Energy Systems

Modernes Leben ist ohne eine zuverlässige Versorgung mit Energie nicht denkbar. Fossile Energieträger - Erdöl, Erdgas und Kohle - waren lange Zeit unsere Hauptversorgungsquelle. Sie sind aber nicht nur endlich in ihrem Vorkommen, sondern durch ihre Verbrennung auch hauptverantwortlich für den globalen Klimawandel. Regenerative bzw. nachwachsende Ressourcen wie Biomasse, Wind, Sonne und Wasser werden daher mehr und mehr zur nachhaltigen Energieversorgung genutzt. Doch die Produktion regenerativer Energien ist abhängig vom Wetter und von anderen Einflussfaktoren, während die Nachfrage nach Energie ökonomischen und gesellschaftlichen Entwicklungen folgt. Der zweite Forschungsschwerpunkt des Leistungszentrums – "Energy Systems" – sucht daher nach Wegen, das Angebot von und die Nachfrage nach regenerativ erzeugter Energie aneinander anzugleichen. Hierzu werden Technologien zur effizienten Energieumwandlung, -speicherung und -nutzung entwickelt und wird nach Lösungsmöglichkeiten gesucht, wie die Energieversorgungsinfrastruktur den komplexen Anforderungen der Zukunft gerecht werden kann.

Forschungsthemen

Analyse physikalischer, chemischer und biologischer Eigenschaften von Energiesystemen

Mit der so genannten Energiewende verändern sich – insbesondere bei der Strom-
versorgung – auch die Energiesysteme. Das lange Zeit zentrale und informationsarme System geht in ein dezentrales, komplexes und hoch-dynamisches Energieversorgungs-
system mit umfangreichem Informationsaustausch über. Konkreter formuliert: Während früher wenige große Kraftwerke allein für die Energieversorgung ganzer Regionen zuständig waren, speisen heute viele kleine Photovoltaik-, Wasser- Wind- und andere Anlagen Strom in ein Netz ein, das je nach Wetterlage unterschiedlich stark aus-
gelastet ist. Die Steuerung eines solchen komplexen Netzes erfordert einen neuen
systemischen Ansatz.
Multifunktionale Systemarchitekturen rücken in den Vordergrund der Forschung. Analytische Methoden komplexer Systeme erlauben die zunehmend mikroskopische Aufklärung dynamischer, chemischer und biologischer Prozesse. Diese Methodik wird
für die Steuerung der Energiesysteme nutzbar gemacht.

Grundlagen zur Nutzbarmachung natürlicher Ressourcen

Heute genutzte Biokraftstoffe werden meist nicht nachhaltig produziert. Sie basieren auf dem Anbau von Mais, Ölpalme oder Zuckerrohr, meist auf Großflächen in Monokultur, und führen zu Flächenfraß, Grundwasserabsenkung und zur großflächigen Zerstörung von Naturwäldern. Daher werden Konzepte erforscht, die eine Nutzung nachhaltiger Kohlen-
stoffquellen anstreben. Dazu gehören bioelektrochemische Systeme zur Elektrizitäts-
gewinnung aus Abwasser mit mikrobiellen Brennstoffzellen, die gezielte Steuerung neuartiger Fermentations- und Biosyntheseprozesse oder Biokraftstoffe, die mit Hilfe
von Algen aus Kohlenstoffdioxid in Meerwasser produziert werden.

Skalierbarkeit und Stabilität von Energiesystemen

Um Energiesysteme nachhaltig zu gestalten, müssen sie zunächst konkret auf funktions- und bedarfsoptimierte Skalen ausgelegt werden, um ihre langfristigen Kosten ebenso
wie ihre Einbettung in das technologische und sozioökonomische Umfeld bemessen und bewerten zu können. Dies wiederum ist nur möglich, wenn ihre Netzwerkstabilität und ihre Netzwerkstruktur bekannt sind. Dazu werden mathematische und physikalische Theorien stark rückgekoppelter dynamischer Systeme weiterentwickelt.

Systemlösungen für die Energiebereitstellung und -nutzung

In diesem Arbeitspunkt sollen nachhaltige und intelligente Systemlösungen für verschiedene Anwendungen entwickelt und optimiert werden. Die Bandbreite reicht
dabei von Mikrosystemen über Smart Cities – also die Steuerung von städtischen
(Energie-)Systemen mithilfe digitaler Technologien – bis zu nationalen und globalen Energienetzen. Dabei sollen nicht nur elektrische Stromflüsse, sondern auch Wärme- und Stoffflüsse berücksichtigt werden. Die daraus gewonnenen Daten schließlich werden vernetzt mit jenen von stationären Energieerzeugern und -verbrauchern sowie mit Informationen aus dem Verkehrssektor.

Technologien und Komponenten für die Energiewandlung

Längst noch nicht alle Möglichkeiten für eine nachhaltige Energieversorgung sind bereits erforscht. Beispielsweise wird die Photovoltaik kontinuierlich weiterentwickelt, Solarzellen und ganze Module werden effizienter und langlebiger. Andere Technologien und spezifische Anwendungen werden noch erforscht. Beispielsweise das "Micro Energy Harvesting", bei der kleine Mengen elektrischer Energie etwa aus der Umgebungs-
temperatur oder aus Luftströmungen für mobile Geräte mit geringer Leistung nutzbar gemacht werden sollen. Auch induktive Verfahren zur elektromagnetischen Übertragung von Energie oder die Abwärmeverstromung werden in diesem Forschungsbereich weiterentwickelt. Schließlich geht es hier um Komponenten für die Systemintegration nachhaltiger Energiesysteme, insbesondere um effiziente Leistungselektronik.

Technologien zur Speicherung von Energie

Je vielfältiger und zeitlich variabler die Energieerzeugung wird, desto notwendiger
werden Speichertechnologien für Strom, Wärme und Gas. Neben der Weiterentwicklung klassischer Batterietechnologien in Hinblick auf Energiedichte, Langlebigkeit, Sicherheit und Recyclingfähigkeit werden auch neuartige Speichertechnologien erforscht und entwickelt. Hier geht es z. B. um die Wandlung von elektrischer in chemisch gebundene Energie und um die Speicherung in Stoffen wie Wasserstoff, etwa durch photokatalytische Wasserzerlegung.

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