In der Studie wurde die Versorgungssituation für den Energieträger Strom in Baden-Württemberg bis zum Jahr 2040 untersucht, wobei die Forschenden die potenzielle Entwicklung von Stromangebot und -bedarf analysierten. Um den zukünftigen Bedarf abzuschätzen, wurden drei Szenarien für die mögliche Bandbreite des Strombedarfs bis 2040 entwickelt. Zur Reduktion der CO2-Emissionen und zur Erreichung der Klimaneutralität ist eine überwiegende Elektrifizierung der Industrie sowie der anderen Sektoren unumgänglich, um Erneuerbare Energien anstatt fossiler Energieträger einzusetzen. Der Strombedarf für die Sektoren Haushalte, Verkehr, Industrie und Gewerbe/Handel/Dienstleistungen wurde auf Landkreisebene im IST-Stand erfasst und in die Zukunft fortgeschrieben. Das Fraunhofer ISE erfasste in dem Projekt auch das Zubaupotenzial für Photovoltaik (PV) und Windkraft mit einer detaillierten Flächenanalyse auf Landkreisebene.

Industrie kann in vielen Branchen Strom stärker einsetzen

»Der Stromverbrauch in Baden-Württemberg wird von heute etwa 64 Terawattstunden pro Jahr bis zum Jahr 2040 auf 109 bis 161 Terawattstunden ansteigen, je nach zugrunde gelegtem Szenario. Dies entspricht einer Steigerung von rund 73 bis 156 Prozent. Ein Haupttreiber hierfür ist die Industrie, die ihre Dekarbonisierung im Wesentlichen durch Elektrifizierung erreicht. Durch die damit erhöhte Effizienz senkt sie den Bedarf an Primärenergie«, erläutert Studienautor Dr. Christoph Kost von der Abteilung Energiesystemanalyse des Fraunhofer ISE. In der Industrie liegt die Steigerung je nach Szenario bei 5 bis 65 Prozent, wobei vor allem in Grundstoffchemie, Metallindustrie und Papiergewerbe ein hoher Bedarf erwartet wird. Prozentual wird in der Branche »Glas, Keramik und Zement« der größte Anstieg mit 110 Prozent erwartet. In den übrigen Branchen liegt der erwartete Anstieg im Basisszenario zwischen 22 und 89 Prozent. Der Strombedarf für Gewerbe/Handel/Dienstleistungen steigt schwächer, um 2 bis 41 Prozent im Vergleich zu heute.

Ausbaupotenziale und Strombedarfe ungleich verteilt

Das Team des Fraunhofer ISE beziffert das gut verfügbare Stromerzeugungspotenzial aus Erneuerbaren Energien auf 306 Terawattstunden (TWh). Dabei wurde für PV-Freiflächen nicht das technische Potenzial, sondern das Potenzial auf 2 Prozent der Landesfläche und für die Windkraftanlagen nur das Potenzial auf generell geeigneten Flächen aufgelistet. Die aktuelle politische Zielsetzung von 30,7 Gigawatt PV-Leistung auf Dächern entspricht beispielsweise etwa 40 Prozent des gut verfügbaren Potenzials. Bei der Windkraft wird vom aktuellen Ziel der Nutzung von 1,8 Prozent der Landesfläche ausgegangen, was etwa 25 Prozent des gut verfügbaren Potenzials entspricht.

Das Potenzial erneuerbarer Energien ist, wie die Nachfrage auch, in den Landkreisen Baden-Württembergs unterschiedlich verteilt. »Insbesondere in den Stadtkreisen ist das Potenzial nicht ausreichend für die berechneten Strombedarfe. In ländlich geprägten Landkreisen kann wiederum das Potenzial erneuerbarer Energien den Strombedarf weit übersteigen. Ein starker Austausch zwischen den Regionen wird daher unerlässlich sein«, sagte Dr. Verena Fluri, die das Projekt koordiniert hat.

Baden-Württemberg ist 2040 auf Importe von bis zu 69 TWh angewiesen

Vom gut verfügbaren Stromerzeugungspotenzial aus Erneuerbaren (306 TWh) sind derzeit nur rund 92 TWh anvisiert. Diese 92 TWh stellen eine Vervierfachung der heutigen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien dar und ließen sich nur mit sehr hohen Zubauraten bei Photovoltaik und Windkraft erreichen. »Baden-Württemberg wird daher voraussichtlich selbst bei einer Vervierfachung der heutigen Stromerzeugung aus Erneu-erbaren Energien auf Stromimporte angewiesen bleiben«, bilanzierte Kost.

Laut der Analyse könne das Land unter Berücksichtigung der landesspezifischen Ziele in 2040 nicht genug erneuerbaren Strom lokal erzeugen, um den Strombedarf jahresbilanziell zu decken. Beim Ausbau der Erneuerbaren entsprechend der aktuellen politischen Zielsetzung ergibt sich für 2040 ein bilanzieller jährlicher Importsaldo aus Nachbarbundesländern oder -ländern von 16 TWh (Effizienzszenario) bis 69 TWh (Elektrifizierungsszenario). Weitere Kraftwerke wie Wasserstoffkraftwerke werden zur Stromerzeugung beitragen und die bilanzielle Lücke reduzieren, allerdings nur im Umfang von ca. 10 TWh.
Ein starker Zubau von Solar- und Windkraftanlagen reduziere die Abhängigkeit und stärke die Resilienz im Stromsystem, schlussfolgert die Studie.

