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Energie und Umwelt

Die Metrologie ist eine Schlüsseldisziplin für den Umwelt- und Klimaschutz sowie für eine sichere, nachhaltige, umweltverträgliche und wirtschaftliche Energieversorgung. Die metrologischen Herausforderungen der kommenden Jahre bestehen in der Erweiterung der Messbereiche energierelevanter physikalischer Größen und der Entwicklung und Rückführung empfindlicher und hochgenauer Messverfahren für umweltrelevante Größen.

  • Zur Sicherstellung einer nachhaltigen Energieversorgung und zum Erreichen der Klimaziele verfolgt die deutsche Bundesregierung das Ziel, den Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung bis 2020 auf mindestens 30 % zu steigern. Die Windenergie wird voraussichtlich den größten Beitrag zu diesem angestrebten Ausbau leisten. Deutschland verfügt über eine weit verzweigte und weltweit agierende Industrie im Bereich der Windkraftanlagen. Zur Unterstützung der Innovationsbestrebungen in diesem Bereich wird die PTB ein Windkraft-Kompetenzzentrum einrichten. In diesem Zentrum werden PTB-Aktivitäten zur Metrologie geometrischer Messgrößen und großer Drehmomente für Komponenten von Windkraftanlagen und Forschungsarbeiten zur Bestimmung von Windgeschwindigkeiten zusammengefasst.

  • Die Photovoltaik (PV) ist ein weltweiter Wachstumsmarkt. Deutsche Unternehmen erbringen in diesem Markt einen hohen Anteil der Kalibrierdienstleistungen. Die über die gesamte Lebensdauer eines PV-Moduls erzeugte elektrische Energie für einen bestimmten Standort ist für Investitionsentscheidungen die entscheidende Kenngröße. Die Ermittlung dieser Kenngröße erfordert die metrologisch fundierte PV-Effizienzbestimmung. Es werden Messverfahren für großflächige PV-Module unterschiedlicher Technologien benötigt, die es erlauben, die Effizienz unter Betriebsbedingungen zu projizieren. Diese neuen Messverfahren müssen dazu unterschiedliche Beleuchtungsspektren und variierende Einstrahlungswinkel realisieren können.

  • Biogas und synthetisches Erdgas werden fossiles Erdgas im zukünftigen Energiemix verstärkt ersetzen. Ihre typischerweise dezentrale Einspeisung verändert die Beschaffenheit der Gasmischung im Erdgasnetz. Für einen sicheren Betrieb der Gasversorgungsinfrastruktur, die Einhaltung von Emissionsanforderungen und die faire Abrechnung des individuellen Verbrauchs ist die Bestimmung der Mischgaszusammensetzung in Abhängigkeit von Ort und Zeit notwendig. Eine flächendeckende Ausrüstung der Gasnetze mit Geräten zur Messung von Gaszusammensetzung und Brennwert ist allerdings kostenintensiv. Hier werden zukünftig verstärkt mathematische Methoden für die Zustandsrekonstruktion von Gasnetzen entwickelt und angewendet. In Kombination mit neuartigen Gasmessverfahren und Gaszählern kann so die korrekte Quantifizierung von Gasmengen in einem stark vermaschten Netz für Transportzwecke und für korrekte Verbrauchsbestimmung erfolgen.

  • Elektrische Energie aus regenerativen Quellen, z. B. Windkraft- und Photovoltaikanlagen, wird in überwiegendem Maß lokal erzeugt. Mit ihrer dezentralen Einspeisung in das Stromnetz steigen die Anforderungen an die Bestimmung von Netzzustandsparametern. Die Erfassung dieser Parameter ist wesentlich, um die Qualität der Elektroenergieversorgung, d. h. die Stabilität von Netzspannungen und -frequenzen, sicherzustellen. Die präzise Erfassung von Netzstörspannungen und –strömen – insbesondere die neuartigen, z. B. durch Photovoltaikanlagen verursachten – erfordert neu zu entwickelnde, metrologisch abgesicherte Messverfahren. Darüber hinaus werden für die Bestimmung der Effizienz neuer Übertragungstechniken, wie der Hochspannungs-Gleichstromübertragung, breitbandige Strom- und Spannungswandler sowie Leistungsmessgeräte entwickelt.

  • Ca. 55 % der insgesamt in Deutschland bereitgestellten Endenergie entfallen auf Nutzwärme für Haushalte, Dienstleistungsbetriebe und Industrie. Verbesserte Wärmedämmung beheizter Räume und optimierte Prozessführung in der Industrie stellen daher ein beträchtliches Potenzial zur Erhöhung der Energieeffizienz dar. Um dieses zu nutzen, ist die genaue Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften von Werkstoffen, industriellen Rohstoffen und Energieträgern eine wichtige Voraussetzung. Neue Methoden zur präzisen Bestimmung der relevanten Materialparameter Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Emissionsgrad, Dichte und Viskosität werden benötigt.

