Intelligent verknüpfte Gas- und Stromnetze entfalten ... · • Kläranlagen haben durch...
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Intelligent verknüpfte Gas- und Stromnetze
entfalten enorme Mehrwerte
DI Robert Hinterberger
Energy Talks Ossiach 2012
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 2
Inhalte
• Motivation für die Verknüpfung von Strom- und Gasnetzen
• Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „Die intelligenten
Gasnetze der Zukunft - Smart Gas Grids“
• Energie@Hybridnetze und kommunale Infrastrukturen -
Beispiele aus aktuellen Smart Cities Projekten
• Zusammenfassung und Ausblick
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 3ENERGY RESEARCH AUSTRIA
I. Motivation für die Verknüpfung von
Strom- und Gasnetzen
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 4
Energiewende: wo liegen die größten Heraus-
forderungen Richtung 100% erneuerbare Energie?
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Wie sieht die Zukunft der Gaswirtschaft aus?
• Auch in Österreich sinkt der
Wärmebedarf laufend
• Niedrigenergiestandard im
Neubau
• Sanierung im Altbestand
• Einsatz in Stromproduktion -
und in einem Hybridnetz?!
In Deutschland: Nutzungszwang für erneuerbare Energien im
Wohnungsneubau (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz)
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 6
Vorhandene Erdgas-Infrastrukturen
Speicher- und Transportkapazitäten in Europa
Quelle: Energie Chronik
• 47 Untergrundspeicher mit rd.
21 Mrd. Nm3 Arbeitsgas
• Davon: 24 Kavernenspeicher,
23 Porenspeicher
• Weitere 21 Untertagespeicher
in Deutschland in Bau
(zusätzliche 11 Mrd. Nm3)
• In Europa gesamt (ohne
Ukraine) rd. 75 Mrd. Nm3
quellen: BDEW, Stand: 2011 (Deutschland); GSE (Daten Europa; August 2011)
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Vorhandene Erdgas-Infrastrukturen
Speicherkapazitäten in Österreich
Quelle: Energie Chronik
Kann das sein; eher
Billionen?
Quelle: E-Control (Stand: Dez. 2011)
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Speicherkapazitäten in Österreich
Vergleich Strom- und Erdgasnetze
-
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Speicherkapazität Erdgasspeicher Speicherkapazität
Pumpspeicherkraftwerke
TWh
Quelle: New Energy; Daten: E-control, VDE-Studie Energiespeicher
18 fach
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Speicherentnahmeleistung in Österreich
Vergleich Strom- und Erdgasnetze
-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
max. Entnahmeleistung öster.
Gasspeicher
Engpassleistung
Pumpspeicherkraftwerke
GW
Quelle: New Energy; Daten: E-control, VDE-Studie Energiespeicher
7 fach
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Vorhandene Transportkapazitäten
Vergleich Strom- und Erdgasnetze
Quelle: New Energy; Daten: E-control Marktbericht 2010, APG
-
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
maximale Transportkapazität TAG-
Leitung
gesamte Transportmenge im Netz
der Austrian Power Grid
GW
h/
Jah
r
10 fach
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Transportfähigkeit
Pipeleinsystem in Europa
Zahlen in Österreich:
Erdgasnetz: das besser Super-Grid als das Stromnetz ?!Das europäische Gasnetz –
das “bessere“ SuperGrid?