Für das Gelingen des Ausbaus müssten mehrere Voraussetzungen erfüllt sein, so Wolfgang Grenke, Präsident der IHK Karlsruhe, welche die Studienerstellung federführend begleitet hat: »Wir brauchen ein politisches und gesellschaftliches Klima, das den notwendigen Beitrag der Wirtschaft zur Dekarbonisierung anerkennt und unterstützt.« Denn die baden-württembergischen Unternehmen selbst zeigten sich aktiv und anpassungsbereit. 84 Prozent engagierten sich in Energieeffizienz-Maßnahmen, für 63 Prozent der Unternehmen ist Energieeinsparung gegenüber dem Vorjahr wichtiger geworden. »Die Zahlen belegen, dass die BW-Wirtschaft Herausforderungen von Energiewende und Klimaschutz gleichermaßen angenommen hat und mit dem eigenen Betrieb aktiv unterstützt, insbesondere die hiesigen Industriebetriebe. Weiter ist die Politik am Zug, um auf dem Feld der Regulatorik alle Hürden zu beseitigen, die den Klimaschutzaktivitäten der Unternehmen und dem Ausbau der Erneuerbaren im Wege stehen.«

Photovoltaik-Anlagen haben im Jahr 2023 ca. 59,9 TWh erzeugt, wovon 53,5 TWh ins öffentliche Netz eingespeist und 6,4 TWh selbst verbraucht wurden. Der Juni 2023 war mit rund neun TWh der Monat mit der höchsten solaren Stromerzeugung jemals. Die maximale Solarleistung wurde mit 40,1 GW am 7. Juli 13:15 Uhr erreicht, das entsprach einem Anteil an der Stromerzeugung von 68 Prozent. Der Photovoltaik-Ausbau übertraf im Jahr 2023 deutlich die Ziele der Bundesregierung: statt der geplanten 9 Gigawatt wurden bis November 13,2 Gigawatt errichtet, bis Ende 2023 werden es mehr als 14 Gigawatt sein. Das ist ein starker Anstieg gegenüber 2022 (7,44 GW). Damit war der PV-Ausbau erstmals in der deutschen Geschichte im zweistelligen Be-reich.

Die Wasserkraft legte gegenüber 2022 zu von 17,5 TWh auf 20,5 TWh. Die installierte Leistung von 4,94 GW hat sich gegenüber den Vorjahren kaum verändert.
Die Biomasse lag mit 42,3 TWh auf dem Niveau von 2022 (42,2 TWh). Die installierte Leistung liegt bei 9 GW.

Insgesamt produzierten die erneuerbaren Quellen im Jahr 2023 ca. 260 TWh und damit etwa 7,2 Prozent mehr als im Vorjahr (242 TWh). Der Anteil der in Deutschland erzeugten erneuerbaren Energien an der Last, d.h. dem Strommix, der tatsächlich aus der Steckdose kommt, lag bei 57,1% gegenüber 50,2% in 2022. Die gesamte Nettostromerzeugung beinhaltet neben der öffentlichen Nettostromerzeugung auch die Eigenerzeugung von Industrie und Gewerbe, die hauptsächlich mit Gas erfolgt. Der Anteil der Erneuerbaren Energien an der gesamten Nettostromerzeugung einschließlich der Kraftwerke der »Betriebe im verarbeitenden Gewerbe sowie im Bergbau und in der Gewinnung von Steinen und Erden« liegt bei ca. 54,9 Prozent (2022: 48,2 Prozent).

Die Last im Stromnetz betrug 457 TWh, ca. 26 TWh weniger als 2022. Aufgrund der hohen Strompreise und der höheren Temperaturen wurde wohl deutlich Strom eingespart. Auch der gestiegene Selbstverbrauch von Solarstrom senkt die Last. Die Last beinhaltet den Stromverbrauch und die Netzverluste, aber nicht den Pumpstromverbrauch und den Eigenverbrauch der konventionellen Kraftwerke.

Kohlestrom stark zurückgegangen
Nachdem 2022 die deutschen Kohlekraftwerke – zum einen wegen des Ausfalls französischer AKWs, aber auch wegen der Verwerfungen im Strommarkt durch den Ukrainekrieg – ihre Produktion hochgefahren hatten, sank ihr Anteil 2023 deutlich. So lag aufgrund des gesunkenen Kohlestromexports, aber auch wegen der guten Windbedingungen, die Erzeugung im November 2023 27 Prozent unter dem Vorjahresmonat.

