Wie sieht eine klimaneutrale Wirtschaft aus? Forschungsprojekte zeigen erste Antworten

An staatlichem Geld fehlt es nicht, um die Corona-Krise zu überwinden und die Wirtschaft neu auszurichten. Gesucht sind Zukunftstechnologien, die kurzfristig nutzbar sind. Im Rahmen der zehnjährigen Forschungsinitiative „Kopernikus“ werden technisch erprobte Technologien für die Energiewende zur Marktfähigkeit weiterentwickelt. Nach vier Jahren Forschungszeit gibt es nun Zwischenergebnisse in den Teilprojekten „ENSURE“, „P2X“ und „SynErgie“.

Seit 2016 erforschen die vom Bundesforschungsministerium geförderten Kopernikus-Projekte, wie Deutschland bis zum Jahr 2050 seine CO2-Emissionen massiv reduzieren kann. Der Fokus liegt auf einer Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Kombination mit Wasserstoff sowie einem Umbau von Industrieprozessen und Stromnetzen.

Verbrennungsprozesse und chemisch Wertschöpfung basiert heute auf fossilen Ressourcen. (Bildquelle Kopernikus-Projekte)

Quelle: Kopernikus-Projekte

 

Derzeit ist Erdöl der zentrale Energieträger für Verbrennungsprozesse und gleichzeitig grundlegender Rohstoff für viele Produkte der Chemieindustrie. Wird diese Basis durch CO2-freie Quellen ersetzt, hat das Konsequenzen für die gesamte Wertschöpfungskette. Strom ist verfügbar, wenn Solar- und Windanlagen liefern. Industrieelle Prozesse müssen diese Fluktuation berücksichtigen oder mit dem Zwischenprodukt Wasserstoff planen. Denn durch die Umwandlung der erneuerbaren Energie in Wasserstoff, wird diese speicherbar, in großen Mengen transportierbar und auch als Grundstoff für Chemieprodukte verwendbar.

Vom Versuch zur Anwendung

Ziel der Kopernikus-Forschungsprojekte ist, Zukunftstechnologien aus dem Versuchsstadium zur Anwendungsreife zu bringen. Das Chemieunternehmen Covestro aus Leverkusen ist einer der beteiligten Partner aus der Industrie.

„Covestro hat perspektivisch vor, seine Produktionsanlagen weltweit auf die Nutzung von alternativen Rohstoffen und erneuerbaren Energien umzustellen. Dabei ist es wichtig, nachhaltige Technologien in die bisherigen Prozesse einzubringen. Im Rahmen der Kopernikus-Projekte forschen wir an der Nutzung von CO2 unter Einsatz von regenerativer Energie. Ein innovatives Produkt sind Polymethylen-Polymere, bei denen CO2 einer der Bestandteile ist,“ berichtet Klaus Schäfer, Mitglied des Vorstands bei Covestro.

Ein Beispiel für die Verwendung von Wasserstoff als Heizgas ist die Glasindustrie: „Wasserstoff bedeutet für die Glasindustrie nicht nur eine Reduktion von CO2-Emissionen, sondern bringt auch mehr Energieflexibilität:

„So ein Sprung in der Energieflexibilität wäre mit den bisherigen Technologien nicht mehr möglich, da die Verfahren bereits stark optimiert sind,“ erläutert Alexander Sauer, Professor an der Universität Stuttgart und Leiter des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.

Auch die Elektrolyse ist ein Teil der Forschung: CO-Elektrolyse bezeichnet einen Prozess, bei dem CO2 zugeführt wird. Auf diese Weise entsteht eine Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO) – sogenanntes Synthesegas.

„Synthesegas kann chemisch und auch biochemisch umgewandelt werden und zum Beispiel für die Produktion von längerkettigen Alkoholen für die Herstellung von Kosmetikprodukten genutzt werden. Das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid ist dabei ganz entscheidend für die Anwendung“, erläutert Walter Leitner, Professor an der RWTH Aachen sowie Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion.

Zur Realisierung der Wertschöpfungskette von CO2, Wasser und erneuerbarer Energie kooperieren die Unternehmen Siemens, Evonik und Beiersdorf.

