Masterplan
Energieforschung in Sachsen
2
Grußworte
Die Energieforschung besitzt für den Freistaat Sachsen einen hohen Stel-
lenwert. Hochschulen und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen be-
fassen sich in vielfältiger Weise mit dem Thema Energieforschung. Das Inei-
nandergreifen von Grundlagenforschung und angewandter Forschung prägt
die Energieforschung in Sachsen heute genauso wie langfristige strategi-
sche Partnerschaften zwischen Wissenschaft und Wirtschaft.
Die Energieforschung in Sachsen ist z.B. in den Bereichen Materialfor-
schung, Kälte- und Wärmekopplung, Speichertechnologien, Brennstoffzel-
lenforschung, Energieeffizienz in der Produktion sehr gut und breit aufge-
stellt. Bestätigt wird dies durch die Veröffentlichung der durch das Sächsi-
sche Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr (SMWA) in Auf-
trag gegebenen Akteursstudie. Gleichzeitig wurde darin aber auch deutlich,
dass die nationale und internationale Sichtbarkeit der Energieforschung in
Sachsen und die Drittmittelakquise auf verschiedenen Ebenen noch verbes-
sert werden könnten. Auch die Transferpotentiale seien besser auszuschöp-
fen.
Doch wie lassen sich die beschriebenen Verbesserungschancen realisieren?
Eine Antwort auf diese Frage zu finden, ist deshalb so wichtig, weil es gilt,
die Energieforschung in Sachsen mit dem Ziel exzellenter Forschung und
strategischer Partnerschaften zwischen Wissenschaft und Wirtschaft wei-
terzuentwickeln. Aufgaben gibt es genug. Beispielhaft zu nennen ist die
Thematik „Sektorenkopplung“, also die gesamtsystemische Integration der
verschiedenen, bisher vielfach einzeln betrachteten Sektoren Elektrizität,
Wärmeversorgung und Verkehr. Die Digitalisierung der Energiewirtschaft
schreitet voran und bietet zahlreiche neue Möglichkeiten, um Mehrwerte zu
erzielen, die weit über das hinausgehen, was die klassischen Aufgaben der
Energiewirtschaft sind. Unsere exzellenten Kompetenzen in den Bereichen
der Nanotechnologie und Mikroelektronik, der anwendungsorientierten
Software- und Datenübertragungsforschung, in den Materialwissenschaften
und beim Leichtbau sowie unsere rege Start-up-Szene und insgesamt die
Unternehmenslandschaft suchen für alle diese Themen bereits heute nach
neuen bahnbrechenden Erkenntnissen und innovativen Lösungen.
Der „Masterplan Energieforschung in Sachsen“ geht zurück auf einen An-
tragsbeschluss der Regierungsfraktionen CDU und SPD im Sächsischen
Landtag. Er soll zur Weiterentwicklung unserer sächsischen Energiefor-
schung beitragen und damit vor allem einen strategischen Orientierungs-
rahmen für die verschiedenen Akteure schaffen. Der Masterplan Energiefor-
schung ist das Ergebnis eines umfassenden Beteiligungsprozesses, an dem
zahlreiche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Hochschulen und außer-
universitären Forschungseinrichtungen sowie von Forschung und Entwick-
lung treibenden Unternehmen mitwirkten. Seine Inhalte wurden auf einem
Kongress diskutiert, über verschiedene Umfragen abgerufen und umfassend
ausgewertet. Ich danke ganz besonders den Mitarbeiterinnen und Mitarbei-
tern der VDI/VDE-IT GmbH, die diesen Prozess in seinem gesamten Umfang
intensiv begleitet haben.
Dr. Eva-Maria Stange
Sächsische Staatsministerin für Wissenschaft und Kunst
Dr. Eva-Maria Stange
Staatsministerin für Wissen-
schaft und Kunst
Foto: Martin Förster
3
Sachsen ist ein traditionsreiches Energieland. Sowohl bei der Energieum-
wandlung als auch bei der Verteilung und der Speicherung von Energie
werden in Sachsen modernste Verfahren und Technologien angewandt. Da-
bei ist uns stets wichtig, eine verlässliche, ökologisch sinnvolle und kosten-
effiziente Energieversorgung in allen Bereichen zu erreichen. Die „Energie-
wende“ bedeutet einen grundlegenden Umbau unseres Energiesystems hin
zu mehr dezentralen Erzeugungsanlagen für Strom und Wärme, neuen –
intelligenten! – Formen der Energienutzung und nicht zuletzt der Einfüh-
rung innovativer Verkehrs- und Antriebssysteme auf unseren Straßen. Dabei
sind sächsische Unternehmen und Forschungseinrichtungen mehr denn je
gefragt.
Eine weitere wichtige Herausforderung der kommenden Jahre ist die Digita-
lisierung der Energiewirtschaft. Immer mehr „verschwimmt“ das klassische
Rollenbild vom Produzenten und Konsumenten, Verträge werden individuell
auf die Bedürfnisse und Wünsche der Marktteilnehmer angepasst. Die Ener-
giewende birgt viele Chancen, neue Geschäftsmodelle und Dienstleistungen
zu entwickeln und anzubieten, die wir so heute noch nicht kennen. Die
technologieübergreifende beziehungsweise interdisziplinäre Vernetzung ist
dafür ein zentrales Instrument.
Um diesen Transformationsprozess sinnvoll begleiten zu können, haben wir
gemeinsam mit dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und
Kunst (SMWK) sowohl die bereits bestehenden Stärken der sächsischen
Energieforschungslandschaft identifiziert als auch nach Bereichen geschaut,
die wir in Zukunft noch besser unterstützen wollen. Herausgekommen ist
ein „Masterplan Energieforschung in Sachsen“, der die sächsischen Akteure
in ihrem Handeln bestärken soll und Maßnahmen beschreibt, wie sich Sach-
sen weiterhin unter den Top Forschungs- und Innovationsstandorten in der
Energieforschung in Deutschland behaupten kann.
Allein im Jahr 2015 wurden 21 Millionen Euro an reinen Landesmitteln in
die Energieforschung in Sachsen investiert – das ist Platz vier im Bundes-
vergleich. Um die besten Lösungen zu finden, setzen wir in unseren Förder-
programmen u. a. auf Technologie- und Branchenoffenheit. Mit den Förder-
programmen unterstützen wir Projekte der angewandten Forschung sächsi-
scher Hochschulen und Forschungseinrichtungen, Forschungs- und Ent-
wicklungsvorhaben sächsischer Unternehmen, z.T. gemeinsam mit den wis-
senschaftlichen Einrichtungen, aber auch den Aufbau von Pilotlinien auf
dem Gebiet der Schlüsseltechnologien. Ziel ist es, den Transfer von For-
schungsergebnissen in deren wirtschaftliche Nutzung voranzutreiben.
Die Kombination aus Spitzenforschung und dem anschließenden Wissens-
und Technologietransfer in die Wirtschaft ist eine besondere Stärke Sach-
sens. Die Staatsregierung wird dies auch in Zukunft unterstützen.
Martin Dulig
Sächsischer Staatsminister für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Martin Dulig
Staatsminister für Wirtschaft Arbeit
und Verkehr und stellvertretender
Ministerpräsident
Foto: Götz Schleser
4
Inhalt
Grußworte ................................................................................................................................... 2
Abkürzungsverzeichnis .............................................................................................................. 7
Begriffsdefinitionen ................................................................................................................. 10
Zusammenfassung ................................................................................................................... 14
1
Zielstellung und Methodik ...................................................................................... 20
1.1
Zielstellung ................................................................................................................................................................ 20
1.2
Methodik .................................................................................................................................................................... 21
2
Energieforschungspolitische Zielsetzungen und Förderschwerpunkte ........... 22
2.1
Energieforschung in Sachsen – Kontext und historische Bezüge ............................................................. 22
2.2
Förderung der Energieforschung – EU, Bund und Land ................................................................................ 23
2.2.1
Energieforschungsförderung der EU .................................................................................................................. 23
2.2.2
Energieforschungsförderung der Bundesregierung ....................................................................................... 24
2.2.3
Energieforschungsförderung des Freistaates Sachsen .................................................................................. 25
3
Energieforschung in Sachsen ................................................................................. 26
3.1
Darstellung der Akteurslandschaft ..................................................................................................................... 26
3.2
Kooperationsplattformen sächsischer Akteure ............................................................................................... 27
3.2.1
Nationale Kooperationsplattformen .................................................................................................................. 27
3.2.2
Internationale Kooperationsplattformen .......................................................................................................... 29
3.3
Analyse des FuE-Kompetenzportfolios .............................................................................................................. 30
3.3.1
Themenfeldanalyse „Energieumwandlung“ ...................................................................................................... 34
3.3.2
Themenfeldanalyse „Energieverteilung und Energienutzung“ .................................................................... 36
3.3.3
Themenfeldanalyse „Übergreifende Energieforschung“ ............................................................................... 36
3.3.4
Themenfeldanalyse „Gesellschaftsverträgliche Transformation“ ............................................................... 38
3.3.5
Themenfeldanalyse „Nukleare Sicherheitsforschung“ .................................................................................. 39
3.4
Schwerpunkte der Energieforschung in Sachsen ........................................................................................... 39
3.4.1
Energieumwandlung ............................................................................................................................................... 39
3.4.2
Energieverteilung und Energienutzung ............................................................................................................. 63
3.4.3
Systemorientierte Energieforschung und Querschnittsthemen ................................................................. 81
3.4.4
Fusionsforschung ..................................................................................................................................................... 90
3.4.5
Nukleare Sicherheitsforschung ............................................................................................................................ 90
3.5
Stärken/Schwächen-Analyse der Energieforschungslandschaft Sachsens ............................................. 93
3.5.1
Stärken ....................................................................................................................................................................... 93
3.5.2
Schwächen ................................................................................................................................................................ 94
4
Strategischer Ausblick ............................................................................................. 96
4.1
Besonders vielversprechende Forschungsansätze .......................................................................................... 96
4.2
Partizipationsprozesse auf dem Gebiet der Energieforschung intensivieren ......................................... 97
4.2.1
Regionale Netzwerke .............................................................................................................................................. 97
4.2.2
Internationale Veranstaltungen sächsischer Akteure ................................................................................... 97
4.2.3
Finanzielle Unterstützung von Vernetzungsaktivitäten ............................................................................... 98
5
4.2.4
Beteiligung an den Forschungsnetzwerken Energie der Bundesregierung ............................................. 98
4.2.5
Beteiligung an den European Technology Platforms .................................................................................... 98
4.3
Langfristige strategische Partnerschaften zwischen Wissenschaft und Wirtschaft – als Basis für
einen erfolgreichen Wissenschafts- und Technologietransfer ................................................................... 98
4.3.1
Pilotanlagen und Demonstrationsvorhaben .................................................................................................... 98
4.3.2
Modellregionen für Transformation und Entwicklung strukturschwacher Regionen .......................... 99
4.4
Steigerung der Beteiligung an EU-Programmen ............................................................................................ 99
4.4.1
Steigerung der Erfolgsquoten bei Horizon 2020-Anträgen ........................................................................ 99
4.4.2
Beteiligung an den European Technology Platforms .................................................................................... 99
4.4.3
Gutachteraufträge für Horizon 2020-Ausschreibungen .............................................................................. 99
4.4.4
Nutzung direkter Kommunikationswege für die Mitgestaltung von Ausschreibungen ................... 100
4.4.5
Weiterentwicklung der Zentralen EU-Serviceeinrichtung Sachsen (ZEUSS) ....................................... 100
4.4.6
Intensivierung der Kooperation mit europäischen Nachbarstaaten ...................................................... 100
4.5
Steigerung der Beteiligung an Bundesprogrammen .................................................................................. 100
4.5.1
Steigerung der Erfolgsquoten bei Bundesausschreibungen ..................................................................... 100
4.5.2
Beteiligung an den Forschungsnetzwerken Energie der Bundesregierung .......................................... 100
4.5.3
Initiierung von Verbundvorhaben über Netzwerke ..................................................................................... 100
4.6
Forschungsförderung auf Landesebene .......................................................................................................... 100
4.7
Attraktivität des Energieforschungsstandortes Sachsen für Studierende und
ansiedlungsinteressierte Unternehmen .......................................................................................................... 101
ANHANG .................................................................................................................................. 102
Anhang 1: Programm „Energiedialog“ 24.03.2017 .......................................................................................................... 103
Anhang 2: Fragebogen ............................................................................................................................................................. 104
Anhang 3: Nationale Kooperationsplattformen ............................................................................................................... 109
Anhang 4: Internationale Kooperationsplattformen ....................................................................................................... 117
Anhang 5: Expertenübersicht ................................................................................................................................................ 120
Anhang 6: Akteursüberblick - Zuordnungsmatrix ........................................................................................................... 122
Anhang 7: Mitglieder des Clusters „Organic Electronic Saxony“ ................................................................................ 127
6
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:
SET-Plan mit sechs Handlungsfeldern, 10 Arbeitsthemen und 13 Bereichen des
integrierten Plans ..................................................................................................................................... 24
Abbildung 2:
Verteilung der Rückläufe auf die Gruppen von Akteuren ............................................................. 26
Abbildung 3:
Ungewichtete Anzahl der Nennungen der FuE-Themenfelder der Akteure (Gesamt,
Unternehmen, Wissenschafts- und FuE-Einrichtungen) ............................................................... 30
Abbildung 4:
Gewichtete Anzahl der Nennungen der FuE-Themenfelder der Akteure (Gesamt,
Unternehmen, Wissenschafts- und FuE-Einrichtungen) ............................................................... 31
Abbildung 5:
Analyse der Akteure nach Nennungen von FuE-Themenfeldern................................................. 33
Abbildung 6:
Analyse des FuE-Themenfeldes „Energieumwandlung“ in Hinblick auf die Verteilung
zwischen regenerativen und fossilen Energieträgern .................................................................... 34
Abbildung 7:
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Energieumwandlung" .......................................... 35
Abbildung 8:
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Energieverteilung und Energienutzung" ........ 36
Abbildung 9:
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Übergreifende Energieforschung" .................... 37
Abbildung 10:
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Gesellschaftsverträgliche Transformation" ... 38
Abbildung 11:
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Nukleare Sicherheitsforschung" ....................... 39
Abbildung 12:
Wertschöpfungskette für Brennstoffzellenfahrzeuge (K. Lötsch, TU Chemnitz) .................... 55
Abbildung 13:
Digitale energetische Verknüpfung von Fabrik und Energiemärkten ........................................ 78
Abbildung 14:
Die Fabrik als „micro-grid“ im „Smart-grid“ der Zukunft ............................................................. 79
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:
FuE-Themenfelder bzw. FuE-Schwerpunkte ..................................................................................... 13
Tabelle 2:
Eigene Zusammenstellung auf Basis von Wikipedia-Informationen ......................................... 40
Tabelle 3:
Wichtige Zukunftstrends sowie Forschungs- und Entwicklungsfragen der Bereiche
„Elektrolyse“, „H
2
-Speicherung/Transport“ und „Brennstoffzelle“ .............................................. 52
7
Abkürzungsverzeichnis
AAL
Ambient Assisted Living
AC
Wechselstrom
AEL
Alkalische Elektrolyse
AGEE-Stat
Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik
AIREG
Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e. V.
ASME
America Society of Mechanical Engineers
BGR
Bundesamt für Rohstoffe und Geologie
BHKW
Blockheizkraftwerk
BIPV
Building-integrated Photovoltaic (gebäudeintegrierte Photovoltaik)
BMBF
Bundesministerium für Bildung und Forschung
BMEL
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
BMUB
Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit
BMVI
Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur
BMWi
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
BPP
Bipolarplatten
BW
Baden-Württemberg
BZ
Brennstoffzelle
BZ-System
Brennstoffzellen-Systeme
CHFCA
Hydrogen Europe, Canadian Hydrogen and Fuel Cell Association
CHG
H
2
-Hochdruckspeicher
CIGRE
International Council on Large Electric Systems
CIRED
International Conference on Electricity Distribution
CO
2
Kohlenstoffdioxid
CSSI
Combined Storage System Integration
DBFZ
Deutsches Biomasseforschungszentrum
DC
Gleichstrom
DKE
Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik
DRESDYN
DREsden Sodium facility for DYNamo and thermohydraulic studies
DWV
Deutscher Wasserstoff-
und Brennstoffzellenverband
E/A
Ein-/Ausgabe
ECNP
European Center for Nanostructured Polymers
ECRN
European Chemical Regions Network
EE
Erneuerbare Energie
EEG
Erneuerbare-Energien-Gesetz
EEN
European Enterprise Network (Europäische Kommission)
EERA
European Energy Research Alliance
EEX
European Energy Exchange
EFRE
Europäischer Fond für regionale Entwicklung
EL
Elektrolyse
EnEV
Energieeinsparverordnung
EnWG
Energiewirtschaftsgesetz
ERN
EnergieRohstoff-Netzwerk
ERP
Enterprise Resource Planning
ESF
Europäischer Sozialfonds
EU
Europäische Union
EVU
Energieversorgungsunternehmen
F/E
Forschung/Entwicklung
FCEV
fuel cell electric vehicle
FCH JU
Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking
F-Gase Verordnung
Verordnung über fluorierte Treibhausgase
FIRE
Freiberger Interessengemeinschaft der Recycling- und Entsorgungsunternehmen e. V.
Fraunhofer IFAM
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung
Fraunhofer IKTS
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
Fraunhofer IWS
Fraunhofer-Institut für Werkstoff-
und Strahltechnik
Fraunhofer IWU
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
FuE
Forschung und Entwicklung
8
FRL
Fuel Readiness Level
FVEE
ForschungsVerbund Erneuerbare Energien
GDL
Gasdiffusionslagen
GDL
Gasdiffusionslagen
GHD
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
GWP-Wert
Global warming potential
H
2
Wasserstoff
HAPS
high altitude pseudo satellites
HZDR
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
IAEE
International Association for Energy Economics
IAHE
International Association for Hydrogen Energy
IEA
International Energy Agency
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFW
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung
IHK
Industrie- und Handelskammer
IIRM
Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement der Universität Leipzig
INFAI
Institut für Angewandte Informatik e. V.
IT
Informationstechnik
KET-Branchen
Key Enabling Technologies-Branchen
KMU
kleine und mittelständische Unternehmen
KWK
Kraft-Wärme-Kopplung
LH2
H
2
-Flüssigspeicher
Li
Lithium
Li-S-Batterie
Lithium-Schwefel-Batterien
MEA
Membrane-Electrode-Assembly
MES
Manufacturing Execution System
Na
Natrium
Na-S
Natrium-Schwefel
NHA
National Hydrogen Association
NIP
Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff-
und Brennstoffzellentechnologie
NKS Energie
Nationale Kontaktstelle Energie
NOW
NOW GmbH Nationale Organisation Wasserstoff-
und Brennstoffzellentechnologie
NRW
Nordrhein-Westfalen
NT-PEM-BZ
Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen
OEM
Original Equipment Manufacturer (Erstausrüster)
OES
Organic Electronics Saxony
ORC
Organic-Rankine-Cycle
PEM
Proton Exchange Membrane
PEMEL
Polymerelektrolytelektrolyse
PEMFC
Polymerelektrolytbrennstoffzelle
PKW
Personenkraftwagen
PPP
Public-private-Partnership
PtH
Power-to-Heat
PtX
Power-to-X
PV
Photovoltaik
RL
Richtlinie
S
Schwefel
SAB
Sächsische Aufbaubank - Förderbank
SAENA
Sächsische Energieagentur -SAENA GmbH
SCADA
Supervisory Control and Data Acquisition
SCI
Speicher und vernetzte Infrastrukturen
Sektoren GHD
Sektoren Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
SETIS
Strategic Energy Technology Information System
SET-Plan
Strategic Energy Technology Plan
SH2
H
2
-Sorptionsspeicher
SINTEG
Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende
SMWA
Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
SMWK
Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
SOEC
Solid oxide electrolyzer cell
9
SOEL
Festoxidelektrolyse
SOFC
Festoxidbrennstoffzelle
SOFC
Festoxidbrennstoffzelle
SPS
speicherprogrammierbare Steuerung
SysDL 2.0
Systemdienstleistungen aus Flächenverteilnetzen
TI
Tayler Instabilität
TP
Transferpotential
TRL
Technology Readiness Level
UFZ
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
ÜNB
Übertragungsnetzbetreibern
USA
United States of America
VDE
Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V.
VDI
Verein Deutscher Ingenieure e. V.
VDI/VDE-IT
VDI/VDE Innovation + Technik GmbH
VDMA
Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V.
VKTA
Strahlenschutz, Analytik und Entsorgung Rossendorf e. V.
VNB
Verteilnetzbetreiber
ZIM
Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand
10
Begriffsdefinitionen
Zum besseren Verständnis des vorliegenden Berichts werden nachfolgend häufig verwendete Begrifflichkei-
ten kurz erläutert.
Akteur
Unter Akteure verstehen sich im Rahmen der Studie im Freistaat Sachsen ansässige Unternehmen, For-
schungseinrichtungen, Netzwerke oder Verbände, die sich aktiv an der Forschung und Entwicklung im Be-
reich Energie beteiligen und eine auswertbare Rückmeldung bei der Anfrage mittels Fragebogen gegeben
haben. Bei Hochschulen, von denen eine nach Instituten, Lehrstühlen oder Professuren aufgeschlüsselte
Rückmeldung erfolgte, wurde jede individuelle Entität als eigener Akteur gezählt.
Blockchain
Als Blockchain versteht man eine dezentrale Datenbank, die durch eine stetig wachsende Liste von Transak-
tionsdatensätzen charakterisiert wird. Diese Datenbank erfährt eine chronologische, lineare Erweiterung und
sichert damit die Integrität der Datenbank.
Carbon Leakage
Der Begriff „Carbon Leakage“ bezeichnet den Zustand, wenn ein Unternehmen aufgrund der mit Klimamaß-
nahmen verbundenen Kosten die Produktion in Länder mit weniger strengen Emissionsauflagen auslagert.
Day-ahead-Markt
Day-ahead-Markt ist ein Markt, auf dem jeweils Stromlieferungen für den folgenden Tag (basierend auf
aktuellen Verbrauchsprognosen) gehandelt werden.
Dezentralisierung
Unter „Dezentralisierung“ wird im Berichtsverlauf insbesondere die Dezentralisierung der Stromerzeugung
verstanden. Charakteristikum der dezentralen Stromerzeugung ist, dass die Erzeugung verbrauchernah mit-
tels Kleinkraftwerken erfolgt.
Demonstrations- und/oder Pilotanlage
Eine technische Versuchsanlage mittlerer Größe, in der im Labor erarbeitete Verfahren vor ihrer Umsetzung
auf Großanlagen in allen Einzelheiten nochmals überprüft werden, wird als Demonstrations- und/oder Pilot-
anlage bezeichnet.
Digitalisierung
Die Digitalisierung beschreibt die Transformation von analogen Strukturen in digitale Strukturen. Dies bein-
haltet z. B. die Umwandlung und Darstellung von Informationen und die digitale Kommunikation.
(FuE)-Themenfeld bzw. FuE-Schwerpunkt
Bei der Datenerhebung wurden die FuE-Aktivitäten thematisch eingeteilt. Die Kategorisierung wurde in
Anlehnung an den Bundesbericht Energieforschung 2015
1
gewählt. Dabei bezeichnet „Themenfeld“ eine
übergeordnete Kategorie, in der gegebenenfalls weitere Unterkategorien vorgesehen wurden, die sogenann-
ten „FuE-Schwerpunkte“. Die Tabelle auf Seite 13 enthält die vollständige Einteilung.
1
Vgl. BMWi (2016): Bundesbericht Energieforschung 2016,
energieforschung,property=pdf,bereich=bmwi2012,sprache=de,rwb=true.pdf, aufgerufen am 08.06.2017.
11
Future
Unter dem Begriff „Future“ versteht man die vertragliche Verpflichtung, eine festgelegte Strommenge zu
einem festgelegten Preis in einer zukünftigen Lieferperiode zu beziehen bzw. zu liefern.
Intraday-Handel
Der Intraday-Handel bezeichnet den kontinuierlichen Kauf und Verkauf von Strom, der noch am gleichen
Tag geliefert wird (kurzfristiger Stromgroßhandel).
KMU (kleine und mittelständische Unternehmen)
Zur Einteilung der Unternehmen wurde gemäß der Definition der Europäischen Kommission für kleine und
mittelständische Unternehmen (KMU) verfahren
2
. Demnach zählt ein Unternehmen zu den KMU, wenn die
Zahl der Mitarbeiter kleiner als 250 ist und entweder der Umsatz höchsten 50 Millionen Euro oder die Bi-
lanzsumme höchstens 43 Millionen Euro beträgt. Die ermittelten Kenndaten beruhen entweder auf der Da-
tenbank der Sächsischen Wirtschaftsförderung GmbH oder auf Angaben der Unternehmen basierend auf
deren Internetpräsenz. Abweichend von der Definition der Europäischen Kommission wurde die Unterneh-
mensstruktur hier nicht berücksichtigt.
Niederspannungsnetz
Niederspannungsnetze sind Teil des Verteilnetzes und werden meist mit einer Netzspannung von 230 -
400 V bis zu 1000V betrieben.
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen
Als „Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen“ werden einerseits alle staatlichen Hochschulen (in
den Diagrammen ohne Schraffur dargestellt) sowie andererseits außeruniversitäre Forschungseinrichtungen,
Landeseinrichtungen oder als An-Institute organisierte Industrienahe Forschungseinrichtungen (in den Dia-
grammen mit Schraffur dargestellt) bezeichnet.
Pilotprojekt/Modellprojekt
Der Begriff Pilotprojekt stellt einen Großversuch dar, welcher bei gesellschaftlich, wirtschaftlich und tech-
nisch risikobehafteten Entwicklungen vor die allgemeine Einführung gesetzt wird, mit dem Ziel Fragestel-
lungen hinsichtlich der Akzeptanz, der ökonomischen und technischen Machbarkeit sowie des Marktpotenti-
als im Feldversuch zu untersuchen.
Power-to-X
Unter dem Begriff Power-to-X (PtX) wird die Umwandlung von Strom in die Energieträger Gas (Power-to-
Gas, PtG), Wärme (Power-to-Heat, PtH) und Treibstoff (Power-to-Fuel, PtF) bzw. die Anknüpfung an die
Chemie-Industrie (Power-to-Chemicals, PtC) verstanden.
Rückläufe
Die von den Akteuren eingereichten, ausgefüllten Fragebögen werden im Folgenden als Rückläufe bezeich-
net.
Sektorenkopplung
Bei der Verbindung von Sektoren der Energiewirtschaft, etwa von Strom, Wärme und Verkehr spricht man
von Sektor- oder Sektorenkopplung. Im Ergebnis entsteht ein integriertes Energiesystem, in welchem alle
Komponenten aufeinander abgestimmt werden können.
2
Vgl. EU-Kommission (2005): KMU-Definition der Europäischen Kommission,
Definition-der-Europaeischen-Kommission-972.php, aufgerufen am 08.06.2017.
12
Sloshing
Komplexe Oberflächeneffekte von Flüssigkeiten werden auch Sloshing (englisch für schwappen) genannt. Es
handelt sich um einen Teil der Fluidmechanik und umfasst das Bewegungsverhalten von Flüssigkeiten in
einem anderen Objekt.
Sonstige Forschungseinrichtungen
„Sonstige Forschungseinrichtungen“ sind im Kontext des vorliegenden Berichtes zum einen industrienahe
Forschungseinrichtungen und zum anderen Institutionen, deren Haupttätigkeitsfeld Forschung und Entwick-
lung ist. Sie zählen nicht zu den öffentlich finanzierten Wissenschaftseinrichtungen.
Systemdienstleistung
Unter Systemdienstleistungen werden Hilfsdienste zur Spannungs- und Frequenzerhaltung verstanden, die
zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Elektrizitätsversorgung dienen und damit eine Verkürzung der Dauer
einer Versorgungsunterbrechung bei bzw. nach einer Störung bewirken.
Taylor Instabilität
Unter der Taylor-Instabilität versteht man in der Physik eine Instabilität, die in einer Flüssigkeitsschicht
zwischen zwei koaxialen Zylindern auftreten kann.
Technologieorientierte FuE-Themenfelder
Als technologieorientierte Themenfelder werden Forschungsaktivitäten, die mehrheitlich auf neuartige Tech-
nologien und technische Innovationen fokussiert sind, zusammengefasst. Dazu zählen die Themenfelder
„Energieumwandlung“, „Energieverteilung & Energienutzung“, „Materialforschung für die Energiewen-
de“ und „Anlagenbau für die Energie- & Kraftstofftechnik“, „Fusionsforschung“ sowie „Nukleare Sicherheits-
forschung“.
Umkehr des Leistungsflusses
Mit zunehmender dezentraler Einspeisung erneuerbarer Energien ins Mittel- und Niederspannungsnetz (z. B.
durch Photovoltaik- oder Windenergieanlagen) kann es zur Umkehrung des Leistungsflusses kommen, sodass
die veränderten Belastungssituationen die existierenden Netze an die Grenzen ihrer Aufnahmefähigkeit
führen können. Lösungsansätze sind im Ausbau der Netzkapazität bzw. in der Ausstattung des Netzes mit
Automatisierungstechnik und damit dem Ausbau zu intelligenten Netzen zu suchen.
Übergeordnete/gesellschaftliche FuE-Themenfelder
Übergeordnete bzw. gesellschaftliche Themenfelder konzentrieren sich auf die politischen, wirtschaftlichen
und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen der Energiewende. Diese sind in den beiden Themenfeldern
„Übergreifende Energieforschung“ und „Gesellschaftsverträgliche Transformation“ zusammengefasst.
Übertragungsnetz
Das Übertragungsnetz ist der Teil des Stromnetzes, mit dem elektrische Energie über weite Entfernungen
über Hochspannungsleitungen geleitet werden kann.
Verteilernetz
Die Verteilung von elektrischer Energie hin zu den Verbrauchern erfolgt über das Verteilernetz, welches in
Hochspannung (110 kV), Mittelspannung (bis 50 kV) und Niederspannung (400 V) unterteilt ist. Während
Industrieunternehmen vorrangig an das Hoch- oder Mittelspannungsnetz angeschlossen sind, werden klei-
nere Verbraucher an das Niederspannungsnetz angeschlossen.
13
Tabelle 1:
FuE-Themenfelder bzw. FuE-Schwerpunkte
FuE-Themenfeld
FuE-Schwerpunkte
Energieumwandlung
Photovoltaik
Windenergie
Bioenergie
tiefe Geothermie
Brennstoffzellen und Wasserstoff
solarthermische Kraftwerke
Wasserkraft und Meeresenergie
Kohle/Gas
Wärme-/Kälteerzeugung
Grüne Kraftstoffe
Sonstiges
Energieverteilung und Energienutzung
Speicher
Netze
Energieeffizienz in Gebäuden/Quartieren/Städten
Energieeffizienz in Industrie/Gewerbe/Handel
Sonstiges (z. B. Akkubetriebene Elektromobilität im Sinne
der Speichertechnologien)
Übergreifende Energieforschung
Querschnittsforschung und Systemanalyse
Begleitforschung und Evaluation der Projektförderung
Informationsverarbeitung
Sonstiges
Materialforschung für die
Energiewende
Anlagenbau für die Energie- und
Kraftstofftechnik
Fusionsforschung
Gesellschaftsverträgliche
Transformation
Bürger, Geschäftsmodelle
Entwicklungsoptionen
Gebäude und Siedlungen
Governance
Partizipationsstrategien
Sonstiges
Nukleare Sicherheitsforschung
Reaktorsicherheitsforschung
Endlager- und Entsorgungsforschung
Strahlenforschung
Sonstiges
Sonstige FuE-Schwerpunkte
(freie Nennungen)
14
Zusammenfassung
Ziel des Strategiepapiers „Masterplan Energieforschung in Sachsen“
Das als „Masterplan Energieforschung in Sachsen“ vorgelegte Strategiepapier soll den verschiedenen Akteu-
ren auf dem Gebiet der Energieforschung Orientierung für die Erstellung ihrer jeweiligen Einzelstrategien
geben.
Mit dem „Masterplan Energieforschung in Sachsen“ werden folgende Einzelziele verfolgt:
a)
Abbildung aller zentralen Themen und Leitfragen der sächsischen Energieforschungslandschaft;
b)
Stärkung der nationalen und internationalen Sichtbarkeit der sächsischen Forschungsakteure;
c)
Steigerung der Drittmitteleinnahmen der sächsischen Energieforschungsakteure;
d) Verbesserung der Voraussetzungen für strategische Partnerschaften zwischen Wissenschaft und
Wirtschaft in der Region als Basis für einen noch intensiveren Wissens- und Technologietransfer.
Insgesamt soll der Masterplan dazu beitragen, den Energieforschungsstandort Sachsen wissenschaftlich
noch konkurrenzfähiger und erfolgreicher aufzustellen, um damit auch Impulse zur wirtschaftlichen Ent-
wicklung des Energiestandorts Sachsen zu geben. Der Masterplan Energieforschung macht jedoch keine
Vorgaben zu energiewirtschaftlichen Entscheidungen der Akteure.
Forschungspolitische Zielsetzungen und Förderschwerpunkte auf EU-, Bundes- und
Landesebene
Die Ziele der EU-Energieforschung, die im Wesentlichen über das Forschungsrahmenprogramm Horizon 2020
gefördert wird, orientieren sich am Strategischen Energietechnologie Plan
3
(SET-Plan). Leitend für die Förde-
rung auf Bundesebene ist das derzeit geltende 6. Energieforschungsprogramm, dessen Nachfolger aktuell
entworfen wird. Beide Fördermittelgeber, EU-Kommission und Bundesregierung, setzen bisher stark auf
Themen, die Einzeltechnologien zugutekommen. Dazu zählen vor allem Technologien zur Erzeugung von
Strom aus erneuerbaren Energiequellen und zur Steigerung der Energieeffizienz. Der Freistaat Sachsen ver-
folgt über die FuE-Projektförderung eine themenoffene Förderung. Die Förderung von Projekten zu Gesamte-
nergiesystemfragen, Digitalisierung und Sektorenkopplung wird ihrer zentralen Bedeutung für die Energie-
versorgung der Zukunft durch die bisherigen Vorgaben für die EU- und Bundesförderung noch nicht gerecht.
Insofern sollten die EU-Kommission und Bund ihre Zielstellungen überprüfen und verstärkt Systemfragen
adressieren.
Erkenntnisse aus der Analyse der Energieforschung in Sachsen
Das Akteursmapping und die Analyse der Energieforschungslandschaft Sachsen führten zu vielfältigen Er-
kenntnissen. Grundlage dafür war eine im April 2017 durchgeführte Befragung mittels eines Fragebogens.
Insgesamt wurden 101 Rückläufe erfasst und davon 88 verwertet. Es haben sich alle sächsischen Universitä-
ten an der Fragebogenbeantwortung beteiligt. Weiterhin nahmen zwei sächsische Hochschulen für ange-
wandte Wissenschaften an der Abfrage teil. Außerdem beteiligten sich neben den Forschungseinrichtungen
auch Unternehmen, Verbände bzw. sonstige Einrichtungen an der Umfrage. Zusätzlich recherchierte Daten
aus frei verfügbaren Studien und Veröffentlichungen zur Branche auf Bundes- bzw. Landesebene wurden
ebenfalls verwendet.
3
Vgl. EU Kommission(2017): SETIS Strategic Energy Technologies Information System, SET-Plan-Ziele (Englisch),
https://setis.ec.europa.eu/.
15
Verteilung der Rückläufe auf die Gruppen von Akteuren
Die FuE-Aktivitäten im Energiesektor finden nach Auswertung der Fragebögen sowohl in öffentlich finan-
zierten Wissenschaftseinrichtungen (Hochschulen und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen) und in
z. T. als An-Institute organisierte externe Industrieforschungseinrichtungen als auch in Unternehmen sowie
„Sonstigen Forschungseinrichtungen“ statt. Zu den Sonstigen Forschungseinrichtungen zählen z. B. auch
berufsständische Körperschaften des öffentlichen Rechts.
Neben Kooperationen im Rahmen von Forschungsverbünden bzw. Projektkonsortien war in der Umfrage von
Interesse, inwieweit die Akteure in regionalen, nationalen oder sogar internationalen Netzwerkstrukturen
vertreten sind. Zu den fünf nationalen Clustern, in denen sich die meisten sächsischen Energieforschungsak-
teure nach Auswertung der Fragebögen verorten lassen, zählen Energy Saxony e. V., Hydrogen Power
Storage & Solution East Germany e. V., Silicon Saxony e. V., Organic Electronics Saxony e. V. sowie die Säch-
sische Industrieforschungsgemeinschaft e. V.
Auf die Frage nach der Zugehörigkeit zu internationalen Kooperationsnetzwerken oder Verbänden wurden
76 verschiedene Cluster und Verbände/Verbandsstrukturen benannt, wobei nur zehn dieser Netzwerke von
mehr als einem Akteur genannt wurden. Die Diversifizierung der internationalen Vernetzung zeigt, dass sich
die sächsischen Akteure international vernetzen, dabei jedoch sehr themenspezifische Mitgliedschaften bzw.
Engagements anstreben. Eine übergreifende, energiesystemorientierte Arbeitsplattform scheint nicht exis-
tent zu sein oder jedenfalls nicht genutzt zu werden.
Zu den inhaltlichen Schwerpunkten der Energieforschung in Sachsen kann festgehalten werden, dass das
Themenfeld „Energieverteilung und -nutzung“ eine große Rolle spielt. Weiterhin von hoher Relevanz sind die
Themenfelder „Sonstige FuE-Schwerpunkte“ (z. B. Leistungselektronik für Energieanwendungen, Elektromo-
bilität, Sektorenkopplung), „Materialforschung für die Energiewende“ (stärker von öffentlich finanzierten
Wissenschaftseinrichtungen dominiert), „Anlagenbau für die Energie- und Kraftstofftechnik“, „Übergreifende
Energieforschung“ sowie „Energieumwandlung“.
0
5
10
15
20
25
30
35
Anzahl der Rückläufer
Sonstiges (z.B. IHKs)
Verbände/Vereine
Sonstige Forschungseinrichtungen
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und Landeseinrichtungen)
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (Hochschulen)
KMU
Nicht-KMU
16
Gewichtete Anzahl der Nennungen der FuE-Themenfelder der Akteure (Gesamt, Unternehmen, öffentlich finan-
zierte Wissenschaftseinrichtungen, sonstige Forschungseinrichtungen)
Unterteilt man die FuE-Themenfelder in technologieorientierte bzw. übergeordnete/gesellschaftliche The-
menfelder, stellt man fest, dass insgesamt über alle Gruppierungen hinweg in Sachsen eine deutliche Domi-
nanz technologieorientierter FuE-Aktivitäten zu erkennen ist. Grund ist mit großer Wahrscheinlichkeit die
traditionell sehr technologiegeprägte Industrie im Freistaat Sachsen bzw. die charakteristischen Profile der
Mehrheit der sächsischen Hochschulen (ingenieurwissenschaftlicher Schwerpunkt).
17
Analyse der Akteure nach Nennungen von FuE-Themenfeldern
Eine Gesamtdarstellung der wichtigsten FuE-Schwerpunkte der Energieforschung in Sachsen in Form einer
Analyse der Vernetzung der Akteure und der jeweiligen Stärken/Schwächen im Hinblick auf die in Sachsen
bzw. bundes- und EU-weit geltenden Rahmenbedingungen für die FuE-Aktivitäten macht die Breite der
Energieforschung in Sachsen deutlich und zeigt spezifische Kompetenzen mit überregionaler und internatio-
naler Sichtbarkeit in verschiedenen Themenfeldern.
Eine auf Basis der Rückläufe der Fragebögen durchgeführte Stärken-/Schwächenanalyse der Energiefor-
schung in Sachsen zeigt vielfältige Ansatzmöglichkeiten für Optimierungspotentiale.
Als Stärken sind hervorzuheben:
Wissenschaftliche Exzellenz und Vielfalt der sächsischen Hochschul- und außeruniversitären For-
schungslandschaft
Industrielle Basis mit KET-Branchen (z. B. Halbleiter-Industrie) als Grundlage für Synergieeffekte
hohe Dichte an Forschungseinrichtungen
technologieoffene Rahmenbedingungen
gute Vernetzungsstrukturen und hohe Sichtbarkeit
Als Schwächen gelten aktuell:
Unternehmen in der Region sind oftmals noch nicht in der Lage, die Forschungsergebnisse der Wissen-
schaft aufzugreifen und umzusetzen
unzureichende Verknüpfung einzelner Forschungszweige
zu wenig angewandte Forschung im Bereich der Sektorenkopplung
zu wenige Start-ups aus der Wissenschaft heraus
noch unzureichende Zahl an Leuchtturm- und Demonstrationsprojekten als Referenzen für die wirt-
schaftliche Verwertung von wissenschaftlichen Erkenntnissen
7,8
6,7
8,8
6,2
8,2
9,4
8,8
Durchschnittliche Anzahl der FuE-Schwerpunkte
18
Strategien
Aus den zahlreichen Rückmeldungen der Akteure sowie der Stärken/Schwächen-Analyse ergeben sich fol-
gende Orientierungen für die von den Akteuren zu erstellenden Einzelstrategien:
Die sächsische Energieforschung weist zahlreiche Stärken und Alleinstellungsmerkmale auf. Aufgabe der
jeweiligen Akteure ist es, die bestehenden Stärken zu erhalten und weiterzuentwickeln. Das SMWK und das
SMWA werden weiterhin eine themen- und technologieoffene Energieforschungsförderung betreiben, die es
ermöglicht, die spezifischen Stärken zu unterstützen.
Das SMWK und das SMWA unterstützen die Akteure darüber hinaus gezielt dabei, ihre Chancen für eine
erfolgreiche Teilnahme an Bundes- und EU-Ausschreibungen zu erhöhen. Beide Staatsministerien werden
zudem ihre Möglichkeiten nutzen, um bei der Ausgestaltung zukünftiger Ausschreibungen des Bundes und
der EU eine möglichst gute Passfähigkeit zu den spezifisch sächsischen Kompetenzen zu erreichen.
