Wir haben die Energie! - Sonne, Wind, Wärme - bereit für die Wende
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»Rückenwind für
die Forschung!«
Ministerin Stark-
Watzinger im Interview
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Wir haben
die Energie!
Sonne, Wind, Wärme –
bereit für die Wende
Dr. Andrea Herbst,
Fraunhofer ISI Von Herzen
Forschung am
Auto der Zukunft, Puls des Lebens –
Mobilität der Zukunft neue Techniken,
Mehr Diversität für neue Therapien
unsere Straßen
new date:
e
Safe th – 29, 2022
8
Sept. 2
The Quantum
Breakthrough
—
FUTURAS IN RES, Berlin
The second-generation quantum technologies have already will present you the latest R&D advancements and applica-
resulted in an increasing number of practical applications tions in the visionary areas of Quantum Imaging & Optics,
and bear a high innovation potential for the years to come. Quantum Communication, Quantum Sensing and Quantum
Our invited international experts from research and industry Computing. Find out more: www.fraunhofer.de/fir2022
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Editorial
Vorreiter in der
Veränderung
Die Zukunft und die für ihre erfolgreiche Gestaltung er
forderlichen Veränderungen gehören zur DNA der Fraun
hofer-Gesellschaft. Die weltweit führende Organisation für
anwendungsorientierte Forschung mit bald 30 000 Mitar Prof. Reimund
beitenden in 75 Instituten stellt sich den aktuellen wirt Neugebauer
schaftlichen und gesellschaftlichen Herausforderungen.
Hierzu zählen Fragen des klimaneutralen Forschungsbe
triebs ebenso wie die Ausrichtung auf missionsorientierte
Forschung zur Bewältigung großer gesellschaftlicher Her
ausforderungen: Klimawandel, Gesundheit, die Steigerung 30 institutsübergreifende und systemrelevante Forschungs
von Impact für Wirtschaft und Gesellschaft. projekte, die einen nachhaltigen Innovationspush in der
Wirtschaft bewirken. Für kleine und mittlere Unterneh
Mit dem Kompetenzprofil ihrer Institute ist die Fraunhofer- men (KMU) hat Fraunhofer das Programm KMU-akut mit
Gesellschaft gut gerüstet und schafft mit der Fraunhofer einem Volumen von zehn Millionen Euro aufgelegt.
Agenda 2030 die notwendigen Rahmenbedingungen. Profi
lierte Leistungsbereiche müssen Exzellenz im Transfer eben Als den Reichtum seiner Heimat, als »Ersatz für die Güter,
so sicherstellen wie eine Partizipation an öffentlich geförder welche die Natur in allzu kärglichem Maße ausgestellt
ten Großprojekten und Forschungsinfrastrukturen. Mit hat«, hat schon Alexander von Humboldt das »Wissen und
Blick auf die vor uns liegenden Aufgaben und das inhaltliche Erkennen« bezeichnet. In seinem »Entwurf einer physi
und kapazitive Wachstum in den vergangenen sechs Jahren schen Weltbeschreibung« hat er bereits vor 150 Jahren die
fokussiert sich die Fraunhofer-Gesellschaft künftig zudem Lage Deutschlands, wie sie noch 2021 gilt, treffend be
mit einem weiteren Forschungsvorstand systematisch auf schrieben. Nicht Rohstoffe, sondern Wissen und Erkennen
Forschungsinfrastrukturen, Bau, Einkauf sowie die Digitali sind der »Reichtum« Deutschlands.
sierung und den Aufbau eines Wissensmanagements.
Lassen Sie uns dieses Wissen gemeinsam nutzen, um Ver
In Bezug auf die Klimaneutralität hat sich Fraunhofer zu änderungen organisch und zum Wohle aller zu erreichen,
dem Ziel bekannt, die eigene Organisation bis 2030 klima Denn um es noch einmal mit Alexander von Humboldt
neutral zu gestalten. Zur Erreichung dieses Ziels müssen die zu sagen: »Ideen können nur nützen, wenn sie in vielen
klimawirksamen Treibhausgasemissionen um mindestens Köpfen lebendig werden.«
55 Prozent reduziert und durch Kompensationsmaßnah
men ausgeglichen werden. Bis zum Jahr 2045 wird sich Ihr
Fraunhofer der Herausforderung stellen, die THG-Emissio
nen auf nahezu null zu senken. Für die Umsetzung dieses
umfassenden Transformationsprozesses soll die Einrich
Foto: Fraunhofer/Bernhard Huber
tung eines Fraunhofer-Reallabors »klimaneutraler Wissen
schaftsbetrieb« organisatorische Unterstützung leisten.
Reimund Neugebauer
Anwendungsorientierte Forschung und die damit verbun Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft
dene Generierung von ökonomischem, ökologischem und
sozialem Impact zeichnen die Fraunhofer-Gesellschaft be
sonders aus. Zur Unterstützung der deutschen Wirtschaft in
—
Mehr zu den großen Forschungsthemen
und nach der Corona-Pandemie investieren wir in diesem der Fraunhofer-Gesellschaft:
Jahr erneut mehr als 70 Millionen Euro Sondermittel für Prof. Reimund Neugebauer auf LinkedIn
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Inhalt
38
10 Verkehr
Titel
Mobil – aber wie?
Wir haben Das Auto der Zukunft braucht Konzepte
die Energie! der Zukunft. Wie Fraunhofer hilft, den
Verkehr neu zu organisieren.
Regenerativ lautet das Ziel der neuen Bundes-
regierung. Wie die Energiewende gelingen
kann, wissen Fraunhofer-Forschende.
38 Mobilität von morgen:
Für jeden Zweck das passende Mittel
03 Editorial Der Verkehr organisiert sich neu. Die Diversität
nimmt zu – auch auf den Straßen. Clevere
06 Kurz gemeldet, Impressum technische Lösungen und innovative Konzepte
schaffen ganz neue Möglichkeiten, auch in
26 08 Frau Stark-Watzinger, wofür braucht
die Forschung mehr Rückenwind?
Zukunft mobil zu bleiben
Wie bringen Die neue Bundesministerin für Bildung
und Forschung im Interview
42 »Von Verboten halte ich nichts!«
Prof. Uwe Clausen, Vorsitzender der Fraunhofer-
Sie die Allianz Verkehr, ist überzeugt von der Kraft eines
kreativen Ideenwettbewerbs: »Technologien, die
Windräder 10 Wir haben die Energie!
Klimaneutralität ist zu schaffen. Fraun-
nicht gut sind, verschwinden ganz von selbst.«
in Schwung, hofer unterstützt mit neuen Lösungen
46 Per Smartphone sicher unterwegs
Frau 24 3 x 3 Fragen
Ohne Stau und Unfall durch den Stadtverkehr
navigieren – vernetzte Kommunikation
Schwesig? Warum Fraunhofer-Forschende
optimistisch sind für die Energiewende
macht‘s möglich
Mecklenburg-Vorpommern
hat viel Wind und wenig 48 »Unser Ziel ist es, dass das letzte Auto, das
26 Frau Schwesig, wie bringen Sie
Windenergie. Sie will das ein Lenkrad haben wird, ein Porsche ist.«
ändern: Ministerpräsidentin
die Windräder in Schwung? Autonom fahren können – aber lieber selbst
Manuela Schwesig im Mecklenburg-Vorpommerns wiederge- fahren wollen: Marketing-Vorstand Detlev von
Interview. wählte Ministerpräsidentin im Interview Platen über die Zukunft einer deutschen Legende
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30 Mit dem Mikro-U-Boot
ins Gehirn
Krebs, Aneurysmen: Wie ein
winziger Roboter Medikamente
im Körper transportiert
32 Wo ist Emma?
Personensuche, Fahndung:
In enger Zusammenarbeit mit
Fraunhofer hat die Polizei ein
neues Werkzeug bekommen
51
35 Staffellauf des Wissens, Folge 3 Glitzernde
Wann wird Deutschland seinen
Schönheiten
68
Primärenergiebedarf regenerativ
Fotos Cover: Johannes Arlt, istockphoto; Inhalt: Johannes Arlt, Heinz Heiss, Staatskanzlei MV, Sylvio Dittrich/DML-BY, Iconeo, Yves Herman/Reuters/dpa
decken können? Antworten von Erst der Schliff bringt Diamanten
Die Welt
Prof. Hans-Martin Henning zum Strahlen. Fraunhofer hilft
mit Mathematik.