Quelle: entsog (Stand: März 2012)
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 12ENERGY RESEARCH AUSTRIA
II. Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt
Die intelligenten Gasnetze der Zukunft –
Smart Gas Grids
Ein Projekt der
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
„Google“-Suche*
nach „Smart Gas Grids“:
Null Treffer
• „Energiesysteme Neu Denken“: Entwickeln von Visionen
und Strategien für ein „Smart Grid“ bei Gasnetzen
• Identifikation von Möglichkeiten zur Effizienzverbesserung
anhand konkreter Problemstellungen
• Erarbeiten eines Visions- und Strategiepapiers und eines
Entwurfes für eine „Strategische Research Agenda“
• Vorbereitung und Konzeption von Leuchtturmprojekten
Erste F&E-Projekt zum Thema „Smart Gas Grids“ in Europa
* abgefragt am 3. September 2007, 16 h
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ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Smart Grids sind technologieoffen
Definition des Smart Grids durch seine Ziele
• Erhöhung Versorgungssicherheit
• Verbesserung der Energie- und Rohstoffeffizienz
• Minimierung der CO2-Emissionen
• Verbesserung der Kosteneffizienz
„Smart“ steht für die intelligente Nutzung aller zur Verfügung
stehenden Ressourcen – und somit für die Optimierung und
Integration des gesamten Energiesystems --> Smart PolyGrid
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ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Visionspapier für ein Smart Gas Grids
• Gasnetz ist in vielen Aspekten bereits sehr „smart“
(zumindest im Vergleich zum Stromnetz)
• Smart Grids sind mehr als die physischen Leitungsnetze
• Smart Grids bedeutet die Integration vieler
Einzelmaßnahmen in die Netze und Systeme
• Integration unterschiedlicher Netze und Systeme in ein
smartes „Grid of Grids“ (Smart PolyGrid)
• Größter Nutzen in der Interaktion zwischen einzelnen
Netzen und Systemen (GridPlus) und am Netzrand beim
Kunden (GasPlus/StromPlus)
* zugleich auch für ein Energie@Hybridnetz
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ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Strategische Research Agenda für ein
Smart Gas Grid (bzw. intelligentes „Grid of Grids“)
Smarte Systeme und Netzknoten
Smarte Produktion und Aufbereitung
Smarte Speichertechnologien
Smarte Anwendungen und Prosumer
Markt-, Tarif- und Geschäftsmodelle
Themencluster 1 Themencluster 2
Themencluster 3 Themencluster 4
Themencluster 5
Begleitmaßnahmen und
Verbreitungsstrategien
Themencluster 6
Ca. 100 unterschiedliche
Themenfelder bzw.
Projektmaßnahmen
Zusätzlich: Konzeption von
Demonstrationsprojekten
(„Leuchttürmen der Innovation“)
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16
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Smart Grids verbinden zentrale mit dezentralen
Netzen, Systemen und Steuermechanismen
„ ... put 10.000 dumb ants together,
and they become smart ...”United Press International, October 8, 2001
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ub/F
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17
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 18
Nutzen von Smart Grids* liegt in der Integration der
unterschiedlichen Netze und Infrastrukturen
• Höchster Effizienzgewinn durch die Integration von bisher
nur getrennt betrachteten Systemen und Netzen
• Es geht um Optimierung der unterschiedlichen Energienetze
und –systeme sowie die Anbindungen am „Netzrand“ zu den
unterschiedlichen Nutzern
• Integration von zentralen und dezentralen Systemen
• Kaskadische Energienutzung und Speichertechnologien
• Neben Strom-, Gas- und Wärmenetzen auch andere
kommunale Infrastrukturen (z. B. Straßenbeleuchtung, Trink-
und Abwasser, Verkehrssteuereinrichtungen,…)
*ein Smart Grid ist zugleich immer ein Energie@Hybridnetz
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Smarte Netzknoten verbinden die unter-
schiedlichen Energiesysteme und -netze (1)
Elektrolyse
2 H2O 2 H2 + O2
H2
O2
Wirkungsgrad: max. 75%
Sabatier Prozess
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
CO2
CH4
Wirkungsgrad: max. 80%
Exotherme Reaktion
Katalytische Reaktion (Nickel, Ruthenium)
Überschuss-
strom
19
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Elektrolyseure sind marktgängig und im MW-
Leistungsbereich verfügbar
Quelle: Wasserelektrolyse Hydrotechnik GmbH
20
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Smarte Netzknoten verbinden die unter-
schiedlichen Energiesysteme und -netze (2)
• Umwandlung von überschüssigem
Windkraftstrom in Biomethan durch
Elektrolyse und Methanisierung
• Speicherung in Erdgasspeichern
• Rückverstromung u.a. in KWKs
(virtuellen Kraftwerken)
• Zumischung von Wasserstoff,
soweit möglich
