Schwungräder für die Energiewende
Von Friedrich List
Ohne einen gründlichen Umbau der Energieversorgung wird sich der Ausstoß von Treibhausgasen nicht vermindern lassen. Allerdings ist es mit alternativen Energien alleine nicht getan. Sonnen- und Windenergie stehen nicht in gleichbleibender Stärke zur Verfügung. Zudem wird Strom zunehmend dezentral erzeugt. Es gibt mittlerweile nicht nur große, leistungsstarke Kraftwerke, sondern auch viele kleine und kleinste Erzeuger, Industriebetriebe und Privathaushalte. Es wird zwar weiterhin konventionelle Großkraftwerke geben, aber eben auch Windfarmen, Fotovoltaik und Wasserkraft. Wichtig werden also der Energiemix und das intelligente Management der Lasten im Netz. Ebenso braucht man Speicherkapazitäten, damit etwa überschüssige Sonnen- oder Windenergie nicht wie heute einfach abgeregelt werden muss.
Die Antwort auf diese Problemlage sind sogenannte Smart Grids. Sie bestehen aus intelligenten Stromnetzen und Stromspeichern sowie Technologien zum Lastmanagement. Ein Smart Grid sorgt dafür, dass zwischen Abnehmern und den verschiedenen Erzeugern keine Konflikte entstehen und das Zusammenwirken von Erzeugung, Netzmanagement, Speicherung und Verbrauch reibungslos läuft. Das herkömmliche Stromnetz braucht dafür allerdings neue Mess-, Steuer- und Regelungstechnologien. Und es braucht dafür ein Konzept, das sich Sektorenkopplung nennt.
Das Zauberwort Sektorenkopplung
Sektorenkopplung betrachtet alle energieerzeugenden und verbrauchenden Systeme ganzheitlich und weitgehend unabhängig vom Energieträger. Dabei werden Strom, Fernwärme, Gas, Wasserkraft etc. als „übersetzbare“ Energieformen begriffen, was nicht zuletzt die Möglichkeiten der Speicherung enorm erweitert. Eine typische Erscheinung der Sektorenkopplung sind die Power-to-X-Technologien, also die Umwandlung von Strom etwa in Gas (Power to Gas) oder Wärme (Power to Heat). An die Stelle einer Kette vom Erzeuger zum Verbraucher tritt ein Netz aus Energiebeträgen. Wichtig ist ferner, dass Abnehmer wie Lieferanten von Energie nicht isoliert betrachtet werden, sondern als Teil des Systems, zu dem auch der Bereich Verkehr/Mobilität gehört.
Der Einführungsbeitrag beginnt in Berlin – die Bundeshauptstadt ist experimentierfreudiger Vorreiter neuer Mobilitätskonzepte. Gute Beispiele meldet der Report auch aus Hamburg und Dresden. Teil 2 begibt sich dann in den Westen nach Nordrhein-Westfalen; dort hat das Zukunftsnetz Mobilität NRW viele Projektfäden in der Hand. Eine wichtige Rolle spielt hier der öffentliche Personennahverkehr, denn immer mehr Verkehrsbetriebe lassen ihre Busse mit Biogas fahren. Teil 3 geht zu den Ursprüngen der Automobilindustrie und sieht sich an, wie sich Baden-Württemberg und insbesondere Stuttgart die Zukunft der Mobilität vorstellen. Teil 4 berichtet aus dem benachbarten Flächenland Bayern, Teil 5 fährt über die Grenze nach Österreich. Außerdem gibt es bereits einen Report zu mobilen Stauwarnanlagen und intelligentem Verkehrsmanagement sowie zu autonomen Schiffen, Wasserstoffprojekten, Business-Bikes, Stadtseilbahnen sowie Lufttaxis und Urban Air Mobility.
Das könnte etwa so funktionieren: Überschüssige Energie aus Biogas- oder Fotovoltaikanlagen wird in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert, um bei Bedarf über eine Brennstoffzelle wieder in Strom in Wärme verwandelt zu werden. Gleichermaßen könnten Talsperren oder Druckluftspeicher als Energiereservoirs genutzt werden.
Dass ein derartiges Netz digitalisiert geregelt wird, versteht sich fast von selbst. Zu Smart Grids gehören daher intelligente Stromzähler, sogenannte Smart Meter. Diese Idee ist nicht neu. Bereits seit den 1990er Jahren nutzen sie viele Großanwender. Im Prinzip handelt es sich dabei um einen Zähler, der Teil eines Kommunikationsnetzes ist und digitale Daten sendet und empfängt. Er übermittelt Daten zum Stromverbrauch und empfängt beispielsweise Tarifänderungen. Solche Smart Meter müssen, wie das gesamte Smart Grid, hohen Sicherheitsanforderungen genügen.
