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Fraunhofer IEG - Forschungseinrichtung

Die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG forscht an sechs Standorten auf den Gebieten integrierter Energieinfrastrukturen, Geothermie und Sektorenkopplung für eine erfolgreiche Energiewende. Wir entwickeln Ideen, Technologien und Strategien für die nächste Phase der Transformation der Energiesysteme und verstehen uns als unabhängiger Vordenker für Politik, Wirtschaft, Regulierung und Gesellschaft. Durch die Gründung der Fraunhofer IEG leistet die Fraunhofer-Gesellschaft einen wesentlichen Beitrag daran, die Märkte für die Anwendung von Geothermischen Energiesystemen, der Speicherung von Energieträgern und Technologien zur Kopplung der Energiesektoren Wärme, Strom und Verkehr noch gezielter zur erschließen.

Unsere Kompetenz im Bereich der Energieforschung stützt sich auf die Synergie aus technischem, natur- und wirtschaftswissenschaftlichem Wissen unserer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

Bei unserer Arbeit wenden wir nicht nur ein breites Spektrum fortgeschrittener wissenschaftlicher Methoden und Modelle auf Basis unser umfangreichen experimentellen Labor- und Testinfrastruktur an, sondern entwickeln diese auch unter Nutzung der Erkenntnisse aus den durchgeführten Forschungsprojekten kontinuierlich weiter.

Schwerpunktthemen sind Energieinfrastrukturen und Sektorenkopplung, Wärmebergbau und Speicherung, Bohrlochtechnologien, Georessourcen und die Entwicklung der dafür benötigen Technologiebausteine, Energietechnik sowie CO2-Abscheidung.

Forschungsfelder

Energietechnik und Infrastrukturen

In unserer Abteilung »Energietechnik und Infrastrukturen« in Bochum mit den Abteilungen

  • Verfahrenstechnik
  • Infrastrukturen Wärme und Kälte
  • Energiesysteme
  • Upstream Processing
  • Gebäudeintegration

erforschen und entwickeln wir Verbundlösungen zur Nutzung thermischer Energie aus Gewinnungs- und Speichersystemen.

Die Bandbreite reicht von thermodynamischen Wandlern der nächsten Generation, wie Hochtemperaturwärmepumpen und Mehrphasen-Salzspeichern über binäre Kraftwerksprozesse, Verfahrenstechnik für die Wasserentsalzung und CO2-Abtrennung bis hin zu Hochtemperatur-Bohrlochpumpen. Netzseitig erforschen wir die Möglichkeiten zur Optimierung und Betriebsführung von Quartiersnetzen mit bi-direktionalem Lastmanagement für Kälte und für Wärme bis zu klassischen Fernwärmestrukturen der Metropolregionen.

Zentrale Aspekte der Forschung sind die systemische Einbindung der Geothermie-, Wasserstoff- und thermischen Energietechnik, Optionen zur Wärmespeicherung, Nutzung und Erschließung unkonventioneller Wärmequellen, Optimierung von Heiz- und Kühllasten in großen Gebäuden, Kombination von Geothermie mit weiteren Energieträgern und Evaluieren und Einbinden neuer Anwendungsfelder.

Fertigungstechnik und Energiesysteme

Neben der Senkung des Temperaturniveaus und der damit erhöhten Gesamteffizienz zeichnen sich Wärmenetze der 4. Generation vor allem durch die Nutzung regenerativ bereitgestellter Wärmequellen wie Solarthermie, Abwärmenutzung und Wärmepumpen aus.

Aufgrund der perspektivisch sinkenden Temperaturen und der steigenden Nachfrage nach Wärmenetzen in Verbindung mit der Sektorenkopplung bieten sich Möglichkeiten für den Einsatz neuer Bauweisen, Materialen und Fertigungstechnologien zur schnellen und wirtschaftlichen Herstellung thermodynamischer Wandler.