51 Wie Mathematik Diamanten trägt Maske
zum Strahlen bringt
Monat für Monat verbraucht die Welt
Zuschnitt und Schliff entscheiden 129 Milliarden Mund-Nase-Masken.
über den Wert. Eine Software Fraunhofer-Forschenden gelingt die
des Fraunhofer SCAI optimiert Kreislauflösung.
die Verfahren
52 Wenn der Avatar dem Arzt hilft 54 Kevin macht durch 66 Foto & Fraunhofer
Mehr Tempo im Notfall: Das Pati- Der mobile Laborroboter kann 2022 startet Fraunhofer gleich
entenaufnahme-System TEDIAS nächtelang PCR-Tests auswerten – doppelt ins Weltall – mit einem
nutzt die Wartezeit des Patienten zuverlässig und ermüdungsfrei! Messinstrument, das im Klima
wandel den Wasserkreislauf auf
56 Pflegebetrügern auf der Spur der Erde messen soll, und dem
32 Häufig kratzt die Kripo nur an der
Oberfläche – das kann sich durch
Nanosatelliten ERNST
Wo ist Emma? eine neue Software jetzt ändern 68 Die Welt trägt Maske
So kommt das Massen-Utensil der
Und plötzlich ist das Kind weg! Fraunhofer
hilft der Polizei mit einem neu entwickelten 58 Lösungen für ein gesundes Herz Pandemie in den Kreislauf
Messenger bei der Suche. Fachleute am Fraunhofer IPK und
Fraunhofer IKTS wollen Patienten 71 Fraunhofer vor Ort
eine bessere Zukunft ermöglichen
60 Grünes Licht für Phase 2
Prof. Thomas Thum ist einer der
Pioniere der RNA-Therapie – und
hat sie erfolgreich gegen eine 47 Prozent der deutschen Bevölke-
rung können sich bereits jetzt die
Herzerkrankung getestet
Anschaffung eines Elektro-Autos
vorstellen, ermittelte das »Soziale
62 Fraunhofer international Nachhaltigkeitsbarometer 2021« –
trotz Mängel bei der Ladeinfra
64 Stimme aus der Wirtschaft struktur. Die repräsentative Studie
zeigt: Rund die Hälfte der Befragten
Das Logistikunternehmen Dachser
ist bereit für die Verkehrswende.
SE erwirtschaftet mehr als fünf Sie soll aber bezahlbar bleiben.
Milliarden Euro Umsatz. CDO
47
Stefan Hohm arbeitet daran, der
Branche mit Open Logistics neue
Möglichkeiten zu erschließen
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Laub besser nutzen
Kurz gemeldet
Laub verrottet langsam, brennt aber gut. Forschende des
Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Ener-
gietechnik UMSICHT wollen es daher zur klimaneutralen
Energiegewinnung in Biomassefeuerungen nutzen. Selbst
die Asche ließe sich noch verwerten: Die darin enthalte-
nen Nährstoffe könnten sich als Dünger eignen.
Im Herbst fallen in deutschen Städten und Kommunen
620 000 bis 740 000 Tonnen Laub – mehr als die gesamte
jährliche Abfallmenge der Millionenstadt Köln. Um rut-
schige Straßen, Gehwege und verstopfte Straßenrinnen
zu vermeiden, muss die Straßenreinigung das Laub zeit-
nah beseitigen. Üblicherweise landet die gesammelte Bio-
masse auf Kompostieranlagen. Das Problem: Dort blockiert
es verhältnismäßig lange die Kapazitäten.
Eine alternative Verwertung könnte die Verbrennung
sein. Dabei ist die inhomogene Zusammensetzung des Laubs
jedoch eine Herausforderung. Erdanhaftungen, Steine oder
Sand verunreinigen es. Bis zu 50 Prozent der Asche stam-
men nicht aus den welken Blättern, was die spätere Nut-
zung als Dünger erschwert. Hinzu kommen, je nach Wit-
terung, die unterschiedlichen Feuchtegehalte und ein sai-
sonal stark abweichendes Aufkommen. Um konstant einen
kosteneffizienten und nachhaltigen Brennstoff zu erhalten,
werden daher in dem Projekt LaubCycle entsprechende
Laub könnte klimaneutrale Energie liefern –
und auch noch als Dünger dienen. Aufbereitungs- und Lagerungsverfahren untersucht.
3D-Modell hilft
Frühchen retten
Die Lunge ist bei Frühgeburten vor der 35.
Schwangerschaftswoche noch nicht vollständig
ausgereift. Dadurch sind die Atemwege anfäl-
lig für Komplikationen. Dr. Claire Fabian vom
Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immu-
nologie IZI hat zusammen mit ihrer Kollegin Dr.
Mandy Laube von der Universität Leipzig ein in-
novatives dreidimensionales Zellkulturmodell Droht eine Frühgeburt, wird in der Regel mithilfe von
erstellt, ein sogenanntes Organoid der unreifen Kortison die Lungenreifung beschleunigt.
Lunge. Es soll die Entwicklung neuer Therapien
und Wirkstoffe für Frühgeborene erleichtern und die für das frühgeborene Kind lebenswichtigen
Tierversuche überflüssig machen. Funktionen zu verbessern.
Organoide spiegeln wesentliche Aspekte der Eine Störung der fetalen Lungenentwicklung
strukturellen Gewebeorganisation und Organ- kann schwerwiegende klinische Folgen für das
funktion wider und können zur Modellierung von Neugeborene haben wie das akute Atemnotsyn-
Entwicklungs- und Krankheitsprozessen verwen- drom oder die chronische Lungenerkrankung
det werden. Das neue 3D-Modell bildet die Lunge Bronchopulmonale Dysplasie, die unter anderem
in ihrer vorgeburtlichen Entwicklung ab und er- zu einem dauerhaft erhöhten Sauerstoffbedarf
möglicht, die Organreifung zu untersuchen und und vermehrten Atemwegsinfekten führt.
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Porzellan-Kunst
aus dem Drucker
Mit einem innovativen 3D-Druckverfahren Impressum
ist es dem Fraunhofer-Institut für Keramische Fraunhofer. Das Magazin,
Technologien und Systeme IKTS gelungen, Zeitschrift für F orschung,
wertvolle Exponate der weltberühmten Dres- Technik und Innovation.