Insgesamt ging die Erzeugung aus Braunkohle für den öffentlichen Stromverbrauch um ca. 27 Prozent zurück, von 105,94 auf 77,5 TWh. Hinzu kommen 3,7 TWh für den industriellen Eigenverbrauch. Die Bruttostromerzeugung fiel auf das Niveau von 1963.

Die Nettoproduktion aus Steinkohlekraftwerken für den öffentlichen Stromverbrauch betrug 36,1 TWh (- 35 Prozent) und 0,7 TWh für den industriellen Eigenverbrauch. Sie war um 21,4 TWh niedriger als 2022. Die Bruttostromerzeugung fiel auf das Niveau von 1955. Die Nutzung von Erdgas zur Stromerzeugung blieb mit 45,8 TWh für die öffentliche Stromversorgung und 29,6 für den industriellen Eigenverbrauch leicht unter dem Niveau des Vorjahres. Durch die Abschaltung der letzten drei Atomkraftwerke Emsland, Neckarwestheim und Isar am 15. April 2023 trug die Atomkraft nur noch 6,72 TWh zur Stromerzeugung bei, das entspricht einem Anteil von 1,5 Prozent.

Batteriespeicher entwickeln sich rasant
Mit dem Ausbau fluktuierender erneuerbarer Energien steigt auch der Bedarf an Netzausbau sowie an Speicherkapazität. Batteriespeicher, die dezentral errichtet werden, um die Erzeugung von Wind- und Solarstrom zu puffern, sind besonders gut geeignet. Das Segment der Privathaushalte zeigt ebenso wie bei den Photovoltaikanlagen ein starkes Wachstum. Insgesamt verdoppelte sich die installierte Batterieleistung fast von 4,4 GW in 2022 auf 7,6 GW in 2023, die Speicherkapazität stieg von 6,5 GWh auf 11,2 GWh. Die Leistung der deutschen Pumpspeicherwerke liegt bei rund 6 GW.

Export und Börsenstrompreis rückläufig
Nachdem 2022 im Stromhandel ein Exportüberschuss von 27,1 TWh erzielt wurde, war 2023 ein Importüberschuss von 11,7 TWh zu verzeichnen. Dies lag besonders an den geringeren Stromerzeugungskosten in den europäischen Nachbarländern im Sommer und den hohen Kosten der CO₂-Zertifikate. Der Großteil der Importe kam aus Dänemark (10,7 TWh), Norwegen (4,6 TWh) und Schweden (2,9 TWh). Deutschland exportierte Strom nach Österreich (5,8 TWh) und Luxemburg (3,6 TWh).

Im Winter stiegen die Börsenstrompreise wieder an und die CO₂-Zertifikate wurden günstiger. Das führte bereits im November zu einer ausgeglichenen Bilanz und im Dezember auch in Verbindung mit einer hohen Windstromerzeugung zu Exportüberschüssen. Deutschland hat im Gegensatz zu seinen Nachbarländern (Österreich, Schweiz, Frankreich) auch im Winter genügend Kraftwerkskapazitäten, um Strom für den Export zu produzieren.

Der durchschnittliche volumengewichtete Day-Ahead Börsenstrompreis ging stark zurück auf 92,29 €/MWh bzw. 9,23 Cent/kWh (2022: 230,57 €/MWh). Damit liegt er wieder auf dem Niveau von 2021.

Eine ausführliche Präsentation der Daten zu Stromerzeugung, Import/Export, Preisen, installierten Leistungen, Emissionen und Klimadaten finden Sie auf dem Energy-Charts Server:
https://www.energy-charts.info/downloads/Stromerzeugung_2023.pdf

Zur Datengrundlage
Diese erste Version der Jahresauswertung berücksichtigt alle Stromerzeugungsdaten der Leipziger Strombörse EEX und des europäischen Verbands der Übertragungsnetzbetreiber ENTSO-E bis einschließlich 31.12.2023. Über die verfügbaren Monatsdaten des Statistischen Bundesamtes zur Elektrizitätserzeugung bis September 2023 wurden die Viertelstundenwerte der EEX energetisch korrigiert. Für die restlichen Monate wurden die Korrekturfaktoren auf Basis zurückliegender Monats- und Jahresdaten abgeschätzt. Die hochgerechneten Werte von Oktober bis Dezember unterliegen größeren Toleranzen.

Zugrunde liegen die Daten zur deutschen Nettostromerzeugung zur öffentlichen Stromversorgung. Sie ist die Differenz zwischen Bruttostromerzeugung und Eigenverbrauch der Kraftwerke und wird in das öffentliche Netz eingespeist. Die Stromwirtschaft rechnet mit Nettogrößen, z.B. für den Stromhandel und die Netzauslastung, und an den Strombörsen wird ausschließlich die Nettostromerzeugung gehandelt. Sie repräsentiert den Strommix, der tatsächlich zu Hause aus der Steckdose kommt.

Stündlich aktualisierte Daten zur Stromerzeugung finden Sie hier: https://www.energy-charts.info

Die Presseinformation, die ausführliche Präsentation der Stromdaten und die Grafiken zum Download finden Sie auf unserer Webseite.