Ob Synthesegas oder Wasserstoff - beide Produkte ermöglichen erneuerbaren Strom auch in anderen Sektoren zu nutzen. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

Aus Sonnen und Windenergie lässt sich über die Elektrolyse Wasserstoff produzieren. Der Energieträger ist gleichzeitig die Basis für Chemieprodukte. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

 

Flexibilität beim Strombedarf in der Industrie

In der Modellregion Augsburg erforscht das Teilprojekt SynErgie branchenübergreifend, wie sich energieintensive Produktionsprozesse an eine schwankende Stromversorgung anpassen können. Die Forschungsarbeiten haben sich auf ein Drittel des Strombedarfs im verarbeitenden Gewerbe Deutschlands konzentriert, was etwa 80 TWh pro Jahr entspricht. Als Potenzial für Flexibilität für den Zeitraum einer Minute wurden rund 4 GW Kapazität bei Lastverzicht und 2,7 GW bei einer Lasterhöhung ermittelt. Für eine Flexibilität von 15 Minuten ergaben sich 2,5 GW bei Lastverzicht und 1,1 GW bei Lasterhöhung.

Unterschiedliche Produktionsprozesse - ein Ziel: Flexibel auf die Einspeisung von Sonnen- und Windstrom reagieren. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

In unterschiedlichen Branchen wird danach geforscht, ob sich Produktionsprozesse an das Energieangebot anpassen lassen (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

Durch den erheblichen Anteil der Industrie am gesamten Stromverbrauch in Deutschland entsteht eine große Hebelwirkung:

„Das sind durchaus relevante Größenordnungen. Die jährlich verschiebbare Energiemenge könnte etwa zwei Drittel der realisierten Erzeugung aus allen deutschen Pumpspeicherkraftwerken abdecken. Unser Ziel ist ein vernetzter automatisierter Prozess von der Windanlage bis zum fertigen Produkt,“ resümiert Sauer.

Der flexible Betrieb von industriellen Prozessen setzt eine entsprechende Informations- und Kommunikationstechnik voraus.

„Kein Produzent wird sich manuell mit der Flexibilisierung des Stromverbrauchs beschäftigen können. Energieflexibilität muss für den Betreiber unsichtbar sein. Bei Neuinvestitionen ist es wichtig, dieses Thema in die Anlage zu integrieren“, betont Sauer.

Ein Beispiel für einen energieflexiblen Betrieb ist die flexible Aluminiumelektrolyse beim Unternehmen TRIMET mit einem Flexibilisierungspotenzial von 22 MW. Eine andere Anwendung findet sich beim Unternehmen Linde:

„Bei Linde erproben wir eine flexible Luftzerlegung FlexASU mit rund 930 MW installierter Leistung in ganz Deutschland“, berichtet Sauer.

Dabei werde die Anlage so betrieben, dass sie möglichst zu Stromspitzen mit niedrigen Preisen produziert, andererseits aber auch runterfährt, wenn Energie im Stromnetz benötigt wird. Wie sich dieser wechselnde Anlagenbetrieb auf die Komponenten und Bauteile der Anlage auswirkt, ist Bestandteil weiterer Untersuchungen.

Andere Anforderungen an das Stromnetz

Das verbindende Element zwischen Erzeugung und Verbrauch ist das Stromnetz. Auch hier ist eine Anpassung an die neuen Vorgaben erforderlich. Das Kopernikus-Projekt ENSURE untersucht dazu die nötigen Energienetzstrukturen. Dabei werden verschiedene Szenarien zur Reduktion von CO2-Emissionen miteinander verglichen. In allen Varianten ist ein deutlicher Ausbau von Photovoltaik und Windkraft an Land nötig.

Stakeholder haben die Szenarien aus ihrer Sicht bewertet:

„Als gemeinsamer Nenner für eine erfolgreiche Energiewende ergab sich der Wunsch nach einer Beteiligung der Bürger an Infrastrukturprojekten sowie nach einer Reduzierung der Auswirkungen auf das Landschaftsbild“, berichtet Jochen Kreusel, Market Innovation Manager bei Hitachi ABB Power Grids und Professor an der RWTH Aachen.

Im Stromnetz werden künftig viele Prozesse autonomer ablaufen müssen. Das wird ebenfalls im Projekt ENSURE untersucht.

„Bisher funktioniert vorwiegend der Schutz des Netzes automatisiert. Um aber gestützte Entscheidungen durch Maschinen zu ermöglichen, sind neue Technologien und Betriebsmittel nötig“, so Kreusel.

Zudem gebe es mehr Gleichstromanwendungen wie Photovoltaik, Batteriespeicher und Elektromobilität. Die neuen Anwendungen kommen zusätzlich dazu und ergänzten die bisherigen Technologien.

