Strom wird dann genutzt, wenn er da ist: Forschungsprogramme wie Kopernikus erproben Alternativen im Zusammenspiel von Erzeugung und Verbrauch
Von Susanne Ehlerding
Wie Flexibilitäten bei der Stromerzeugung und -nutzung zum Gelingen der Energiewende beitragen können, lässt die Bundesregierung in mehreren Forschungsprojekten untersuchen. Eins davon ist nach dem großen Astronom Kopernikus benannt. Wohl auch, weil die Energiewende ein ähnlicher Paradigmenwechsel ist wie die Abkehr vom geozentrischen Weltbild des Mittelalters.
Große Industriebetriebe sollen sich nun wenigstens zum Teil mit ihrem Verbrauch nach der Stromerzeugung richten – und nicht umgekehrt. Das Konzept ist als Demand Side Management schon bekannt, wird aber im Kopernikus-Projekt SynErgie so anwendungsnah wie noch nie durchdekliniert. Zum Beispiel bei Heinz Glas, einem Hersteller von Parfumflakons im oberfränkischen Kleintettau. Wie alle Betriebe der Branche ist das Unternehmen energieintensiv und auf die Nutzung fossiler Brennstoffe angewiesen.
Eine elektrische Schmelzwanne hat das verändert: Während die alte Wanne konstante Temperaturen und einen gleichbleibenden Füllstand brauchte, ist die neue Schmelze modular aufgebaut: Modul eins schmilzt das Glas, wenn mehr Strom im Netz zur Verfügung steht, als gebraucht wird. Das geschmolzene Glas wird anschließend in Modul zwei befördert, einen riesigen Glasspeicher, der das flüssige Glas für lange Zeit bei geringem Energieverlust lagern kann. Er ist energieflexibel und kann für einige Zeit mal mit mehr und mal mit weniger Stromverbrauch auskommen.
Große Industriebetriebe sollen sich nun wenigstens zum Teil mit ihrem Verbrauch nach der Stromerzeugung richten – und nicht umgekehrt. Das Konzept ist als Demand Side Management schon bekannt, wird aber im Kopernikus-Projekt SynErgie so anwendungsnah wie noch nie durchdekliniert. Zum Beispiel bei Heinz Glas, einem Hersteller von Parfumflakons im oberfränkischen Kleintettau. Wie alle Betriebe der Branche ist das Unternehmen energieintensiv und auf die Nutzung fossiler Brennstoffe angewiesen.
Eine elektrische Schmelzwanne hat das verändert: Während die alte Wanne konstante Temperaturen und einen gleichbleibenden Füllstand brauchte, ist die neue Schmelze modular aufgebaut: Modul eins schmilzt das Glas, wenn mehr Strom im Netz zur Verfügung steht, als gebraucht wird. Das geschmolzene Glas wird anschließend in Modul zwei befördert, einen riesigen Glasspeicher, der das flüssige Glas für lange Zeit bei geringem Energieverlust lagern kann. Er ist energieflexibel und kann für einige Zeit mal mit mehr und mal mit weniger Stromverbrauch auskommen.
Das Konzept ist bekannt, wurde aber noch nie so praxisnah angewendet
Eine ganz andere Baustelle ist die Elektrifizierung biotechnologischer Verfahren. Sie galt bisher als schwierig. Das könnte sich jetzt ändern: Innerhalb des Kopernikus-Verbundes wurde ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich Carbonsäuren effizient und ohne fossile Rohstoffe herstellen lassen. Carbonsäuren sind Bestandteil von Lacken, Kunststoffen, Pflanzenschutzmitteln und Medikamenten. Mithilfe eines elektrochemischen Verfahrens namens pH-swing konnten Forscher der Firma Aachener Verfahrenstechnik an der RWTH Aachen die Verwendung von Erdgas bei der Herstellung von Carbonsäuren komplett vermeiden.