Um die gesamte Forschungs- und Entwicklungskette einschließlich Pilot- und Demonstrationsanlagen unter-
stützen zu können, werden das SMWK und das SMWA die Förderung noch besser als bisher aufeinander
abstimmen, sodass die Unterstützung von Wissenschaft auf der einen Seite und die Unterstützung der Wirt-
schaft auf der anderen Seite möglichst nahtlos aneinander anschließen können. Es soll darauf hingewirkt
werden, dass Wissenschaft und Wirtschaft möglichst frühzeitig die gesamte Forschungs- und Entwicklungs-
kette einschließlich Pilot- und Demonstrationsanlagen in den Blick nehmen und Projekte konzipieren, die
von Anbeginn auf Wissenschaft und Wirtschaft übergreifend angelegt sind. Gleichsam einer Matrixstruktur
sollen Projekte von vornherein so ausgestaltet werden, dass sie von SMWK und SMWA mit ihren jeweiligen
Richtlinien gefördert werden können. Die Überführung von erfolgreichen Pilotvorhaben aus der Wissenschaft
in sich daran anschließende Demonstrationsvorhaben unter Beteiligung der Wirtschaft kann hilfreich sein,
um den Transfer zu steigern.
Beide Staatsministerien setzen sich zudem für möglichst lange Projektförderzeiträume ein, um den Akteuren
mehr Planungssicherheit zu verschaffen. Die Förderdauer sollte möglichst so angelegt sein, dass damit auch
eine Mitwirkung beim Aufbau von Modellregionen inkl. Gründer- und Ansiedlungsunterstützung zur Ent-
wicklung und Transformation von strukturschwachen Gebieten ermöglicht wird.
An sächsischen Alleinstellungsmerkmalen, wie der Forschung zur Reaktorsicherheit und der Forschung zur
Realisierung von Kohlenstoffkreisläufen, soll im Rahmen der themen- und technologieoffenen Förderung
festgehalten werden.
Die Förderprogramme des SMWK und SMWA sollen es ermöglichen, Bundes- oder EU-Programme so zu
ergänzen, dass davon nicht abgedeckte Technologien erfasst und entwickelt werden können.
Darüber hinaus werden SMWK und SMWA darauf hinwirken, interdisziplinäre Forschungsverbünde im Sinne
einer die Sektorenkopplung beachtenden systemischen Energieforschung zu stärken. Es soll zudem die Ent-
wicklung neuer Geschäftsmodelle vorangebracht werden, die durch die Digitalisierung der Energiewirtschaft
möglich werden.
Die Vernetzung der Akteure hat für die Staatsministerien eine hohe Bedeutung und wird weiterhin unter-
stützt. Dies betrifft auch das Zusammenwirken auf nationaler und internationaler Ebene. Auch im Freistaat
können durch Vernetzung weitere Potentiale erschlossen werden. Das gilt insbesondere für die interdiszipli-
näre Zusammenarbeit zur Nutzung der sächsischen Kompetenzbereiche Digitalisierung, Software, Konnekti-
vität, Mikroelektronik und Mobilität.
SMWK und SMWA werden sich gegenüber dem Bund dafür einsetzen, dass die Energieforschung zu den
zentralen Themen zur Steuerung des Strukturwandels in der Lausitz und im Mitteldeutschen Braunkohlege-
biet gehören und damit in Bundesprogrammen eine entsprechende Berücksichtigung finden wird.
Zur Erhöhung der Drittmitteleinnahmen aus der EU kann auch eine noch erfolgreichere Vernetzung im Rah-
men der EU-Gremien und EU-Gremiennetzwerken beitragen. Auch eine verstärkte Mitwirkung an Gutachter-
aufträgen ist geeignet, frühzeitig Kenntnisse über die Programme zu erhalten. SMWK und SMWA werden
daher auf entsprechende Beteiligungsmöglichkeiten aufmerksam machen. Wichtige finanzielle Anreize und
19
Unterstützungsangebote können dabei die RL EuProNet
4
des SMWK sowie die Horizon-Prämie (RL Landes-
Technologieförderung) des SMWA leisten.
ZEUSS soll seine Wirksamkeit als erfolgreich eingeführte Organisationseinheit zur Einwerbung von EU-
Mitteln mittelfristig weiter erhöhen. ZEUSS soll insbesondere auch helfen, administrative, nicht beseitigbare
Hürden bei der EU zu überwinden.
Als ein zentrales Element zur Steigerung der Vernetzung, Drittmittelakquise sowie des Transfers, wird das
SMWA den Aufbau einer „Kompetenzstelle Energieforschung in Sachsen“ u. a. zur Begleitung von Energie-
forschungsprojekten unterstützen. Damit soll die positive Darstellung des Energieforschungsstandorts Sach-
sen vorangebracht werden.
4
Richtlinie des Sächsischen Staatsministeriums für Wissenschaft und Kunst (SMWK) zur Gewährung von Zuwendungen
für Maßnahmen im Rahmen der wettbewerblichen EU-Förderprogramme für Forschung und Innovation.
20
1 Zielstellung und Methodik
1.1 Zielstellung
Der schrittweise Ausstieg aus der Kernenergie sowie der stetige Ausbau erneuerbarer Energiequellen führen
zu einer grundlegenden Transformation der deutschen Energieversorgung. Die sächsische Energiepolitik
verfolgt das Leitbild einer sicheren, wettbewerbsfähigen, klima- und umweltverträglichen sowie bezahlbaren
Energieversorgung („SACHSENS ZUKUNFT GESTALTEN“ Koalitionsvertrag 2014 bis 2019 zwischen der CDU
SACHSEN und der SPD SACHSEN) und damit das Ziel, „Sachsen schrittweise unabhängig von fossilen Ener-
gieträgern zu machen“. Der aufgrund des Ausbaus erneuerbarer Energien steigende Bedarf an Speicherkapa-
zitäten, Flexibilisierungs- und Effizienzmaßnahmen stellt die sächsischen Akteure der Energieforschung vor
große Herausforderungen, bietet ihnen zugleich aber auch hervorragende Chancen zur Stärkung von Innova-
tionskraft und Wettbewerbsfähigkeit.
Sächsische Unternehmen besitzen sehr gute Voraussetzungen, um von diesen Umbauprozessen wirtschaft-
lich profitieren zu können. Hierzu ist es notwendig, gemeinsam mit der in Sachsen exzellenten Forschungs-
landschaft in diesem Technologiefeld Innovationen voranzutreiben, diese in neue Produkte und Dienstleis-
tungen zu überführen und erfolgreich am Markt zu platzieren, um auf diese Weise Umsätze in neuen Ge-
schäftsbereichen generieren zu können.
Zahlreiche sächsische Akteure aus Industrie und Forschung sind bereits in unterschiedlichen Technologiefel-
dern des breiten Spektrums der Energieforschung aktiv. Die Vorstudie zum Masterplan „Akteursüberblick und
aktuelle Forschungsthemen in der Energieforschung und Speichertechnologie in Sachsen“
5
hat 175 Organi-
sationen identifiziert, die im Freistaat an Energiethemen forschen. Die vorhandenen sächsischen Kompeten-
zen sind umfangreich und auf hohem wissenschaftlichen Niveau. Deutliche Schwerpunkte liegen in den
Bereichen Energieumwandlung, -verteilung und -nutzung. Bei letzterem kommt der Forschung an Speichern
die mit Abstand größte Bedeutung zu. Die Vorstudie wurde von der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH
(VDI/VDE-IT) in Kooperation mit Energy Saxony erarbeitet. Das seit 2014 bestehende und stetig an Mitglie-
dern wachsende Netzwerk Energy Saxony, für das die VDI/VDE-IT mit dem Clustermanagement beauftragt
ist, vereint bereits heute einen Großteil der Akteure und bietet Unternehmen und Forschungseinrichtungen
eine ideale Plattform, sowohl für den Wissensaustausch untereinander, als auch für die Initiierung von Pro-
jekten sowie für eine gemeinsame Interessensvertretung gegenüber verschiedenen Instanzen.
Das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) sowie das Sächsische Staatsministe-
rium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr (SMWA) wirken aktiv auf die Entwicklung einer leistungsfähigen
Energieforschungslandschaft in Sachsen hin. Mit dem „Masterplan Energieforschung in Sachsen“ wollen sie
Wege aufzuzeigen, wie auch zukünftig strategisch zielführende Mittel zur Ausgestaltung und Steuerung der
sächsischen Energielandschaft im Sinne der Energiewende bereitgestellt und die Wertschöpfung gesteigert
werden können.
Vor diesem Hintergrund soll der Masterplan Energieforschung auf Basis einer Analyse der politischen und
förderprogrammatischen Rahmenbedingungen die Stärken und Schwächen der sächsischen Energiefor-
schungslandschaft und ihrer Technologietransferpotentiale abbilden. Konkret soll der Masterplan folgende
Aufgaben erfüllen:
Abbildung aller zentralen Themen und Leitfragen der sächsischen Energieforschungslandschaft, insbe-
sondere auch unter Berücksichtigung des Ausbaus und der Förderung einer Infrastruktur dezentraler
Speicher- und Stromerzeugungstechnologien
Hinwirken auf die national wie international noch stärker wahrnehmbaren Vernetzung der sächsischen
Forschungsakteure
Verbesserung der Drittmittelakquise seitens der sächsischen Energieforschungsakteure
5
Vgl.
Energy Saxony (2015): Akteursüberblick und aktuelle Forschungsthemen in der Energieforschung und Speicher-
technologie Sachsen,
rschung_und_Speichertechnologie_in_Sachsen.pdf, aufgerufen am 10.07.2017.
21
Auflistung von Maßnahmen zum erhöhten Transfer innovativer Ideen und Konzeptionen aus der Energie-
forschung
Im Ergebnis werden die Themenbereiche der Energieforschung mit besonderer Bedeutung für den For-
schungs- und Innovationsstandort Sachsen herausgestellt und Empfehlungen für vermutlich zielführende,
effektive und effiziente rahmengebende sowie förderpolitische Maßnahmen zur Verbesserung des sächsi-
schen Forschungs- und Technologietransfers im Bereich der Energieforschung durch den Freistaat Sachsen
abgeleitet.
1.2 Methodik
Methodisch erfolgte die Umsetzung durch vier Bausteine:
Durchführung einer SMWK-Stakeholder-Veranstaltung „Energie-Dialog“ am 24.03.2017 in Dresden mit
156 Teilnehmern (Programm siehe
Anhang 1
, ausführliche Informationen auf der Energy Saxony Websi-
te
6
)
Experteninterviews sowie fachliche Zuarbeiten ausgewiesener Experten der sächsischen Energiefor-
schungslandschaft Sachsens (Expertenübersicht:
Anhang 5
)
Fragebogenversand und quantitative als auch qualitative Auswertung
(versandter Fragebogen:
Anhang 2
)
Desktop-Recherche
Die aktuellen politischen Rahmenbedingungen werden durch verschiedene Forschungsstrategien bzw. -
agenden der zuständigen Einrichtungen des Bundes und der Länder sowie der EU geprägt. Auf sächsischer
Ebene sind dabei insbesondere die Strategiepapiere von SMWK und SMWA einschlägig. Eine Zusammenstel-
lung der wichtigsten Dokumente und geplanten Förderprogramme sowie ein Exzerpt der wesentlichen Inhal-
te war Gegenstand der Recherchearbeit. Einen Schwerpunkt bilden derzeitige und geplante Förderprogram-
me auf EU-, Bundes- bzw. Landesebene.
Für den Entwurf des Masterplans Energieforschung wurden eine Retrospektive auf die sächsische Energiefor-
schungspolitik und eine Darstellung der regional vorhandenen und national sowie international verbundenen
Netzwerke und Förderorganisationen erstellt. Die umfangreichen Zuarbeiten der Forschungsakteure und das
Feedback einer großen Zahl von Industriepartnern in den Fragebögen erlauben eine umfangreiche Darstel-
lung der Stärken und Schwächen der Energieforschungslandschaft und eine detaillierte Analyse der jeweili-
gen Transferpotentiale.
6
Vgl. Energy Saxony (2017): Masterplan Energieforschung in Sachsen,
maerz-2017.html;
sachsen.html;
energieforschung-in-sachsen.html.
22
2 Energieforschungspolitische Zielsetzungen
und Förderschwerpunkte
2.1 Energieforschung in Sachsen – Kontext und histori-
sche Bezüge
Der Freistaat Sachsen hat sich beginnend mit der politischen Wende 1989/90 eine Spitzenstellung im natio-
nalen und internationalen Vergleich
7
in der Wissenschaft erarbeitet. Eine dezidiert forschungs- und innova-
tionsfreundliche Politik hat in Sachsen eine hohe strategische Bedeutung. Die hierfür angelegte Strategie
des Freistaates Sachsen
8
hebt das Zukunftsfeld Energie als einen von sechs thematischen Schwerpunkten
hervor. Die daran orientierten Maßnahmen sind finanziell so ausgestattet, dass die Aufwendungen des Lan-
des für die Energieforschung im Ländervergleich Platz vier einnehmen
9
. Auch für das SMWK ist der Themen-
bereich „Energie“ im Sinne der Ressourcentechnologien/Umweltforschung/Energietechnologien ein besonde-
res Zukunftsfeld für den Forschungs- und Technologiestandort Sachsen.
10
Traditionell schon bietet der Industriestandort Sachsen, mit seinen ausgeprägten Stärken in den Bereichen
Textilindustrie, Berg- und Maschinenbau, optimale Bedingungen, um Forschung auf dem Gebiet der Energie-
technologie an den Marktbedürfnissen zu orientieren und diese in die wirtschaftliche Anwendung zu über-
führen. So entwickelte die Firma Friemann & Wolf aus Zwickau 1907 die weltweit ersten batterieelektri-
schen Kopflampen für Bergleute auf Nickel-Cadmium-Basis. 1891 lieferte das Kaolinbergbau- und Elektro-
porzellanunternehmen Margarethenhütte aus der sächsischen Oberlausitz Isolatoren für die weltweit erste
Hochspannungsfernleitung. Auch der erste europäische, industriell gefertigte Elektromotor, 1888 von Oskar
Ludwig Kummer entwickelt, kam aus Dresden. Schon vor über 100 Jahren schufen folglich Innovationen aus
Sachsen die Grundlage für heute international hochaktuelle Entwicklungen bei Speichertechnologien,
Stromverteilung und Sektorenkopplung, die zentraler Gegenstand dieses Masterplans sind.
Während der Strukturwandel die Wirtschaft in den 1990er Jahren in Sachsen stark veränderte, sorgte die
hohe Dichte an 14 leistungsfähigen Hochschulen und 47 vom Freistaat Sachsen und/oder dem Bund finan-
zierten außeruniversitären Forschungseinrichtungen für Kontinuität. Sie wurden zu Beschleunigern des
wirtschaftlichen Wiedererstarkens. Beispielhaft hierfür ist die 25-jährige Geschichte der Fraunhofer Institute
in Sachsen. Der Umstand, dass neun Institutsleitungen im Freistaat ansässig sind, wirkt sich sehr positiv
auch auf die Innovationskraft der hiesigen Energietechnologiebranche aus und sorgt für zahlreiche interna-
tionale Projekt- und Wirtschaftskooperationen. Zusätzlich gibt es noch privat finanzierte Forschungseinrich-
tungen, welche teilweise auch öffentliche Projektfördermittel erhalten.
Finanziell wurden und werden innovative Technologien maßgeblich über die zielgenau eingesetzten europäi-
schen Strukturfondsmittel unterstützt. Von den im Förderzeitraum 2014 bis 2020 des Europäischen Fonds
für regionale Entwicklung (EFRE) in Sachsen zur Verfügung stehenden 2,1 Milliarden Euro kommt ein signifi-
kanter Anteil direkt und indirekt der Energietechnologiebranche zugute.
Die Akteure greifen insgesamt auf eine Vielzahl von Fördermöglichkeiten zurück, von denen es auf Landes-
ebene sowohl allgemeine Forschungs- und Technologieförderinstrumente als auch themenspezifische För-
derrichtlinien gibt. Zu letzteren zählt vorrangig die Förderrichtlinie Zukunftsfähige Energieversorgung (RL
Energie/2014) des SMWA
11
. In den kommenden Jahren wird sich verstärkt die Frage stellen, wie das hohe
wissenschaftliche Niveau der Energieforschung in Sachsen gewahrt und womöglich noch gesteigert werden
7
Vgl. Europäische Kommission (2017): Regional Innovation Scoreboard,
8
Vgl. SMWA (2013): Innovationsstrategie des Freistaates Sachsen,
aufgerufen
am 08.06.2017.
9
Vgl. BMWi (2017): Bundesbericht Energieforschung 2017, S. 55, Tabelle 8,
aufgerufen am
08.06.2017.
10
Vgl. SMWK (2014): Bericht des SMWK zur Forschungs- und Technologiepolitik und ihrer strategischen Ausrichtung,
S.63 und S.67f.,
aufgerufen am
10.07.2017.
11
Vgl. SAB Sachsen: Übersicht der sächsischen Förderrichtlinien,
23
kann. Es ist davon auszugehen, dass die in Sachsen zur Verfügung stehenden europäischen Strukturförder-
mittel im nächsten Förderzeitraum zurückgehen und somit andere Quellen zur Kompensation erforderlich
werden. Hinzukommt, dass der Strukturwandel in der Lausitz schneller voranschreitet und die Region, die
sich traditionell als Energieregion versteht, große Chancen als Reallabor und Modellregion für innovative
(Groß-)Projekte bietet.
2.2 Förderung der Energieforschung – EU, Bund und
Land
2.2.1 Energieforschungsförderung der EU
Die EU fördert die Energieforschung maßgeblich mit dem Forschungsrahmenprogramm „Horizon 2020“. In
dessen dritter Säule, „Gesellschaftliche Herausforderungen“, wird als eines von sieben Themen „sichere,
saubere und effiziente Energie“ adressiert
12
. Von dem zwischen 2014 und 2020 zur Verfügung stehenden
Budget in Höhe von 77 Milliarden Euro entfallen hierauf 3,8 Milliarden Euro. Inklusive der energiefor-
schungsrelevanten Aspekte anderer Themenfelder, wie z.B. „intelligenter, grüner und integrierter Trans-
port“ stehen 5,69 Milliarden Euro zur Verfügung, die 7,6 % des Gesamtbudgets entsprechen. Die Veröffentli-
chungen zum Arbeitsprogramm 2018 bis 2020 erfolgen im Oktober 2017. Förderinteressenten erhalten über
die Nationale Kontaktstelle Energie
13
einen umfassenden Überblick über aktuelle Ausschreibungen.
Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologien werden über das PPP „Fuel Cell and Hydrogen – Joint Under-
taking“ gefördert, welches hälftig über „Horizon 2020“ und private Mittel finanziert wird
14
. Insgesamt ste-
hen dort 1,3 Milliarden Euro zur Verfügung.
Inhaltlich erfolgt die Ausrichtung der EU-Energieforschungsförderung anhand des Strategischen Energie-
technologie Plans
15
(SET-Plan). Dieser zielt im Wesentlichen darauf ab, die Entwicklung und Markteinfüh-
rung kohlenstoffarmer Technologien zu beschleunigen, die Forschung an diesen zu koordinieren, Projekte zu
fördern, die zur Verbesserung und Kostenreduzierung von Technologien beitragen und die Zusammenarbeit
zwischen EU-Mitgliedsstaaten, Unternehmen, Forschungseinrichtungen und der EU selbst zu intensivieren.
12
Vgl. EU-Kommission (2016/2017): Competitive Low-Carbon Energy,
https://ec.europa.eu/inea/en/horizon-2020/competitive-low-carbon-energy.
13
Vgl. NKS Energie (2016/2017): EU-Förderprogramm Horizont 2020 – Energie,
14
Vgl. FCH-JU (2017): Fuel Cells Hydrogen Joint Undertaking,
15
Vgl. EU Kommission(2017): SETIS Strategic Energy Technologies Information System, SET-Plan-Ziele (Englisch),
https://setis.ec.europa.eu/.
24
Abbildung 1: SET-Plan mit sechs Handlungsfeldern, 10 Arbeitsthemen und 13 Bereichen des integrierten Plans
Quelle: SETIS (Strategic Energy Technology Information System; SET-Plan 10 Key Actions,
https://setis.ec.europa.eu/system/files/integrated_set-plan/integrated_roadmap_energy_union_integrated_set-
plan_10_actions.pdf)
Zur Umsetzung des SET-Plans haben sich zehn fachspezifische Plattformen (European Innovation and Tech-
nology Platforms) unter Industriebeteiligung gegründet. Gleichzeitig sind die Wissenschaftseinrichtungen in
der Europäischen Energieforschungsallianz (EERA) zu diesem Zweck verbunden.
Themenoffene Querschnittsfördermaßnahmen unter „Horizon 2020“ sind das KMU-Instrument
16
, welches
insbesondere auch Einzelunternehmen offen steht, sowie vertragliche öffentlich-private Partnerschaften
17
,
die unter anderem zu „umweltfreundlichen Fahrzeugen“ bestehen.
Um die Themen der Energieforschung zur Unterstützung der Umsetzung der Energiewende ideell wie auch
öffentlichkeitswirksam zu unterstützen, schreibt die EU Kommission auch jährlich den EU Sustainable Energy
Award aus.
18
2.2.2 Energieforschungsförderung der Bundesregierung
Die Energieforschungsförderung der Bundesregierung ist an den Schwerpunktthemen des
6.Energieforschungs-programms
19
ausgerichtet. Unter Federführung des BMWi verbindet das Energiefor-
schungsprogramm auch die ressortspezifischen Förderthemen von BMBF, BMUB und BMEL. Die Schwer-
punkte in der Zuständigkeit des BMWi liegen in den Bereichen:
Windenergie
Photovoltaik
Tiefe Geothermie
Solarthermische Kraftwerke
Wasserkraft und Meeresenergie
16
Vgl. NKS-KMU (Nationale Kontaktstelle zum EU-Programm Horizont 2020):
17
Vgl. Public Private Partnerships in research:
research_en.html.
18
Vgl.
19
Vgl. BMWi (2011): 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung, aufgerufen am 10.07.2017.
25
Kraftwerkstechnik sowie CO
2
-Abscheidung und -speicherung
Brennstoffzellen und Wasserstofftechnologien
Speichertechnologien
Stromnetze
Systemintegration erneuerbarer Energien
Gebäude, Quartiere, dezentrale und solare Energieversorgung
Weitere Forschungsförderung im Energieforschungsprogramm erfolgt durch das BMBF für „energietechnolo-
gische Grundlagenforschung“ und durch das BMEL für „anwendungsorientierte Bioenergieforschung“.
Zur Umsetzung des Energieforschungsprogramms fördern die zuständigen Bundesministerien zunehmend
Verbundprojekte zur Sektorenkopplung. So fördert z.B. das BMWi mit SINTEG
20
fünf Schaufensterregionen
bei der Forschung, Entwicklung und Demonstration innovativer Anwendungen, Strukturen und Konzepte für
ein intelligentes Energiesystem der Zukunft. Sachsen ist mit 13 Partnern am SINTEG-Konsortium WindNODE
beteiligt. Die Koordinierung der sächsischen Partner, deren Gesamtprojektvolumen ca. 16,3 Millionen Euro
beträgt, erfolgt durch das Cluster Energy Saxony e.V. Für die Förderung der Wasserstoff- und Brennstoffzel-
lentechnologie ist das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
(NIP)
21
zuständig, welches vorrangig durch das BMVI finanziert wird. Das BMBF hat mit den vier Koperni-
kuskonsortien neue Wege in der Energieforschungsförderung beschritten.
22
Weitere Förderaktivitäten mit Bezügen zur Energieforschung sind etwa die BMWi-Förderinitiative
„EnEff.Gebäude.2050 – Innovative Vorhaben für den nahezu klimaneutralen Gebäudebestand 2050“. Zusätz-
lich können themenoffene Instrumente wie das „Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM) des
BMWi und „KMU-innovativ“ des BMBF auch für Projekte mit Bezug zur Energieforschung genutzt werden.
Eine umfassende Übersicht über alle Fördermaßnahmen gibt die Förderdatenbank des Bundes
23
.
2.2.3 Energieforschungsförderung des Freistaates Sachsen
Der Freistaat Sachsen fördert die Energieforschung nicht über inhaltlich spezifisch festgelegte Programme.
In den Jahren 2008 bis 2015 betrugen die Aufwendungen Sachsens für die nichtnukleare Energieforschung
gleichwohl 175 Millionen Euro. Die inhaltliche Orientierung der Förderung erfolgt anhand der Innovations-
strategie sowie des Energie- und Klimaprogramms. Die Ausgaben des Freistaates entfallen im Wesentlichen
auf den Landesanteil der institutionellen Förderung der Wissenschaftseinrichtungen für Energieforschung
sowie den Landesanteil an der mehrheitlich europäisch finanzierten Projektförderung (ESF und EFRE).
Energieforschungsrelevante Förderrichtlinien
24
sind insbesondere die FuE-Projektförderung, die Förderricht-
linie „Zukunftsfähige Energieversorgung“ sowie „InnoTeam“ und „Innovationsprämie“.
20
Vgl. BMWi (2016): Förderprogramm SINTEG: „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewen-
de“,
21
Vgl. Projektträger Jülich: Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP),
22
Vgl. BMWi (2016): (Bundesbericht Energieforschung 2016 – Forschungsförderung für die Energiewende, S. 5f., Bun-
desbericht Energieforschung 2016, aufgerufen am 10.07.2017.
23
Vgl. BMWi: Förderdatenbank,
24
Vgl. SAB Sachsen: Übersicht der sächsischen Förderrichtlinien,
26
0
5
10
15
20
25
30
35
Anzahl der Rückläufer
Sonstiges (z.B. IHKs)
Verbände/Vereine
Sonstige Forschungseinrichtungen
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und Landeseinrichtungen)
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (Hochschulen)
KMU
Nicht-KMU
3 Energieforschung in Sachsen
Die nachfolgenden Ausführungen stellen ein Abbild der Akteurslandschaft Sachsens im Bereich der Energie-
forschung dar und geben darüber hinaus einen Einblick in die thematische Aufstellung der Akteure sowie
ihrer Kooperationsgeflechte untereinander.
3.1 Darstellung der Akteurslandschaft
Alle dargestellten Daten beruhen auf der Auswertung der versandten Fragebögen im April 2017. Grundle-
gend stellen sie eine Fortschreibung der in 2015 im Rahmen der Vorstudie
25
erhobenen Daten dar.
Im Jahr 2015 wurden 104 verwertbare Rückläufe erfasst. 2017 konnten 88 verwertbare Fragebögen von
sächsischen Akteuren sowie acht Fragebögen nicht-sächsischer Akteure erfasst werden. In die statistischen
Auswertungen flossen nur die Angaben der sächsischen Akteure ein.
Die Abbildung 2 zeigt die Verteilung der sächsischen Rückläufe der Befragung auf die verschiedenen Grup-
pen von Akteuren.
Abbildung 2: Verteilung der Rückläufe auf die Gruppen von Akteuren
26
Die FuE-Aktivitäten im Energiesektor finden nach Auswertung der Fragebögen sowohl im unternehmerischen
(30 Fragebögen) als auch in öffentlich finanzierten Wissenschaftseinrichtungen sowie sonstigen For-
schungseinrichtungen (in Summe 52 Fragebögen) statt, wobei die Hochschulen insgesamt (34 Fragebögen)
dominieren. Der Grund dafür ist jedoch vor allem in der Form der Einreichung der Fragebögen zu finden:
zumeist erfolgte die Beantwortung des Fragebogens aufgeschlüsselt nach den einzelnen Institu-
ten/Lehrstühlen/Professuren, sodass pro Hochschule mehrere Fragebögen in die Auswertung einflossen.
Seitens der sächsischen Hochschullandschaft haben sich alle staatlichen Universitäten (TU Dresden,
TU Bergakademie Freiberg, TU Chemnitz sowie die Universität Leipzig) an der Fragebogenbeantwortung
beteiligt. Weiterhin nahmen zwei Hochschulen für angewandte Wissenschaften (Westsächsische Hochschule
Zwickau und Hochschule Zittau/Görlitz) an der Abfrage teil.
Neben den Unternehmen und FuE-Einrichtungen nahmen auch sechs Vereine bzw. sonstige Einrichtungen
(z. B. IHK, kommunale Behörden) an der Umfrage teil.
25
Vgl.
Energy Saxony (2015): Akteursüberblick und aktuelle Forschungsthemen in der Energieforschung und Speicher-
technologie Sachsen.
26
Vgl. Energy Saxony (2015): Akteursüberblick und aktuelle Forschungsthemen in der Energieforschung und Speicher-
technologie Sachsen, S. 5.
27
3.2 Kooperationsplattformen sächsischer Akteure
Die nachfolgenden Erläuterungen enthalten die über spezifische Forschungsverbundstrukturen hinausgehen-
den Netzwerksaktivitäten sächsischer Akteure, welche per Fragebogen erfasst wurden.
3.2.1 Nationale Kooperationsplattformen
Zu den fünf Clustern, in denen sich die meisten sächsischen Energieforschungsakteure nach Auswertung der
Fragebögen verorten lassen, zählen:
Energy Saxony e.V.
Nennung in 50
27
Fragebögen
Ziel: Energy Saxony ist ein wirtschaftsorientiertes Netzwerk, das darauf abzielt, die Wettbewerbsfähig-
keit und die Exportstärke der Unternehmen der sächsischen Energiebranche auszubauen. Der Verein
hat sich dabei die Aufgabe gestellt, ein dauerhaftes Cluster im Energiebereich in Sachsen zu bilden,
das insbesondere die wirtschaftlichen Grundlagen seiner Mitglieder verbessert.
Mitglieder (Stand 06/2017): 64
Sitz: Dresden,
Hydrogen Power Storage & Solution East Germany e. V.
Nennung in neun Fragebögen
Ziel: „Als eines von zehn ostdeutschen Innovationsprojekten im Rahmen der Förderinitiative "Zwan-
zig20 – Partnerschaft für Innovation“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung möchte HY-
POS ‚grünen‘ Wasserstoff aus erneuerbarem Strom im großtechnischen Maßstab für energietechnische
Anwendungen herstellen – als effizienter Energieträger mit hervorragender Transport- und Speicher-
fähigkeit. Mit über 100 Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft werden in verschiedensten Umset-
zungsvorhaben und Studien die Möglichkeiten der wirtschaftlichen Energieumwandlung, -speicherung
und des Energietransports mittels Wasserstoff erkundet. Ziel ist die Errichtung eines Schaufensters der
Wasserstoffwirtschaft in Mitteldeutschland
28
.“
Mitglieder (Stand 06/2017): 113
Sitz: Halle, Webseite:
SiliconSaxony e. V.
Nennung in acht Fragebögen
Ziel: „Der Silicon Saxony e.V. verbindet über 300 Hersteller, Zulieferer, Dienstleister, Hochschulen,
Forschungsinstitute und öffentliche Einrichtungen am Wirtschaftsstandort Sachsen. Damit ist das
Branchennetzwerk für Mikro- und Nanoelektronik, Software, Applikationen, Smart Systems und Energy
Systems das erfolgreichste in Europa. Mit dem Ziel, die Wirtschaftsregion als IKT-Standort nachhaltig
zu stärken, versteht sich der Verein als Kommunikations- und Kooperationsplattform für seine Mitglie-
der
29
.“
Mitglieder (Stand 06/2017): >300
Sitz: Dresden, Webseite:
27
Hinweis auch für alle fortfolgenden Daten (Nennungen in Fragebögen): Es werden alle Einzeleinrichtungen (z.B. Insti-
tute und Professuren ebenfalls erfasst), auch wenn diese einer Hochschule angehören.
28
Vgl. HYPOS: Förderinitiative „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“,
hat-sich-zum-ziel-gesetzt-die-partielle-grundlastf%C3%A4higkeit-von-wind-und-photovoltaikstrom-zu.
29
Verweis SILICON SAXONY
aufgerufen im
Juni 2017.
28
Organic Electronics Saxony e. V.
Nennung in fünf Fragebögen
Ziel: „Der Verein wurde am 6. Oktober 2008 von sieben Unternehmen und drei Forschungsinstituten
aus der Organik-Branche mit dem Ziel gegründet, den Organik-Standort in Sachsen national und in-
ternational gezielt zu stärken
30
.“
Mitglieder (Stand 06/2017): 33
Sitz: Dresden, Webseite:
Sächsische Industrieforschungsgemeinschaft e. V.
Nennung in fünf Fragebögen
Ziel: Es handelt sich um den Interessenverband der sächsischen gemeinnützigen Industrieforschungs-
einrichtungen mit den Zielen:
Stärkung der gemeinnützigen Industrieforschungslandschaft
Kooperationspartner des sächsischen Mittelstandes für marktorientierte Forschung und Ent-
wicklung
Ausrichtung auf Erhalt und Erweiterung des Leistungsspektrums, Flexibilität und Schnelligkeit
bezogen auf die Innovationskraft der Partner
Kontinuierliche Sicherung und Ausbau von qualifizierten Arbeitsplätzen in Forschung und In-
dustrie
Inhaltliche Fokussierung auf Material-, Technologie- und Verfahrensentwicklung in den sächsischen
Zukunftsbranchen „Werkstoffe und Materialien“, „Energie und Umwelt“, „Mensch und Gesundheit“,
„Mobilität“, „IT und Digitalisierung“ sowie „Technologie und Prozesse“.
Mitglieder (Stand 06/2017): 18
Sitz: Dresden, Webseite:
Weiterhin finden Austauschprozesse der Akteure über zumeist deutschlandweit aufgestellte Verbandsstruk-
turen statt. Zu den fünf am häufigsten genannten zählen:
Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.
(Hauptsitz Frankfurt/Main│13 Nennungen)
Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.
(Hauptsitz Frankfurt/Main│fünf Nennungen)
Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.
(Hauptsitz Berlin│vier Nennungen)
Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V.
(Hauptsitz Bonn│vier Nennungen)
Verein Deutscher Ingenieure e.V.
(Hauptsitz Düsseldorf│vier Nennungen)
Eine Auflistung aller nationalen Kooperationsplattformen (Cluster, Verbände etc.) befindet sich in
Anhang 3
.
Eine Zugehörigkeit zu den Forschungsnetzwerken ENERGIE des BMWi wurde im Rahmen der Fragebögen
nicht angeben. Der verantwortliche Projektträger Jülich konnte aus Gründen des Aufwands keine Auskunft
zur Anzahl der sächsischen Akteure in der Mitgliedschaft aller Forschungsnetzwerke geben.
30
Verweis OES e. V.:
https://oes-net.de/ueber-oes/
, aufgerufen im Juni 2017.
29
3.2.2 Internationale Kooperationsplattformen
In der Abfrage nach der Zugehörigkeit zu internationalen Kooperationsnetzwerken oder Verbänden wurden
76 verschiedene Cluster und Verbände/Verbandsstrukturen benannt, wobei nur zehn dieser Netzwerke mit
mehr als einer Nennung durch einen Akteur versehen wurden. Zu diesen zehn Netzwerken gehören:
Abkürzung
Name
Sitz
Europa
Global
Nennung im
FB
CIGRE
International Council on
Large Electric Systems
Paris (Frankreich)
x
4
CIRED
International Conference on
Electricity Distribution
Liege (Belgien)
x
2
ECNP
European Center for
Nanostructured Polymers
Terni (Italien)
x
2
EEN
European Enterprise Network
(Europäische Kommission)
x
2
EERA
European Energy Research
Alliance
Brüssel (Belgien)
x
2
IAEE
International Association for
Energy Economics
Cleveland (Ohio)
x
3
IEA
International Energy Agency
Paris (Frankreich)
x
2
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
New York (USA)
x
2
European Bioeconomy
Stakeholders Panel
(Europäische Kommission)
x
2
Hydrogen Europe
Brüssel (Belgien)
x
2
Eine vollständige Darstellung befindet sich in
Anhang 4
.
Die Diversifizierung der internationalen Vernetzung zeigt einerseits, dass die sächsischen Akteure durchaus
nach internationaler Vernetzung streben, andererseits jedoch sehr themenspezifische Mitgliedschaften bzw.
Engagements anstreben. Eine übergreifende, energiesystemorientierte Arbeitsplattform scheint nicht exis-
tent oder genutzt zu werden.
Energy Saxony zielt daher darauf ab, im Rahmen einer strukturierten Internationalisierungsstrategie thema-
tisch breit angelegte Netzwerkkooperationen mit vier ausgewählten Staaten und Regionen einzugehen, auf
deren Basis sich dann die Akteure vernetzen und gemeinsame Projekte implementieren können.
Zu den vier Partnern gehören aufgrund ihrer grenznahen Lage Polen, Tschechien sowie wegen ihres Charak-
ters als Hochtechnologiestandorte Israel und China. Zu allen vier Staaten existieren darüber hinaus bereits
intensive Kontakte durch die Wirtschaftsförderung Sachsen (WFS).
30
3.3 Analyse des FuE-Kompetenzportfolios
Die Abfrage der prioritären FuE-Schwerpunkte der Akteure der Energieforschungslandschaft Sachsens er-
folgte entsprechend der in
Kapitel 1
beschriebenen Methodik in Anlehnung an die im Bundesbericht Ener-
gieforschung 2015 vorgenommene Kategorisierung. Dabei gliedern sich die einzelnen FuE-Themenfelder in
eine unterschiedliche Anzahl von FuE-Schwerpunkten mit Ausnahme der Themenfelder „Materialforschung
für die Energiewende“, „Anlagenbau für die Energie- und Kraftwerkstechnik“ und „Fusionsforschung“, bei
denen keine weitere Unterteilung vorgenommen wurde. Die folgenden Abbildungen verdeutlichen die Vertei-
lung der Nennungen auf die einzelnen FuE-Themenfelder gemäß der Kategorisierung.
Abbildung 3: Ungewichtete Anzahl der Nennungen der FuE-Themenfelder der Akteure (Gesamt, Unternehmen,
Wissenschafts- und FuE-Einrichtungen)
31
Die Gesamtzahl aller Nennungen beträgt 684. Mehrfachnennungen waren möglich. Die oben links angeord-
nete Grafik in Abbildung 3 zeigt das Gesamtbild ohne Unterscheidung der Akteure nach Herkunft bzw. der
durch das Autorenteam vorgenommenen Gruppierung. Unten links in Abbildung 3
wurden alle Unternehmen,
unabhängig von ihrer Größe zusammengefasst; nachfolgend erscheinen die staatlichen Wissenschaftsein-
richtungen, gefolgt von den sonstigen Forschungseinrichtungen.
Da die FuE-Themenfelder bzw. die Anzahl an Unterkategorien (FuE-Schwerpunkte) in sehr unterschiedlicher
Ausprägung vorliegen, ist eine Wichtung der Anzahl der Nennungen unerlässlich. Methodisch wurde dies
durch Division der Gesamtzahl der Nennungen in einem Themenfeld durch die Zahl der darin enthaltenen
FuE-Schwerpunkte umgesetzt. Die daraus sich ergebenden Änderungen sind in Abbildung 4 ersichtlich.
Abbildung 4: Gewichtete Anzahl der Nennungen der FuE-Themenfelder der Akteure (Gesamt, Unternehmen,
Wissenschafts- und FuE-Einrichtungen)
32
Man erkennt, dass die Gewichtung eine deutliche Verschiebung der Schwerpunkte der Energieforschung
Sachsens bedingt. Das Themenfeld „Energieverteilung und -nutzung“ ist auch nach der Gewichtung ein
entscheidender Schwerpunkt der FuE-Aktivitäten. Deutlich an Gewicht zugelegt haben jedoch die FuE-
Themenfelder „Materialforschung für die Energiewende“, „Anlagenbau für die Energie- und Kraftstofftech-
nik“ sowie „Sonstige FuE-Schwerpunkte“.
Auf Ebene der
Unternehmen zählen zu den fünf wichtigsten FuE-Themenfeldern:
Energieverteilung und -nutzung
Sonstige FuE-Schwerpunkte
Materialforschung für die Energiewende
Anlagenbau für die Energie- und Kraftstofftechnik
Übergreifende Energieforschung
Bei den „Öffentlich
finanzierten Wissenschaftseinrichtungen“ sieht diese Priorisierung der Themenfelder
ähnlich aus, nur dass die „Materialforschung für die Energiewende“ einen deutlich höheren Stellenwert
einnimmt:
Materialforschung für die Energiewende
Energieverteilung und -nutzung
Sonstige FuE-Schwerpunkte
Anlagenbau für die Energie- und Kraftstofftechnik
Energieumwandlung
Im Bereich der
Sonstigen Forschungseinrichtungen ist eine ähnliche Priorisierung der fünf wichtigsten FuE-
Themenfeldern festzuhalten:
Energieverteilung und -nutzung
Materialforschung für die Energiewende
Sonstige FuE-Schwerpunkte
Energieumwandlung
Anlagenbau für die Energie- und Kraftstofftechnik
Grund für die Dominanz des Themenfeldes „Materialforschung für die Energiewende“ im Bereich der „Öf-
fentlich finanzierten Wissenschaftseinrichtungen“ sowie „Sonstigen Forschungseinrichtungen“ ist die starke
Grundlagenorientierung innerhalb dieses Themenfeldes, sodass hier vor allem Wissenschafts- bzw. FuE-
Einrichtungen aktiv sind.
