Ressourceneffizienz

Table of Contents

1. Frontmatter

2. 1. Die Fraunhofer-Mission

   Themen im Fokus der angewandten Forschung Reimund Neugebauer

   Zussamenfassung

   Die Fraunhofer-Gesellschaft hat unter den Wissenschaftsorganisationen eine besondere Rolle übernommen. Auf der einen Seite betreibt sie Forschung mit dem Anspruch auf wissenschaftliche Exzellenz, auf der anderen Seite mit dem erklärten Ziel, Ergebnisse für die Anwendung in der Praxis zu erzielen.

3. 2. Energie und Rohstoffe

   Lebensgrundlagen einer Industriegesellschaft Reimund Neugebauer

   Zussamenfassung

   Die angewandte Forschung trägt eine besondere Verantwortung, weil ihr Hauptziel immer der Nutzen für die Menschheit sein muss – und das schließt auch den Nutzen für künftige Generationen mit ein. Aufgrund der Endlichkeit von Ressourcen bei gleichzeitig steigender Bevölkerungszahl entsteht ein weltweit wachsender Bedarf an ressourcenschonenden Technologien. Folgerichtig basiert ein Großteil der Fraunhofer-Forschung auf dem Ziel, einen schonenden Umgang mit Ressourcen zu ermöglichen. Institute der Fraunhofer-Gesellschaft sind an der Erforschung und Weiterentwicklung fast aller Technologien und Systeme für den nachhaltigen Umgang mit Rohstoffen und Energie maßgeblich beteiligt.

4. 3. Leistungszentrum Nachhaltigkeit

   Forschen für die Zukunft Stefan Hiermaier

   Zussamenfassung

   Das Leistungszentrum Nachhaltigkeit in Freiburg besteht aus Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft und der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Es wurde im Jahr 2015 mit dem Ziel gegründet, die große Kompetenz der hier beheimateten Forschungsinstitutionen und Unternehmen zu bündeln, zu koordinieren und die Region Freiburg als Ort der Spitzenforschung im Bereich Nachhaltigkeit weltweit wirksam und bekannt zu machen. Dazu werden die Themenfelder Sustainable Materials, Energy Systems, Resilience Engineering sowie Ecological and Societal Transformation in ihrer gesamten inhaltlichen Weite bearbeitet, erforscht und weiterentwickelt – in allen wissenschaftlichen Fachgebieten und mit zahlreichen Projekten. Den ingenieurwissenschaftlichen Kern des Leistungszentrums Nachhaltigkeit bildet das Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH), das gemeinsam von der Fraunhofer-Gesellschaft und der Albert-Ludwigs-Universität gegründet wurde. Der Sustainability Summit soll als neue Konferenzreihe der Nachhaltigkeitsforschung ein jährlich stattfindendes, weltweit beachtetes Austauschforum bieten.

5. 4. Forschungsprojekt Kombikraftwerk 2

   Intelligente Vernetzung für die Energieversorgung Kurt Rohrig, Kaspar Knorr

   Zussamenfassung

   Ein virtuelles Kraftwerk ist eine Zusammenschaltung von mehreren dezentralen Erzeugungsanlagen und flexiblen Lasten, die nachfragegeführt elektrische Energie bereitstellen. Dieser Verbund dezentraler Erzeugungsanlagen – z. B. Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen und Blockheizkraftwerke – müssen nicht zwingend am gleichen Ort stehen, sondern werden ortsunabhängig zentral gesteuert und vermarktet. Mit virtuellen Kraftwerken lassen sich die fluktuierenden Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien (Wind- und Sonnenenergie) gezielt ausgleichen und der so erzeugte Strom besser vermarkten. Ein virtuelles Kraftwerk ist eine gute Ergänzungs- und Optimierungsmöglichkeit für das bestehende Energieversorgungssystem. Das Fraunhofer IWES und die beteiligten Partner Enercon GmbH, Solarworld GmbH, Ökobit GmbH, SIEMENS AG, SMA AG, CUBE Engineering GmbH, Agentur für Erneuerbare Energien, Deutscher Wetterdienst und die Uni Hannover haben mit dem Projekt Regeneratives Kombikraftwerk 2 bewiesen, dass eine zuverlässige Energieversorgung und ein sicherer Stromnetzbetrieb selbst mit 100 Prozent Erneuerbarer Energien möglich ist.