Hierbei forschen wir vor allem an folgenden Themen:

  • Thermodynamische und regelungstechnische Analyse entsprechender Wärmeversorgungsinfrastrukturen zur Ableitung von Anforderungen thermodynamischer Wandler
  • Potenzialanalyse für den Einsatz kosteneffizienter thermodynamischer Wandler in Kunststoffbauweise
  • Erforschung und Entwicklung angepasster Kunststoffverbundwerkstoffe und deren Verarbeitung zur Herstellung thermodynamisch, thermo-mechanisch und wirtschaftlich optimierten Komponenten
  • Prototypische Umsetzung und Systemtest von thermodynamischen Wandlern im Niedertemperaturbereich bis 160 °C
  • Erforschung additiver Multimaterialtechnologien für eine flexible Stückzahl- und Leistungsskalierung

Georessourcen

In unserer Abteilung für Georessourcen mit den Arbeitsgruppen

forschen wir im Bereich der Untergrund-Exploration, Vorerkundung und Charakterisierung der Reservoire und Speicher von Stoffen und Wärme, evaluieren und analysieren explorations- und produktionsbedingte Georisiken und bündeln das digitale Daten-Management.

Wesentliche Bestandteile unserer Projekte sind die Entwicklung und Innovation in Explorationsmethoden der Oberflächen- und Bohrlochgeophysik, moderne Reservoirsimulations- und -managementverfahren, Abschätzungen der nachhaltigen Wärmeleistung in Reservoiren und die Optimierung von untertätigen Speicher- und Entnahmeprozessen. In Pilotanlagen werden zudem gegenseitige hydraulische, thermische und seismische Beeinflussungen von Tiefbohrungen getestet und Daten zur Genese, Sicherheit und Schadenabwehr bei der Nutzung von Georessourcen im Bergbau und im natürlichen Gebirge erhoben. Dazu gehört auch der Umgang mit und die Kontrolle von potenziellen Georisiken.

In unseren Laboren werden physikalische Veränderungen von Gesteinen bei hohem Gebirgsdruck gegen Wasser, Salzlösungen und Gasen sowie das Verhalten von Fluiden und Gasen in geologischen Formationen und Speichergesteinen auch in mehreren Tausend Metern Tiefe getestet. Neben der Erschließung von Thermalwässern aus großen Tiefen ist auch die Gewinnung von Rohstoffen wie seltenen Metallen aus Thermalwässern und anderen Geofluiden wesentlicher Bestandteil der Forschungsaktivitäten.

Geotechnologien

Mit unserer Abteilung für Geotechnologien und den Arbeitsgruppen

forschen wir an technischen Systemen zur Erkundung, Erschließung und Entwicklung untertägiger Reservoire und Speichersysteme und den dafür benötigten Technologien.

In enger Zusammenarbeit mit der Industrie und anderen Forschungseinrichtungen entwickeln wir innovative thermische, hydraulische und mechanische Bohrverfahren und bringen diese zur industriellen Anwendung. Zudem entwickeln wir Reservoir- und Risikomodelle aufgrund von seismischen Explorationen, Laborversuchen oder bohrlochgeophysikalischen Messungen. Ergänzt werden die Analysen durch Feldversuche, Produktions- und Injektionstests zu den hydraulischen Eigenschaften der Lagerstätten. Im Geotechnikum werden Tests an Bohrlochmaterialien, Reservoirgesteinen und Fluiden durchgeführt, um deren Nutzung zu optimieren.

Unsere Bohringenieure entwickeln mit dem Fraunhofer-Drilling-Simulator und Fraunhofer-IEG-eigenen Bohranlagen innovative Bohrsysteme und koordinieren Planungs-, Genehmigungs- und Ausführungsarbeiten für Tiefbohrprojekte. Wir implementieren vorausschauende Condition-Monitoringverfahren mittels akustischer Sensorik und mathematischer Codes für die selbstlernende Kontrolle von bohr-, reservoir- und energietechnischen Prozessen. Projektbezogen charakterisieren wir Reservoirs und Speichergesteine im Gelände, in Bohrungen und im Labor und greifen für die Reservoirmodellierungen auf umfangreiche Daten aus unseren Gesteinsdatenbanken zu.