Bei der Produktion der Säuren ist das Wichtigste die Anpassung des pH-Werts. Die dafür benötigte Wärme stammt in dem neuen Verfahren aus einem Elektrolyseur. Er erzeugt gleichzeitig grünen Wasserstoff. Zusammen mit dem Chemiekonzern BASF bauen die Aachener nun eine Versuchsanlage im Technikums-Maßstab. Besteht das Verfahren diesen Test, kann es in eine Pilotierung für die industrielle Anwendung gehen.
Diese sehr anwendungsnahen Forschungen werden bei Kopernikus begleitet von Untersuchungen zu den richtigen Rahmenbedingungen für ein vernetztes Energiesystem. In einem Positionspapier beschreibt eine Arbeitsgruppe, was die Industrie bräuchte, um sich systemdienlich zu verhalten. Stromintensive Unternehmen bekommen zum Beispiel Vergünstigungen bei den Netzentgelten, wenn sie den Strom gleichmäßig abnehmen. Das widerspricht aber dem Prinzip, den Verbrauch netzdienlich hoch und runterzufahren.
Wie energieflexible Fabriken aussehen müssten, beschreibt eine neue Richtlinie des Ingenieurvereins VDI. Solche Fabriken sollten Prozesse anpassen und unterbrechen, Maschinenbelegungen und Auftragsreihenfolge verändern können, Energiequellen wechseln und Energie speichern können. Ganz offensichtlich keine leichte Aufgabe.
Bei der Produktion der Säuren ist das Wichtigste die Anpassung des pH-Werts. Die dafür benötigte Wärme stammt in dem neuen Verfahren aus einem Elektrolyseur. Er erzeugt gleichzeitig grünen Wasserstoff. Zusammen mit dem Chemiekonzern BASF bauen die Aachener nun eine Versuchsanlage im Technikums-Maßstab. Besteht das Verfahren diesen Test, kann es in eine Pilotierung für die industrielle Anwendung gehen.
Diese sehr anwendungsnahen Forschungen werden bei Kopernikus begleitet von Untersuchungen zu den richtigen Rahmenbedingungen für ein vernetztes Energiesystem. In einem Positionspapier beschreibt eine Arbeitsgruppe, was die Industrie bräuchte, um sich systemdienlich zu verhalten. Stromintensive Unternehmen bekommen zum Beispiel Vergünstigungen bei den Netzentgelten, wenn sie den Strom gleichmäßig abnehmen. Das widerspricht aber dem Prinzip, den Verbrauch netzdienlich hoch und runterzufahren.
Wie energieflexible Fabriken aussehen müssten, beschreibt eine neue Richtlinie des Ingenieurvereins VDI. Solche Fabriken sollten Prozesse anpassen und unterbrechen, Maschinenbelegungen und Auftragsreihenfolge verändern können, Energiequellen wechseln und Energie speichern können. Ganz offensichtlich keine leichte Aufgabe.
Auf einem virtuellen Marktplatz kann Wärme gehandelt werden
Während das Kopernikus-Programm schon ein paar Jahre läuft, sind die Reallabore für die Energiewende gerade erst gestartet. Sie sollen zukunftsfähige Energietechnologien unter realen Bedingungen und im industriellen Maßstab erproben und bekommen dafür eine Förderung vom Bundeswirtschaftsministerium. Vier von 20 ausgewählten Projekten haben inzwischen einen Zuwendungsbescheid erhalten.
Eins davon heißt „Westküste 100“. Das Besondere an diesem Projekt ist das komplexe System von Stoffkreisläufen, das die beteiligten Unternehmen aufbauen wollen. Am Anfang steht Offshore-Windstrom, mit dem an der Raffinerie Heide grüner Wasserstoff produziert wird. Der soll dann sowohl für die Produktion klimafreundlicher Treibstoffe für Flugzeuge genutzt als auch in Gasnetze eingespeist werden. Für den Treibstoff wird neben Wasserstoff auch CO2 gebraucht, das bei der regionalen Zementproduktion anfällt. Später wollen die Beteiligten ein verzweigtes Wasserstoffnetz zwischen der Raffinerie, den Stadtwerken Heide, einem Kavernensystem und dem bestehenden Erdgasnetz ausbauen.
