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SEKTOR ENERGIE

Ein schrittweiser Ausstieg aus der Kohleverstromung, der Ausbau des Anteils erneuerbarer Energien und umfassende Energieeffizienzanstrengungen in allen Sektoren sind entscheidende Voraussetzungen für das Erreichen der Klimaschutzziele. Windkraft, Bioenergie, Solarenergie, Wasserkraft und Geothermie können Millionen Tonnen Kohlendioxid-Äquivalente vermeiden – ein gewaltiges Potenzial, das es zu nutzen gilt,um das Energiesystem umzubauen. Künftig wird die Ausgeglichenheit einer hohen Versorgungssicherheit, wirksamer Klimaschutzmaßnahmen und wirtschaftlicher Tragfähigkeit den Rahmen bilden. Strom, flüssige und gasförmige Energieträger sowie Nah- und Fernwärme werden zum Einsatz kommen. Bestehende Infrastrukturen für Transport und Verteilung müssen für eine optimierte Ausgestaltung bestmöglich ausgelastet und weiterentwickelt sowie bei steigendem Bedarf ausgebaut werden. Das folgende Kapitel betrachtet, wie durch technische Innovationen im Energiesektor zukünftig weitere CO2-Emissionen eingespart werden können.

Von der Wandlung des Ökostroms

Industrieanlagen gelten heute eher als Quelle des Treibhausgases Kohlendioxid. Künftig aber könnten sie dank ihrer Größe wesentlich zur Stabilisierung des Strom- netzes beitragen – indem sie sich stärker an dem Angebot an Ökostrom ausrichten und den Strom auf vielfältige Weise nutzen. In fünf Modellregionen werden jetzt viele solcher Anlagen fit fürs Stromnetz der Zukunft gemacht.

Dass man mit Strom Wasser erwärmen kann, weiß wohl jedes Kind. Denn in jeder Küche dürfte ein Wasserkocher stehen, der auf Knopfdruck sprudelnd heißes Wasser liefert. Der Wasserkocher, der im September 2019 im Heizkraftwerk Reuter in Berlin-Spandau in Betrieb gegangen ist, hat es allerdings in sich: Er hat eine Leistung von 120 Megawatt, etwa so viel wie 60.000 kleine Wasserkocher zusammen. In den Medien wurde er bereits als „größter Wasserkocher Europas“ gefeiert. Doch natürlich ist der rundliche Stahlbehälter von der Größe eines Überseecontainers kein Wasserkocher im eigentlichen Sinne. Das Warmwasser, das er erzeugt, wird in das Berliner Fernwärmenetz eingespeist, um Gebäude zuheizen.

Für gewöhnlich ist es ausgesprochen ineffizient, Wasser mit Strom zu erwärmen. Denn zunächst einmal muss der Strom produziert werden. Das geschieht heute teilweise auch noch in Kraft- werken, in denen Kohle oder Gas verbrannt wird.

Die Hitze treibt eine Dampfturbine an, die über einen Generator Strom erzeugt. Der Wasserkocher wandelt den Strom dann wieder in Wärme zurück. Da bei jeder Umwandlung Energie verloren geht, ist der Umweg von der Kohle über den Strom zum Heißwasser grundsätzlich wenig sinnvoll. Doch bei dem Wasserkocher in Spandau ist es anders: Dort kommt regenerativ erzeugter Strom zum Einsatz, der sonst ungenutzt bliebe.

Überschusstrom nutzen

Wenn in Deutschland der Wind weht und die Sonne scheint, dann produzieren Windkraft- und Photovoltaikanlagen mehr Strom, als gerade verbraucht werden kann. Bis heute kann man mit diesem Überschuss kaum etwas anfangen. Er lässt sich nicht einspeisen, weil das Zuviel das Stromnetz aus dem Takt bringen würde. Und an großen Stromspeichern fehlt es bislang. Das bedeutet, dass man Windkraft- und Solaranlagen zum Teil herunterfahren, abregeln muss. Damit verschenkt man nicht nur die Energie, die man aus Sonne und Wind hätte ernten können. Das Abregeln ist außerdem sehr teuer, weil die Betreiber für die Kilowattstunden entschädigt werden, die sie nicht ins Stromnetz einspeisen dürfen. Der Wasserkocher von Spandau, eine sogenannte Power-to-Heat-Anlage, die Strom in Hitze wandelt, nutzt genau diesen Überschussstrom.