ISSN 1868-3428 (Printausgabe)
dener Porzellansammlung zu restaurieren. ISSN 1868-3436 (Internetausgabe)
Begründet wurde die Sammlung von August
Herausgeber:
dem Starken Anfang des 18. Jahrhunderts. Fraunhofer-Gesellschaft
Einige Jahre lang war er in Europa der Ein- Hansastraße 27c, 80686 München
zige, der das Geheimnis der Herstellung des Redaktionsanschrift wie Herausgeber
Telefon +49 89 1205-1301
exotischen Materials aus China kannte. magazin@zv.fraunhofer.de
Die neue Methode des Fraunhofer IKTS er- www.fraunhofer.de/magazin
laubt es zukünftig, Porzellankunst detailge-
Kostenloses Abonnement:
treuer und langlebiger als bisher zu restaurie- Telefon +49 89 1205-1301
Die Energie- und Ökobilanz lässt sich
ren. Aktuell müssen Restauratoren die benö- publikationen@fraunhofer.de
mit reibungsarmen Motoren und
tigten Kleinteile entweder händisch aus Getrieben deutlich verbessern. Redaktion:
Porzellan formen oder auf nicht dauerhaft be- Roman Möhlmann (V.i.S.d.P.),
Fotos: Chris Lawton/unsplash, Adobe Stock, Adrian Sauer/Porzellansammlung, Staatliche Kunstsammlungen Dresden, istockphoto
ständige Kunststoffe ausweichen, wenn sie 3D- Josef Oskar Seitz (Chefredaktion),
Läuft wie
Dr. Sonja Endres
Drucker einsetzen wollen. »Nun wird es mög-
lich, höherwertige oder sogar originalgetreue Redaktionelle Mitarbeit:
Materialien wie eben Porzellan zu verdrucken«, geschmiert Dr. Janine van Ackeren, Mandy Bartel,
Christine Broll, Meike Grewe, Sirka
erklärt Dr. Tassilo Moritz, der das Projekt Res- Henning, Michael Krapp, Dr. Monika
taurAM im Fraunhofer IKTS geleitet hat. An nahezu reibungsfreien Motoren und Offenberger, Tim Schröder, Franziska
Sell, Mehmet Toprak, Britta Widmann
»Die Resultate sind grandios«, bestätigt Res- Getrieben arbeiten Forschende des Fraun-
tauratorin Heike Ulbricht von den Staatlichen hofer-Instituts für Werkstoff- und Strahl- Layout + Litho:
Vierthaler & Braun
Kunstsammlungen Dresden. »Dieses Verfahren technik IWS. Verbesserte superharte Koh-
Titelbild und Fotografie
hat das Potenzial, sich zu einer wichtigen Er- lenstoffbeschichtungen sollen beispiels- der Titelstrecke »Energie«:
gänzung für die Restaurierung wertvoller weise Elektrofahrrädern mehr Reichweite Johannes Arlt
Fotograf »Mobil – aber wie?«:
Kunstgegenstände aus Porzellan zu entwickeln.« pro Akkuladung verschaffen oder helfen,
Heinz Heiss
Zudem hofft sie auf einen Schub für den digi- Industriemaschinen energieeffizienter zu Druck:
talen Austausch zwischen nationalen wie auch betreiben, weil Reibung und Abwärme re- hofmann infocom GmbH, Nürnberg
internationalen Kunstsammlungen. Denn die duziert werden. © Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Vasenfragmente müssen für den 3D-Druck zu- Das Konzept: Die Ingenieure versetzen München 2021
vor eingescannt werden. Die dabei entstehen- die bereits reibungsarmen Kohlenstoff- Fraunhofer in Social Media:
den 3D-Daten könnten Museen in Zukunft mit schichten im Motor zusätzlich mit Fremd-
@Fraunhofer
ähnlichen, aber an anderen Stellen beschädig- atomen zum Beispiel aus Bor. Im Motor
ten Exponaten abgleichen. verbinden sich die Fremdatome dann che- www.facebook.com/
misch mit bestimmten Schmierstoffmo- fraunhoferde
lekülen und erzeugen im laufenden Betrieb www.instagram.com/
ultraschmierende Grenzflächen. Im Ver- fraunhofergesellschaft
gleich zu heutigen Lösungen sollen sie die www.linkedin.com/company/
Der abgebrochene Reibung im Motor halbieren. Die Forschen- fraunhofer-gesellschaft
Rüssel der histori- den schätzen, dass reibungsärmere Moto- www.youtube.com/
schen Elefantenkopf-
ren allein in Deutschland jährlich bis zu fraunhofer
Vase konnte durch
das neue Verfahren
zwei Terawattstunden Energie und damit
originalgetreu rund 520 Kilotonnen CO2 einsparen könn-
rekonstruiert werden. ten. Das entspricht in etwa der Energie, die
800 000 Zweipersonenhaushalte in einem
Jahr verbrauchen. Die ersten ultraschmie-
renden Motoren aus dem Forschungsprojekt
»Prometheus« treiben voraussichtlich ab
2025 Serienfahrzeuge an.
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»Der finanzielle Interview
Rückenwind sollte
spürbar sein«
Zum ersten Mal seit 1965 besetzt die FDP
Finanz- und Forschungsministerium. Die neue
Forschungsministerin Bettina Stark-Watzinger
über ihren Ehrgeiz, ihre Neugier und ihre
Pläne für die Forschung in Deutschland.
Interview: Josef Oskar Seitz
Frau Stark-Watzinger, Ihr Motto ist: »Die
Zukunft gehört denen, die etwas tun.« Was werden
Ihre ersten Zukunftsaufgaben sein, die Sie angehen
Bettina Stark-Watzinger, 53, ist am 8. Dezember als
als Ministerin für Bildung und Forschung? Bundesministerin für Bildung und Forschung vereidigt
Bettina Stark-Watzinger: Als Koalition wollen wir worden. Vor ihrer Politik-Karriere leitete die Diplom-
mehr Fortschritt wagen. Dabei kommt Bildung und Volkswirtin als Geschäftsführerin das heutige Leibniz-
Forschung eine Schlüsselrolle zu. Sie sind die bedeut- Institut für Finanzmarktforschung.
samsten Fortschrittsbeschleuniger unseres Landes. Es
ist mein Ehrgeiz, auf das bisher Erreichte aufzubauen
und zügig die Projekte des Koalitionsvertrages in mei-
nem Bereich anzustoßen. überhaupt erst möglich zu machen, zum Erfolg zu füh-
Die Corona-Pandemie hat den notwendigen Moder- ren und nachhaltig zu finanzieren. Das hilft mir nun
nisierungsschub in der Bildung offengelegt. Deshalb als Bundesforschungsministerin. Dazu ein Beispiel:
liegt mir die Beschleunigung und Entbürokratisierung Mir ist wichtig, dass die Balance zwischen Grundfi-
des Digitalpakts besonders am Herzen. Das BAföG soll nanzierung und Projektförderung ausgewogen ist. Die
reformiert und elternunabhängiger gemacht werden. Grundfinanzierung darf nicht zugunsten der Projekt-
Und mit dem Startchancen-Programm wollen wir mittel abgeschmolzen werden.
denjenigen Kindern und Jugendlichen zusätzliche
Unterstützung geben, die sie besonders brauchen. Die Wir gehen gerade von einem Krisenjahr 2021
vielfältigen Herausforderungen können wir nur mit in ein Jahr 2022, das wieder in der Krise beginnt. Was
Forschung und Transfer bewältigen. Handlungsfelder erwarten Sie sich von der Forschung, um Deutschland
sind exzellente Forschung, Daten und die Agenturen. resilienter zu machen?
Die Wissenschaft leistet hier bereits Hervorragendes,
Sie selbst haben ja vor Ihrer Politik-Karriere von der Gesundheits- über die Arbeits- bis zur Klima-
als Geschäftsführerin ein Forschungsinstitut geleitet. forschung. Zunächst einmal ist es jedoch Aufgabe der
Was haben Sie davon mitgenommen für Ihre neue Politik, unsere Gesellschaft widerstandsfähiger zu
Aufgabe? machen – im umfassenden Sinne. Resilienz bedeutet
Ich habe in dieser Zeit einen tiefen Einblick in den nicht nur, eine konkrete pandemische Lage oder ein
Alltag von Forscherinnen und Forschern und großen einzelnes Extremwetterereignis schnell und gut zu
Respekt vor ihrer Arbeit bekommen. Ihre Neugierde meistern. Sondern Deutschland muss in Gänze resilien-
begeistert mich bis heute jeden Tag. Ich habe mir vor- ter werden. Das gilt mit Blick auf die Energie- und Roh-
genommen, auch so neugierig zu bleiben. Als Öko- stoffversorgung, und natürlich auch mit Blick auf die
nomin war es für mich natürlich naheliegend, in der Wettbewerbsfähigkeit im Allgemeinen. Nur so sichern
finanzwissenschaftlichen Forschung tätig zu sein, in wir auch langfristig unsere Zukunftsfähigkeit und
der ich mich zu Hause fühle. Zudem habe ich dadurch Chancen. Die neue Bundesregierung will deshalb die
selbst erlebt, welche Herausforderung es ist, Forschung Souveränität Deutschlands und Europas in dieser Frage
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weiter erhöhen. Denn wir wollen diese und künftige sich ändernden globalen Lage ein starker Akteur sein
Krisen rasch und verantwortungsbewusst überwinden. und seine technologische Souveränität im europäischen
Forschung kann uns dabei helfen, indem sie möglichst Verbund weiter ausbauen. Die weltweite Sichtbarkeit, die
frühzeitig Risiken identifiziert und mögliche Lösungen Deutschland durch die Entwicklung des ersten mRNA-
vorausdenkt und erprobt. Meine Erwartung ist, dass Impfstoffs erlangt hat, wollen wir nutzen, um zum inter-
auch künftig Forschung die Grundlage dafür legen national führenden Biotechnologie-Standort zu werden.