Geprüft wird noch, ob der bei der Elektrolyse ebenfalls produzierte Sauerstoff mithilfe des sogenannten Oxyfuel-Verfahrens in den Verbrennungsprozess des Zementwerkes eingespeist werden kann. Damit würden dessen Stickoxidemissionen deutlich reduziert. Jürgen Wollschläger, Geschäftsführer der Raffinerie Heide und Projektkoordinator glaubt, dass aus diesem vernetzten Ansatz nachhaltige Geschäftsmodelle im Bereich Energiewende und Dekarbonisierung entstehen. Flexibilisierung ist also kein Selbstzweck, sondern wird in neue Geschäftsmodelle eingebettet.
Ein Projekt außerhalb von Kopernikus, aber auch im hohen Norden, koppelt Windkraft mit Wärme, um Flexibilitäten zu schaffen: In der Gemeinde Friedrich-Wilhelm-Lübke-Koog wird Strom aus Windenergie immer dann zur Wärmeversorgung genutzt, wenn die überregionalen Stromnetze ihn nicht aufnehmen können. Dafür wurden in 13 Gebäuden Öl-Hybridheizungen mit dem virtuellen Kraftwerk der Arge Netz verbunden, einem Verbund von Erzeugern erneuerbarer Energie.
Eins davon heißt „Westküste 100“. Das Besondere an diesem Projekt ist das komplexe System von Stoffkreisläufen, das die beteiligten Unternehmen aufbauen wollen. Am Anfang steht Offshore-Windstrom, mit dem an der Raffinerie Heide grüner Wasserstoff produziert wird. Der soll dann sowohl für die Produktion klimafreundlicher Treibstoffe für Flugzeuge genutzt als auch in Gasnetze eingespeist werden. Für den Treibstoff wird neben Wasserstoff auch CO2 gebraucht, das bei der regionalen Zementproduktion anfällt. Später wollen die Beteiligten ein verzweigtes Wasserstoffnetz zwischen der Raffinerie, den Stadtwerken Heide, einem Kavernensystem und dem bestehenden Erdgasnetz ausbauen.
Geprüft wird noch, ob der bei der Elektrolyse ebenfalls produzierte Sauerstoff mithilfe des sogenannten Oxyfuel-Verfahrens in den Verbrennungsprozess des Zementwerkes eingespeist werden kann. Damit würden dessen Stickoxidemissionen deutlich reduziert. Jürgen Wollschläger, Geschäftsführer der Raffinerie Heide und Projektkoordinator glaubt, dass aus diesem vernetzten Ansatz nachhaltige Geschäftsmodelle im Bereich Energiewende und Dekarbonisierung entstehen. Flexibilisierung ist also kein Selbstzweck, sondern wird in neue Geschäftsmodelle eingebettet.
Ein Projekt außerhalb von Kopernikus, aber auch im hohen Norden, koppelt Windkraft mit Wärme, um Flexibilitäten zu schaffen: In der Gemeinde Friedrich-Wilhelm-Lübke-Koog wird Strom aus Windenergie immer dann zur Wärmeversorgung genutzt, wenn die überregionalen Stromnetze ihn nicht aufnehmen können. Dafür wurden in 13 Gebäuden Öl-Hybridheizungen mit dem virtuellen Kraftwerk der Arge Netz verbunden, einem Verbund von Erzeugern erneuerbarer Energie.
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100 Kilometer entfernt im Hamburger Stadtteil Wilhelmsburg steht Wärme im Mittelpunkt des Reallabors IW3: Über eine Geothermieanlage wird dort Thermalwasser aus 3500 Metern Tiefe gewonnen und in das lokale Nahwärmenetz eingespeist. Eine systemübergreifende Technologieplattform koppelt über ein virtuelles Kraftwerk Wärme, Strom und Mobilität für die Energieversorgung im Quartier. Die beteiligten Partner entwickeln auch einen virtuellen Marktplatz, über den Wärme aus verschiedenen Quellen gehandelt werden kann.