Fünf Regionen, viele Projekte

Die Power-to-Heat-Anlage wurde durch das SINTEG-Programm Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. SINTEG hat das Ziel, große Industrieanlagen so ins Stromnetz zu integrieren, dass sie künftig dabei helfen können, die schwankende Einspeisung von Wind- und Sonnenenergie ins Stromnetz abzufedern. Bislang wird die Industrie häufig eher als Verursacher des Klimagases Kohlendioxid betrachtet. Tatsächlich aber können die Industrieunternehmen zu einem wichtigen Baustein eines klimafreundlichen Strommarktes werden – einfach, weil sie große Mengen an Strom bewegen beziehungsweise aufnehmen oder abgeben können.

Schleswig-Holstein und Hamburg verknüpfen

Insgesamt unterstützt SINTEG fünf regionale Großprojekte in fünf Regionen Deutschlands. In Berlin und den neuen Bundesländern läuft das Großprojekt WindNODE, das neben dem Spandauer Wasserkocher viele andere Teilprojekte auf den Weg gebracht hat. Für die Region Hamburg und Schleswig-Holstein laufen die Fäden an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg zusammen. Am dortigen Competence Center für Erneuerbare Energien und Energie Effizienz (CC4E) ist das zentrale Projektmanagement für das SINTEG-Projekt NEW 4.0 mit 60 Partnern aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik zu Hause.

SINTEG-PROGRAMM IM ÜBERBLICK:

Mithilfe des BMWi-Förderprogramms SINTEG: Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende werden für eine Laufzeit von vier Jahren insgesamt mehr als 500 Millionen Euro in das digitale Energiesystem der Zukunft investiert. Dafür arbeiten seit Ende 2016 mehr als 300 Partner aus Wirtschaft, Forschung und öffentlicher Verwaltung in fünf regionalen Schaufenstern zusammen. Der Projektträger Jülich (PtJ) unterstützt das BMWi bei der Durchführung von SINTEG, insbesondere durch die Umsetzung der Projektförderung.

Windstrom für die Hansestadt

In Sachen erneuerbare Energien hat Schleswig-Holstein die Nase vorn. Übers Jahr betrachtet, kann das Land heute bis zu 160 Prozent des Strombedarfs aus Windenergie decken. In Hamburg hingegen bringen es die Erneuerbaren auf maximal vier Prozent. Künftig könnte das Ökostrom-reiche Schleswig-Holstein zu einem wichtigen Versorger der Hansestadt werden. „Für ein stabiles Gesamtsystem müssen Erzeugung und Verbrauch allerdings optimal in Einklanggehalten werden“, sagt Prof. Werner Beba, Leiter desCC4E.

Entsprechende Lösungen werden mit NEW 4.0 auf den Weg gebracht. Der Zusatz 4.0 deutet an, dass dabei vor allem auf Digitalisierung gesetzt wird, mit der sich das Stromnetz und die Industrieanlagen intelligent verknüpfen lassen. Ein Signal hat vor einiger Zeit das NEW4.0-Teilprojekt Enspire ME gesetzt. In Zusammenarbeit mit dem niederländischen Energieversorger ENECO und dem japanischen Unternehmen Mitsubishi ist an der deutsch-dänischen Grenze bei Jardelund einer der größten Batteriespeicher Europas ans Netz gegangen. 10.000 miteinander verschaltete Lithium-Ionen-Akkus mit einer elektrischen Leistung von rund 50 Megawatt sind hier verbaut. Die Batterien werden ebenfalls mit überschüssigem Ökostrom betrieben. Der gespeicherte Strom ist aber nicht dazu da, Haushalte zu versorgen. Vielmehr hat der Batteriespeicher die Aufgabe, das Netz zustabilisieren.