  • Im Umfeld der Mobilität auf Basis von Verbrennungsmotoren hängen die Effizienz des Antriebs sowie die Schadstofferzeugung (u. a. Rußaerosole) von den Prozessbedingungen ab; Gleiches gilt für die Stromerzeugung für die Elektromobilität aus konventionellen Kraftwerken. Optimierung ist durch genaue Modellierung der chemischen Reaktionsprozesse möglich, wozu präzise und metrologisch rückgeführte reaktionskinetische Parameter benötigt werden.

  • Konventionelle Grundlast-Kraftwerke werden in Deutschland bis über das Jahr 2050 hinaus eine wesentliche Rolle bei der Energieversorgung spielen. Genauere Durchfluss- und Temperaturmessungen der Arbeitsmedien Wasser bzw. Hochtemperatur-Salzschmelzen als Wärmeträger erlauben eine wesentlich präzisere Prozesssteuerung und damit die verbesserte energetische Ausschöpfung der Prozesse in thermischen Kraftwerken; dies reduziert zugleich den spezifischen CO2-Ausstoß. Die Minimierung der Messunsicherheit der Durchflussmessung in Kraftwerken ist ausschließlich durch die Kalibrierung der Durchfluss-Messgeräte vor Ort zu erzielen. Hierfür müssen neuartige Methoden der laseroptischen Durchflussmessung zur metrologischen Rückführung der Volumenstrommessung in Kraftwerken entwickelt und validiert werden.

  • Die Sicherung der Wasserressourcen und –qualität erfordert die flächendeckende Überwachung von darin auftretenden Schadstoffen auf der Grundlage einheitlicher Grenzwerte und metrologisch abgesicherter, vergleichbarer Messergebnisse. Dazu müssen neue Messverfahren mit geringsten Nachweisgrenzen und höchster Genauigkeit entwickelt werden. Ziel ist es, Verfahren zur Untersuchung des gesamten „Wasserkörpers“, d. h. einschließlich der darin enthaltenen schadstoffbelasteten Schwebstoffe mit Größen im Bereich von Mikro- und Nanometern, zu entwickeln.

  • Für die Überwachung gasförmiger Schadstoffe in der Luft und die Erfassung der Atmosphärenzusammensetzung und Sonneneinstrahlung für den Klimaschutz werden optisch-spektroskopische Fernerkundungs- und Messverfahren im Spektralbereich des mittleren Infrarot bis Vakuum-Ultraviolett eingesetzt. Die Präzision dieser Messverfahren bestimmt wesentlich die Genauigkeit von Emissionskatastern und Klimamodellen. Sie kann durch innovative, feldtaugliche Referenzspektrometer einerseits und die Bereitstellung metrologisch validierter Referenzdaten andererseits verbessert werden.

  • Gesundheitsschädliche ultrafeine Partikel mit Größen von unter 100 nm, vor allem Rußaerosole aus Verbrennungsprozessen in Fahrzeugen, belasten zunehmend die Atmosphäre. Sowohl stationäre Messnetze als auch Erdfernbeobachtungen werden zur Detektion von Aerosolen eingesetzt. Metrologisch abgesicherte Verfahren zur Bestimmung der klassifizierenden Parameter Größe, Größenverteilung und Anzahl dieser Aerosole sowie ihrer optischen Eigenschaften sind erforderlich, um die Zuverlässigkeit von Aerosolmessungen zu verbessern. Für die Rechtssicherheit bei regulatorischen Maßnahmen sowie für die gesellschaftliche Akzeptanz ist das nachweislich richtige Messen eine entscheidende Voraussetzung.

  • Die Zwischen- und Endlagerung radioaktiver Abfälle, darunter auch Neutronen emittierender hochradioaktiver Abfall aus der Nutzung der Kernenergie, stellt eine langfristige Aufgabe dar, die mit großen Befürchtungen in der Bevölkerung und mit deren Skepsis gegenüber den Betreibern kerntechnischer Einrichtungen verbunden ist. Vertrauenswürdige Messungen durch eine unabhängige Institution wie die PTB sind daher von starker gesellschaftspolitischer Bedeutung. Die Kompetenz in der PTB auf dem Gebiet der Neutronenmetrologie soll deshalb in den kommenden Jahren in einem Kompetenz-Zentrum Neutronenmetrologie gebündelt und ausgebaut werden.