbetrieb von

Gezeitenströmungskraftwerken

Die bisher errichteten Gezeitenströmungskraftwerke

dienen derzeit primär dem Nachweis, dass die Technik

im Grundsatz funktioniert. Für einen wirtschaftlichen

Einsatz sind sie noch nicht ausgelegt. In dem Projekt

Antriebstrang von Gezeitenströmungsturbinen arbeitet

die ANDRITZ Hydro GmbH daran, den gesamten

Antriebsstrang solcher Kraftwerke wirtschaftlich

und technisch zu optimieren. Die Komponenten sollen

so konstruiert sein, dass sie einfach an variierende

Umgebungsbedingungen angepasst werden können.

Der Fokus des Projekts liegt auf dem Mechanismus der

Schaufelblattverstellung sowie der Schaufelanbindung.

Um die Maschinen ohne eine drehbare Generatorgondel

bei Ebbe und Flut mit einem ausreichenden

Wirkungsgrad betreiben zu können, müssen die Turbinenblätter

um mehr als 180 Grad schwenkbar sein.

Durch die unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten

des Wassers bestehen zusätzlich sehr hohe dynamische

Anforderungen an den Verstellmechanismus.

Dieser muss eine möglichst konstante Geschwindigkeit

der Turbine sicherstellen und die Regelung muss

energieeffizient gestaltet sein. Wegen der hohen Reparaturkosten

aufgrund der schlechten Zugänglichkeit

soll ein wartungsfreier Betrieb für mindestens

fünf Jahre sichergestellt werden. Bei bisherigen Pilotanlagen

wurden für die Anbindung des Turbinenblatts

an die Nabe Erfahrungen aus der Windenergie

übertragen, was für größere Rotoren und einen somit

wirtschaftlichen Einsatz nicht mehr funktionieren

wird. Wasser ist ein dichteres Medium als Luft,

weswegen die Verbindung, im Gegensatz zur Windenergie,

mit vergleichsweise geringen Fliehkräften

und sehr hohen Vortriebskräften belastet wird. Das

BMU fördert die Entwicklung des Antriebsstrangs mit

rund 960.000 Euro. ■


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 57

ÜBERGREIFENDE FRAGEN DER

ENERGIEFORSCHUNG

Um die Energiewende umzusetzen, bedarf es nicht

nur technischer Lösungen. Es müssen auch geeignete

politische, rechtliche, ökonomische, ökologische

und soziale Rahmenbedingungen geschaffen

werden, damit das Energieversorgungssystem auf

hohe Anteile erneuerbarer Energien umgestellt

werden kann, ohne dass die Versorgungssicherheit

und damit die gesellschaftliche Akzeptanz darunter

leiden.

Schwerpunkte der Forschungsförderung

vor dem Hintergrund der

Markt- und Technologieentwicklung

Das BMU unterstützt Forschungsarbeiten, in denen

geeignete Rahmenbedingungen zur Transformation

des Energieversorgungssystems untersucht werden.

Der Schwerpunkt der entsprechenden aktuellen Förderbekanntmachung

des BMU („Bekanntmachung

zur Förderung von Untersuchungen zu übergreifenden

Fragestellungen im Rahmen der Gesamtstrategie

zum weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien“)

liegt auf der Entwicklung von Konzepten für Strommärkte,

zur Umsetzung der Ziele der Energiewende.

Der Grundstein zum freien Handel und freien Marktzugang

in der Elektrizitätswirtschaft wurde 1998 mit

der Einführung des Energiewirtschaftsgesetzes

(EnWG) gelegt. Im April 2000 wurde dieses Gesetz

durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ergänzt,

welches die vorrangige Einspeisung von Strom

aus erneuer baren Quellen ins Stromnetz regelt und

seither bereits mehrfach novelliert wurde. Entstanden

sind die betreffenden Regelungen jeweils vor

dem Hintergrund des aktuellen Energieversorgungssystems.

Um die bevorstehende Transformation zu einem auf

erneuerbaren Energien basierenden Versorgungssystem

zu gestalten, müssen sich zukünftig auch die Bedingungen

innerhalb des Stromsystems grundlegend

ändern. Technologien zur Nutzung der erneuerbaren

Energien wie Windenergieanlagen oder Photovoltaikmodule

produzieren Strom größtenteils dezentral

und zudem fluktuierend. Auch aus Marktsicht stellt

das eine Herausforderung für Forschung und Entwicklung

dar. Es ist daher von Bedeutung, die Marktmechanismen,

aber auch regulatorische Instrumente

wie das Erneuerbare-Energien-Gesetz im Hinblick auf

ein zunehmend dezentrales und fluktuierendes

Stromangebot weiterzuentwickeln und damit eine

wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche

Energiewende zu schaffen.

Einen weiteren Schwerpunkt setzt die Förderbekanntmachung

auf Fragen, die sich aus der Umsetzung der

Energiewende auf der regionalen Ebene ergeben.

Deutlich mehr Akteure als früher erzeugen Strom,

stellen Speicherkapazitäten zur Verfügung oder versuchen,

die Nachfrage zu bündeln. Regionen geben

im Rahmen der Energiewende eigene Ziele vor und

ergreifen entsprechende Aktivitäten. Daher werden

Untersuchungen zum Zusammenspiel von Netzen,

Speichern, Lastmanagement und erneuerbaren Energien

auf der regionalen Ebene gefördert, ebenso zum

Zusammenspiel von dezentraler und zentraler Stromund

Wärmeversorgung. Hier spielen ins besondere

planerische Aspekte eine Rolle. Inhaltlich schließt die

aktuelle Förderbekanntmachung an bereits geförderte

Vorhaben aus dem Bereich „Querschnitts- und

Quelle: BMU

Ausgaben in Mio. Euro

6

5 4,4

4,6

5,0

4

3

2,8

2,6

2

1

0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Übergreifende Fragestellungen: Jährliche Projektfördermittel zwischen 2006 und 2012

3,0

3,8


58

ÜBERGREIFENDE FRAGEN DER ENERGIEFORSCHUNG

Smart Market Intelligenter Handel mit fluktuierender Energie

Dezentral und fluktuierend sind zwei häufig genannte

Schlagwörter zur Beschreibung der Stromerzeugung

aus erneuerbaren Energien. Diese

Eigenschaften machen gravierende Änderungen

am Aufbau des alten Energieversorgungssystems

notwendig. Dieses war hierarchisch und vergleichsweise

einfach strukturiert: Der Strom wurde von

einigen zentralen Kraftwerken über die Übertragungsnetze

zu den Verteilnetzen und somit zu den

Verbrauchern geleitet. Die Erzeugung selbst verlief

kontinuierlich und war dadurch präzise planbar.

Beides wird durch die Einbindung erneuerbarer

Energien zunehmend komplexer.

In dem entstehenden neuen Energieversorgungssystem

nehmen konventionelle Erzeuger wie Kohlekraftwerke

nicht mehr ihre herkömmlichen Rollen als

Grund-, Mittel- oder Spitzenlaststromerzeuger ein.

Stattdessen werden zunehmend flexibel zu- oder abschaltbare

Stromerzeuger erforderlich, die die fluktuierenden

erneuerbaren Energien ergänzen. Sobald

die erneuerbaren Energien aufgrund der aktuellen

Wetterlage Windstille oder Bewölkung nicht ausreichend

Strom erzeugen, gibt es einen vermehrten

Bedarf an flexibel zuschaltbarer Energie. Sobald die

erneuerbaren Energien viel Strom erzeugen, muss

die Produktion anderer Erzeuger dagegen heruntergefahren

werden, damit das Netz nicht überlastet

wird. Diese Rolle können konventionelle Kraftwerke,

insbesondere hochflexible Gaskraftwerke, übernehmen,

aber auch erneuerbare Energien können unter

bestimmten Voraussetzungen in diesen Markt einsteigen

(siehe Seiten 6/7, „Regelenergie durch Windenergieanlagen“).

Speicher bilden eine weitere Möglichkeit,

um einen Ausgleich von Energieangebot und

Nachfrage herzustellen, oder auch Unternehmen, die

ihren Stromverbrauch der aktuellen Versorgungslage

anpassen.

