Sektorkopplung: Strom aus erneuerbaren Energien für Wärme und Verkehr nutzen

Unter dem Begriff Sektorkopplung versteht man das Ersetzen des Einsatzes fossiler Energien im Verkehr, in der Wärmeversorgung und in der Industrie durch die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien. Bisher werden diese Möglichkeit die CO2-Emissionen zu verringern noch wenig genutzt. Es gibt es zwischen den Sektoren des Energiesystems bisher auch nur wenige Verbindungen. Mit der Verzahnung der Sektoren über entsprechende Schnittstellen und eine intelligente Steuerung können Synergieeffekte für das Gesamtsystem genutzt werden.

  • Gas

Mit Power-to-Gas Anlagen wird erneuerbarer Strom durch Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt. In weiteren chemischen Prozessen kann der Wasserstoff weiter zu Methan, quasi Erdgas, oder sogar flüssigen Energieträgern verarbeitet werden. Diese chemischen Energieträger haben den großen Vorteil, dass sie in großen Mengen und über lange Zeiträume gespeichert werden können. Zudem besteht die Möglichkeit, über bestehende Gasnetze große Energiemengen in Form von Methan zu transportieren. Das Methan steht dann zur Wärmeerzeugung in Gebäuden oder in Industrieprozessen zur Verfügung. Zudem kann es mit Gaskraftwerken wieder zurück in Strom gewandelt werden. Bei SINTEG wird in mehreren Projekten praktisch erprobt, wie chemische Energieträger mit Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt werden können. Beispielsweise wird im Schaufenster NEW 4.0 mit einem Elektrolyseur Wasserstoff erzeugt, der zum einen in das vorhandene Gasnetz eingespeist und zum anderen an einer Wasserstofftankstelle zur Betankung von Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt wird. DESIGNETZ erprobt, wie mit erneuerbarem Strom aus Wasser und dem Rauchgas eines Kraftwerks Methanol erzeugt werden kann.

  • Wärme

Traditionell wird überwiegend mit Öl und Gas geheizt. Während Strom früher kaum eine Rolle spielte, wird mittlerweile etwa jeder dritte Neubau mit Technologien zur Wärmeerzeugung mit Strom („Power-to-Heat“-Technologien) ausgestattet und kann deshalb mit Strom aus erneuerbaren Quellen effizient beheizt werden. Ein Beispiel dafür ist die Wärmepumpe, mit der aus einer Einheit Strom drei oder mehr Einheiten Wärme erzeugt werden können. Dazu nutzt die Wärmepumpe in der Regel Wärme aus der Luft oder dem Erdreich. Im SINTEG Schaufenster C/sells werden rund 1.000 elektrische Speicherheizungen, Wärmepumpen, KWK-Anlagen und Fernwärmeübergabestationen in ein virtuelles Kraftwerk integriert und so gesteuert, dass Strom aus erneuerbaren Energien effizient genutzt werden kann. Bei WindNODE wird eine große Power-to-Heat Anlage nach dem Prinzip eines Tauchsieders errichtet und an ein bestehendes Fernwärmenetz angeschlossen. Die Wärmeleistung der Anlage entspricht der von rund 60.000 handelsüblichen Wasserkochern. Diese Projekte sind nur zwei von vielen weiteren Power-to-Heat Konzepten, die im Rahmen des SINTEG-Programms in der Praxis erprobt werden.

  • Verkehr

Züge fahren auf vielen Strecken bereits mit Strom. Das Groß der Autos ist jedoch noch immer mit Benzin und Diesel unterwegs. Mit der Elektromobilität, die sich in den vergangenen Jahren rasant entwickelt hat, besteht nun die Möglichkeit, Elektroautos oder LKWs mit erneuerbarem Strom anzutreiben. Im Rahmen des SINTEG-Programms wird im Schaufenster WindNODE beispielsweise ein erweiterbarer Stromspeicher aus mehreren hundert ausgedienten Elektroautobatterien errichtet. Der Stromspeicher kann schnell auf Schwankungen im Stromnetz reagieren und diese ausgleichen. Mit dieser Zweitverwendung können die Batterien länger genutzt und Ressourcen gespart werden. Im Schaufenster C/sells wird in einem Stadtquartier eine vernetzte Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge aufgebaut, deren Betrieb im Verbund mit weiteren lokalen Energieerzeugern und -verbrauchen optimiert wird.