wird, dass wir evidenzbasiert politisch entscheiden Den Rückenwind für die Forschung erzeugen wir aber
können, auch unter hohem zeitlichem Druck in aktuel- nicht allein durch zusätzliches Geld. Durch eine regel-
len Notlagen. Mir ist es daher sehr wichtig, Forschungs- mäßige und umfassende Wirkungsprüfung werden wir
förderung so auszurichten, dass zukunftsträchtige außerdem die Effektivität und Effizienz von staatlichen
Innovationen möglich werden, Maßnahmen generell bewerten und
ausgehend von der Grundlagen- uns neue Spielräume erarbeiten.
forschung über die angewandte
Forschung bis zur experimentellen
»Ich habe Für die FDP – und auch für
Entwicklung. Eine wichtige Voraus- selbst erlebt, Fraunhofer – stehen Klimaschutz
setzung für diese Innovationskraft und Wirtschaftswachstum nicht im
ist dabei Technologieoffenheit. In der welche Widerspruch. Energiewende, Ver-
Pandemie waren wir auch deswegen
in der Lage, eine schnelle wissen-
Herausforderung kehrswende, Kreislaufwirtschaft
sind in diesem Fraunhofer-Magazin
schaftliche Antwort zu finden, weil es ist, Forschung wieder die großen Themen unserer
auf relevante Grundlagenforschung Forschungsgesellschaft. Was werden
zurückgegriffen werden konnte. Des- möglich zu Sie tun, um Forschungsergebnisse
halb wollen wir die freie, von wis-
senschaftlicher Neugier getriebene
machen!« noch schneller in die Anwendung
und in die Wirtschaft zu bringen?
Grundlagenforschung weiterhin so Bettina Stark-Watzinger Deutschland ist in einer guten
umfassend unterstützen. Startposition. Wir müssen aber die
Mein Anspruch ist: Weltspitze Vernetzung zwischen Wissenschaft
bis hin zum Nobelpreis-Niveau. Eine zentrale Rolle und Wirtschaft und den Transfer deutlich verbes-
wird grünen Zukunftstechnologien für klimaneutrale sern. Dabei ist für mich Transfer keine Einbahnstraße
Energieträger und ressourceneffizientes Wirtschaften von der akademischen Forschung in die Wirtschaft,
zukommen. Ich erwarte, dass wir hier in den nächsten sondern ein Kreislauf. Das bedeutet, dass diejenigen,
Jahren wissenschaftliche Durchbrüche erzielen, die die Forschungsergebnisse am Ende anwenden oder
Deutschland zum globalen Technologievorreiter für Prototypen weiterentwickeln, von Anfang an in den
die Themen Klima, Energie und Kreislaufwirtschaft Forschungsprozess eingebunden werden. Dies können
machen. Expertinnen und Experten aus der Wirtschaft, aber
auch professionelle Anwender wie Ärztinnen und Ärzte
Herzlichen Glückwunsch, Sie haben einen gu- oder die Bürgerinnen und Bürger als Nutzer sein.
ten Draht zum Finanzminister – zum ersten Mal seit Ein Schwerpunkt wird die Gründung und der Auf-
1965 besetzt die FDP diese beiden Ministerien. Wofür bau der Deutschen Agentur für Transfer und Innova-
braucht die Forschung mehr finanziellen Rückenwind? tion (DATI) sein, die soziale und technologische Inno-
Angesichts der Herausforderungen, vor denen unser vationen insbesondere an den HAW sowie den kleinen
Land steht, wie Digitalisierung, Demografie und und mittleren Universitäten in Zusammenarbeit
Foto: Thomas Trutschel/photothek/imago images
Klimawandel, sollte der finanzielle Rückenwind schon unter anderem mit Start-ups, kleinen und mittleren
deutlich spürbar sein. Wir brauchen ihn für mehr In- Unternehmen sowie sozialen und öffentlichen Organi-
novation, Wettbewerbsfähigkeit und klimaneutralen sationen fördert. Weiterhin werden wir Innovations-
Wohlstand. Deshalb haben wir das 3,5-Prozent-Ziel im regionen nach britischem Vorbild schaffen und dafür
Koalitionsvertrag verankert. Ich möchte, dass dieser Handlungsspielräume des nationalen wie europäischen
Rückenwind genutzt wird, um den wissenschaftlichen Rechts nutzen und ausweiten. Ich setze hierbei auf eine
Fortschritt zu erzielen, den wir dringend brauchen. missionsorientierte Forschungspolitik, die frühzeitig
Auch damit schaffen wir Chancen. Handlungsbedarf alle Beteiligten und insbesondere die späteren Anwen-
sehe ich insbesondere beim Erreichen unserer Klima- der einbindet. Die Chancen der Digitalisierung werden
und Nachhaltigkeitsziele. Zudem wird der internationale wir nutzen und Datenpotenziale gezielt heben. Die
Wettbewerb auch in Schlüsseltechnologien wie der Innovationsförderung des Bundes soll für gesellschaft-
Künstlichen Intelligenz oder den Quantentechnologien liche, soziale und ökologische Innovationsvorhaben
weiter zunehmen. Deutschland muss und will in dieser konsequent geöffnet werden.
9
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Titel
Sonnenenergie
nutzen, ohne für
die Produktion
von Solarzellen
zu viel CO2 zu
verbrauchen:
Daran arbeitet
Lukas Wagner vom
Fraunhofer ISE.
104 | 21
Wir haben
die Energie!
Die Wende ist machbar:
Sonne, Wind, Wasserstoff, Geothermie –
viele Wege führen zum Ziel.
Von Dr. Janine van Ackeren, Fotografie: Johannes Arlt
114 | 21
E
s ist kalt geworden in Deutsch- 2045« veröffentlicht. Die Ergebnisse in
land, und der Winter macht es Kurzform: erneuerbarer Strom, grüner
deutlich: Energie ist lieb – und Wasserstoff und grüne E-Fuels werden
teuer. Das spürt der Autofah- die wichtigsten Energieträger. Die erneu-
rer bei deutlich gestiegenen Preisen an den erbaren Energien müssen bis 2030 massiv
Zapfsäulen. Das fühlt auch jeder, der es in ausgebaut werden. Der Ausstieg aus der
der Wohnung warm haben will. Verviel- Kohleenergie wäre demnach tatsächlich
facht hat sich der Gaspreis, allein von April 2030 möglich – was die Regierungspar-
bis November ist er um 400 Prozent ge- teien in ihrem Koalitionsvertrag als Ziel
stiegen. Doch wächst nicht nur der Druck, »idealerweise« festgeschrieben haben.
Energie intelligent zu steuern und einzu- Die Forscherinnen und Forscher ana-
sparen. Für den Einzelnen bieten erneuer- lysierten sechs verschiedene Szenarien zur
bare Energien dank deutlich gesunkener Erreichung der Klimaziele, dazu vier Tech-
Preise immer mehr Chancen, billig und nologieschwerpunkte: direkte Elektrifi-
umweltfreundlich seinen Energiebedarf zu zierung, Wasserstoff, synthetische E-Fuels
decken. Für die Gemeinschaft geht es ums wie Methan und einen Energiemix. Betei-
Klima. Das Klimaschutzgesetz gibt das Ziel ligt waren aus dem Fraunhofer-Exzellenz-
»Wir können die Klimaneutralität
bis 2045 erreichen. Doch ist das
mit sehr großen Anstrengungen
verbunden.«
Dr. Andrea Herbst, Fraunhofer ISI
vor, Deutschland bis 2045 zu e inem klima- cluster CINES neben dem Fraunhofer ISI
neutralen Land werden zu lassen. Dafür auch die Fraunhofer-Institute für Solare
muss die Netto-Emissionsbilanz auf null Energiesysteme ISE, für Energiewirtschaft
gedrückt werden. Als Zwischenziel bis und Energiesystemtechnik IEE sowie die
2030 sollen die Treibhausgasemissionen Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfra-
gegenüber 1990 um mindestens 65 Pro- strukturen und Geothermie IEG.