Von einer vollständigen Autonomie sind heutige technische System noch weit entfernt. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

Autonomie von Maschinen ist ein mehrstufiger Prozesse. Üblich ist bisher die Übertragung von Teilaufgaben, der Mensch bleibt verantwortlich. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

 

Numbering-up anstatt Skaling-up

Auf dem Weg vom erfolgreichen Modellversuch bis zur breiten Anwendung kommt es darauf an, wie die neuen Prozesse ausgerollt werden:

„Ein wichtiger Aspekt einer breiten Anwendbarkeit ist ein Numbering-up im Unterschied zu einem Skaling-up: Anlagen, die dezentral arbeiten und kleine Mengen an vielen Standorten produzieren, ermöglichen an bestimmten Standorten eine bessere Abstimmung mit erneuerbaren Energien als die bisherigen petrochemische Anwendungsketten“, so Leitner.

Ein Beispiel ist ein Modul, das die CO2-Gewinnung, die CO-Elektrolyse und die Anwendung eines Fischer-Tropsch-Prozess verbindet und E-Fuel produziert. E-Fuel kann in den gängigen Verbrennungsmotoren als Ersatz für Diesel, Benzin oder Kerosin verwendet werden. Das Besondere an der modularen Produktionsweise ist, dass die gesamte Wertschöpfungskette in einer Prozesseinheit abgebildet wird. Das Modul in Form eines Containers wurde von dem Unternehmen INERATEC gemeinsam mit Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt. Komponenten kommen von Climeworks und sunfire.

Kreislaufwirtschaft als Ziel

Eng mit dem Klimaschutz ist die Frage nach einer Kreislaufwirtschaft verbunden. Covestro will daher seine Produktion auf die Verwendung alternativer Rohstoffe umstellen:

„Wir wollen den Wandel zur Kreislaufwirtschaft beschleunigen. Neben alternativen Rohstoffen wie Altmaterialien, CO2 und Biomasse ist erneuerbare Energie nötig, um zu einer wirklich ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft zu gelangen,“ erläutert Schäfer.

Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit bedingten sich dabei gegenseitig. Entscheidend für eine kommerzielle Nutzung seien allerdings geeignete Rahmenbedingungen.

Kommerzielle Nutzung braucht andere Rahmenbedingungen

Die Verfügbarkeit von günstiger Energie ist ein Schlüsselfaktor für den Einsatz von Wasserstoff. Ein Zwischenergebnis des Projektes SynErgie wie auch des Projektes P2X lautet, dass unter zu den aktuellen Marktbedingungen, die technischen Möglichkeiten nicht genutzt werden.

„Zentrale Voraussetzung für eine Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft ist eine Reduzierung der Stromkosten. Steuern, Abgaben, Umlagen – kurz STAU – verhindern den Einsatz der Technologie,“ betont Felix Matthes, Forschungskoordinator Energie- und Klimapolitik am Öko-Institut.

„Das bisherige Marktsystem unterstützt die Bereitstellung von Flexibilität nicht optimal“, resümiert auch Sauer. Die Initiative fordert daher die Abschaffung von Regulierungshemmnissen für die Flexibilität sowie die Möglichkeit, Flexibilität unabhängig von der Größe, Energieintensität und negativen Effekten auf die Netzentgelte bereitstellen zu können. Zudem müssten Anreize gesetzt werden, um den Stromverbrauch zu passenden Zeitpunkten zu erhöhen oder zu reduzieren.

Klimaneutralität geht nur mit Wasserstoff

Die Vielzahl der untersuchten Aspekte zeigt, wie komplex und anspruchsvoll das ehrgeizige Ziel einer vollständigen CO2-Neutralität ist. Zumal die Klimaziele seit Beginn der Forschung verschärft wurden. Zunächst sah die Klimapolitik bis 2050 eine CO2-Reduktion von 80 Prozent vor.

„Inzwischen wurde das Ziel einer Klimaneutralität bis 2050 verabschiedet. Die nötigen Maßnahmen gehen über die leicht zu erreichenden Low Hanging Fruits hinaus. Das bedeutet, dass jede Möglichkeit der CO2-Reduktion benötigt wird und die Emissionen bereits bis 2030 deutlich sinken müssen. Damit brauchen wir auch sehr bald ein wasserstoffbasiertes Element in der Volkswirtschaft,“ erläutert Matthes.