Das Reallabor TransUrbanNRW will die Wärmeversorgung an fünf Standorten in Nordrhein-Westfalen dekarbonisieren, indem es erneuerbare Energien und Abwärme auf allen Temperaturniveaus einbindet. Basis sind sogenannte Low-Ex-Netze mit Wassertemperaturen von zehn bis 40 Grad. Das ermöglicht die Einbindung von Geothermie oder die Nutzung von Abwärme, die in großem Umfang auf niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung stehen. Im Zusammenspiel mit Wärmepumpen werden bei Bedarf höhere Temperaturen oder Kühlenergie erzeugt.
Das Reallabor TransUrbanNRW will die Wärmeversorgung an fünf Standorten in Nordrhein-Westfalen dekarbonisieren, indem es erneuerbare Energien und Abwärme auf allen Temperaturniveaus einbindet. Basis sind sogenannte Low-Ex-Netze mit Wassertemperaturen von zehn bis 40 Grad. Das ermöglicht die Einbindung von Geothermie oder die Nutzung von Abwärme, die in großem Umfang auf niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung stehen. Im Zusammenspiel mit Wärmepumpen werden bei Bedarf höhere Temperaturen oder Kühlenergie erzeugt.
Im Bündnis zu mehr Klimaschutz
Ob Sanierung einer Turnhalle, Neubau einer Schule oder Umbau einer Fabrik: Energieeffizienz-Netzwerke helfen, Fehler im Vorfeld zu vermeiden
„Die Initiative gehört zu einer der erfolgreichsten Maßnahmen der Bundesregierung“, freut sich Steffen Joest. Er ist Leiter der Geschäftsstelle der Initiative Energieeffizienz-Netzwerke bei der Deutschen Energie-Agentur (Dena). „Nirgends kommen Freiwilligkeit, Begeisterung und hohe Einspareffekte so gut zusammen.“ Die Zahlen geben ihm durchaus recht.
Durch keine andere Idee werden so viele sinnvolle Klimaschutzmaßnahmen umgesetzt wie über sogenannte Energie-Effizienz-Netzwerke. Hinter dem sperrigen Begriff stecken viele Menschen aus Kommunen und Unternehmen, die gemeinsam Energiekosten und somit auch CO2 nachhaltig einsparen wollen.
Seit Start der „Initiative Energieeffizienz“ der deutschen Wirtschaft im Dezember 2014 haben bundesweit mehr als 270 solcher Netzwerke ihre Arbeit aufgenommen. Zu Energieeffizienz-Netzwerken können sich Unternehmen oder Kommunen zusammenschließen, um unter Moderation von Energieberatern aus Verbänden oder aus wissenschaftlichen Institutionen gemeinsam nach Energieeinsparmöglichkeiten zu suchen.
Und die gibt es reichlich, zeigen die bisherigen Erfahrungen. Durch ein einziges Energieeffizienz-Netzwerk werden durchschnittlich 31 Millionen Kilowattstunden (kWh) Endenergie pro Jahr eingespart, hat die Dena kürzlich veröffentlicht. Das entspricht in etwa dem jährlichen Endenergieverbrauch von 1900 deutschen Haushalten einschließlich beispielsweise Wärme. Bei manchen Netzwerken läuft die Zusammenarbeit sogar so gut, dass die Teilnehmer auch nach der ersten mehrjährigen Förderphase weitermachen. Deswegen gilt: Wenn ein Netzwerk einmal läuft, dann läuft es.
Wie die baden-württembergische Stadt Freiburg zeigt: Unter der Federführung des südbadischen Stadtwerkes Badenova sind an dem Freiburger Effizienznetzwerk noch vier weitere städtische Töchter beteiligt. Mit an Bord sind außerdem der städtische Eigenbetrieb Theater Freiburg und die örtliche Sparkasse.
„Die Initiative gehört zu einer der erfolgreichsten Maßnahmen der Bundesregierung“, freut sich Steffen Joest. Er ist Leiter der Geschäftsstelle der Initiative Energieeffizienz-Netzwerke bei der Deutschen Energie-Agentur (Dena). „Nirgends kommen Freiwilligkeit, Begeisterung und hohe Einspareffekte so gut zusammen.“ Die Zahlen geben ihm durchaus recht.
