Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik in Kooperation mit den Leibniz-Instituten FBH und IHP

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Green Energy Systems

Ressourceneffiziente Energiesysteme

© Fraunhofer IZM

Neben der Energieeffizienz muss auch die Energieinfrastruktur an Gegebenheiten einer vollständig nachhaltigen Welt angepasst werden. Hierzu gehören Gesamtsysteme, die die Energieversorgung, -verteilung, -speicherung und -nutzung auf intelligente und effiziente Weise kombinieren. IKT kann und muss ein zentraler Schlüssel für die Bereitstellung sicher verfügbarer, nachhaltiger und gleichzeitig bezahlbarer Energie der Zukunft sein.

Forschungsschwerpunkte:

Energiespeicher- und Energiespeichermanagementsysteme
Energy Harvesting
Autarke Mikrosysteme
Effizientes Energiemanagement durch optimale Wandlung extrem kleiner Ströme und Spannungen
Antriebsumrichter
Smart Grids

Projektbeispiele

ASTROSE – Monitoring-System für Hoch- und Höchstspannungsleitungen

ASTROSE® ist ein erprobtes IoT-System von Funksensorknoten zum Monitoring von Hoch- und Höchstspannungsleitungen. Diese Sensorknoten erfassen verschiedene Messwerte in den Spannfeldern. Durch die kontinuierliche Erfassung dieser Daten können Netzbetreiber die Transportkapazität optimieren, kritische Zustände schneller identifizieren und langfristige Betriebsdaten erfassen. Dies schafft signifikante ökonomische Vorteile im Betrieb und Anlagenmanagement.

BlueTEG Pipe – Energy Harvesting

Das Fraunhofer IIS hat für industrielle Anwendungen den Sensor BlueTEG Pipe mit thermoelektrischer Energieversorgung entwickelt. BlueTEG Pipe nutzt die Temperaturdifferenz zwischen warmen oder kalten Objekten und der Umgebung zur Energiegewinnung.

CARBAT – Calcium Rechargeable Battery Technology

Batterien haben eine immense Bedeutung für unser tägliches Leben, und die Zahl der möglichen und immer spezifischeren Anwendungen wächst ständig. Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind heute die am weitesten entwickelten Akkusysteme. Sie werden für ein sehr breites Spektrum von Anwendungen eingesetzt, von Handys bis hin zu Elektroautos. In einigen Bereichen bleibt jedoch ein tragfähiges Szenario aufgrund der hohen Materialkosten und der noch zu geringen Energiedichte von LIB als Akkuspeicher außer Reichweite. Multivalente Zellchemien auf Basis von Calcium- oder Magnesium-Metallelektroden gelten als vielversprechend, da sie sowohl hinsichtlich der spezifischen Kapazitäten der Anodenmaterialien als auch deren Verfügbarkeit den LIBs überlegen sind.

CoDro – Mit KI auf Freileitungs-Fehlersuche

50Hertz und zwei Fraunhofer-Institute der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) wollen gemeinsam Technologien aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) testen, um mögliche Defekte an Freileitungen schneller und effektiver zu beheben. Ziel ist es, zukünftig die bei der Inspektion von Leitung und Strommasten gewonnenen Bildaufnahmen über Algorithmen automatisiert auswerten zu können.

Drones4Energy – Infrastrukturüberwachung

Ziel des Projekts ist es, Freileitungen kostengünstig und automatisiert überwachen zu können. Mit verschiedenen Sensoren wie Kameras und LIDAR wird das Leiterseil lückenlos durch Drohnen erfasst. Da sich die Akku-Kapazität in Gewicht niederschlägt, soll das Leiterseil als Energiequelle dienen, um die Drohnen mittels induktivem Harvester zwischendurch nachzuladen.

ebalance plus

Das ebalance-plus-Projekt erweitert die Ergebnisse der Projekte »e-balance« und »SmartGrid Plattform«. Auf deren Basis soll eine Lösung entwickelt werden, welche die energetische Flexibilität der Nutzer:innen zur Verbesserung der Netzzuverlässigkeit und Netzeffizienz, unter Verwendung von erneuerbaren Energiequellen, nutzt. Die ebalance-plus-Lösung ist eine IKT-Plattform, die die Integration und Interoperabilität auf jeder Ebene des Energienetzes sicherstellt und einen effektiven Marktrahmen bietet, von dem Strombetreiber und Interessenvertreter mit neuen Geschäftsmodellen profitieren.

Energieautarkes Sensorsystem zur Überwachung des Herzens

Ziel des EU-Projekts SmartVista (Smart Autonomous Multi Modal Sensors for Vital Signs Monitoring) ist die Entwicklung und Demonstration einer kostengünstigen, intelligenten multimodalen Sensorplattform der nächsten Generation, um die Häufigkeit des plötzlichen Todes durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu reduzieren. Die Schlüsselinnovation in SmartVista ist die Integration von auf 1D/2D-Nanomaterialien basierenden Sensoren zur Überwachung des Herzens, thermoelektrischen Energy Harvestern zur Gewinnung von Energie aus der Temperatur des Körpers, um das System zu betreiben, und druckbaren Batteriesystemen zur Speicherung dieser Energie.