Der Anteil Erneuerbarer Energien an der öffentlichen Nettostromerzeugung nimmt stetig zu, in Deutschland lag er z.B. im ersten Halbjahr 2023 im Schnitt bereits bei 57,2 Prozent. Der Anteil an der Last lag im ersten Halbjahr bei 55,9 Prozent. »Um angesichts dieses wetterabhängigen grünen Stromangebots den Bedarf an Speichern zu minimieren, ist es sinnvoll, den Stromverbrauch an das Angebot anzupassen«, erklärt Prof. Bruno Burger, Senior Scientist am Fraunhofer ISE. Sein Team hat daher die Stromampel-App entwickelt, die den aktuellen Erneuerbare-Energien-Anteil an der Last anzeigt. Diese ist im Google Play Store für Android (ab Android 8) und als direkter Download auf der Webseite Energy-Charts.info verfügbar. An einer iOS-Version (ab iOS 16.2) arbeitet das Team ebenfalls. Die App ist aktuell in den Sprachen Deutsch, Englisch, Französisch, Spanisch und Italienisch verfügbar.

Grundlage der Ampel-Anzeige ist die Relation zwischen dem aktuellen Erneuerbaren-Energien-Anteil und dem durchschnittlichen Angebot aus den letzten fünf Jahren für den jeweiligen Monat (z.B. 48,0 Prozent für den Monat Juni). Liegt der aktuelle Anteil zehn Prozent unter diesem Durchschnitt, zeigt die Ampel rot an, liegt er zehn Prozent darüber, wird grün angezeigt. Die Werte dazwischen sind gelb. Die Stromdaten liegen dabei im Viertelstunden-Takt vor. Die Daten werden in der Regel jede Stunde neu geladen, um immer die aktuelle Prognose zu zeigen. Als Vorhersage stehen die Daten in aller Regel ab 19:00 Uhr für den nächsten Tag zur Verfügung.

Wer es genauer wissen möchte, kann sich auch den aktuellen und prognostizierten Beitrag der einzelnen erneuerbaren Quellen an der Last betrachten.

Neben dem Anteil der Erneuerbaren Energien lässt sich auch der Day-Ahead-Börsenstrompreis für 34 europäische Länder als Grundlage für die Stromampel verwenden.

Daten offen für alle Interessenten zugänglich

Das Team des Fraunhofer ISE stellt die Daten auf der Webseite der Energy-Charts, der App sowie über eine offene Schnittstelle (API) für alle Interessenten zur Verfügung.

So können Nutzerinnen und Nutzer ihre Smart Home-Geräte entsprechend starten, wenn die Ampel auf »grün« wechselt. Auch das Laden eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation oder andere stromfressende Prozesse (z.B. IT-Prozesse mit großen Datenmengen) lassen sich so steuern. Ein Elektrofahrzeug fährt durchschnittlich 300 Kilometer in der Woche, der Ladevorgang lässt sich oft zeitlich schieben.

»Einen finanziellen Anreiz bietet unsere Stromampel im Gegensatz zu anderen Apps nicht. Sie soll in erster Linie die Nutzung erneuerbaren Stroms maximieren und mehr Transparenz in den Stromverbrauch bringen«, erklärt Leonhard Probst aus dem Team der Energy-Charts. Durch die Nutzung des Stroms in Zeiten mit einem hohen Angebot erneuerbaren Stroms können die Verbraucherinnen und Verbraucher selbst aktiv an der Energiewende teilnehmen.

Europäischer Marktführer BSH nutzt App zur Steuerung

Die BSH Hausgeräte GmbH, zu der Marken wie Bosch, Siemens, Gaggenau und Neff gehören, setzt die Daten der Stromampel bereits ein. Mittels der Home Connect-App des führenden europäischen Hausgeräteherstellers können Nutzer und Nutzerinnen ihre intelligenten Küchen- und Hausgeräte steuern. Sie können entsprechend des Stromangebots Programme automatisch dann starten lassen, wenn gerade besonders viel Erneuerbare Energien in das Stromnetz einspeisen.

»Das gemeinsam entwickelte PV-Modul zeichnet sich durch die Verwendung von M12-Halbzellen mit zwölf Busbars und einer besonderen Anordnung der Solarzellen in einem sogenannten Querstring-Design aus«, sagt Dr. Christian Reichel, Projektleiter am Fraunhofer ISE. »Die dadurch verringerte mechanische Belastung auf die Solarzellen und Zellverbinder-Übergänge reduziert die Bruchgefahr der Solarzellen.« In das Design des PV-Moduls sind auch Ergebnisse der Lebenszyklusanalyse eingeflossen, die das Fraunhofer ISE für verschiedene Modultypen durchgeführt hat. Um einen möglichst kleinen CO₂-Fußabdruck des PV-Moduls zu erreichen, arbeitete das Forschungsteam beispielsweise optimierte Lieferketten im Detail heraus.