• Elektrolysestufe kann zugleich
Regel-/Ausgleichsenergie
bereitstellen
• Integration mit der Verkehrs-
infrastrukturQuelle: Energy Research Austria
21
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Smarte Netzknoten verbinden die unter-
schiedlichen Energiesysteme und -netze (3)
• Kläranlagen haben durch Überdimensionierung
großes Potential zur Steigerung der Energie-
effizienz
• Möglichkeit zur (Erhöhung der) Biomethan-
erzeugung durch Co-Fermentation,
Aufschlussverfahren
• Dezentrale Nutzung in Insellösungen oder
Einspeisung in die Netze
• Vorhandensein von Gasspeichern
• Möglichkeit zum elektr. Lastverschiebung der
größten Stromverbraucher (Pumpen, Gebläse)
• Lieferung von Systemdienstleistungen in die
übergeordneten NetzeBildnachweis: New Energy
22
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Dezentrale „Green Gas“- Netze als Ergänzung
zum zentralen Gasnetz - Best Practice Schweden
Bildnachweis: New Energy
23
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Effizienzgewinn im Erdgasnetz (GridPlus)
Beispiel für kaskadische Nutzung
Quelle: Gasverbund Mittelland AG
24
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Mikro-KWK: Gas - Strom - Wärme
Neue Netzknoten als virtuelle Gaskraftwerke
• Verschiedene Mikro-KWK
Technologien, grundsätzlich
marktreif
• In Japan: 100.000 Geräte mit je 1
kW eletrischer Leistung
• „Zuhause Kraftwerk“ von
Volkswagen und Lichtblick
• Erfolgsfaktoren sind Geschäfts-
modell, Netztarife sowie
Steuerung und OptimierungBildquelle: Honda
25
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 26ENERGY RESEARCH AUSTRIA
III. Energie@Hybridnetze und kommunale
Infrastrukturen – Beispiele aus
aktuellen Smart Cities Projekten
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Smart Cities Initiative im europäischen SET-Plan
adressiert einen globalen Megatrend
• Eines der europäischen Industrieinitiativen im SET-Plan
• Demonstration von Maßnahmen zur Steigerung der
Energieeffizienz in urbanen Regionen
• Auswahl von 20 – 25 europäischen Städten, in denen diese
Maßnahmen demonstriert werden sollen
• Investitionsvolumen von 11 Mrd. Euro bis zum Jahr 2020 in
diesen Pionierregionen
• Nationale Aktivitäten in Österreich wurden bereits 2010
gestartet – 20 Projekte in fit4set Ausschreibung (1. Call)
27
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 28
Energie@Hybridnetze müssen in energieträger-
übergreifende Energieplanung eingebunden seinWechselwirkungen
(„Konkurrenz“)
Stromnetz
GasnetzFern-/Nah-wärmenetz
Solar-therm
ieEnerg
ie-
effizienz
Wechselwirkungen
(„Ko
nkurrenz
“)
Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)
Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)
Wechselw
irkungen
(„Konkurrenz“)
Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)
Wechselwirkungen
(„Konkurrenz“)
StromnetzStromnetz
GasnetzFern-/Nah-wärmenetz
Solar-therm
ieEnerg
ie-
effizienz
Wechselwirkungen
(„Ko
nkurrenz
“)Wechselwirkungen
(„Ko
nkurrenz
“)
Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)
Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)
Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)
Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)
Wechselw
irkungen
(„Konkurrenz“)
Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)
Quelle: TU-Wien/EEG
Planung, Integration, Steuerung und Optimierung der unterschiedlichen
Energieinfrastrukturen ist nur bei Einsatz innovativer IKT Lösungen möglich!
Modellierung und quantitative Analyse
(Simulationsrechnungen)
Szenarioanalysenstrategische
Energieplanung
Steuerung und Regelungder unterschiedlichen
Netze und Systeme
Schnittstellen zusonstigen Infrastrukturen
und Nutzern
Ermöglichung von Geschäftsmodellen
Quelle: NEW ENERGY
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Smarte urbane Infrastrukturen sind
Kernelemente von zukünftigen Smart Cities
• Höchster Effizienzgewinn durch die Integration von bisher
nur getrennt betrachteten Systemen und –netzen
• Gasinfrastruktur als „enabler“ Speicherung, Transport
• Neben Strom-, Gas- und Wärmenetzen auch Abfall-,
Abwasser-, Trinkwasser und Verkehrsinfrastrukturen
• Einzeltechnologien sind großteils vorhanden notwendig
sind Integration und Demonstration
• Entscheidend ist der Kundennutzen strategische,
energieträgerübergreifende Energie- und Infrastruktur-
planung ist Grundvoraussetzung
29
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 30
Ziele und Methodik für Smart Cities
Triple-Smart-Konzept
smart spaces
smart socialdesign
smart infrastructures
RÄUME
INFRASTRUKTUREN
MENSCHEN
„Smart“ bedeutet die Integration von unter-
schiedlichen Systemen, Netzen und Technologien>> Fokus auf Systeminnovationen, nicht Technologieentwicklung.