Schwankungen in den Griff bekommen

Viele Fachleute erwarten, dass das ganze europäische Stromnetz in dem Ausbau der erneuerbaren Energien an Stabilität verlieren könnte; erstens, weil sich das schwankende Angebot von Sonne und Wind umso stärker auf das Stromnetz auswirkt, je mehr Ökostrom eingespeist wird, und zweitens, weil mit der Abschaltung großer Kohlekraftwerke die Trägheit der rotierenden Massen der Stromgeneratoren verloren geht, die das Netz stabilisieren. Diese riesigen Massen drehen sich mit einer bestimmten Frequenz, damit der Wechselstrom in den Leitungen konstant mit 50 Hertzschwingt. Weicht die Frequenz um mehr als 0,2 Hertz vom Soll ab, muss der Netzbetreiber eingreifen, um Störungen und Stromausfälle zuvermeiden. Zu Frequenzänderungen kann es kommen, wenn entweder zu viel Strom ins Netz eingespeist oder zu viel verbraucht wird. Minimale Schwankungen sind normal und treten permanent auf. Sie werden durch Anlagen, die sogenannte Regel- energie erbringen, abgepuffert. Das sind heute beispielsweise Gaskraftwerke, die sich in Minuten hoch- oder runterfahren lassen. Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien aber nehmen die Schwankungen zu. Deshalb braucht es mehr Anlagen, die Regelenergie erbringen können. Genau diese Aufgabe kann der Batteriespeicher in Jardelund übernehmen. Er kann ein Zuviel an Windstrom aufnehmen oder auch Strom ins Netz einspeisen.

 

Schwerindustrie als Regelgröße

Schwankungen im Netz lassen sich künftig aber auch dämpfen, indem man den Verbrauch besser steuert. Das wird in einem anderen NEW4.0-Teilprojekt erprobt – dem Projekt Power-to-Aluminium. Die großen Metallverarbeiter in Hamburg verbrauchen rund ein Viertel des Stroms in der Hansestadt. Damit haben sie zugleich ein großes Potenzial als Regelgröße im Stromnetz. Der Aluminiumhersteller Trimet betreibt in Hamburg ein Werk, in dem in rund 300 Elektrolysezellen reines Aluminium gewonnen wird. Diese Elektrolysezellen müssen mit einer bestimmten Stromstärke und Temperatur gefahren werden, damit der Prozess stabil läuft. Abweichungen können zu einem Totalausfall der Anlage führen. Damit war es bislang beinahe undenkbar, die Produktion nach dem Stromangebot auszurichten. Mithilfe des Power-to-Aluminium-Projekts aber wurden erstmals Wärmetauscher in Betrieb genommen. Sie sind gewissermaßen ein Puffer zwischen der Stromversorgung und der Elektrolysezelle. Sie können die Zellen über längere Zeit konstant fahren, sich selbst aber nach dem Stromangebot ausrichten. Zunächst sollen einige Zellen mit Wärmetauschern ausgestattet werden; sofern alles klappt, danach sämtliche Anlagen.

Vulkangestein statt Batterie

Parallel zu SINTEG ist mit Unterstützung durch das Energieforschungsprogramm ddes Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Hamburger Hafen noch eine Stromspeichertechnologie realisiert worden: ein elektrothermischer Energiespeicher (ETES), der Hitze in einer Schüttung aus Vulkangestein speichert. Man nutzt überschüssigen Windstrom für ein großes Heizluftgebläse, mit dem das Gestein auf rund 750 Grad aufgeheizt wird. Das gut isolierte Gestein kann diese Temperatur bis zu einer Woche halten. Wenn in Hamburg der Strombedarf steigt, wird die Hitze genutzt, um eine Turbine anzutreiben und die Wärme in Strom zurückzuverwandeln. Der von dem Windkraftanlagenhersteller Siemens Gamesa errichtete Speicher ist im Juni 2019 ans Netz gegangen und beliefert seit dem die Hansestadt Hamburg mit sauberem Strom; mit Überschussstrom, der sonst nie genutzt oder gar erzeugt worden wäre.

Bildnachweis


Bild „Sektor Energie“: ©Mike Mareen - stock.adobe.com

Bild „SINTEG-Programm im Überblick“: Wärme Hamburg GmbH

 

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