6. 5. Verbundprojekt Systemforschung Elektromobilität

   Innovationen schaffen Bewegung Felix Horch, Matthias Busse

   Zussamenfassung

   Die „Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität“ ist ein von der Fraunhofer- Gesellschaft gefördertes Verbundprojekt. Während der Projektlaufzeit (2013 bis 2015) bearbeiteten 16 Fraunhofer-Institute Projektthemen in den Clustern „Antriebsstrang / Fahrwerk“, „Batterie / Range Extender“ sowie „Bauweisen / Infrastruktur“. Mit der Entwicklung innovativer Technologien und Komponenten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge schaffen die Partner attraktive Angebote für die Automobilindustrie. Die Forschungserfolge des Verbundprojekts werden anhand von Einzelprojekten dargestellt. Der Bedeutung der Technologie entsprechend werden auch in Zukunft Fraunhofer-Institute wichtige Entwicklungsfelder der Elektromobilität bearbeiten.

7. 6. Forschungsprojekt SafetE-car

   Sichere Versorgung bei Unfällen und Pannen mit Elektrofahrzeugen Michael Schenk, Robert Kummer

   Zussamenfassung

   Die steigende Anzahl an Elektrofahrzeugen auf deutschen Straßen erfordert neue Konzepte für Rettungs- und Pannendienstleistungen. Ziel des Forschungsvorhabens SafetE-car ist die umfassende und zugleich nachhaltige Sensibilisierung und Aufklärung der zentralen Akteure beim Umgang mit Elektrofahrzeugen bei nicht-geplanten Betriebszuständen wie Fahrzeugpannen oder -unfällen. Im Projektverlauf werden Maßnahmen zur Gestaltung sicherer und produktiver Rettungs- und Pannendienstleistungen entwickelt, operationalisiert und erprobt. Das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF leistet mit SafetE-car gemeinsam mit den am Projekt beteiligten Partnern einen Beitrag zur Durchsetzung der Elektromobilität in Deutschland.

8. 7. E-Bus ohne Fahrleitung

   Kooperation mit Industrie und Verkehrsbetrieben Matthias Klingner

   Zussamenfassung

   In den deutschen Nahverkehrsbetrieben sind zurzeit etwa 17 300 Linienbusse mit einer durchschnittlichen Jahresfahrleistung von etwa 65 000 Kilometern pro Fahrzeug im Einsatz. Dabei werden jährlich rund 1,4 Millionen Tonnen CO₂ sowie entsprechende Schadstoffe emittiert. Im Auftrag zahlreicher Nahverkehrsunternehmen hat das Fraunhofer IVI anhand konkreter Einführungsstudien zeigen können, dass ein großer Teil der Buslinien bereits heute mit vertretbarem Aufwand auf den vollelektrischen Betrieb umgestellt werden könnte. Nachladetechnologien auf der Strecke erweisen sich dabei als besonders effizient, wenn es darum geht, neue Formen der Elektromobilität in den ÖPNV einzuführen und damit individuelle Mobilität nachhaltig zu gestalten.

9. 8. Funktionsintegrierter Leichtbau

   Von der Simulation bis zum Bauteil: Hochleistungs-Faserverbundstrukturen Frank Henning, Michael Karcher, Luise Kärger, Timo Müller

   Zussamenfassung

   Leichtbau ist die ganzheitliche Umsetzung einer Entwicklungsstrategie: Sie ist darauf ausgerichtet, unter vorgegebenen technischen, ökonomischen, ökologischen und gesellschaftlichen Randbedingungen die geforderte Funktion durch ein System minimaler Masse unter Gewährleistung der Systemzuverlässigkeit zu realisieren. Die Werkstoffeigenschaften, die konstruktive Formgebung, die Bauweise und der Herstellungsprozess bestimmen die Qualität einer Leichtbaustruktur wesentlich. Daher muss die gesamte Entwicklungskette von der Werkstoff- und Produktentwicklung bis hin zur Serienfertigung, zur Zulassung und zum Produkteinsatz betrachtet werden.

10. 9. Fraunhofer Leitprojekt E3-Produktion

    Maximale Wertschöpfung bei minimalem Ressourceneinsatz Matthias Putz, Fritz Klocke

    Zussamenfassung

    Wer wird morgen produzieren – und wie? Welche Ressourcen stehen uns bei der Fertigung neuer Produkte zur Verfügung? Zur Beantwortung dieser zentralen Fragen haben Fraunhofer-Forschende das E³-Konzept entwickelt. Ziel ist es, nicht nur einzelne Antworten für die zukünftige Produktionstechnik zu erhalten, sondern auch durch die Nutzung von Synergien beteiligter Fraunhofer-Institute komplette Systemlösungen für Produktionsunternehmen der Zukunft anzubieten. Hier nimmt nicht nur der Mensch – mit seiner zentralen Koordinierungs-, Steuer- und Leistungsfunktion – eine wichtige Rolle ein, sondern auch die energieoptimierte Gestaltung der Produktion, eine effiziente Logistik und nachhaltige Fabriken tragen maßgeblich dazu bei, maximale Wertschöpfung bei minimalem Ressourceneinsatz zu realisieren und somit den Produktionsstandort Deutschland nachhaltig zu stärken.

