Energieforschung: Die große Stromwende der Industrie

Wie eine flexible Stromerzeugung und -nutzung zum Gelingen der Energiewende beitragen kann, lässt die Bundesregierung in mehreren Forschungsprojekten untersuchen. Eins davon ist nach dem großen Astronom Nikolaus Kopernikus benannt. Wohl auch, weil die Energiewende ein ähnlicher Aufbruch ist wie die Abkehr vom geozentrischen Weltbild des Mittelalters, die Kopernikus angestoßen hat.

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.

Auf den richtigen Rahmen kommt es an

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 anwendungsnahe Forschung wird 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.

Stoffkreislauf vom Windrad zum Zementwerk

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.

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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.

Virtueller Marktplatz für Wärme

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.

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 LowEx-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.