Die starke Relevanz des Themenfeldes „Sonstige FuE-Schwerpunkte“ in allen drei Akteursgruppen verdeut-
licht die Vielfalt an weiteren Themen der Energieforschungslandschaft in Sachsen, wird jedoch auch bedingt
durch die Abfragemodalität im Fragebogen. Durch die Akteure erfolgte die Nennung von Themenschwer-
punkten innerhalb der „Sonstigen FuE-Schwerpunkte“ als einfache Wortgruppe. Da diese nicht weiter kate-
gorisiert wurden, erfolgte auch die Gewichtung der Gesamtnennungen nur durch die Division mit dem Fak-
tor „1“, sodass alle sehr diversifizierten Nennungen unter einem Themenschwerpunkt in die Wichtung ein-
gingen. Um die Vielfalt der Nennungen zu belegen, sind nachfolgend Beispiele
31
für „Sonstige FuE-
Schwerpunkte“ aus den Fragebögen aufgeführt:
Leitungsauskünfte
32
Recycling von Schrotten der Elektronik und Elektrik
Blockchaintechnologie (Energiehandel, Digitalisierung der Energiewirtschaft)
Leistungselektronik für Energietechnologieanwendungen
Elektromobilität (wurde vereinzelt von Akteuren auch im Themenfeld „Energieumwandlung“ und/oder
„Energienutzung/-verteilung“ verortet)
Additive Fertigung
31
Hinweis
:
Die Reihenfolge der Aufzählung stellt keine Rangfolge dar, sondern listet lediglich Einzelnennungen auf.
32
Hinweis: Im Vorfeld von Baumaßnahmen werden Leitungsauskünfte eingeholt, um Beschädigungen vorhandener
Leitungen zu vermeiden. Forschungsgegenstände sind in diesem Zusammenhang bspw. die Entwicklung von Szenarien,
Workflows und Lösungen zur Schaffung einer landesweiten Zentralstelle, da die Einholung dezentraler Art sehr aufwen-
dig ist.
33
IT-Sicherheit kritischer Energie- und Wasserinfrastrukturen
Sowohl die „Fusionsforschung“ als auch die „Nukleare Sicherheitsforschung“ spielen bei den Unternehmen
keine Rolle. Bei den Forschungseinrichtungen gibt es vereinzelte Aktivitäten in diesen Themenfeldern.
Um die Vielfältigkeit der thematischen Ausrichtung der Akteure in der Energieforschung Sachsens zu bele-
gen, ist die Anzahl der durchschnittlichen Nennungen von Themenfeldern, respektive Themenschwerpunkten,
ein nutzbarer Indikator. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der Auswertung der eingegangenen Daten aus den
Fragebögen.
Abbildung 5: Analyse der Akteure nach Nennungen von FuE-Themenfeldern
Unabhängig von der Eingruppierung des Akteures in die verschiedenen Kategorien, wurden im Durchschnitt
7,8 Themenschwerpunkte je Akteur angegeben. Auf Seiten der Unternehmen liegt dieser Durchschnitt etwas
niedriger (6,7). Der Durchschnittswert für Nicht-KMU liegt mit 8,8 etwas über dem Unternehmens-
Durchschnitt und ist darin begründet, dass sich Großunternehmen thematisch breiter positionieren können
als KMU, die mit durchschnittlich 6,2 FuE-Themenschwerpunkten deutlich spezialisierter Energieforschungs-
themen vorantreiben.
Naturgemäß ist dieser Wert bei den „Öffentlich finanzierten Wissenschaftseinrichtungen“ (8,2 bzw. 9,4) bzw.
„Sonstigen Forschungseinrichtungen“ (8,8) mit einer breiten Anzahl an Fachgebieten größer. Neben der
Darstellung der Gesamtnennungen je Akteursgruppe wurde eine Unterteilung in technologieorientierte bzw.
übergeordnete/gesellschaftliche FuE-Schwerpunkte vorgenommen. Als technologiegetriebene Themen wer-
den Forschungsaktivitäten, die mehrheitlich auf neuartige Technologien und technische Innovationen fokus-
siert sind, zusammengefasst. Dazu zählen die Themenfelder „Energieumwandlung“, „Energieverteilung und
Energienutzung“, „Materialforschung für die Energiewende“ und „Anlagenbau für die Energie- & Kraftstoff-
technik“, „Fusionsforschung“ sowie „Nukleare Sicherheitsforschung“. Dem gegenüber stehen übergeordnete
bzw. gesellschaftliche Themen, die sich eher auf die politischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen
Rahmenbedingungen der Energiewende konzentrieren. Diese sind in den beiden Themenfeldern „Übergrei-
fende Energieforschung“ und „Gesellschaftsverträgliche Transformation“ zusammengefasst. Die „sonstigen
FuE-Themenschwerpunkte“ werden aufgrund der Diversität der Angaben in den Fragebögen und der damit
verbundenen Schwierigkeit der Einordnung in eine der beiden Kategorien separat ausgeführt.
Abbildung 5 verdeutlicht, dass der relative Anteil an technologieorientierten Forschungsthemen über alle
Gruppierungen hinweg ca. 70 % beträgt und damit das Themenspektrum deutlich dominiert. Grund ist mit
7,8
6,7
8,8
6,2
8,2
9,4
8,8
Durchschnittliche Anzahl der FuE-Schwerpunkte
34
großer Wahrscheinlichkeit die traditionell sehr technologiegeprägte Industrie im Freistaat Sachsen bzw. die
charakteristischen Profile der Mehrheit der sächsischen Hochschulen (ingenieurwissenschaftlicher Schwer-
punkt).
Um nachfolgend Schlussfolgerungen zu den einzelnen Themenfeldern vornehmen zu können, wurden die
Angaben in den Fragebögen einer dezidierten Themenfeldanalyse unterzogen. Eine Zuordnungsmatrix zwi-
schen den Themenfeldern und den jeweiligen Akteuren ist in
Anhang 6
dargestellt.
3.3.1 Themenfeldanalyse „Energieumwandlung“
Im Rahmen der tiefergehenden Analyse des Themenfeldes war von Interesse, wie sich die FuE-
Schwerpunktsetzung innerhalb der regenerativen Energien und der fossilen Energieträger bzw. auf andere
FuE-Schwerpunkte verteilt. Zu den fossilen Energieträgern gehört der FuE-Schwerpunkt „Kohle/Gas“, wohin-
gegen zu den regenerativen Energien die folgenden FuE-Schwerpunkte gezählt wurden:
Photovoltaik
Windenergie
Bioenergie
Tiefe Geothermie
Solarthermische Kraftwerke
Wasserkraft und Meeresenergie
Die FuE-Schwerpunkte „Brennstoffzellen und Wasserstoff“, „Wärme-/Kälteerzeugung“ sowie „grüne Kraft-
stoffe/E-Fuels“ wurden gemeinsam mit den Angaben unter „Sonstiges“ unter den „anderen FuE-
Schwerpunkten“ subsummiert.
Abbildung 6 zeigt das Ergebnis der Analyse unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Akteursgruppen.
Abbildung 6: Analyse des FuE-Themenfeldes „Energieumwandlung“ in Hinblick auf die Verteilung zwischen rege-
nerativen und fossilen Energieträgern
020406080100
regenerative Energie
fossile Energie
andere FuE-Schwerpunkte
(z.B. Brennstoffzellentechnik,
Kälte-/Wärmeversorgung etc.)
Anzahl der Nennungen
Analyse des FuE-Themenfeldes "Energieumwandlung" im Hinblick auf die
Verteilung zwischen regenerativen und fossilen Energieträgern
Nicht-KMU
KMU
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur Hochschulen)
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und
Landeseinrichtungen)
Sonstige Forschungseinrichtungen
Weitere Akteure (Verbände/Vereine und Sonstige)
35
Es wird deutlich, dass fossile Energieträger forschungsseitig nur eine untergeordnete Rolle spielen. Die FuE-
Aktivitäten im Bereich der „regenerativen Energieträger“ sind in etwa gleich intensiv wie die FuE-Aktivitäten
in den „anderen FuE-Schwerpunkten, worunter „Wärme-/Kälteerzeugung bzw. -versorgung“, „grüne Kraft-
stoffe/E-Fuels“; „Brennstoffzellen und Wasserstoff“ und „Sonstiges“ subsummiert werden. Innerhalb der
beiden Themenfelder ist die Aufteilung der Nennungen zwischen den verschiedenen Akteursgruppen (Nicht-
KMU, KMU etc.) relativ ähnlich.
Zur weiteren Aufschlüsselung des Themenfeldes dient Abbildung 7.
Abbildung 7: Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Energieumwandlung"
Die Themenschwerpunkte „Photovoltaik“, „Brennstoffzellen und Wasserstoff“ sowie „Wärme-/Kälte-
erzeugung bzw. -versorgung“ zählen zu den drei meist genannten FuE-Aktivitäten innerhalb des Themenfel-
des „Energieumwandlung“. Die hohe Relevanz der Photovoltaik-Forschung liegt mit großer Wahrscheinlich-
keit auch in den zahlreichen Aktivitäten in peripheren Forschungsbereichen, wie der Netzintegration oder
auch der Charakterisierung von Solarzellen, begründet.
In allen drei Themenschwerpunkten dominieren die „Öffentlich finanzierten Wissenschaftseinrichtungen“ die
Aktivitäten. Der FuE-Schwerpunkt „Sonstiges“ ist wie vorangehend beschrieben auch im Themenfeld „Ener-
gieumwandlung“ durch die Akteure mit freien Wortnennungen hinterlegt worden. Beispielhaft seien nach-
folgend einige Nennungen aufgeführt:
010203040
Photovoltaik
Windenergie
Bioenergie
Tiefe Geothermie
Brennstoffzellen und Wasserstoff
Solarthermie
Wasserkraft und Meeresenergie
Kohle/ Gas
Wärme-/ Kälteerzeugung bzw. -versorgung
Grüne Kraftstoffe/ eFuels
Sonstiges
Anzahl der Nennungen
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Energieumwandlung"
Nicht-KMU
KMU
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur Hochschulen)
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und
Landeseinrichtungen)
Sonstige Forschungseinrichtungen
Weitere Akteure (Verbände/Vereine und Sonstige)
36
Netzdienliche Sektorenkopplung
Batterien, elektronische Bauelemente der Leistungsumwandlung
Bioökonomie
Sektorenkopplung, auch im Sinne von Power-to-X als Technologiemix
Thermoelektrik
Aufbau- und Verbindungstechnik für Leistungselektronik
Oberflächennahe Geothermie
Elektromobilität und Infrastruktur
Die Bandbreite an Nennungen zeigt erneut die Vielfalt an Themengebieten in der Akteurslandschaft Sachsen
und ist wiederum Grund für die Häufigkeit der Nennungen in Relation zu den konkret umschriebenen FuE-
Schwerpunkten des Themenfeldes.
3.3.2 Themenfeldanalyse „Energieverteilung und Energienutzung“
Der am häufigsten genannte FuE-Schwerpunkt im Bereich der „Energieverteilung und Energienutzung“ ist
bei Unternehmen (mit 18 Nennungen, wobei KMU mit 14 Nennungen dominieren) als auch „Öffentlich fi-
nanzierten Wissenschaftseinrichtungen“ (in Summe 31 Nennungen) das Themenfeld „Speicher“. Auch im
Forschungsbereich „Energieeffizienz in Industrie, Gewerbe und Handel“, welcher am zweithäufigsten von
den Befragten angegeben wurde, liegen die „Öffentlich finanzierten Wissenschaftseinrichtungen (mit in
Summe 23 Nennungen) vor den Unternehmen (insgesamt 16 Nennungen).
Abbildung 8: Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Energieverteilung und Energienutzung"
3.3.3 Themenfeldanalyse „Übergreifende Energieforschung“
Insgesamt betätigen sich 30 Akteure im Themengebiet „Übergreifende Energieforschung“ mit dem Schwer-
punkt „Querschnittsforschung und Systemanalyse“, wobei die „Öffentlich finanzierten Wissenschaftseinrich-
tungen“ (mit in Summe 20 Nennungen) überproportional vertreten sind. Der Schwerpunkt „Informationsver-
0 20 40 60
Speicher
Netze
Energieeffizienz in Gebäuden/
Quartieren/ Städten
Energieeffizienz in Industrie/ Gewerbe/
Handel
Sonstiges
Anzahl der Nennungen
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Energieverteilung und -nutzung"
Nicht-KMU
KMU
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur Hochschulen)
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und
Landeseinrichtungen)
Sonstige Forschungseinrichtungen
Weitere Akteure (Verbände/Vereine und Sonstige)
37
arbeitung“ wird (mit 10 Nennungen) knapp von den Unternehmen dominiert und ist (mit 21 Nennungen) das
zweithäufigste genannte FuE-Themenfeld in diesem Bereich.
Abbildung 9: Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Übergreifende Energieforschung"
0
5
10
15
20
25
30
35
Querschnittsforschung
und Systemanalyse
Begleitforschung und
Evaluation der Projektförderung
Informationsverarbeitung
Sonstiges
Anzahl der Nennungen
Detailierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Übergreifende Energieforschung"
Nicht-KMU
KMU
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur Hochschulen)
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und
Landeseinrichtungen)
Sonstige Forschungseinrichtungen
Weitere Akteure (Verbände/Vereine und Sonstige)
38
3.3.4 Themenfeldanalyse „Gesellschaftsverträgliche Transformation“
Abbildung 10: Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Gesellschaftsverträgliche Transformation"
Unter den Akteuren befinden sich auch Nicht-KMU, die sich mit dem Themenfeld „Gesellschaftsverträgliche
Transformation“ beschäftigen. Im FuE-Schwerpunkt „Entwicklungsoptionen“ (mit insgesamt 17 Nennungen)
sind die „Öffentlich finanzierten Wissenschaftseinrichtungen“ (mit zehn Nennungen) am stärksten aktiv.
Dieser Bereich ist neben dem Themenschwerpunkt „Bürger, Geschäftsmodelle und Co.“ (ebenfalls 17 Nen-
nungen in Summe) die am häufigsten genannte Option unter den beteiligten Akteuren.
0
5
10
15
20
Bürger, Geschäftsmodelle & Co.
Entwicklungsoptionen
Gebäude und Siedlungen
Governance
Partizipationsstrategien
Sonstiges
Anzahl der Nennungen
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Gesellschaftsverträgliche
Transformation"
Nicht-KMU
KMU
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur Hochschulen)
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und
Landeseinrichtungen)
Sonstige Forschungseinrichtungen
Weitere Akteure (Verbände/Vereine und Sonstige)
39
3.3.5 Themenfeldanalyse „Nukleare Sicherheitsforschung“
Abbildung 11: Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Nukleare Sicherheitsforschung"
Wie sich auch schon in der Vorstudie
33
herausgestellt hat, bildet das Themenfeld der „Nuklearen Sicherheits-
forschung“ nur einen untergeordneten Bereich innerhalb der FuE-Themenfelder. Stärkster Akteur sind wei-
terhin die „Öffentlich finanzierten Wissenschaftseinrichtungen“, welche sich besonders im Schwerpunkt
„Endlager- und Entsorgungsforschung“ (mit 7 Nennungen) engagieren. Dies ist zudem der einzige Bereich in
dem auch ein KMU-Akteur tätig ist.
3.4 Schwerpunkte der Energieforschung in Sachsen
Um die Expertise bzw. den aktuellen Stand der sächsischen FuE-Landschaft einschätzen zu können, wurden
von ausgewählten Experten
34
der Energieforschung Sachsens thematische Zuarbeiten zu einem Überblick
zusammengefasst. Die relevanten Themenfelder werden kurz vorgestellt und Aussagen zum Vernetzungsgrad
der Akteure, Stärken und Schwächen innerhalb des jeweiligen Forschungsfeldes in Sachsen dargestellt sowie
ein Ausblick zu Zukunftstrends und deren Transferpotentialen, soweit möglich, geschildert.
3.4.1 Energieumwandlung
3.4.1.1
Photovoltaik
Vorrangig genutzte erneuerbare Energiequellen sind Wasser, Biomasse, Wind und Sonne. Während ersteres,
bedingt durch die vorherrschende Topographie in Mitteleuropa, nur eine untergeordnete Rolle spielt, bedür-
fen die anderen Ressourcen ausreichender Flächen. Damit konkurrieren sie in weiten Teilen mit anderen
möglichen Nutzungsarten.
Demgegenüber weist die Photovoltaik noch umfangreiche, bisher ungenutzte Energiereserven auf. So über-
trifft selbst in Deutschland die Sonneneinstrahlung den jährlichen Energieverbrauch um das Hundertfache.
33
Vgl. Energy Saxony (2015): Akteursüberblick und aktuelle Forschungsthemen in der Energieforschung und Speicher-
technologie in Sachsen, S. 41,
rschung_und_Speichertechnologie_in_Sachsen.pdf, aufgerufen am 10.07.2017.
34
Hinweis: Anhang 5 listet die für die jeweiligen Kapitel zuständigen Hauptautoren auf.
0 2 4 6 8 10
Reaktionssicherheitsforschung
Endlager und Entsorgungsforschung
Strahlenforschung
Sonstiges
Anzahl der Nennungen
Detaillierte Analyse des FuE-Themenfeldes "Nukleare Sicherheitsforschung"
KMU
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur Hochschulen)
Öffentlich finanzierte Wissenschaftseinrichtungen (nur außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und
Landeseinrichtungen)
40
Heutige Solarzellen unterscheiden sich vor allem hinsichtlich des verwendeten photoaktiven Materials. Von
wirtschaftlicher Bedeutung sind zurzeit die folgenden Technologien:
Tabelle 2:
Eigene Zusammenstellung auf Basis von Wikipedia-Informationen
35
Solarzellenmaterial
max. Wirkungsgrad
im Labor ca.
max. Wirkungsgrad
im Einsatz ca.
globaler
Marktanteil 2011
Dickschicht
monokristallines Silizium
25 %
21 %
38 %
polykristallines Silizium
20 %
18 %
47 %
Dünn-schicht
amorphes Silizium
15 %
9 %
3 %
Cadmium-Tellurid
30 %
10 %
8 %
Kupfer-Indium/ Gallium-
Diselenid
21 %
12 %
3 %
Noch vor einigen Jahren waren in Sachsen zahlreiche Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Photo-
voltaik tätig. Parallel zur Entwicklung der Solarbranche gingen auch die Forschungsaktivitäten stark zurück.
An sächsischen Fraunhofer-Instituten und Hochschulen werden derzeit vergleichsweise kleinere Labors und
Forschungsprojekte mit Bezug zu herkömmlichen Solarzellen-Technologien betrieben, die sich überwiegend
mit materialwissenschaftlichen Aspekten und mit Fragen der Energiesystemtechnik befassen.
36
International führend ist Sachsen nach wie vor in der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der orga-
nischen Photovoltaik. Organische Solarzellen sind eine relativ neue Technologie. Im Gegensatz zu Siliziumso-
larzellen bestehen sie aus Kohlenwasserstoffen, die aus einfachen und nachhaltig verfügbaren Grundbau-
steinen synthetisiert werden. Obwohl sich seit dem ersten im Labor funktionierenden Prototyp im Jahr 1986
der Wirkungsgrad bereits mehr als verzehnfacht hat, bergen sie immer noch großes Potential zur wesentli-
chen Verbesserung der relevanten Parameter Energieeffizienz, Kosten und Langlebigkeit. Im Gegensatz zur
etablierten Technologie der Silizium-Solarzellen ist die organische Photovoltaik noch sehr innovativ und
kann durch wirksame Schutzrechte asiatische Billigkonkurrenz abwehren.
Von wirtschaftlichem Interesse sind organische Solarzellen, weil sie leicht und flexibel sowie potentiell kos-
tengünstig und nachhaltig herstellbar sind. Unter anderem bietet sich als Anwendungsfall die gebäudeinte-
grierte organische Photovoltaik (Building Integrated Photovoltaics, BIPV) an. Das sehr niedrige Gewicht der
hauchdünnen Module, die teilweise auf Kunststofffolien aufgebracht sind, und das nach entsprechender
Skalierung sehr kostengünstige, weil etablierte Herstellungsverfahren (Vakuumbeschichtung von Kunststof-
fen bzw. Glas) erlauben die großflächige Verkleidung von Bauwerken. Da organische Solarzellen auch semi-
transparent hergestellt werden können, ist sogar der Einsatz in Verbundglasfenstern, z. B. in Bürogebäuden
möglich. Eine gebäudeintegrierte organische Photovoltaik ermöglicht zudem die Produktion von elektrischer
Energie in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Verbrauchern. Dies entlastet die Stromnetze.
Eines der
diese Technologie kommerziell vertreibenden Unternehmen ist die in Dresden beheimatete Heliatek GmbH,
eine Ausgründung des IAPP. Sie beschäftigt derzeit fast 100 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und kon-
zentriert sich auf die Produktion und Vermarktung gebäudeintegrierter Photovoltaik.
35
Vgl. Wikipedia: Solarzelle, https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle, aufgerufen am 10.07.2017 und
Vgl. Photovoltaik:
gestern,QUlEPTQ0ODgyMSZNSUQ9MTEwNDUz.html, aufgerufen am 10.07.2017.
36
Bis in das Jahr 2008 verzeichnete die Branche der Solarzellen- und Solarmodulhersteller in Mitteldeutschland ein
stetiges bis exponentielles Wachstum. Dabei waren bzw. sind in Sachsen u. a. folgende Unternehmen angesiedelt: So-
larWorld GmbH, Arise Technologies, SignetSolar, SolarWatt, Sunfilm AG, Heliatek GmbH, Heckert Solar GmbH, AVANCIS
GmbH und Solarion AG.
41
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Die Einrichtungen, die im Bereich der organischen Photovoltaik bzw. organischen Elektronik in Sachsen
tätig sind, haben sich über den Verein „Organic Electronics Saxony (OES)“ eng vernetzt. Der Verein hat
derzeit 30 Mitglieder, die zum allergrößten Teil regional verortet sind. Eine Liste der Mitglieder des Clusters
befindet sich in
Anhang 7
. Innerhalb dieser Struktur können z. B. übergreifende Forschungsanträge koordi-
niert und deren Antragstellung optimiert werden. Darüber hinaus bietet das Netzwerk Beratung und Unter-
stützung bei Unternehmensgründungen in diesem Technologiefeld, bündelt die Interessen der organischen
Elektronik-Branche gegenüber der Öffentlichkeit und gegenüber politischen Entscheidungsträgern und
wirbt für deren Innovationen und Visionen.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Organische Photovoltaik ist eine zu-
kunftsweisende Technologie mit vielfälti-
gen neuen Einsatzmöglichkeiten.
Deutschland und speziell Sachsen sind
weltweit führend in dieser Technologie.
Aufgrund des hohen Innovationsgrades
und grundlegender Schutzrechte ist die
organische Photovoltaik gut gegen Billig-
konkurrenz geschützt.
Sachsen ist in der Forschung zur organi-
schen Photovoltaik hervorragend vernetzt.
Die Entwicklung der organischen Photo-
voltaik wird weitgehend nur noch von
KMU vorangetrieben, die nicht die Mittel
großer Konzerne haben.
Die Photovoltaik als Ganzes befindet sich
aufgrund asiatischer Billigkonkurrenz in
einer Krise, die auch für die davon nicht
betroffene organische Photovoltaik zu
einer Verschlechterung des Investitions-
klimas geführt hat.
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Die organische Photovoltaik hat bereits einen weiten Weg von der Entwicklung erster Prototypen bis hin zu
marktreifen Produkten zurückgelegt. Organische Solarzellen stehen an der Schwelle zur Marktreife. Um den
Photovoltaikmarkt nachhaltig zu durchdringen, sind auf technologischer Seite die wesentlichen Leistungs-
parameter weiter zu verbessern:
Wirkungsgrad: Der Labor-Weltrekord von 13,2 % ist weiter zu verbessern, um in Konkurrenz zu her-
kömmlicher Photovoltaik zu treten. Dies kann z.B. durch weitere Materialforschung, d.h. Identifikation
und chemische Synthese geeigneter organischer Moleküle oder durch Optimierung des Zellenaufbaus,
auch mit Hilfe nanostrukturierter Oberflächen, gelingen.
Lebensdauer: Organische Halbleiter degradieren schneller durch UV-Strahlung und Wassereinwirkung
als ihre anorganischen Pendants. Durch weitere Materialforschungen können insbesondere dünne und
widerstandsfähige Folien zur Verkapselung der empfindlichen aktiven Schichten entwickelt werden.
Kosteneffizienz: Die derzeit für organische Photovoltaikprodukte verwendeten organischen Materialien
sind aufgrund der komplexen und nicht in großem Maßstab erfolgenden Produktion bisher nicht kos-
teneffizient. Die Suche nach kostengünstiger herstellbaren Materialien oder die effiziente Hochskalie-
rung der Produktion sind wesentliche Einsparmaßnahmen.
Bereits jetzt kann die organische Photovoltaik den Nischenmarkt gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV)
besetzen, da dort keine konkurrierende Technologie existiert. Ihre vielen Vorteile bergen das Potential eines
42
technologischen Paradigmenwechsels in der Energiewirtschaft – auch im Hinblick auf die allgemeine Ver-
fügbarkeit der Rohstoffe in ausreichender Menge.
3.4.1.2
Windenergie
Windenergie gilt als zentraler Baustein der Energiewende und liefert derzeit (Bezugsjahr 2016) mit 37,1%
den größten Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energien in den Sektoren Strom, Wärme und Verkehr. For-
schungsaktivitäten zielen aktuell auf eine Senkung der Stromerzeugungskosten ab, spielen aber in Sachsen
eine nur untergeordnete Rolle. Neben spezifischen Forschungsaktivitäten im Themenfeld gibt es insbesonde-
re für Sachsen den Bedarf an umfangreichen Potentialanalysen (Stichwort „Potential nicht genutzter Vor-
rang- und Eignungsgebiete“ oder „Potential neuer Vorrang- und Eignungsgebiete“), die jedoch über die
Energieforschung hinausgehende Marktforschung adressieren und daher im Folgenden nicht tiefergehend
diskutiert werden.
3.4.1.3
Bioenergie
Die energetische Nutzung von Biomasse ist ein wichtiger Baustein der Energiewende. Im Jahr 2016 hatte
Biomasse einen Anteil von 6,5 % am deutschen Primärenergieverbrauch
37
. Dieser Anteil entspricht 64% aller
erneuerbaren Energien.
38
Die Strom-, Wärme und Kraftstoffbereitstellung aus Biomasse sparte im Jahr 2016
durch die Substitution fossiler Energieträger zudem ca. 64 Millionen Tonnen CO
2-Äquivalent
39
. Die Möglich-
keiten der Klimagaseinsparung durch Bioenergie umfassen einerseits die energetische Nutzung bisher uner-
schlossener Biomassepotentiale sowie andererseits die effiziente, emissionsarme und integrierte Weiterent-
wicklung der gegenwärtigen Biomassenutzung.
Die Verfügbarkeit von Biomasse ist limitiert. Um den vielfältigen Bedürfnissen an der Biomasse als Energie-
träger gerecht zu werden und dabei eine maximale Wertschöpfung aus den Ressourcen zu generieren, ist
eine wesentlich effizientere Bewirtschaftung der für eine energetische Nutzung nachhaltig verfügbaren
Biomassepotentiale notwendig. Gleichwohl darf dabei die Frage einer nachhaltigen Bewirtschaftung von
Landflächen in Konkurrenz zur Landwirtschaft mit dem Ziel der Lebensmittelversorgung nicht vernachlässigt
werden. Eine so verstandene Bewirtschaftung umfasst zunächst die Entwicklung und Optimierung effizienter
Prozesse entlang der gesamten Bereitstellungskette, vom Energiepflanzenanbau über Lagerung, Vorbehand-
lung, der Konversion in Energieträger bis hin zu einer effizienten Nutzung der Energieträger. Weiterhin sind
die stofflichen und energetischen Verwertungspfade intelligent miteinander zu verknüpfen, um in Koppel-
und Kaskadennutzung neue Ansätze zu finden bzw. die bestehenden zu optimieren.
40
In der Bioökonomie wird die Ressource Biomasse durch die Kopplung von stofflicher und energetischer Nut-
zung sowie Kaskadennutzung höchsteffizient eingesetzt. Es entstehen neue und verlängerte Nutzungspfade
und Wertschöpfungsketten. In zukünftigen Bioraffinerien soll die Prozessenergie klimaneutral aus einem Teil
der eingesetzten Biomasse bereitgestellt oder als Energieträger ausgekoppelt werden. Die eingesetzten Roh-
stoffe sollen vollständig genutzt werden. Nährstoffe können dabei in geschlossenen Kreisläufen geführt
werden.
Eine optimierte Reststoff- und Abfallnutzung sowie die Verwertung neuer Reststoffströme aus Biomasse
verarbeitenden Prozessen, z. B. der Chemie- und verarbeitenden Industrie, sowie das Schließen von Nähr-
stoffkreisläufen eröffnen neue Einsatzfelder für Bioenergieverfahren. Um diese Potentiale zu heben, sind
Lebenszyklusanalysen zur Nachhaltigkeitsbewertung ein wesentliches Element.
Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung der Bioenergie sind energieeffiziente, emissionsarme Konversions-
technologien. Eingesetzt werden dabei biochemische, thermochemische und physikalischchemische Um-
wandlungsprinzipien, die sich ihrerseits unter Berücksichtigung der Sektorenkopplung auch mit elektroche-
mischen Verfahren und damit mit anderen erneuerbaren Energien in sog. Hybridsystemen kombinieren las-
37
Vgl. BMWi (2015): Energiedaten: Gesamtausgabe (Stand: Mai 2017),
grafiken.pdf?__blob=publicationFile&v=18
,
aufgerufen am
10.07.2017.
38
FVEE Programmbroschüre: Forschungsziele 2017 - Gemeinsam forschen für die Energie der Zukunft.
39
Vgl. Umweltbundesamt (2016): Erneuerbare Energien in Zahlen – Quartalsberichte 2016,
zahlen?sprungmarke=quartalsberichte#quartalsberichte, aufgerufen am 10.07.2017.
40
Vgl. Nelles M. et al (2017): SMART-Bioenergy – Die Rolle der energetischen Verwertung von biogenen Abfällen und
Reststoffe im Energiesystem und der biobasierten Wirtschaft.
43
sen. Zentrale Herausforderung ist in diesem Zusammenhang die Flexibilisierung dieser Komponenten zu
„smarten“ Bereitstellungskonzepten.
Bioenergie bietet zeitlich und räumlich flexible Lösungen für Strom, Wärme und Kälte sowie für Mobilität.
Durch gute Speicherbarkeit und wetterunabhängige Verfügbarkeit kann Bioenergie künftig in einem erneu-
erbaren Energiesystem dazu beitragen, den Restbedarf bei Strom, Wärme und Mobilität abzudecken, die
nach Einsatz der fluktuierenden erneuerbaren Energien und der Effizienztechnologien noch verbleiben. Da-
her muss die Bioenergie mit allen anderen Komponenten im Energiesystem intelligent verknüpft werden.
Durch die Kombination von Bioenergie mit anderen erneuerbaren Energien sind alternative regionale Versor-
gungssysteme realisierbar. Dies kann zu einer Entlastung der regionalen und überregionalen Stromnetze und
der Verminderung der Nachfrage nach Netzausbau und Stromspeichern führen.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Im Themenfeld Bioenergie sind sowohl Forschungseinrichtungen als auch privatwirtschaftliche Unterneh-
men forschend tätig. Die Vernetzung innerhalb der Community ist hervorragend. Wichtige Akteure im
Hochschulbereich sind:
Professur Bioenergiesysteme in der Wirtschaftswissenschaftlichen Fakultät an der Universität
Leipzig
Departments Bioenergie (BEN) am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ)
Deutsches Biomasseforschungszentrum (DBFZ)
Professur Chemische Reaktionstechnik sowie Institut für Technische Chemie an der Universität
Leipzig
Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft an der Technischen Universität Dresden
Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen an der Technische Universität
Bergakademie Freiberg
Professur Technische Thermodynamik an der Technischen Universität Chemnitz
DBI - Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Institut für Prozesstechnik, Prozessautomatisierung und Messtechnik (IPM) der Hochschule
Zittau/Görlitz
Fachgruppe Physikalische Technik an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
Abteilung Biomassentechnologie und Membranverfahrenstechnik am Fraunhofer-Institut für Kera-
mische Technologien und Systeme, Dresden
Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig
Auch zahlreiche Unternehmen widmen sich den Bioenergieforschungsaktivitäten und sind in FuE-
Verbundprojekten mit den oben genannten Akteuren verbunden, um Forschungsergebnisse in die Praxis zu
transferieren. Dazu zählen beispielsweise Chemieanlagenbau Chemnitz GmbH, die LAV Landwirtschaftli-
ches Verarbeitungszentrum Markranstädt GmbH oder auch die VNG - Verbundnetz Gas AG.
44
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Potentiale zur wirtschaftlich attraktiven
Wertschöpfung von Nebenprodukten
sowie Rest- und Abfallstoffen in Zu-
sammenhang mit einer gekoppelten
stofflichen Nutzung nachwachsender
Rohstoffe
Weiterhin Möglichkeit der bedarfsge-
rechten Erzeugung (zeitlich und örtlich)
Starke sächsische Forschungslandschaft
im Bereich Bioenergie/Bioökonomie
durch den Ausbau von Forschungsein-
richtungen in den vergangenen Jahren
Gute Vernetzung und Austausch zwi-
schen den Forschungseinrichtungen,
Unternehmen und staatlichen Struktu-
ren in Sachsen
Chance zur Erhöhung der Wertschöp-
fung der Landwirtschaft durch intelli-
gente Kopplung der Biomasseproduktion
für Nahrung, Futter und stoffliche Roh-
materialien mit einer energetischen
Nutzung der Nebenprodukte, Reststoffe
und späteren Nutzungsrückstände
Fehlende mittel- bis langfristige einrich-
tungsübergreifende Vision für die (Bio-)
Energieforschung in Sachsen zur Ablei-
tung von Einzelstrategien und -
konzepten
Relativ wenig angewandte Forschung im
Bereich der erneuerbaren Energien und
insbesondere im Bereich der Sektoren-
kopplung
Fehlende komplexe und sektorenüber-
greifende Forschungsvorhaben mit
Leuchtturmcharakter
Verbesserungswürdige Wahrnehmung der
sächsischen Forschungslandschaft au-
ßerhalb Sachsens und auf EU-Ebene
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
FuE-Aktivitäten zur integrierten stofflichen und energetischen Nutzung
Die Biomasse dient als Ausgangstoff unzähliger Wertschöpfungsketten. Die Forschung verfolgt eine gekop-
pelte, kaskadierende Nutzung. Auch bei einer primär energetischen Vornutzung können wertvolle, stofflich
nutzbare Produkte anfallen:
Energieträger / Prozessenergie aus Nebenprodukten stofflicher Prozesse
Entwicklung neuer Koppel- und Kaskadennutzungspfade
Prozesse zur Gewinnung und zum Recycling von Nährstoffen und zum Schließen von Stoffkreisläu-
fen, insbesondere Kohlenstoffkreisläufe
Integration neuer Wertschöpfungsketten in bestehende Bioenergieprozesse
Entwicklung neuer Pflanzen, Pflanzenanbau- und Ernteverfahren zur Erhöhung der stofflichen und
energetischen Gesamteffizienz des Biomasseanbaus
CO
2
-Minderungspotential weiter ausschöpfen und Nutzungskonkurrenzen reduzieren
FuE-Aktivitäten zur Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte
Die dezentrale und kosteneffiziente Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte im industriellen und priva-
ten Sektor soll weiter mit hoher Wirksamkeit für Versorgungssicherheit und Netzstabilität optimiert wer-
den:
Anlagenkonzepte für die netz- und versorgungsstabilisierende Integration von Bioenergieanlagen in
45
bestehende und zukünftige Infrastrukturen
Prozessregelung für die bedarfsgerechte Anlagenflexibilisierung
Entwicklung möglichst emissionsarmer Verbrennungstechnik
Einbindung von ORCAnlagen, Turbinen und Vergasersystemen sowie (Mikro)- Kraft-Wärme-Kälte-
Kopplungsanlagen
Optimierung von schadstoffarmen, last- und brennstoffflexiblen Kraft-Wärme-Kälte Kopplungsan-
lagen
Erhöhung der Lebensdauer, insbesondere der hochbelasteten Heißgaskomponenten in Bezug auf
erhöhte Anzahl der Startvorgänge und Lastwechsel
Reduktion der Herstellungskosten, insbesondere der hochbelasteten Heißgaskomponenten
Gasreinigungsverfahren zum Synthesegaseinsatz in Brennstoffzellen
Tools zur Planung und Wirtschaftlichkeitsbeurteilung von Nahwärmenetzen mit Speichern
auf Basis von Biomasse
Untersuchung der Möglichkeiten, Solarthermie (in Nahwärmenetzen) kombiniert mit Bioenergie zu
verwenden
Effizienzsteigerung zur Ausnutzung knapper Rohstoffpotentiale, insbesondere Rest- und Abfallstof-
fe
Erforschung kosteneffizienter Emissionsminderungstechnologien und Überführung in die Praxis
Konzepte für die hochflexible und gleichzeitig hocheffiziente Bereitstellung von Strom- und Wärme
FuE-Aktivitäten zur Bereitstellung von Kraftstoff
Nachhaltige erneuerbare Energieträger wie Biokraftstoffe sind wesentlicher Baustein für klimafreundlichen
Verkehr. Dies geht einher mit den Herausforderungen in der Einhaltung von Emissionsstandards im Zu-
sammenspiel der Energie- und Verkehrsträger, hocheffiziente Kraftstoffherstellung sowie entsprechend
vielfältig einsetzbarer Nebenprodukte in weiterentwickelten und neuen Bioraffinerien (Stichwort fort-
schrittliche Bio-Kraftstoffe):
Weitere Rohstoffdiversifizierung (z.B. biogene Rest- und Abfallstoffe, perspektivisch auch Neben-
produkte der Algenverwertung)
Optimierung und Weiterentwicklung von Einzelkomponenten und Gesamtprozessketten zur Kraft-
stoffherstellung
Einbindung von elektrochemischen Verfahren (z. B. durch Bereitstellung von elektrolytischem Was-
serstoff aus erneuerbaren Energien) für Produktsynthesen und Produktaufbereitung
Erhöhung des erneuerbaren Kohlenstoffanteils in Bioraffinerieprodukten und Kraftstoffen durch
Nutzung von erneuerbarem CO
2
(z.B. aus Bioenergieanlagen)
Technologieoffene Weiterentwicklung der Bioraffinerieansätze, um bis zum Jahr 2050 Optionen am
Markt zu etablieren; dazu schrittweise Umsetzung von Pilot- und Demonstrationsvorhaben
Frühindikation für Wettbewerbsfähigkeit im Kontext Nachhaltigkeit durch TRL/FRL-angepasste
Technologiebewertung
FuE-Aktivitäten zur Einbindung von Bioenergie in das Energiesystem
Bioenergie muss ganzheitlich, systembezogen und im Zusammenspiel mit den anderen erneuerbaren Ener-
gieformen weiterentwickelt werden.
Systemanalyse der bedarfsgerechten Bioenergiebereitstellung, auch im Kontext der Integration ver-
schiedener Energieträger, und Ableitung von Steuerungselementen auf nationaler und regionaler
Ebene
Untersuchung der Bedeutung einer bedarfsgerechten Bioenergiebereitstellung im Rahmen der Sek-
torenkopplung
Analysen zu Märkten, Wettbewerb und möglicher Wertschöpfung (regional, national, international)
Entwicklung und Anwendung von Markt und Optimierungsmodellen zur Einbindung von Bioener-
gie ins Energiesystem
Simulationsgestützte Konzeptentwicklung/-bewertung
Integrierte (inter)kommunale Energiekonzepte zur Mobilisierung und Nutzung biogener Reststoffe
Netzdienstleistungen von Bioenergieanlagen
46
Monitoringsysteme und Nachhaltigkeitskriterien und insbesondere ökologische Aspekte der Bio-
masseproduktion und der stofflichenergetischen Nutzung
Nutzungskonkurrenzen sowie räumliche, strukturelle und politische Rahmenbedingungen; auch im
Kontext Bioenergie und anderer erneuerbarer Energien
Verbesserung der lokalen Effekte und sozialen Akzeptanz von Biomassebereitstellung und Bioener-
gienutzung als Baustein der Energiewende
Flexible Bioenergie: Potentiale und Grenzen für die Unterstützung des Energiesystems, u.a. durch
Szenarioanalysen (Ziele versus technische Möglichkeiten über verschiedene Zeithorizonte unter Be-
rücksichtigung von Landnutzungskonkurrenzen)
Entwicklung von Systemreglern und standardisierten Kommunikationsschnittstellen für eine einfa-
che Kopplung verschiedenster Energieversorgungsoptionen
Implementierung der Digitalisierung 4.0 zur Ausnutzung der Informationsvorteile für eine maximale
Effizienz und Effektivität der Bioenergie in einem integrierten Energiesystem unter Beachtung des
notwendigen Datenschutzes und der Funktionssicherheit gegenüber Angriffen von außen
Einbettung von Bioenergieanlagen in multivalente Versorgungssysteme und deren Steuerung
3.4.1.4
Tiefe Geothermie
Die Nutzung geothermischer Energie aus tiefen Geothermal-Bohrungen hat in Sachsen noch keinen Durch-
bruch erfahren, da die notwendigen Bedingungen für den Betrieb eines geothermischen Kraftwerks, sprich
frei bewegliches heißes Wasser, nicht gegeben sind. Zur Einrichtung eines geothermischen Kraftwerks ist es
erforderlich, dass zwei Bohrungen bis in die Tiefen mit den entsprechenden Temperaturen abgeteuft und
anschließend hydraulisch miteinander verbunden werden. Erst dann entsteht die essenzielle Wasserzirkulati-
on, bei welcher heißes Wasser aus dem Untergrund an die Oberfläche gefördert und abgekühltes Wasser
wieder in den Untergrund geleitet wird. Anschließend wird das abgekühlte Wasser durch viele und lange
Risse im Gestein geführt, damit es sich wieder entsprechend aufheizen kann (Wärmetauschereffekt).