Quelle: ENERGY RESEARCH AUSTRIA
• Zero Emission City
• 100% erneuerbare Energie
• Reduktion von Energie- und
Ressourcenverbrauch um
zumindest Faktor 10
• Erhöhung bzw. Erhalt der
Lebensqualität
• Maßnahmen müssen
finanzier- und leistbar sein
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 31
Beispiel: Smart City Vienna – Liesing Mitte
• Eines der 13 Stadtentwick-
lungsgebiete von Wien
• 700 ha – doppelt so groß wie
die Innenstadt
• Sehr unterschiedliche
Teilgebiete
• In der Wiesen
• Industriegebiet Liesing
• Atzgersdorf Zentrum
Bildnachweis: NA 21B, MA 18
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 32
Strategische und operative Ziele
• Klare Vision für das Jahr 2050 (Zero Emission, Faktor 10
Technologien, 100% erneuerbare Energien)
• Umsetzen eines Smart City Modellquartiers in Liesing Mitte
• Dieser Modellstadtteil soll in Europa und weltweit als „best
practice smart city showcase“ sichtbar sein
• Aufbau eines europäischen Städte-Netzwerks: Kopenhagen,
Amsterdam, Hamburg, Gran Lyon, Wien erfolgreiche FP7
Einreichung
• Die Maßnahmen sollen die technische und wirtschaftliche
Machbarkeit von Smart Cities praktisch beweisen
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 33
Elemente der Roadmap für smarte urbane
Infrastrukturen Projektinformationen: www.smartcityliesing.at
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 34
Smarte Infrastrukturen: unterschied-
liche Herausforderungen in neuen
Stadtentwicklungsgebieten und
bestehenden Strukturen!
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 35
Jeder Gebietsteil erfordert andere Konzepte
Sub-Aktionsfelder
Bildnachweis: S.O.Li:D
Energie@Hybridnetze sehen je nach
Bebauungsstruktur völlig anders aus !
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 36
Anforderungen an Energie@Hybridnetze im
Smart Cities Kontext
• Integration von bisher nur getrennt betrachteten
Energiesystemen und –netzen
• Integration von zentralen und dezentralen Systemen
• Kaskadische Energienutzung und Speichertechnologien
• Optimierung der unterschiedlichen Energienetze und –systeme
sowie sonstiger Infrastrukturen
• Neben Strom-, Gas- und Wärmenetzen auch Abfall-, Abwasser-,
Trinkwasser- und Verkehrsinfrastrukturen
• Einzeltechnologien sind großteils vorhanden gefragt sind
Integration und Demonstration
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Liesing Mitte: die größten Dachflächen in Wien
Portential für „Solar supported district heating“
Quelle: bing.com
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 38
Demoprojekt: Smarte Infrastrukturen im Industrie-
und Gewerbegebiet
• Nutzung von dezentraler
Energieerzeugung
Integration in die Netze
• Einbeziehung aller
leitungsgebundenen
Energieträger
• Verschränkung betrieblicher
Infrastrukturen
• Inkl. des Einbeziehens
funktionaler Energiespeicher
(elektr. Lastverschiebung)
Hinweis: Auf Basis einer strategischen, energieträgerübgreifenden Energie- und Infrastrukturplanung!