Für ein darauf basierendes System muss neben der

Lösung technischer Fragestellungen ein dazu passendes

Marktdesign erarbeitet werden. Anbieter und

Käufer müssen sich auf die neuen Anforderungen

einstellen, Dienstleistungen müssen angepasst und

neue Rahmenbedingungen geschaffen werden. Unter

dem Schlagwort Smart Market werden verschiedene

Konzepte für den intelligenten Strommarkt der Zukunft

diskutiert, in denen neue Faktoren berücksichtigt

und Folgen abgeschätzt werden. Der Strommarkt

muss für seine Teilnehmer weiterhin attraktiv bleiben.

Er muss Anreize für Investitionen setzen sowie

möglichst viele Erzeugungstechnologien zulassen

und soll so langfristig die Einspeisevergütung durch

das Erneuerbare-Energien-Gesetz stufenweise ablösen.

Die zentrale Anforderung an die Marktstruktur

besteht darin, jederzeit eine verlässliche Stromversorgung

sicherstellen zu können. Der Begriff des Smart

Market ist abzugrenzen von dem des Smart Grid,

dem intelligenten Stromnetz der Zukunft, bei dem es

um die technische Ausstattung und Handhabung der

übergreifende Untersuchungen“ an, mit denen der

weitere Ausbau der erneuerbaren Energien bereits in

der Vergangenheit begleitet wurde. Diese Vorhaben

dienten der Technikbewertung und Technikfolgenabschätzung,

der Systemintegration erneuerbarer Energien

sowie der Umweltkommu nikation.

Auswahl geförderter Projekte

An dieser Stelle werden einige vom BMU geförderte

Projekte im Bereich Übergreifende Fragestellungen

vorgestellt, die einen Einblick in die Umsetzung des

zugrunde liegenden Konzepts geben. Ein Leuchtturmprojekt

aus diesem Bereich ist im Kapitel „Highlights“

(siehe Seite 11) zu finden.

Gesamtkonzept für Strom als Energiequelle für

Wärme und Verkehr

Für eine erfolgreiche Energiewende werden Konzepte

benötigt, in denen die Energieform Strom auch in

anderen Energiesektoren wie in der Wärme- und Kälteversorgung

oder im Verkehr genutzt wird. Dadurch

ergeben sich neue Verbindungen und Abhängigkeiten.

Zum Beispiel wird es zukünftig möglich sein,

elektrisch angetriebene Autos oder Wärmepumpen

zum Lastmanagement der fluktuierend erzeugenden

Photovoltaik- und Windenergieanlagen einzusetzen.

In dem Projekt Interaktion EE-Strom, Wärme und

Verkehr erarbeiten die Projektpartner Fraunhofer-

Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik

(IWES) Kassel als Koordinator, ifeu Institut für Energie-

und Umweltforschung Heidelberg GmbH, Fraunhofer-Institut

für Bauphysik (IBP) sowie Stiftung Umweltenergierecht

die benötigten wirtschaftlich und

ökologisch optimierten Gesamtkonzepte. Sie berücksichtigen

sowohl Umwelt-, Effizienz-, Kosten- als auch

Umsetzungsaspekte in sektorübergreifenden Modellen,

aus denen schließlich nationale Roadmaps zur

Weiterentwicklung des Verkehrs- und des Wärme ­

sektors abgeleitet werden. Daraus sollen konkrete

Anregungen für die Gestaltung der politischen Rahmenbedingungen

entwickelt werden.


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 59

Netze geht. Das Ziel eines Smart Grid besteht darin,

die nutzbare Netzkapazität zu erhöhen (siehe

auch Kapitel „SystEEm“, Seite 17 ff.). Bei einem

Smart Market geht es dagegen darum, die Netz ­

kapazität durch das Marktgeschehen optimal auszunutzen.

Hierfür wird einerseits mit Energiemengen

und Energieflüssen gehandelt, andererseits

mit Dienstleistungen, die für die Stromversorgung

benötigt werden.

Die Herausforderungen bei der Gestaltung eines

Smart Market sind zahlreich. Das System ist sehr

komplex. Auswirkungen auf andere wirtschaftliche

Bereiche sind schwer abschätzbar. Im Hinblick

auf die sektorübergreifende Rolle des Stroms müssen

Rückwirkungen auf die Sektoren Wärme und

Verkehr mit bedacht werden. Zudem lässt sich

Stromhandel nicht national eingrenzen. Ein europäischer

oder internationaler Markt ist hingegen

schwer umsetzbar. Bei allen Überlegungen müssen

darüber hinaus die Verbraucher mit eingebunden

werden.

Aufgrund fehlender Erfahrungswerte ist derzeit

jeder Lösungsansatz von Bedeutung. Eine Vielfalt

von Ideen wird benötigt, um die Ziele der Energiewende

zu erreichen. Die Entwicklung geeigneter

Konzepte für zukunftsfähige Strommärkte ist deshalb

ein Schwerpunkt der aktuellen Förderbekannt ­

machung des BMU im Bereich der übergreifenden

Fragestellungen. ■

Das europäische Verbundnetz wird bei den Überlegungen

ebenso untersucht wie der Einfluss möglicher

erneuerbarer Exportregionen auf den Energiemix

in Deutschland. Ebenfalls werden mögliche Einsparmaßnahmen

durch Wärmedämmung beziehungsweise

Energieeffizienz dem Einsatz regenerativer

Energien gegenübergestellt. Auch nicht-elektrische

erneuerbare Energiequellen im Wärmebereich

wie Solarthermie, Geothermie und Biomasse werden

berücksichtigt. Alle technisch-ökonomischen Arbeiten

werden von Beginn an eng rechtswissenschaftlich

begleitet, um die rechtlichen Rahmenbedingungen

anzupassen beziehungsweise bestehende juristische

Hemmnisse auszuräumen. Das BMU fördert das Projekt

mit rund 1 Million Euro.

Rolle der Energiegenossenschaften

Dass der Zusammenschluss von Bürgern in Energiegenossenschaften

einen maßgeblichen Anteil an der

Umsetzung der Energiewende hat, ist eines der zentralen

Ergebnisse des Projekts Genossenschaftliche

Unterstützungsstrukturen für eine sozialräumlich

Überlappung mit dem Energiesektor Verkehr: Strom als Antrieb für

Elektromobile

orientierte Energiewirtschaft des Klaus Novy Instituts.

Ziel war es, Erkenntnisse über die Rolle von Genossenschaften

beim Ausbau erneuerbarer Energien

zu gewinnen und die Bedeutung solcher Zusammenschlüsse

für die Energiewende abzuschätzen. Im Ergebnis

weist allein der Anstieg der Anzahl der Energiegenossenschaften

bereits auf deren großes Potenzial

hin. In Deutschland hat sie sich innerhalb von

zehn Jahren auf über 600 annähernd verzehnfacht.

Generell geht der Zubau der erneuerbaren Energien

maßgeblich auf das Engagement von Bürgern zurück,

so ein Ergebnis dieser Studie. Mehr als 50 Prozent

der installierten Leistung wird demnach von

Privatpersonen und Landwirten gestellt, die sowohl

individuell als auch genossenschaftlich organisiert

sind. Genossenschaften bieten engagierten Privatpersonen

die Möglichkeit, sich mit Mindestbeiträgen

in der Regel von 100 bis 500 Euro an dem Geschäftsmodell

zu beteiligen.

Aktuell sind Energiegenossenschaften vor allem in

ländlichen Regionen vertreten, besonders in Bayern,

Baden-Württemberg und Niedersachsen. Durch sie

werden in der Regel lokale Projekte in den Bereichen

Wind-, Solarenergie oder Biomasse realisiert. Aber

auch kommunale Nahwärmenetze werden verstärkt

genossenschaftlich getragen. Attraktiv ist das Modell

der Genossenschaft deswegen, weil es den daran

Beteiligten ermöglicht, ihr Geld für konkrete Zwecke

einzusetzen, weil sie am Ergebnis beteiligt werden

und sie zudem über die Verwendung der Gelder

mitbestimmen können. Das BMU hat das Projekt mit

rund 250.000 Euro gefördert. ■


60

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Die Entwicklung hin zu einer nachhaltigeren

Energieproduktion setzt nicht nur in Deutschland

oder Europa technologische Innovationen voraus.