Das Verbinden der Bohrungen sowie das Erzeugen der künstlichen Risse stellt in Sachsen aufgrund des vor-
handenen massiven Hartgesteins eine technische Herausforderung dar. Um das Potential tiefer Geothermie
optimal nutzen zu können, bedarf es deshalb innovativer Forschungs- und Entwicklungsmaßnahmen. In
diesem Zusammenhang stellt u. a. die Erforschung natürlicher unterirdischer Wärmetauscher in vier bis
sechs km Tiefe einen neuen Ansatz dar. Umfangreiche seismische Untersuchungen z. B. im Raum Schneeberg
haben das Vorhandensein mehrerer großräumiger Störzonen bestätigt. Weitere Forschungsaktivitäten in
Form von Testbohrungen sind nun nötig, um zu klären, ob diese Störzonen als Wärmetauscher für die großen
Wassermengen eines effektiv arbeitenden geothermischen Kraftwerks geeignet sind.
Erste praktische Machbarkeitsuntersuchungen werden bereits durch die Bundesanstalt für Geowissenschaf-
ten und Rohstoffe (BGR) Hannover durchgeführt. Dabei soll geklärt werden, ob petrothermale Energie aus
Tiefenbohrungen in Deutschland sinnvoll nutzbar ist. Darüber hinaus besteht ein erheblicher Forschungs-
und Entwicklungsbedarf hinsichtlich Bohrtechnologie und -technik, wobei einerseits entsprechende Werk-
stoffe und Werkzeuge entwickelt werden müssen, um die Bohrgeschwindigkeit zu erhöhen. Andererseits ist
es notwendig, für diese Anwendungsgebiete einsetzbare Mess- und Datenübertragungstechnologien zu
entwickeln, um Fündigkeitsrisiken zu minimieren.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Die praktische Machbarkeit einer Forschungsbohrung im Gestein des Erzgebirges wird derzeit unter der
Leitung des BGR Hannover untersucht. Forschungspartner sind neben dem Sächsischen Landesamt für
Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und der Technischen
Universität Bergakademie Freiberg, auch das Geoforschungszentrum Potsdam sowie das Leibniz-Institut für
angewandte Geophysik. Dies zeigt, dass die sächsischen Forschungseinrichtungen hervorragend unterei-
nander und über die Landesgrenzen hinweg sehr gut vernetzt sind. Darüber hinaus werden in enger Zu-
sammenarbeit mit Industriepartnern Fragestellungen bezüglich der Wirtschaftlichkeit dieser Energiegewin-
nungsform erörtert.
47
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Gelingt der Nachweis natürlicher Vorkommen von Wärmetauschern, so würde dies die Tür für eine kom-
merzielle Nutzung der petrothermalen Tiefengeothermie sowohl in Sachsen als auch in anderen Gebieten
Deutschlands und der Welt öffnen.
In diesem Zusammenhang sind Fragestellungen zur Wirtschaftlichkeit dieser Energiegewinnungsform zu
klären. Dies beinhaltet u. a. die Entwicklung innovativer Bohrhämmer und -verfahren zur Erhöhung der
Bohrgeschwindigkeit und zur Reduzierung der Kosten. Die TU Bergakademie Freiberg hat in Zusammenar-
beit mit der TU Dresden und weiteren Industriepartnern bereits das Potential neuartiger Werkstoffe zum
Hochgeschwindigkeitsbohren des sächsischen Hartgesteins im Labormaßstab nachgewiesen. Im nächsten
Schritt müssen diese Ergebnisse im Feldversuch validiert und anschließend in die kommerzielle Nutzung
transferiert werden.
Darüber hinaus muss ebenso das Fündigkeitsrisiko der Tiefengeothermalbohrungen minimiert werden. Das
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau der TU Bergakademie Freiberg weist auf diesem Gebiet eine
hervorragende Expertise auf. Der Trend geht dabei in Richtung Digitalisierung und Datenübertragung wäh-
rend der Tiefbohrung, um so den Zugriff auf Echtzeit-Daten von der Bohrlochsohle signifikant zu erhöhen.
Auf diese Weise können untertägig gemessene Daten dazu genutzt werden, Tiefengeothermiebohrungen
effektiv in höffige Zielbereiche zu lenken.
3.4.1.5
Flexibilisierung thermischer Energieanlagen
Mit dem zunehmenden Ausbau der regenerativen Energien steigt auch der Bedarf an Speicherkapazitäten im
Energieversorgungssystem.
Die Bereitstellung von elektrischer Energie wird durch stark fluktuierende Primärenergiequellen wie Wind-
und Sonnenkraft dominiert. Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten und große Stromausfälle zu
vermeiden, sind konventionelle Kraftwerke unverzichtbar, um die verbleibende Differenz zwischen Bereit-
stellung aus regenerativen Quellen und dem Bedarf im Netz zu kompensieren. Dies hat zur Folge, dass ther-
mische Kraftwerke zunehmend kurz- und mittelfristig Netzdienstleistungen bereitstellen und deutlich häufi-
ger als bei der Auslegung vorgesehen von Teillastfahrweisen sowie Stillständen gekennzeichnet sind. Der
Betrieb eines thermischen Kraftwerkes in Schwachlastfahrweise bzw. die Realisierung häufiger Lastwechsel
sowie die erhöhte Anzahl von An- und Abfahrprozessen, führt zu einem gesteigerten Verschleiß der Kraft-
werkskomponenten. Die sich daraus ergebenden Betriebsregime wirken sich negativ auf alle Komponenten
eines thermischen Kraftwerkes aus. Dadurch sinkt deren Verfügbarkeit und die Instandhaltungskosten stei-
gen an. Des Weiteren sinkt durch die Schwachlastfahrweise der Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage und der
relative Ausstoß klimaschädlicher Gase steigt an. Die weitere Flexibilisierung des sächsischen Kraftwerk-
sparks, verbunden mit einer Reduktion der nachteiligen Wirkungen, ist von hohem Stellenwert für die Si-
cherstellung der Energieversorgung.
Bei Wind- und Photovoltaikanlagen ist die Speicherbarkeit der Primärenergie derzeit noch nicht gegeben.
Um elektrische Energie anstatt Primärenergie zu speichern, müssen große Aufwendungen durch zentrale
Großspeicher betrieben und ggf. die Transport- und Verteilungswege mehrmals durchlaufen werden. Bisher
erreicht die direkte Speicherung von elektrischer Energie nur geringe Speicherkapazitäten. Bei der indirekten
Speicherung von elektrischer Energie entstehen weitere Umwandlungsverluste. Damit verbunden ist auch
ein erhöhter Ausstoß klimaschädlicher Gase bei jeder weiteren Umwandlung. Es sind demzufolge Speicher-
möglichkeiten zu wählen, die eine effiziente Speicherung am Kraftwerksstandort mit geringen Umwand-
lungsverlusten ermöglichen. Hierzu zählt beispielsweise die Speicherung von Wärme vor der Umwandlung in
elektrische Energie.
Die Wärmespeicherung erfolgt im vorderen Teil der Energieumwandlungskette. Es ist bereits mit relativ
geringen Speicherkapazitäten möglich, thermisch träge Bauteile wie z. B. den Dampferzeuger kurzzeitig von
der Wärmesenke zu entkoppeln und so die maximale Dynamik der Turbine zur Regelenergiebereitstellung
auszunutzen, ohne dass die Energie über die Umleitstation ungenutzt abgeleitet werden muss. Der Einsatz
von thermischen Energiespeichern bietet ein hohes Potential für thermische Kraftwerke und verfahrenstech-
nische Anlagen und für Netzdienstleistungen zur Stabilisierung der Übertragungsnetze. Er unterstützt somit
einen weiteren Ausbau der regenerativen Energien.
48
Mit dieser Zielsetzung könnten heutige Großinfrastrukturen in Form der Kraftwerke – insbesondere in der
vom Strukturwandel betroffenen Lausitz – durch entsprechende Modernisierungsmaßnahmen auch künftig
einen erheblichen Beitrag bei der Energieversorgung in der Region leisten. Gleichfalls könnten Arbeitsplätze
erhalten bleiben. Schließlich könnten solcherart modernisierte Anlagen auch bundesweit bzw. international
als modellhafte Groß-Demonstratoren dienen.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Zentrales Instrument für die Vernetzung der Akteure im Freistaat Sachsen ist das Netzwerk ENERGY SAXO-
NY (vgl.
Kapitel 3.2
).
Auf nationaler Ebene vergleichbar ist dies mit dem Forschungsnetzwerk Energie des BMWi. Weiterführend
finden Veranstaltungen im Rahmen des VDI und der Arbeitskreise des BMWi zum Thema Energieversorgung
statt. Im internationalen Kontext ist hervorzuheben, dass ein fachlicher Austausch mit der American
Society of Mechanical Engineers (ASME) stattfindet.
Darüber hinaus finden vorwiegend bilaterale Abstimmungen zwischen den Industriepartnern und For-
schungseinrichtungen des Freistaates Sachsen statt. Diese sind dadurch charakterisiert, dass die Ergebnisse
der Zusammenarbeit häufig nicht publiziert werden dürfen und daher nicht allgemein zugänglich sind.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Vorhandensein umfangreicher Vorarbeiten
zur Flexibilisierung thermischer Energiean-
lagen in Verbindung mit der erforderlichen
experimentellen Infrastruktur (bspw. im
Zittauer Kraftwerkslabor)
Kooperationen zwischen Energieversor-
gungsunternehmen und Forschungseinrich-
tungen an den Schnittstellen der Wissen-
schaftsdisziplinen
Guter Ausbau der experimentellen Basis für
Grundlagenuntersuchungen und für indust-
rielle Anwendungen
Noch unzureichende Diskussion über
die Herausforderungen und Chancen
eines Ausstiegs aus der fossilen Bereit-
stellung von elektrischer Energie in ein
regenerativ dominiertes Energieversor-
gungssystem
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Die Integration thermischer Energiespeicher in thermische Energieanlagen ist im Wesentlichen durch fol-
gende Herausforderungen charakterisiert:
Maschinentechnische Einbindung in eine bestehende Anlage und Konzeption von Neuanlagen
(Back-Up Kraftwerke, Speicher-Kraftwerke)
Leittechnische Integration in eine bestehende Anlage
Betrieb des Speichers in Abhängigkeit der technischen Erfordernisse unter Berücksichtigung von
Versorgungssicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit
Die maschinentechnische Einbindung ist Stand der Technik und erfordert keinen größeren Forschungs- und
Entwicklungsbedarf.
49
Die effiziente leittechnische Integration eines thermischen Energiespeichers in eine thermische Energiean-
lage erfordert weiterführende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Insbesondere sind Untersuchungen
notwendig, um eine möglichst automatisierte Einbindung des Speichers in das vorhandene Leitsystem der
Anlage sicherzustellen und damit den Integrationsaufwand zu senken. Die hierfür zu entwickelnden Me-
thoden sind auch für andere Branchen (Automatisierung, IT-Sicherheit, Hersteller von Schaltanlagen) im
Freistaat von Interesse.
Im Rahmen des Betriebs eines thermischen Speichers in einer entsprechenden Anlage sind Algorithmen
anzuwenden und weiterzuentwickeln, die die technischen Möglichkeiten des Speichers, hinsichtlich Flexi-
bilität, Anlagenschonung und Umweltschutz, vollumfänglich ausnutzen und die gleichzeitig sicherstellen,
dass die Anlagen die höchstmöglichen Erlöse am Markt erzielen. Zur Lösung dieses Zielkonfliktes können
fortschrittliche Methoden der Künstlichen Intelligenz zur Anwendungen kommen. Die Ergebnisse sind
gleichermaßen für Unternehmen im IT- und Automatisierungsbereich im Freistaat von Interesse.
Grundsätzlich besteht die Aufgabe darin, die derzeit verfügbaren Speicherkonzepte kontinuierlich weiter-
zuentwickeln, um die technischen Hürden bei einem Einsatz herabzusetzen und die Kosten zu senken.
Dabei bietet die derzeit einsetzende Digitalisierung der Industrie das Potential, unterschiedliche Speicher-
konzepte im Rahmen der Sektorenkopplung zu vernetzen und dadurch weitere Synergien zu heben.
Im Rahmen der Weiterentwicklung der Speichertechnologie besteht ein hohes Potential in der Entwicklung
und Einführung funktionsintegrierter thermischer Energiespeicher unter der Verwendung neuer Verbund-
materialien und Herstellungsverfahren zur Erhöhung der Speichereffizienz. Dazu ist der Einsatz von Ver-
bundmaterialien erforderlich, welche den thermodynamischen und thermomechanischen Lastwechselan-
forderungen für hochtransiente Fahrweisen standhalten und zudem die effiziente Nutzung derartiger Spei-
cher erhöhen. Für eine optimierte Einbindung und einen effizienten und autonomen Betrieb des thermi-
schen Energiespeichers in einer beliebigen thermischen Anlage ist die Integration von Funktionalitäten zur
Online-Zustandsdiagnose erforderlich. Die Funktionsintegration bildet die Grundlage für die Kommunikati-
on zwischen Speicher und Anlage. Dadurch kann die Anlagenfahrweise in Abhängigkeit des Bedarfsverlau-
fes, des Lastzustandes und des Beladezustandes des Speichers selbstlernend optimiert werden.
Durch die Privatisierung der Energieversorgung wurde die Verantwortung für die Versorgungssicherheit mit
elektrischer Energie von den Energieversorgungsunternehmen auf die Übertragungsnetzbetreiber übertra-
gen. Laut § 13k des Energiewirtschaftsgesetzes „können Betreiber von Übertragungsnetzen Erzeugungsan-
lagen als besonderes netztechnisches Betriebsmittel errichten, soweit ohne die Errichtung und den Betrieb
dieser Erzeugungsanlagen die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Elektrizitätsversorgungssystems gefährdet
ist. Die Errichtung der Erzeugungsanlagen soll dort erfolgen, wo dies wirtschaftlich oder aus technischen
Gründen für den Netzbetrieb erforderlich ist“.
Solche mit einem thermischen Energiespeicher ausgestatteten Kraftwerke könnten als sogenannte Netz-
stabilisierungsanlagen durch die Netzbetreiber errichtet, betrieben und über die Netzentgelte finanziert
werden. Durch die Integration der verfügbaren Speicherkonzepte in Bestandskraftwerke besteht zudem die
Möglichkeit, die Weiterentwicklung der Bestandsanlagen in Versorgungssicherungsanlagen voranzutreiben.
Zukünftig ist anzustreben, moderne Speicherkraftwerke (Versorgungssicherungsanlagen) an den bereits
bestehenden und in der Bevölkerung akzeptierten Energiestandorten in der Lausitz zu errichten. Besondere
Vorteile dieses Vorgehens bestehen darin, dass sich die Energiestandorte bereits an technisch relevanten
Punkten im Verteilernetz befinden. Die Speicherkraftwerke sind in der Lage, im Rahmen der flexiblen Er-
zeugerkapazität hochdynamisch Netzdienstleistungen zu erbringen. Die Anlagen zeichnen sich dadurch
aus, dass der Betrieb mit unterschiedlichen Energieträgern (Kohle, Gas, Reststoffe) erfolgen kann. Darüber
hinaus verfügen die Speicherkraftwerke über Power-to-X Komponenten und sind in der Lage, Kohlendioxid
aus dem Verbrennungsprozess abzuscheiden und unmittelbar einer Weiternutzung zuzuführen.
3.4.1.6
Brennstoffzellen und Wasserstoff
Eine Brennstoffzelle dient der direkten Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Dabei wird ein
energiereicher Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff oder Methanol, in einer elektrochemischen Reakti-
on mit einem Oxidationsmittel (in der Regel Sauerstoff aus der Luft) und mithilfe eines Katalysators zur
50
Reaktion gebracht. Man spricht auch von der „kalten“ katalytischen Verbrennung, da die meisten Brenn-
stoffzellen auf einer niedrigen Betriebstemperatur von 50°C bis 80°C arbeiten. Es entstehen direkt elektri-
sche Energie, Abwärme sowie chemische Reaktionsprodukte. Wird eine Brennstoffzelle mit reinem Wasser-
stoff betrieben, so entsteht lediglich Wasser bzw. Wasserdampf als Reaktionsprodukt. Damit ist die wasser-
stoffbasierte Brennstoffzellentechnologie eine sehr umweltfreundliche Technologie, da keinerlei CO
2
emit-
tiert wird. Der Wirkungsgrad einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle ist – verglichen mit Verbren-
nungsmotoren – sehr hoch. In technisch ausgereiften Systemen können heutzutage elektrische Wirkungs-
grade bis zu 65% erreicht werden. Weiterhin emittiert eine Brennstoffzelle wenig Geräusche und Vibratio-
nen, da in der elektrochemischen Reaktion keine beweglichen Teile zum Einsatz kommen.
Das Herz eines Brennstoffzellensystems bildet der Zellstapel (engl.
stack), eine Aneinanderreihung von bis zu
mehreren hundert Einzelzellen, in denen die o. g. Reaktion abläuft. Die Speicherung des gasförmigen oder
flüssigen Brennstoffes erfolgt in einem separaten Tank als Druckgas, Flüssiggas oder an ein Sorptionsmittel
gebunden (= Energievorrat). Moderne Betankungstechnologien für gasförmige oder flüssige Brennstoffe
erlauben eine Befüllung des Speichertanks innerhalb weniger Minuten, was insbesondere für den Mobilitäts-
sektor relevant ist.
Der Vorteil eines Brennstoffzellensystems gegenüber einer Batterie ist einerseits die Entkopplung der Leis-
tungsparameter von der Energiekapazität. Andererseits wird das Oxidationsmittel in der Regel der Außenluft
entnommen und muss nicht (wie in Batterien) mitgeführt werden. Dadurch sind insgesamt sehr hohe sowohl
masse- als auch volumenbezogene Leistungs- und Energiedichten mit Brennstoffzellensystemen erreichbar.
Beispielsweise erreicht eine 100-kW-Brennstoffzelle eines modernen Mittelklasse-PKW (engl.
fuel cell
electric vehicle
FCEV), der bereits Reichweiten von 600 km erreicht, etwa die Größe eines konventionellen
Motorblocks. Brennstoffzellen sind in Leistungsklassen von wenigen Watt bis mehreren Megawatt verfügbar.
Eingesetzt werden sie als zuverlässige Stromerzeuger im stationären Bereich (z. B. Notstromversorgung), in
der Elektromobilität (z.B. eBikes, PKW, Busse, Boote) und für portable Verbraucher (z. B. Elektronik).
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Die wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Akteure der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
sind weltweit sehr gut vernetzt. Diese Netzwerke haben sich durch intensive Verbandsarbeit (z.B. Internati-
onal Association for Hydrogen Energy IAHE, Hydrogen Europe, Canadian Hydrogen and Fuel Cell Associati-
on CHFCA, National Hydrogen Association NHA, Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband
DWV), über Branchentreffs (z. B. Messen, Konferenzen, Workshops), spezialisierte Branchenmedien (z. B.
Fuel Cell Bulletin, International Journal of Hydrogen Energy) oder gemeinsam durchgeführte Entwicklungs-
projekte (z. B. Fuel Cell and Hydrogen Joint Technology Initiative (JTI FCH), Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint
Undertaking (FCH2), Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP),
HYPOS) seit Ende der 1990er Jahre herausgebildet.
Schwerpunktregionen der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie hinsichtlich Entwicklung und
Fertigung sind:
Nordamerika (Kanada, Vereinigte Staates von Amerika)
Fernost (Japan, Südkorea, China, Singapur)
Europa (Deutschland, Frankreich, Dänemark, Vereinigtes Königreich Großbritannien und Nordirland)
Innerhalb Deutschlands sind alle wichtigen Akteure im DWV aktiv vertreten, der auch ein gemeinsames
Sprachrohr gegenüber politischen Entscheidungsträgern auf Bundesebene ist.
Auf Ebene der Länder gibt es spezielle Vereine, die sich der Vernetzung der Akteure sowie der Beförderung
und Verbreitung der Technologie verschrieben haben. Vorreiter sind hierbei Hamburg, NRW, Hessen sowie
Baden-Württemberg.
Im Freistaat Sachsen reicht die Vernetzung innerhalb der Branche etwa zehn Jahre zurück, als 2008 die
Sächsische Brennstoffzellen-Initiative gegründet wurde, die später im ENERGY SAXONY e.V. einbezogen
wurde.
Auch innerhalb großer Branchenverbände sind Arbeitsgruppen oder Fachausschüsse im Wasserstoff- und
Brennstoffzellenbereich aktiv, wie beispielsweise im VDMA oder VDI. Zusammenfassend kann festgestellt
51
werden, dass die Branche bereits einen sehr hohen internen Vernetzungsgrad aufweist. Um den wirtschaft-
lichen Durchbruch der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie zu fördern, ist eine stärkere Vernet-
zung speziell mit den Anwendern dieser Technologie ratsam.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Im internationalen Vergleich hohe Dichte
an Forschungseinrichtungen (Institute, Uni-
versitäten, Hochschulen für Angewandte
Wissenschaften) mit z.T. herausragenden
Ergebnissen über die letzten zehn Jahre
Forschungseinrichtungen mit sehr breiten
FuE-Spektren
Stetige Forschungsförderung im For-
schungsfeld durch Bund und Land
Kommerzialisierung
sechs Start-up-
Unternehmen der Forschungsinstitute; den-
noch insgesamt zu wenig wirtschaftliche
Erfolgsgeschichten
Ausgeprägte Industrielandschaft im Fahr-
zeugbau, Maschinenbau, Anlagenbau bei
den klassischen Technologien
Hoher und stabiler Vernetzungsgrad inner-
halb der Branchen
Hervorragende Vernetzung des Forschungs-
felds und seiner Akteure
Hohe Akzeptanz der Technologie in der
Bevölkerung
Lokale Förderung und Unterstützung bei
Technologiedemonstrationen
Erste Ansätze zu innovationsorientierter
Beschaffung durch SIB und öffentlicher
Hand in Sachsen
Keine oder geringe Unterstützung durch
finanzkräftige Großunternehmen vor Ort
Bislang keine kommerzielle Nachhaltig-
keit
Fehlende H
2
-Infrastruktur (Tankstellen-
netz)
Teilweise enttäuschte Erwartungen auf-
grund fehlender Marktreife
Geringe strategische Abstimmung in
Förderprojekten
TRL 6 bis 9 nur gering förderbar (Konflikt
„Forschung vs. Entwicklung“)
Fehlende Finanzierung ist die entschei-
dende Bremse für eine erfolgreiche
Kommerzialisierung der Produkte und
Technologien durch Start-ups/KMU im
Forschungsfeld
Innovation wird noch immer primär tech-
nisch interpretiert – zu geringe Innovati-
on bei der Entwicklung von Geschäfts-
modellen und Marketingstrategien
52
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Heutzutage ist die technische Tauglichkeit von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien entlang der
gesamten Produktlinie „Elektrolyseure–H
2
-Speicher–Brennstoffzellen“ vielfältig nachgewiesen. Für eine
breite Marktdurchdringung hinderlich sind die vergleichsweise hohen Kosten, die mit der Technologie der-
zeit noch verbunden sind. In der Zukunft kommt es entscheidend darauf an, die Werkstoffe und die Kompo-
nenten der Systeme, die der Erzeugung, Speicherung bzw. Verteilung von Wasserstoff dienen sowie für
Brennstoffzellen verwendet werden, in großen Stückzahlen kostengünstig und zuverlässig zu fertigen.
Besonders im Bereich der Brennstoffzellenfahrzeuge muss in den kommenden Jahren die Frage der flächen-
deckenden und nachhaltigen Versorgung von Grünem
41
Wasserstoff als Kraftstoff befriedigend beantwortet
werden, d.h. das derzeit noch dünne H
2
-Tankstellennetz sollte dringend ausgebaut werden. In diesem Zu-
sammenhang müssten ebenso regulatorische Hindernisse spürbar abgebaut werden, mit denen Wasserstoff
als chemischer Speicher erneuerbarer Energien derzeit leider belastet wird. Dies betrifft im Besonderen die
Erneuerbare-Energien-Gesetz-Umlage (EEG-Umlage), die für den Betrieb von Elektrolyseanlagen zur Was-
serstoffherstellung gezahlt werden muss, oder die angemessene Anerkennung der Umweltfreundlichkeit
von Grünem Wasserstoff im Prozess der Kraftstoffherstellung.
Wichtige Forschungs- und Entwicklungsfragen sowie Zukunftstrends der Bereiche „Elektrolyse“, „H
2
-
Speicherung/ Transport“ und „Brennstoffzelle“ sind in nachfolgender
Tabelle 3
dargestellt. Dabei wird deut-
lich, welche wirtschaftlichen Potentiale diese Technologie für den Freistaat Sachsen heben kann.
Tabelle 3:
Wichtige Zukunftstrends sowie Forschungs- und Entwicklungsfragen der Bereiche
„Elektrolyse“, „H
2
-Speicherung/Transport“ und „Brennstoffzelle“
Elektrolyse
42
H
2
-Speicherung/Transport
43
Brennstoffzelle
44
Zukunftstrends
AEL: Erhöhung der Stromdichte
auf 1,2 A/cm2; hochporöse
edelmetallfreie Katalysatorbe-
schichtungen der Elektroden;
automatisierte Fertigung von
Komponenten
PEMEL: edelmetallarme bzw. -
freie Katalysatoren; Lebensdau-
ererhöhung der Polymermemb-
ranen; kostengünstige sowie
korrosionsbeständige Bipolar-
platten; automatisierte Ferti-
gung
SOEC: Steigerung Temperatur-
wechselbeständigkeit bei dyna-
mischer Betriebsführung; rever-
sibler Betrieb im Elektrolyse-
und Brennstoffzellenmodus
CHG: Druckspeicher bis 900
bar; produktivere Wickeltech-
niken für faserarmierte, leich-
te Druckspeicher; Freiform-
Druckspeicher für kompakte
Bauweisen; kryogene Hoch-
druckspeicher
LH2: effizientere Ortho-Para-
Katalysatoren; effizientere
und preiswertere Verflüssi-
gungsprozesse
SH2: leichtgewichtige und
volumeneffiziente sowie
preiswerte H2-Niedrigdruck-
Sorptionsmaterialien; automa-
tisierte Fertigung von Sorpti-
onsmaterialien und -speichern
PEMFC: edelmetallarme bzw. -
freie Katalysatoren; Lebens-
dauererhöhung der Poly-
mermembranen; kostengüns-
tige sowie korrosionsbeständi-
ge Bipolarplatten; automati-
sierte Fertigung von Zellsta-
peln und Brennstoffzellensys-
temen; kostengünstigere
Brennstoffzellensystem-
Komponenten (Ventile, Lüfter,
Steuerung, Sensoren etc.)
SOFC: Steigerung der Tempe-
raturwechselbeständigkeit bei
dynamischer Betriebsführung;
reversibler Betrieb im Brenn-
stoffzellen- sowie im Elektro-
lysemodus
41
Vgl. D. h. Wasserstoff aus erneuerbaren Energien über Elektrolyse hergestellt.
42
Vgl. Unterschieden wird in die drei wichtigsten Elektrolyse-Arten: Alkalische Elektrolyse (AEL), Polymerelektrolytelekt-
rolyse (PEMEL) sowie Festoxidelektrolyse (SOEL).
43
Vgl. Unterscheiden wird in H
2
-Hochdruckspeicher (CHG), H
2
-Flüssigspeicher (LH2) sowie H
2
-Sorptionsspeicher (SH2).
44
Vgl. Unterschieden wird in die zwei wichtigsten Brennstoffzellen-Arten: Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC)
sowie Festoxidbrennstoffzelle (SOFC).
53
Elektrolyse
45
H
2
-Speicherung/Transport
46
Brennstoffzelle
47
Forschungs- und Entwicklungsfragen
AEL: Optimierung des Zellde-
signs für hohe Stromdichten;
Katalysatorentwicklung (che-
mische Zusammensetzung und
geeignete Beschichtungstech-
nologien); Erprobung und Be-
wertung geeigneter Ferti-
gungstechniken für automati-
sierte Produktion
PEMEL: Katalysatorentwick-
lung; Entwicklung preiswerter
und dauerhafter Korrosions-
schutzschichten; Entwicklung
optimierter Bipolarplatten;
Entwicklung dauerhafter und
stabiler Polymermembranen;
Er-probung und Bewertung
geeigneter Fertigungstechni-
ken für automatisierte Pro-
duktion
SOEL: Entwicklung tempera-
turwechselbeständiger Werk-
stoffe (keramischer Elektrolyt,
Dichtungen etc.); Entwicklung
reversibler Katalysatoren für
Elektrolyse (EL)- sowie Brenn-
stoffzellen (BZ)-Modus
CHG: Entwicklung und Erpro-
bung produktiverer Wickeltech-
niken; Entwicklung und Erpro-
bung von Freiformdrucktanks;
Entwicklung von krygenen H2-
Druckspeichern
LH2: Entwicklung von Ortho-
Para-Katalysatoren; Entwick-
lung effizienterer H
2
-
Verflüssigungsprozesse
SH2: Erprobung der Aufskalie-
rung der kostengünstigen Mate-
rialsynthese vom Labor- über
den Technikums- zum Produkti-
onsmaßstab (Metallurgie, che-
mische Synthese); Entwicklung
und Erprobung von automati-
sierten Fertigungstechnogien für
Sorptionsspeicher
PEMFC: Katalysatorentwick-
lung; Entwicklung dauerhaf-
ter und stabiler Poly-
mermembranen; Entwick-
lung preiswerter und dauer-
hafter Korrosionsschutz-
schichten sowie geeigneter
Beschichtungsprozesse;
Entwicklung optimierter Bi-
polarplatten; Erprobung und
Bewertung geeigneter Ferti-
gungstechniken für automa-
tisierte Produktion von Zell-
stapeln und Brennstoffzel-
lensystemen
SOFC: Entwicklung tempera-
turwechselbeständiger
Werkstoffe (keramischer
Elektrolyt, Dichtungen etc.);
Entwicklung reversibler Ka-
talysatoren für BZ- sowie
EL-Modus
Transferpotential in Sachsen
Alle drei EL-Technologien haben
ein enorm großes Transferpoten-
tial in die sächsische Wirtschaft,
speziell den chemischen Anla-
genbau und den Maschinenbau
(automatisierte Fertigung und
Montage von Komponenten und
Systemen). Außerdem können
EL-Anlagen direkt in der lokalen
Energie- und Chemieindustrie
eingesetzt werden.
Allein vor dem Hintergrund der im
FCEV-Bereich benötigten Stück-
zahlen an H
2
-Speichern haben die
drei Speichertechnologien ein
großes Transferpotential in die
sächsische Wirtschaft, speziell den
Leichtbau, den chemischen Anla-
genbau (H
2
-Verflüssiger, Tankstel-
len), die metallurgische Industrie
(Sorptionsmaterialien), den Ma-
schinenbau (automatisierte Ferti-
gung und Montage von Kompo-
nenten und Speichersystemen)
sowie den zukünftigen Fahrzeug-
bau von FCEV.
Die Prognose der aktuellen
Stückzahlen von weltweit
produzierten BZ-Systemen
(60.000 in 2015)
48
und die
prognostizierten Steigerungen
im FCEV-Bereich lassen den
Schluss zu, dass die Produktion
und Fertigung von Brennstoff-
zellenkomponenten und ge-
samten Systemen ein enorm
großes Transferpotential in die
sächsische Wirtschaft haben,
speziell den Maschinenbau
(automatisierte Fertigung und
Montage von Komponenten
und BZ-Systemen), die elektro-
45
Vgl. Unterschieden wird in die drei wichtigsten Elektrolyse-Arten: Alkalische Elektrolyse (AEL), Polymerelektrolytelekt-
rolyse (PEMEL) sowie Festoxidelektrolyse (SOEL).
46
Vgl. Unterscheiden wird in H
2
-Hochdruckspeicher (CHG), H
2
-Flüssigspeicher (LH2) sowie H
2
-Sorptionsspeicher (SH2).
47
Vgl. Unterschieden wird in die zwei wichtigsten Brennstoffzellen-Arten: Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC)
sowie Festoxidbrennstoffzelle (SOFC).
48
Vgl. D. Hart, F. Lehner, R. Rose, J. Lewis: E4tech - The Fuel Cell Industry Review 2016.
54
Elektrolyse
45
H
2
-Speicherung/Transport
46
Brennstoffzelle
47
nische Industrie (Steuerung,
Regelung) sowie den zukünfti-
gen Fahrzeugbau von FCEV.
Zeithorizont und Umsatz
2 - 6 Jahre
Umsatz > 600 Mio. € p.a. in
Sachsen
2 - 10 Jahre
Umsatz > 300 Mio. € p.a. in Sach-
sen
2 - 10 Jahre
Umsatz > 800 Mio. € p.a. in
Sachsen
3.4.1.6.1
Exkurs: Brennstoffzellen im Mobilitätssektor
Die Brennstoffzelle stellt eine Schlüsseltechnologie im Rahmen der Energiewende und der steigenden Elekt-
rifizierung des automobilen Antriebsstranges dar. Verschiedene Treiber erhöhen den Bedarf an umwelt-
freundlichen Fahrzeugen:
Gesellschaft durch steigendes Umweltbewusstsein
Gesetzgebung durch Emissionsgrenzwerte
Energiewirtschaft durch Ressourcenverknappung und lokale Abhängigkeiten
Brennstoffzellenelektrofahrzeuge versprechen mit kurzen Betankungszeiten, großen Reichweiten und nutz-
barer Wärme zur Beheizung des Innenraums konventionelle Fahrzeuge bei gleichem Komfort zu ersetzen.
Bereits in der nächsten Dekade werden bei vielen deutschen Automobilherstellern erste Brennstoffzellen-
fahrzeugmodelle auf den Markt kommen. Dabei setzen Automobilbauer, Gesetzgeber und erste Anwender
auf wasserstoffbetriebene Fahrzeuge auf Basis sogenannter Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-
Brennstoffzellen (NT-PEM-BZ), die mit Wasserstoff als Sekundärenergieträger betrieben werden. Derartige
Brennstoffzellen setzen den in Drucktanks mitgeführten Wasserstoff durch die Reaktion mit Sauerstoff aus
der Umgebungsluft in Strom, Wärme und Wasserdampf als schadstofffreies Abgas um. Eine einzelne Zelle
besteht aus einer protonenleitenden Membran mit aufgebrachten Elektroden (Membrane-Electrode-
Assembly - MEA), zwei Gasdiffusionslagen (GDL) und zwei angrenzenden Bipolarplatten (BPP). Dabei soll der
Wasserstoff sowohl emissionsfrei direkt erzeugt oder als Byprodukt einiger Industriezweige (z.B. der chemi-
schen Industrie) in nennenswerten Mengen bereitgestellt werden.
Der schon vielfach erbrachte Funktionsnachweis dieser Antriebstechnologie wurde spätestens mit den ersten
Serienfahrzeugen Toyota Mirai in 2014, Honda FCV Clarity sowie Hyundai ix35 in 2015 eindrucksvoll bestä-
tigt. Als Wegbereiter für die breite Marktaktivierung in Deutschland wurde bereits das geförderte Joint Ven-
ture H2Mobility gegründet, um bis 2023 eine flächendeckende Wasserstoffinfrastruktur zu schaffen. Damit
bleiben als größte Hemmnisse fehlende Akzeptanz und Wissen über die neue Technologie sowie die aktuell
hohen Produktions- und Materialkosten für Brennstoffzellenkomponenten in kleinen Stückzahlen.
Eine mögliche vollständige Wertschöpfungskette für Brennstoffzellenfahrzeuge ist in Abbildung
12
darge-
stellt. Sie beginnt bei den Halbzeugen (Rohstoffe) über Komponenten, Baugruppen, Systeme bis hin zur
Endanwendung, und wird begleitet durch die Querschnittsthemen Qualitätsmanagement, Standardisierung,
Sicherheit.
55
Abbildung 12:
Wertschöpfungskette für Brennstoffzellenfahrzeuge (K. Lötsch, TU Chemnitz)
Für eine Großserienproduktion von PKW-Brennstoffzellen sind kostengünstige Materialien und Herstellver-
fahren erforderlich, welche jedoch hohe Eigenschaftsanforderungen erfüllen müssen, um gewünschte Para-
meter wie Leistung, Lebensdauer und Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu erreichen. Branchenweit orien-
tiert man sich dazu an den aktuellen Zielen des Department of Energy (USA).
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
In Sachsen hat sich 2015 unter dem Namen HZwo ein Kompetenzzentrum aus vorwiegend kleinen und
mittleren Unternehmen gegründet. Die TU Chemnitz leitet das Netzwerk und treibt den weiteren Ausbau
voran. HZwo steht für den Aufbau einer Wertschöpfungskette für Brennstoffzellenantriebe in Sachsen mit
dem Ziel, das Land mittelfristig als Produktionsstandort dieser neuen Technologie zu etablieren. Der Trans-
fer von der wissenschaftlich-industriellen Entwicklungsarbeit in die industrielle Umsetzung ist dabei be-
sonders bedeutend. Das Projekt wird durch das SMWA mit 3,6 Millionen € über die ESF-Innoteam-
Richtlinie gefördert.
In enger Abstimmung mit HZwo hat sich 2017 im Netzwerk Energy Saxony e.V. ein Arbeitskreis „Intelligen-
te Mobilität“ gegründet, der unter anderem den Aufbau der erforderlichen Infrastruktur, wie Wasserstoff-
produktion und -tankstellen, entscheidend voranbringen soll.
Eine bundesweite Vernetzung oder Clusterbildung zum Thema „Wertschöpfungskette von Brennstoffzellen-
fahrzeugen“ findet bisher nicht statt. Es existieren lediglich landesweite Zusammenschlüsse der Brenn-
stoffzellentechnologie wie das H
2
-BZ-Cluster-Hessen oder das H
2
-Netzwerk Brennstoffzelle und Wasser-
stoff NRW. Mit der Nationalen Organisation Wasserstoff GmbH (NOW) existiert eine den zuständigen
Ressorts BMBF, BMVI und BMWi unterstehende Institution für Koordination und Steuerung des Nationalen
Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP). Mit dem Deutschen Wasser-
stoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V. existiert eine Dachorganisation für die Technologie in Deutsch-
land, welche interessierte Personen und Firmen koordiniert, Fachleute, Öffentlichkeit und Entscheidungs-
träger der Politik informiert. Sie ist eng mit Partnerorganisationen in anderen Ländern vernetzt.
Die Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) ist eine Public Private Partnership, die Forschung,
technologische Entwicklung und Demonstration in der Brennstoffzellentechnologie in Europa unterstützt.
Ziel ist es, die Markteinführung zu beschleunigen und ihr Potential als Instrument zur Erreichung eines
kohlenstoffarmen Energiesystems zu verwirklichen.
56
Eine enge Vernetzung mit dem asiatischen Raum als wichtigen zukünftigen Absatzmarkt, insbesondere
China, befindet sich intensiv im Aufbau. Viele Delegationen aus den chinesischen Provinzen sind auf der
Suche nach europäischen Partnern im Themenfeld der automobilen Brennstoffzellenantriebe. Sachsen ist in
jüngster Vergangenheit mit zunehmender Häufigkeit Partner in Kooperationsgesprächen.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Großer Anteil an KMUs mit weit gestreu-
tem und spezifischen Know-how
Viele Automobilzulieferer mit grundlegen-
dem Technologie-Know-how, welches auf
die zukünftigen Fragestellungen der
Brennstoffzellen-Elektromobilität über-
tragen werden kann
Wachsender und offener Markt für PEM-
Brennstoffzellen und Zulieferer
Gesellschaftliche und politische Forderun-
gen nach Klima-, Umweltschutz und
Elektromobilität
Gute Drittmittelsituation durch NIP II auf
nationaler Ebene
Gute nationale und internationale Vernet-
zung der lokalen Automobilzulieferindust-
rie Sachsens, insbesondere in Wachs-
tumsregionen (z.B. China)
Umfangreiche technologieoffene Förder-
programme
Aktuell starke Orientierung in Richtung
Batterie; unzureichende Berücksichtigung
der PEM-Brennstoffzelle als Antrieb für die
Langstreckenmobilität und Nutzfahrzeuge
Fehlende Aufklärung von Unternehmen
darüber, dass derzeitige Technologien in
Form der Verbrennungsmotoren mit teils
wenigen Modifikationen auf Brennstoffzel-
lenfahrzeuge übertragen werden können
Deutlicher Rückstand im Technologie- und
Branchenwettbewerb gegenüber z.B. Ba-
den-Württemberg (national) und z.B. Japan
(international)
Hohe Investitionskosten zur Erforschung
und Entwicklung von marktreifen und kos-
tengünstigen Brennstoffzellensystemen
Noch steigerbares Bewusstsein für Arbeits-
platz- und Standortsicherung durch viele
hochinnovative und anspruchsvolle Kom-
ponenten und Verfahren für die Produktion
von Brennstoffzellenantriebssystemen
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Neben der mangelnden Betankungsinfrastruktur stellen die Kosten ein wesentliches Markthemmnis dar.
Zur Senkung von Produktions- und Materialkosten sind weiterhin Projekte industrieller Forschung auf
Komponenten- und Systemebene notwendig. Dabei steht die Entwicklung großserientauglicher Produkti-
onsprozesse im Fokus, um mit steigenden Absatzzahlen auch von Skalierungseffekten durch Massenpro-
duktion zu profitieren. Um eine flächendeckende Wasserstoffinfrastruktur zu schaffen, wurde bereits das
vom BMVI geförderte Joint Venture H2Mobility gegründet. Nach deren Maßnahmenplan kann man in
Sachsen erst Mitte der 2020er Jahre von flächendeckender Versorgung sprechen. Es besteht also Hand-
lungsbedarf hinsichtlich Infrastruktur und Kosten.
