Mit dem Energy Lab 2.0 entsteht am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine intelligente Plattform, um das Zusammenspiel der Komponenten künftiger Energiesysteme zu erforschen. Heute ist das Projekt mit einer Investitionssumme von 22 Millionen Euro gestartet. Das Energy Lab 2.0 beschleunigt die Energiewende, besonders die Integration erneuerbarer Energien bei der Stromerzeugung. Denn es erlaubt, neue Ansätze zur Stabilisierung der Energienetze realitätsnah zu erproben. Ein Anlagenverbund verknüpft elektrische, thermische und chemische Energieströme sowie neue Informations- und Kommunikationstechnologien. Partner im Projekt sind die Helmholtz-Zentren Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Forschungszentrum Jülich (FZJ). Bund und Land fördern das Energy Lab 2.0.
„Die Energiewende ist ein zentrales Zukunftsthema in Deutschland, eine große Herausforderung für die Forschung wie für die Wirtschaft. Schlüsselfragen für das Gelingen der Energiewende sind geeignete und zuverlässige Speichertechnologien sowie der intelligente Netzausbau und der Erhalt der Netzstabilität. Auf dem Weg zu einer Stromversorgung, die sich aus erneuerbaren Energien speist, wird das Energy Lab 2.0 des KIT wichtige Beiträge liefern. Das Energy Lab 2.0 wird uns durch die Simulationsumgebungen auch im wissenschaftlichen Umgang mit Big Data und Digitalisierung voranbringen", kommentiert Theresia Bauer, Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg.
„Mit dem Energy Lab 2.0 wird eine in Europa einzigartige Infrastruktur geschaffen, um Deutschland bei der Entwicklung von Optionen zur Gestaltung der Energiewende zu unterstützen. Das Energy Lab 2.0 macht es möglich, neue Ansätze zur Stabilisierung der Energienetze zu erproben. Unser Ziel ist es, den Forschungsstandort Deutschland weiter zu stärken und unsere Technologieführerschaft bei Zukunftstechnologien auch und gerade im Energiebereich weiter auszubauen. Deutschlands Forschungseinrichtungen sind heute ein begehrter Partner bei Energiefragen. Die am Forschungsvorhaben Energy Lab 2.0 beteiligten Einrichtungen Karlsruher Institut für Technologie, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt und Forschungszentrum Jülich gehören zu den größten Energieforschungszentren in Europa und sind Aushängeschilder für den Energieforschungsstandort Deutschland“, so der Staatssekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung, Dr. Georg Schütte.
„Um die Energiewende in Deutschland voranzutreiben, gehören erneuerbare Energien, Energiespeicher und Netztechnologien zu unseren klaren Prioritäten“, sagt KIT-Präsident Professor Holger Hanselka, der gleichzeitig Vizepräsident der Helmholtz-Gemeinschaft für den Forschungsbereich Energie ist. „Energie aus fluktuierenden erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind in das Netz zu integrieren und dabei die erforderliche Versorgungssicherheit zu gewährleisten, ist eine der großen Herausforderungen. Die Ergebnisse, die wir aus dem Energy Lab 2.0 gewinnen, werden wichtige Anhaltspunkte für die Gestaltung künftiger Energienetze in Deutschland liefern.“
„Der Umbau des Energiesystems erfordert es, neue Technologien zu etablieren, um den erneuerbaren Strom in andere Energieträger wie Wasserstoff umzuwandeln“, erläutert Professor Harald Bolt, Vorstandsmitglied des Forschungszentrums Jülich. „Dieser ‚grüne‘ Wasserstoff kann in der Mobilität und Industrie genutzt und auch wieder rückverstromt werden. Hier beteiligt sich das Forschungszentrum Jülich am Energy Lab 2.0 mit seinen Kompetenzen zu den Wasserstofftechnologien und deren Integration in das Energiesystem.“
„Das künftige Energiesystem verlangt einen wesentlich flexibleren Betrieb von Kraftwerken“, betont Professor Manfred Aigner, Direktor des DLR-Instituts für Verbrennungstechnik, eine zentrale Herausforderung der Energiewende. „Das DLR entwickelt deshalb ein Verbrennungssystem für Gasturbinen-Kraftwerke, das schnelle Lastwechsel ermöglicht und unterschiedliche Brennstoffe – von Erdgas bis Wasserstoff – effizient und umweltfreundlich nutzen kann. Gleichzeitig bringt das DLR seine Expertise im Bereich der thermischen Speicherung für die weitere Betriebsflexibilisierung in das Energy Lab ein“, so Aigner weiter.
„Noch immer ist das Problem nicht gelöst, effiziente, nachhaltige und sichere Stromnetze bereitzustellen, um erneuerbare Energien flächendeckend einzuspeisen“, sagt Professor Jürgen Mlynek, Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft. „Mit dem Energy Lab 2.0 werden in Europa erstmals größere Versuchsanlagen zur Stromerzeugung, Energiespeicherung und –nutzung miteinander kombiniert, um daraus ein intelligentes Gesamtsystem zur Energieversorgung zu entwickeln. Die Verknüpfung der Expertisen unterschiedlicher Helmholtz-Zentren zeigt einmal mehr, wie notwendig übergreifendes wissenschaftliches Arbeiten ist“, so Mlynek.
