Der Wandel von einem fossilen hin zu einem emissionsfreien Energiesystem fußt im Wesentlichen auf der Nutzung von aus Sonne, Wind, Abfall und Wasser gewonnener Energie. Handlungsbedarf im Hinblick auf die Wandlung des heutigen Energiesystems gibt es u. a. in den Bereichen

• Mobilität,
• industrielle Anwendungen und Produktion,
• Gebäuden.

Die Forschungstätigkeiten von AZARE werden angetrieben, um den gesellschaftlichen Zugang aller am Prozess Beteiligten an einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Energienutzung zu ermöglichen. Der "Schirm", der sich über alle technischen Ansätze spannt, setzt sich zusammen aus:

• Vermeidung schädlicher Umwelteinflüsse: Die Nutzung erneuerbarer Energien kann mit umweltschädlichen Effekten einhergehen, die zu vermeiden sind.
• Nachhaltigkeit: Geringer Energie- und Materialeinsatz.
• Vermeidung von kritischen Rohstoffen: Soziale Verantwortung beim Abbau kritischer Rohstoffe sowie Verzicht auf Kinderarbeit.
• Recycelbarkeit: Wiederverwertbarkeit der eingesetzten Materialien im Sinne einer Kreislaufwirtschaft (Circular Economy).

Da die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien nicht stetig verläuft, sondern Spitzen und Flauten aufweist, ist deren Speicherung und gleichmäßige Einspeisung ins Stromnetz ein zentrales Thema für das Gelingen der Energiewende. Im Fokus stehen die Technologien Power-to-Power, Power-to-Heat und Power-to-X (synthetische Kraftstoffe, Wasserstoff), um Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien speichern und nutzen zu können.

Bei der Power-to-Power-Technologie (Strom zu Strom) wird überschüssige Energie in Batterien, als Kraftstoff oder über Wasserkraft gespeichert, um sie zu einem späteren Zeitpunkt nutzen zu können. Unterschieden wird in kurzfristiger und langfristiger Speicherung.

Kurzfristig kann Strom aus Photovoltaik oder Windenergie in Lithium-Ionen- oder Redox-Flow-Batteriespeichern zwischengespeichert werden, um das elektrische Netz während ertragsarmer Zeiten beispielsweise abends und nachts aufrecht zu erhalten.

Daneben steht die langfristige Speicherung von elektrischer Energie. Durch eine Elektrolyse kann überschüssiger Strom Wasserstoff erzeugen, der als Kraftstoff zwischenspeicherbar ist. Übersteigt der Strombedarf oder eine lokale Nachfrage (Megacharger) das vorhandene Angebot im Netz, kann mittels Brennstoffzellen – durch die Nutzung der chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft – Strom erzeugt und zurückgespeist werden.

Ansprechpartner für Power-to-Power:

Prof. Dr. Wilfried Attenberger, Experte für Netzstabilisierung und Leistungselektronik
Prof. Dr. Mousa Lahdo, Experte für die Einbindung von Fahrzeugen in Infrastrukturen
Prof. Dr. Volker Pitz, Experte für elektrische Energietechnik

Die Umwandlung von Strom in Chemikalien, Treib- und  Kraftstoffe, wie Wasserstoff, Ammoniak, Methanol, Ethanol, Erdgas, Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), Sustainable Aviation Fuels (SAFs), Renewable Fuels out of Non-Biological Origin (RNBO) etc., bezeichnet Power-to-X. Durch die Möglichkeit der langfristigen Speicherung von Strom in Treibstoffen und Chemikalien hilft Power-to-X die Energiewende maßgeblich zu beeinflussen.

Ansprechpartner für Power-to-X:
Prof. Dr. Birgit Scheppat, Expertin für Speicher und Netzstabilisierung (systemische Ansätze Energiesystem)
Prof. Dr. Thomas Heimer, Experte für Dekarbonisierung im Verkehrs- und Gebäudesektor

Die bedarfskonforme Verfügbarkeit von Strom und Wärme an jedem Ort und zu jeder Zeit ist aus unserem Verständnis her die Grundlage für eine funktionierende Industriegesellschaft. Das bestehende Energiesystem muss bei Einbindung wetterabhängiger Energieformen wie Sonne und Wind zuverlässig, stabil und sicher ausgelegt sein, um die gesellschaftliche und industrielle Akzeptanz zu erreichen. Daraus folgt die Notwendigkeit der Speicherung in chemischer oder elektrischer Form und es stellt sich insbesondere die Frage, wie die elektrischen Netze in Zeiten von Stromspitzen stabil bleiben, beziehungsweise in Zeiten von Stromflauten die Netze ausgeregelt werden können.

AZARE entwickelt angesichts dieser Fragestellungen Ansätze für Infrastrukturen, damit Transport, Verteilung und Speicherung von Strom, Kraftstoffen und Gas ökologisch und ökonomisch möglich sind.

Ansprechpartner im Bereich Infrastruktur:
Prof. Dr. Wilfried Attenberger, Experte für Netzstabilisierung und Leistungselektronik
Prof. Dr. Matthias Kowald, Experte für die Untersuchung des Mobilitätsverhaltens und die notwendige Mobilitätsinfrastruktur
Prof. Dr.-Ing. Mousa Lahdo, Experte für die Einbindung von Fahrzeugen in Infrastrukturen
Prof. Dr. Birgit Scheppat, Expertin für Speicher und Netzstabilisierung (systemische Ansätze Energiesystem)
Prof. Dr. Heinz Werntges, Experte für Gebäudeautomation und Netz-Integration von Elektrofahrzeugen

Dekarbonisierung und Defossilisierung = Verzicht auf fossile Brennstoffe und Gas

Synthetische Kraftstoffe
Flugverkehr, Schifffahrt und Offroad-Fahrzeuge zählen zu den schwer dekabonisierbaren Industriebereichen. Daher spielt, neben der Wahl des richtigen Verkehrsmittels, auch der Einsatz synthetischer Kraftstoffe eine wichtige Rolle, um Schadstoffemissionen zu reduzieren. Synthetische Kraftstoffe lassen sich mittels CO₂-Quelle und grünem Wasserstoff erzeugen. Kritisch ist der Einsatz dieser Kraftstoffe, da aufgrund der vielen Wandlungsstufen im Erzeugungsprozess der Gesamtwirkungsgrad niedrig ist und die Verfahren teuer sind.