Ziel ist vielmehr, erneuerbare Energien auch

weltweit voranzubringen und deren Potenzial für

den Klima- und Umweltschutz zu realisieren.

Durch internationale Kooperation können deutsche

Unternehmen und Forschungseinrichtungen

mit ihrer langjährigen Erfahrung im Bereich der

erneuer baren Energien wesentlich zu Erkenntnisprozessen

im Ausland beitragen und erhalten

umgekehrt Einblick in neue technologische und

Marktentwicklungen anderer Länder.

SET-Plan

Im Jahr 2008 wurde von den Mitgliedsstaaten der Europäischen

Union der Strategic Energy Technology

Plan verabschiedet. Der SET-Plan stellt einen ersten

Schritt für die Umsetzung eines europaweiten, gemeinsamen

Rahmens dar, in dem technologische

Entwicklungen sowohl auf nationaler als auch auf

EU-Ebene zusammengeführt werden. Damit soll unter

industrieller Führung die Entwicklung von Energietechnologien

beschleunigt werden, um die für

2020 verabredeten Klimaziele erreichen zu können.

Zur Umsetzung des SET-Plans wurden unter anderem

technologiespezifische European Industrial Initiatives

(EII) etabliert, in denen Industrie, Forschung, Mitgliedsstaaten

und Europäische Kommission zusammenkommen.

Unter den bisher gegründeten EII widmet

sich eine dem Thema Windenergie (European

Wind Initiative/EWI) und eine weitere der Solarenergie

(Solar Electricity Industrial Initiative/SEII).

Der Projektträger Jülich (PtJ) arbeitet im Auftrag des

BMU im Advisory Board der Europäischen Technologieplattform

Windenergie (TP-Wind) mit ein Netzwerk

von Experten und Entscheidungsträgern auf

dem Gebiet der Windenergie. TP-Wind wird von der

Europäischen Kommission gefördert und von der

Europäischen Windenergie-Agentur geleitet. Sie hat

eine große Bedeutung im SET-Plan-Prozess und berät

die Europäische Kommission bei der Umsetzung der

Europäischen Windenergie-Initiative EWI. Mit einem

Budget von 6 Milliarden Euro, das zur Hälfte von der

Industrie gestellt werden soll, verfolgt die EWI im

Rahmen des SET-Plans die Ziele, Europas technologische

Führung auf dem Gebiet der Windenergie zu

gewährleisten, die Onshore-Windenergienutzung bis

2020 zu einer voll wettbewerbsfähigen Energiequelle

zu entwickeln (Offshore-Windenergie bis 2030) sowie

bis 2020 einen Anteil der Windenergie von 20 Prozent

an der europäischen Stromversorgung zu erreichen.

Die Solar Electricity Industrial Initiative (SEII) befasst

sich mit Forschung und Entwicklung sowohl zur Photovoltaik

als auch zu solarthermischen Kraftwerken.

15 Mitgliedsstaaten haben sich darin zusammengefunden.

Um gemeinsame Aktivitäten umzusetzen,

hat die Europäische Kommission Ende 2012 ERA-NET

bewilligt, in dem Projekte zu beiden Technologien

gefördert werden sollen. In ERA-NET arbeiten nationale

und regionale Forschungsförderorganisationen

aus den beteiligten Mitgliedsstaaten zusammen. Der

Projektträger Jülich ist zusammen mit weiteren

20 Vertretern von Ländern und Regionen Mitglied

des Solar-ERA-NET und leitet das Arbeitspaket Joint

Calls and other Joint Activities. Eine erste gemeinsame

Förderbekanntmachung wurde Anfang 2013 veröffentlicht.

Auch im Bereich der Geothermie hat im Mai 2012

ein ERA-NET mit neun Teilnehmerstaaten begonnen.

Das BMU und der Projektträger Jülich waren an der

Planung beteiligt. Der Projektträger beteiligt sich als

Mitglied an diesen Aktivitäten und leitet das Arbeitspaket

WP4 Development of Joint Activities. Das

Geo thermal ERA-NET ist für mindestens vier Jahre

geplant. Sein Ziel ist eine verstärkte Kooperation

zwischen europäischen Behörden und Ministerien

für eine effektive Forschungs- und Entwicklungsarbeit.

Internationale Energieagentur (IEA)

Der Fokus der internationalen Forschungskooperation

des BMU im Bereich der erneuerbaren Energien

liegt vor allem auf Arbeiten im Rahmen der IEA, der

wesentlichen Kooperationsplattform zur Erforschung,

Entwicklung, Markteinführung und Anwendung von

Energietechnologien weltweit. Ihre 28 Mitgliedstaaten

arbeiten über Kooperationsvereinbarungen zu

einzelnen Technologien, den Implementing Agreements

(IA), in Projekten zusammen. In Entscheidungsgremien

(Executive Committees ExCos) werden

Aufgaben von themenspezifischen Arbeitsgruppen

in Tasks beziehungsweise Annexes definiert und

koordiniert. Geleitet werden die Tasks beziehungsweise

Annexe von sogenannten Operating Agents beziehungsweise

Annex Leaders. Das BMU unterstützt

die Arbeiten durch direkte und aktive Mitarbeit von

BMU- oder PtJ-Experten durch Finanzierung von Jahresbeiträgen

für die deutsche Teilnahme an den

Tasks oder durch die Förderung von beteiligten For­


INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT 61

schern im Rahmen von Projekten in den Implementing

Agreements Wind (Development and Deployment

of Wind Energy Systems), PVPS (Photovoltaic

Power System Programme), GIA (Geothermal Implementing

Agreement), SHC (Solar Heating and Cooling),

SolarPACES (Solar Power And Chemical Energy

Systems), OES (Ocean Energy Systems) und RETD (Renewable

Energy Technology Deployment). Innerhalb

des thematisch übergreifenden IA RETD werden statt

der vergleichsweise lang angelegten Tasks kurzfristige

Projekte umgesetzt. Die Arbeit innerhalb der Implementing

Agreements trägt wesentlich zur Weiterentwicklung

dieser Forschungsthemen in allen IEA-

Mitgliedstaaten bei. Eine vollständige Auflistung aller

Tasks, Annexe und Projekte mit BMU-Beteiligung

zeigt die Tabelle ab Seite 63.

IEA Wind: Standards für Schadensdaten ­

banken und Testmethoden

Durch Schadensdatenbanken sollen weltweit statistisch

belegte Werte zur Verfügung gestellt werden,

die dazu dienen, aus Fehlern zu lernen und Anlagen

zu optimieren. Innerhalb des Implementing Agreements

Wind hat 2012 mit dem Task 33 Standardization

of Data ein neuer Task begonnen, durch den

die Standardisierung von Betriebs- und Schadens ­

datenbanken vorangetrieben werden soll. Das Fraunhofer-Institut

für Windenergie und Energiesystemtechnik

(IWES) stellt den Operating Agent für diesen

Task. Die Entscheidung für Task 33 fiel parallel zum

Projektstart von Offshore-WMEP, einem durch das

BMU geförderten Projekt zu Schadensdatenbanken

im Bereich der Offshore-Windenergie des Fraunhofer

IWES Kassel (siehe auch JahresberichtInnovation

durch Forschung“ 2011, Seite 32/33). Zudem wurden

2012 Vorschläge für zwei weitere Tasks an das Executive

Committee herangetragen, zum einen zur Erarbeitung

von standardisierten Methoden zum Test von

Windanlagen und deren Komponenten, zum anderen

zum Austausch von Erfahrungen und Methoden

bei der Untersuchung und Bewertung von Einflüssen

der Windenergienutzung auf die Umwelt.