Zusammenfassend können die Zukunftstrends und offenen Forschungsfragen wie folgt beschrieben
werden:
Kostenreduktion durch Großserienproduktion und -produktionsprozesse mit zunehmendem Auto-
matisierungsgrad
Ressourceneffiziente Produktion von Brennstoffzellenkomponenten, -systemen und -fahrzeugen
Sektorenkopplung – Nutzung der Fahrzeuge für integriertes Energiemanagement im stationären
Bereich (Fahrzeuge als Energiespeicher und Energieversorger), Nutzung des Wasserstoffs als hoch-
57
effizienten Energiegroßspeicher zur Pufferung von Lastschwankungen im Versorgungsnetz (Netz-
stabilisierung)
Substitution teurer Rohstoffe (Platin, Gold, …) durch kostengünstige Materialien, Reduktion des
Edelmetallgehalts in Fahrzeugbrennstoffzellen
Effiziente Simulationstools, Betriebsstrategien und Methoden zur Steigerung des Systemverständ-
nisses von Fahrzeugbrennstoffzellenantrieben für die Weiterentwicklung von zuverlässigen, siche-
ren, effizienten und kostengünstigen Lösungen für verschiedene Anwendungen
Aus- und Weiterbildungsinhalte im Bereich Elektromobilität mit Wasserstoff und Brennstoffzellen
Life Cycle Engineering, Life Cycle Assessment, End-of- Life/Recycling für Brennstoffzellenfahrzeuge,
Well-to-Wheel Bilanzen für verschiedenste Energiepfade von der Wasserstofferzeugung bis zum
Vortrieb am Rad
Zertifizierungs- und Prüfeinrichtungen für Brennstoffzellensysteme und Antriebsstrang und die
Entwicklung neuer, benötigter Normen und Richtlinien
Konkrete Themen, die zukünftig durch intensive Forschungsaktivitäten begleitet werden sollten,
sind:
Etablierung und Ausbau einer Wertschöpfungskette für Fahrzeugbrennstoffzellenantriebe, begin-
nend mit den Halbzeugen (Rohstoffen) über Komponenten, Baugruppen, Systeme bis hin zur End-
anwendung, begleitet durch die Querschnittsthemen Qualitätsmanagement, Standardisierung, Si-
cherheit, u.a. (s. Abbildung 13)
Großserientaugliche Baukasten- und Baureihenkonzepte für PEM-Brennstoffzellenmodule für
marktorientierte Entwicklung und Produktion
Entwicklung von großserientauglichen Brennstoffzellenkomponenten für eine kostengünstige Pro-
duktion
Skalierbare Modulkonzepte und innovatives Thermomanagement
Platinfreie und großserientaugliche Katalysatoren für eine kostengünstige Produktion von Membra-
nen für PKW-Brennstoffzellen
Kompaktes und großserientaugliches Wasserstoff-Tankmodul mit integriertem Gasversorgungsmo-
dul
Hohe Transferpotentiale bestehen insbesondere für folgende FuE-Ansätze:
Massentaugliche Produktionsmethoden für PEM-Brennstoffzellen – Die Beantwortung der For-
schungsfragen kann Akteure befähigen, zukünftig neue Geschäftsfelder zu erschließen. Unterneh-
men aus Branchen wie der Chemieindustrie können sich zunehmend ansiedeln, um Teil der Wert-
schöpfungskette in Sachsen zu werden.
Massenproduktionstaugliche Komponenten für Brennstoffzellenfahrzeuge ermöglichen Akteuren
den wettbewerbsfähigen Zugang zum weltweiten Markt
Mess-, Steuerung- und Diagnosetechnik für Brennstoffzellenfahrzeuge bringt für Akteure Synergien
zum konventionellen und batteriebetriebenen Fahrzeug und führt schneller zu großen Stückzahlen
der Produkte
Nahezu alle Handlungsakteure aus dem Bereich Brennstoffzellentechnologie seitens Forschungseinrichtun-
gen oder Automobilhersteller (OEM) gehen von einer nennenswerten Zunahme des europäischen Marktes
für Brennstoffzellenfahrzeuge in der nächsten Dekade (2020er Jahre) aus. Für den asiatischen Markt wer-
den aufgrund der erheblichen Umweltprobleme durch automobile Abgase und des politischen Drucks der
Staatsregierung auf die Unternehmen weit früher Markteintritte prognostiziert. Daher ist es insbesondere
für künftige Zulieferer essentiell, sich jetzt zügig auf den Markteinstieg durch Forschungs- und Entwick-
lungsprojekte vorzubereiten.
58
3.4.1.7
Wärme- und Kälteversorgung
Die Bedeutung dieses FuE-Schwerpunktes ergibt sich unter anderem aus der Tatsache, dass mehr als die
Hälfte (57-59 %)
49
des Endenergieverbrauchs in Deutschland auf die Versorgung mit Wärme/Kälte entfallen.
Der größte Anteil davon ist Raumwärme und -kälte, wobei aber auch ein erheblicher Anteil auf Prozesswär-
me und -kälte entfällt.
Im Jahr 2010 betrug der Anteil der erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch 8,9 %
50
, im Jahr 2014
wurden 9,9 % erreicht. Die Zielstellung für 2020 umfasst eine geplante Steigerung auf 14 %. Jedoch scheint
dies angesichts des bisher Erreichten und der aktuell niedrigen Preise für fossile Energieträger bisher als nur
schwer erreichbar.
Im Gebäudebereich besteht weiterhin das Ziel, bis 2050 einen klimaneutralen Gebäudebestand zu erreichen.
Diese Fakten führen zu der Erkenntnis, dass eine beschleunigte Wärmewende zur Erreichung der ehrgeizigen
Klimaziele unabdingbar ist.
Für eine regenerative Wärme- und Kälteversorgung stehen eine Vielzahl von Technologieoptionen, wie z.B.
Wärmepumpen, Solarthermie, Blockheizkraftwerk (BHKW), Kessel, “Heizstab” mit entsprechenden Energie-
trägern/Wärmequellen (Strom, Biomasse, Sonnenlicht, Geothermie/Umweltwärme) zur Verfügung, deren
Umwandlung in nutzbare Wärme/Kälte mit höchstmöglicher Effizienz erfolgen sollte.
Der Heizenergiebedarf für neue bzw. energetisch sanierte Gebäude wird in den nächsten Jahren insgesamt
sinken und infolgedessen auch der relative Anteil der für die Brauchwassererwärmung notwendigen Energie.
Viele Zukunftsszenarien gehen von einer verstärkten oder sogar überwiegenden Nutzung von (erneuerbarem)
Strom im Wärmesektor aus. Momentan wird dies vor allem durch regulatorische Maßnahmen (EnEV) unter-
stützt, wobei damit hauptsächlich Neubauten jedoch nicht der den Verbrauch dominierende Gebäudebe-
stand erreicht werden.
Für einen vermehrten Stromeinsatz ist neben technologischen Fortschritten vor allem eine Änderung der
sehr unterschiedlichen Steuern und Abgaben auf verschiedene Energieträger erforderlich. Momentan ist die
Nutzung von Strom zur Wärmebereitstellung, selbst bei Einsatz effizienter Wandlungstechnologien (Wärme-
pumpen), häufig kaum wirtschaftlich darstellbar.
Wie im Gebäudesektor bestimmen auch im Bereich der industriellen Wärmeversorgung seit Jahren preis-
günstige fossile Energieträger – vor allem Erdgas – das Bild, sodass zumeist investitionsintensive Effizienz-
technologien und erneuerbare Alternativen, wie Solarthermie, Wärmepumpen oder Abwärmenutzung, kaum
zum Einsatz kommen. Durch Innovationen erzielbare Kostensenkungen der Alternativtechnologien kann hier
ein wichtiger Beitrag geleistet werden.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Die im Themenfeld Wärme- und Kälteversorgung tätigen Forschungseinrichtungen sind sowohl innerhalb
Sachsens als auch national und international gut vernetzt. Die Zusammenarbeit von Forschungseinrichtun-
gen und sächsischen Herstellern der Branche kann ebenfalls als positiv eingeschätzt werden.
Eine Verstetigung von Cluster-/Vernetzungsaktivitäten, z.B. durch den Energy Saxony e.V., die Sächsische
Energieagentur SAENA GmbH und die Industrie- und Handelskammer IHK, ist für die notwendige vermehr-
te Initiierung und Umsetzung von Projekten zur Abwärmenutzung erforderlich. Darüber hinaus können sie
einen wichtigen Beitrag zur erfolgreichen Einwerbung von Bundes- und EU-Mitteln in Ausschreibungen für
multilaterale, großvolumige Ausschreibungen leisten.
49
Vgl. AG Energiebilanzen e. V.: Daten der Internetpräsenz der AG Energiebilanzen e.V.,
aufgerufen am 10.07.2017.
50
Vgl. Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) im Auftrag des BMWi, 25.03.2015.
59
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Existenz vieler Hersteller von Komponen-
ten und Anlagen zur Wärme- und Käl-
teerzeugung/-versorgung in Sachsen
Leistungsfähige FuE- sowie Ausbildungs-
einrichtungen („Dresdner Schule der
Thermodynamik“)
Vielfältige Akteurslandschaft im FuE-
Bereich
Teilweise „nur“ Produktionsstätten ohne
FuE
Fehlende Vernetzung mit anderen The-
menfeldern
Mangelhafte Präsenz der Wärmewende in
der Energiewendediskussion (oft rein
stromlastig) und damit auch zu wenig
Beachtung der Thematik bei den beteilig-
ten Dialogpartnern und getroffenen bzw.
zu treffenden Maßnahmenpaketen
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale im Bereich Wärme- und Käl-
teversorgung
Wärmepumpen:
Verstärkte Nutzung umweltfreundlicher/natürlicher Arbeitsstoffe (Kältemittel) in Wärmepumpen
(GWP-Wert, F-Gase Verordnung etc.)
Nutzwärmespeicherung in Kombination mit Wärmepumpen bzw. Integration von Wärmespeichern
in Wärmepumpen, um mehr erneuerbaren Strom zu nutzen
Nutzung „neuer“, effizienter Wärmequellen (Saisonal- und Eisspeicher, Grundwasser)
Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Prozesswärmebereitstellung (Wiederverwendung von Prozess-
abwärme)
Weiterentwicklung von Komponenten und verstärkter Einsatz der Wärme-Kälte-Kopplung in geeig-
neten Anwendungsfällen
Nutzung der Potentiale „Kalter Nah-/Fernwärme“ mit dezentralen Wärmepumpen
Hybride/Multivalente Versorgungslösungen unter Einbeziehung von Wärmepumpen in Kombination
mit Gas/Strom/Solarthermie
Kopplung von Wärmepumpen und Nah-/Fernwärmenetzen (auch für PtH)
Es gibt in Sachsen einige Hersteller von Wärmepumpen und Komponenten für Wärmepumpen, die mit
Produktinnovationen die Marktpotentiale der genannten Lösungen erschließen können. Pilot- und Refe-
renzanlagen mit Monitoring und Verbreitungsaktivitäten dazu können hilfreich sein.
Solarthermie:
Optimierung der hydraulischen und regelungstechnischen Kopplung verschiedener Wärmeerzeuger
und -speicher
Integration von Solarwärme in Wärmenetze
Hybridsysteme aus Solarwärme und Wärmepumpen
Solarthermische Prozesswärmebereitstellung
Sächsische Planer und Anlagenbauer könnten von den Ergebnissen sehr profitieren. Hersteller von Solar-
thermiekomponenten gibt es in Sachsen jedoch nicht.
Prozess- und Klimakälteversorgung:
Forcierte Umstellung auf natürliche/umweltfreundliche Kältemittel
Steigerung der Effizienz auf Komponenten und Systemebene
Optimierung und Einbindung von thermischen Speichern zur Erhöhung der Effizienz und des Last-
managementpotentials
60
Verstärkte Nutzung von (sommerlichen) Wärmeüberschüssen (z.B. aus Biogas-, Kraft-Wärme-
Kopplungs- (KWK) und/oder Solarthermieanlagen) sowie von industrieller/gewerblicher Abwärme
zur thermischen Kälteerzeugung
Entwicklung und Erprobung kostengünstiger Lösungen zur Erfüllung der gestiegenen Hygieneanfor-
derungen von Rückkühlwerken
Erarbeitung von Lösungen zur Deckung des steigenden sommerlichen Komfortklimakältebedarf in
Gebäuden, z.B. PV-betriebene Kälteerzeugung in Verbindung mit Kältespeichern
Entwicklung technisch-wirtschaftlicher Lösungskonzepte zur Anpassung an Klimaänderungen (län-
gere sommerliche Hitzeperioden, Überschreiten bisheriger Auslegungstemperaturen)
(Dezentrale) Kraft-Wärme-Kopplung:
Flexibilisierung der KWK (Wärmespeicherung) zur zeitlichen Entkopplung von Wärmebedarf und -
erzeugung; Ermöglichung eines stromgeführten Betriebs
Wärme- und Kältespeicher:
Skalierung im Labor getesteter neuer Speicherlösungen in den Anwendungsmaßstab und Umset-
zung von Pilotanlagen
Weiterentwicklung anwendungsspezifischer Latentwärmespeicher
Biomasse:
Weiterentwicklung der Kessel hin zu emissionsarmen, hocheffizienten Systemen
(Umstellung zur) Nutzung in hocheffizienter KWK
Kombinationslösungen mit anderen Wärmeerzeugungstechnologien (wie Solarthermie oder Wär-
mepumpen), Nutzung der Speicherbarkeit fester/flüssiger Biomasse
3.4.1.8
Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft – Braunkohle als Partner der Energiewende
Sachsen hat durch die historisch gewachsene Braunkohlewirtschaft exzellente Voraussetzungen, um durch
Sektorenkopplung eine nachhaltige Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft zu etablieren, um damit die Transforma-
tion von einer linearen Wertschöpfung hin zu einer zirkulären Wirtschaft zu vollziehen und voranzutreiben.
Dazu müssen die Sektoren „Abfallwirtschaft“, „Chemie“ (insbesondere Kunststoff-Synthesechemie), (erneu-
erbare) Energiewirtschaft (insbesondere Stromüberschüsse) und zunächst auch noch Braunkohlewirtschaft
kombiniert und systemisch betrachtet werden, und so Stoffkreisläufe geschlossen werden.
Da dieser Kreislauf bedingt durch Kohlenstoffverluste, z.B. im Rahmen der Restabfallbehandlung (thermische
Abfallbehandlung), eine Lücke aufweist, wird Braunkohle als ergänzende Kohlenstoffquelle, und damit als
chemischer Rohstoff, nicht als Energieträger benötigt. Laut Experten soll sie aufgrund ihrer chemischen
Eigenschaften im Rahmen der anstehenden FuE-Arbeiten helfen, die Prozesse und Verfahren der sogenann-
ten Kohlenstoff-Kreislauf-Technologien stabil zu halten. Mittel- und Langfristig wird es technisch darum
gehen, die Anteile der Braunkohlebestandteile zu verringern bzw. außen vor zu lassen.
Als Schnittstellentechnologie für diese Sektorenkopplung dient die Vergasungstechnologie, d. h. die Partia-
loxidation. Die Vergasung ist die einzige Option zur flexiblen und gekoppelten Nutzung verschiedener Koh-
lenstoffträger (Abfälle und biogene Reststoffe u.a.), da sie die Entkopplung der Produkteigenschaften von
den Eigenschaften der Einsatzstoffe und damit eine echte Kreislaufschließung bzw. ein chemisches Recyc-
ling ermöglicht. Das im Vergasungsprozess erzeugte Synthesegas wird mit Hilfe von Syntheseprozessen in
sog. Plattform-Chemikalien, z.B. Methanol, umgesetzt. Methanol oder andere Plattformchemikalien bilden
wiederum die Basis für die Massenkunststoffe Polyethylen und Polypropylen sowie für eine Vielzahl anderer
organisch-chemischer Produkte.
Der zentrale FuE-Bedarf in diesem Themenschwerpunkt liegt bei neuen Vergasungstechnologien sowie den
zugehörigen Feststoffeinspeisesystemen. Wichtige Entwicklungsaufgaben betreffen (nicht abschließend)
wassersparende und abwasserfreie Gasreinigungsprozesse sowie Synthesen, in denen Kohlenstoffdioxid
als
Reaktionspartner genutzt werden kann. Die Anwendung soll in Großanlagen an Chemie- oder Energiestand-
orten mit vorhandener Infrastruktur als auch in kleineren, dezentralen Anlagen (Kohlenstoffkreislaufanlagen)
zur Ergänzung und Ablösung von thermischen Abfallbehandlungsanlagen erfolgen. Der aktuell anstehende
61
Entwicklungsschritt ist der Nachweis der gesamten Synthesekette bis zum Chemieprodukt im Demonstrati-
onsmaßstab.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Die im Themenfeld Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft tätigen Netzwerke aus Wirtschaft und Wissenschaft
sind auf deutscher Ebene:
Energie-Rohstoff-Netzwerk (ERN)*
AIREG Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V.
Innovation in Carbon
Arbeitsgemeinschaft ARGE Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft (im Aufbau)*
Des Weiteren weisen einzelne deutsche Länder regionale Netzwerkstrukturen zum Themenfeld auf:
Sachsen:
FIRE Freiberger Interessengemeinschaft der Recycling- und Entsorgungsunternehmen e.V.
Sachsen-Anhalt:
Netzwerk Innovative Braunkohle-Integration Mitteldeutschland Phase 2 ibi2.0*
Cluster Chemie/Kunststoffe Mitteldeutschland
Bayern:
Kraftstoffmodellregion Oberfranken (regenerative Kraftstoffe)
Nordrhein-Westfalen
CarbonConversion
Vernetzungsstrukturen im Bereich der deutschen Wissenschaftseinrichtungen im Themenfeld bestehen im
Rahmen folgender FuE-Projektstrukturen:
Kopernikus-Projekte für die Energiewende
Fraunhofer Initiative Kohlenstoffketten IK2*
Fraunhofer Reviernetzwerk Kohlenstoffketten*
Internationale Vernetzungsaktivitäten finden statt im Rahmen von:
International Freiberg Conference on IGCC & XtL Technologies*
Europäisches Netzwerk der Chemieregionen (ECRN)
Dreiländernetzwerk für Stoffliche Kohlenstoffnutzung (Polen, Tschechin, Deutschland)*
Initiator und Mitinitiator sowie wissenschaftliches Zentrum der mit (*) gekennzeichneten o.g. Netzwerke
für die Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft sind das IEC (TU Bergakademie Freiberg) und die Fraunhofer-
Gesellschaft, Fraunhofer-Institut IMWS/Halle. Fraunhofer hat dazu ein eigenes Kompetenz-Netzwerk Initi-
ative Kohlenstoffketten IK2 gegründet. Die Netzwerke sind auf die Sektoren Chemie, Verarbeitende Indust-
rie und Recyclingwirtschaft zu erweitern, mit dem Schwerpunkt der Vernetzung der einzelnen Sektoren
und Bereiche. Ein erster wesentlicher Schritt ist der Aufbau der neuen Arbeitsgemeinschaft ARGE Kohlen-
stoff-Kreislaufwirtschaft. Perspektivisch soll das Netzwerk europaweit und international ausgebaut wer-
den. Verstärkt werden muss die Zusammenarbeit auf der Basis der vom Europäischen Netzwerk der Che-
mieregionen (ECRN) angestoßenen Europäischen Forschungsinitiative für die stoffliche und energetische
Verwertung der Braunkohle im Rahmen des Programms Horizon2020. Das Netzwerk soll als kompetenter
und sektorenübergreifender Ansprechpartner für strategische und politische Entscheidungen bereitstehen.
62
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Energieartenforschung ist in Sachsen breit
aufgestellt (Rohstoffe, Werkstoffe, Materia-
lien)
Starke Fraunhofer-Forschung für dezentrale
Systeme
Zu geringe Unterstützung für Energiefor-
schung für Kohlenstoffkreisläu-
fe/Sektorenkopplung
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Zukunftstrends leiten sich aus nationalen und internationalen Aktivitäten, Vereinbarungen und gesetzli-
chen Regelungen zur Senkung der Treibhausgasemissionen, zur Verbesserung der Ressourcen- und Energie-
effizienz und zum Übergang von primären zu sekundären Rohstoffen (COP21, Klimaschutzplan 2050 der
Bundesregierung, neues Verpackungsgesetz 2017, neues Klärschlammgesetz usw.) ab. In diesem Rahmen
können neue Wertschöpfungskreisläufe zur Kohlenstoffnutzung realisiert werden.
Kohlenstoffkreislauf durch Sektorenkopplung Chemie, Abfall, erneuerbare Energie:
Emissionsminimierte Verwertung von kohlenstoffhaltigen Abfällen (inkl. Klärschlamm) durch che-
misches Recycling ohne Downcycling, chemische Speicherung für erneuerbare Energie sowie priori-
täre und flexible Einbindung sekundärer Biomassen (u.a. Holzabfälle, Gärreste, landwirtschaftliche
Abfälle) je nach Verfügbarkeit
Einheitliche und flexible Nutzung verschiedener kohlenstoffhaltiger Rohstoffe (u.a. Abfall, Biomas-
se) durch eine gemeinsame Nutzbarmachung als Synthesegas und anschließende Produktsynthese
Verbesserung der Verfügbarkeit kommunaler Abfallströme als Rohstoffbasis für die chemische In-
dustrie
Schnittstellentechnologie Vergasung
Chemische Synthesen mit Kohlenstoffdioxid und erneuerbarer Energie:
Nutzung von Kohlenstoffdioxid als Reaktionspartner durch Einkopplung von erneuerbarem Über-
schussstrom in Form von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff
CO
2
-tolerante Syntheseprozesse für CO
2
-haltige Synthesegase
Chemische Speicherung von erneuerbarem Überschussstrom
Verringerung der Importabhängigkeit von Erdgas und Erdöl, Minderung der Verlagerung von
CO
2
-Emissionsquellen (Carbon Leakage):
Bereitstellung von heimischen Kohlenstoffquellen (Abfälle, biogene Reststoffe) als Rohstoff für die
Kreislaufwirtschaft in der chemischen Industrie
Unterstützung der Verfahrensentwicklung zur Bereitstellung von heimischen Kohlenstoffquellen
(Abfälle, biogene Reststoffe) als Rohstoff für die chemische Industrie
Deckung des Bedarfs der chemischen Industrie an kohlenstoffbasierten Basisprodukten durch
Wertschöpfung im eigenen Land
Transferpotentiale:
Da es sich um einen bis nach 2050 angelegten Transfer der Wirtschaft – auch international – von der line-
aren zur zirkularen Kohlenstoffökonomie handelt, sind die Transferpotentiale groß. Deutschland kann sich
weltweit als Technologieführer für innovative Technologien zur Schließung des Kohlenstoffkreislaufs eta-
blieren. Das kann den Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Deutschland stärken. Um die Markteinfüh-
rung einer solchen integrativen Technologie zu ermöglichen, ist eine umfassende Erprobung und verlässli-
che Demonstration aller technologischen Schritte im Verbund notwendig.
63
Technologiedemonstration und Marktdurchdringung in Deutschland
Technologie-Demonstration der neuen Kohlenstoffketten in einem Maßstab, der die Übertragbarkeit in
die Großtechnik bis 2030 erlaubt (angestrebtes Demonstrationszentrum in Leuna)
Erschließung des Exportpotentials für Technologieanbieter und Anlagenbauer aus Sach-
sen/Deutschland
Verstetigung und Verwertung
Wissenschaft:
Fraunhofer-Initiative Kohlenstoffketten IK
2
neue Fraunhofer-Abteilung „Chemische Umwandlungsprozesse“ des Fraunhofer IMWS mit An-
bindung an Freiberg
Bündelung von Forschung und Entwicklung zur Schließung von Stoffkreisläufen
Etablierung eines internationalen Netzwerks
Wirtschaft
Bildung der Arbeitsgemeinschaft Kohlenstoffkreislaufwirtschaft ARGE K2
Bereitstellung und internationale Vermarktung der neuen Technologien
Marktanalysen zu Produkten und Anwendungsfeldern von neuen Kohlenstoffketten (national
und international)
Machbarkeitsstudien für die Anwendung der Technologien an konkreten Standorten
Vermarktung des gewonnenen Know-how (z.B. Patent- und Lizenzverwertung)
3.4.2 Energieverteilung und Energienutzung
Da in Sachsen in den FuE-Schwerpunkten „Speicher“ und „Netze“ zahlreiche spezifische FuE-Aktivitäten
verfolgt werden, scheint eine differenziertere Ausführung einzelner FuE-Aktivitäten zielführend. Dabei wer-
den in den ersten beiden Kapiteln die Wechselwirkungen zwischen Speichern und Netzen aus systemischer
Sicht adressiert und im Folgenden verschiedene Batteriespeichertechnologien dargestellt. Abschließend
erfolgt eine Darstellung von FuE-Aktivitäten im Bereich der Energieeffizienz in verschiedenen Anwendungs-
fällen.
3.4.2.1
Transformation des Elektroenergiesystems
Um der angestrebten Energiewende in Deutschland gerecht zu werden, müssen die Stromnetze um- und
ausgebaut werden, sodass Veränderungen in der Stromerzeugungsstruktur netzseitig ermöglicht und eine
gleichbleibende Versorgungssicherheit und Versorgungsqualität gewährleistet werden. Das Stromübertra-
gungsnetz steht vor vielfältigen Herausforderungen: Steigende Stromtransporte, insbesondere von Wind-
energie vom Norden und Osten in die Lastschwerpunkte im Süden und Westen Deutschlands sowie Transite
durch den europäischen Stromhandel belasten bestehende Netze in hohem Maße. Der weiter voranschrei-
tende Ausbau und der überwiegende Anschluss von Anlagen für die Umwandlung Erneuerbarer Energien in
den Verteilnetzen führen zu einer zunehmenden Dezentralisierung der Stromerzeugung. Überlastungen der
Netzbetriebsmittel und Verletzungen der Spannungsgrenzen müssen dabei vermieden und gestalterische
Möglichkeiten in der Netzführung erhalten werden. Vor diesem Hintergrund ist der deutliche Ausbau- und
Innovationsbedarf hin zu intelligenten Netzen motiviert.
Bei den Herausforderungen bleibt in der Umsetzung ebenfalls der Kostenfaktor zu beachten. Denn eine
hochwertige Energieversorgung muss auch künftig sozialverträglich für Endverbraucher finanzierbar bleiben.
Ein erster Baustein liegt in der Transformation der Aufgabenteilung in einem zukünftigen Elektroenergiesys-
tem. Konventionelle Kraftwerke, die heute noch überwiegend die Systemdienstleistungen für den stabilen
Netzbetrieb bereitstellen, werden mit voranschreitendem Zubau von erneuerbaren Energien in immer weni-
ger Stunden am Netz sein. In intensiver Forschung erarbeitete Werkzeuge befähigen Erneuerbare-Energien-
Anlagen in immer höherem Maße, diese Transformation aktiv zu gestalten. Ein zweiter Baustein betrifft die
notwendige Vernetzung von Verbrauchs- und Erzeugungseinheiten, um die Potentiale der dezentralen rege-
nerativen Energieerzeugung weitreichender ausnutzen zu können. Dies wird häufig unter dem Schlagwort
Digitalisierung der Energietechnik zusammengefasst. Neben Sektorenkopplung im Wärme- und Mobilitäts-
bereich und den derzeit viel diskutierten und in ersten Forschungsvorhaben erprobten Speichertechnologien
stellt die flexible Anpassung der Lastseite an die schwankende Erzeugung eine vielversprechende Alternative
dar. Befähigungen zur flexiblen Strombeschaffung und eine moderne Kommunikationsinfrastruktur können
64
bei gleichzeitig verbesserter Auslastung der Verteilnetze als Treiber für einen reduzierten Netzausbau und
innovative Produkte im Smart Grid Umfeld dienen.
Der großflächige Einzug leistungselektronischer Technologien in Verbrauchs- und Erzeugungseinheiten spie-
gelt sich zudem in veränderten Zeit-Leistungs-Charakteristika wider. In umfangreichen Messkampagnen
erfasste Daten dienen der Modellbildung und damit der Bewertung der Netzrückwirkungen der neuen Tech-
nologieklassen. Des Weiteren bedingt der volatile Leistungsfluss Anpassungen in der Netzstruktur und stellt
erhöhte Anforderungen an die Betriebskonzepte. Wichtiger Bestandteil der Energieforschung ist daher eine
Validierung und ggf. Erweiterung bestehender Betriebskonzepte.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Innerhalb Sachsens existieren enge Partnerschaften zwischen den Hochschulen, außeruniversitäre For-
schungseinrichtungen und Unternehmen. Neben innerstrukturellen Vernetzungsaktivitäten wie z.B. dem
Forschungscluster „Combined Storage System Integration (CSSI) der TU Dresden (Bereich der Energiespei-
cher), bestehen sowohl regionale (z.B. Energy Saxony e.V.) als auch nationale Kooperationsgeflechte mit
Institutionen aus Wissenschaft und Wirtschaft.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Neue Methoden der Netzbetriebsfüh-
rung ermöglichen eine Erhöhung des
Anteils Erneuerbarer Elektroenergieer-
zeugung
Erhöhung des ortsgebundenen Ver-
brauchs von erneuerbaren Energien
durch bedarfsgerechte Sektorenkopp-
lung
Vermeidung bzw. Verringerung von
Netzausbaukosten
Befähigung dezentraler Energieerzeu-
gungsanlagen zur Erbringung von Sys-
temdienstleistungen
Sicherstellung der elektromagnetischen
Verträglichkeit (Power Quality) in zu-
künftigen Netzen durch Untersuchun-
gen der Netzrückwirkungen von Geräten
auf Basis von Leistungselektronik (PV-
und Windenergieanlagen, Elektromobili-
tät)
Bidirektionaler Erfahrungsaustausch mit
Teilen der ostdeutschen Netzbetreiber
hinsichtlich zukünftiger Probleme, An-
forderungen und Potentiale
Bisher nur wenige und vergleichsweise
kleine Projekte zur Netzbetriebsführung
mit regionalen sächsischen Industrie-
partnern
Noch nicht ausgenutztes Transferpoten-
tial für durch Erfahrungsaustausch ange-
regte Konzepte in wirtschaftlich umsetz-
bare Lösungen
Regulatorische Hemmnisse erschweren
neuartige Konzepte im Bereich der Smart
Services (Systemdienstleistungen, Erzeu-
gungs- und Lastmanagement etc.)
Zu geringe Anzahl von Ausgründungen
(Wirtschaftsförderung)
Hohe Anforderungen an die IT-Sicherheit
und den Datentransfer benötigen tech-
nisch umfangreiche und teure Kommuni-
kationsmethoden
65
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Aktuell lassen sich vier große Forschungstrends im Bereich der elektrischen Energieforschung erkennen:
Dezentralisierung der Energiemärkte
Sektorenkopplung und Digitalisierung
Systemdienstleistung in den Verteilnetzen
Zellulare Energieversorgung
Dezentralisierung der Energiemärkte:
In den letzten Jahren der Energiewende wurde vor allem die Dezentralisierung der elektrischen Energiever-
sorgung durch den Ausbau von Wind- und Photovoltaikanlagen vorangetrieben. Dies führt zu einem erhöh-
ten Netzausbaubedarf. Ein in der Forschung aktuell diskutierter alternativer Lösungsansatz ist die dezent-
rale Vermarktung von Lasten und Erzeugern, bei der Strom je nach Bedarf im Verteilnetz „getauscht“ wird.
Dazu müssen die notwenige technische Infrastruktur und Methoden erforscht werden. Hier sind zum Bei-
spiel die Projekte SERVING und RVK zu benennen. Für einen Durchbruch dieser Verfahren am Markt müssen
jedoch auch die regulatorischen Rahmenbedingungen geschaffen werden. Um den Transfer der For-
schungsergebnisse zu befördern, sollten Modellregionen entstehen, in denen zum Beispiel lokale Energie-
märkte getestet werden können.
Sektorenkopplung und Digitalisierung:
Neben der elektrischen Energieversorgung muss die Energiewende auch auf den anderen Energiesektoren,
wie Wärme und Mobilität, vorangetrieben werden. Mithilfe der Sektorenkopplung werden die Speicher und
Flexibilität in den Energiesektoren gemeinsam betrachtet und ein übergreifendes Optimum beim Betrieb
angestrebt. Aktuell werden vor allem die Kopplung zwischen elektrischer und thermischer Energieversor-
gung untersucht und Methoden für das Demand-Side-Management bzw. die Laststeuerung und Virtuelle
Kraftwerke entwickelt. Für die Kopplung des Sektors Mobilität in das Gesamtsystem besteht ein hoher
Forschungsbedarf. Vor allem die Integration von E-Mobility in die elektrischen Netze stellt eine große Her-
ausforderung dar. Eine wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung und den Betrieb dieser neuen ener-
getischen Versorgungsstrukturen ist die kommunikationstechnische Erschließung aller Verbraucher und
Erzeuger. Hierfür ist ein extrem leistungsfähiges Kommunikationssystem und Rechnernetz notwendig.
Systemdienstleistung in den Verteilnetzen:
Um einen störungsfreien und stabilen Netzbetrieb zu gewährleisten, sind Systemdienstleistungen zur Ein-
haltung von Frequenz, Spannung und Leitungsbelastungen innerhalb zulässiger Grenzwerte, die aktuell
durch konventionelle Großkraftwerke in den Übertragungsnetzen bereitgestellt werden, von entscheidender
Bedeutung. Mit der zunehmenden Dezentralisierung der Energieversorgung könnten diese Kraftwerke in
Zukunft nicht mehr zur Verfügung stehen. Das heißt, Systemdienstleistungen müssten durch dezentrale
Anlagen aus der Verteilnetzebene erbracht werden. Erste Ansätze der notwendigen Verfahren werden dabei
zum Beispiel im Projekt SysDL 2.0 entwickelt. Neben den Verfahren müssen aber auch hier die regulatori-
schen Randbedingungen und entsprechenden Märkte entwickelt werden.
Zellulare Energieversorgung:
Beim zellularen Ansatz wird eine komplette neue Lösung für die Energieversorgung als Gesamtes verfolgt.
Ziel dabei ist es, dass sich das gesamte System in Zellen organisiert. Innerhalb einer Zelle wird ein Energie-
ausgleich hergestellt und definierte Energieflüsse zu anderen Zellen ausgetauscht. Der Betrieb innerhalb
der Zellen erfolgt dabei über die verschiedenen Energiesektoren hinweg und mithilfe von lokalen Energie-
märkten. Neben dem Energieaustausch können die Zellen aber auch Systemdienstleistungen untereinander
austauschen. Bei der zellularen Energieversorgung werden damit die oben genannten Trends in einem
Gesamtsystem umgesetzt. Dieser Ansatz befindet sich allerdings noch in einem frühen Forschungsstadium.
66
3.4.2.2
Dezentrale Energiespeichersysteme auf Niederspannungsebene
Aus dem Anstieg an dezentraler regenerativer Elektroenergieerzeugung ergeben sich auch zwingend Verän-
derungen in Struktur und Ausbau der entsprechenden Netzabschnitte, welche die Elektroenergieerzeuger in
das Elektroenergienetz einbindet. Die Integration der dezentral in das Elektroenergiesystem einspeisenden
Erzeuger verursacht unter Umständen eine Umkehr des Leistungsflusses und muss im ungünstigsten Fall
aufgrund der fehlenden Integrationskapazitäten des Netzes verhindert werden. Insbesondere im Niederspan-
nungsnetz unterliegt die Integration aufgrund der fehlenden Überwachungsmöglichkeiten verhältnismäßig
hohen Anforderungen.
Um die Potentiale der dezentralen, regenerativen Elektroenergieerzeugung weitreichender ausnutzen zu
können, ist eine netzseitige Integration von Batteriespeichern sinnvoll. Das machte die Entwicklung eines
leistungsflussoptimierenden Energiemanagements für zukünftige Niederspannungsnetze notwendig. Als ein
besonderes Beispiel für ein solches Optimierungsverfahren gilt der in Sachsen entwickelte Lösungsansatz
CLUMA. Um den Betrieb von Niederspannungsnetzen mit einer hohen Durchdringung von steuerbaren Er-
zeugern und Verbrauchern (u. a. auch Speicher) zu optimieren, unterteilt CLUMA den entsprechenden Netz-
abschnitt in Teilnetze. Aus den Daten zum aktuellen Leistungsbedarf bzw. der aktuellen Elektroenergieerzeu-
gung der einzelnen Knoten wird für jeden Anschlussknoten ein Steuerungssignal ermittelt, welches den
Ausgleich zwischen Verbrauch und Erzeugung im Teilnetz ermöglicht. Der Signalempfänger braucht dem
Steuersignal nicht zu folgen, wenn sich der aktuelle elektrische Elektroenergiebezug nicht aus dem vorhan-
denen Energiespeicher abdecken lässt. Dabei wird der Speicherzustand nicht zwingend als Eingangsvariable
benötigt. Die Steuerung kann auch einen nicht reagierenden Knoten beachten und versuchen, deren Leis-
tungsbezug erst bei einem umgekehrten Leistungsfluss wieder zu verändern. Somit würden sich trotz einzel-
ner voller bzw. leerer Speicher, die im Teilnetz verbleibenden Leistungen weiterhin optimal ausgeglichen
werden, ergeben.
Eine weitere Umstrukturierung der Niederspannungsnetze entsteht perspektivisch durch die Integration von
Ladestationen für Elektrofahrzeuge in das Elektroenergiesystem. Durch den hohen punktuellen Leistungsbe-
darf dieser Komponenten wird eine deutliche Leistungsflussverschiebung erfolgen. Diese kann an exponier-
ten Stellen auch zu Überlastungen des Netzabschnittes führen. Um diesen Umstand oder die vorsorgliche
Vermeidung der Ladestationsintegration in ein Teilnetz vorzubeugen, wird die Unterstützung des Ladesys-
tems durch einen stationären Energiespeicher (im Projekt ECoMobility) untersucht. Dabei bietet ein Batterie-
speicher bilanz- und netzdienliche Unterstützung der Ladevorgänge an. Bilanziell kann durch diesen der
Anteil an in der Umgebung erzeugten Erneuerbaren Energie erhöht werden. Durch die gezielte Unterstüt-
zung des Ladevorgangs im Starklastfall des Energienetzes können zudem entferntere Leitungen von den
Ladevorgängen entlastet werden. Somit ergeben sich eine höhere regionale Auslastung von erneuerbaren
Energien, beziehungsweise ein erhöhtes Zubaupotential, und ein geringerer Aufwand im Bereich Netzausbau
bezüglich des Wachstumssektors Elektromobilität.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Schon bisher werden sächsische Forschungsaktivitäten vermehrt interdisziplinär an den Hochschulen um-
gesetzt. Ein sehr aktiver Forschungsstandort ist z. B. die TU Chemnitz, an der verschiedene Fachbereiche
und Institute hierzu arbeiten. Dort wurde im Rahmen der Nachwuchsforschergruppe „Intelligente dezent-
rale Energiespeichersysteme“ in Kooperation mit fünf weiteren Professuren (Regelungstechnik und Sys-
temdynamik, Leistungselektronik und Elektromagnetische Verträglichkeit, Mess- und Sensortechnik, Tech-
nische Thermodynamik sowie Computerphysik) die Integration von dezentralen Energiespeichern auf Nie-
derspannungsebene und deren Betriebsweise untersucht. Eine weitere Vernetzung wird aktuell auf diesem
Themengebiet durch die Nachwuchsforschergruppe „ECoMobility“ realisiert. Hierbei arbeiten sieben Profes-
suren (Energie- und Hochspannungstechnik, Schaltkreis- und Systementwurf, Nachrichtentechnik, Allge-
meine und Arbeitspsychologie, Unternehmensrechnung und Controlling sowie Arbeitswissenschaft und
Innovationsmanagement) unter anderem zur Forschungsfrage der intelligenten Ladesteuerung von Elektro-
fahrzeugen mithilfe von stationären Batteriespeichern zusammen.
Weiterhin besteht auf diesem Themengebiet eine detaillierte Vernetzung auf sächsischer Ebene mit der TU
Dresden sowie dem Fraunhofer Institut für Werkzeug- und Umformtechnik (Fraunhofer IWU) und der
Adapted Solutions GmbH.
67
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Erhöhung des Anteils Erneuerbarer
Elektroenergieerzeugung
Erhöhung des ortsgebundenen Ver-
brauchs von erneuerbaren Energien (Ei-
genbedarfsoptimierung)
Vermeidung bzw. Verringerung von
Netzausbaukosten
Verbesserung der ökologischen Bilanz
von batterieelektrischen Fahrzeugen
Optimierung des Zubaus von Ladestati-
onen für Elektrofahrzeuge
Konzepte für netzdienliche Energiespei-
chernutzung jenseits der zur Verfügung
gestellten Regelleistung
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen erwei-
sen sich unter aktuellen regulatorischen
Rahmenbedingungen als nicht positiv
Steuerungsaufwand ist je nach Umset-
zung groß, IT-Sicherheit unter Umstän-
den aufwendig
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Die zukünftige Entwicklung von dezentralen Energiespeichersystemen hängt vorwiegend von neuen An-
wendungsgebieten für dezentrale Energiespeicher ab. Neben Anlagen zur Eigenbedarfsoptimierung sind zur
Nutzung von Energiespeichern Netzdienstleistungen, insbesondere für die Bereitstellung von Regelleistun-
gen zu entwickeln.
In Zukunft kann man davon ausgehen, dass ein Energiespeicher mehrere Nutzungskonzepte parallel ver-
folgt. So kann es zum Beispiel sein, dass ein Batteriespeicher in einem Einfamilienhaus neben der Eigenbe-
darfsoptimierung zudem noch für das Regelleistungsportfolio oder direkt an der Energiebörse eingesetzt
wird. In Abhängigkeit von der aktuellen Marktsituation sind die Anteile der verschiedenen Nutzungskon-
zepte unterschiedlich ausgeprägt.
