Nachhaltige Energieversorgung

Mit der Energiewende, die die Bundesregierung 2010 ausgerufen hat, vollzieht sich ein grundlegender Wandel der Energieversorgung in Deutschland: So schnell wie möglich sollen regenerative Energien aller Skalen, wie Wind- und Solarenergie, sowohl nuklear als auch fossil basierte Kraftwerke ersetzen. Dezentrale Kompaktkraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung müssen gebaut und optimal vernetzt werden. Darüber hinaus soll Elektromobilität den Verkehrssektor zukunftsfähig machen, insbesondere in städtischen Gebieten. Parallel dazu ist das Thema Energieeffizienz in allen Bereichen von herausragender Bedeutung.

In all diesen Gebieten stehen Entwickler vor zahlreichen neuen quantitativen Problemen hoher Komplexität, die Mathematik basierte Lösungen erfordern und auch für die Mathematik neue Herausforderungen beinhalten. Hier leistet das Matheon mit seinen aktuellen Forschungsprojekten wichtige Beiträge.

Energieeffizienz. Gebäude sind für 40% des Energieverbrauchs und 36% der CO2-Emissionen in der EU verantwortlich. Daher kann die Reduktion des Energieverbrauchs von Gebäuden einen erheblichen Beitrag zur allgemeinen Energieeffizienz leisten. Hierbei spielen zum Beispiel Kontrollsysteme eine wichtige Rolle, die das Raumklima in Gebäuden innerhalb einer vorgegebenen Komfortzone regeln können. Das Matheon entwickelt neue Strategien für die optimale Platzierung von Temperatursensoren im Gebäude, deren Daten die Grundlage für diese Regelung sind.

Dezentrale Kraftwerks-Netze. In den kommenden Jahren wird eine zunehmende Anzahl von Gebäuden selbst zum Energieerzeuger werden, etwa über die Integration von Solarzellen in Dächer und Wände. Immer dann, wenn die so erzeugte elektrische Energie nicht vor Ort benötigt wird, muss sie in das kommunale Stromnetz eingespeist werden. Dies führt zu einer Reihe von Problemen von höchster mathematischer und rechnerischer Komplexität, insbesondere bei der Verteilung der Energie und dem optimalen Netzwerkmanagement. Innerhalb des Matheon wird die Stabilität von Stromnetzen analysiert, unter anderem indem die Anzahl an Stromleitungen im Netz variiert wird. Darüber hinaus werden komplexe Optimierungsprobleme bei der Erzeugung, der Speicherung und dem Handel von Energie untersucht, etwa am Beispiel der Wasserkraft, verbunden mit einem stochastischen Modell des Elektrizitätsmarktes.

Elektromobilität. Bis 2020 sollen auf deutschen Straßen eine Million Elektrofahrzeuge unterwegs sein, bis 2030 mindestens sechs Millionen: Das ist das Ziel der Bundesregierung, angekündigt im „Nationalen Entwicklungsplan für Elektromobilität“ aus dem Jahr 2009 und im Energiekonzept vom September 2010. Damit Deutschland tatsächlich zum anvisierten Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität werden kann, müssen noch immer große technologische Herausforderungen gemeistert werden. Schlüsselwörter hierbei sind zum Beispiel Batterien, Plug-In-Hybride und Brennstoffzellen-Antriebe.

Das Matheon hilft, diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, indem es neuartige Modellierungsansätze und Simulationskonzepte für das Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Diese Systeme sind die derzeit vielversprechendsten, um elektrische Energie in chemische Energie zu wandeln und so speicherfähig zu machen.



Themen

  • Modellreduktion für die Datenassimilation
  • Optimale Platzierung von Netzwerk-Sensoren für mehr Energieeffizienz
  • Stabilitätsanalyse von Stromnetzen und Stromnetzmodellen
  • Optimales Design und Kontrolle optofluidischer Solar-Steerer und Konzentratoren
  • Optimierung von Strategien in Energie- und Speichermärkten
  • Stochastische Methoden zur Analyse von Lithium-Ionen-Batterien