AZARE untersucht die technischen, ökonomischen und rechtlichen Möglichkeiten der Unterstützung eines Markthochlaufs von synthetischen Kraftstoffen in den angesprochenen Bereichen.

Luftfahrt
Der kontinuierliche Anstieg von Treibhausgasen im Flugverkehr steht im Widerspruch zum Ziel, dass Fliegen bis 2050 klimaneutral sein soll. Während auf Kurzstrecken bis einige hundert Kilometer der Einsatz elektrisch-betriebener Flugzeuge möglich wäre, stellen diese für Lang- und Mittelstreckenverkehr aufgrund der niedrigen Energiedichte (kWh pro Kilogramm oder pro Liter) keine Alternative dar. Es bedarf neuer Technologien beziehungsweise Treibstoffe – wie z. B. Sustainable Aviation Fuels (SAFs), Renewable Fuels of Non-Biological Origins (RNBOs) u. a.

Schiffsverkehr
Sowohl die Binnen- als auch die Hochseeschifffahrt sollen bis 2050 Klimaneutralität erreichen. Daher ist der Umstieg auf die Nutzung synthetischer Kraftstoffe wie Methanol, Ethanol, Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), Ammoniak und Flüssigwasserstoff (LH₂), unabdingbar.

Offroad-Verkehr
Bei Offroad-Fahrzeugen wie Baustellenfahrzeugen, Kränen u. a. ist je nach vorhandenem Gelände und dem Infrastrukturzugang an strom- beziehungsweise wasserstoffbetriebene Fahrzeuge zu denken.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Martin Müller, Experte für Aviation
Prof. Dr. Thomas Heimer, Experte für Dekarbonisierung im Verkehrs- und Gebäudesektor
Prof. Dr. Birgit Scheppat, Expertin für Speicher und Netzstabilisierung (systemische Ansätze Energiesystem)

Wichtige Aspekte in Bezug auf Wasserstoff sind Sicherheit und Qualität hinsichtlich H₂-Konzentration. Mithilfe der Sensorik werden zum Beispiel Reinheits- und Druckmessungen sowie Lecktests durchgeführt und Füllstände in Tanks gemessen. Sensoren sollten robust, zuverlässig und sicher sein, eine hohe Lebensdauer und keine Alterungserscheinungen aufweisen, bzw. keine Drift der Sensorkennlinie aufweisen. All diese Faktoren sind im Hinblick auf Größe und Gewicht, Produktionszahlen und Kosten kritisch.

Weitere Querschnittsfunktionen sind die Modellierung physikalisch-technischer Strukturen oder dynamischer Systeme, Programmierung von Mensch-Maschine-Schnittstellen, Materialflusssimulationen und Gestaltungen der Herstellungsprozesse.

AZARE untersucht beispielsweise, ob ein spezieller Sensor für die jeweilige Anwendung benötigt wird, und unterstützt die Unternehmen bei der Entwicklung.

Ansprechpartner:innen für Querschnittsfunktionen
Prof. Dr. Markus Bender, Experte für mikrotechnische Sensoren
Prof. Dr. Peter Dannenmann, Experte für Funktionale Sicherheit und Mensch-Maschine-Schnittstellen
Prof. Dr. Edeltraud Gehrig, Expertin für mathematische Beschreibung und Modellierung  physikalisch-technischer Strukturen und dynamischer Systeme
Prof. Dr.-Ing. Christian Glockner, Experte für die digitale Fabrikplanung
Prof. Dr. Birgit Scheppat, Expertin für Speicher und Netzstabilisierung (systemische Ansätze Energiesystem)

Langfristig hat Europa entschieden, aus fossilen Brennstoffen auszusteigen und das Energiesystem hin zu regenerativen Energien umzuwandeln. Hinzu kommen die 2015 von den Vereinten Nationen festgelegten Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs), durch die sich Länder weltweit verpflichtet haben, Armut zu beseitigen, nachhaltige und inklusive Entwicklungslösungen zu finden, die Menschenrechte aller zu gewährleisten und generell dafür Sorge zu tragen, dass bis 2030 niemand zurückgelassen wird. Die EU setzt sich dafür ein, die Nachhaltigkeitsziele in allen Politikbereichen umzusetzen. Um die Transformation erfolgreich umzusetzen, muss sie sozialverträglich gestaltet und die unterschiedlichen Akteure müssen eingebunden werden.

Forschungsthemen sind beispielsweise die Akzeptanz in der Bevölkerung, menschliche Präferenzen sowie ökonomische Auswirkungen auf unterschiedliche gesellschaftliche Gruppen.

Ansprechpartner für Sozioökonomie:
Prof. Dr. Thomas Heimer, Experte für Dekarbonisierung im Verkehrs- und Gebäudesektor
Prof. Dr. Matthias Kowald, Experte für die Untersuchung des Mobilitätsverhaltens und die notwendige Mobilitätsinfrastruktur