Eine wichtige Aufgabe der Tasks besteht neben Modell-

und Methodenvergleichen darin, Praxisempfehlungen

(best practices oder recommended practices)

zu erarbeiten. 2012 wurden Empfehlungen für die

Charakterisierung von Windenergiestandorten in kalten

Klimazonen und die dort zum Einsatz kommenden

Technologien (Task 19) veröffentlicht, die in den

internationalen Standard IEC 61400-1 (Auslegungsanforderungen

für Windenergieanlagen) eingeflossen

sind. Auch wurden Empfehlungen für die technische

IEA Wind Executive Committee auf der Ytre Vikna Wind Farm (Insel

Rorvik, Norwegen) im Mai 2012

Kennzeichnung kleiner Windenergieanlagen (Task

27) herausgegeben, um deren Vergleich für Kunden

zu vereinfachen.

IEA PVPS: Einsatzmöglichkeiten von

Photovoltaik in Entwicklungsländern

Ein wichtiges Ziel des Implementing Agreements zur

Photovoltaik ist die Verbreitung von Know-how auch

für Schwellen- und Entwicklungsländer. Im Task 9

PV Services for Developing Countries sollen die regionalen

Einsatzmöglichkeiten von Photovoltaik in

diesen Ländern untersucht werden. Während in der

Anfangszeit dieser Aktivität Deutschland durch die

Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit

(GIZ) vertreten war, übernimmt diese Aufgabe

ab Anfang 2013 das Fraunhofer-Institut für Solare

Energiesysteme (ISE) mit Förderung durch das BMU.

Die Arbeitsgruppe befasst sich mit den Themen

„Zugang zu modernen und nachhaltigen Stromdienstleistungen“

sowie „Effektiver Einsatz von Photovoltaik

und erneuerbaren Energien in Entwicklungsländern“.

Die Aktivitäten konzentrieren sich auf die

Verbreitung von Informationen zu Energieversorgungssystemen

mit den Schwerpunkten Photovoltaik

für die Energieversorgung in Dörfern (Trinkwasserver ­

sorgung, Gesundheitszentren, Kleinstsysteme für

Beleuchtung und integrierte Kommunikationslösungen),

Photovoltaik in Inselnetzen und Hybridsystemen,

Integration von Photovoltaik in städtischen

Gebieten, Photovoltaik-Großanlagen und innovative

Geschäftsmodelle. Zu den Arbeiten gehören die


62

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Er arbeitung von Handbüchern, Veröffentlichungen

und die Durchführung von Trainingsseminaren.

Weiter werden relevante Ergebnisse anderer Aktivi ­

täten des Implementing Agreements verbreitet, wie

zum Beispiel aus Task 11 PV Hybrid Systems within

Mini-Grids.

Zurzeit sind neben Deutschland Frankreich, Dänemark,

Schweden, Schweiz und Japan beteiligt, die

Leitung haben IED Innovation Energie Dévelopement

sowie ADEME Agence de l’Environnement

et de la Maîtrise de l’Energie aus Frankreich übernommen.

Durch die Arbeitsgruppe soll die Bedeutung

der Photovoltaik als technisch relevante und

kosteneffektive Technologie zur Stromerzeugung

verbreitet werden.

IEA GIA: Veröffentlichung des GIA Trend

Reports

Innerhalb des Task Data Collection and Informa ­

tion (Annex X) wurde im Jahr 2012 der erste GIA

Trend Report veröffentlicht, der von nun an jährlich

erscheinen soll. Dieser Task wurde 2010 eingerichtet,

um standardisierte Datensätze über die Geothermienutzung

der teilnehmenden Länder zu erfassen. Zuvor

wurde die Datenlage als unzureichend beurteilt.

Als Grundlage für den Report dienten Annex X National

Reports, die entsprechend eines 2011 entwickelten

Fragebogens über die einzelnen GIA-Länder erstellt

wurden. Dabei konnte Deutschland durch das

Geothermische Informationssystem GeotIS ein vom

BMU gefördertes Projekt einen umfassenden Datensatz

für den Report zur Verfügung stellen. Das Leibniz-Institut

für Angewandte Geophysik in Hannover

(LIAG) fungiert als Operating Agent des Annex X.

Um die Daten der GIA-Länder abschließend auch mit

weltweiten Entwicklungen vergleichen zu können,

wurden weitere Quellen wie etwa Publikationen des

World Geothermal Congress mit in den Trend Report

einbezogen (Internet: http://iea-gia.org).

IEA SHC: Neue Tasks zur Solarenergienutzung

in der Stadtplanung und Lichttechnik bei der

Gebäude sanierung

Neue kosteneffiziente Lösungen zur Tages- und

Kunst lichtnutzung bei der Bestandssanierung von

Nicht-Wohngebäuden sollen in Task 50 Advanced

Lighting Solutions for Retrofitting Buildings entwickelt

und demonstriert werden, der 2012 als neuer

Task innerhalb des Implementing Agreements Solar

Heating and Cooling bestätigt wurde. Weitere Auf ­

gaben bestehen darin, geeignete Planungsmethoden

und -werkzeuge sowie Fallstudien zu diesem Thema

zu erstellen.

Ebenfalls als neuer Task bestätigt wurde Task 51 Solar

Energy in Urban Planning. Darin sollen die Ergebnisse

aus Task 41 Solar Energy and Architecture

für die solare Gebäudeplanung nun auf die Stadtbeziehungsweise

Quartiersplanung übertragen werden.

Im Mittelpunkt stehen die Entwicklung von

Planungswerkzeugen, Methoden sowie die Wissensvermittlung

und Verbreitung an Architekten und

Stadtplaner.

Gleichzeitig wurde die Task Definition Phase für drei

neue Task-Vorschläge gestartet, in der die jeweiligen

Ziele der Arbeitsgruppen festgelegt werden. Die Vorschläge

beinhalten die Themen Solar Thermal and

Energy Economics in Urban Environments (Wirtschaftlicher

Einsatz von Solarthermie in städtischer

Umgebung), PV Cooling and Heating (Kühlen und

Heizen mittels Photovoltaik) sowie Innovative Lowcost

Solar Water Heating Systems (Innovative kostengünstige

solarbasierte Wasserheizsysteme). Alle

drei Themen sind aktuelle Förderschwerpunkte im

Bereich Niedertemperatur-Solarthermie der BMU-

Forschungsförderung. ■


­

­

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT 63

IEA-Tasks/-Annexe/-Projekte mit BMU-Beteiligung zum Thema

erneuerbare Energien im Jahr 2012

Implementing

Agreement

Wind

Task

Task 11

Base Technology Information

Exchange

Task 19

Wind Energy in Cold Climates

Task 25

Design and Operation of Power

Systems with Large Amounts of

Wind Power

Task 26

Cost of Wind Energy

Task 28

Social Acceptance of Wind Energy

Winning Hearts and Minds

Task 29

MexNext

Task 30

Offshore Code Comparison

Col laboration Continuation

(OC4)

Task 31

WAKEBENCH Benchmarking of

Wind Farm Flow Models

Task 32

Wind Lidar Systems for Wind

Energy Deployment (LIDAR)

Task 33

Standardization of Data Collection

for Wind Turbine Reliability and

Maintenance Analyses

Inhalt

fortlaufendes Projekt für den Informationsaustausch zu Forschungsund

Entwicklungsthemen von gemeinsamem Interesse für die teilnehmenden

Länder, unter anderem Erarbeitung von Lösungsvorschlägen

zu aktuellen, festgesetzten Themen in Topical Expert Meetings

www.ieawind.org/task_11/task_11_homepage.html

Analyse und Austausch von international vorliegenden Erfahrungen

der Windenergienutzung unter Vereisungsbedingungen

die 2012 veröffentlichten Praxisempfehlungen gingen in die inter

nationale Standardisierung für die Auslegung von Windenergie

anlagen in kalten Klimazonen ein.

http://arcticwind.vtt.fi

Entwicklung praktischer Empfehlungen zu einer wirtschaftlichen

Integration von Windstrom in die Netze

www.ieawind.org/task_25.html

Veröffentlichung einer multinationalen Fallstudie (März 2011), in

der aus der Analyse der Kosten typischer nationaler Windprojekte

der sieben teilnehmenden Länder eine vereinheitlichte Methode

der Kostenerfassung entwickelt wurde (levelized cost of energy,

LCOE) sowie eines zusammenfassenden Berichts (Mai 2012) über

die Kosten von Windenergie in Vergangenheit und Zukunft

w ww.ieawind.org/task_26.html

Erfahrungsaustausch zu den Einflussfaktoren auf die Akzeptanz

von Windenergieprojekten und über Maßnahmen, diese zu

erhöhen 2012 wurden Empfehlungen (good practice recommendations)

dazu vorgelegt.