  • Industrie

Auch in der Industrie werden große Mengen an fossilen Energieträgern wie Kohle und Gas eingesetzt. Hier können Power-to-Heat-Technologien oder Methan aus Power-to-Gas-Anlagen genutzt werden, um Produktionsprozesse mit Wärme zu versorgen. Zum anderen können neue strombasierte Produktionsverfahren eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Nutzung der Mikrowellentechnik in Trocknungsprozessen. Ein Beispiel aus dem SINTEG Programm ist ein Projekt aus dem Schaufenster NEW 4.0, in dem die Nutzung und die flexible Steuerung von Induktionsspulen zur Vorwärmung von Stahlteilen erprobt wird. In einem weiteren Projekt des Schaufensters DESIGNETZ werden die Elektrolyseöfen einer Aluminiumhütte so umgebaut, dass die Produktionsleistung um ein Viertel gesteigert oder gesenkt werden kann. Auf diese Weise kann die Aluminiumhütte auf das Energieangebot reagieren und ihre Produktion daran ausrichten.

Flexibilität: Verbraucher richten ihren Konsum nach dem Energieangebot

Flexible Verbraucher können ihren Energiekonsum zeitlich verschieben und so flexibel auf das Energieangebot reagieren. Damit werden die erneuerbaren Energien optimal genutzt. Zusätzlich können in kritischen Situationen die Netze entlastet werden. Die Flexibilisierung des Energieaustauschs zwischen den Energiesektoren wird durch digitale Technologien erleichtert.

  • Privathaushalte

Auch wenn Privathaushalte deutlich weniger Energie als ein Industriebetrieb verbrauchen, gibt es hier Flexibilitätspotenziale. Die Wärmepumpe läuft beispielsweise dann, wenn ein Sturm für reichlich Windstrom sorgt und das Elektroauto kann mit Solarstrom vom eigenen Dach geladen werden. In der Summe können auf diese Weise auch Haushalte einen Beitrag zur Flexibilisierung des Energiesystems leisten.

  • Verkehr

Der Verkehrssektor steht vor einem tiefgreifenden Umbruch. Zum einen nimmt der Trend zur Elektromobilität Fahrt auf und zum anderen wird das autonome Fahren zu völlig neuen Verkehrskonzepten führen. Elektroautos sind mit großen Batterien ausgestattet, die künftig für die Stabilisierung des Stromnetzes genutzt werden könnten.

  • Industrie

Gelingt es, Industrieprozesse genau dann auf Hochtouren zu betreiben, wenn Energie gerade im Überfluss vorhanden ist, kann ein wichtiger Beitrag zur Flexibilisierung des Energiesystems geleistet werden. Diesen Dienst können sich Unternehmen beispielsweise an Regelleistungsmärkten vergüten lassen. So entstehen neue Geschäftsmodelle.

Im SINTEG Programm wird in der Praxis erprobt, wie Energieerzeuger und -verbraucher flexibilisiert und aufeinander abgestimmt werden können. Dazu werden die einzelnen Komponenten des Energiesystems mit Kommunikationsschnittstellen ausgestattet. Über diese Schnittstellen können die Komponenten einerseits ihren Betriebszustand mitteilen und andererseits Steuerungssignale empfangen. Dadurch können die Komponenten flexibel auf das Energieangebot reagieren. Bei SINTEG werden verschiedene Ansätze zur Flexibilisierung des Energiesystems getestet. Eines dieser Projekte stammt aus dem Schaufenster DESIGNETZ. Es widmet sich dem Aufbau und der intelligenten Steuerung eines Biogas Verbundsystems, bestehend aus Biogasanlagen und flexiblen Blockheizkraftwerken. Das Verbundsystem wird durch ein selbstlernendes neuronales Netz so gesteuert, dass erneuerbare Energien optimal genutzt werden können. Weiterhin wird bei SINTEG der Ausbau virtueller Kraftwerke vorangetrieben. So bindet C/sells beispielsweise Erzeugungsanlagen und Flexibilitätsoptionen in ein virtuelles Kraftwerk ein. Auf diese Weise wird der Betrieb der Anlagen im Querverbund optimiert und die Belastung der Stromnetze verringert.