Schwarz auf Weiß
Dieser Beitrag ist zuerst in unserer Magazinreihe „IT-Unternehmen aus der Region stellen sich vor“ erschienen. Einen Überblick mit freien Download-Links zu sämtlichen bereits verfügbaren Einzelheften bekommen Sie online im Pressezentrum des MittelstandsWiki.
Die Modellregion im Westen
Nordrhein-Westfalen ist Europas wichtigste Energieregion. Das Bundesland liefert etwa ein Drittel des bundesweit erzeugten Stroms. Viele Energieversorger und Unternehmen mit energieintensiver Produktion haben hier ihren Sitz. Auf Versorgerseite gehören dazu E.ON und RWE, aber auch kleinere Firmen, die sich auf erneuerbare Energien spezialisiert haben. Share & Charge aus Essen bietet zum Beispiel eine Online-Plattform an, über die E-Auto-Fahrer ihre private Ladesäule anderen Nutzern zur Verfügung stellen können. RWE testet in verschiedenen Projekten intelligente Netze, Smart Meter und vernetzte Haustechnik; innogy fördert über seinen Innovation Hub zahlreiche Start-ups in der Energiebranche. Die Stadt Bottrop wiederum verfolgt als InnovationCity Ruhr ein eigenes Modell für den energieeffizienten Stadtumbau.
Die Bundesregierung fördert seit 2016 das Projekt SINTEG („Schaufenster intelligente Energie“). Der Bund stellt hier 500 Millionen Euro bereit, um Projekte zur Energiewende zu unterstützen. In fünf Modellregionen entstehen nun Lösungen für eine sichere Energieversorgung mit einem hohen Anteil fluktuierender Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie.
Teil 1 fängt dort an, wo derzeit der Schuh drückt: Der Umstieg auf erneuerbare Energien macht bei vielen dezentralen Erzeugern die Netzstabilität zu einem schwierigen Balanceakt. Die erste Aufmerksamkeit gilt darum (Puffer-)Speichern, Smart Metern – und eben flexiblen Netzen. Das Schüsselstichwort hierzu lautet „Sektorenkopplung“. Teil 2 berichtet aus Nordrhein-Westfalen, welche konkreten Lösungen für Smart Grids dort bereits im Einsatz sind. Teil 3 geht in den Süden und berichtet, wie Bayern bis 2050 seine Energie CO₂-neutral erzeugen will. Ein Extrabeitrag berichtet vom Neubau des 50Hertz-Rechenzentrums, außerdem gibt es einen Smart-Grid-Report aus Österreich. Weitere Regionalreports sind in Vorbereitung. (Bild: EMH metering)
Das Designetz, das Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und das Saarland umfasst, ist eine davon. In den drei Bundesländern leben nicht nur mehr als 22 Millionen Menschen. In Nordrhein-Westfalen haben auch die beiden größten Energieversorger der Republik ihren Sitz. Neben dem Konsortialführer, der RWE-Tochter innogy, sind 46 weitere Partner aus Industrie, Forschung und Wirtschaft beteiligt – wie es allerdings mit innogy selbst weitergeht, war zu Redaktionsschluss noch nicht beschlossen. Speziell die Industrie, namentlich im Ruhrgebiet, hat traditionell einen hohen Energiebedarf. Zurzeit allerdings übersteigt der Verbrauch regenerativer Energien dort immer noch deren Erzeugung. Erneuerbare Energien sind eher in den ländlichen Gebieten stark, etwa in den Höhenlagen des Sauer- und Siegerlandes. Auch das überwiegend ländlich geprägte Rheinland-Pfalz produziert viel Energie aus Biogas, Windkraft, und Solaranlagen – sogar mehr, als im Land selbst verbraucht wird.
Designetz soll nun die verschiedenen Einzellösungen und -projekte miteinander verknüpfen und dabei auch neue Wege in der Energiespeicherung gehen. Dreißig Einzelprojekte beschäftigen sich mit smarten Verteilernetzen, digitalen Netzsteuerungen oder Energiespeichern. Bis 2020 soll so ein Energiesystem für die Zukunft entstehen. „Mit Designetz entwickeln wir die Blaupause für die Energiewende. Wir bringen die vielfältigen Elemente eines zukünftigen Energiesystems zusammen“, erklärte Hildegard Müller, Vorstand für Netz & Infrastruktur der innogy SE, gegenüber Pressevertretern. „Designetz ist weit mehr als ein technisches Projekt. Wir bringen die unterschiedlichen Akteure zusammen und vereinen ihre jeweiligen Stärken.“
Speichertechnologien im Großtest
An vielen Orten sind Konturen dieses Zukunftsnetzes bereits sichtbar. Einer davon ist die Gemeinde Saerbeck. Hier steht eine Forschungsanlage der Universität Münster, mit der die Forscher klären wollen, welche Speichertechnologien nötig sind, um eine rein regenerative Stromversorgung auch dann sicherzustellen, wenn nur wenig Strom erzeugt wird. EnerPrax läuft seit Dezember 2016 und ist auf drei Jahre angelegt. In dieser Anlage arbeiten verschiedene Speichertechnologien. Platz ist für sechs verschiedene Speicher; allerdings sind zur Zeit nur vier belegt. Getestet werden Lithium-Ionen-Batterien, eine Bleikristallbatterie und Redox-Flow-Speicher.