www.socialacceptance.ch

Nutzung umfangreicher Daten aus der früheren Windkanalvermessung

einer Modellwindanlage, um aerodynamische Modelle

zu validieren und zu vergleichen

www.mexnext.org/

Vergleich und Optimierung von Computermodellen für die Berechnung

der Belastungen von Offshore-Windenergieanlagen aus

Wind- und Wellenkräften

www.ieawind.org/task_30/task30_Public.html

Modellvergleich und Modelloptimierung für die Strömung des

Winds in und im Nachlauf von Windparks

www.ieawind.org/task_31.html

Optimierung der auf der laser-optischen Windmesstechnik Light

Detection and Ranging (LIDAR) basierenden Windmessgeräte,

unter anderem Entwicklung von Empfehlungen für IEA Recommended

Practices for LIDAR Wind Measurements

www.ieawind.org/summary_page_32.html

Standardisierung der Datenerfassung aus Betrieb und Wartungs -

arbeiten an Windenergieanlagen für international vergleichbare

Datensätze

www.ieawind.org/summary_page_33.html


­

­

64

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

Implementing

Agreement

Photovoltaic

Power Systems

Geothermal

Implementing

Agreement

Task

Task 1

Exchange and Dissemination of

Information of Photovoltaic Power

Systems

Task 8

Very large Scale Power Generation

Systems

Task 9

PV Services for Developing

Countries

Task 11

PV Hybrid Systems within

Mini-Grids

Task 12

Environmental Health and Safety

Issues of PV

Task 13

Performance and Reliability

Task 14

High Penetration PV in Electricity

Grids

Annex III

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

(formerly Hot Dry Rock)

Annex X

Data Collection and Information

Inhalt

Voranbringen der Verbreitung von Informationen über tech -

nische, ökonomische, ökologische und soziale Aspekte der Photo -

voltaik

www.iea-pvps.org

Untersuchung und Evaluierung des Potenzials von Photovoltaik-

Großanlagen im 100 MW- bis GW-Bereich (very large power

generation, VLS-PV) und Entwicklung von praktisch umsetzbaren

Projektideen für den Einsatz solcher Großanlagen in Wüsten

regionen

Untersuchung von Verwendungsmöglichkeiten der Photovoltaik

für den regionalen Einsatz in Entwicklungsländern (siehe Artikel)

Untersuchung des Einsatzes von Photovoltaik innerhalb von Mini-

Grids (Zusammenspiel von kleinen, modular aufgebauten Strom

erzeugern und Niederspannungsnetzen)

www.iea-pvps-task11.org/

Untersuchung der Ökobilanzen von Photovoltaikanlagen

www.iea-pvps-task12.org/

Optimierung des Betriebs, der Zuverlässigkeit sowie des elektrischen

und wirtschaftlichen Ertrags von Photovoltaiksystemen

Reduzierung technischer Barrieren für eine hohe Einspeisung

dezentraler fluktuierender Stromerzeuger, Förderung des Nutzens

netzgekoppelter Photovoltaik als wichtige Stromquelle bei zukünftig

höheren Einträgen dezentraler Erzeuger

Untersuchung neuer und optimierter Technologien der künstlichen

Stimulierung geothermischer Systeme für die kommerzielle

Produktion von Wärme und Strom

www.iea-gia.org/work-program/annex-III

siehe Artikel

www.iea-gia.org/work-program/annex-X

Solar Heating

and Cooling

Programme

Task 39

Polymeric Materials for Solar

Thermal Applications

Task 44

Solar and Heat Pump Systems

Task 45

Large Systems: Large Solar

Heating/Cooling Systems,

Seasonal Storage, Heat Pumps

Task 48

Quality Assurance and Support

Measures for Solar Cooling

Task 49

Solar Heat Integration in

Industrial Processes

Bewertung der Eignung und des Kostenreduktionspotenzials von

polymeren Materialien und entsprechender neuer Designs solarthermischer

Anlagen sowie Entwicklung geeigneter Prüfverfahren

hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit

http://task39.iea-shc.org/

Optimierung der Kombination solarthermischer Kollektoranlage

plus Wärmepumpe, hauptsächlich in Bezug auf Einfamilienhäuser

http://task44.iea-shc.org/

Unterstützung der Entwicklung eines starken und nachhaltigen

Marktes für große solarthermisch betriebene Heizungs- sowie

Kühlsysteme mit Fokus auf Kosteneffizienz, hohe Leistung und

Zuverlässigkeit

http://task45.iea-shc.org/

Arbeiten im Bereich der solarthermischen Kühlung und Klima ­

tisierung gegenüber dem Vorgänger-Task 38 besteht das Ziel in

einer verstärkten Technologie- und Marktentwicklung.

http://task48.iea-shc.org/

Erschließung des Potenzials von Prozesswärme im gewerblichen

Bereich durch gezielte Branchenprojekte und Beispiellösungen

http://task49.iea-shc.org/


­

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT 65

Implementing

Agreement

SolarPACES

Ocean Energy

Systems

Renewable Energy

Technology

Deployment

(Projekte)

Task

Task 1

Solar Thermal Electric Systems

Task 2

Solar Chemistry Research

Task 3

Solar Technology and Advanced

Applications

Task 4

Solar Process Heat for Production

and advanced Applications

Task 5

Solar Ressource Knowledge

Management

Task 6

Solar Energy and Water Processes

and Applications

Annex 1

Review, Exchange and

Dissemination of Information on

Ocean Energy Systems

Optimum

RE-COMMUNICATE

RE-COST 1

FINANCE-RE 2

Inhalt

fortlaufendes Projekt zur Verfolgung der Markt- und Technologieentwicklung

solarthermischer Kraftwerke, speziell Aufbau einer

Projektdatenbank, Entwicklung von Abnahmeverfahren für solarthermische

Kraftwerke, Entwicklung von Systemmodellen, Tech

nologien mit neuen Wärmeträgerfluiden

fortlaufendes Projekt zur Entwicklung und Optimierung solar

getriebener thermochemischer Prozesse zur Herstellung chemischer

Energieträger und Materialien

fortlaufendes Projekt zur Komponentenentwicklung, speziell

Richtlinien für Komponententestverfahren, neue Testprozeduren,

Lebensdauertests, Vorbereitung von Teststandards

Task in Kooperation mit Task 49 des Solar Heating & Cooling

Programme zur Weiterentwicklung von Komponenten und

Systemen zur Nutzung solarer Prozesswärme

Task in Kooperation mit den Implementing Agreements SHC und

PVPS zur Qualitätssicherung bei solaren Strahlungsdaten und zu

Methoden der Vorhersage von Strahlungsdaten

Bewertung von Verfahren zur Nutzung von Solarenergie zur

Rei nigung und Entsalzung von Wasser insbesondere in Verbindung

mit solarthermischen Kraftwerken

Einordnung, Prüfung und Veröffentlichung von Informationen zu

Wellen- und Meeresströmungskraftwerken, Analyse und Verbreitung

von Informationen zu Meeresenergie

Erstellen einer Vision für Energiesysteme, in denen die Synergien

der Energienutzung optimal eingesetzt werden

Studie zur Sammlung von Ideen und Techniken für eine bessere

Vermittlung des Nutzens erneuerbarer Energien, sowohl für als

auch von Politiker(n), Entscheidungsträger(n) und Interessen ­

vertreter(n)

Zusammenstellung von Primärdaten über die Kosten sowohl

erneuerbarer als auch konventioneller Energien für einen

fundierten Vergleich

Zusammenstellung politischer Instrumente sowie Handlungsempfehlungen,

mit denen die benötigten Investitionen für den weiteren

Ausbau erneuerbarer Energien erreicht werden können

Employ

(abgeschlossen)

REMOTE

(abgeschlossen)

RE-Supply

(abgeschlossen)

Unterstützung einer strukturell einheitlichen Erfassung von Beschäftigungseffekten

durch erneuerbare Energien, etwa durch das

Erstellen länderübergreifender Leitlinien (best practice)

Entwicklung von Perspektiven für die Stromversorgung abgelegener

Gebiete und Inseln durch erneuerbare Energien, für eine weitgehende

Unabhängigkeit von Importen fossiler Brennstoffe beziehungsweise

um den kostenintensiven Netzausbau zu vermeiden:

National, regional und lokal agierenden Politikern und Initiativen

sollen geeignete Ideen an die Hand gegeben werden, wie sie den

lokalen Nutzen der erneuerbaren Energien anpreisen können.