Seit Anfang 2023 produziert Heckert Solar das neue PV-Modul nun in Serie. Dafür wurde die Fertigung des Modulherstellers in Chemnitz erweitert und modernisiert. Herausfordernd war dabei besonders die Verschaltung der Solarzellen: Die neuen, deutlich größeren M12-Zellen erhöhen die Effizienz des Solarmoduls, konnten in bisher gängigen europäischen Fertigungsstraßen aber noch nicht verarbeitet werden. Der Anlagenbauer teamtechnik entwickelte deshalb im Rahmen des Projekts seine Stringer-Anlagen für dieses Format weiter. Der neue flexible Stringer für diverse Zellformate und mit Option für Flachdraht- und Runddraht-Verschaltung ist nun Teil der Chemnitzer Fertigung und auch im Module-TEC des Fraunhofer ISE im Einsatz. »Die Weiterentwicklung von Stringern für die Verschaltung von Solarzellen mit mehr als sechs Busbars, sowie die Draht-Verschaltung von Solarzellen im M12-Format waren ein Meilenstein für uns und tragen dazu bei, dass europäische PV-Fertigungsanlagen anschlussfähig bleiben«, sagt Thomas Fischer, Projektleiter bei teamtechnik.

Gemeinsam mit dem Aufbau eines zusätzlichen Werks in Langenwetzendorf, Thüringen, konnte die PV-Modulfertigung bei Heckert Solar 2023 insgesamt um zusätzliche 400 Megawatt pro Jahr erweitert werden. »Einen Teil des Produktionskonzepts für einen möglichst kleinen CO₂-Fußabdruck, das im Projekt erarbeitet wurde, konnten wir bereits umsetzen. So nutzen wir für die Produktion der PV-Module ausschließlich grünen Strom, der zum großen Teil durch die eigenen PV-Anlagen auf dem Werksgelände erzeugt wird. Die Abwärme aus der Produktion heizt Büroräume und Verpackungsmaterialien werden weitestgehend wiederverwendet«, erklärt Ronny Köhler, Leiter Qualitätssicherung bei Heckert Solar. »Aktuell arbeiten wir daran, unsere Zulieferketten noch stärker auf europäische Modulkomponenten und möglichst kurze Transportwege umzustellen.

Heutige PV-Stringwechselrichter arbeiten mit Ausgangsspannungen zwischen 400 V_AC und 800 V_AC. Dass trotz weiter steigender Kraftwerksleistungen die Spannung bisher nicht weiter erhöht wurde, hat zwei Gründe: Zum einen die Herausforderung, einen hocheffizienten und kompakten Wechselrichter auf Basis von Silicium-Halbleitern zu bauen. Zum anderen die aktuellen PV-spezifischen Normen, die nur den Bereich der Niederspannung (max. 1.500 V_DC bzw. 1.000 V_AC) abdecken.

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt entwickelte das Fraunhofer ISE in Kooperation mit den Projektpartnern Siemens und Sumida einen Wechselrichter, der eine Anhebung der Ausgangsspannung in den Mittelspannungsbereich (1.500 V) bei einer Leistung von 250 kVA erlaubt. Möglich wurde dies durch den Einsatz von hochsperrenden Siliciumkarbid-Halbleitern.

Das Forschungsteam setzte außerdem ein Kühlkonzept mit Heatpipes um, so dass durch eine effizientere Kühlleistung auch der Materialeinsatz von Aluminium reduziert werden kann.

Enormes Einsparpotenzial durch dünnere Kabel

In einem typischen Photovoltaik-Kraftwerk sind mehrere Dutzend Kilometer an Kupferkabeln verlegt. Hier liegen erhebliche Einsparpotenziale durch eine Erhöhung der Spannung: Bei einem Stringwechselrichter mit einer Leistung von 250 kVA wird bei einer heute möglichen Ausgangsspannung von 800 V_AC ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 mm² benötigt. Erhöht man die Spannung auf 1.500 V_AC, sinkt der Kabelquerschnitt auf 35 mm². Dies reduziert den Kupferverbrauch um etwa 700 Kilogramm pro Kilometer Kabel. »Unsere Ressourcenanalysen zeigen, dass mittelfristig Kupfer aufgrund der Elektrifizierung des Energiesystems ein knapper Rohstoff wird. Die Erhöhung der Spannung erlaubt einen sparsamen Umgang mit diesen wertvollen Ressourcen«, so Prof. Dr. Andreas Bett, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme. 

Anpassung der Normen nötig

Mit dem Projekt MS-LeiKra werden die normativen Bedingungen der Niederspannung (< 1000 V_AC / <1500 V_DC) verlassen. Die aktuellen PV-spezifischen Normen decken diesen Bereich nicht ab. Daher beschäftigt sich das Projektteam auch mit den normativen Arbeiten, die sich durch die Anhebung der Spannung ergeben.

Partner für Demoprojekt gesucht

Nach der erfolgreichen Einspeisung ins Mittelspannungsnetz sucht das Forschungsteam nun Entwickler von Photovoltaik-Parks und Netzbetreiber für die Erprobung des Kraftwerkskonzeptes im Feld.