Bei den dezentralen Energiespeichern handelt es sich um Anlagen mit einer Nennleistung im kW-Bereich,
wodurch nur ein Einsatz in der Niederspannungsebene (0,4 kV) infrage kommt. Für den Betrieb einer Viel-
zahl von solchen dezentralen Energiespeichern in Verbindung mit dezentralen Elektroenergieerzeugern
sowie steuerbaren Verbrauchern ist auch in dieser untersten Spannungsebene ein Energiemanagement
nötig. Solche Steuerkonzepte verfolgen mehrere Ziele:
Reduzierung der Netzverluste
Einhaltung des Spannungsbands
Vorrangige Nutzung von erneuerbaren Energien
Reduzierung der Netzausbaukosten
Erhöhung des Integrationsgrades von dezentralen Elektroenergieerzeugern
Für einige der genannten Fragestellungen wurde bereits eine technische Detaillösung gefunden. Jedoch ist
das komplexe Gesamtsystem noch nicht ausreichend genau erforscht. Hinderlich ist der aktuelle regulatori-
sche Rahmen. Er bietet keine Anreize für solche Systeme. Unklar ist zudem, wie die zukünftig zu erwarte-
ten Änderungen der Regularien die Entwicklung dezentraler elektrischer Energiespeicher beeinflussen wer-
den.
In der Studie „Flexibilität von Stromversorgungsnetzen“ der Bundesnetzagentur vom April 2017 wird deut-
lich, dass der Bedarf nach flexiblen Erzeugungs- und Verbrauchsstrukturen kontinuierlich steigt. Jedoch
wird auch in dieser Studie deutlich, dass dafür regulatorische Rahmenbedingungen zu entwickeln sind. Aus
68
technischer Sicht dürfte ein Transferbedarf bei Elektroenergieversorgern und Netzbetreibern oder bei ande-
ren eigenständigen Systembetreibern bestehen.
3.4.2.3
Flüssigmetallbatterien
Flüssigmetallbatterien, d.h. Batterien, bei denen sowohl beide Elektroden als auch der Elektrolyt im flüssigen
Zustand vorliegen, stellen ein vielversprechendes Konzept dar. Die Verwendung billiger, gut verfügbarer
Rohstoffe als Aktivmaterialien in großen Batteriezellen ermöglicht die Nutzung von Skaleneffekten zur Kos-
tenreduktion. Flüssigmetallbatterien stellen damit eine konkurrenzfähige Option für Großspeicher dar.
Mit ihrem komplett flüssigen Inventar haben Flüssigmetallbatterien gegenüber konventionellen Zellen eine
Reihe von Vorteilen: Bei entsprechender Auswahl der Flüssigkeitsdichten ergibt sich eine stabile Schichtung
– die Zelle baut sich quasi von selbst auf. Vorgänge an flüssig-flüssig Grenzschichten weisen eine ausge-
sprochen schnelle Kinetik auf. Dies ermöglicht hohe Lade- und Entladeströme ohne große Wirkungsgradver-
luste. Da die Elektrodenstruktur der Flüssigkeiten immer wieder den Ausgangszustand annimmt, treten dort
keine Alterungseffekte auf, sodass eine sehr hohe Zyklenzahl erreicht werden kann. Gleichwohl bestehen bei
dieser Technik noch Risiken und Forschungsbedarfe:
1. Durch die hohen Stromdichten und die angestrebten hohen Zellquerschnitte können pro Zelle sehr
hohe Ströme entstehen. Lorentzkräfte, hervorgerufen durch das Zusammenwirken des hohen Zellstro-
mes mit seinem eigenen oder einem externen Magnetfeld, können direkt Strömungen antreiben oder
Instabilitäten, wie z.B. die Tayler Instabilität (TI), anregen. Die durch die TI hervorgerufene rotierende
Strömung kann zu einer Verdrängung des Elektrolyten (Salzschmelze) zwischen den Elektroden führen.
Dieser Kurzschluss würde zu einem Ausfall der Batterie führen. Je nach Aspektverhältnis der Zellen
können auch weitere Instabilitäten den Betrieb von Flüssigmetallbatterien stören, zum Beispiel Ober-
flächenwellen ähnlich dem Sloshing bei Aluminiumreduktionszellen.
2. Die FuE-Aktivitäten in diesem Themenfeld finden u.a. am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
(HZDR) statt. Dort werden diese Instabilitäten experimentell und numerisch untersucht und Gegen-
maßnahmen entwickelt. Zum Beispiel kann die Entstehung der TI verhindert werden, indem man der
Zelle ein zusätzliches Magnetfeld aufprägt, das sich dem ursprünglichen Feld überlagert. Das Gesamt-
feld lässt sich dann so gestalten, dass die Zelle nicht mehr für die TI anfällig ist. Eine mögliche Quelle
für das zusätzliche Magnetfeld findet man in dem Strom, der von oder zur Zelle geleitet wird. Indem
man diesen Strom beispielsweise isoliert durch die vertikale Zellachse leitet, wird die Zelle auch bei
hohen Strömen stabilisiert.
3.
Die starke Koppelung von Elektrodynamik, Fluiddynamik und Elektrochemie kann bei der Simulation der
Zellen zum Auftreten komplexer Phänomene führen, was bei der Simulation mit erhöhten Rechenzei-
ten einhergeht. Großskalige Experimente sind in DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNamo and
thermohydraulic studies) vorgesehen. Dort werden die notwendige Infrastruktur für den sicheren Um-
gang mit Flüssigmetallen und die notwendige Strömungsmesstechnik bereitgestellt.
Derzeit werden im Batterielabor flüssige Elektroden und elektrolytische Salzschmelzen elektrochemisch
untersucht sowie Zellen gefertigt und getestet. Für die Skalierung der Zellen, zur Verbesserung der Wir-
kungsgrade und zur Gewährleistung der Langzeitstabilität sind Versuche mit verschiedenen Materialien für
die Gehäuse und Isolatoren der Zellen notwendig. Forschungsaktivitäten zum Betrieb der Zellen, zum Up-
scaling und zur Integration ins Energiesystem erfolgen im Rahmen der gemeinsamen Initiative Energiesys-
tem 2050, einem Netzwerk aus acht Helmholtz-Zentren, mit dem Ziel, verwertbare systemtechnische Er-
kenntnisse und technologische Lösungen zu erarbeiten, die von der Wirtschaft aufgegriffen werden können.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Die Arbeiten zu Flüssigmetallbatterien sind Bestandteil der Helmholtz-Allianz „Liquid Metal Technologies –
LIMTECH“ und außerdem in das Programm „Speicher und vernetzte Infrastrukturen (SCI)“ der dritten Perio-
de der programmorientierten Förderung (PoF-III) der Helmholtz-Gemeinschaft eingebunden. Enge und
direkte Kooperationsbeziehungen im Rahmen von LIMTECH bestehen vor allem zur Technischen Universität
Ilmenau und zur Coventry University. Am Topic 1 „Elektrochemische Energiespeicher“ des Programms SCI
beteiligen sich Wissenschaftler des Karlsruher Institutes für Technologie (KIT), des Forschungszentrums
69
Jülich, des Helmholtz-Zentrums Berlin, der DLR Stuttgart, des Helmholtz-Institutes Ulm, des Helmholtz-
Instituts Münster und des HZDR.
In Sachsen sind die Flüssigmetallbatterieaktivitäten im Verbundprojekt „BaSta (Batterie - stationär in
Sachsen)“ vertreten. Sie gaben auch den Anstoß zur Mitarbeit im von der TU Dresden koordinierten Ver-
bundprojekt AMTEC-D (Entwicklung eines Alkalimetall-Konverters zur hocheffizienten Direktumwandlung
von Wärme in elektrischen Strom). Arbeitsbeziehungen bestehen weiterhin zur Université Paris Sud/LIMSI,
zur Norwegian University of Science and Technology in Trondheim und zur University of Rochester (USA).
Das HZDR ist Mitglied der EERA (European Energy Research Alliance).
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Vielzahl an Forschungseinrichtungen und
Hochschulen erzeugt wissenschaftliche Ex-
zellenz
Enge Vernetzung mit den Hochschulen
(insbesondere TU Dresden, HTW Dresden, TU
Bergakademie Freiberg, HS Zittau Görlitz)
Industrielle Kooperationspartner sind
nur schwer zu finden
Auf EU-Ebene fehlt ein spezifisch auf
die Förderung von Speichern ausgerich-
tetes Programm
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Da sich in Stromnetzen Angebot und Bedarf zu jedem Zeitpunkt decken müssen, erfordert ein hoher Anteil
von bedarfsunabhängig fluktuierenden Quellen Möglichkeiten zur Stromspeicherung, falls Abregelungen
vermieden und der Anteil fossiler Reservekapazität gering gehalten werden soll. Der im Maßstab einer
Volkswirtschaft entstehende Ausgleichsbedarf liegt in der Größenordnung von TWh. Entsprechend bedeut-
sam ist die Verfügbarkeit hoher Speicherkapazität zu geringen Preisen, die derzeit noch nicht gegeben ist.
Für den jahreszeitlichen Ausgleich scheint eine Wandlung von elektrischer Energie in chemische Energie-
träger (z.B. Wasserstoff) unumgänglich. Sie ist jedoch i.d.R. nur mit geringen Gesamtwirkungsgraden bei
der „Wiederverstromung“ (Strom-zu-Strom) möglich. Für die Speicherung im Stunden- bis Tagesbereich
sollten die prinzipbedingt deutlich effizienteren elektrochemischen Speicher vorgezogen werden. Deren
Preise sind allerdings noch zu hoch, um eine breite und wirtschaftliche Anwendung zu erlauben. Na-S
Systeme zeichnen sich besonders durch die preiswerten und gut verfügbaren Aktivmaterialien aus, jedoch
sind die ionenleitende Keramik und deren Einbindung bei Hochtemperaturzellen kostentreibend. Nieder-
temperatur Na-S Systeme sind derzeit in der Entwicklung und erscheinen vielversprechend, sofern sich die
noch bestehenden Probleme bei der Zyklenlebensdauer als lösbar erweisen.
Flüssigmetallbatterien verfolgen einen anderen Ansatz, der jedoch auch auf preiswerte und gut verfügbare
Aktivmaterialien angewiesen ist. Die Systemkosten sollen durch die Verwendung nur weniger sehr großer
Zellen und das damit ausgesprochen günstige Verhältnis von Aktiv- zu Konstruktionsmaterial gering gehal-
ten werden. Speicher im MWh-Bereich, die aus einer größeren Anzahl kleinerer Flüssigmetallzellen beste-
hen, sollen Ende 2017/Anfang 2018 von der in Cambridge MA ansässigen Firma AMBRI auf den Markt
gebracht werden. Bei großen Zellen besteht noch umfangreicher Forschungsbedarf. Bis zu deren Marktreife
wird deutlich mehr Zeit vergehen.
3.4.2.4
Lithium-Schwefel- und Natrium-Schwefel-Batteriezellen
Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S-Batterien) zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie und geringe
Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für
70
zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Aktuelle
Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine spezifische Energie von 350 Wh/kg (30-40 % höher als die besten Li-
Ionen-Zellen). Größte Herausforderung stellt bisher die geringe Lebensdauer der Zellen dar. Die Zellen de-
gradieren innerhalb der ersten 100 Lade-/Entladezyklen und sind bisher nicht ausgereift für den Einsatz in
der Elektromobilität. Eine Erhöhung der Zyklenstabilität und/oder eine weitere Erhöhung der spezifischen
Energie würde das Anwendungspotential für diesen Zelltyp deutlich erweitern. Auf Basis von Natrium-
Schwefel-Batterien (Na-S-Batterien) lassen sich Energiespeicher aufbauen, deren Rohstoffe weltweit kos-
tengünstig verfügbar sind. Damit bieten sie ideale Voraussetzungen für den Einsatz in zukünftigen Energie-
speichersystemen für die Entlastung der Netze bei weiterem Ausbau von erneuerbarer Energie. Bisher be-
kannt ist jedoch lediglich eine Hochtemperatur-Zelle auf Basis von flüssigem Natrium und flüssigem Schwe-
fel, welche ein Sicherheitsrisiko darstellt und durch den Wärmebedarf eine verminderte Energieeffizienz
aufweist.
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Fraunhofer IWS) hat sich zum Ziel gesetzt, für
diese Batterietypen Lösungen von der Material- und Elektrochemie bis zur Produktion von Zellen zu entwi-
ckeln. Zusammen mit Partnern aus der Forschung und Industrie werden so Fragestellungen entlang der
Wertschöpfungskette bearbeitet und für die Herstellung und Evaluierung von Prototypzellen umgesetzt.
So gelang erstmalig der Nachweis von 4.000 reversiblen Lade-/Entladezyklen in einer Li-S-Zelle mit einem
neuem Anodenmaterial. Die Na-S-Technologie konnte erfolgreich in Zellen bei Raumtemperatur demons-
triert werden. Für die Elektrodenherstellung wurde ein Verfahren entwickelt, das ganz auf Lösungsmittel
verzichtet und auch auf andere Anwendungsgebiete übertragen werden kann.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Mit dem Batterie-Wing-Zentrum „BaMoSa“ (Batterie-mobil-in-Sachsen) ist seit 2012 eines von vier vom
BMBF geförderten Zentren in Dresden lokalisiert. Hier arbeiten Fraunhofer- und Leibniz-Institute sowie die
TU Dresden eng auf fachlicher Ebene zusammen an der Entwicklung von Speicherlösungen der nächsten
Generation. Verschiedene weitere Forschungsvorhaben sind bereits aus diesem Netzwerk entstanden. Das
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Fraunhofer IWS) hat zudem den internationalen „Li-
S-Battery-Workshop“ etabliert. Diese thematisch fokussierte Veranstaltung bietet eine Plattform, um so-
wohl die lokalen als auch nationalen und internationalen Akteure in diesem Themenfeld zu vernetzen.
Darüber hinaus gibt es zahlreiche nationale und internationale Veranstaltungen und Konferenzen als Platt-
form für Austausch und Vernetzung.
Der Austausch mit potentiellen Anwendern könnte noch ausgebaut werden, um frühzeitig die jeweiligen
Anforderungen in der Zellentwicklung zu berücksichtigen.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Gute Vernetzung der wissenschaftlichen
Community (national und international),
z.B. durch den Li-S-Workshop
Elektrochemische Speicher stellen einen
großen Wachstumsmarkt dar, auch in Ni-
schen (abseits von Consumer Electronics
und akkubetriebener Elektromobilität).
Die Li-S-Technologie hat durch die höhere
spezifische Energie ein wichtiges Alleinstel-
lungsmerkmal.
Großes Entwicklungspotential; im Gegen-
satz zu Li-Ionen ist man bei Li-S noch am
Noch ungenügende Vernetzung mit po-
tentiellen Anwendern von Zellen und
dadurch unzureichende Berücksichtigung
von Anforderungen bei der Entwicklung
Langwierige FuE-Arbeit
Viele Forschungs-Laborergebnisse lassen
sich nicht ohne Weiteres in Prototypzel-
len transferieren
→
Forschung sollte auch
direkt an Prototypzellen erfolgen
→
rela-
tiv großer Aufwand
71
Anfang der Entwicklung
Bisher breite Förderprogramme auf Landes-,
Bundes- und EU-Ebene
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Eine Erhöhung der Zyklenstabilität und/oder eine weitere Erhöhung der spezifischen Energie bzw. der spe-
zifischen Leistung würde das Anwendungspotential für Li-S und Na-S-Batteriezellen deutlich erweitern.
Dafür sind Forschung und Entwicklung an verschiedenen Schwerpunkten nötig:
Materialentwicklung
Die Materialien und Zellkomponenten bestimmen maßgeblich die Zelleigenschaften. Ein Durchbruch der
Technologie ist nur durch eine Weiterentwicklung der Komponenten zu erreichen. Besondere Bedeutung
dabei haben:
a)
Elektrolyte
b)
Anodenschutzfilme
c)
Kohlenstoffnanomaterialien in Kathoden
d)
Stromkollektoren
Die Zellkomponenten beeinflussen sich untereinander, sodass für die Weiterentwicklung die Li-S-Zelle
immer als ganzheitliches System verstanden werden muss. Inaktivkomponenten (Stromkollektoren, Packa-
ging und Elektrolyt) nehmen einen Großteil des Zellgewichtes ein und haben daher eine besondere Bedeu-
tung in der ganzheitlichen Optimierung von Zellen.
Fertigungsverfahren
Kostengünstige und skalierbare Fertigungsverfahren sind die Voraussetzung für die Markteinführung einer
neuen Zelltechnologie. Zum einen ist die Übertragbarkeit auf bestehende Produktionsanlagen (aus der Li-
Ionen-Technologie) zu betrachten, zum anderen bietet eine neue Zelltechnologie auch die Chance, neue
Fertigungsverfahren einzuführen. Zu nennen ist hier das Trockenfilmverfahren, das durch den Verzicht auf
Lösungsmittel Kostenvorteile verspricht und weitere Vorteile aufweist.
Entwicklung an Prototypzellen
Es hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass sich viele Ansätze aus wissenschaftlichen Publikationen
nicht in Prototypzellen mit hoher Energiedichte übertragen lassen. So arbeiten viele Laborzellen mit einem
hohen Überschuss an Elektrolyt, was die Ergebnisse drastisch beeinflusst. Um eine schnelle Übertragbarkeit
und eine tatsächliche Verbesserung der Zelleigenschaften zu gewährleisten, ist die Entwicklung an Proto-
typzellen in einem frühen Stadium unumgänglich. Der damit verbundene relativ hohe Aufwand könnte sich
durch ein höheres Transferpotential und kürzere Zeiten zur Markteinführung kompensieren.
Transferpotentiale
Die ersten Anwendungen von Li-S-Zellen werden zunächst außerhalb der Massenmärkte erfolgen. Flugan-
wendungen wie HAPS (high altitude pseudo satellites) profitieren schon jetzt von dem geringen Gewicht
der Zellen. Jede Verbesserung von Zyklenstabilität, Leistungsfähigkeit und Energiedichte wird das Anwen-
dungspotential erweitern. Die genaue Zeitschiene dafür ist aus jetziger Sicht nicht bestimmbar.
Ein konkretes Beispiel für die sächsische Innovationsstärke ist die Forschung und Entwicklung am Institut
für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden. Hier werden Li-S-Batterien mit Kohlefasern bestückt,
um so deren Speicherkapazität zu erhöhen. Vor allem im Bereich der akkubetriebenen Elektromobilität
bestehen hier enorme Potentiale.
3.4.2.5
EMBATT–Bipolarbatterie
Die Batterie ist eine entscheidende Komponente für den Erfolg von akkubetriebenen Elektromobilen. Darum
haben sich die Hersteller ehrgeizige Ziele gesteckt: Sie wollen die Energiedichte auf Systemebene von der-
zeit rund 250 Wattstunden pro Liter (Wh/l) auf 450 Wh/l verdoppeln und gleichzeitig die Herstellungskosten
signifikant senken, um alltagstaugliche Reichweiten zu erreichen. Für die etablierte monopolare Lithium-
72
Zell-Technologie wird dies durch Einführung von Aktivmaterialien mit erhöhter Energiedichte oder optimier-
tes Zell- und Systempackaging adressiert.
Untersuchungen bei Automobilherstellern und eigene Analysen der IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto
und Verkehr haben gezeigt, dass auf Systemebene eine Energiedichte von mindestens 450 Wh/l Vorausset-
zung ist, um relevante Reichweiten im Fahrzeugbetrieb darzustellen. Heutige Batteriepackagings erreichen
allerdings nur weit geringere Energiedichten von 140-300 Wh/l. Diese resultieren daraus, dass die eigentli-
chen Batteriezellen nur ca. 40-60 % des Systemvolumens ausmachen und der verbleibende Bauraum durch
Aufbau- und Verbindungstechnik, Batteriemanagement und Kühlung beansprucht wird.
Aber auch die Energiedichte der Batteriezellen selbst, die heute in monopolarer Bauweise aufgebaut werden,
ist nach wie vor optimierungsbedürftig. Für 18650-Zellen
51
können aufgrund der jahrelangen Prozessopti-
mierung bei hoher Stückzahl heute hohe volumetrische Energiedichten von bis zu 680 Wh/l realisiert werden.
Kommerzielle prismatische Zellen haben im Inneren eine Wickelstruktur aus kontinuierlichen Elektroden-
und Separatorbändern. Die ovalen Wickel füllen aufgrund der Radien den Zellinnenraum nicht vollständig
aus und sind durch Kontaktierungselemente mit den Polen der Zellen elektrisch verbunden. Die Energiedich-
ten dieser Zellformate liegen dadurch bei ca. 400 Wh/l und bleiben damit hinter denen von Rundzellen deut-
lich zurück [Interne Analyse IAV]. Auch die in den letzten Jahren mit viel Energie vorangetriebenen Entwick-
lungen neuer Aktivmaterialien mit höherer Energiedichte konnten dieses Bild nicht in relevantem Maße
verändern.
Das EMBATT-Konzept wählt einen völlig neuen Ansatz für die Realisierung von Traktionsbatterien auf Basis
großflächiger Bipolarbatterien. Die EMBATT-Bipolarbatterie besteht aus Zellen, die in einer Stackbauweise
derart gestapelt sind, dass der Ableiter der negativen Elektrode einer Zelle die Kontaktierung der positiven
Elektrode der nächsten Zelle darstellt. Damit teilen sich zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen
die Ableiter – eine Seite der Bipolarelektrode dient als Anode in einer Zelle und die andere Seite als Kathode
in der nächsten Zelle.
Das bipolare Batteriekonzept umgeht durch seinen Stapelaufbau ein aufwendiges Zellpackaging und liefert
eine Stackspannung, die sich über die Anzahl der gestapelten Einzelzellen ergibt. Vorteile der EMBATT-
Batterie sind der geringe Innenwiderstand im Stapel, potentiell sehr große Elektrodenflächen und stark ver-
einfachte Verbindungstechnik im Batteriesystem. Das EMBATT-Konzept überführt damit die hohe Energie-
dichte auf Zellebene direkt ins Batteriesystem.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Mit der EMBATT-Batterie verfolgt das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
(Fraunhofer IKTS) gemeinsam mit den Partnern IAV GmbH und ThyssenKrupp System Engineering GmbH
einen neuen Ansatz. Das Konsortium entwickelt gemeinsam großflächige Lithium-Bipolarbatterien, abge-
stimmte Fertigungstechnologien sowie Konzepte für die direkte Integration ins Chassis des Fahrzeuges.
Darüber hinaus arbeitet das Konsortium mit unterschiedlichen Partnern deutschlandweit zusammen, um
die Herausforderungen insbesondere in der Materialentwicklung zu adressieren.
Zur Verbreitung der Projektergebnisse wurde und wird u.a. eine zwischen Dresden und Graz im jährlichen
Wechsel ausgetragene Konferenz, die BATTERY DAYS, genutzt. Das Organisationskomitee besteht aus der
FUEL CELL and BATTERY CONSULTING - FCBAT Ulm, der VARTA Micro Innovation GmbH in Graz sowie dem
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (Fraunhofer IKTS) in Dresden. Zielgruppe der
Konferenz sind Akteure der Energiespeicherung im gesamten europäischen Raum.
51
Vgl. Wikipedia: 18650-Zellen sind eine weitverbreitete Bauform, vor allem in Elektroautos.
73
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Starkes Konsortium im Bereich der Mate-
rialentwicklung, Fertigungstechnologie
und Fahrzeugintegration vorhanden
Bipolarkonzept stellt im Bereich der Lithi-
um-Ionen-Technologie einen disruptiven
Ansatz dar
Aufgrund des disruptiven Ansatzes gute
Chancen auf Technologieführerschaft für
deutsche Unternehmen
Verschiedene Märkte adressiert, z.B. Elekt-
romobilität, Speicherung Energie aus
fluktuierenden Quellen
Finanzierung der Überführung in den
Pilotmaßstab
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Aktuell unternimmt die deutsche Forschungs- und Industrielandschaft signifikante Anstrengungen, um für
die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien den Wissensvorsprung der bereits etablierten asiatischen
Hersteller aufzuholen. Zukünftig werden sich deutsche Unternehmen aber nur durch eigene Lösungen mit
deutlichen Alleinstellungsmerkmalen und hohem Marktpotential nachhaltig im Wettbewerb positionieren
können. Daher entwickelt das EMBATT-Konsortium eine echte Alternative zu konventionellen monopolaren
Lithium-Batterien, um deren Einschränkungen bei der Realisierung hoher Systemenergiedichten zu über-
winden. Das Konsortium setzt sich damit das Ziel, für ein neues Batteriekonzept zu liefern, das erstmals
eine Systemenergiedichte > 450 Wh/l und damit alltagstaugliche Reichweiten ermöglicht.
Die anspruchsvollen Ziele der EMBATT-Entwicklung werden von einem Verbund kompetenter Partner bear-
beitet. Diese Bündelung an Kompetenzen schafft optimale Voraussetzungen, die Erforschung neuer Materi-
alien und innovativer Prozesse für die Realisierung großflächiger Bipolarbatterien zielgerichtet anzugehen.
Dadurch können die technischen Risiken, die aus dem hohen wissenschaftlichen Anspruch und der techno-
logischen Breite der Projektziele resultieren, reduziert werden.
Mit erfolgreicher Umsetzung der Projektziele wird für den Wirtschaftsstandort eine neue Generation von
Energiespeichern erschlossen. Die EMBATT-Technologie bietet aufgrund ihrer hohen Energiedichte > 450
Wh/l bei geplanten Systemkosten < 200€/kWh [IAV/tk SY interne Studie] eine potentiell hohe Marktdurch-
dringung in Anwendungsgebieten für Industrie, erneuerbare Energien sowie den Nutz- und Individualver-
kehr.
Neben der Einführung von Traktionsbatterien mit hoher Energiedichte für die Fahrzeugintegration in der
Bodengruppe will das Projektkonsortium auch ganz neue Anwendungsfelder erschließen, wie beispielsweise
die direkte Integration der planaren Batterien in Solarmodule.
3.4.2.6
Post-Lithium-Konzepte zur elektrochemischen Energiespeicherung
Die weltweite Nachfrage nach Energiespeichern steigt mit der wachsenden Anzahl an Elektrofahrzeugen,
mobilen Elektrogeräten und stationären Energiespeichern für das Stromnetz. Im Jahr 2015 wurden weltweit
etwa 425 GWh an wiederaufladbaren elektrochemischen Zellen produziert. Eine jährliche Wachstumsrate
von etwa 12 % (nach €) wird erwartet. Aktuell und mittelfristig wird neben der Blei-Säure-Technologie die
Lithium-Ionen-Technologie aufgrund ihres ausgereiften Stands den Markt der Sekundärspeicher dominieren.
Überwiegend große japanische oder koreanische Elektronikunternehmen treiben diese Technologie voran,
was auch die exponentiell steigende Zahl von Patenten wiedergibt. Deutsche Unternehmen hingegen finden
sich nicht unter den Top 10 der Patentanmelder. Dies langfristig zu ändern, erscheint durch insbesondere
74
Post-Lithium-Ansätze auf Basis hochvalenter Ionen möglich. Um konkurrenzfähig zu sein, müssen daher
neue Wege im Fertigungsprozess beschritten und bei der Materialevaluierung einbezogen werden.
Zieht man die gesamten weltweit verfügbaren Ressourcen und die zurzeit noch nicht wirtschaftlich nutzba-
ren Reserven von Lithium heran (ca. 14 Mio. t), so würden diese nach aktuellem Stand für ca. 1 Milliarde
PKW (mit jeweils ca. 500 km Reichweite) reichen, was dem heute bereits vorhandenem weltweiten Bestand
entspricht. Diese Zahl veranschaulicht, dass die Umsetzung der Energiewende, die elektrochemische Energie-
speicher nicht nur für die Elektromobilität, sondern auch für stationäre Anwendungen benötigt, allein mit
der Lithium-Ionen-Technologie kaum möglich erscheint. Die TU Bergakademie Freiberg (TU Bergakademie
Freiberg) arbeitet daher aktiv an alternativen Materialsystemen für eine Technologie-Diversifizierung, auch
um im Bereich der Energiespeicher wettbewerbsfähig zu bleiben. Der Ansatz der TU Bergakademie Freiberg
ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer umfassenden Betrachtung von den einzelnen chemischen Elemen-
ten ausgegangen wird und diese bewertet werden. Die Bewertungskriterien schließen, neben elektrochemi-
schen Parametern, Ressourcenverfügbarkeit, Umweltverträglichkeit, Recycling, Materialkosten und Betriebs-
sicherheit ein. Demgemäß erscheinen Konzepte wiederaufladbarer Hochvalent-Ionen-Festkörperbatterien,
wie z.B. auf Aluminium-Basis, als aussichtsreich. Das bietet einerseits den Vorteil einer viermal höheren
theoretischen Ladungsdichte im Vergleich zu Lithium. Bei gleichem Volumen einer Al-Ionen-Batterie würde
ein Auto potentiell die zwei- bis sechsfache Reichweite im Vergleich zu kommerziellen Lithium-Ionen-
Batterien aufweisen. Andererseits ist Aluminium das häufigste Metall der Erdkruste. Es existiert eine ausge-
reifte Produktionsindustrie und Recyclinginfrastruktur, sodass Aluminium folglich kostengünstig ist. Es ist
ein Kostensenkungspotential gegenüber kommerziellen Lithium-Systemen um ein Fünftel, bezogen auf den
Preis pro Kilowattstunde, zu erwarten. Darüber hinaus entzündet sich Aluminium nicht wie Lithium an Luft,
wodurch eine höhere Sicherheit entsprechender Zellen und vereinfachte Verarbeitbarkeit gewährleistet
werden kann. Damit könnten die Aluminium-Ionen-Batterien einen wichtigen Beitrag zur Energiewende
leisten.
Für die Identifizierung geeigneter Materialien werden an der TU Bergakademie Freiberg ausgewählte theore-
tische Methoden kombiniert. Schließlich erfolgt die Herstellung von Materialien, Komponenten und ganzen
Zellen. Bisher war es nicht möglich, dieses technologische Potential zu nutzen, da geeignete Materialien
fehlten. Das Auffinden von Materialien mit hoher Ionenmobilität – einsetzbar als Festelektrolyte oder Inter-
kalationskathoden – könnte einen Innovationssprung im Bereich der wiederaufladbaren Hochvalente-Ionen-
Batterien ermöglichen.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Da das an der TU Bergakademie Freiberg etablierte Forschungsfeld Alleinstellungscharakter besitzt, sind
spezifische Vernetzungsaktivitäten erforderlich, die zunächst die internationalen Experten auf den jeweili-
gen Fachgebieten adressieren und zusammenführen.
Auf internationaler Ebene ist die in Freiberg etablierte und in zweijährigem Turnus stattfindende Internati-
onal Freiberg Conference on Electrochemical Storage Materials (EStorM) ein wichtiges Vernetzungsinstru-
ment. Weitere wichtige internationale Vernetzungsaktivitäten ergeben sich durch bilaterale Auslandspro-
jekte oder Stipendien für einen Mitarbeiteraustausch. Beides ist noch ausbaufähig. Ganz wesentlich sind
ebenso aktive Teilnahmen an fachlich einschlägigen Konferenzen, Tagungen und Workshops.
Auf nationaler Ebene sind Teilnahmen an äquivalenten Veranstaltungen wichtig, beispielsweise im Rahmen
der Aktivitäten der Deutsche Gesellschaft für Kristallographie e.V., der Deutsche Physikalische Gesellschaft
e.V. oder des Kompetenznetzwerks Lithium-Ionen-Batterien e.V.
Auf regionaler Ebene ist die Zusammenarbeit im Rahmen des Energy Saxony e.V. Netzwerks sowie von
Verbundprojekten (Projektpartner verschiedener Forschungseinrichtungen und Unternehmen) bedeutend.
Weitere wichtige Aktivitäten sind gemeinsame Veröffentlichungen, Patente und Projektanträge (Sachsen,
Bund, EU) mit Experten auf dem jeweiligen Gebiet.
Das Freiberger Netzwerk umfasst Kontakte in die Länder Belgien, Frankreich, Großbritannien, Israel, Italien,
Russland, Singapur, Spanien und USA und bezieht auch Initiativen wie das Materials Project mit ein.
75
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Thematisch sehr breit gefächert
Zahlreiche starke Hochschulen und
außeruniversitäre Forschungseinrich-
tungen
Starkes Interesse an Vernetzung
Hohe Expertise und Kompetenz in der
Materialforschung, sowohl in theoreti-
scher als auch experimenteller Hinsicht
Guter internationaler Ruf von Sachsen
Noch steigerbare Transferaktivitäten von
Universitäten
Langfristfinanzierung für schwierige
neuartige Technologieentwicklungen (3
Jahre)
Zu wenig finanzstarke größere Unter-
nehmen (insbesondere in der Zellferti-
gung) für langfristige FuE-
Partnerschaften. KMU (typisch für Sach-
sen) können meist nur zeitlich und finan-
ziell begrenzt Partnerschaften eingehen,
sind an kurzfristiger Verwertung interes-
siert
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Folgende Zukunftstrends sind zu erkennen:
Post-Lithium-Konzepte
Hochvalente-Ionen-Batterien (Magnesium, Kalzium, Aluminium)
Metallanoden
Feststoffelektrolyte
Feststoffbatterien
Dünnschichtbatterien
Insbesondere sind Feststoffsysteme im Betrieb sicherer, es können höhere Zellspannungen angewendet und
Degradationsprozesse wie Dendritenwachstum oder Verdunstung von Flüssigelektrolyt vermieden werden.
Durch Nutzung von Metallanoden und Nicht-Lithium-Systemen ist Feuchtigkeit während der Produktion
zudem ein weniger wichtiges Thema. Insbesondere bieten oben genannte Trends das Potential für revoluti-
onäre statt evolutionäre Fortschritte (z.B. im Bereich der Kapazitätsdichten). Damit sind vielfältige Paten-
tierungsaktivitäten möglich, z.B. von Technologien, Fertigungsverfahren oder spezifischen Anwendungen,
die dann die Sicherung des Verwertungspotentials gewährleisten.
Feststoffelektrolyte haben das Potential, dass sie auch für Sensoren oder zum Recycling von Stoffgemi-
schen zur Wiedergewinnung seltener/teurer Rohstoffe (cradle-to-cradle) eingesetzt werden können. Das
breite Anwendungsspektrum dieser Materialien sichert eine besonders nachhaltige Forschung: Anschluss-
fähigkeit und Diversifizierung.
Generelle Treiber sind stationäre Energiespeicher, die Elektromobilität aber auch das „Internet der Dinge“.
Daneben sind auch Effizienzerhöhungen von Industrieprozessen, die einen hohen Strombedarf haben, Trei-
ber für die Erforschung von elektrochemischen Energiespeichern.
Alle oben genannten Themen haben einen mittel- bis langfristigen Zeithorizont, da an einem neuen bzw.
jungen Forschungs- und Entwicklungsstand (5-10 Jahre) angeknüpft wird.
Ein für die Stärkung des Transfers großer Erfolg ist die Förderzusage für Saxony5, den Transferverbund von
fünf sächsischen Hochschulen, die vom BMBF und dem SMWK über fünf Jahre bei ihren Kooperationsakti-
vitäten über das Programm „Innovative Hochschule“ unterstützt werden.
76
3.4.2.7
Energieeffizienz in der Produktion
Der starke Ausbau erneuerbarer Energien führt zu Herausforderungen, aber auch zu Chancen für neue Ge-
staltungsoptionen. Die Beherrschung der zunehmenden Volatilität in der Energieerzeugung und -verteilung,
in der Energienachfrage und damit auch bei den Energiepreisen ist nur durch grundlegende Veränderungen
in der Energiewirtschaft und des damit verbundenen Energiesystems zu meistern. Zusätzlich ist eine enge
Kooperation mit Produktionsunternehmen nötig.
Bisher lag der größte Teil genutzter Primärenergie bereits gespeichert vor und konnte in den produzierenden
Unternehmen bedarfsgerecht „freigesetzt“ werden. Die industrielle Produktion konzentrierte sich daher vor-
rangig auf die Erreichung einer höheren Energieeffizienz, sodass die Senkung des Energieverbrauchs im
Fokus vieler Konzepte stand – und sich darauf beschränkte. Handlungsoptionen zur Anpassung des produkti-
onsbedingten Lastverlaufs industrieller Verbraucher, mögliche Synergieeffekte der Dezentralität bis hin zu
Herausforderungen für Produktionsbetriebe als Teilnehmer am Energiemarkt in zukünftigen Smart-Grids
werden aktuell hingegen nahezu nicht genutzt. Die Entwicklung von Lösungen, die eine Kompatibilität des
zukünftigen Energiesystems und der industriellen Produktion unterstützen und befördern, insbesondere für
die industrielle Produktion im Mittelstand, sind als enorm wichtig und zukunftsträchtig einzustufen.
Mit Blick auf zu erwartende Multiplikations- bzw. Long-Tail-Effekte bei der Energienutzung sind insbeson-
dere die zahlreichen – für den Wirtschaftsstandort Deutschland immens wichtigen – kleinen und mittelstän-
dischen produzierenden Unternehmen (KMU) mit oft auch nur geringeren Energiebedarfen zu berücksichti-
gen. Hier liegt wesentliches Potential für Innovation. Aufgrund der Komplexität muss gerade der Mittelstand
durch eine anwendungsorientierte Forschung und die gezielte Migration neuer FuE-Ansätze und -Ergebnisse
zielorientiert unterstützt werden. Die zentralen Ziele dabei sind ein effizienter und sicherer Netzbetrieb bei
hohen Anteilen erneuerbarer Energien sowie das effiziente und sichere Zusammenspiel aller Akteure im
intelligenten Energienetz durch eine dezentrale Optimierung des Einsatzes erneuerbarer Energien. Durch die
Synchronisation vor Ort erzeugter Energien und dem zur Produktion notwendigen Energiebedarf werden der
Bezug und der Transport erneuerbarer Energien zum Bedarfsort vermindert. Zusätzlich sinkt die Menge der
in das Verteilernetz eingespeisten Energie, was wiederum zu einer Entlastung des Stromnetzes führt und den
Netzausbaubedarf auf Verteilnetzebene reduziert.
Aktuell verfügbare technologische Prozesse und die zu deren Durchführung eingesetzten Produktionssyste-
me sind nur bedingt in der Lage, die Anforderungen an ein zukünftiges innovatives Energiesystem zu erfüllen,
um Bedarfen an Flexibilität entsprechen zu können. Im Fokus steht daher eine ganzheitliche Betrachtung
kompletter Produktionssysteme. Zu berücksichtigen ist die Sicherstellung der Interoperabilität in der produk-
tionsnahen Informationstechnologien, die Realisierung einer Echtzeitfähigkeit zur schnellen Bereitstellung
benötigter Informationen an die Nutzer und die Netzwerkfähigkeit – und damit die Erweiterung des Blick-
felds – von einem Unternehmen auf Verbünde von Standorten oder Unternehmen.
Mit Blick auf die KMU ist dabei besonderes Augenmerk auf die Digitalisierung, im Sinne der praktischen
Vernetzung von Energiequellen, -senken und -speichern auf sowohl elektrotechnischer als auch auf infor-
mationstechnischer Ebene, zu legen. Denn nur durch die konsequente Vernetzung und (teil-)automatische
Steuerung/Regelung aller beteiligten Subsysteme können energetische Bedarfe entsprechend des Produkti-
onsprogramms, ausreichend genau geplant und gegebenenfalls die damit entstehenden Flexibilitätspotentia-
le mittels der Integration von Energiespeichern besser genutzt werden. Eine kurzfristige Anpassung an die
vorhandenen Energieversorgungskapazitäten wird erst dadurch ermöglicht.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Die Akteure der industriellen Produktion und der Produktionsforschung sind vielfältig vernetzt. Aktuell
bestehen sowohl regionale, nationale als auch internationale Forschungsnetzwerke mit unterschiedlichen
technischen und technologischen Schwerpunkten. Innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft ist das Fraunhof-
er-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (Fraunhofer IWU) als Leitinstitut für die Ressour-
ceneffiziente Produktion in der Fraunhofer-Gesellschaft über profilbildende Leitprojekte sowie die Mitar-
beit in Fraunhofer-Verbünden und -Allianzen mit verschiedenen inhaltlichen Schwerpunkten vernetzt.
Der fachliche Austausch sowie konkrete gemeinsame Forschungsaktivitäten zu ausgewählten Themenbe-
reichen finden in zahlreichen, seit vielen Jahren bestehenden nationalen und internationalen Netzwerken
statt. Trotz der langjährigen, sehr guten Vernetzung aus Sicht der Produktionsforschung haben die Heraus-
77
forderungen der Energiewende hinsichtlich einer Steigerung der Energieeffizienz und der energetischen
Flexibilisierung der industriellen Produktion an relevanten Stellen zu neuen Partnerschaften geführt. Der
intensive Austausch mit den im Energiesystem handelnden Akteuren wie Energieversorger, Netzbetreiber,
Endnutzer und anderen ist notwendig, um ein gemeinsames Verständnis und Lösungen für das zukünftige
Energiesystem zu entwickeln. Regional ist das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umform-
technik (Fraunhofer IWU) seit Dezember 2014 mit verschiedenen Akteuren aus dem Bereich »Energie« im
wirtschaftsorientierten Netzwerk Energy Saxony e.V. verbunden. Insbesondere der vom Fraunhofer-Institut
für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (Fraunhofer IWU) geführte Arbeitskreis »Ressourceneffiziente
Produktion« beschäftigt sich vorrangig mit Aspekten der Energieeffizienz in Produktionsanlagen und -
prozessen, aber auch mit bedarfsgerechter Energieverteilung innerhalb von Produktionsstandorten und -
anlagen.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Viele Technologielieferanten (Energieef-
fizienz im Maschinen- und Anlagenbau,
Energie-Speichersysteme, IT-
Dienstleister etc.)