Untersuchung der verfügbaren Literatur zu Engpässen innerhalb

der Stromversorgungskette, die sich bei hohen Anteilen von Strom

aus Windenergie und Photovoltaik ergeben, sowie darauf basierende

Analyse der kritischsten Komponenten und Erarbeitung

von Lösungsvorschlägen


66

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

FÖRDERPROGRAMM

ENERGETISCHE BIOMASSENUTZUNG

Ergänzend zu den in den vorhergehenden Kapiteln

dargestellten Förderaktivitäten bietet das BMU

im Bereich Bioenergie seit 2008 das Programm

Förderung von Forschung und Entwicklung zur

klimaeffizienten Optimierung der energetischen

Biomassenutzung (kurz: Energetische Biomassenutzung)

im Zusammenhang mit der nationalen

Klimaschutzinitiative an. 2011 wurde es im Kontext

der zukünftigen Herausforderungen einer flexiblen

Energieversorgung, einer nachhaltigen Rohstoff- und

Ressourcennutzung sowie der Klimaschutzziele und

Ziele des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) neu

ausgerichtet. Seine Ziele sind die Förderung von Pilotund

Demonstrationsvorhaben sowie Studien zur Erprobung

und Validierung von zukunftsweisenden

Bioenergietechnologien, Anlagenkonzepten und

Strategieentwicklungen für eine nachhaltige und

effiziente Erzeugung der Bioenergieträger Strom

und Wärme.

Im Fokus stehen Ansätze und Projekte mit hoher Effizienz

oder hohen Kohlendioxid-Reduktionswirkungen,

zur Substitution fossiler Energieträger, hohen

Verstromungswirkungsgraden bei gleichzeitiger

Wärmenutzung, zur Erhöhung der Substratflexibilität

oder auch zur Regelbarkeit für eine bedarfsgerechte

Stromerzeugung. Im Vordergrund steht weiterhin

die Erschließung von land- und forstwirtschaftlichen

Reststoffen sowie biogenen Rest- und Abfallstoffen

gemäß der Biomasseverordnung.

Das Programm ist von 2009 bis 2015 mit einem Mittelvolumen

von 48 Millionen Euro ausgestattet. Bisher

wurden 77 Verbundprojekte mit insgesamt rund

35,2 Millionen Euro gefördert. Davon haben im Jahr

2012 14 neue Verbünde, insbesondere als Pilot- und

Demonstrationsvorhaben, mit einem Volumen von

rund 5,3 Millionen Euro begonnen. 15 Vorhaben

wurden erfolgreich abgeschlossen. Für die wissenschaftliche

Begleitung, Vernetzung und Öffentlichkeitsarbeit

zum Förderprogramm ist die Programmbegleitung

verantwortlich, welche am Deutschen

Biomasseforschungszentrum (DBFZ) angesiedelt ist.

Einen Schwerpunkt der neuen Vorhaben bildet die

Entwicklung von Maßnahmen, um durch bedarfsgerechte

Energieerzeugung Netzstabilität zu erreichen.

Weitere Themen sind die Schadstoffminderung in

Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung, die Herstellung

hochwertiger Brennstoffe durch hydrothermale Karbonisierung

(HTC), die Verbrennung und Biomassevergasung

sowie allgemeine, strategische Themen

der Bioenergieversorgung von morgen.

Exemplarisch als ein Leuchtturm-Projektbeispiel hervorzuheben

ist eine innovative Holzvergasungsanlage

der Firma agnion Technologies GmbH (agnion Heatpipe-Reformer)

auf dem Biomassehof Achental in

Grassau, die im Frühjahr 2012 eingeweiht wurde.

Die Anlage soll 380 Kilowatt Strom und 630 Kilowatt

Wärmeenergie erzeugen und gleichzeitig jährlich

etwa 2.800 Tonnen des klimaschädlichen Kohlendioxids

einsparen. Rund 700 Haushalte der Bioenergie-

Region Achental sollen daraus mit Strom und rund

200 Haushalte mit Wärme versorgt werden. Gefördert

wurde die Errichtung des Heatpipe-Reformers

mit 980.000 Euro aus dem Umweltinnovationsprogramm

und mit 410.000 Euro aus dem Förderprogramm

Energetische Biomassenutzung.

Ein weiterer Höhepunkt war der Startschuss für den

Bau der ersten kontinuierlich laufenden Demons tra ­

tionsanlage zur Herstellung von hochwertigen Brennstoffen

aus Bioabfällen durch HTC. Ab März 2013

werden jährlich 2.500 Tonnen biogene Reststoffe aus

der Region Halle (Saale) wirtschaftlich in Biobrennstoff

umgewandelt. Gebaut wird die Anlage von der

Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft GmbH, einem

Tochterunternehmen der Stadtwerke Halle GmbH.

Die wissenschaftliche Begleitung hat das DBFZ übernommen.

In einem 2012 abgeschlossenen Vorhaben Effizienzsteigerung

von Grünlandsubstraten in der Biogas ­

gewinnung unter Berücksichtigung naturschutzfachlicher

Belange erforschte ein Team rund um den

BUND-Hof Wendbüdel, wie die Biogasausbeute der

Substrate von Feuchtgrünlandflächen und gleichzeitig

die Artenvielfalt auf den Feuchtgrünlandflächen

durch eine angepasste Bewirtschaftung erhöht werden

kann. Als Abschluss des Vorhabens wurde eine

Informationsbroschüre mit dem Titel „Naturschutzgras

und Biogas“ veröffentlicht. Die Broschüre richtet

sich an Landwirte, Naturschutzverbände sowie Naturschutzbehörden

und enthält Empfehlungen und Hand ­

lungshilfen für die Bewirtschaftung von Feuchtgrünlandflächen

im Naturschutz. ■


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 67

FORSCHUNGSFÖRDERUNG ANDERER MINISTERIEN

MIT BEZUG ZU ERNEUERBAREN ENERGIEN

Bundesministerium für Ernährung,

Landwirtschaft und Verbraucherschutz

(BMELV)

Durch das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft

und Verbraucherschutz (BMELV) werden

im Bereich der erneuerbaren Energien Forschungs-,

Entwicklung- und Demonstrationsvorhaben zur energetischen

Nutzung nachwachsender Rohstoffe sowie

von Rest- und Koppelprodukten der land- und forstwirtschaftlichen

Produktion in Deutschland gefördert.

Dabei werden Forschungsvorhaben zur Erzeugung,

Konversion und Nutzung von Biomasse für

energetische Zwecke unterstützt.

Der überwiegende Teil der Förderung der energetischen

Nutzung nachwachsender Rohstoffe durch das

BMELV erfolgt über das bereits seit 1993 bestehende

Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe, es

stehen aber auch Mittel aus dem Sondervermögen

Energie- und Klimafonds (EKF) bereit, um zusätzliche

Forschungsvorhaben zu realisieren. Ziele der Förderung

sind eine nachhaltige Rohstoff- und Energie ­

BMELV-Förderschwerpunkt im Bereich Bioenergie: Züchtung und Anbau von Energiepflanzen


68

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

bereitstellung, eine Entlastung der Umwelt durch

den Schutz wertvoller Ressourcen, besonders umweltverträgliche

Produkte und die Verminderung von

Kohlendioxid-Emissionenen sowie die Stärkung der

Wettbewerbsfähigkeit der heimischen Land- und

Forstwirtschaft. Aus dem Förderprogramm Nachwachsende

Rohstoffe werden neben der energetischen

Nutzung nachwachsender Rohstoffe auch Maßnahmen

im Bereich der stofflichen Nutzung sowie

der Öffentlichkeitsarbeit gefördert.

