Großer Forschungsbedarf zu Stromnetzen und Stromspeichern

Wichtige Schritte zur Defossilisierung des Energiesystems sind die zunehmende Elektrifizierung der verschiedenen Sektoren sowie ein steigender Anteil erneuerbarer Energien an der Stromproduktion und die Zwischenspeicherung von Strom über verschiedene Zeitintervalle. Die dadurch stetig steigende Anzahl der Stromverbraucher und dezentraler Energieerzeugungsanlagen müssen effizient in das Stromnetz integriert werden. Dabei sind die volatile Stromproduktion und der Verbrauch in Einklang zu bringen. Das Stromnetz soll diesen wachsenden Anforderungen gerecht werden. Zudem müssen weiterhin Systemsicherheit, Systemstabilität und Versorgungsqualität auf höchstem Niveau und in wirtschaftlicher Weise sichergestellt werden.

Förderfähige Forschungsinhalte zu Stromnetzen und Stromspeichern

Gefördert werden Vorhaben, die darauf abzielen, die wachsende Anzahl an Stromverbrauchern und Erzeugungsanlagen effizient, kostengünstig und netzdienlich auf verschiedenen Spannungsebenen in das Stromnetz zu integrieren und dabei die Systemsicherheit und Versorgungsqualität zu gewährleisten. Dabei greift die angewandte Forschungsförderung unter anderem die Ergebnisse der Roadmap Systemstabilität auf und legt einen besonderen Schwerpunkt auf die Weiterentwicklung und Integration von stromrichterbasierten Anlagen mit netzbildender Funktion.

In einem vollständig defossilisierten Energiesystem sind auch die bisher überwiegend von konventionellen Kraftwerken erbrachten Systemdienstleistungen klimaneutral zu erbringen. Konzepte und Technologien sollen erforscht werden, wie stromrichterbasierte Anlagen und flexible Verbraucher auch im Zusammenspiel mit neuen Regelstrategien und Marktmechanismen die konventionelle Erbringung von Systemdienstleistungen ersetzen können. Daneben spielt Flexibilitätsmanagement eine zunehmend wichtige Rolle für das Engpassmanagement. Im Zuge der Sektorenkopplung entsteht ein wachsendes Flexibilitätspotenzial in Form von dezentralen, steuerbaren Lasten, insbesondere zeitnah beim Wärmesektor mit der absehbar steigenden Zahl von Wärmepumpen und Wärmespeichern verschiedener Leistungsklassen beziehungsweise Kapazitäten sowie auch zum Mobilitätssektor mit dem zügigen Ausbau netzdienlich betreibbarer Ladeinfrastruktur. Dabei müssen die Integration dieser Dienstleistungen in die unterschiedlichen Märkte für elektrische Energie gestaltet sowie innovative und nachhaltige Geschäftsmodelle entwickelt werden.

Eine weitere zentrale Aufgabe besteht in der Neu- und Weiterentwicklung von modernen Betriebsmitteln wie beispielsweise Stromrichter, intelligente Transformatoren, Übertragungs- oder Leitungstechnik (auch für Hochtemperatursupraleitung). Neue Netzstrukturen erfordern auch die Einführung neuer Überwachungs- und Testverfahren für Netzbetriebsmittel.

Weitere relevante Forschungsthemen zu Stromnetzen und Stromspeicher

Die Optimierung der Betriebsführungskonzepte ist von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit der Energieinfrastruktur zu erhöhen, Ausfälle von Betriebsmitteln in allen Netzebenen zu verringern sowie eine bessere Auslastung von Bestandsnetzen zu ermöglichen. Dabei spielen neue Informationstechnologien eine Schlüsselrolle. Hier gibt es insbesondere noch Forschungsbedarf zu den Steuerungs- und Überwachungs-/Monitoringsystemen und zu Prognoseverfahren. Auch bei der integrierten Netzplanung spielen unter anderem neue Informationstechnologien eine wichtige Rolle.

Gleichzeitig stehen bei allen Weiterentwicklungen der zentralen IT-Systeme und der dezentralen Einrichtungen, wie etwa Smart-Meter-Gateways, die Resilienz und Sicherheit des vernetzten Gesamtsystems im Vordergrund.

Stromspeicher puffern Energieüberflüsse aus erneuerbaren Quellen und tragen somit zur Netzstabilität, Flexibilität und zur effizienten Integration erneuerbarer Energien bei. Das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten umfasst zum Beispiel die Nutzung im öffentlichen Stromnetz zur Stabilisierung des Netzzustands und für Systemdienstleistungen, als Heimspeicher oder in Industrie und Gewerbe zur Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils und zur Verbesserung des Energiemanagements sowie die Einbindung in Sektorenkopplungsprojekte. Diese breit gefächerten Aktivitäten sind entscheidend, um die Potenziale von Stromspeichern in verschiedenen Anwendungsfeldern optimal auszuschöpfen.

Die Bandbreite der förderfähigen Vorhaben umfasst Themen von der Batteriezelle bis zum gesamten System einschließlich Leistungselektronik, die sowohl der Weiterentwicklung von einzelnen Technologien als auch der praktischen Erprobung in den verschiedenen Anwendungsfällen dienen.

Um Stromspeicher für spezifische Anwendungen zu optimieren, soll auf innovative Materialien und Komponenten gesetzt werden, die einen stabilen Betrieb gewährleisten und dabei höchste Sicherheitsstandards erfüllen. Eine positive Umweltbilanz und die Verwendung von gut verfügbaren, nicht kritischen Rohstoffen sind ebenfalls wichtige Ziele. Mit Blick auf die steigenden Speicherkapazitäten wird es zunehmend wichtiger, umweltverträgliches und wirtschaftliches Recycling verfügbar zu machen und Konzepte der Kreislaufwirtschaft zu etablieren, auch um auf diese Weise Rohstoffabhängigkeiten entgegenzuwirken. Dies schließt auch Konzepte zur Nachnutzung der Energiespeicher („Second Life“) am Ende der primären Einsatzphase ein.
Die Entwicklung eines geeigneten Lade-, Speicher- und Energiemanagements ist von zentraler Bedeutung, um die Effizienz, Leistung und Lebensdauer der Speicher zu steigern.

Für alle Arten von elektrischen Speichern sollen Materialien, Komponenten, Systeme und Betriebsstrategien im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit weiterentwickelt werden. Sensorik und intelligente Steuerungssysteme, welche mit standardisierten Schnittstellen Betriebsdaten von Zellebene bis zur Anwendungsebene verknüpfen, erlauben einen sicheren und netzdienlichen Betrieb der Speicher.

Des Weiteren werden Themen wie die Hochskalierung von Anlagen und Komponenten für größere Anwendungen, Nachnutzungskonzepte für Kraftwerksstandorte und die Mehrfachnutzungsmöglichkeiten von Speichern erforscht. Die Forschung zur Optimierung der Produktionsprozesse und Recyclingverfahren unterstützt die Nachhaltigkeit der (energie-)wirtschaftlichen Transformation.