Vergleichsweise viele Anwender vorhan-
den (Automobilproduktion und Zuliefe-
rer, Maschinen und Anlagenbau, viele
KMU)
Energieforschungslandschaft ist sehr
technologielastig (Photovoltaik, Ther-
mospeicher)
Energiethemen konzentrieren sich mehr
auf Erzeuger/Verteilrolle, sind zu wenig
nutzerbezogen
Internationale Sichtbarkeit noch schwach
– Sachsen wird noch nicht stark genug
als Energieforschungsland wahrgenom-
men
Es fehlen Demonstratoren als sichtbare
Anwenderleuchttürme
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Mit der Zunahme des Anteils erneuerbarer Energien nehmen die Herausforderungen zur Sicherstellung der
Netzstabilität deutlich zu. Der in den letzten Jahren zu verzeichnende rasante Kostenanstieg für Redis-
patch-Maßnahmen (Netzbetreiber Tennet ca. 700 Millionen Euro im Jahr 2014
52
) ist ein Beleg dafür. Bis
zum Jahr 2050 soll der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung von derzeit 29 % auf 80 %
gesteigert werden. Es lässt sich daraus ableiten, dass nicht nur bei Energieerzeugung und -verteilung, son-
dern vor allem auch auf Nutzerseite ein neuer Grad an planbarer Flexibilität notwendig sein wird. Neben
den Sektoren GHD (Gewerbe, Handel, Dienstleistungen), Haushalte und Verkehr verantwortet die Industrie
29 % des bundesweiten Endenergieverbrauchs. Es ergibt sich daraus ein direkter Auftrag zur (Weiter-)
Entwicklung von Lösungen für noch energieeffizientere und -flexible Produktionstechnik. Folgende For-
schungsfragen sind unter anderem zu beantworten:
Wie kann die zunehmende Volatilität in der Erzeugung bei industriellen Verbrauchern – insbeson-
dere KMU – wirtschaftlich nutzbar gemacht werden?
Welche neuen technisch-technologischen und organisatorischen Lösungen sind notwendig, um zu-
künftig eine wirtschaftlich sinnvolle Energienutzung in der industriellen Produktion plan-, steuer-
52
Vgl. FAZ: „Kampf gegen Stromausfälle so teuer wie noch nie“, 17.1.2016,
14018769.html.
78
und regelbar umzusetzen (Digitalisierung von ganzen Produktionsstandorten)?
Was bedeutet Energieflexibilität für den Mittelstand in Bezug auf evtl. notwendige Investitionen in
Ausrüstung (Hardware, Software, Facility)?
Wie ist Energieflexibilität definierbar und wie können Flexibilitätssteigerungsmaßnahmen ökono-
misch bewertet werden?
Welche Daten-/Informationskonzepte sind zu berücksichtigen, um die zum Energiemanagement er-
forderliche Transparenz als Entscheidungsgrundlage bereitzustellen (Digitaler Energetischer Zwil-
ling)?
Was bedeutet die Nutzung bzw. Reaktion auf die Energieflexibilität für den Menschen in der Pro-
duktion? (Welche rechtlichen Rahmenbedingungen sind zu berücksichtigen bzw. anzupassen?)
Abbildung 13: Digitale energetische Verknüpfung von Fabrik und Energiemärkten
Zu entwickelnde Lösungen müssen dabei einzelne Ansätze über die komplette Automatisierungspyramide
abbilden und diese wiederum untereinander verknüpfen (
Abbildung 13
). Das bedeutet, künftig müssen vom
Sensor über die Maschinensteuerungs- und Produktionsplanungs-/Steuerungsebene bis zur Unternehmens-
führung auch energiesensitive Funktionen und Schnittstellen vorhanden sein. Um eine wirtschaftlich sinn-
volle Teilnahme am zukünftigen Energiemarkt sicherzustellen, ist es notwendig, diese Aspekte durchgängig
digital abzubilden und bereits vorhandene Beschreibungen (Modelle) in den einzelnen Ebenen um energeti-
sche Aspekte anzureichern. Dieses Vorgehen ist Voraussetzung dafür, eine Kommunikation »Energiemärkte-
Unternehmen« umzusetzen und zu einem Gesamtmodell zu qualifizieren.
79
Abbildung 14: Die Fabrik als „micro-grid“ im „Smart-grid“ der Zukunft
Aus Sicht der energetisch-wirtschaftlichen Optimierung sind unter anderem folgende technische Lösungs-
ansätze/Zukunftstrends für die Entwicklung von Unternehmen der industriellen Produktion abzuleiten:
Transparenzerhöhung
Durchgängiges Ressourcen-Monitoring zur Erfassung, Analyse und Bereitstellung/Visualisierung von ener-
gierelevanten Daten/Informationen an Produktionsstandorten
Aktives Energiemanagement - Sektorenkopplung in der Fabrik
Unternehmensinterne, gemeinsame Planung/Steuerung/Regelung sämtlicher Energiequellen, -senken, -
speichern und -wandlern aller Energieformen aus allen Unternehmensbereichen (Produktionstechnik, Pro-
duktionsinfrastruktur, Gebäudeinfrastruktur/Leittechnik)
Energiespeicher
Einsatz von elektrischen und thermischen Energiespeichern in verschiedenen Verteilebenen (Maschine,
Anlage, Fabrik)
Produktionsplanung und -steuerung
Nutzung von Methoden zur energiesensitiven Produktionsplanung und -steuerung
Regenerative Energien
Nutzung dezentral erzeugter erneuerbarer Energie direkt am Produktionsstandort
Energiebeschaffung
Wirtschaftlich orientierte Teilnahme von Fabriken am zukünftigen Energiemarkt (»prosumer«)
3.4.2.8
Energieeffizienz in Gebäuden, Industrie und Handwerk, Verkehr und Versorgungsnetzen
Der International Energy Outlook
53
zeigt, dass sich zum einen der Elektroenergiebedarf weltweit verdoppeln
und zum anderen der Anteil von erneuerbaren Energien auf knapp 40 % steigen wird. Das wird entsprechend
der Literaturquelle in den kommenden zwei Jahrzehnten geschehen.
Es entstand in letzter Zeit ein komplett neuer Industriezweig „Technik zur Energieversorgung und für den
Klimaschutz“, der weltweit in nur sieben Jahren seine Umsätze von 30 auf 60 Milliarden Euro verdoppelt hat.
Bis 2020 soll dieser Markt nun sogar weltweit auf deutlich über 400 Milliarden Euro explodieren.
Drei Viertel der Experten, die in der jüngsten Delphi-Studie zum Thema befragt wurden, denken, dass um das
Jahr 2040 herum eine „All Electric Society“ Realität werden kann
54
. Hierfür wird es wichtig, die Überschüsse
53
Vgl. EIA (2016): International Energy Outlook 2016,
aufgerufen am 10.07.2017.
54
Vgl. et Energiewirtschaftliche Tagesfragen: „Sektorkopplung: All Electric Society?“, Autor U. Weidenfeld, Verlag EW
Medien.
80
aus den fluktuierenden regenerativen Einspeisern sinnvoll im Zusammenspiel mit intelligenten Verbrauchern
und Speichern verwerten zu können.
Die Sektorenkopplung übernimmt an dieser Stelle eine zentrale Rolle. Hierbei werden intelligente, steuerbare
Verbraucher notwendig, die auch die überschüssigen Kapazitäten an Sonnen- und Windtagen nutzen und
einen sinnvollen weiteren Zubau von erneuerbaren Energien rechtfertigen. Einige Verbraucher können nur
außerhalb des klassischen Stromsektors gewonnen werden – etwa im Verkehrs- und Wärmesektor. In diesen
Sektoren existieren extrem hohe Potentiale, intelligente Verbraucher wie Elektrofahrzeuge oder Power-to-
Heat-Anwendungen einzubeziehen und zusätzlich die herkömmlichen Klimagase einzusparen. Die Hersteller
versprechen hierfür zum Teil bereits marktreife Technologien.
In Deutschland stehen, vornehmlich auf windreichen Flächen in dünn besiedelten Gegenden, rund 26.000
Windenergieanlagen. Die Energieausbeute im Jahr 2016 lag bei 88 Terawattstunden. Im Jahr 2050 soll laut
Fraunhofer Energiemix-Szenario der Wind (on- und offshore) mit rund 300 Terawattstunden Energie zu
Buche schlagen. Die immer weniger verfügbaren Ausbauflächen bilden künftig jedoch einen Engpass. Aus
heutiger Sicht kann ein massiver Ausbau von regenerativer Energie nur gelingen, wenn der technische Fort-
schritt eine Energiespeicherung ermöglicht und diese wirtschaftlich konkurrenzfähig ist.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Es besteht eine sehr gute regionale, nationale und internationale Vernetzung. Im Rahmen von Aktivitäten
der Akteure im Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. (VDE) Arbeitskreis "Elektri-
sche Energiespeicherforschung Westsachsen“ erfolgt eine wesentliche Vernetzung mit regelmäßigen Tref-
fen und Beratungen regional und national. Weitere Vernetzungsaktivitäten erfolgen im Rahmen der Deut-
schen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (DKE) bzw. der European EMTP Users
Group.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Starke Industrie, insbesondere weit
verzweigte KMU-Landschaft mit einer
Möglichkeit zur Produktanpassung auf
zukünftige Märkte
Hochmotivierte, leistungsfähige und gut
vernetzte Forschungseinrichtungen
(Hochschulen, Fraunhofer etc.)
Oftmals noch Unterschätzung des wis-
senschaftlichen Potentials der Hochschu-
len für angewandte Wissenschaften
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Der größte Zukunftstrend scheint die „All Electric Society" zu sein. Dieser Begriff steht für eine komplette
Umstellung auf eine „vollelektrische Gesellschaft" bis zum Jahr 2040. Die heutigen Trends, welche uns dort
hinführen, sind die Energiewende, die Elektromobilität, die Sektorenkopplung, Industrie 4.0 und Wohnen
etc.
Zur Realisierung von Null-Emissions-Quartieren wird zukünftig zwingend die Sektorenkopplung benötigt.
Hierfür sind hocheffiziente Speichertechnologien und die Kombination elektrischer und thermischer Ge-
samtkonzepte erforderlich. Energieeffiziente und sozialgerechte Quartiersentwicklungen sind vor dem
Hintergrund aktueller Megatrends (Klimawandel, demografische Entwicklung etc.) für den besonders vul-
nerablen Wohnungsmarkt ein Kernthema. Der urbane Raum mit seinen Quartieren, Gebäuden und (Ener-
gie-) Infrastrukturen zählt zudem zu den wichtigsten Verursachern des Klimawandels.
81
Es gilt, die Bezahlbarkeit des Wohnens mit neuen Technologien und wirtschaftlich tragfähigen Konzepten
sowie sozialwissenschaftlichen Methoden nachhaltig zu sichern. Zudem müssen Wohnungen seniorenge-
recht ausgestattet sein (Ambient Assisted Living (AAL)). Nur mithilfe neuartiger Konzepte und Systeme, die
auf Quartiersebene definiert, geplant und demonstriert werden, können diese Ziele erreicht werden.
Bisher werden Quartiere meist zentral mit elektrischer Energie und zum Teil mit Wärme versorgt. In den
letzten Jahren gab es hier bereits ein Umdenken. Es wurden Ansätze zur Dezentralisierung verfolgt. Zahl-
reiche Anlagen zur Erzeugung von regenerativer Energie, wie z. B. PV-Anlagen für die elektrische Versor-
gung oder solarthermische Anlagen für die Wärmeversorgung, wurden installiert.
Die sich daraus ergebende Herausforderung ist die notwendige Energiespeicherung vor Ort. Für eine ziel-
führende Energiespeicherung müssen elektrische und thermische Energiespeichersysteme zusammen fun-
gieren. Neue Entwicklungen müssen diesen Markt erschließen. Erst mit einer geeigneten, wirtschaftlichen
Variante der Energiespeicherung wird die Energiewende, die "All Electric Society", die Elektromobilität und
schlussendlich die Sektorenkopplung gelingen. Die Industrie 4.0 ist ein weiterer großer Zukunftstrend, in
dem industrietaugliche, intelligente Komponenten zum Teil erst entwickelt und eingesetzt werden müssen.
Auch die hiermit verbundene Vernetzung der Geräte und der Sektoren und die einhergehende Digitalisie-
rung sind zukünftige Trends mit enormem Transferpotential. Vor allem die Etablierung von Leuchtturmpro-
jekten und von Modellregionen zur praxisorientierten Energieforschung sollte in Sachsen weiter forciert
werden.
3.4.3 Systemorientierte Energieforschung und Querschnittsthemen
3.4.3.1
Gesellschaftliche Transformation und Digitalisierung der Energielandschaft
Das Themenfeld „Gesellschaftliche Transformation und Digitalisierung der Energielandschaft“ führt zunächst
von der isolierten Betrachtung von einzelnen Energietechnologien zu einer übergreifenden Betrachtung, um
insbesondere die Systemrelevanz von Technologien analysieren zu können. Darüber hinaus wird im Rahmen
des Forschungsfelds die gesellschaftliche Perspektive als Bewertungskriterium für Energiesysteme eingeführt,
da sich diese zu einem kritischen Erfolgsfaktor für technologische Neuerungen im Energiesystem entwickelt
hat. Zur gesellschaftlichen Dimension gehören insbesondere Fragen der Wirtschaftlichkeit, der Umweltver-
träglichkeit, der Versorgungs-, Entsorgungs- und Betriebssicherheit sowie der sozialen Akzeptanz.
Zur erfolgreichen Gestaltung der Energiewende werden eine Vielzahl von Optionen, z. B. Smart Grids, Ener-
gieeffizienz oder Speicherlösungen, in der deutschen sowie sächsischen Forschungslandschaft diskutiert und
entwickelt. Viele dieser Optionen ergänzen sich, jedoch stehen einige auch in direkter systemischer und/oder
wirtschaftlicher Konkurrenz zueinander. Die Energiesystemanalyse kann an dieser Stelle Entscheidungen in
der sächsischen Energiepolitik und Energieforschung im Hinblick auf Technologiewahl und Infrastrukturaus-
bau wissensbasiert und systematisch unterstützen. Darüber hinaus sind es nicht mehr nur die technisch-
physikalischen sowie ökonomischen Herausforderungen, die es bei der Transformation des Energiesystems zu
bewältigen gilt, denn immer mehr rücken für eine erfolgreiche Umsetzung von Großprojekten auch gesell-
schaftliche Aspekte wie Akzeptanz in den Vordergrund. In der Konsequenz gilt es, gesellschaftliche Aspekte
sowohl bei der Wahl von Transformationspfaden als auch bei der Einführung von Technologieoptionen zu
berücksichtigen.
Neben der Bewertung von Technologien und Systemlösungen aus sozio-techno-ökonomischer Sicht stellt
sich zunehmend die Frage nach der Fortentwicklung des Designs der Energiemärkte mit dem Ziel, die Versor-
gungssicherheit auch bei einem hohen Anteil der erneuerbaren Energien aufrecht zu erhalten.
Die Oberkategorie „Digitalisierung der Energielandschaft“ umfasst IT-gestützte Systemlösungen zur Unter-
stützung des Entwurfs, des Aufbaus, der Wartung und des Betriebs von Energieversorgungssystemen sowie
der dazugehörigen energiewirtschaftlichen Prozesse (z.B. im Bereich der Erzeugung, des Großhandels (Tra-
ding und Risikomanagement), des Vertriebs (Geschäftsmodelle, Marketing und Customer-Relationship-
Management), des Netzmanagements und der energienahen Dienstleistungen). Hierzu gehören Mess- und
Regelungseinrichtungen (z. B. „Smart Meter“) zum Monitoring und Steuern dezentraler Anlagen zur Energie-
bereitstellung, zum Energietransport, zur Energiespeicherung und zur Energienutzung, ebenso wie Kommu-
nikationsprotokolle und Softwaresysteme (z.B. Plattformen) zur sicheren Vernetzung der genannten Bereiche.
In räumlicher Hinsicht reichen die Forschungsgegenstände von Smart Home Anwendungen über Mieter-
strommodelle, Microgrids für Industrieanlagen bis hin zu virtuellen Kraftwerken und Softwarelösungen für
82
die Energiebörsen. Ein zusätzlicher Innovationsschub für die Energiewirtschaft wird durch neuartige digitale
Lösungen aus dem Finanzsektor auf Basis der Blockchain-Technologie erwartet. Neben Energiewirtschaftlern
und Softwareanbietern müssen in diesem Feld Spezialisten aus dem Bereich der Regulierung und der Daten-
sicherheit zusammenarbeiten.
Die Digitalisierungsstrategie des Freistaates Sachsen
55
„Sachsen Digital“ erkennt an, dass der Vernetzung von
Energie- und Datennetzen eine zentrale Bedeutung bei der Gestaltung des Energiesystems der Zukunft zu-
kommt. Die Beherrschung der Volatilität im Energieangebot, in der Energienachfrage und damit auch bei
den Energiepreisen ist nur durch grundlegende Veränderungen in der Energiewirtschaft und des Energiesys-
tems mit allen seinen Beteiligten zu meistern. Zusätzlich zu den bekannten Herausforderungen der Energie-
wende stehen Energieversorgungsunternehmen (EVU), Netzbetreiber und wesentliche Energienutzer, wie
zum Beispiel die industrielle Produktion, aktuell mit der Digitalisierung vor einer weiteren fundamentalen
Umwälzung, die sowohl deren interne Prozesse als auch Geschäftsmodelle insgesamt und grundlegend ver-
ändern wird. Innovative Dienstleistungen und automatisierte Geschäftsprozesse erfordern gleichwohl einen
besonderen Schutz – die digitale Souveränität aller Akteure muss gewahrt bleiben. Während sich das EVU-
Geschäft durch den steigenden Anteil „grünen“ Stroms wandelt, verändern sich zeitgleich Marktstrukturen
und Kundenbeziehungen.
Aufgrund der exzellenten Forschungslandschaft und der Erfahrung als Energieregion einerseits und der äu-
ßerst agilen IT-Start-up-Szene andererseits ist Sachsen prädestiniert, die Digitalisierung der Energiewirt-
schaft aktiv zu gestalten und Akzente mit bundes- und europaweiter Ausstrahlung zu setzen.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Zu den wichtigen Akteuren im Bereich des Forschungsfeldes „Systemanalytische Bewertung im gesell-
schaftlichen Kontext“ gehören das Deutsche Biomasseforschungszentrum (DBFZ), das Helmholtz-Zentrum
für Umweltforschung – UFZ, das Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement der Universität
Leipzig (mit den Professuren für „Bioenergiesysteme“, „Energiemanagement und Nachhaltigkeit“ und „In-
stitutionenökonomische Umweltforschung“ sowie der Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft), das
Leipziger Institut für Energie GmbH und die Professur für Betriebswirtschaftslehre, insbesondere Energie-
wirtschaft der TU Dresden.
Durch gemeinsame Berufungen besteht eine besonders enge Vernetzung des Instituts für Infrastruktur und
Ressourcenmanagement der Universität Leipzig (IIRM) mit dem UFZ und dem DBFZ. Regional betrachtet,
arbeiten die Akteure im Netzwerk Energie- und Umwelt e.V. (Leipzig), im Mitteldeutschen BioEconomy
Spitzencluster des BMBF und im wissenschaftlichen Beirat der 50Hertz Transmission GmbH zusammen.
Zu den wichtigen Akteuren im Bereich der „Digitalisierung der Energielandschaft“ gehören neben For-
schungsinstitutionen (z.B. der Forschungsstelle für Kommunale Energiewirtschaft und der Professur für
Energiemanagement und Nachhaltigkeit am Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement (IIRM)
der Universität Leipzig, den Professuren des Instituts für Wirtschaftsinformatik der Universität Leipzig, dem
Institut für Angewandte Informatik (INFAI) e.V., der Professur für Smart Diagnostik und Online Monitoring
der HTWK Leipzig) insbesondere die European Energy Exchange (EEX), innovative Unternehmen im Bereich
der Direktvermarktung bzw. Betreiber von Virtuellen Kraftwerken sowie mehrere namhafte Softwareunter-
nehmen und Anbieter von IT-bezogenen Branchenlösungen im energiewirtschaftlichen Bereich (Arvato
Systems Bertelsmann, EXXETA GmbH, GET AG etc.).
An der Hochschule Mittweida finden im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben zur Blockchain-
Technologie auch wichtige Arbeiten zu den Themen Energietechnik- und Umweltmanagement statt.
Darüber hinaus besteht im Bereich der interdisziplinären Zusammenarbeit eine Vernetzung mit dem Boysen
Graduiertenkolleg in Dresden, welches sich mit unterschiedlichen Fragestellungen zum Umweltschutz
beschäftigt. Regionale Kontakte, insbesondere in Ostsachsen, sowohl mit Bezug zur Digitalisierung aber
auch der systemanalytischen Bewertung bestehen zu regionalen Energieversorgern und -verteilern wie
beispielsweise der ENSO AG oder der DREWAG GmbH.
55
Vgl. SMWA (2016): Digitalisierungsstrategie des Freistaats Sachsen, Herausgeber: SMWA, Referat 41 – Industrie,
https://publikationen.sachsen.de/bdb/artikel/25926
, aufgerufen am 15.03.2018.
83
Innerhalb der Forschungsinstitutionen besteht ein produktiver Dreiklang zwischen den Professuren für
betriebliche Umweltökonomie und elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik sowie der
Professur für Energiewirtschaft der TU Dresden. Die Professuren setzen sich mit einem breiten Spektrum an
gesellschaftlichen und technischen Bewertungskriterien auseinander. In diesem Zusammenhang ist auch
das Zentrum für Nachhaltigkeitsbewertung und -politik (PRISMA) zu erwähnen, welches sich der Fragestel-
lung nach einer ökonomisch erfolgreichen und ökologisch sowie sozial verträglichen langfristigen Entwick-
lung unter Berücksichtigung räumlicher und zeitlicher Begebenheiten mit innovativen, interdisziplinär
entwickelten Bewertungsansätzen widmet und eine herausragende Vernetzung zu Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftlern der TU Dresden wie auch Partnereinrichtungen vorweisen kann. Hinzu existiert eine
Vielzahl an Kooperationen zu Themen der Digitalisierung an der TU Dresden, sowohl zu Professuren in der
Wirtschaftsinformatik als auch in der Informatik.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Hohes Gewicht der Ingenieurswissen-
schaften an sächsischen Hochschulen und
außeruniversitären Forschungseinrichtun-
gen
Hohe umweltwissenschaftliche Expertise
zur Erforschung der umweltbezogenen
Begleitaspekte der Energiewende am
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
– UFZ
Innovative sächsische Technologieunter-
nehmen
Innovative energiewirtschaftliche Start-
ups im Umfeld der European Energy
Exchange (EEX) in Leipzig – einem der
führenden Energiehandelsplätze in Europa
– sowie der Verbundnetz Gas VNG AG –
einem der umsatzstärksten Unternehmen
in den neuen Ländern
Vereinzelt interdisziplinare Forschungs-
plattformen
Konzentration auf technologische Ent-
wicklung und ingenieurwissenschaftli-
che Forschung
Isolierte Betrachtungen zur Potenti-
alermittlung
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Das Forschungsfeld „Gesellschaftsverträgliche Transformation des Energiesystems“ umfasst insgesamt die
drei Kernpunkte bzw. -elemente Energiesystemanalyse, Technologiebewertung und Umsetzungsanalyse, die
sowohl aufeinander aufbauend als auch isoliert voneinander betrachtet werden können. Die dazugehörigen
Forschungsfragen können ebenfalls entsprechend gegliedert werden:
Energiesystemanalyse
Welche Technologien werden in welchem Umfang und zu welchem Zeitpunkt benötigt?
Welche Auswirkung haben Technologien im System auf Versorgungssicherheit, Umwelt und Gesell-
schaft?
Ziel der Energiesystemanalyse ist es, technologische Alternativen im Konkurrenzverhältnis unter Berück-
84
sichtigung der gesellschaftlichen Perspektive zu analysieren. Dabei können vor allem die folgenden Unter-
suchungsfelder besondere Relevanz für den Freistaat Sachsen haben:
In zukünftigen Energiesystemen ist vermehrt Flexibilität notwendig, um angebotsabhängige
Schwankungen der Einspeisung aus erneuerbaren Energien auszugleichen. Auch in Sachsen wird an
verschiedenen Technologieoptionen, wie dezentralen Energiespeichern oder Power-to-X-
Anwendungen, geforscht bzw. werden diese bereits entwickelt. Unter Berücksichtigung technischer
und ökonomischer Charakteristika gilt es, die Optionen in Konkurrenz zueinander systemperspekti-
visch zu untersuchen. Für eine umfassende Bewertung müssen außerdem gesellschaftliche Aspekte
wie die Flächeninanspruchnahme berücksichtigt werden.
Der Freistaat Sachsen verfügt über ein signifikantes Potential zur Elektrizitätserzeugung aus Wind-
kraft, Photovoltaik sowie Biogas aus landwirtschaftlicher Biomasse. Im Rahmen der Systemanalyse
ist es möglich, diese Potentiale regional hoch aufgelöst zu erfassen und im Konkurrenzverhältnis
zueinander auf Basis des aktuellen Energieversorgungssystems zu bewerten. Auch hier ist eine sozi-
oökonomische Bewertung von Flächen für bestimmte Technologien Teil der Energiesystemanalyse.
Ein steigender Anteil von erneuerbaren Energien im Elektrizitätsversorgungssystem bedeutet auch
zusätzliche Herausforderungen für die Systemsicherheit. Die systemanalytische Betrachtung der
verschiedenen Teilmärkte für Strom (Future, Day-Ahead, Intraday, Regelenergie) sowie des Bedarfs
an weiteren Systemdienstleistungen, z. B. Blindleistung und deren Interaktion, erlaubt die Bestim-
mung von Risiken für die Versorgungssicherheit sowohl auf nationaler als auch auf regionaler Ebe-
ne in Sachsen.
Technologiebewertung
Sind einzelne Technologien passfähig zu vorhandenen Systemen (technologisch, ökonomisch, recht-
lich, politisch und gesellschaftlich)?
Während im Rahmen der Energiesystemanalyse einzelne technologische Alternativen auf einem ver-
gleichsweise hohen Aggregationslevel in direkter Konkurrenz untersucht werden, werden bei der Technolo-
giebewertung einzelne Alternativen im technischen, wirtschaftlichen, regulatorischen sowie gesellschaftli-
chen Spannungsfeld in höherer Detailtiefe analysiert. Um die technischen, wirtschaftlichen, gesellschaftli-
chen und rechtlichen Herausforderungen einzelner Technologien zu analysieren, können folgende sechs
Analyseschritte herangezogen werden, die ein interdisziplinäres Vorgehen erfordern:
Technologische Bewertung von Umweltauswirkungen und Risiken
Volkswirtschaftliche Bewertung (auf Basis der Energiesystemanalyse)
Ökonomische Analyse aus Investorenperspektive auf Basis von Cashflow-Rechnungen
Analyse rechtlicher Vorgaben auf verschiedenen Ebenen (EU, Bundes- und Landesebene)
Identifizierung politischer Hemmnisse auf Basis einer Akteursanalyse
Bewertung gesellschaftlicher Akzeptanz mit empirischen Methoden
Dieses Vorgehen eignet sich einerseits zur isolierten und vergleichenden Bewertung von Technologieoptio-
nen, die aktuell in Sachsen erforscht bzw. entwickelt werden, und andererseits zur Identifizierung und
Bewertung von Technologien, die derzeit noch nicht im sächsischen Forschungsportfolio enthalten sind.
Umsetzungsanalyse
Wie müssen Rahmenbedingungen ausgestaltet sein, damit neue Technologien effizient und sozial-
verträglich eingeführt werden können?
Wie kann die Einführung vor Ort im Rahmen von Energiekonzepten unterstützt werden?
Wie müssen erfolgreiche Kommunikations- und Beteiligungsprozesse gestaltet werden?
Exemplarisch für Sachsen können bezüglich der Umsetzungsanalyse folgende Herausforderungen themati-
siert werden:
In den kommenden Jahren ist ein substantieller Netzausbau in Deutschland notwendig, welcher re-
gional jedoch unterschiedlich stark ausfällt. Aufgrund der gegenwärtigen Wälzungsvorschriften für
Netzausbaukosten führt dies zu abweichend hohen Netznutzungsentgelten für Endkunden in un-
terschiedlichen Regionen. Daraus entstehende Verteilungseffekte können sowohl zu Akzeptanz-
85
problemen als auch zu regionalen Wettbewerbsnachteilen führen. Modellgestützte Umsetzungs-
analysen können Auswirkungen von alternativen Wälzungsmechanismen und deren regionaler Ef-
fekte analysieren.
Insbesondere für Regionen in Sachsen, die bisher von der Elektrizitätserzeugung aus Braunkohle geprägt
sind, bedeutet die Entwicklung hin zu einem steigenden Anteil Erneuerbarer Energien einen zu gestalten-
den Strukturwandel. Im Rahmen der Umsetzungsforschung sind dabei Maßnahmen zur Gestaltung des
Strukturwandels zu entwickeln.
Ein zentraler Zukunftstrend bei systemanalytischen Bewertungen von Energieversorgungssystemen stellt
die Erweiterung sowie Kopplung von Modellansätzen dar, z.B. die Erweiterung von Systemgrenzen (regional
bzw. hinsichtlich Energieträger), die Verknüpfung von Markt- und Netzmodellen oder die Kopplung von
Energiesystemmodellen mit makroökonomischen Modellen.
Daneben gewinnen interdisziplinäre Ansätze in der Energiesystemmodellierung weiter an Bedeutung, die
neben technischen Restriktionen auch gesellschaftliche Aspekte berücksichtigen.
Zu den Zukunftsthemen im Forschungsfeld „Digitalisierung der Energielandschaft“ gehören kurz- und mit-
telfristig insbesondere Fragestellungen zur Umsetzung des Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende
(Smart-Meter-Rollout und damit zusammenhängende Fragen der technischen Umsetzbarkeit, der Wirt-
schaftlichkeit sowie der Datensicherheit). Von besonderem Interesse ist in diesem Zusammenhang die
Frage der Nützlichkeit der im Rahmen des Smart-Meter-Rollouts gesammelten Big-Data-Informationen für
Energieversorger, Netzbetreiber und Dienstleistungsanbieter. Die Hebung von zeitabhängigen Flexibilitäten
im Bereich des Lastmanagements erfordert im industriellen Bereich die Verknüpfung von energiewirt-
schaftlichen Informationssystemen mit innerbetrieblichen Systemen des Energiemanagements und der
Produktionsplanung. Im Bereich der Haushalte ergibt sich eine entsprechende Notwendigkeit in Bezug auf
Smart Home Anwendungen.
Durch die Energiewende steigt mittel- und insbesondere langfristig der Bedarf an Flexibilität im deutschen
Stromversorgungssystem. Diese Flexibilität muss mit zunehmendem Grad der Dekarbonisierung im
Stromsektor verstärkt auch dezentral bereitgestellt werden. Bereits heute gibt es Regionen, insbesondere in
der Regelzone von 50Hertz, mit großen Gebieten ohne nennenswerte konventionelle Kraftwerksleistung. In
diesem Zusammenhang waren in den letzten Jahren steigende Redispatch-Volumina und Redispatch-
Kosten sowie eine ansteigende Anzahl von Ereignissen zu verzeichnen, die nach § 13 Abs. 2 EnWG auf
Anweisung von Übertragungsnetzbetreibern oder Verteilnetzbetreibern zu einer Abregelung von Anlagen
zur Nutzung Erneuerbarer Energien geführt haben. Eine zusätzliche Problemstellung ergibt sich für dezent-
rale energietechnische Anlagen, die in einem engpassbehafteten Verteilnetz als Teil eines virtuellen Kraft-
werks Regelleistung erbringen sollen.
Die Frage wie regionale Märkte aussehen müssen, die es angebots- und nachfrageseitigen Flexibilitäten im
Energieversorgungssystem im Verbund mit Stromspeichern und Power-to-X-Anlagen (z. B. Power-to-Heat,
Power-to-Gas, Power-to-Battery, Power-to-Liquid) nicht nur erlauben, marktdienlich (z. B. durch Direkt-
vermarktung an der Börse) oder systemdienlich (z. B. aggregiert zu einem am Regelenergiemarkt agieren-
den virtuellen Kraftwerk) eingesetzt zu werden, sondern auch netzdienlich, gehört zu den großen Heraus-
forderungen im Kontext eines weiter voranschreitenden Ausbaus der fluktuierenden erneuerbaren Energien.
Die zu lösenden Aufgaben betreffen energiewirtschaftliche Fragen in Bezug auf das Design der regionalen
Flexibilitätsmärkte ebenso wie regulatorische Fragen zu deren Vereinbarkeit mit übergeordnetem
(EU-)Recht.
Der Übergang vom Smart Grid hin zu digital gekoppelten Infrastruktursystemen für die Bereitstellung von
Energie und Wasser sowie Entsorgung von Abwasser und Abfall ist informationstechnisch eine Herausfor-
derung. Daran schließt sich die Entwicklung von urbanen Strukturen im Sinne von Smart-City-Ansätzen an,
für die die Digitalisierung der Energielandschaft als Blaupause dienen kann.
3.4.3.2
SINTEG - Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende
Mit der zunehmenden und gewünschten Einspeisung dezentraler, regenerativer Erzeugungsanlagen ergibt
sich eine Vielzahl von Herausforderungen, wenn auch in Zukunft Netzstabilität und Versorgungssicherheit
gewährleistet bleiben sollen. Da die Volatilität der Stromeinspeisung zunimmt, ist bei den Abnehmern immer
86
stärker Flexibilität gefragt, um Netzengpässen vorzubeugen. Zudem sind intelligente Netze und Steuerungs-
mechanismen für die Energieversorgung der Zukunft unerlässlich, da durch die steigende Zahl der Akteure,
die gleichzeitig immer vielfältigere Aufgaben erfüllen, der Komplexitätsgrad des Energiesystems enorm
wachsen wird. Dadurch ergibt sich auch ein Bedarf nach neuen Marktmechanismen und überarbeiteten
Vergütungskonzepten für Erzeuger und Anbieter von Flexibilitäten und Regelleistung.
Um für diese Herausforderungen realisierbare, systemorientierte Konzepte zu entwickeln, fördert das Bun-
desministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programms SINTEG („Schaufenster intelligente
Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“) fünf Schaufensterregionen, in denen Forschungseinrich-
tungen und Industrieunternehmen gemeinsam skalierbare Musterlösungen entwickeln und demonstrieren
werden. Der Schaufenstercharakter ist dabei ein wichtiger Bestandteil des Projekts, um einerseits Aufmerk-
samkeit für die erarbeiteten Lösungskonzepte zu schaffen und andererseits einen Beitrag zur Akzeptanzför-
derung und Veranschaulichung der Energiewende zu leisten. Im Dezember 2016 sind die fünf Schaufenster-
projekte C/sells, Designetz, enera, NEW 4.0 und WindNODE angelaufen. Insgesamt werden sie vier Jahre lang
mit über 200 Millionen Euro vom BMWi unterstützt.
WindNODE, das Schaufenster für intelligente Energie aus dem Nordosten Deutschlands, umfasst als Modell-
region die Länder Berlin, Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern, Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen.
Mit über 70 Projektpartnern ist es eines der größten Schaufenster in SINTEG und bildet als Gesamtsystem
alle Dimensionen einer kompletten Übertragungsnetzbetreiber-Regelzone ab – von Gegenden mit spärlicher
Besiedelung und sehr hoher regenerativer Einspeisung bis hin zu lastintensiven Industriestandorten und
städtischen Gebieten. Da die regenerative Stromerzeugung innerhalb der Region schon heute etwa 42 % des
Verbrauchs entspricht, eignet sie sich hervorragend, um Konzepte für eine auf regenerativer Erzeugung ba-
sierenden Energiewirtschaft zu entwickeln.
Die Herausforderungen der Energiewende werden in WindNODE umfänglich adressiert: In neun Arbeitspake-
ten widmen sich die Projektpartner der Hebung von Flexibilitäten in Gewerbe, Industrie und Wohnquartieren,
dem netzdienlichen Betrieb regenerativer Erzeugungskapazitäten und ihrer Möglichkeiten zur Systemdienst-
leistungsbereitstellung, der Ausgestaltung des Strommarktes 2.0 und der Entwicklung neuer Geschäftsmo-
delle und Vergütungskonzepte. Alternative Maßnahmen zum Netzausbau werden untersucht und Betrach-
tungen des Gesamtsystems hinsichtlich seiner Effizienz und zukünftiger Entwicklungsperspektiven angestellt.
Ein großer Bestandteil des Projektes ist die Anwendung von Sektorenkopplung in verschiedensten Einsatzbe-
reichen. Die als grundlegend verstandene Notwendigkeit der Digitalisierung wird durch die Entwicklung
einer IKT-Vernetzungsplattform erfüllt, die mit standardisierten Schnittstellen die Basis für eine intelligente
Vernetzung innerhalb der Modellregion schafft. Zusätzlich werden umfassende digitale Sicherheitskonzepte
erstellt.
Der Schaufenstercharakter wird durch eine Vielzahl von „besuchbaren Orten“ gefördert, an denen Interes-
sierte einen Einblick in verschiedene Vorhaben des Projekts erhalten können. Außerdem gibt es weitere Be-
strebungen, das Projekt in die Öffentlichkeit zu tragen, wie zum Beispiel eine dauerhafte WindNODE-
Ausstellung oder Ideenwettbewerbe. Das Gesamtziel des Projektes ist es, eine aus technisch umsetzbaren
und wirtschaftlich sinnvollen Maßnahmen bestehende Blaupause für die Umsetzung der Energiewende zu
erstellen.
FAKTENCHECK: Vernetzung und Projekte der WindNODE-Akteure
WindNODE steht unter der Schirmherrschaft der Ministerpräsidenten bzw. des Regierenden Bürgermeisters
der sechs beteiligten Länder. Außerdem wird das Projekt vom Marschall der polnischen Województwo
Lubuskie unterstützt, da es ein Teilvorhaben zur grenzüberschreitenden Systemintegration mit diesem
Verwaltungsbezirk gibt. Die Projektpartner bestehen aus führenden Akteuren der Energiewirtschaft, der
Informations- und Kommunikationstechnikbranche, Forschungseinrichtungen und Energienutzern aus
Industrie, Gewerbe und Privathaushalten. Das Konsortium wird geleitet vom Übertragungsnetzbetreiber
50Hertz, der auch die Projektkoordination übernimmt.
Sachsen ist in WindNODE mit 13 Partnern vertreten. Darunter befinden sich lastintensive Industrieunter-
nehmen, Vertreter der Energiebranche und namhafte Forschungseinrichtungen, die eine Vielzahl unter-
schiedlicher Projekte bearbeiten. Belectric und BMW bringen sich mit zwei verschiedenen Teilvorhaben zu
Batteriespeichern ein, energy2market erweitert den Industriestandard für virtuelle Kraftwerke, Siemens
87
befasst sich mit umfassenden Gesamtsystemanalysen auf der Basis von Lebenszyklusuntersuchungen und
mit der Nutzung industrieller Lastverschiebungspotentiale. Die Landeshauptstadt Dresden beschäftigt sich
in einem Teilvorhaben mit kommunalem Lastmanagement und Energy Saxony ist neben der Projektarbeit
Mitglied des WindNODE-Lenkungskreises.
Im Bereich der Flexibilitätshebung werden das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umform-
technik (Fraunhofer IWU) und die Karosseriewerke Dresden aktiv, die sich im Rahmen von WindNODE mit
intelligenter Lastverschiebung bei industriellen Produktionsprozessen auseinandersetzen. Das Fraunhofer-
Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (Fraunhofer IWU) konzipiert ein umfangreiches Sys-
tem zur Datenerfassung, um Produktionsprozesse realitätsgetreu abbilden zu können, und entwirft an-
schließend ein Energiemanagementsystem zur Synchronisation von Energieangebot und -nachfrage unter
größtmöglicher Nutzung regenerativer Energiequellen. Dieses Energiemanagementsystem wird anschlie-
ßend von ausgewählten Industriepartnern in unterschiedlicher Ausprägung implementiert und demons-
triert, so auch von den Karosseriewerken Dresden. Das Teilvorhaben hat das Ziel, die Kompatibilität zwi-
schen Energiesystem und Produktionsbetrieben zu verbessern und Industriestandorten die Möglichkeit zu
geben, aktive Teilnehmer am Energiemarkt zu werden.
Die Zwickauer Energieversorgung und die Westsächsische Hochschule Zwickau arbeiten gemeinsam mit
SenerTec an einem umfangreichen Konzept für intelligente Wohnquartiere. Im Quartier Marienthal wird
ein funktionstüchtiges Smart Grid auf Niederspannungsebene mit intelligenten Verbrauchseinrichtungen
und steuerbaren Speichereinheiten aufgebaut; außerdem werden zusätzliche Wohnungen mit Smart Home
Komponenten aufgerüstet. Neben der Untersuchung diverser Anwendungsszenarien für Energiespeicher
widmet sich das Teilprojekt außerdem der Entwicklung von Prognoseverfahren und Steuerungsalgorithmen
für die Speichersysteme und das Versorgungsnetz. Zudem wird erprobt, in welcher Form der Energiemarkt
angepasst werden muss, um das volle Potential des intelligenten Quartiers zu nutzen. Für die Öffentlichkeit
werden die Projektergebnisse in einem besuchbaren Ort zugänglich gemacht.
Im Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden werden Möglichkeiten zur weiteren Flexibilisierung der
strombasierten Kälteerzeugung untersucht, insbesondere in der Vakuumflüssigeis-Erzeugung. Diese Tech-
nologie wird erweitert und entsprechende Prototypen entwickelt, die in der Nahrungsmittelindustrie bei
großen Kälteverbrauchern zum Einsatz kommen sollen. Gemeinsam mit Radeberger wird das ILK Anwen-
dungsszenarien untersuchen, um die Speichertechnologie auf die realen Produktionsabläufe abstimmen zu
können und ein marktfähiges Produkt zu entwickeln.