Neben dem Einsatz in der Photovoltaik ist der Schritt über die Grenzen der Niederspannung hinaus auch für andere Anwendungen wie Windkraftanlagen interessant, wo durch die steigenden Anlagenleistungen ebenfalls große Kabelquerschnitte benötigt werden. Aber auch in der Ladeinfrastruktur für größere Elektro-Fahrzeuge bzw. -fuhrparks oder Industrienetze birgt ein Mittelspannungs-Wechselrichter Einsparpotenzial durch die Reduktion von Kabelquerschnitten. 

• Vergleich Kabelquerschnitte 
• Weltpremiere: Fraunhofer ISE stellt Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Photovoltaik vor 

»Die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses ist einer der Schwerpunkte des Fraunhofer ISE. Derzeit sind 46 Mitarbeitende in der Lehre tätig und etwa 200 Bachelor-, Master- und Promotionsstudierende forschen an unserem Institut«, erklärt Prof. Andreas Bett, einer der beiden Institutsleiter des Fraunhofer ISE. »Unter unseren Kooperationen mit Universitäten weltweit nimmt die Albert-Ludwigs-Universität eine zentrale Rolle ein.« So haben Universität und Fraunhofer ISE die Studiengänge »Sustainable Systems Engineering«, »Renewable Energy Engineering« und »Solar Energy Engineering« auf den Weg gebracht, mehr als ein Dutzend Mitarbeitende des Fraunhofer ISE lehren hier.

Prof. Sonia Dsoke hat seit dem 1. Oktober 2023 die Professur für »Elektrochemische Energieträger und -Speichersysteme« am INATECH der Universität Freiburg inne, wo sie das Modul »Energiespeicherung« lehrt. Zudem leitet sie die Gruppe »Innovative Batteriematerialien« am Fraunhofer ISE und ist Mitglied des Freiburger Materialzentrums (FMF). Zuvor war die Chemikerin sechs Jahre lang Leiterin einer multidisziplinären Gruppe am Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme des Karlsruher Institut für Technologie sowie stellvertretende Direktorin der Plattform CELEST und Sprecherin des Forschungsbereichs A – Elektrodenmaterialien im Exzellenzcluster POLiS, der sich mit »Post-Lithium«-Batterieforschung beschäftigt. Am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Ulm hatte sie sich als Leiterin einer unabhängigen BMBF-Nachwuchsgruppe mit der Entwicklung neuartiger Elektroden für Hydrid-Batterie-Superkondensatoren befasst.

Ihr Kollege Prof. Holger Neuhaus, der auf über 25 Jahre Erfahrung in der Photovoltaik zurückblickt, hat am INATECH die Professur »Materialsysteme für die Solarenergienutzung« übernommen. Nach seiner Promotion an der University of New South Wales in Sydney und einer Tätigkeit als Entwicklungsingenieur bei Pacific Solar Pty Ltd war er mehr als 15 Jahre für den Solarworld-Konzern tätig gewesen, zuletzt als Leiter der globalen FuE-Aktivitäten. Seit 2018 ist er am Fraunhofer ISE verantwortlich für die Modultechnologie mit den Schwerpunkten Verschaltung, Verkapselung, Energieertragssimulation, Zuverlässigkeit, Produktionskosten, Nachhaltigkeit und Ökobilanzierung. Bei seiner Forschung zur Verschaltung und zuverlässigen Einkapselung von Solarzellen geht es um Anlagen, Materialien, Prozesse und Produkte. Dies sind neben klassischen Solarmodulen auch integrierte Anwendungen wie solare Dachziegel, Fassaden, Lärmschutzwände oder Autodächer. Auch im Rahmen seiner Professur geht es um Materialsysteme, die neben ihrer herkömmlichen Funktion zusätzlich die solare Stromerzeugung übernehmen. Im Mittelpunkt stehen virtuelle Prototypen und die Nachhaltigkeit von Solarsystemen. Neben einer Vorlesung zur industriellen Fertigung von Solarzellen und Modulen und deren Anwendungen im Masterstudiengang »Sustainable Systems Engineering« ist eine Vorlesung zu Materialien in der Solarenergienutzung geplant.

Bereits seit 2008 lehrt Dr.-Ing. Ralf Preu als freier Dozent an der Freiburger Universität, ab dem Wintersemester 2023/24 nach erfolgreicher Habilitation nun auch als Privatdozent mit Prüfungsrecht. Seit 1993 arbeitet er am Fraunhofer ISE. Nach dem Studium der Physik in Freiburg und Toronto und Abschlüssen als Diplom-Physiker an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Dr.-Ing. der Elektrotechnik und Elektronik sowie Diplom-Wirtschaftsphysiker an der Fernuniversität Hagen. Hier leitete er die Gruppe, später die Abteilung PV-Produktionstechnik und Qualitätssicherung, seit 2018 den Bereich Photovoltaik. Die Schwerpunkte des Physikers liegen im Bereich der Photovoltaik-Produktionstechnologie. Seine Vorlesungen decken neben diesem Schwerpunkt auch eine allgemeine Einführung in die Photovoltaik und Solarzellentechnologie in den Studi-engängen »Solar Energy Engineering« und »Renewable Energy Engineering and Management Master«, der ab 2024 in den Studiengang »Sustainable Systems Engineering« integriert wird. Für seine Forschungsarbeit hat Ralf Preu mehrere Forschungspreise erhalten, zuletzt 2016 den Joseph-von-Fraunhofer-Preis.

