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Schwerpunkte des Forschungsbereiches "Energie - Ressourcen, Technologien, Systeme"

Energie aus Biomasse
Die systemanalytischen Arbeiten zur energetischen Nutzung konzentrieren sich gegenwärtig auf Biomasse und biogene Rest- und Abfallstoffe.
Aktuelle Arbeiten im Helmholtz-Programm TIG (Technologie, Innovation und Gesellschaft) konzentrieren sich auf vergleichende Analysen und Bewertungen von innovativen Technologien zur Bereitstellung von Kraftstoff aus Biomasse. Neben technischen, ökonomischen und umweltrelevanten Aspekten werden auch konkurrierende Verfahren zur Wärme- und Strombereitstellung untersucht wie z. B. Vergleiche mit fossilen Energieträgern. Hierzu gehören die Bereitstellung von Synthesekraftstoffen aus Biomasse sowie techno-ökonomische Analysen zur bio- und thermochemischen Produktion von Biomethan zur Substitution von fossilem Erdgas (SNG, Substitute Natural Gas).

Mikroalgen
Mikroalgen gelten als viel versprechende zukünftige Biomasseproduzenten. Sie stellen keinerlei Ansprüche an die Bodenqualität, können kontinuierlich geerntet werden und weisen hohe Öl- und Proteinerträge auf. Sie eignen sich zur Herstellung von Nahrungs- und Futtermitteln sowie Energieträgern. Die für das Algenwachstum erforderlichen Nährstoffe können teilweise aus Sekundärquellen (z.B. CO2-haltige Abgase von Kraftwerken, Abwässer) bezogen werden. Durch eine Algenerzeugung in geschlossenen Photobioreaktoren kann das Risiko von nicht intendierten Umweltauswirkungen minimiert werden. Die Realisierung dieser Vorteile setzt allerdings noch erhebliche F&E-Fortschritte voraus.
In TIG werden verschiedene Pfade der Energieerzeugung aus und mit Mikroalgen auf ihre Beiträge zu einem nachhaltigen Energiesystem - Geoinformationssystem-basierte Potenziale, Lebenszyklus-bezogene ökologische und wirtschaftliche Auswirkungen - analysiert und bewertet. Durch die prospektive Folgenforschung werden frühzeitig Informationen für die Gestaltung nachhaltiger Prozessketten und Produkte auf der Basis von Mikroalgen erarbeitet und in systemanalytische begleitete F&E-Projekte eingespeist.

Hocheffiziente fossile Kraftwerke
Ein wichtiger Weg zur Effizienzsteigerung der Energieversorgung ist die Erhöhung der Dampfparameter von Kraftwerkskessel. Mit neuen Werkstoffen aus Nickelbasislegierungen oder austenitischen Stählen sind Dampfparameter von über 700 °C und über 350 bar im Kraftwerkskessel zu erreichen, die Wirkungsgrade von über 50 % ermöglichen.
Für zukünftige Entscheidungen bei der Auslegung von Kraftwerken sind Methoden notwendig, die einerseits die energetische Effizienz und andererseits die Auswirkungen durch den Einsatz dieser neuen Werkstoffe auf die Umwelt und Kosten erfassen.
Zur Lösung dieser Problemstellung kann die exergoökologische Analyse, die aus zwei Teilen besteht, herangezogen werden.
Einen Teil dieser Methode stellt die Exergieanalyse dar, die thermodynamische Ineffizienzen in Kraftwerksprozessen aufdeckt. Der zweite Teil umfasst eine Ökobilanz (Life Cycle Assessment – LCA), denn die exergetisch-effizienteste Lösung ist nicht automatisch die umweltfreundlichste Lösung. Durch die Kopplung der beiden Analysen in einem integrierten Ansatz lässt sich das ökologische Optimum bestimmen, welches insbesondere die Veränderungen in den Prozessketten der Werkstoffherstellung berücksichtigt.
Ziel ist es auf Basis der neuen Werkstoffe ein exergetisches Modell eines Kraftwerkskessels zu erstellen und Optimierungsrechnungen mittels exergoökologischer Analysen durchzuführen. Der Einsatz der neuen Werkstoffe ist allerdings mit höheren Kosten verbunden, so dass außerdem eine Analyse der Wirtschaftlichkeit erforderlich ist.

Neue Energietechnologien / Querschnitts- und Effizienztechnologien
Der großen Herausforderung einer nachhaltigen globalen Energiebereitstellung und -nutzung stehen zumindest mittelfristig keine „großen Lösungen“ gegenüber. Szenarien, die die Einhaltung von Klimaschutzzielen und die Transformation zu einem nachhaltigen Energiesystem als machbar beschreiben, setzen praktisch immer die umfassende Erschließung von Effizienzpotenzialen voraus. Für wichtige Sektoren und Anwendungsbereiche sind dazu umfassende technische Innovationen notwendig. Neben den technischen Eigenschaften stellt die geforderte Nachhaltigkeit eine Qualität dar, die nur im Systemkontext und mit Kriterienkatalogen, die über bloße Energieeffizienz weit hinausgehen, durch die Systemanalyse bewertet werden kann.
Für die damit als nachhaltigkeitsorientierte Technikbewertung verstandene Systemanalyse ergeben sich folgende Ziele:

  • multikriterielle Bewertung der potenziellen Beiträge innovativer Technologien zu einer nachhaltigen Energieversorgung und -nutzung;
  • Optimierung der realen Beiträge („konstruktive Technikbewertung“) durch Identifikation von:
    • ökologischen und sozioökonomischen „hot spots“ der Technologien
    • optimalen Anwendungsfeldern und -konfigurationen in Konkurrenz und durch Vernetzung mit anderen Technologien.

Aktuelle Untersuchungsgegenstände sind die thermoelektrische Stromerzeugung und Anwendungen der Mikroverfahrenstechnik.

Kohlenstoffmanagementstrategien
Kohlenstoffmanagement wird als eine wichtige Strategie zur Einflussnahme auf den Kohlenstoffstrom einer Volkswirtschaft angesehen. Sie zielt auf die Verminderung klimaproblematischer CO2-Emissionen, auf Verbrauchsminderung bzw. Wiederverwertung und Rezyklierung von Kohlenstoff in elementarer und in chemisch gebundener Form. Erforderlich hierfür ist eine sinnfällige Interaktion einer Vielzahl von Akteuren auf unterschiedlichen Entscheidungsebenen: Staat, Unternehmen, Haushalte und gesellschaftliche Gruppen. Untersucht werden Managementvarianten zum Technologieeinsatz hinsichtlich ihrer Effizienz und Effektivität auch unter sich wandelnden Verhältnissen. Weil auch globale Strategien, die auf den Klimawandel einwirken sollen, letztendlich auf lokaler und regionaler Ebene umgesetzt werden müssen, und weil Kohlenstoffsenken nicht gleichverteilt sind, erfolgen die Analysen für ausgewählte, typische räumliche Bedingungen. Von besonderem Interesse sind hierbei zeitliche Muster bzw. Verläufe potenzieller oder feststellbarer Wirkungen von vorgeschlagenen oder eingeschlagenen Wegen, die unter den Umständen gesellschaftlicher Dynamiken die Effektivität und Effizienz von Maßnahmen beschleunigen, bremsen oder vollständig konterkarieren können.