Integrierte Energieinfrastrukturen

Die Schwerpunkte liegen auf der ganzheitlichen Analyse sektorgekoppelter Energieinfrastrukturen des Strom-, Wärme- und Gassektors, der energierelevanten IT-Infrastrukturen sowie gekoppelter Energie-/Wasserinfrastrukturen.

Bei Entwicklung von Strategien und Pfaden für die Transformation des Energiesystems rücken Infrastrukturen und deren Verknüpfung zunehmend in den Fokus. Dies betrifft sowohl strukturelle Überlegungen zur übergreifenden systemischen Betrachtung der Interaktionen als auch detaillierte Modellierung von Übertragungs- und Verteilnetzen mit den relevanten technischen und wirtschaftlichen Restriktionen.

Hierbei stoßen derzeitige Modelle an ihre Grenzen, da die übergreifende Kopplung aller Angebots- und Nachsektoren durch vollständig integrierte Infrastrukturen ein deutlich höheres Maß an Komplexität impliziert und gleichzeitig einige Kopplungsoptionen derzeit noch hohe Unsicherheiten bezüglich deren techno-ökonomischer Charakterisierung aufweisen.

Im Forschungsfeld Integrierte Energieinfrastrukturen entwickeln wir Modelle und Methoden zur Analyse sektorgekoppelter Infrastrukturen, die den genannten Herausforderungen gerecht werden.

Dabei sind insbesondere folgende Sektor übergreifende Themen relevant:

  • Beschreibung der intermodalen Kopplung der energetischen Infrastrukturen
  • Umfassende Infrastruktur- sowie System- und Standortmodellierung und -analysen
  • Erarbeitung von Aus- und Rückbau-Strategien und alternativen Nutzungskonzepten (zum Beispiel für Datennetze) für existierende Netze
  • Analyse der systemischen Risiken der Interaktion verschiedener Infrastrukturen

Integrierte Systemführung – Open District Hub

Das Forschungsfeld Integrierte Systemführung – Open District Hub verfolgt das Ziel, einen signifikanten Beitrag zur zweiten Phase der Energiewende, der ganzheitlichen Systemintegration erneuerbarer Energien mit der Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität auf Quartiersebene zu leisten.

Diese zweite Phase ist laut acatech von zwei zentralen Herausforderungen gekennzeichnet: Zum einen von der Notwendigkeit des kontinuierlichen Ausbaus der erneuerbaren Energien sowie der damit verbundenen wirtschaftlich tragfähigen Systemintegration und zum anderen von der Sektorenkopplung mit der zunehmenden Nutzung von erneuerbar erzeugtem Strom insbesondere in den Sektoren Wärme und Verkehr.

Hierbei bietet der Einsatz erneuerbarer Energien mit räumlicher Nähe zum Verbrauch die Möglichkeit, cross-sektorale Flexibilitätspotentiale der Verbraucher unmittelbar zu nutzen und wirtschaftlich sinnvoll mit der volatilen Erzeugung in Einklang zu bringen. Die zuvor beschriebenen Potenziale sind speziell im Quartiersbereich enorm hoch, da hier unzählige ungenutzte Flächen zum Ausbau erneuerbarer Energien und gleichzeitig verschiedenste cross-sektorale Flexibilitätspotentiale zur Verfügung stehen.

Somit steht die Entwicklung intelligenter, ganzheitlicher Quartierskonzepte unter konsequenter Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität in den Mittelpunkt dieses Forschungsfeldes.

Labore

Unsere Labore, Testfelder und Observatorien an den Standorten Bochum und Weisweiler decken alle relevanten Themen und Aktivitäten zur Entwicklung und Umsetzung der Forschungsfelder der Fraunhofer IEG ab.