Das Energiemanagement wurde seit Herbst 2020 in allen Bereichen des Fraunhofer ISE, von der Verwaltung bis in die wissenschaftlichen Bereiche, sukzessive eingeführt. Mit dem Beginn des Ukrainekriegs und der Energiekrise Anfang 2022 erhielt das Thema zusätzliche Relevanz. Als Institut mit dem Schwerpunkt in Technologien für saubere Energie ist die Energieeffizienz für das Fraunhofer ISE ohnehin eine Herzensangelegenheit: »Das Engagement der Kolleginnen und Kollegen ist sehr groß, und wir haben auch das entsprechende fachliche Know-How zu Gebäudetechnologien am Institut«, erklärt Siri Bucher, Projektleiterin und Energiemanagementbeauftragte.

Herausforderung: Komplexe Datenerfassung
Die zentrale Anforderung des Energiemanagements ist die kontinuierliche Reduktion aller Energieverbräuche, was Strom, Gas, Kälte und Wärme umfasst. Um Einsparpotenzial zu erkennen, müssen jedoch zunächst die Verbräuche erhoben werden, was sich als schwierig erwies: Das Institut verfügt über viele Gebäude, zum Teil in Fraunhofer-Besitz, zum Teil angemietet. Für manche Liegenschaften liegen die Zählerwerte im Minuten-Takt vor, bei anderen nur als jährliche Abrechnung. Auch kommen ständig neue Immobilien, Anlagen und Mitarbeitende hinzu. »Kein Jahr ist wie das andere, daher müssen wir Kennzahlen finden, die einen Vergleich möglich machen«, erklärt Siri Bucher.
Insgesamt fließen 4400 Datenpunkte ins Energiemanagementsystem ein, davon 1200 Datenpunkte aus 250 verbauten Zählern. Pro Datenpunkt werden bis zu 78 Metadaten erfasst. Zusätzlich zu den Daten aus den Zählern sind ausgewählte Datenpunkte aus der Gebäudeautomation und Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes eingebunden. Die erhobenen Daten werden in der Energiemonitoring-Software mondas® der Mondas GmbH – ein Spin-off von Fraunhofer ISE, PSE AG und Hochschule Biberach – verarbeitet. Für eine noch bessere Datenbasis plant das Institut die Installation von weiteren 150 Zählern.

Pilot in Fraunhofer-Klimastrategie
Die Fraunhofer-Gesellschaft hat sich das Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2030 klimaneutral zu werden und Fraunhofer als Vorbild für Wissenschaft und Verwaltung zu etablieren. In diesem Rahmen engagiert sich das Fraunhofer ISE als Pilotinstitut in den Klimaschutzprojekten »Flächendeckende Einführung von Energiemanagementsystemen«, »Klimaneutrale Reinräume« und »Transformationskonzepte für Liegenschaften«.
Mit der erfolgreichen Zertifizierung nach DIN EN ISO 50001 hat das Fraunhofer ISE eine Vorlage erarbeitet, mit der die Zertifizierungsprozesse für die übrigen 75 Fraunhofer-Institute deutlich beschleunigt werden können. Im Projekt »Transformationskonzepte für Liegenschaften«, das einen Sanierungsfahrplan für alle Bestandsimmobilien der Fraunhofer-Gesellschaft beinhaltet, hat das Fraunhofer ISE einige Maßnahmen bereits erfolgreich umgesetzt. Ziel ist die Reduktion von CO₂-Emissionen im Gebäudebetrieb. So fließt seit kurzem der Strom von Deutschlands erstem solar überdachten Radweg direkt ans Institut. Die etwa 300 Meter lange Anlage erzeugt etwa 280 Megawattstunden Strom im Jahr. Zudem plant das Fraunhofer ISE die Installation von weiteren eigenen Photovoltaik-Anlagen mit insgesamt 1MWp, die auch in der Energiemonitoring-Software erfasst und visualisiert werden.

»Nachhaltig erzeugter Wasserstoff und seine Derivate werden in bestimmten Teilen des Energiesystems unverzichtbar sein«, sagt Prof. Dr. Hans-Martin Henning, Institutsleiter am Fraunhofer ISE. »Nach unseren Berechnungen sind Importe eine notwendige und wirtschaftlich sinnvolle Ergänzung zur lokalen Wasserstofferzeugung.« Power-to-X-Projekte im Gigawatt-Leistungsmaßstab, die diese Studie betrachtet, haben lange Planungs- und Bauphasen, so dass eine Realisierung erster Großprojekte in geeigneten Produktionsländern schon jetzt eingeleitet werden sollte. Nach Berechnungen des Fraunhofer ISE benötigt Deutschland bis 2030 sowohl heimisch hergestellte wie auch Importe von Power-to-X-Energieträgern mindestens im einstelligen Terawattstunden-Bereich.