zent gesenkt werden. Es gibt eine gute
Nachricht. »Wir können die Klimaneut- Die Ziele sind ehrgeizig. In der Industrie
ralität bis 2045 erreichen«, sagt Dr. Andrea müssten die CO2-Emissionen schon bis
Herbst. Allerdings fügt die wissenschaft- 2030 um 57 Prozent reduziert werden.
liche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut »Sehr herausfordernd sind insbesondere
für System und Innovationsforschung ISI Hochtemperaturprozesse wie Öfen und
auch gleich hinzu: »Doch ist das mit sehr die Dampferzeugung, ebenso die Pro-
großen Anstrengungen verbunden.« zessemissionen, die durch chemische Re-
aktionen entstehen«, erklärt Herbst, Co- Leuchtende Zukunft:
In der Ariadne-Studie
Zusammen mit mehr als 50 Forschenden Leiterin des Ariadne-Arbeitspakets Indus
sieht Dr. Andrea
aus diversen Institutionen hat Herbst triewende. Es sind daher schnell Investitio- Herbst Deutschland
kürzlich die Studie »Ariadne – Deutsch- nen nötig, ebenso ein Austausch von An- auf dem Weg zur
land auf dem Weg zur Klimaneutralität lagen, bevor diese ihr Lebenszeitende Klimaneutralität.
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erreicht haben. Dazu kommt: Die Industrie tigste Energiequelle werden wird«, sagt Dr. santes Wachstum der Photovoltaik ist
muss von bisher günstigen Energiequellen Jan Christoph Goldschmidt, langjähriger durchaus möglich. Doch braucht es dafür
auf zunächst teurere nachhaltige Energie- Mitarbeiter am Fraunhofer ISE und seit sowohl effizientere Herstellungstechno-
quellen wie Strom oder Wasserstoff um- Kurzem Professor für Experimentalphy- logien als auch Recyclingstrukturen für
schwenken. Dies ist nur mit einer Erweite- sik an der Philipps-Universität Marburg. die Altanlagen. »Um das Ziel zu erreichen,
rung des regulatorischen Rahmens, welche »Rund die Hälfte des weltweiten Stroms müssen wir mit voller Kraft die heutigen
deutlich über die derzeit implementierten muss langfristig von der Sonne kommen. Solarzellen installieren und gleichzeitig
und beschlossenen Maßnahmen hinaus- Das heißt: 2050 sollten 20 bis 80 Terawatt die Innovation vorantreiben«, betont Gold-
geht, möglich – Stichworte CO2-Bepreisung, schmidt. Die Entwicklung bei den Solar-
Forschungs- und Investitionsförderung, zellen lässt sich über Lernkurven beschrei-
Schließung der Wirtschaftlichkeitslücke ben: So ist nicht nur der Preis stetig
und Ordnungsrecht. Wichtig auch: Strom gesunken, sondern auch der Energiebedarf
und Wasserstoff müssen rund um die Uhr bei der Herstellung sowie der Silberver-
und in ausreichenden Mengen zur Verfü- brauch.
gung stehen. »Die Versorgungssicherheit
ist da ein ganz großes Thema«, sagt Herbst. Allerdings dürfte im Jahr 2100 mehr Glas
Auch im Bereich der Wärmewende sind die
Die Bedeutung der für die Photovoltaikproduktion benötigt
Ziele sportlich: Bis 2030 muss die jährli- Photovoltaik wächst werden, als derzeit weltweit hergestellt
che Sanierungsrate auf 1,5 bis zwei Prozent rasant: durchschnittlich wird. Kritisch könnte die Versorgungs-
steigen, fünf Millionen Wärmepumpen lage bei Metallen wie Silber werden:
müssen installiert und etwa 1,6 Millio-
jedes Jahr um 38 Der Gesamtverbrauch könnte sich bes-
nen Gebäude neu an das Fernwärmenetz Prozent. Waren Anfang tenfalls nahe dem heutigen Niveau von
angeschlossen sein. Kurzum: Um Deutsch- der 1990er-Jahre rund 2860 Tonnen pro Jahr bewegen –
land in weniger als 25 Jahren klimaneutral ein gleichbleibendes Innovationstempo
zu machen, ist die neue Bundesregierung
weltweit erst rund vorausgesetzt. Auch in puncto Herstel-
gezwungen, sehr schnell sehr viel auf den 100 000 Kilowatt lungsenergie macht die Studie Mut: Der
Weg zu bringen. installiert, kam der Energieverbrauch für die Produktion von
Photovoltaiksystemen dürfte sich bei etwa
Wie die Energiewende gelingen kann,
Sonnenstrom 2020 vier Prozent des Stroms einpendeln, den
hat der Fraunhofer-Verbund CINES wei- bereits auf 700 die Solarzellen liefern. Damit würde er in
terhin in einer Energiesystemanalyse Millionen Kilowatt. der gleichen Größenordnung liegen wie
untersucht – und sieben Empfehlungen der Eigenenergieverbrauch bei den fossi-
für die neue Bundesregierung ausgespro-
Bleibt es bei diesem len Energieträgern.
chen. So raten die Experten beispielsweise Wachstum, werden Aber auch hier ist Innovation notwen-
dazu, für die Industrie einen klaren Rah- 2035 etwa 60 dig: Würden viele Photovoltaik-Module
men zu schaffen und Unternehmen auf mit Kohlestrom hergestellt, würde dies
diese Weise Investitionen in CO2-neutrale
Milliarden Kilowatt einen signifikanten Teil des CO2-Budgets
Produktionstechniken zu erlauben. Auch installiert sein. aufbrauchen. Doch ist Photovoltaik nicht
gilt es, Perspektiven für die Abscheidung gleich Photovoltaik, was den CO2-Ruck-
und Speicherung von CO2 zu erarbeiten. sack angeht. »Mit PV-Modulen, die in der
Und: Ein stark beschleunigter Ausbau von EU hergestellt wurden, spart man 40 Pro-
Wind- und Solarenergie ist das Rückgrat Photovoltaik-Leistung installiert sein, zent an CO2-Emissionen im Vergleich zu
der Energiewende. 2100 dann 80 bis 170 Terawatt.« Zum Ver- Modulen, die aus China importiert wur-
gleich: Ein Atomkraftwerk hat eine Leis- den«, erklärt Neuhaus, Abteilungsleiter am
tung von etwas über einem Gigawatt, also Fraunhofer ISE. Das ergab eine weitere
Die Sonne 0,001 Terawatt.
Doch ist mit einem solchen Ausbau der
Studie des Fraunhofer ISE. Allerdings: Im
Jahr 2019 wurden 76 Prozent aller Solar-
Photovoltaik ein hoher Ressourcenbedarf zellen und 71 Prozent der PV-Module in
»Nimmt man an, dass sich die Menschheit verbunden. Eine neue Studie des Fraun- China produziert.