Durch den Bundeshaushalt wurden im Jahr 2012 für

die Umsetzung des Förderprogramms Nachwachsende

Rohstoffe 59 Millionen Euro zur Verfügung gestellt

(2011: 53 Millionen Euro). Der Mittelansatz der

Förderung im Jahr 2012 entfällt zu rund 47 Prozent

auf Vorhaben der energetischen Nutzung nachwachsender

Rohstoffe, zu rund 38 Prozent auf die stoffliche

Nutzung und zu rund 15 Prozent auf Maßnahmen

der Öffentlichkeitsarbeit.

Zusätzliche Förderschwerpunkte im Bereich Bioenergie

konnten mit der Bereitstellung von Mitteln aus

dem Energie- und Klimafonds (EKF) eingerichtet werden.

Im Jahr 2012 standen aus dem EKF 3,25 Millionen

Euro zur Verfügung.

Die Gesamtfördersumme des BMELV im Bereich der

Bioenergie lag im Jahr 2012 bei rund 113 Millionen

Euro, wobei sich die Fördermittel auf Projekte im

Bereich Züchtung und Anbau von Energiepflanzen

(Anteil 39,9 Prozent), im Bereich flüssige Bioenergieträger

(28,2 Prozent), gasförmige Bioenergieträger

(15,0 Prozent), Umweltwirkungen und sonstige Bioenergieprojekte

(8,7 Prozent) sowie feste Bioenergieträger

(8,3 Prozent) aufteilen. Flankierend zu den genannten

Bereichen werden Forschungsthemen zu

ökonomischen und ökologischen Fragestellungen der

Biomassenutzung unterstützt, wobei unter anderem

Marktentwicklungen, volkswirtschaftliche Auswirkungen,

Umwelt- und Klimawirkungen sowie Zertifizierungssysteme

zur Gewährleistung ökologischer, sozialer

und ökonomischer Nachhaltigkeit untersucht und

entwickelt werden. Zudem wurden 2012 im Bereich

der energetischen Nutzung drei Vorhaben im Rahmen

der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses

in Form von Nachwuchsgruppen unterstützt.

Bundesministerium für Wirtschaft

und Technologie (BMWi)

Das BMWi ist zuständig für die anwendungsorientierte

Projektförderung auf dem Gebiet der nicht-nuklearen

Energieforschung (ohne erneuerbare Energien)

und der nuklearen Sicherheit und Endlagerung. Es ist

federführend für die Energieforschungspolitik der

Bundesregierung und koordiniert das Energieforschungsprogramm

der Bundesregierung.

In der BMWi-Projektförderung gibt es Bereiche mit inhaltlichem

Bezug zu erneuerbaren Energien, zum Beispiel

im Rahmen der ressortübergreifenden Förderinitiative

Energiespeicher. Auch andere Förderschwerpunkte

des BMWi haben teilweise Bezug zu erneuerbaren

Energien, ohne dass der genaue Anteil zu beziffern

wäre: energieoptimiertes Bauen, dezentrale Energiesysteme

und Energieeffiziente Stadt sowie Brennstoffzelle/Wasserstoff

und Elektromobilität.

Bundesministerium für Bildung

und Forschung (BMBF)

Der Schwerpunkt der Projektförderung des BMBF im

Bereich erneuerbare Energien ist auf grundlegende

Fragestellungen ausgerichtet. Grundlagenwissen und

-forschung stellen einen entscheidenden Beitrag zur

Steigerung der Innovationsfähigkeit der Energiebranche

in Deutschland dar.

Im Jahr 2012 starteten die Vorhaben der ressortübergreifenden

Speicherinitiative, welche durch technologische

Weiterentwicklungen und Kostensenkungen

die Energiespeichertechnologien in Deutschland

beschleunigen soll (siehe ausführlich Seite 20). Das

BMBF legt seinen Schwerpunkt 2012 in 86 bewilligten

Vorhaben mit einem Gesamtfördervolumen von

74,5 Millionen Euro auf die Grundlagenforschung

stationärer thermischer, elektrischer und stofflicher

Energiespeicher sowie auf die Nachwuchsförderung.

Auch ressortübergreifend im Rahmen der Innovationsallianz

Photovoltaik wurden weitere Projekte bewilligt.

Die durch das BMBF geförderten Vorhaben

leisten einen Beitrag dazu, einerseits Innovationssprünge

auf dem Gebiet der waferbasierten und

der Dünnschicht- Solarzellentypen zu ermöglichen,

an dererseits völlig neue Technologieansätze aus der

Grund lagenforschung zur Solarenergienutzung zu

erproben. Das BMBF stellt hierfür rund 50 Millionen

Euro bereit. Im Rahmen der Förderinitiative Organische

Elektronik, insbesondere der Organischen Photovoltaik,

wurden 17 Vorhaben mit einem Gesamtfördervolumen

von über 20 Millionen Euro begonnen

mit dem Ziel, den Reifeprozess der Technologien für

einen industriellen Einsatz zu beschleunigen.

Rund 30 Vorhaben aus der Förderbekanntmachung

BioProFi Bioenergie Prozessorientierte Forschung

und Innovation sind ebenfalls gestartet. Die Projekte

sollen neue Impulse zur nachhaltigen und umweltverträglichen

Nutzung von Biomasse, insbesondere

aus Rest- und Abfallstoffen, setzen.


FORSCHUNGSFÖRDERUNG ANDERER MINISTERIEN MIT BEZUG ZU ERNEUERBAREN ENERGIEN 69

Im Jahr 2012 wurden folgende Initiativen weitergeführt:

die Netzwerke Grundlagenforschung Energie

und rationelle Energieanwendung (NGEE), die Innovationsallianz

Organische Photovoltaik (OPV), die

Förderbekanntmachungen Solarenergietechnik der

nächsten Generation und BioEnergie 2021, der Spitzencluster

Solarvalley Mitteldeutschland sowie der

Wettbewerb Energieeffiziente Stadt. Für diese Vor ­

haben werden rund 130 Millionen Euro über die

gesamte Laufzeit zur Verfügung gestellt.

Zusätzlich befasst sich das BMBF mit Methoden und

Verfahren, die für die Beantwortung von Akzeptanzfragen,

die Schaffung größerer Transparenz bei der

Einführung und Verbreitung neuer Energietechno ­

logien sowie das Nutzungs- und Nachfrageverhalten

wichtig sind. Im Rahmen der sozial-ökologischen

Forschung zum Themenschwerpunkt Umwelt- und

gesellschaftsverträgliche Transformation des Energie ­

systems werden Forschungsansätze aus dem Bereich

der Gesellschafts- und Geisteswissenschaften in die

Energieforschung aufgenommen, um eine Basis für

Akzeptanzaspekte bei der Umsetzung neuer Technologien

hinreichend zu schaffen. Die Forschungsförderung

des BMBF erfolgt parallel zu den Analysen

politischer, soziologischer, ökologischer und ökonomischer

Rahmenbedingungen zur Querschnittsforschung

der anderen Ressorts.

Institutionelle Förderung

Neben der Projektförderung unterstützt die Bundesregierung

auch Forschung und Entwicklung im Bereich

der erneuerbaren Energien durch die Grund ­

finanzierung der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) sowie

der in der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) zusammengeschlossenen

Forschungszentren und -institute.

Die Institute der HGF und FhG werden zusätzlich von

den jeweiligen Bundesländern unterstützt (90 Prozent

vom Bund, 10 Prozent vom Land). Die Grund ­

finanzierung ermöglicht den Kompetenzaufbau und

kommt somit auch der Projektförderung für erneuerbare

Energien zugute. Beide Finanzierungsarten ergänzen

sich in vielen Bereichen erfolgreich, da durch

die Grundfinanzierung im Rahmen der Vorlaufforschung

Themen untersucht werden, die noch weit

von der konkreten Anwendung entfernt sind. Die Forschungsprogramme

dieser durch den Bund geförderten

Einrichtungen sind langfristig angelegt. Alle fünf

Jahre werden Umfang und Themenschwerpunkte im

Rahmen einer Evaluation festgelegt.