Das Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement der Universität Leipzig beschäftigt sich mit dem
Design eines Strommarktes 2.0, besonders mit der Rolle marktbasierter Instrumente zur Vermeidung ab-
sehbarer Netzengpässe. Dazu sollen konkrete Umsetzungskonzepte für die im Weißbuch des BMWi ange-
führten Maßnahmen geschaffen und die gelbe Ampelphase der BDEW-Ampel ausgestaltet werden. Außer-
dem werden die Partner der anderen Arbeitspakete in Szenarien für die Preisentwicklung am Strom- und
Regelleistungsmarkt eingebunden, um Aussagen über die Wirtschaftlichkeit des Projekts formulieren zu
können. Insgesamt entsteht hier ein Gesamtkonzept für eine rechtskonforme, netzdienliche Einbindung von
regenerativen Erzeugern und Flexibilitäten aller Art sowie konkrete, rechtspolitische Handlungsempfehlun-
gen.
Die sächsischen WindNODE-Partner greifen somit nicht nur bundesweite Trends in der Energieforschung
auf, wie die Untersuchung von Flexibilitäten, Digitalisierung im Bereich Smart City sowie industrielle Pro-
duktion und zukunftsfähige Strommärkte – sie sind auch ein Beispiel für starke Vernetzung und landes-
übergreifende Kooperation.
3.4.3.3
Materialforschung für die Energiewende
Materialien definieren die wesentlichen Elemente der Energiewende:
Erzeugung von Strom:
Die Erzeugung von Strom erfolgt, speziell in Sachsen, nach wie vor zu einem großen Teil mit thermischen
Kraftwerken (Kohle, Gas) oder kleineren, dezentralen Einheiten (BHKW, Turbinen). Diese Einheiten kompen-
sieren die zyklische Abhängigkeit von erneuerbaren Energien und werden dadurch stark steigenden Schwan-
88
kungen in der Belastung ausgesetzt. Die wichtigste erneuerbare Energieform ist die Windkraft. Durch neue
Werkstoffe und Leichtbau werden Windkraftanlagen immer kostengünstiger und langlebiger. Photovoltaik
stellt die dritte Kategorie dar. Während Silizium-Photovoltaik in Sachsen faktisch keine Wertschöpfung
mehr findet, aber die Installationen dominiert, gibt es nach wie vor Forschung und Entwicklung zu alternati-
ven PV-Systemen. Mit dem dramatischen Verschwinden von Solarzellenherstellern gingen auch die For-
schungsaktivitäten stark zurück.
Verteilung von Strom:
Konventionelle Stromleiter (Oberirdische Leiterkabel) werden heute materialseitig auf höhere Festigkeit
(Durchhängen) und Stromtragfähigkeit hin entwickelt. Gleichstromkabel erfordern zudem neue Legierungs-
und Isolatorwerkstoffe. Für die Materialforschung höchst interessant sind unterirdische Kabel. Für kurze
Stromtrassen in speziellen Anwendungen können Stromkabel aus Hochtemperatur-Supraleitern eine interes-
sante Alternative darstellen. Insbesondere steigende Leistungsspitzen in Innenstädten, z.B. durch Elektromo-
bilität, können supraleitende Kabel erfordern. Die durch die Energiewende immer komplexer werdenden
Anforderungen an das Stromnetz erfordern deutlich mehr aktive Netzkomponenten. Hier können wiederum
Supraleiter eine herausragende Rolle spielen (z.B. supraleitende Kurzzeit-Magnetspeicher, Fehlerstrombe-
grenzer). Aber auch konventionelle Netzkomponenten müssen effizienter und kostengünstiger werden. Einen
gestiegenen Bedarf gibt es u.a. bei Anlagen zur DC/AC-Wandlung (Inverter) bzw. zur DC-Kopplung von Ener-
gieanlagen oder bei der Blindleistungskompensation/Frequenzstabilisierung.
Speicherung von Strom:
Supercaps, Batterien und Redox-Flow-Zellen sind Speichersysteme, die Strom direkt in Aktivmaterialien/-
flüssigkeiten speichern. Der Bezug zur Materialforschung liegt auf der Hand. Bei den für die Energiewende
benötigten sehr großen Mengen an Stromspeichern (> 100 GWh) erlangen Fragen wie Preis, strategische
Verfügbarkeit und chemische Darstellbarkeit von Batterie- und Speichermaterialien eine enorme Bedeutung.
Die Materialforschung muss sich demnach insbesondere solchen Materialien und Materialpaarungen wid-
men, die in ausreichender Menge und mit einem strategischen Zugang verfügbar sind. Es gibt nicht den
„einen“ Speicher, der alle Nutzungsfälle abdeckt. Verschiedenste Anwendungen existieren, die den Bereich
von Sekunden (Netzstabilität), Minuten (Regelleistung), Stunden (Lastpunktverschiebung, PV-Speicher) bis
hin zu Tagen (Reserveleistung, Dunkelflaute) adressieren. Entsprechend werden verschiedene Batteriesyste-
me und zugehörige Materialsysteme entwickelt (Supercaps auf Basis von Kohlenstoff, Li-Batterien, Na-
Batterien, Flowbatterien für Vanadium und Zink, Luftbatterien, Metallbatterien).
Chemische Energiespeicher (Power-to-X) und Sektorenkopplung:
Sehr große Strommengen (etwa > 10 MWh) können nicht mehr sinnvoll in Batterien gespeichert werden.
Die Umwandlung von Überschussstrom in Gase wird als Power-to-Gas bezeichnet, die Erzeugung höherwer-
tiger chemischer Produkte als Power-to-Chemicals oder Power-to-Fuel. Gespeichert wird also nicht der
Strom direkt, sondern eine chemische Substanz, die üblicherweise eine sehr hohe Energiedichte und einfa-
chere Lagerfähigkeit bietet. Power-to-X-Systeme bieten das Potential zur langfristigen Speicherung von
Energie (Tage, Wochen, Monate).
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Punktuell und speziell im Bereich der Batterie- und Speicherforschung sind die sächsischen Akteure bereits
sehr gut vernetzt, nach innen, national und international. Insbesondere um die außeruniversitären For-
schungseinrichtungen herum (Fraunhofer IWS, Fraunhofer IKTS, HZDR, Leibniz-Institut für Festkörper- und
Werkstoffforschung IFW) haben sich thematische Cluster gebildet, z. B. zu Li- und Li-Schwefel Batterien
(Fraunhofer IKTS, Fraunhofer IWS), die in regelmäßige und dauerhafte gemeinsame Projektarbeit münden.
Ebenfalls sehr positiv zur Vernetzung von Forschung und Industrie beigetragen haben gemeinsame Infra-
strukturprojekte, um die herum sich starke Konsortien mit nationaler Bedeutung gruppieren (Beispiel Li-
Batterietechnikum Pleißa).
Lücken gibt es noch in dem zunehmend wichtigen Bereich Power-to-X und chemische Energiespeicher,
speziell im Bereich kleinerer und dezentraler Anlagen. Hier gibt es zwar starke Player (TU Bergakademie
89
Freiberg, Fraunhofer IKTS, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung
IFAM, sunfire GmbH), aber noch sehr wenige themenspezifische Vernetzungsmöglichkeiten. Dies mag ins-
besondere an den hohen Anforderungen liegen, die der Versuchsbetrieb und die Demonstration solcher
Techniken stellen. Da dieses Feld deutschlandweit noch nicht erschöpfend bearbeitet wird, ergibt sich eine
Chance für Sachsen, durch eine gezielte Vernetzung eine Führungsposition einzunehmen.
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Im internationalen Vergleich enorm
hohe Dichte von Forschungseinrich-
tungen der Materialforschung mit na-
tionaler und teils internationaler Re-
putation und Bedeutung
Hoher und stabiler Vernetzungsgrad
innerhalb der Akteure
Bestehende Projektnetzwerke mit
nationaler Sichtbarkeit
Voraussetzungen sind gegeben, um
einen spezifisch „sächsischen
Weg“ mit Modellcharakter beschreiten
zu können, der die intelligente Ver-
knüpfung der Energiesysteme darstellt
Bestehende, mittelständische industri-
elle Struktur mit Kompetenz für mit-
telgroße, dezentrale Energiesysteme
Keine oder geringe Unterstützung durch
finanzkräftige Großunternehmen
Insbesondere fehlen werkstoffnahe Indust-
rien, bzw. haben diese den Fokus auf Solar
Geringe öffentliche Wahrnehmung der
Energiespeichertechnik (Vermischung mit
Elektromobilität)
Schwieriger Zugang zu Risikokapital für
längerfristige industrielle Entwicklungsvor-
haben (dies ist materiallastigen Technolo-
gien mit hohem Investbedarf wie der Bat-
terietechnik wesensimmanent)
Sehr komplexe und widersprüchliche regu-
latorische Randbedingungen
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
In der Kraftwerkstechnik, der regenerativen Erzeugungstechnik sowie der Stromverteilung sind noch wich-
tige Fragen zu klären. Sachsen verfügt aber durch das Fehlen großer industrieller Player in diesen Bereichen
über ein beschränktes Transferpotential. Größte Chancen hingegen bieten die Felder Stromspeicherung
sowie Power-to-X bzw. Sektorenkopplung.
Folgende werkstoffbezogene Trends lassen sich für Sachsen ableiten:
Für die Stromerzeugung:
Leichtbau und Tribologie, Magnetwerkstoffe für Windkraftanlagen. Limitiertes Transferpotential,
da große Hersteller in anderen Regionen sitzen, starker Preisdruck
Neue Werkstoffe für die nächste Generation Solarzellen
Werkstoffe für den thermisch hoch belasteten und zyklischen Betrieb von thermischen Erzeugungs-
anlagen
Für die Stromübertragung:
Supraleiter für die Stromübertragung und für aktive Netzkomponenten
Neue Magnetwerkstoffe (Weichmagnete) für aktive Wandler und Übertrager
90
Für die Stromspeicherung
Verbesserte konventionelle Batterien (Supercaps, Lithium): Hohes Transferpotential, Hersteller sit-
zen in Sachsen, Ansiedlungen gelingen zunehmend, Umsetzung sofort
Kostengünstige Herstellung von konventionellen Lithium-Batterien. Hohes TP, zahlreiche Koopera-
tionspartner und Technikumsanlagen in Sachsen vorhanden, Umsetzung < 3 Jahre
Lithium-Festkörperbatterien: Mittleres Transferpotential, Technologie bietet sehr große Chance
zur regionalen Differenzierung (keine industriellen Wettbewerbsaktivitäten in anderen Ländern),
aber Umsetzung > 5 Jahre
Post-Lithium-Batterien (Festkörper-Ionenleiter, Natrium): Sehr hohes Transferpotential, Systemin-
tegratoren stehen bereit, Umsetzung < 2 Jahre; Transfer, insbesondere Chance als Konversionspro-
dukt für Firmen, die bisher Solaranlagen integriert haben
Alternative Speicherkonzepte (Redox-Flow, Flüssigmetall): Mittleres Transferpotential
Für Power-to-X-Konzepte
Elektrolysestacks und Power-to-X-Reaktoren, Elektrokatalysatoren für die Elektrolyse: sehr hohes
Transferpotential. Sachsen kann bereits Stacks und Systeme für Brennstoffzellen kommerziell her-
stellen. Für Elektrolyse und Power-to-X müssen vorhandene Kompetenzen aus Brennstoffzellen
transferiert und erweitert werden. Es werden größere Stacks der Klasse > 20 kW benötigt, für de-
zentrale Systeme > 100 kW, Umsetzung ~ 2 Jahre
Heterogene Katalysatoren für die Wertstoffsynthese
Werkstoffe für die Speicherung von Wasserstoff
3.4.4 Fusionsforschung
Wie bereits in der statistischen Auswertung in Kapitel 3.3.5 deutlich wurde, spielt das Themenfeld Fusions-
forschung in Sachsen nur eine sehr untergeordnete Rolle und wird daher nicht tiefergehend betrachtet.
3.4.5 Nukleare Sicherheitsforschung
Die nukleare Sicherheitsforschung ist gegenwärtig auf drei Hauptthemen fokussiert. Das sind:
der Erhalt und die Verbesserung der Sicherheitseigenschaften der in Betrieb befindlichen Kernkraftwerke
die Beurteilung der Sicherheit der im Ausland in Bau oder in Planung befindlichen Anlagen, die über neu
entwickelte Systeme zur Störfallbeherrschung verfügen sowie
die Zwischenlagerung, Behandlung und Entsorgung der radioaktiven Reststoffe
Es besteht Forschungsbedarf zu speziellen Aspekten, die auch international Bedeutung haben. Abgebrannte
Brennelemente werden nach dem Einsatz im Reaktor im kraftwerksinternen Brennelement-Lagerbecken für
etwa fünf Jahre aufbewahrt, um die Radioaktivität und damit die Wärmefreisetzung abklingen zu lassen. Die
drastischen Auswirkungen des Versagens der Lagerbeckenkühlung hat der Störfall in Fukushima 2011 deut-
lich gemacht. In Sachsen, speziell an der Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik der TU Dresden,
finden experimentelle und theoretische Untersuchungen zu den thermohydraulischen Abläufen bei Störfäl-
len im Brennelement-Lagerbecken mit dem Ziel statt, die Temperatur- und Strömungsfelder zeitabhängig zu
bestimmen, um letztlich das Erreichen von Grenztemperaturen, bei denen die Freisetzung radioaktiver Stoffe
aus den Brennstäben beginnt, zuverlässig vorhersagen zu können.
Die derzeit laufenden Arbeiten haben eine Reihe weiterer Fragen auf mikro- und makroskaliger Ebene auf-
geworfen, deren Beantwortung für die Sicherheitsbeurteilung wichtig ist. Abgebrannte Brennelemente kön-
nen nach dem Abtransport aus dem Kernkraftwerk in externen Lagerbecken unter Wasser für weitere Jahre
aufbewahrt werden. Es wird angestrebt, die notwendige Wärmeabfuhr aus dem Lagerbecken mit Systemen
zu realisieren, die ohne den Einsatz von aktiven Komponenten wie Pumpen, Lüftern und Armaturen funktio-
nieren. Kreisläufe auf Basis von Naturumlaufströmungen können diese Bedingung prinzipiell erfüllen und
damit einen Wärmeaustausch zwischen den abgebrannten Brennelementen und ihrer Umgebung erzeugen.
Sie nutzen das temperaturabhängige Dichteverhalten des Wassers aus. So wird beständig kaltes Wasser
zugeführt und durch die Brennelemente erwärmt. Das dabei erhitzte Wasser steigt an die Oberfläche. Dort
verdunstet es und führt damit Wärme ab. Dadurch entsteht ein natürlicher Kreislaufprozess. Jedoch ist das
91
Verhalten der Naturumlaufströmungen bei den zur Verfügung stehenden geringen Temperaturdifferenzen in
den Lagerbecken noch nicht hinreichend vorhersagbar. Kommen in den Kreisläufen neuartige Kältemittel
zum Einsatz, sind die thermohydraulischen Eigenschaften der dabei auftretenden Zweiphasenströmungen zu
beurteilen. Diesbezügliche Arbeiten auf experimenteller Ebene finden derzeit an der Professur für Wasser-
stoff- und Kernenergietechnik der TU Dresden statt, um die Effektivität der Wärmeabfuhr und die optimale
Gestaltung der Wärmeübertragung zu ermitteln. Neben einer Erweiterung der Experimente sind hinsichtlich
der Modellierung und der Ermittlung der Stabilitätseigenschaften weitere Anstrengungen notwendig.
International beinhaltet die Entwicklung neuer Reaktorkonzepte den Einsatz passiv wirkender Komponenten
zur Wärmeabfuhr bei Störfällen. Damit erreicht man ein deutlich höheres Sicherheitsniveau, weil die passi-
ven Komponenten keine zusätzliche Energie benötigen, also z. B. unabhängig von der Stromversorgung star-
ten und arbeiten und verbunden mit großen Wasservorräten in der Kraftwerksanlage eine deutliche Verlän-
gerung der Karenzzeiten bis zum erforderlichen Eingreifen des Betriebspersonals bewirken. Die Funktions-
weise solcher passiven Wärmeabfuhrsysteme ist aktueller FuE-Gegenstand sowohl experimentell als auch
theoretisch im Rahmen von Untersuchungen an einem generischen Reaktorkonzept. Ziel ist es, die internati-
onalen Entwicklungen zu begleiten und zu beurteilen, um kompetente Aussagen zu den Sicherheitseigen-
schaften zu ermöglichen.
Kernreaktoren in Betrieb weisen unter bestimmten Bedingungen Stabilitätseigenschaften auf, die mit etab-
lierten Methoden der linearen Analyse nicht zu beurteilen sind. FuE-Aktivitäten der TU Dresden richten sich
daher auf die Entwicklung einer nichtlinearen Stabilitätsanalyse, die mit mathematisch-physikalischen Me-
thoden Eigenschaften aufdeckt, die so vorher mit theoretischen Modellen nicht auffindbar waren. Neben der
Stabilitätsbewertung, vor allem von Siedewasserreaktoren, finden diese Methoden auch Anwendung auf das
Stabilitätsverhalten der passiven Wärmeabfuhrsysteme. Prinzipiell ist aber auch eine Anwendung in vielen
anderen stabilitätsgefährdeten technischen Bereichen vorstellbar, weil die grundlegenden mathematisch-
physikalische Aspekte universeller Natur sind.
FAKTENCHECK: Vernetzung der sächsischen Akteure
Im Kompetenzzentrum Ost für Kerntechnik (KOMPOST) sind die TU Dresden, das Helmholtz Zentrum Dres-
den-Rossendorf, die Hochschule Zittau/Görlitz und der VKTA - Strahlenschutz, Analytik & Entsorgung Ros-
sendorf e. V. zusammengeschlossen. Innerhalb von KOMPOST wird derzeit eine Reihe von Forschungsver-
bundvorhaben bearbeitet. Grundlage dafür ist, dass für nahezu jedes Themengebiet Kompetenzen in einer
der beteiligten Institutionen vorhanden sind.
Starke Verbindungen existieren über die konkrete Projektarbeit aber auch zu den Universitä-
ten/Hochschulen in Stuttgart, Karlsruhe, Aachen, Hamburg und München. Daneben gibt es Kooperationen
zur Industrie über die Projektförderung (AREVA GmbH) und Projektberatung (Preussen-Elektra). Seit kurzem
bestehen auch Kontakte zur DREWAG-Netz GmbH, um Methoden aus der nuklearen Sicherheit auf konven-
tionelle Anlagen zu übertragen. Die Kontakte zur Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS)
mbH dienen neben der Projektarbeit dem intensiven fachlichen Austausch zur Einschätzung des erreichten
Standes von Wissenschaft und Technik und der zukünftigen Entwicklung.
International von Bedeutung sind auf dem Gebiet der nichtlinearen Stabilitätsanalyse die Kontakte zu den
schwedischen Universitäten in Chalmers und Stockholm, zum Paul Scherrer Institut und der École poly-
technique fédérale de Lausanne in der Schweiz, zur Universitat Politècnica Valencia in Spanien und zur
University of Illinois in den USA.
92
FAKTENCHECK: Stärken und Schwächen des FuE-Themenfeldes in Sachsen
Stärken
Schwächen
Innerhalb des Kompetenzzentrums Ost für
Kerntechnik (KOMPOST) Bündelung von
experimentellen und theoretischen Kom-
petenzen zur Durchführung anspruchsvol-
ler Verbundforschungsvorhaben
Relativ geringe räumliche Entfernungen
zwischen den KOMPOST-Partnern erleich-
tern den wissenschaftlichen Austausch
Beantragung von Projekten mit etablier-
ten Partnern hat bessere Erfolgschancen
Geringe Bewilligungsquoten bei Förder-
programmen auf Bundes- und EU-Ebene
führen zu Planungsunsicherheiten
FAKTENCHECK: Zukunftstrends und Transferpotentiale
Da die Kernenergienutzung zur Bereitstellung elektrischer Energie in Deutschland in wenigen Jahren been-
det sein wird, werden nur noch die unbedingt notwendigen Forschungsaktivitäten zum Erhalt und Ein-
schätzung der Sicherheit von noch in Betrieb befindlichen Kernkraftwerken durchgeführt. Aufgrund der
Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente in den standortnahen Zwischenlagern (Trockenlagerung)
sowie der bisher ungeklärten Langzeitsicherheit und der möglicherweise erforderlichen Umladung in ande-
re Behälter bleibt auch in den kommenden Jahren ein beständiger Forschungsbedarf bestehen. Es sind
allerdings eher Technologie- und Werkstofffragen als thermohydraulische Fragen zu erwarten. Die Nassla-
gerung in Zwischenlagern ist eine Lösung, die international durchaus Beachtung findet (auch schon in
einer Anlage in der Schweiz in Betrieb ist). Der Forschungsbedarf ist, insbesondere beim Einsatz neu entwi-
ckelter Kältemittel, weiterhin hoch. Neben der Stoffdatenbestimmung sind Fragen zum Zweiphasenströ-
mungsverhalten und zur Stabilität zu erwarten.
93
3.5 Stärken/Schwächen-Analyse der Energieforschungs-
landschaft Sachsens
Im Zuge der Fragebogenauswertung als auch durch die geführten Gespräche während des Energiedialogs
(24.03.2017) sowie der nachgeschalteten Experteninterviews konnten Stärken als auch Schwächen der
Energieforschung in Sachsen herausgearbeitet werden, die allgemeinerer Natur sind als die für die einzelnen
FuE-Themenfelder genannten. Dabei wurden oftmals auch bestimmte Aspekte sowohl als Stärken wie auch
als Schwächen des sächsischen Energieforschungsstandorts genannt, also heterogen bewertet.
3.5.1 Stärken
Allen Themenfeldern der Energieforschungslandschaft gemein sind nach Ansicht der Akteure folgende Stär-
ken:
Fachliche Ausrichtung
Breites wissenschaftliches Potential, bzw. wissenschaftliche Exzellenz der sächs. Hochschullandschaft
Stärke im Bereich der Ingenieurswissenschaften sowie der Grundlagenforschung
Hohe Kompetenzen im Bereich von Querschnittsthemen, bspw. der Materialforschung
Vielfalt und Komplementarität der Forschungsfelder bringen technologische/gesellschaftliche Innovatio-
nen voran
Industrielle Strukturen liefern Grundlage für Synergieeffekte mit KET-Branchen (z. B. Halbleiter-
Industrie)
Ausgewogenheit zwischen Zukunftsforschung und Kompetenzerhalt
Forschungsinfrastruktur
Hohe Dichte an Forschungseinrichtungen (z.B. Hochschulen und außeruniversitäre Forschungseinrich-
tungen)
Konzentrierte Unterstützung von Forschungseinrichtungen zu Schwerpunktthemen (z.B. Bioenergiefor-
schung, EMBATT-Batterieforschung, H2-Connect als Teil der Brennstoffzellenforschung)
Ausbau der experimentellen Basis für Grundlagenuntersuchungen und für industrielle Anwendungen
Gesellschaftliche Akzeptanz
Vorurteilsfreie Beurteilung verschiedener Energietechnologien
Aufgeschlossenheit für Energieforschung
Hohe Technologieaffinität im Vergleich zu anderen Regionen
Sichtbarkeit der Branche
Transparenz der Forschungsthemen
Teilweise gute Kommunikation des Leistungsangebots der Wissenschaftseinrichtungen
Innerhalb von FuE-Themenfeldern gute Vernetzung der Akteure sowie mit verschiedenen Multiplikato-
ren
Vorhandene Clusterstrukturen verstärken Sichtbarkeit der Branche im Innen- und Außenfeld
Gute Sichtbarkeit und erwiesene Verbundfähigkeit für FuE-Förderung im nationalen Maßstab (HYPOS,
WindNODE etc.)
Einbettung in vorhandene Wirtschaftsstruktur
Zahlreiche Anknüpfungspunkte an vorhandene Industriestrukturen und damit umfangreiches Kooperati-
onspotential (z.B. Automobilproduktion und Zulieferer, Maschinen und Anlagenbau wie sunfire GmbH)
Weit verzweigte (Branchenvielfalt) und innovative sächsische KMU-Landschaft
Nutzbare Alleinstellungsmerkmale: z. B. Mikroelektronik
Kooperationspotential
Stark vernetzte und thematisch breit aufgestellte Forschungslandschaft
Historisch gewachsene und langjährige Clusterstrukturen
94
Bündelung der Aktivitäten im Energy Saxony e. V.
Auch überregionale Vernetzungs- bzw. Kooperationsaktivitäten (HYPOS, Windnode etc.)
Erfolgreiche Kooperationen zwischen Energieversorgungsunternehmen (EVU) und staatlichen Wissen-
schaftseinrichtungen wie privat organisierten Forschungseinrichtungen an den Schnittstellen der Wis-
senschaftsdisziplinen
Regionale Nähe der Akteure befördert „schnellen“ Austausch
Starke internationale Vernetzungsaktivitäten, wenn auch sehr diversifiziert
3.5.2 Schwächen
Weiterhin wurden im Austausch mit den Akteuren folgende noch vorhandene Schwächen der Energiefor-
schungslandschaft Sachsens deutlich:
Wissens- und Technologietransfer
Vielfach noch nicht ausgeschöpfte Transferpotentiale
Fehlende Anwendung bei Unternehmen in der Region
Ausbaufähige interdisziplinäre Verknüpfung
Demonstration bzw. Sichtbarkeit der Ergebnisse
Fehlende Großunternehmen für Demonstrationen in Sachsen
Thematische Ausrichtung der Energieforschung in Sachsen
Breit aufgestellte Forschungsbandbreite
Noch wenige sektorenübergreifende Forschungsvorhaben mit Modellcharakter
Wenig angewandte Forschung im Bereich der Sektorenkopplung
Herausforderungen, die mit der Energiewende einhergehen (z.B. Marktdesign, Zukunftsfähigkeit hin-
sichtlich Versorgungssicherheit, Umweltschutz, Kostenbewusstsein für Stromverbraucher)
Noch nicht ausgeschöpfte Nutzung der Potentiale einer gemeinsamen Forschung mit Partner-
Hochschulen in Tschechien und Polen zur Gestaltung der Transformationsprozesse in der sächsisch-
tschechisch-polnischen Energieregion
Wirtschaftliche Umsetzung
Sehr kleinteilige Unternehmenslandschaft wenig Ressourcen für langdauernde und umfangreiche
Entwicklungen, die viel Zeit und Kapital benötigen
Bisher noch wenige Ausgründungen aus der Wissenschaft heraus
Drittmittelakquise
Noch wenig Inanspruchnahme von zentralen Anlaufstellen, wie z.B. ZEUSS, KOWI bzw. andere Bera-
tungsstellen, um z.B. EU-Mittel einzuwerben
Wenig Zusammenarbeit über Landesgrenzen hinweg
Kleinteilige Forschungsprojekte mit relativ hohem Administrationsaufwand
Nationale und internationale Sichtbarkeit
Teilweise noch unzureichende Wahrnehmung der sächsischen Forschungslandschaft außerhalb Sachsens
und auf EU-Ebene
Fehlende Leuchtturmprojekte/Demonstrationsprojekte als Referenzen für die wirtschaftliche Verbreitung
von Innovationen
Akteursvielfalt
Einzelstrategien orientieren sich oftmals wenig an den Strategien der anderen Akteure
95
Das erschwert die Abdeckung von Wertschöpfungsketten oder die Erschließung von Märkten, die einer
hohe Anfangsinvestition bedürfen
Einzelne Forschungsaktivitäten orientieren sich wenig an den Forschungsaktivitäten anderer Standorte
in Sachsen
Fachkräftesituation bzw. Bildung
Kritik am Wissenschaftszeitgesetz: schwierige Einstellungsbedingungen im wissenschaftlichen Bereich
aber auch im Mittelbau (nicht-wissenschaftlich technischer Bereich); Know-how-Verlust an der Univer-
sität
Sichtbarkeit von Nischenstudiengängen teilweise unzureichend, aber extrem wichtiges regionales
Know-how
Die Finanzierung von Universitätsforschung wird im Vergleich zu außeruniversitärer Forschung sehr
stark zurückgefahren
Behinderung der Ausbildung von dringend notwendigen Ingenieur(inn)en und
technischem Fachpersonal
Mangel an qualifiziertem Nachwuchs
Diese Stärken/Schwächen-Analyse ist die Basis für die nachfolgenden Handlungsempfehlungen.
96
4 Strategischer Ausblick
Die Einführung von innovativen Produkten, z.B. in den Bereichen Wärmeversorgung, Industrie und Verkehr,
erfordert neue technische Lösungen. Die hierfür nötigen Basistechnologien und Einzelprodukte werden auch
in Sachsen wesentlich mitentwickelt. In der aktuellen Phase
56
jedoch gilt es, diese Einzeltechnologien im
Sinne einer tatsächlichen „Energiewende“ systemisch miteinander zu verknüpfen und mit den Sektoren
Wärme und Verkehr zu verkoppeln. Gleichzeitig bedarf es weiterer Maßnahmen, wie z. B.
einer Steigerung der Energieeffizienz in allen Anwendungsbereichen
der verbesserten Nutzung erneuerbarer Energiequellen
einer Weiterentwicklung der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
die Nutzbarmachung unterschiedlicher Speichertechnologien und industrieller Power-to-X-Anlagen
auch im großen Maßstab.
Die Funktion der Energieforschung besteht darin, die dafür als einschlägig geltenden Instrumente und Tech-
nologien sowie komplexen Zusammenhänge zu erforschen und damit das nötige Wissen sowie konkrete
modellhafte Anwendungen als Grundlage für spätere Transferverfahren für eine wirtschaftliche Umsetzung
bereitzustellen. Insofern besitzt die Energieforschung eine Schlüsselrolle in der Umsetzung der Energiewende.
Übergeordnetes Ziel muss sein, auf besonders vielversprechenden Gebieten der Energieforschung national
und international möglichst frühzeitig vertreten und konkurrenzfähig zu sein, und die sich daraus ergeben-
den wirtschaftlichen Potentiale möglichst in der Region nutzbar zu machen.
Dies setzt eine auf diesen Gebieten exzellente Wissenschafts- und Forschungslandschaft sowie entspre-
chende FuE-geleitete Unternehmen voraus. Wissenschaft und Wirtschaft sollten sich gegenseitig stärken
und ergänzen.
Mit diesem „Masterplan“ soll ein Prozess initiiert bzw. intensiviert werden, der den Forschungsakteuren hilft,
ihre jeweiligen Einzelstrategien so zu erstellen, dass möglichst viele wissenschafts- und wirtschaftsübergrei-
fende Synergien entstehen und Doppelstrukturen vermieden werden. Dies wird insgesamt dazu beitragen,
den Energieforschungsstandort Sachsen national und international stärker sichtbar zu machen.
Je mehr die Akteure auf dem Gebiet der Energieforschung über die Kompetenzen der anderen Akteure wis-
sen, desto besser kann die Vernetzung gelingen – und dies begünstigt auf Dauer angelegte Partnerschaften
zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Derartige Partnerschaften wiederum sind Voraussetzung und Garant
für einen leistungsfähigen Wissens- und Technologietransfer.
Zur Bewältigung dieser Aufgaben erscheint die Einrichtung einer „Kompetenzstelle Energieforschung in
Sachsen“ als sinnvoll. Sie kann als Schnittstelle zwischen Politik, Verwaltung, Wissenschaft und Wirtschaft
und damit als zentraler Ansprechpartner agieren. Sie sammelt Impulse aller Beteiligten, bringt Akteure zu-
sammen und unterstützt diese dabei, den Energieforschungsstandort Sachsen nach innen und außen be-
kannter zu machen.
4.1 Besonders vielversprechende Forschungsansätze
Auf dem Gebiet der Energieforschung wird es wie auch auf anderen Forschungsgebieten darum gehen, sich
künftigen Herausforderungen mit interdisziplinären Herangehensweisen zu stellen, die das Gesamtsystem im
Blick haben.
Besondere Chancen dürften sich für Sachsen dabei vor allem auf solchen Gebieten ergeben, auf denen Sach-
sen traditionell stark ist und die bisher noch nicht oder noch nicht lange im Fokus, speziell der Energiefor-
schung stehen. Sie besitzen hohe Potentiale, um die künftigen Herausforderungen in Form der Umsetzung
56
Vgl. Leopoldina (2017): »Sektorkopplung« – Optionen für die nächste Phase der Energiewende, Herausgeber: acatech –
Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V. (Federführung),
aufgerufen am
15.03.2018.
97
der Sektorenkopplung und Integration neuer Technologien im Rahmen von Energieforschungsvorhaben in
Sachsen voranzutreiben.
Beispiele:
Maschinenbau/Produktionswissenschaften und Energieeffizienz
Automobil- und Leichtbau
Mikroelektronik und Energieeffizienz
Materialwissenschaften und Energiespeicher
Umgekehrt gilt es, klassische Energieforschungsthemen auch zum Beispiel unter dem Blickwinkel der Digita-
lisierung in den Fokus zu stellen. Bei beiden Herangehensweisen muss es übergreifend darum gehen, globale
Themen wie Klimaschutz oder Endlichkeit von Ressourcen zu adressieren.
Die ausgewiesene Stärke der sächsischen Energieforschung in zahlreichen einzelnen Technologiefeldern
bietet schließlich eine chancenreiche Basis für eine noch stärkere Fokussierung auf eine gesamtsystemische
Betrachtungsweise. Sie ist damit eine hervorragende Voraussetzung für das Gelingen der Sektorenkopplung,
welche die Verknüpfung mehrerer Kompetenzfelder erfordert.
Best-Practice-Beispiele:
Speichertechnologieverbundprojekt der Hochschule Zittau-Görlitz und des Fraunhofer-Instituts für
Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
HZwo:Connect Projektfamilie der Brennstoffzellenforschung der Professur Alternative Fahrzeugantriebe
der TU Chemnitz
EMBATT-Chassis embedded Energy ist ein Konsortium unter Leitung des Fraunhofer IKTS, welches mit
gestapelten großflächige Elektroden in bipolarem Schichtaufbau die Herstellung von Li-Ionen-Batterien
revolutionieren will
Smart Systems & Smart Infrastructure Hub Dresden/Leipzig
4.2 Partizipationsprozesse auf dem Gebiet der Energie-
forschung intensivieren
Um es den Akteuren in Wissenschaft und Wirtschaft zu ermöglichen, ihre jeweiligen Einzelstrategien im
Wissen um die Strategien der anderen Akteure zu erstellen, ist auf allen Ebenen ein permanenter, auf ge-
genseitigem Vertrauen beruhender Partizipationsprozess hilfreich. Dazu gehören regionale Netzwerke ge-
nauso wie Einzelveranstaltungen.
4.2.1 Regionale Netzwerke
Die Netzwerke im Bereich der Energieforschung, wie Energy Saxony e. V., NEU e. V. und das Smart Systems
& Smart Infrastructure Hub Dresden/Leipzig, leisten wichtige Beiträge zur Bildung von Kooperationen. Die
Veranstaltungen dieser Netzwerke werden auch künftig wichtige Bausteine des Partizipationsprozesses sein.
4.2.2 Internationale Veranstaltungen sächsischer Akteure
Des Weiteren vermitteln die Netzwerke und Cluster aus Sachsen geeignete Formate zur Präsentation von
Kompetenzen auf eigenen oder Partnerveranstaltungen in ganz Deutschland oder im Ausland, um so auch
überregional als starke Partner in Erscheinung zu treten.
Auswahl an Best-Practice-Beispielen:
Energy Saxony Summit: Die Jahreskonferenz des Clusters zieht stets auch überregionale Teilnehmer an
und führt zu einer größeren Wahrnehmung sächsischer Kompetenzen und Innovationen.
HZwo:Connect Infoveranstaltung: Die Projektfamilie HZwo und das dazugehörige InnoTeam an der
Professur für Alternative Fahrzeugantriebe der TU Chemnitz haben im Juni 2017 die herausragende
Stellung der Komponentenentwicklung für Brennstoffzellenfahrzeuge in Sachsen präsentiert. Die Pro-
fessionalität der Veranstaltung ist beispielgebend für Veranstaltungen zu anderen Technologieentwick-
lungen.
Internationales Dresdner Leichtbausymposium: Die Jahresveranstaltung des Instituts für Leichtbau und
Kunststofftechnik der TU Dresden ist ein Aushängeschild des Forschungsstandorts Dresden.
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4.2.3 Finanzielle Unterstützung von Vernetzungsaktivitäten
Innovationsunterstützung, Projektanbahnung und Vernetzung sind Kernaufgaben von Clustern. Aufgrund
dieser standortpolitischen Funktionen wird das SMWA auch künftig Kooperationsnetzwerke und Innovati-
onscluster – auch zwischen Akteuren der Wissenschaft und Wirtschaft – über die Richtlinie „Clusterförde-
rung“ fördern.
4.2.4 Beteiligung an den Forschungsnetzwerken Energie der Bundesre-
gierung
Das Energieforschungsrahmenprogramm ist das zentrale Finanzierungsinstrument der Energieforschung des
Bundes. Zur Stärkung von Transparenz und Partizipation wurden seitens des Bundesministeriums für Wirt-
schaft und Energie sieben Forschungsnetzwerke Energie gegründet. Das SMWK und das SMWA wirken da-
rauf hin, dass sich möglichst viele Energieforschungsakteure in Sachsen an diesen Forschungsnetzwerken
beteiligen. Die beiden Ministerien werden daher auch weiterhin gezielt über entsprechende Beteiligungs-
möglichkeiten informieren.
4.2.5 Beteiligung an den European Technology Platforms
Für den Austausch mit europäischen Partnern ist darüber hinaus die Mitarbeit in den fachspezifisch einge-
richteten European Technology Platforms empfehlenswert. Die zahlreichen Gremien und Veranstaltungen
bieten lohnenswerte Möglichkeiten zur Partizipation und Programmgestaltung. Eine stärkere Präsenz sächsi-
scher Vertreter ist daher geboten. SMWK und SMWA werden in geeigneter Weise darauf hinwirken.
4.3 Langfristige strategische Partnerschaften zwischen
Wissenschaft und Wirtschaft – als Basis für einen
erfolgreichen Wissenschafts- und Technologietrans-
fer
Langfristige strategische Partnerschaften zwischen Wissenschaft und Wirtschaft sind essentiell für einen
erfolgreichen Wissens- und Technologietransfer. Es kommt darauf an, dass sich die Partner aus Wissenschaft
und Wirtschaft frühzeitig und auf der Grundlage gegenseitigen Vertrauens über sich abzeichnende Heraus-
forderungen und technologische Entwicklungen austauschen. Gute persönliche Kontakte sind dafür unver-
zichtbar. Die Informationsflüsse müssen in beide Richtungen fließen. Von der Wissenschaft in die Wirtschaft
und umgekehrt. Demonstrationsvorhaben und Modellregionen können zur Verbesserung und Beschleunigung
des Transfers maßgeblich beitragen.
4.3.1 Pilotanlagen und Demonstrationsvorhaben
Aufgrund ihrer Wirkung für die Öffentlichkeit und die Akzeptanz bei potentiellen Investoren haben Pilot-
und Demonstrationsvorhaben in der sich weiter diversifizierenden Energiewirtschaft eine hohe Relevanz.
Die Energieforschung in Sachsen profitiert von den bestehenden Forschungsförder- und Technologieförder-
instrumenten des Freistaates Sachsen. So werden über die „TG 70“ und die „EFRE InfraPro“-Richtlinie des
SMWK sowie die EFRE-finanzierte Richtlinie „Energie 2014“ des SMWA Pilotvorhaben an den Hochschulen
und außeruniversitären Forschungseinrichtungen unterstützt. Im Rahmen der „EFRE-Technologieförderung
2014-2020“ unterstützt der Freistaat Sachsen Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen bei der
Entwicklung neuer Produkte und Verfahren. Darüber hinaus bietet die Förderung von „KETs-Pilotlinien (EF-
RE)“ eine Unterstützung für die Unternehmen und deren wissenschaftlichen Kooperationspartner bei der
Umsetzung der neuen Produkt- und Verfahrensentwicklungen für Schlüsseltechnologien über Pilot- bzw.
Demonstrationsanlagen.
Damit kann der Freistaat Sachsen bereits heute die Weiterentwicklung und Verwertung von Forschungser-
gebnissen in Wirtschaft und Gesellschaft vorantreiben. Dies hilft den Beteiligten bei der Einführung neuer
Produkte und Verfahren in den Schlüsseltechnologien bis zur industriellen Produktion.
SMWK und SMWA werden ihre jeweiligen Instrumente künftig verstärkt gesamtsystemisch ausrichten, be-
stehende Synergien nutzen und damit die wissenschaftlich und wirtschaftlich übergreifenden Potentiale von
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Förderprojekten bis hin zur möglichen Entwicklung und Förderung eines Demonstrators beachten. Hierfür
soll der bereits enge Austausch zwischen beiden Häusern im Umgang mit bestimmten Förderanträgen weiter
intensiviert werden. Diesen Prozess soll die „Kompetenzstelle Energieforschung in Sachsen“ begleiten. Dies
gelingt freilich nur, wenn die Akteure aus der Wissenschaft bestimmte potentiell denkbare Entwicklungssta-
dien ihrer Forschungsvorhaben in den Antragsverfahren ebenso verdeutlichen und nachvollziehbar machen.
Best-Practice-Beispiel:
KET-Pilotlinienförderung der Heliatek GmbH Rolle-zu-Rolle-Fertigung organischer Solarfolien
4.3.2 Modellregionen für Transformation und Entwicklung struktur-
schwacher Regionen
Der Strukturwandel, sowohl in der Lausitz als auch im Mitteldeutschen Revier, wird vom SMWA und vom
SMWK als Chance zur Etablierung von Modellregionen verstanden, in denen beispielsweise Pilotvorhaben
und/oder neue Geschäftsmodelle im Energiesektor erforscht und entwickelt werden. Dabei können – unter
Einbindung der konventionellen Energieerzeugung – Forschungsquartiere für Netze und sektorenübergrei-
fende Technologien geschaffen werden. Die damit verbundene Forschung wird sich auf technische, ökonomi-
sche und rechtliche Aspekte erstrecken.
Gemeinsam mit den Ländern Brandenburg, Sachsen-Anhalt und Thüringen setzt sich das SMWA auf Bundes-