als Ganzes für die kostengünstigste Alter- hofer ISE und des Potsdam-Instituts für Die Grundlage für die Studie bildete
native entscheidet, kommt man zu dem Klimafolgenforschung PIK beleuchtet die- ein Tool des Fraunhofer ISE zur Kosten-
Ergebnis, dass die Photovoltaik die wich- ses Manko. Das Ergebnis: Ein derart ra- kalkulation, das jeden einzelnen Herstel-
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lungsschritt abbildet – vom Rohsilizium setzen. Dabei würde allein die Menge an Im Jahr 2009 zufällig für den Einsatz
über die Waferherstellung bis hin zur So- Kupfer, die in Deutschland recycelt wird, in der Photovoltaik entdeckt, spielen me-
larzellen- und Modulherstellung. »Wir für den zukünftigen globalen Bedarf in tall-organische Perowskite bereits in der
können klare Aussagen dazu treffen, wie der Solarzellenherstellung ausreichen. Königsklasse mit. »Die Perowskit-Solar-
viel Energie für die Herstellung eines spe- Der energieeffizienten Herstellung von zellen haben heute schon Wirkungsgrade,
ziellen Moduls benötigt wird und wie groß Photovoltaikmodulen widmet sich die die höher sind als die der meisten etab-
sein CO2-Rucksack in verschiedenen Län- Firma NexWafe, die ebenfalls aus einer lierten Technologien – nur monokristal-
dern ist«, erläutert Dr. Holger Neuhaus, Ab- Technologie des Fraunhofer ISE hervor- lines Silizium und GaAs (Galliumarsenid)
teilungsleiter am Fraunhofer ISE. »Den gegangen ist. Mithilfe eines innovativen sind noch ein wenig effizienter«, schwärmt
Unterschied macht vor allem der Energie- Produktionsverfahrens ist es ihnen gelun- Wagner. Was die Perowskite so besonders
mix, auf den das jeweilige Land setzt. Wäh- gen, Silizium-Wafer, das Herzstück jeder macht: Sie werden aus einer leicht hand-
rend in China ein großer Teil der Energie Photovoltaikzelle, wesentlich effizienter habbaren Lösung hergestellt und bilden
über Kohleverbrennung erzeugt wird, herzustellen als bisher möglich. einen sehr dünnen – genauer gesagt einen
stammen in Deutschland mittlerweile über 300 bis 500 Nanometer hohen – Kristall-
50 Prozent des benötigten Stroms aus er- Um den CO2-Rucksack der europäischen film. Zum Vergleich: Silizium ist 180 Mi-
neuerbaren Energiequellen.« Der Trans- Solarzellen weiter zu minimieren, kommt krometer, also 180 000 Nanometer dick.
port der Solarzellen von China nach eine innovative Technologie wie gerufen: Die Perowskit-Solarzellen lassen sich somit
Deutschland schlägt dagegen nur mit drei Gedruckte Solarzellen aus Perowskiten – sehr materialeffizient herstellen. »Am
Prozent höheren Emissionen zu Buche. also aus Doppelsalzen, die aus einem or- Fraunhofer ISE entwickeln wir druckbare
Unterschiede in der CO2-Bilanz weisen auch
die verschiedenen Solarzellen-Typen auf:
So werden bei der Herstellung der rahmen-
losen Glas-Glas-Module 7,5 bis 12,5
Prozent weniger klimaschädliche Gase
emittiert als bei PV-Modulen mit Rück-
»Die Perowskit-Solarzellen haben
seitenfolien. Rechnet man noch die deut- heute schon Wirkungsgrade, die
lich längere Lebenszeit der Glas-Glas-Mo-
dule mit ein, so entstehen sogar 22 bis 27 höher sind als die der meisten
Prozent weniger CO2-Emissionen. Dennoch
gilt es ob dieser Untersuchungen eines zu
etablierten Technologien.«
betonen: Obwohl Solarzellen aufgrund Lukas Wagner, Fraunhofer ISE
ihrer Herstellung natürlich nicht vollkom-
men emissionsfrei sind, ist diese Emission
40-mal geringer als die, die bei der Förde-
rung und Verbrennung von Braunkohle
entsteht.
ganischen und einem metallischen Salz Solarzellen, die mit einem Siebdrucker oder
Das Fraunhofer ISE belässt es jedoch nicht bestehen und sich bei Raumtemperatur Tintenstrahldrucker auf eine Glasplatte
bei der Theorie der Studien, sondern ent- aus einer Lösung kristallisieren lassen. aufgebracht werden – möglich sind auch
wickelt auch die nötigen Technologien, »Bei der Herstellung von Perowskit-So- Rolle-zu-Rolle-Verfahren«, erläutert Wag-
um das Innovationstempo aufrechtzu- larzellen wird nur das CO2 ausgestoßen, ner. »Unsere Vision: Wir übernehmen zur
erhalten. Etwa im Bereich des Silberver- das man für die Herstellung des Glas- Herstellung der Perowskit-Solarzellen eta-
brauchs. So konnte der Materialverbrauch substrates braucht – verglichen mit der blierte Prozesse aus der Automobilglas-
von Silber um etwa 20 Prozent reduziert allerneusten Siliziumtechnologie ist das industrie und machen sie tauglich für die
und der Wirkungsgrad um ein Prozent ge- nur ein Achtel«, weiß Dr. Lukas Wagner zu Massenproduktion. So kann die deutsche
steigert werden, indem die Kontakte dün- berichten, Wissenschaftler am Fraunhofer Glasindustrie zum Photovoltaikhersteller
ner gestaltet wurden. Diese Technologie ISE. Auch die Kosten für die Perowskit- werden«, sagt Wagner.
wird mittlerweile von der Fraunhofer- Solarzellen sind niedrig: Eine Modulfa- Der Wirkungsgrad der neuartigen So-
Ausgründung Highline weiter vorange- brik in Deutschland wäre um 80 Prozent larzellen wird im EU-Projekt UNIQUE,
trieben. Die Fraunhofer-ISE-Ausgründung günstiger als eine herkömmliche Silizi- geleitet vom Fraunhofer ISE, hochgetrie-
PV2plus dagegen konnte die Silberkontak- um-Photovoltaik-Fabrik, die Solarzellen ben – hier kommen alle Player für die
te gänzlich durch Kontakte aus Kupfer er- selbst wären um 50 Prozent billiger. druckbaren Solarzellen zusammen.
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»Bei der Herstellung von Perowskit-
Solarzellen wird nur das CO2 ausge-
stoßen, dass man für die Herstellung
des Glassubstrates braucht – vergli-
chen mit der allerneusten Silizium-
technologie ist das nur ein Achtel.«
Lukas Wagner, Fraunhofer ISE
Grüne Hoffnung:
Gedruckte Solarzellen
aus Perowskiten –
Doppelsalzen, die sich
bei Raumtemperatur
aus einer Lösung
kristallisieren lassen.
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Das langfristige Ziel: Auf Modulebene gu- jede Solarzelle ist für ihren Spektralbe- dem Labor auf unsere Rolle-zu-Rolle-An-
te Wirkungsgrade von über 20 Prozent zu reich optimiert. lage zu übertragen, würde eine industriel-
erreichen. »Rekordwirkungsgrade werden Im Fraunhofer-Leitprojekt »Manitu« le Massenproduktion in greifbare Nähe
meist über Materialien erreicht, die viel entwickeln das Fraunhofer ISE und die rücken. Die Vorarbeiten im Labor sowie
zu teuer für Hausdächer sind. Wir dagegen Fraunhofer-Institute für Werkstoffmecha- die notwendigen Anlagenumrüstungen
nutzen kostengünstige Materialien und nik IWM, für Silicatforschung ISC, für Mi- werden 2021 abgeschlossen. 2022 könnten
setzen auf Prozesse, die auch für eine Leis- krostruktur von Werkstoffen und Systemen wir die Produktion flexibler Solarzellen
tung von einem Terawatt und mehr ge- IMWS und die Fraunhofer-Einrichtung revolutionieren«, sagt Ludwig Pongratz,
eignet wären – etwa eine Grafitkontaktie- für Wertstoffkreisläufe und Ressourcen- Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut
r ung«, sagt Wagner, der mit seiner strategie IWKS nachhaltige Materialien für Lasertechnik ILT. Bis 2030, hofft Pon
Forschung beim Ideenwettbewerb »Ener- für Tandem-Solarzellen auf Silizium- gratz, könnten die flexiblen Solarzellen
gie-Campus« der Stiftung Energie und Kli- Perowskit-Basis: Dabei wird auf ein Sili- auf dem Markt sein und den Strommix
maschutz vor drei Jahren den zweiten Platz zium-Substrat eine Perowskit-Schicht auf- etwa auf Gewächshäusern oder in Form
belegt hat. Neben dem Wirkungsgrad ar- gebracht. »Diese Tandemsolarzellen von Solarmarkisen sinnvoll ergänzen.