Die HGF-Institute mit Ausnahme des DLR sowie die

Fraunhofer-Institute werden vom BMBF grundfinanziert.

Die Grundfinanzierung des DLR wird durch das

BMWi sichergestellt. Das DLR ist insbesondere in den

Bereichen Entwicklung solarthermischer Kraftwerke

und thermischer Speicher sowie in der Systemanalyse

aktiv. In der Systemanalyse wird die Grundfinanzierung

sowohl für die wissenschaftliche Weiterentwicklung

systemanalytischer Methoden als auch für ihre

Anwendung in Einzeluntersuchungen zu Themen

der nachhaltigen Energieversorgung eingesetzt. Weitere

Schwerpunkte sind Markteinführungsstrategien

für neue Energie- und Antriebstechnologien (unter

anderem Elektromobilität, Energiespeicher) sowie

Technologiebewertung. Für erneuerbare Energien

flossen im Jahr 2012 rund 21,3 Millionen Euro in die

institutionelle Förderung des DLR.

Das BMELV fördert das Deutsche Biomasseforschungszentrum,

das auch die zukunftsfähige energetische

Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen unterstützt.

Im Jahr 2012 betrug die Fördersumme dafür

6,3 Millionen Euro. Im Bereich der Bioenergie ist zudem

in Leuna das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-

Biotechnologische Prozesse (Fraunhofer CBP) entstanden,

dessen Anschubfinanzierung seitens des Landes

Sachsen-Anhalt 2012 6 Millionen Euro betrug. Zusammen

mit der Landesregierung Sachsen-Anhalt, dem

BMELV sowie dem BMU hat das BMBF dieses moderne

Bioraffinerie-Forschungszentrum für die industrielle

Nutzung von Biomasse mit einem Gesamtinvestitionsvolumen

von 24,2 Millionen Euro aufgebaut.

Im Rahmen der institutionellen Förderung wurden

2012 aus Mitteln des BMBF für die FhG 53,4 Millionen

Euro und für die HGF 46,8 Millionen Euro ein ­

gesetzt, aus Mitteln des BMWi 27,8 Millionen Euro

für das DLR in der HGF und 50,42 Millionen Euro für

das Deutsche Biomasseforschungszentrum (DBFZ) aus

Mitteln des BMELV. ■


70

INNOVATION DURCH FORSCHUNG

WICHTIGE LINKS

— www.bmu.de

Internetseite des BMU

— www.erneuerbare-energien.de

Internetseite des BMU zu erneuerbaren

Energien

— www.erneuerbare-energien.de/

die-themen/forschung

Internetseite des BMU zur Forschungsförderung

im Bereich der erneuerbaren Energien

— www.ptj.de/erneuerbare_energien

Internetseite des PtJ; zuständig im Rahmen

der Forschungsförderung des BMU für Regenerative

Energieversorgungssysteme (SystEEm),

Windenergie, Photovoltaik, Geothermie,

Niedertemperatur-Solarthermie, solarthermische

Kraftwerke, Wasserkraft und Meeresenergie

sowie übergreifende Fragestellungen

— www.forschung-energiespeicher.de

Internetseite der Förderinitiative Energie -

speicher

— www.foerderinfo.bund.de

Internetauftritt der Förderberatung

Forschung und Innovation“ des Bundes

— www.foerderdatenbank.de

Förderdatenbank des Bundes mit Informationen

zu Förderprogrammen des Bundes, der

Länder und der Europäischen Union

— www.foerderkatalog.de

Online-Datenbank des Bundes über die von

der Bundesregierung geförderten Projekte

— www.solarwaerme-info.de

Internetseite zu größeren solarther mischen

Anlagen im Rahmen der GROSOL-Ini tiative;

gefördert vom BMU

— www.dsttp.org

Internetportal der DSTTP-Plattform

— www.rave-offshore.de

Internetportal der RAVE-Forschungsinitiative

— www.bine.info

Internetportal des Informationsdienstes BINE

zu Energieeffizienz und erneuerbaren Energien

— www.bmwi.de

Internetseite des BMWi

— www.enob.info

Forschung für energieoptimiertes Bauen

— www.eneff-waerme.info

Forschung für Energieeffizienz

— www.bmbf.de

Internetseite des BMBF

— www.energieforschung-bmbf.de

Internetseite zur Energieforschung des BMBF

— www.bmelv.de

Internetseite des BMELV

— www.dbu.de

Internetseite der Deutschen Bundesstiftung

Umwelt (DBU)

— www.helmholtz.de/Forschung/Energie

Energieforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft

Deutscher Forschungszentren (HGF)

— www.fnr.de

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe

— www.forschungsrahmenprogramm.de

Deutsches Portal zum 7. Forschungsrahmenprogramm

der EU; Programmübersicht und

Übersicht aller nationalen Kontaktstellen


INNOVATION DURCH FORSCHUNG 71

STATISTISCHER ÜBERBLICK

Quelle: BMU

Neu bewilligte Projekte

2011* 2012*

Anzahl 1.000 Euro Anteil in % Anzahl 1.000 Euro Anteil in %

Photovoltaik 96 74.332 25,7 85 68.342 23,6

Wind 74 77.102 26,6 84 93.157 32,2

Geothermie 42 24.056 8,3 37 21.418 7,4

Niedertemperatur-Solarthermie 21 9.367 3,2 29 9.981 3,4

Solarthermische Kraftwerke 20 11.164 3,9 32 20.723 7,2

SystEEm 26 26.269 9,1 80 65.571 22,6

Sonstiges 21 22.896 9,4 23 10.513 3,6

Summe 300 245.186 100,0 370 289.705 100,0

* inklusive EKF

Quelle: BMU

Laufende Projekte 2012 Abgeschlossene Projekte 2012

Anzahl 1.000 Euro Anzahl 1.000 Euro

Photovoltaik 243 208.380 43 41.192

Wind 209 230.736 44 40.670

Geothermie 112 83.540 14 11.631

Niedertemperatur-Solarthermie 78 39.632 16 11.910

Solarthermische Kraftwerke 72 48.976 13 9.096

SystEEm 145 133.765 16 21.081

Sonstiges 58 48.490 13 6.144

Summe 917 793.519 159 141.724

Quelle: BMU

Mittelabfluss (1.000 Euro)

2009 2010 2011* 2012* Durchschnitt

2009 — 2012

Durchschnittl.

Anteil in %

Photovoltaik 32.889 39.087 38.827 51.667 40.618 31,7

Wind 27.894 36.774 44.013 38.451 36.783 28,7

Geothermie 13.837 9.889 11.599 20.816 14.035 10,9

Niedertemperatur-Solarthermie 6.313 8.371 6.451 7.965 7.275 5,6

Solarthermische Kraftwerke 7.068 5.841 6.058 7.574 6.635 5,2

SystEEm 10.874 11.332 12.819 15.061 12.522 9,8

Sonstiges 10.677 8.908 9.631 12.940 10.539 8,1

Summe 109.552 120.202 129.398 154.474 128.407 100,0

* inklusive EKF


„Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen

Generationen die natürlichen Lebensgrundlagen ...“

Grundgesetz, Artikel 20 a

BESTELLUNG VON PUBLIKATIONEN:

Publikationsversand der Bundesregierung

Postfach 48 10 09

18132 Rostock

Tel.: 01805 / 77 80 90*

Fax: 01805 / 77 80 94*

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Internet: www.bmu.de/bestellformular

(*0,14 Euro/Minute aus dem deutschen Festnetz; abweichende Preise aus den Mobilfunknetzen möglich)

Diese Publikation ist Teil der Öffentlichkeitsarbeit des Bundesministeriums für Umwelt,

Naturschutz und Reaktorsicherheit. Sie wird kostenlos abgegeben und ist nicht zum

Verkauf bestimmt. Gedruckt auf Recyclingpapier.

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