Durch keine andere Idee werden so viele sinnvolle Klimaschutzmaßnahmen umgesetzt wie über sogenannte Energie-Effizienz-Netzwerke. Hinter dem sperrigen Begriff stecken viele Menschen aus Kommunen und Unternehmen, die gemeinsam Energiekosten und somit auch CO2 nachhaltig einsparen wollen.
Seit Start der „Initiative Energieeffizienz“ der deutschen Wirtschaft im Dezember 2014 haben bundesweit mehr als 270 solcher Netzwerke ihre Arbeit aufgenommen. Zu Energieeffizienz-Netzwerken können sich Unternehmen oder Kommunen zusammenschließen, um unter Moderation von Energieberatern aus Verbänden oder aus wissenschaftlichen Institutionen gemeinsam nach Energieeinsparmöglichkeiten zu suchen.
Und die gibt es reichlich, zeigen die bisherigen Erfahrungen. Durch ein einziges Energieeffizienz-Netzwerk werden durchschnittlich 31 Millionen Kilowattstunden (kWh) Endenergie pro Jahr eingespart, hat die Dena kürzlich veröffentlicht. Das entspricht in etwa dem jährlichen Endenergieverbrauch von 1900 deutschen Haushalten einschließlich beispielsweise Wärme. Bei manchen Netzwerken läuft die Zusammenarbeit sogar so gut, dass die Teilnehmer auch nach der ersten mehrjährigen Förderphase weitermachen. Deswegen gilt: Wenn ein Netzwerk einmal läuft, dann läuft es.
Wie die baden-württembergische Stadt Freiburg zeigt: Unter der Federführung des südbadischen Stadtwerkes Badenova sind an dem Freiburger Effizienznetzwerk noch vier weitere städtische Töchter beteiligt. Mit an Bord sind außerdem der städtische Eigenbetrieb Theater Freiburg und die örtliche Sparkasse.
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In dem 2016 von der Badenova ins Leben gerufenen Effizienznetzwerk haben die beteiligten Unternehmen zusammen eine Energieeinsparung von rund 2,8 Millionen kWh pro Jahr erreicht. 1144 Tonnen CO2 pro Jahr konnten dadurch eingespart werden, so das Fazit, das die Teilnehmer kürzlich mitteilten.
Dazu tragen etwa die nun vorhandenen Elektrobusse im Stadtverkehr bei. Zudem sind zahlreiche Filialen der Sparkasse und das Theater Freiburg auf LED-Beleuchtung umgestellt worden. Weitere Bausteine waren der Neubau eines energieoptimierten Rechenzentrums bei der Badenova sowie die Anschaffung von Streetscootern und elektrischen Kehrmaschinen bei der Abfallwirtschaft und Stadtreinigung. Die Badenova will weitermachen. Ihr neues Ziel: bis Ende 2021 soll die jährliche CO2-Einsparung auf 2000 Tonnen gesteigert werden.
Gerade die Erfahrung von anderen Projekt-Teilnehmern ist ein wesentlicher Vorteil von Netzwerken, die einen intensiven Austausch ermöglichen „Die Offenheit der Netzwerkteilnehmer untereinander in allen Themen des Netzwerkes ist pures Gold wert“, sagt etwa Johannes Einmüller, Assistent der Geschäftsführung bei den Milchwerken Ingolstadt-Thalmässing. Sein Unternehmen ist Mitglied im Netzwerk „REGINEE München I+“. Dort arbeiten neun Betriebe von Molkerei bis Dachziegelwerk an der Reduktion des CO2-Ausstoßes.
Die schwierigste Phase eines Energieeffizienz-Netzwerks ist nach Auskunft von Verbänden, Trägern und der Dena die Gründungsphase. Die Suche nach teilnehmenden Unternehmen gestaltet sich immer noch aufwändig, auch weil für viele Firmen Steigerung der Energieeffizienz nur eine von zahlreichen Aufgaben ist. Nehmen an den Netzwerken Kommunen teil, macht sich mitunter dort Ressourcenmangel bemerkbar. Für Joest von der Dena ist es deswegen für den weiteren Erfolg der Netzwerke wichtig, deren Neugründungen zu beschleunigen. Er empfiehlt etwa, die Erfolge noch stärker nach außen zu kommunizieren, um die Erfolge der Netzwerke sichtbarer zu machen.