beiten die Forscher auch an der Stabilität versprechen hohe Wirkungsgrade bei nied-
der Perowskit-Solarzellen. »Die Perowskit- rigen Kosten und geringem Ressourcen- Große verglaste Fassadenflächen möch-
Community ist lange am Hotspot-Test ver- verbrauch«, bestätigt Goldschmidt. Im ers- ten auch Forscherinnen und Forscher
zweifelt. Wir konnten jetzt erstmals zeigen, ten Schritt stand ein theoretisches des Fraunhofer-Instituts für Angewand-
dass es geht«, freut sich Wagner. Bei diesem Materialscreening auf der Agenda. »Dabei te Polymerforschung IAP langfristig zur
Test wird eine Zelle abgeschattet – was der haben wir von vorneherein Nachhaltig- Stromerzeugung nutzen. Dazu haben sich
Fall sein kann, wenn beispielsweise ein keitskriterien berücksichtigt – so schließen im vom Wirtschaftsministerium geförder-
Blatt darauf fällt. Klingt harmlos, doch wir giftige Materialien wie Blei ebenso aus ten Projekt CoSoWin Stakeholder aus der
wird die Zelle dann in Rückwärtsspannung wie Materialien, die nicht ausreichend ver- Wertschöpfungskette vom Materialher-
betrieben. Es fließt der gesamte Strom fügbar sind«, sagt Goldschmidt. Mögliche steller über den Fensterbau bis zum Woh-
durch diese Zelle, was zu Beschädigungen Materialien sind bereits identifiziert, auch nungsunternehmen zusammengeschlos-
führen kann. wurden bereits unterschiedliche Materia- sen. Das Fraunhofer IAP bringt mithilfe
Durch die am Fraunhofer ISE verwen- lien synthetisiert. »Es läuft gut an, ich rech- von Nanopartikeln eine Schicht auf Fens-
deten, sehr stabilen Kontaktschichten ne damit, dass wir innerhalb des Projekts terscheiben auf, die das Licht sammelt, an
konnte nicht nur der Hotspot-Test bestan- neue Rekorde erzielen werden«, ist sich die Stirnseite der Glasscheiben leitet und
den werden, solche gedruckten Solarzellen Goldschmidt sicher. Auch Wagner möch- dort einer organischen Solarzelle zuführt.
zeigten auch Lebensdauern von 10 000 te langfristig seine Perowskit-Solarzellen »Zwar ist die Effizienz derzeit mit vier bis
Stunden – das entspricht etwa zehn Jahre zu Tandem-Solarzellen koppeln. sieben Prozent noch recht begrenzt, doch
Dauerbetrieb auf einem deutschen Dach. gehen wir davon aus, zehn Prozent errei-
Ein entscheidender Faktor bei Solar- Solarzellen auf Silizium-Basis sind selbst chen zu können«, sagt Dr. Armin Wedel,
zellen ist der Wirkungsgrad. Bei einzelnen als Einzelzellen im Bereich Stromentste- Abteilungs- und Forschungsbereichsleiter
Silizium-Solarzellen ist dieser auf 29 Pro- hungskosten bislang kaum zu übertref- am Fraunhofer IAP.
zent beschränkt – hier liegt das theoreti- fen. Ergänzend dazu werden zunehmend
sche Wirkungsgradmaximum, höher geht’s auch andere Solarzellen interessant. So
nicht. Verschaltet man jedoch zwei Solar-
zellen zu einem Tandem, sind theoretisch
könnten beispielsweise flexible Solarzel-
len überall dort Strom erzeugen, wo sich
Der Wind
Wirkungsgrade von 40 Prozent möglich, Silizium-Module aufgrund ihrer starren
mit drei Zellen sogar 45 Prozent. Würde Form nicht anbringen lassen, etwa an Bis zum Jahr 2030 ist ein jährlicher Zu-
man unendlich viele Solarzellen überei- Säulen von Windrädern, an gekrümm- bau von mindestens neun Gigawatt Wind-
nanderstapeln, läge das absolute Wir- ten Fassaden oder – im Falle teiltranspa- energie notwendig, um genügend CO2-frei
kungsgradmaximum bei über 85 Prozent. renter Zellen – sogar auf Fensterscheiben erzeugten Strom für Deutschland zu pro-
Der Grund: Während man mit einfachen oder Schatten spendend als Solargardi- duzieren. Maßgeblich zur Erreichung der
Solarzellen das Licht aller Farben einsam- nen. Wirtschaftlich interessant wird das Ziele sind größere und leistungsstärkere
melt, trennt man dies bei Tandem-Zellen. ab einem Wirkungsgrad von 10 Prozent. Windenergieanlagen auf See, ebenso die
Sie teilen sich quasi die Arbeit in die unter- Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad von Si- Optimierung des Anlagenbetriebs und
schiedlichen Wellenlängenbereiche auf: lizium-Solarzellen liegt derzeit bei rund eine Verringerung der Ausfallzeiten.
Die obere Zelle »sieht« nur das blaue Licht, 25 Prozent. »Sollte es uns gelingen, den Windenergie basiert auf einer techno-
die darunter nur das grüne und so weiter, Wirkungsgrad von über 10 Prozent aus logisch hochentwickelten Anlagen-
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technik, die auch das Ergebnis einer Viel- weitere Herausforderungen: Da das Fun- können«, sagt Dr. Benedict Preu, Abtei-
zahl innovativer Forschungsprojekte ist. dament auf See sehr teuer ist, werden mög- lungsleiter Baugrunderkundung beim
In den vergangenen fünf Jahren hat allein lichst große Anlagen errichtet. Der aktuell Fraunhofer IWES. Das innovative Ver-
das Fraunhofer-Institut für Windenergie- größte Prototyp liefert bei einem Rotor- fahren sprach sich unter den Windpark-
durchmesser von 222 Metern eine Maxi- betreibern schnell herum: »Wir haben für
malleistung von 14 Megawatt. Im Vorfeld die nächsten Jahre bereits Anfragen für bis
sind umfangreiche und realitätsnahe Tests zu 120 Millionen Euro aus aller Welt – bei
der Anlagen und ihrer Komponenten not- Weitem mehr, als wir stemmen können«,
wendig. Das Fraunhofer IWES hat dazu freut sich Preu. Nun sollen Lizenzverträge
die Prüfinfrastruktur aufgebaut und unter- helfen, diesem Anfragesturm gerecht zu
stützt die Industrie mit dem Test der neu- werden. Selbst bis in das Versicherungs-
Windenergie ist aktuell esten Prototypen und der ständigen Wei- wesen hinein wirkt sich die Technologie
terentwicklung der Validierungsmethodik. aus: Versicherungen berücksichtigen die
die wichtigste Energie- Untersuchungsmethode des Fraunhofer
quelle für den Klima- Aber nicht nur extreme Stürme sind eine IWES bei der Berechnung der Prämien.
schutz: Im Jahr 2020 Herausforderung für die Hightech-Anla- In einer Weiterentwicklung der Me-
gen auf See – entscheidende Risiken für thode sollen im Boden verlegte Kabel eben-
produzierte sie in den Bau der riesigen Anlagen liegen auch falls detektiert werden – etwa Starkstrom-
Deutschland 132 verborgen im Meeresboden: Ein besonders kabel, die den Strom der Windparks gen
Terawattstunden großes Risiko stellen Objekte wie Findlin- Land transportieren. Nach staatlicher Vor-
ge im Boden dar, auf die die Gründungs- gabe muss die Lage und Tiefe solcher Kabel
Strom. Damit überstieg
ihr Anteil erstmals die
Summe aller fossilen
Quellen und leistete den
größten Anteil am »Wir haben für die nächsten Jahre
deutschen Energiemix. bereits Anfragen für bis zu 120
Zudem gelten Wind- Millionen Euro aus aller Welt.«
energieanlagen als
besonders effektiv in Dr. Benedict Preu, Fraunhofer IWES
der Vermeidung von
Treibhausgasemissionen.