»Die lokalen Produktionskosten für gasförmigen grünen Wasserstoff sind laut unseren Berechnungen für die 12 von H2Global vorausgewählten Länder nirgendwo so niedrig wie in Brasilien, Australien und dem Norden Kolumbiens. Zwischen 96 und 108 Euro kostet dort die Produktion einer Megawattstunde, das sind rund 3,20 bis 3,60 Euro pro Kilogramm grünen Wasserstoffs«, sagt Dr. Christoph Hank, Hauptautor der Studie. »Wird der Ferntransport per Schiff entweder in Form von Flüssigwasserstoff oder Ammoniak berücksichtigt, ergeben sich unter bestmöglichen Bedingungen Bereitstellungskosten für Deutschland von 171 Euro pro Megawattstunde in Bezug auf den Energiegehalt von sowohl Flüssigwasserstoff als auch Ammoniak« Die hohen kombinierten Volllaststunden für Solar- und Windenergieanlagen in diesen Ländern und die damit verbundene hohe Auslastung der derzeit noch kapitalintensiven Power-to-X-Prozesse sind laut Studie ein zentraler Vorteil dieser Länder. Eine große Distanz zwischen Erzeugung und Nutzung stelle für Ammoniak, Methanol oder Kerosin durch deren hohe Energiedichte sowie eine etablierte Schifftransportlogistik hingegen kein Ausschlusskriterium dar.

Eine Alternative sieht die Studie im Import von gasförmigem Wasserstoff via Pipeline nach Deutschland mit der Möglichkeit zur anschließenden Weiterverarbeitung zu seinen Folgeprodukten vor Ort. »Regionen in Südeuropa und Nordafrika schneiden bei diesem Szenario am besten ab«, erklärt Dr. Christoph Hank. »Unter der Voraussetzung, dass erste Abschnitte dieser Pipeline-Infrastruktur bis 2030 gebaut werden, könnten ab dann große Mengen nachhaltig erzeugten Wasserstoffs auf eine sehr kosteneffiziente Weise nach Europa und damit auch Deutschland transportiert werden«. In der Analyse weisen Regionen in Algerien, Tunesien und Spanien inklusive Transport in einer auf Wasserstoff umgerüsteten Erdgaspipeline mit 137 Euro pro Megawattstunde die niedrigsten Bereitstellungskosten für gasförmigen Wasserstoff auf. Dies entspricht 4,56 Euro pro Kilogramm grünen Wasserstoff.

Zentrale Kriterien für eine kosteneffiziente Power-to-X-Erzeugung sind laut Studie vorteilhafte Wind- und PV-Kombinationen und eine hohe Anlagenauslastung sowie vergleichsweise geringe Kapitalkosten. »Wir haben generell festgestellt, dass die Kombination aus guten Wind- und Solarstrom-Bedingungen sich sehr positiv auf die Kosten der Wasserstoffherstellung auswirkt, oft mehr, als wenn eine Region über herausragend gute Bedingungen für entweder Wind- oder Solarstromerzeugung verfügt«, erklärt Dr. Christoph Kost, verantwortlich für die Erneuerbare-Energien-Analysen der Fraunhofer ISE Studie. »Letztendlich sind möglichst günstige Erzeugungskosten von erneuerbarem Strom der entscheidende Faktor.« Weitere signifikante Kostenreduktionen sind zukünftig bei erneuerbaren Energien, der Elektrolyse, sowie durch eine Optimierung, Skalierung und einen Ramp-up der gesamten PtX-Wertschöpfungskette zu erwarten. Diese werden die Erzeugungs- und Importkosten nachhaltiger Energieträger nach 2030 weiter deutlich sinken lassen.

Die techno-ökonomischen Ergebnisse der Studie basieren auf umfangreichen Länderanalysen hinsichtlich ihres Potenzials zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien. Die als vielversprechend identifizierten Regionen wurden dann in einem weiteren Schritt hinsichtlich einer Erzeugung von grünem Wasserstoff und dessen Folgeprodukten analysiert. »Die detaillierte Auslegung und Optimierung der einzelnen Power-to-X-Parks erfolgte dann mithilfe von ‚H2ProSim‘, einer vom Fraunhofer ISE entwickelten Simulationsumgebung für Power-to-X-Wertschöpfungsketten«, erklärt Marius Holst, am Fraunhofer ISE verantwortlich für die Power-to-X Simulationen im Rahmen der Studie. Die Studienautoren betonen, dass beim Aufbau einer globalen Wasserstoff-Industrie auch der heimische Bedarf an erneuerbarer Energie und nachhaltigen Energieträgern der zukünftigen Exportländer zu decken ist und dass die Errichtung einer Erzeugungs- und Exportinfrastruktur in Abstimmung und Einklang mit den lokalen Interessenvertretenden geschehen muss.