11. 10. Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“ – InnoCaT®

    Kosten-, termin- und ressourcengesteuerte Karosseriefertigung mit halbiertem Energieeinsatz Matthias Putz

    Zussamenfassung

    Wie lassen sich Produkte ressourceneffizient fertigen? Welche neuen Herstellungsverfahren werden benötigt, um Material und Energie einzusparen? Diese zentralen Fragen untersuchen Fraunhofer-Wissenschaftler und Experten aus der Industrie gemeinsam in der Innovationsallianz „Green Carbody Technolgies – InnoCaT^®“. Mehr als 60 Partner traten 2010 an, um gemeinsam an Innovationen und Synergien entlang der gesamten Prozesskette im Automobilbau zu forschen – beginnend mit dem Blechhalbzeug über den Werkzeugbau, das Presswerk und den Karosseriebau bis hin zur Lackierung. Das gemeinsame Ziel der Allianz: Produktionsabläufe bei gleichem Output mit einem weit geringeren Energieeinsatz und Ressourcenverbrauch zu realisieren und darüber hinaus bewertbar und planbar zu gestalten.

12. 11. Leitprojekt „Strom als Rohstoff“

    Effiziente Elektrochemie für nachhaltige Chemieprodukte Eckhard Weidner, Hartmut Pflaum

    Zussamenfassung

    Im Leitprojekt „Strom als Rohstoff“ werden neue elektrochemische Verfahren entwickelt, technisch demonstriert und die Einkopplung in das deutsche Energiesystem vorbereitet. Das Leitprojekt konzentriert sich auf zwei Syntheserouten:

    • Dezentrale elektrochemische Herstellung von Wasserstoffperoxid (H₂O₂)
    • Elektrochemische und elektrokatalytischeKonversion von Kohlenstoffdioxid (CO₂) zu Ethen, Alkoholen und Treibstoffen

    Elektrochemische Verfahren sind „enabling technologies“ für die erforderliche Systemkopplung zwischen einem „Energiesystem“, das zunehmend auf regenerativen Quellen basiert, und „Produktionssystemen“. Das Leitprojekt schafft zu diesem Zweck eine dauerhafte, technologische Forschungs- und Entwicklungsplattform. In dieser Plattform werden von Anfang an Forschungsaktivitäten mit Business-Development-Methoden verknüpft, um rasch über marktfähige Produkte und Dienstleistungen zu verfügen. Diese Zielsetzung wird derzeit weder in anderen FuE-Vorhaben noch in der industriellen Umsetzung adressiert. Elektrochemisch stehen meistens die Optimierung der Wasserelektrolyse und deren Kopplung mit Überschussstrom im Vordergrund. Andere „Powerto- X-Technologien“ werden gerade Gegenstand der Forschung. Eine Flexibilisierung der Anlagenkonzepte im Hinblick auf dezentrale und Verbundproduktionen steht nicht im Vordergrund. „Strom als Rohstoff“ hat das Potenzial, für Fraunhofer den Zukunftsmarkt „Elektrochemie“ früh zu erschließen. Die zugehörigen Verwertungs- und Geschäftsmodelle im Leitprojekt haben den Anspruch, möglichst lange und dauerhaft im Markt etablierte Verwertungsketten aufzubauen. Dies wird über einen dreistufigen Ansatz erreicht:

    • Stufe 1: Verwertung im Projekt durch Produkt- und Dienstleistungsorientierung
    • Stufe 2: Erschließung von Anwendungen und Innovationsschnittstellen zu weiteren Branchen: Marktverbreiterung durch Multibranchenansatz
    • Stufe 3: Aufbau eines Business and Innovation Centers (BIC) mit der Marke „eSource^®“

13. 12. Fraunhofer-Innovationscluster ER-WIN®

    Energie- und ressourcenoptimierte Produktion durch Kooperation von Unternehmen Michael Schenk, Stefanie Kabelitz

    Zussamenfassung

    Ressourceneffizienz ist eine gesamtgesellschaftliche Herausforderung, die von der Politik geprägt und gefordert wird. Die Erfüllung der UN-Klimaziele wird Auswirkungen auf bisherige „Produktionsgewohnheiten“ haben. Zwar ist die Energiewende politisch postuliert, die klein- und mittelständischen Unternehmen hat sie jedoch noch nicht erreicht. Dieser Aufgabe hat sich das Team rund um das Innovationscluster ER-WIN^® gestellt. Mit innovativen Konzepten und einfachen Methoden konnten die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF die ersten Interessensverbände und Unternehmen ein gutes Stück Richtung Energieeffizienz und Treibhausgasvermeidung mitnehmen. Anhand des Planspiels, das im Rahmen des Clusters entwickelt wurde, werden die neuen Ansätze vorgestellt.

