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

 

 

Demand Side Management der Industrie wird überschätzt

IMG_0212Eine flexible Nachfrage gilt als Schlüsselfaktor im künftigen Stromsystem. Durch kurzzeitige Reduzierung oder Abschaltung von Großverbrauchern soll fehlende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ausgeglichen werden. Schon heute kontrahieren Netzbetreiber in der Industrie abschaltbare Lasten. Ob sich diese Praxis aber ausweiten wird, ist fraglich, denn viele Produktionsprozesse brauchen kontinuierlich Energie. Im Interview mit der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft, Ausgabe 5/2015 erläutert Dr. Frank Holtrup, Covestro, welche Bedeutung ein gleichbleibender Energieverbrauch für die Industrie hat .

Vor dem Hintergrund einer Weiterentwicklung des Strommarktes geht die Bundesregierung geht von einem Potenzial von 5 bis 15 GW Demand Side Management (DSM) in der Industrie aus. Der Begriff werde allerdings sehr unterschiedlich verwendet.  Auf Seiten der Verbraucher sollte zwischen Verschiebung und Verzicht unterschieden werden: Bei der Lastverschiebung werde für eine oder mehrere Stunden weniger Strom verbraucht als ursprünglich geplant, dieser Bedarf werde aber zu einem späteren Zeitpunkt nachgeholt. Der Produktionsprozess wird also nur zeitlich verschoben, ohne dass sich der Output ändert. Beim Lastverzicht hingegen werde die Last ganz oder teilweise ohne Nachholmöglichkeit reduziert. Da im letzteren Fall weniger Energie eingesetzt werde, werde auch weniger produziert.

Flexible Fahrweisen auf der Nachfrageseite bieten auf den ersten Blick mehrere Vorteile für ein Energiesystem auf Basis fluktuierender Erzeugung, erläutert Holtrup. Die Verbraucheranlagen sind in den meisten Fällen bereits vorhanden und müssen nicht neu gebaut werden. Sie dienen zwar vorrangig dazu, Güter zu produzieren, aber als große Energieverbraucher haben sie einen entscheidenden Einfluss auf die Last im Netz. Eine gezielte Steuerung des Stromverbrauchs kann sich stabilisierend auf den Netzbetrieb auswirken. So eine Systemdienstleistung lasse sich auch als Regelenergie vermarkten. Daraus ergebe sich eine zusätzliche Einnahmequelle für den Industriebetrieb.

Die Bereitstellung von Flexibilität auch bei vorhandenen Anlagen sei nicht ohne Zusatzkosten möglich. Es müssen organisatorische Maßnahmen zur Vermeidung von Lastspitzen oder auch Investitionsmaßnahmen für Schichtbetrieb, Produktspeicher und Lagerhaltung getroffen werden. Das Unternehmen muss sich komplett auf diese zusätzliche Leistung einstellen.

Sinnvoll sei so eine Nachfragesteuerung vor allem in der energieintensiven Industrie, weil sich hier mit wenigen Anlagen große Lasten steuern lassen. Neben der Chlorherstellung gehört beispielsweise die Produktion von Aluminium, Kupfer, Stahl, Papier und Zement zu den Industrien, die für DSM grundsätzlich in Frage kommen. Unter den gegenwärtigen Rahmenbedingungen ist der Teilnehmerkreis aber wesentlich geringer: Die Verordnung über Vereinbarungen zu abschaltbaren Lasten (AbLaV) orientiert sich an den Betriebsparametern einiger Industriezweige, die relativ häufig und für kurze Zeiten die Energiezufuhr drosseln können. Das ist nicht in allen Branchen und Prozessen gleichermaßen möglich. In der Chemieindustrie sei das eher schwierig.

Viele Produktionsanlagen in der Industrie wurden im Laufe der Jahrzehnte so optimiert, dass sie möglichst gut unter konstanten Bedingungen produzieren. Alle Unternehmen versuchen, diese „Strichfahrweise“ möglichst einzuhalten. Diese Gleichmäßigkeit widerspricht einer hohen Volatilität, wie sie die Stromerzeugung aus Sonne und Wind mitbringt.

Das vollständige Interview ist ew 5/2016 erschienen.

 

Flexibilisierung der Last: Eine Aufgabe für Aggregatoren

Strommast im Winter ohne Netz
Bei der Stromversorgung kommt es auf Genauigkeit an: Erzeugung und Verbrauch müssen jederzeit übereinstimmen. Stimmen die Erwartungen nicht mit Realität überein, muss in Sekundenschnelle reagiert werden. Darüber verständigen sich die Kraftwerke in ganz Europa permanent. Aber auch industrielle Verbraucher sind in der Lage, ihren Stromverbrauch innerhalb von Sekunden zu verändern und damit zur Stabilität des Stromnetzes beizutragen. Damit dies aber in relevanten Größenordnungen geschieht, müssen mehrere Produktionsanlagen in verschiedenen Betrieben gemeinsam gesteuert werden. Jörg-Werner Haug, Leiter Energiewirtschaft, EnerNOC / Entelios AG erläutert im Interview in ew 6/2015 wie das Unternehmen Nachfrageflexibilitäten der Industrie erschließt und damit Regelenergie anbietet.

Eine stärkere Flexibilisierung der Stromnachfrage ist derzeit ein viel diskutiertes Thema – Stichwort Demand Side Management oder Demand Response. Dabei ist die Bezeichnung Demand Side Management ist schon länger gebräuchlich. In den USA wurde unter dieser Bezeichnung in den 1970er Jahren ein Konzept entwickelt, um Engpässe bei der Stromerzeugung nicht nur durch Zubau von Kraftwerken oder Netzen, sondern auch durch Lastanpassungen auszugleichen, erläutert Haug. Mit Demand Response, wird die schnelle Reaktion eines Verbrauchers auf eine Anforderung – beispielweise zur Sicherung der Netzstabilität – zum Ausdruck gebracht.

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NAPE: Stromerzeugung soll mehr CO2 vermeiden

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Das Aktionsprogramm Klimaschutz 2020 und der Nationale Aktionsplan Energieeffizienz (NAPE) sollen als zwei neue Vorgaben für eine weitere Verringerung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland sorgen. Der NAPE sieht vor, dass durch Energie-effizienzmaßnahmen 25-30 Millionen Tonnen CO2-Reduktion eingespart werden. Weitere Maßnahmen im Bereich „Klimafreundliches Bauen und Wohnen“ sollen 1,5-4,7 Millionen Tonnen CO2 vermeiden. Außerdem sollen im Stromsektor 22 Millionen Tonnen reduziert werden. Die Maßnahmen zur CO2-Reduktion im Bereich der Stromerzeugung sind jedoch nicht näher definiert. Für die Energiebranche stellt sich insbesondere die Frage nach der Bemessungsgrundlage und der Verteilung der Minderungsvorgaben.

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Grünbuch empfiehlt Weiterentwicklung des Marktdesigns

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Die Diskussion um ein neues Strommarktdesign gewinnt an Struktur. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat ein Grünbuch veröffentlicht, das in der Branche intensiv diskutiert wird. Grundlage sind Gutachten verschiedener Institute, die sich alle für die Weiterentwicklung des Strommarktes aussprechen, aber einen Kapazitätsmechanismus nicht zwingend für notwendig erachten. Für Ende Mai 2015 ist die Veröffentlichung eines Weißbuches vorgesehen, aus dem sich dann gesetzliche Vorgaben entwickeln können. Parallel ist die Bundesregierung mit den europäischen Nachbarn im Gespräch, um gemeinsame Lösungen im EU-Binnenmarkt zu finden.

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