Deutschland bleibt von Energieimporten abhängig

Die innovative Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft und der massive Ausbau von erneuerbaren Energien wird allerdings wenig daran ändern können, dass Deutschland ein energiearmes Land ist. Denn die Bedingungen für die Produktion von Strom aus Solar- und Wind sind in anderen Teilen der Welt deutlich günstiger. Allerdings verändert Wasserstoff die Importmöglichkeiten von erneuerbaren Energien. Wasserstoff lässt sich im Gegensatz zu Strom über weite Strecken importieren. Dazu kann ein Pipelinesystem oder bei verflüssigter Form der Seeweg genutzt werden.

 

 

Über die Kopernikus-Projekte

In den Kopernikus-Projekten arbeiten mehr als 240 Partner aus Wissenschaft, Industrie und Zivilgesellschaft zusammen. Teilbereiche sind:

Das Projekt ENSURE entwickelt das Stromnetz der Zukunft: https://www.kopernikus-projekte.de/projekte/ensure

Das Projekt P2X erforscht die Umwandlung von CO2, Wasser und erneuerbarem Strom in Gase, Kraftstoffe, Chemikalien und Kunststoffe: https://www.kopernikus-projekte.de/projekte/p2x

Das Projekt SynErgie untersucht, wie energieintensive Industrieprozesse flexibilisiert und so an die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien angepasst werden können: https://www.kopernikus-projekte.de/synergie

 

 

Viele Wege, ein Ziel: Weniger CO2-Emissionen

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Szenarien der Europäischen Kommission zur CO2-Reduktion

Wie lässt sich der Klimaschutz voranbringen? Kaum ein Thema wird derzeit gesellschaftlich so breit diskutiert. Dabei ist die Notwendigkeit, CO2-Emissionen maßgeblich zu reduzieren, allgemein anerkannt. Die zuständigen Institutionen auf europäischer und deutscher Ebene haben unterschiedliche Vorstellungen zu den Wegen und Zielen. Dem Umweltbundesamt (UBA) gehen die Vorschläge der EU-Kommission nicht weit genug. 

Die EU-Kommission hat mit ihrer Mitteilung vom 28.11.2018 ein Strategiepapier mit acht Szenerien bis 2050 vorgelegt. Das Umweltbundesamt hatte bereits 2018 dazu Stellung bezogen und nun den Kommissionsvorschlag analysiert. Auf nationaler Ebene sollen bis zum Jahresende die Strategien für Umsetzung des Abkommens von Paris erarbeitet sein.

Nach dem Sonderbericht des IPCC steigen die Risiken für Mensch und Natur bei einer globalen Erwärmung von 1,5° auf 2° Celsius drastisch an. Bisher ist die globale Durchschnittstemperatur bereits um etwa 1° Celsius gestiegen. Daher ist es für das UBA prioritär, die Anstrengungen noch vor 2030 deutlich zu erhöhen, um bis dahin eine Trendwende einzuleiten. Dabei sollte die Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5° Celsius mit sozial, wirtschafts- und umweltverträglichen Maßnahmen in Einklang mit den Nachhaltigkeitszielen erfolgen.

Acht Szenarien zur CO2-Reduktion

Die Europäische Kommission hat in ihrer Kommunikation vom November 2018 acht Szenarien beschrieben, wie bis 2050 die CO2–Emissionen verringert werden können. Zwei Szenarien gehen von Null-Emissionen aus, die übrigen sechs Szenarien sehen eine Minderung von 80 bis 90 Prozent vor. Konkret betrachtet werden dabei der Weg einer Elektrifizierung, einer Wasserstoffwirtschaft, die Nutzung von Power-to-X, eine Steigerung der Energieeffizienz und eine Kreislaufwirtschaft. Das sechste Szenario sieht die Kombination dieser Maßnahmen vor und die Varianten sieben und acht betrachten zusätzlich den Einsatz von CCS und eine grundlegende Änderung des Lebensstils.