Bildnachweis: NA 21B, MA 18, New Energy
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 39
Speichertechnologien als wichtigste Elemente
eines Energie@Hybridnetzes
• (Kostengünstige) Stromspeicher sind die wichtigste
Voraussetzung für 100% erneuerbare Energie
• Wichtig ist der richtige Mix von konventionellen Speichern
(Pumpwasserkraftwerke), alternativen (funktionalen)
Speichermethoden und einem intelligenten Dispatching
• Neben Strom- aber auch Wärme- und Kältespeicher,
Speicher für gasförmige Energieträger, hybride Speicher
• Die Art der Energieerzeugung und –aufbringung (zentral,
dezentral) legt zugleich auch Größe und Lokalisierung
zukünftiger Speicher fest
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 40
Methanisierung: Verbesserung Wirkungsgrad
durch Einbindung in kommunale Infrastrukturen
Reduktion des Stromverbrauchs
für die Gebläse auf ein Fünftel!(Kläranlagen sind neben der Straßenbeleuchtung
die größten kommunalen Stromverbraucher)
Überschussstrom aus lokaler PV-Einspeisung
(Entlastung der Verteilernetze)
Nutzung der Abwärme für
die Beheizung der Klärbecken
Stoffliche Verwertung
Quelle: New Energy
Nutzung des CO2 aus der
Methanaufbereitung
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 41
Solarthermie, Überschussstrom, saisonale Wärme-
speicherung, KWK Smart District Heating
Wärmepumpe
Saisonaler
WärmespeicherBildquelle: New Energy
Solarthermische
Großanlagen
Dezentrales Wärmenetz
(Optional: Anbindung an
Fernwärmenetz)
Verwertung von Überschussstrom
aus erneuerbaren Energiequellen
Erdgas/
Biomethan
Systemdienstleistung
in das übergeordnete
Stromnetz
Wärme in
das Nahwärmenetz
KWK-Anlage
Abwärme
Strom
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 42
Wärmeerzeugung aus dem Kanalnetz (Oslo,
Norwegen)
Wärmeleistung: 14 MW
Kälteleistung: 9,5 MW
Quelle: Friotherm
Wärmepumpe:
Wärme und Kälte aus dem Kanalnetz
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 43
Abwasserwärmenutzung für Nahwärmenetze -
möglich in neuen wie auch bestehenden Kanälen
Quelle: zVGQuelle: Uhrig
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 44
„Smarte“ Systemarchitekturen (Ausschnitt)
Nutzung der Abwärme des Abwassers
Wärme- und KältezentraleWärmepumpe + ev. KWK-Anlage
oder Gaswärmepumpe
Intelligente
Wärmespeicherung(zentrale und dezentrale Speicher)
Elektr. Lastverschiebung (DSM)
Steuerung entsprechend
dem wirtschaftlichen Optimum(Strompreis & betriebliche Rahmenbedingungen)
Wärme und Kälte
aus dem Abwasser
Solarthermie zum
Heizen und Kühlen
Strom
Ev. Gas
Nahwärme-
/Kältenetz
Quelle: New Energy
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 45
Weitere Beispiele für Synergiepotentiale mit
kommunalen Infrastrukturen
Intelligente Steuerung der Wasserwerksinfrastruktur
(peak/off peak - Pump as Turbine Betrieb)
Quelle: KSB
Quelle: MIT
Smart Water
Best Practice Singapure
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 46
IKT als „enabler“ – Beispiel Amplex A/S
Bildquelle: Amplex
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Zusammenfassung
• Energie@Hybridnetze sehen in urbanen Ballungsräumen völlig
anders aus als in ländlichen Regionen
• Ein „smart grid“ reduziert auf die Stromnetze ist nicht „smart“
Strom, Erdgas und (Fern)wärme
• Energieträgerübergreifende Planung ist die Grundlage
• Hohe Synergiepotentiale mit kommunalen Infrastrukturen
• Energie@Hybridnetze generieren tatsächlich Mehrwerte
• Grundvoraussetzung für die Energiewende (Integration stochastischer Einspeisung)
• Effizienzsteigerung und Kostenreduktion in Energiesystem u. kommunaler Infrastruktur
• Konkretisierung eines Energie@Hybridnetzes im urbanen Kontext ist eine der größten
Herausforderungen im SET-Plan
ENERGY RESEARCH AUSTRIA 48
Danke für Ihre Aufmerksamkeit !
DI Robert Hinterberger
NEW ENERGY Capital Invest GmbH
ENERGY RESEARCH AUSTRIA
Tel: +43-1-33 23 560 – 3060
Email: [email protected]
Internet: www.energyinvest.at, www.smartcityliesing.at
Das Projekt „Smart City Vienna – Liesing Mitte“ wird von der Stadt Wien (MA 21B und MA 22) und der Wirtschaftskammer
Wien gemeinsam getragen, aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „SMART
ENERGY DEMO – fit4set“ durchgeführt.
Das Projekt „Das intelligente Gasnetz der Zukunft – Smart Gas Grids“ wurde von der ENERGY RESARCH AUSTRIA im Rahmen
des Programms "Energie der Zukunft" durchgeführt. Dieses Programm wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr,
Innovation und Technologie und des Bundesministeriums für Wirtschaft, Familie und Jugend durch die
Forschungsförderungsgesellschaft abgewickelt.