Die Netzwerke sind ein gutes Instrument, um die Energieeffizienz zu verbessern. Das sieht auch Eberhard von Rottenburg so, stellvertretender Leiter der Abteilung Energie- und Klimapolitik im Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI). „Das zeigt die außerordentlich hohe Zufriedenheit der Unternehmen, die in der Netzwerkarbeit aktiv sind. Und das zeigen auch die Einsparungen an Energiekosten und CO2-Emissionen, die zumeist über dem ursprünglich Geplanten liegen.“ Aus Sicht des BDI liegt der Charme der Netzwerke gerade darin, dass die Firmen selbst den Hut aufbehalten und entscheiden können, ob, was und wie viel sie im Netzwerk beim Thema Energieeffizienz unternehmen wollen.
— Heidi Roider, Energie & Management
Dazu tragen etwa die nun vorhandenen Elektrobusse im Stadtverkehr bei. Zudem sind zahlreiche Filialen der Sparkasse und das Theater Freiburg auf LED-Beleuchtung umgestellt worden. Weitere Bausteine waren der Neubau eines energieoptimierten Rechenzentrums bei der Badenova sowie die Anschaffung von Streetscootern und elektrischen Kehrmaschinen bei der Abfallwirtschaft und Stadtreinigung. Die Badenova will weitermachen. Ihr neues Ziel: bis Ende 2021 soll die jährliche CO2-Einsparung auf 2000 Tonnen gesteigert werden.
Gerade die Erfahrung von anderen Projekt-Teilnehmern ist ein wesentlicher Vorteil von Netzwerken, die einen intensiven Austausch ermöglichen „Die Offenheit der Netzwerkteilnehmer untereinander in allen Themen des Netzwerkes ist pures Gold wert“, sagt etwa Johannes Einmüller, Assistent der Geschäftsführung bei den Milchwerken Ingolstadt-Thalmässing. Sein Unternehmen ist Mitglied im Netzwerk „REGINEE München I+“. Dort arbeiten neun Betriebe von Molkerei bis Dachziegelwerk an der Reduktion des CO2-Ausstoßes.
Die schwierigste Phase eines Energieeffizienz-Netzwerks ist nach Auskunft von Verbänden, Trägern und der Dena die Gründungsphase. Die Suche nach teilnehmenden Unternehmen gestaltet sich immer noch aufwändig, auch weil für viele Firmen Steigerung der Energieeffizienz nur eine von zahlreichen Aufgaben ist. Nehmen an den Netzwerken Kommunen teil, macht sich mitunter dort Ressourcenmangel bemerkbar. Für Joest von der Dena ist es deswegen für den weiteren Erfolg der Netzwerke wichtig, deren Neugründungen zu beschleunigen. Er empfiehlt etwa, die Erfolge noch stärker nach außen zu kommunizieren, um die Erfolge der Netzwerke sichtbarer zu machen.
Die Netzwerke sind ein gutes Instrument, um die Energieeffizienz zu verbessern. Das sieht auch Eberhard von Rottenburg so, stellvertretender Leiter der Abteilung Energie- und Klimapolitik im Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI). „Das zeigt die außerordentlich hohe Zufriedenheit der Unternehmen, die in der Netzwerkarbeit aktiv sind. Und das zeigen auch die Einsparungen an Energiekosten und CO2-Emissionen, die zumeist über dem ursprünglich Geplanten liegen.“ Aus Sicht des BDI liegt der Charme der Netzwerke gerade darin, dass die Firmen selbst den Hut aufbehalten und entscheiden können, ob, was und wie viel sie im Netzwerk beim Thema Energieeffizienz unternehmen wollen.
— Heidi Roider, Energie & Management
Foto: AVT
Erschienen im Tagesspiegel am 15.09.2020
Erschienen im Tagesspiegel am 15.09.2020