Umweltverträglichkeit wird unterschiedlich verstanden

Nicht alle, der in den Szenarien untersuchten Maßnahmen entsprechen dabei den Grundsätzen des UBA für Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit. So geht die Europäische Kommission zwar in allen Szenarien von einem Anteil von 81 bis 85% erneuerbare Energien an der Stromerzeugung aus, sieht aber auch einen Anteil von 12 bis 15 Prozent Kernenergie und etwa 20 GW Kapazität an Kohlekraftwerken. „Zentral für einen wirksamen Klimaschutz ist der Ausstieg aus der Kohleverstromung, wie ihn die sogenannte Kohlekommission vorgeschlagen hat . Auch Kernenergie ist kein Weg, um umweltbewusst das CO2-Ziel zu erreichen, “ erläutert Michael Angrick, Vizepräsident des UBA. Ebenfalls problematisch sei ein weiterer Ausbau von Biomasse aufgrund fehlender Flächen.

Auch über das Minderungsziel bis 2050 gehen die Meinungen auseinander. In einigen Szenarien der Europäischen Kommission wird eine Reduktion von 80 bis 90 Prozent angestrebt. Nach Einschätzung des UBA wir dies nicht ausreichen, um den Klimawandel aufzuhalten. „Wir brauchen ein Net-Zero-Ziel für 2050, um eine Klimaerwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu beschränken“, ist Angrick überzeugt. „Net-Zero bedeutet, dass zunächst alle vermeidbaren Emissionen reduziert werden. Für unvermeidbare Emissionen müssen Ausgleichsmaßnahmen geschaffen werden.

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CO2-Reduktion durch Sektorenkopplung in Berlin

Version 2Am Beispiel der größten deutschen Stadt wird deutlich, was die Klimaziele im Detail bedeuten. Hier gibt es in jedem Sektor andere Antworten auf die Frage der CO2-Reduktion. Im Interview für Septemberausgabe der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft erläutert Dr. Gerhard Holtmeier, Vorstandsvorsitzender der GASAG, wie ganzheitliche Lösungen mit Strom, Gas und Wärme aussehen. 

Der Gasversorger in Berlin realisiert die Themen Energiewende und CO2-Reduktion in unterschiedlichen Projekten. Mit dem Neubaugebiet Maximilians Quartier, der energetischen Optimierung der Mierendorff-Insel, dem Energiekonzept für die Mercedes-Benz Arena und der Power-to-heat/Power-to-cool-Anlage auf dem EUREF-Campus einige Vorzeigeprojekte für ein neues Verständnis von CO2-Einsparungen im Gebäudebereich entwickelt, erläutert Holtmeier.  Weiterlesen

Gasspeicher als Wintervorrat für Sonnen- und Windstrom

300_pk-studie-gas_33.jpgWie lassen sich jahreszeitliche Erzeugungsschwankungen aus erneuerbaren Energien überbrücken? Diese Frage ist trotz aller Fortschritte bei Batteriespeichern noch ungelöst. Eine Studie des Beratungsunternehmens enervis empfiehlt über Power-to-Gas die Gasspeicher als Speicher für erneuerbaren Strom zu nutzen. Im Interview mit der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft rät Sebastian Klein, Prokurist, enervis energy advisors GmbH, Berlin von einer vollständigen Elektrifizierung der Energieversorgung ab. 

Das Energiesystem eines treibhausgasneutralen Deutschlands im Jahr 2050 wird deutlich anders aussehen als heute, ist Klein überzeugt. Es müsse ausreichend Strom aus erneuerbaren Energien bereitgestellt und diese Mengen in den Absatzmarkt integriert werden. Hierfür bedürfe es der Nutzung erneuerbarer Gase. Dieser Gasbedarf könne durch Wasserstoff und Methan gedeckt werden, die über Power-to-Gas mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wurden. Die bereits heute vorhandenen Gasspeicher könnten die erneuerbaren Gase flexibel ein- und auslagern, welche bei Bedarf auch für die Stromerzeugung genutzt werden. Andere Energieträger fossilen Ursprungs wie Kerosin, Benzin und Diesel werden durch erneuerbare Gase oder erneuerbare liquide Brennstoffe ersetzt.

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LNG: Von den Niederlanden lernen

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Flüssigerdgas (Liquified natural Gas – LNG) ist in den Niederlanden als Treibstoff für LkW bereits Realität. Deutschland könnte seine CO2-Bilanz im Transportsektor durch den Einsatz von Flüssigerdgas entscheidend verbessern. Auch niedrige Treibstoffkosten sprechen für eine Einführung als Kraftstoff für LKW und Schiffe. In der Zeitschrift „ew – Magazin für die Energiewirtschaft“ erläutert Stijn van Els, Vorsitzender Shell Deutschland, was Deutschland von den Niederländern im Bereich Small-scale LNG lernen kann. Weiterlesen