Das Energy Lab 2.0
Das Projekt ist eingebettet in die Gesamtstrategie der Helmholtz-Gemeinschaft zum Thema Energie. Für das Energy Lab 2.0 errichten die Partner bis 2018 ein Simulations- und Kontrollzentrum und einen energietechnischen Anlagenverbund am KIT-Campus Nord, ein Elektrolyse-Testzentrum am Forschungszentrum Jülich und eine Testanlage zur Erprobung von Power-to-Heat-Konzepten am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart.
Der Anlagenverbund verknüpft charakteristische Komponenten zur Strom-, Wärme- und Synthesegaserzeugung mit verschiedenen Energiespeichertechnologien und Verbrauchern. Dazu werden vorhandene große Versuchseinrichtungen am KIT in das Energy Lab 2.0 integriert: der Solarstrom-Speicher-Park, die bioliq-Pilotanlage und ausgewählte Energieverbraucher am KIT-Campus Nord. Elektrische, elektrochemische und chemische Speicher sowie eine last- und brennstoffflexible Gasturbine mit Generator werden als neu zu schaffende Komponenten den Anlagenverbund ergänzen. Ein Simulations- und Kontrollzentrum am KIT verknüpft alle Komponenten des Anlagenverbundes am KIT und der Partner über Informations- und Kommunikationstechnologien zu einem intelligenten Gesamtsystem („Smart Energy System“). In der Kombination ist diese Infrastruktur die erste ihrer Art in Europa.
Langfristig lassen sich zusätzlich externe Versuchsanlagen und – in Kooperationen mit der Industrie – auch große externe Komponenten des Energiesystems wie Windparks, Geothermieanlagen, konventionelle Kraftwerke und große industrielle Verbraucher in das Energy Lab 2.0 einbinden.
Stufenweise Entwicklung und Validierung
Im Energy Lab 2.0 entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Werkzeuge und Ansätze zur Netzstabilisierung zunächst im Modell. Dazu dienen ein Experimentierfeld mit allen relevanten Systemkomponenten in kleinerem Maßstab sowie ein Testfeld für elektrische Netzkomponenten mit Echtzeitsimulation. Die Validierung erfolgt anschließend auf der Ebene des Anlagenverbundes. Auf Basis der Ergebnisse können im dritten Schritt reale Energiesysteme simuliert und beispielsweise unter dem Blickwinkel der Netzstabilität analysiert werden. Projektleiter ist Professor Roland Dittmeyer, Leiter des KIT-Instituts für Mikroverfahrenstechnik (IMVT).
Von der gesamten Investitionssumme mit 22 Millionen Euro werden 16,75 Millionen Euro am KIT investiert. Die Helmholtz-Gemeinschaft bringt insgesamt 15 Millionen Euro in das Energy Lab 2.0 ein. Mit drei Millionen Euro fördert das Land Baden-Württemberg das Energy Lab 2.0. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Projekt mit zusätzlichen 2,5 Millionen Euro, das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit 1,5 Millionen Euro. Das Energy Lab 2.0 ist für einen Betrieb über 20 Jahre ausgelegt.
Modell des Energy Lab 2.0 (Bild: Markus Breig)
Bildunterschrift 1: Modell Energy Lab 2.0 (Foto: Markus Breig, KIT)
Bildunterschrift 2: Prof. Roland Dittmeyer (KIT), Dr. Bernd Emonts (FZJ), Prof. Holger Hanselka, (Präsident des KIT), Theresia Bauer (Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg), Dr. Herbert Zeisel (Ministerialrat, Bundesministerium für Bildung und Forschung), Prof. Manfred Aigner (DLR) (v.l.n.r. Foto: Patrick Langer, KIT)
Bildunterschrift 3: Die Solarstrom-Speicheranlage am KIT ist Teil des Energy Lab 2.0 (Foto: Patrick Langer, KIT)
Bildunterschrift 4: Theresia Bauer (Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg) vor dem Modell Energy Lab 2.0 (Foto: Patrick Langer, KIT)
Bildunterschrift 5: Projektleiter Energy Lab 2.0 Prof. Roland Dittmeyer ( Foto: Patrick Langer, KIT)
Bildunterschrift 6: Präsident des KIT: Prof. Holger Hanselka (Foto: Patrick Langer, KIT)
Bildunterschrift 7: Theresia Bauer (Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg) (Foto: Patrick Langer, KIT)
Bildunterschrift 8: Das DLR bindet den Hochtemperaturspeicher HOTREG zur thermischen Energiespeicherung digital in das Energy Lab 2.0 ein. Die in der Anlage gespeicherte Hochtemperaturwärme kann entweder zur Bereitstellung von Prozesswärme oder zur Rückverstromung genutzt werden. (Foto: DLR/Ernsting)
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.