Unsere Labore

Speicher und Untertagesysteme

In der Abteilung Speicher und Untertagesysteme mit den Arbeitsgruppen

  • Speicher
  • Bergbaufolgenutzung für Tagebaue und für Untertage
  • Bohrlochsysteme
  • Oberflächengeothermie

entwickeln wir innovative Lösungen für untertägige und obertägige Gewinnungs- und Speichersysteme sowie deren Kopplung an lokale bis kommunalen Versorgungsinfrastrukturen.

Auch nach dem Ende des fossilen Energiezeitalters kommt dem unterirdischen Raum eine besondere Bedeutung für die Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie und Energierohstoffen zu. Der Untergrund bleibt ein zentrales Element zukünftiger vernetzter Energieinfrastrukturen. Dazu gehören großskalige thermische Phasenwechsel-Speicher sowie stoffliche Speicher für Wasserstoff, Kohlendioxid oder Erdgas.

Unsere Forschungsaktivitäten adressieren Sonderanwendungen für die Wärme- und Kälteversorgung von Industrie und Landwirtschaft, wie zum Beispiel die Nachnutzung von Tiefbohrungen, stillgelegten Bergbauinfrastrukturen von Tagebauen und von Untertagebergwerken sowie von Grubenwässern.

Zu unseren Leistungen zählen forschungsorientierte Standortanalysen und Machbarkeitsstudien für energietechnische Anwendungen zwischen der thermischen Geophysik und der thermischen Bauphysik beziehungsweise der industriellen Prozessführung bei großen oberflächennahen Geothermieanlagen. Dazu nutzen wir unter anderem Thermal Response Tests (TRT) oder Enhanced Geothermal Response Tests (EGRT), um grundlegende Eignung, Auslegung und Wirtschaftlichkeit geplanter Geothermieanlagen zu bewerten. Ausgehend von Standortfaktoren und Gebäudeeigenschaften werden Konzepte zum Heizen und/oder Kühlen erstellt.

Wärme-, Gas- und stoffliche Infrastrukturen

Die Transformation und der Ausbau der existierenden Wärme- und Gas-Infrastrukturen im Zuge der Energiewende ist in vollem Gange, und neue stoffliche Infrastrukturen werden erforderlich, zum Beispiel für CO2.

Neben dem Ausbau an sich wandeln sich auch die dabei zum Einsatz kommenden Technologien, Strukturen und Betriebsweisen. Hierbei forschen wir unter anderem an folgenden Themen:

  • Detaillierte Bedarfsplanung und grundsätzliche Auslegung von Wärmenetzen in einem künftigen Energiesystem unter Berücksichtigung aller relevanten Wechselwirkungen mit anderen Infrastrukturen und mit besonderem Blick auf alle Power-to-Heat Anwendungen
  • Großwärmepumpen in der MW-Klasse und deren Auslegungs- und Einsatzoptimierung, hierfür werden in Zittau Fertigungstechnologien entwickelt
  • Entwicklung von Mehrleiter-Netzen oder Niedrig-Exergie-Netzen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus zur Wärmeversorgung für die Integration industrieller Niedertemperatur-Abwärme sowie dezentraler erneuerbarer Erzeugungsanlagen
  • Steuerung bidirektionaler Niedertemperaturnetze mit mehreren Wärmequellen und abnahmeseitigem Lastmanagement
  • Umbau bestehender Erdgas-Netze für multi-modalen Betrieb von H2 und CH4
  • Aufbau einer Wasserstoffversorgungsinfrastruktur
  • (Weiter-)Entwicklung von Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus Gasströmen mit unterschiedlicher Zusammensetzung und CO2-Konzentration

Wissenstransfer

Der Transfer von Wissen und von Forschungskompetenz der Fraunhofer IEG zur Energiewende in die Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft erfolgt im nationalen und im internationalen Raum. Um für Ihre Fragestellungen die richtigen Ansprechpartnerinnen und Ansprechpartner in der Fraunhofer IEG zu finden, stehen Ihnen Transfermanagerinnen und Transfermanager mit langjähriger Erfahrung zur Seite.

Letzte Änderung Januar 2020