systeme IWES an 500 Forschungsprojek- struktur beim Einsetzen in den Boden sto- einmal jährlich überprüft werden, um
ten gearbeitet – vom Planungsprozess, der ßen könnte. Würde sie dabei derart stark keine Gefährdung für die Fischerei dar-
Entwicklung, der Errichtung sowie dem beschädigt, dass sie entfernt und ersetzt zustellen und eine zu starke Erwärmung
Betrieb, der Überwachung der Maschinen, werden muss, können direkte Kosten von des Meeresbodens auszuschließen. Aller-
der Reparaturprozesse, der Lebensdauer bis zu 15 Millionen Euro entstehen – mit dings müssen bei Anwendung konventio-
bis hin zum Abbau und der Wiederver- zusätzlichen Folgekosten in mehrstelliger neller Verfahren die Stromkabel für diese
wertung aller Komponenten. Millionenhöhe. Über ein Messverfahren Messung bis zu zwei Wochen abgeschaltet
Um das Potenzial der Offshore-Tech- des Fraunhofer IWES und der Universität werden. Da oftmals bis zu zehn Windparks
nologie voll auszuschöpfen, wird noch Bremen lässt sich das Risiko nun deutlich ihre Energie in ein einziges Starkstrom-
weitere Forschung nötig sein – schließlich minimieren. »Wir leiten akustische Sig- kabel einspeisen, geht das schnell ins Geld.
sind die Bedingungen, unter denen die gi- nale, erzeugt über eine elektrische Quelle »Mit unserer Technologie können wir die
gantischen Anlagen arbeiten müssen, ex- oder eine Druckluftquelle, in den Boden Lage und Tiefe der Kabel erstmalig flächen-
trem: Salzwasser, Orkane mit Windstärke ein. Befindet sich ein Objekt darin, wirft deckend auch bei laufendem Betrieb unter-
12, 15 Meter hohe Wellen. Hinzu kommen es den Schall zurück – was wir messen suchen«, bestätigt Preu.
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Hoffnungsträger Windenergie:
Bei Rotorblättern bis zu einem
Durchmesser von 222 Metern
brauchen die Anlagen ein
stabiles Fundament. Dr. Benedict
Preu vom Fraunhofer IWES hat
eine Lösung, um die Risiken beim
Bau zu minimieren.
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Wasserstoff trolyseure auf die Beine stellen. Das Leit-
projekt H 2Mare, koordiniert von Siemens
Glasner, Wissenschaftler am Fraunhofer
UMSICHT.
Energy und dem Fraunhofer IMWS, soll die
So wichtig die Stromerzeugung auch ist: offshore erzeugte Windenergie vor Ort zur Während sich das Wuppertal-Institut die
Sie reicht nicht aus, um Deutschland kli- Wasserstoffherstellung nutzen. Das dritte ausgewählten Zielländer Chile, Marokko,
maneutral werden zu lassen. Denn: Einige Leitprojekt, TransHyDE, koordiniert von Spanien und Niederlande angeschaut hat,
Bereiche lassen sich nur via Wasserstoff der Entwicklungsgesellschaft cruh21 des nahmen die Fraunhofer-Forschenden vor
defossilisieren – etwa die Stahlherstel- Projekts AquaVentus, dem Max-Planck-In- allem den Transport des Wasserstoffs nach
lung. Auch diverse Hochtemperaturpro- stitut für Chemische Energiekonversion Deutschland via Pipeline, Lkw und Schiff
zesse sind auf dem Weg zur Emissions- und der Fraunhofer-Einrichtung für ins Visier. Wie steht es um die technische
freiheit auf Wasserstoff angewiesen. Energieinfrastrukturen und Geothermie Realisierbarkeit? Gibt es genehmigungs-
IEG, zielt auf den Transport von Wasserstoff rechtliche Einschränkungen, die Impor-
ab: Wie lassen sich bestehende Gaspipelines te verhindern können? Über Lkw könnte
umwidmen, welcher Neubaubedarf an Was- man die benötigten Mengen transpor-
serstoff-Pipelines wird erforderlich und tieren, allerdings wären dafür bis zu 1,5
welche Container-basierten Lösungen sind Millionen Lastwagenfuhren pro Jahr nö-
geeignet, um H2 zu transportieren? tig – eine wenig klimafreundliche Option.
Der Seeweg ist zurzeit keine Alternative:
Eine Herausforderung auf dem Weg zur Es gibt schlichtweg noch keine zugelasse-
Wasserstoff könnte
Wasserstoffgesellschaft: Wasserstoff nen Schiffe, die Flüssigwasserstoff trans-
überschüssige muss in ausreichender Menge produziert portieren könnten. »Zwar arbeitet Japan
Wind- oder Solarenergie werden. Hierfür braucht es genügend grü- an einem kleinen Pilotschiff. Doch bis die
nen Strom, große Elektrolyseure sowie Tests gelaufen, der Ansatz auf große Schif-
speichern und so eine
Transportmöglichkeiten für den Wasser- fe übertragen und diese gebaut sind, dürf-
wichtige Rolle bei der stoff – Themen, die unter anderem in den te das Jahr 2030 bereits verstrichen sein«,
Energiewende spielen. Leitprojekten vorangetrieben werden. ist sich Dr. Bärbel Egenolf-Jonkmanns,
Deutschland wird, aller Anstrengung zum Wissenschaftlerin am Fraunhofer UM-
Per Elektrolyse wird
Trotz, nicht genügend Wasserstoff produ- SICHT, sicher. Auch die Umwandlung von
er emissionsfrei aus zieren können, um die erwartete große Wasserstoff in Ammoniak oder die Spei-
Wasser hergestellt. Nachfrage bedienen zu können. Es geht cherung als flüssige organische Wasser-
daher kein Weg an Wasserstoff-Importen stoffträger LOHC bietet keine kurzfristige
vorbei. Doch wie realistisch ist es, einen Lösung: Bis 2030 dürfte es kaum gelingen,
solchen Import bis 2030 auf die Beine zu die nötige Anlagentechnik sowie die In-
Zusätzlich zum Ausbau der erneuerbaren stellen? Dies hat das Fraunhofer-Institut frastruktur an den Häfen aufzubauen.
Energien im Zuge der Stromerzeugung für Umwelt-, Sicherheits- und Energie- »Langfristig jedoch sind die technischen
braucht es daher Erneuerbare-Energie- technik UMSICHT gemeinsam mit dem Potenziale für erneuerbare Energie in den
Anlagen, die rein für die H 2-Herstellung Institut der deutschen Wirtschaft und vier untersuchten Ländern ausreichend
genutzt werden. Dabei trennen Elektro- dem Wuppertal Institut für Klima, Um- hoch, sodass sie große Mengen grünen
lyseure Wasser via (grünem) Strom in welt, Energie untersucht. Das Ergebnis: Wasserstoffs nach Deutschland liefern
Wasserstoff und Sauerstoff. »Die anvisierten Mengen der Nationalen könnten«, sagt Egenolf-Jonkmanns. Bis
Auf dem Weg zur Wasserstoffgesell- Wasserstoffstrategie an grünen Wasser- dahin gilt es, den Wasserstoff verstärkt
schaft hat die Bundesregierung kürzlich stoffimporten im Jahr 2030 in Höhe von verbrauchsnah zu erzeugen. Sprich: in
drei Leitprojekte gestartet – mit etwa 740 76–96 TWh/a wären technisch zwar mög- Deutschland.
Millionen Euro die in Summe größte För- lich, aber nur mit teils erheblichen Ab- Aufschluss über künftige Importmög-
derinitiative des Bundesforschungsminis- strichen in Sachen Nachhaltigkeit und lichkeiten gibt ein PtX-Atlas des Fraun-
teriums für die Energiewende. Auch Fraun- Wirtschaftlichkeit. Ingenieurtechnische hofer IEE: Dieser zeigt erstmals die welt-
hofer bringt sein Know-how in puncto wie die Umstellung beziehungsweise weiten Power-to-Liquid-Potenziale. Als
Wasserstoff in diese Projekte ein. Das größ- der Neubau von Pipelines oder die Ver- PtL werden synthetische Kraftstoffe be-
te dieser drei Leitprojekte, H2Giga, widmet fügbarkeit von Schiffen, aber vor allem zeichnet, die via Wasserstoff aus Strom
sich den Elektrolyseuren. Es soll den bis- planungs- und genehmigungsrechtliche hergestellt werden. Aufgrund der Um-
herigen Manufakturbetrieb ablösen und Zeithorizonte stehen der großskaligen wandlungsverluste ist dafür äußerst güns-
eine automatisierte Großfertigung der Elek- Umsetzung im Weg«, sagt Dr. Christoph tiger regenerativer Strom vonnöten.
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