Im März 2019 war EnerPrax recht erfolgreich am Gemeinschaftsstand der EnergieAgentur.NRW auf der Energy Storage Europe in Düsseldorf vertreten. (Bild: FH Münster – EnerPrax)
An EnerPrax ist auch das Forschungszentrum Jülich beteiligt. Die Wissenschaftler dort erforschen jedoch auch andere Speichertechnologien. Unter dem Dach des Kopernikus-Projekts P2X untersuchen sie Technologien, die Strom aus erneuerbaren Energiequellen in physische Energiespeicher, Energieträger oder energieintensive Chemieprodukte verwandeln. So könnte Energie aus erneuerbaren Energien umgewandelt und z.B. als maßgeschneiderter Kraftstoff für Fahrzeuge oder in Form von Kunststoffen oder anderen Chemieprodukten bereitgestellt werden. Das wäre ein genuiner Weg der Sektorenkopplung: regenerativ erzeugter Strom für Mobilität oder Wärme umwandeln.
Untersucht werden am Forschungszentrum Elektrolysesysteme zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wind- oder Solarstrom, dafür geeignete Materialien, aber auch verschiedene Prozessrouten für Power to Liquid oder Power to Chemicals. An P2X (Power to X) arbeiten insgesamt 18 Forschungseinrichtungen, 27 Unternehmen sowie zivilgesellschaftliche Organisationen mit. Das Projekt soll die großtechnischen Grundlagen für die stoffliche Speicherung von mehr als 90 % der erneuerbaren Energien liefern. Weil CO₂ aus Abgasen als Ausgangsstoff genutzt wird, sind diese Lösungen sogar komplett klimaneutral.
Projekt Quirinus: 2018 hat Stornetic am Rande des Tagebaus Inden im RWE-Netzgebiet eine 24 Schwungrad-Speichermaschinen umfassende DuraStor-250-Anlage installiert. (Bild: Stornetic)
45.000 Umdrehungen pro Minute
Eine weitere Speicherlösung sind Schwungradspeicher. Dabei wird die elektrische Energie als mechanische Energie gespeichert, vergleichbar einem aufgezogenen Uhrwerk. Das Unternehmen Stornetic hat sich auf diese Technologie spezialisiert und für einen Großversuch einen Schwungradspeicher am Rande des Tagebaus Inden bei Jülich errichtet. Die Anlage besteht aus 24 Speichermaschinen. Sie soll zeigen, dass derartige Anlagen auch dazu geeignet sind, Versorgungssicherheit in einem dezentralen Energienetz zu gewährleisten. „Wenn aber in Zukunft große Kraftwerke vom Netz gehen und immer mehr Windräder und Solaranlagen hinzukommen, führt die stärker werdende, schwankende Stromeinspeisung zu größeren Instabilitäten bei einer gleichzeitig zunehmend dezentralen Energieversorgung“, sagte Stornetic-Geschäftsführer Dr. Rainer von der Esche gegenüber Pressevertretern, „um in diesem Zusammenhang stabile Netze zu gewährleisten, müssen hinsichtlich der Frequenzstabilisierung zuverlässige Lösungen erarbeitet werden. Mit unserem Schwungrad-Speichersystem zeigen wir hierfür einen Lösungsweg.“
Die Schwungräder des Unternehmens erreichen bis zu 45.000 Umdrehungen pro Minute: Aus eingespeister elektrischer Energie wird dabei mechanische Energie – und umgekehrt. Bei der Rückgewinnung dient der Motor als elektrischer Generator und erzeugt durch Abbremsen des Rotors Elektrizität. Leistungsschwankungen im Netz können so ausgeglichen werden, und das um schneller, je mehr Umdrehungen das Schwungrad erreicht. Die Anlage am Tagebau ist Teil des Förderprojekts Quirinus, mit dem im RWE-Netzgebiet ein virtuelles Kraftwerk aus vielen verteilten Kraftwerken errichtet werden soll. Die Stornetic-Anlage ist mit einem Blockheizkraftwerk gekoppelt und soll die im Netz auftretenden Lastschwankungen ausgleichen.
Friedrich List ist Journalist und Buchautor in Hamburg. Seit Anfang des Jahrhunderts schreibt er über Themen aus Computerwelt und IT, aber auch aus Forschung, Fliegerei und Raumfahrt, u.a. für Heise-Print- und Online-Publikationen. Für ihn ist SEO genauso interessant wie Alexander Gersts nächster Flug zur Internationalen Raumstation. Außerdem erzählt er auch gerne Geschichten aus seiner Heimatstadt.