ENTRAS – Energieautarkes Trackingsystem

Durchgängige und energieeffiziente Lokalisierung von Waren, Personen und Tieren wird durch das modulare, energieautarke Trackingsystem ENTRAS möglich. Hierbei wurde die satellitengestützte Navigation mit Lokalisierung in drahtlosen Sensornetzen und eine Energieversorgung durch Energy Harvesting kombiniert.

FAB-SH: Forschungszentrum für angewandte Batterietechnologie Schleswig-Holstein

Das Forschungszentrum für angewandte Batterietechnologie Schleswig-Holstein (FAB-SH) des Fraunhofer ISIT spezialisiert sich auf dem Gebiet der Energiespeicherentwicklung. Das FAB-SH verfügt über ein umfangreiches Portfolio zur anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung von innovativen Batteriesystemen. In enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern entstehen bei der FAB-SH Batterien vom Material bis zur Zelle.

Industrielle Leistungselektronik

Elektrische Energie wird über das zentrale Stromnetz klassischerweise mit Wechselstrom (AC) über Hochspannungsfreileitungen übertragen. Der steigende Bedarf an Transportkapazitäten für elektrische Energie über große Entfernungen weltweit stellt die industrielle Leistungselektronik vor neue Herausforderungen. Zudem werden in das Stromnetz vermehrt erneuerbare Energiequellen eingebunden, die elektrische Energie häufig in Gleichstrom liefern. Herkömmliche Hochspannungsfreileitungen können den neuen Anforderungen daher nur bedingt gerecht werden. Als Ergänzung des Wechselstromnetzes wird die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) eingesetzt. Die HGÜ ist bei Langstreckenübertragung deutlich verlustärmer und darum in diesem Einsatzbereich wirtschaftlicher als eine AC-Übertragung.

leiTEX

Insbesondere für Anwendungen im Bereich der Medizintechnik gibt es noch Herausforderungen im Bereich der Sensor Label. Dazu zählen u. a. die hohe Integrierbarkeit in medizinischen Textilien, die drahtlose Auswertung mittels WLAN oder Bluetooth und die vergleichsweise kostengünstige Herstellung. Ziel des Projekts leiTEX ist, gedruckte Energiespeicher zu entwickeln, welche die hohen Anforderungen der Medizintechnik und der Sensoreigenschaften erfüllen.

LOReley

LOReley zielt mit seinen Forschungs- und Demonstrationsaufgaben darauf ab, einen Teil der vorhandenen Probleme und Fragestellungen auf dem Gebiet der stofflich basierten Energiespeicherung zu lösen. Dies umfasst sowohl technologische als auch ökonomische Aspekte. Flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC, liquid organic hydrogen carrier) stellen eine zukunftsträchtige Option zur sicheren, gut skalierbaren und kosteneffizienten Speicherung von Wasserstoff dar.

microMole – Eine Energy Harvesting-Lösung für die Wasserwirtschaft

Ziel des Projekts microMole ist es, einen System-Prototyp zur legalen Aufzeichnung, Abfrage und Überwachung von ATS und ATS-Vorläuferlaboratorien in städtischen Gebieten zu entwickeln und zu testen. Das Sensorsystem wird innerhalb des Abwassersystems installiert und verfolgt die mit der ATS-Produktion verbundenen Abfälle.

Überwachung von Freileitungen

Im Zeichen des Klimaschutzes steigt die Bedeutung von Energieeffizienz ebenso wie der Anteil von Strom aus erneuerbaren Energien. Tausende Windparks, Solarmodule und Biogasanlagen erzeugen schon heute große Mengen Ökostrom. Besonders der Ausbau von Windkraftanlagen führte zu Leistungssprüngen in den letzten Jahren. Auf gut 32 Prozent ist der Anteil der erneuerbaren Energien an der EU-weiten Stromerzeugung im Jahr 2018 angestiegen. Die größeren Mengen an Ökostrom müssen jedoch eingespeist, transportiert und verteilt werden. Dies erfordert moderne und leistungsfähige Netze. Neben einer optimalen Auslastung der Freileitungen im Stromnetz ist auch das schnellstmögliche Erkennen und Lokalisieren von Gefahrsituationen, wie Kurzschlüsse oder Eisbehang ein wichtiger Performance-Indikator für die Netzbetreiber.

Power400

Durch die intelligente Nutzung von stationären und speziell entwickelten mobilen Speichern soll die Integration erneuerbarer Quellen in das Energieversorgungsnetz und die verstärkte Nutzung von Elektrofahrzeugen auf eine nachhaltige und effiziente Weise vorangetrieben werden. Ziel ist es, Ladestationen so zu gestalten, dass jederzeit eine Vielzahl von Elektrofahrzeugen gleichzeitig schnell geladen werden kann.