14. 13. Innovationsnetzwerk Morgenstadt: City Insights

    Transformation heutiger Städte zu mehr Nachhaltigkeit, Resilienz, Lebensqualität und Innovationskraft Wilhelm Bauer, Alanus von Radecki

    Zussamenfassung

    „Morgenstadt: City Insights“ ist ein Innovationsnetzwerk der Fraunhofer- Gesellschaft, bei dem zwölf Fraunhofer-Institute gemeinsam mit 24 Industriepartnern und elf Städtepartnern zu Fragen der nachhaltigen Entwicklung von Städten zusammenarbeiten. Ziel der ersten Projektphase (Mai 2012 bis Oktober 2013) war die Ermittlung eines globalen Status quo hinsichtlich Best Practices von Städten zur nachhaltigen Entwicklung in den Technologiesektoren Energie, Gebäude, Mobilität, Informations- und Kommunikationstechnologien, Produktion & Logistik, urbane Wasserinfrastruktur sowie in den Querschnittsbereichen Governance und Sicherheit. Das Innovationsnetzwerk wurde durch das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO geleitet. In diesem Beitrag wird die Rolle der Fraunhofer-Morgenstadt-Initiative als urbaner Innovationstreiber erläutert und das Morgenstadt-Modell anhand des Praxisbeispiels aus Prag dargestellt. Des Weiteren wird das Konzept des urbanen Living Lab als Innovationsprozess für die technologiebasierte Stadtentwicklung skizziert.

15. 14. Leistungszentrum Elektroniksysteme LZE

    Effizienz für elektronische Systeme Albert Heuberger, Lothar Frey

    Zussamenfassung

    Die Leistungselektronik wird als Effizienzfaktor für Produktions-, Energie-, Mobilitäts-, Haushalts- und Informationstechnik immer wichtiger. Am neuen Leistungszentrum Elektroniksysteme, in dem die Fraunhofer-Institute für Integrierte Schaltungen IIS und für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sowie Industriepartnern zusammenarbeiten, entstehen neue Ansätze für energiesparende elektronische Elemente. Dazu gehören Systeme zur kabellosen Energie- und Datenübertragung, ein kompaktes LOHC-Energiespeichersystem sowie neue Mess- und Trackingsysteme.

16. 15. Leitprojekt "Kritikalität Seltener Erden"

    Hightech-Rohstoffe: Gewinnen und Ersetzen Ralf B. Wehrspohn

    Zussamenfassung

    Sie sind Schlüsselrohstoffe für die Technologien von morgen: Seltenerdmetalle. Sie stecken in modernen Elektromotoren, Windkraftgeneratoren, Smartphones und Energiesparlampen. Eine nachhaltige und vernetzte Zukunft scheint ohne sie nicht denkbar. Doch wie der Name andeutet, ist ihre regionale Verfügbarkeit stark beschränkt, der Abbau schwierig und teuer. Ein Großteil der Weltproduktion der Seltenen Erden liegt in chinesischer Hand, was dem Engpass zudem eine politische Dimension gibt. Um den Bedarf an den Seltenerdmetallen Neodym und Dysprosium für die Produktion von Magneten bis 2017 zu halbieren, arbeiten acht Fraunhofer-Institute gemeinsam daran, die wertvollen Elemente aus Elektronikschrott zurückzugewinnen mit weniger davon in der Produktion auszukommen und sie in ihren speziellen Funktionen durch besser verfügbare Materialien zu ersetzen.

17. 16. Naturkautschuk aus Russischem Löwenzahn

    Grundlage für die Erschaffung eines neuen, biobasierten Industriezweigs Rainer Fischer, Christian Schulze Gronover, Dirk Prüfer

    Zussamenfassung

    Naturkautschuk ist ein essenzieller Bestandteil hochwertigen Gummis, wie er etwa für Autoreifen benötigt wird. Bisher deckt den ständig steigenden Bedarf ausschließlich der tropische Kautschukbaum, dessen Anbau aber zunehmend ökologische Probleme verursacht. Am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME wollte man diese heikle Monokultur-Situation auflösen. Aus Wildsorten des Russischen Löwenzahns, der ebenso hochwertigen Naturkautschuk erzeugt, züchteten die Forschenden mittels DNA-Markern hochproduktive Sorten. Darüber hinaus etablierten sie ein preiswertes, effizientes Verfahren der Extraktion. Hohe Industrieerträge des Projekts zeigen das Interesse der Wirtschaft, ganz abgesehen von den politischen und ökologischen Vorteilen, einen neuen produzierenden Industriezweig in gemäßigten Breiten nachhaltig zu etablieren.