Sektorkopplung in Quartieren ist Bestandteil vieler Projekte

Reallabore testen Wasserstoff als Energiebasis

Power-to-Gas-Anlage in Whylen soll erweitert werden. © Energiedienst Folk

Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier hat die Gewinner im „Ideenwettbewerb Reallabore der Energiewende“ bekannt gegeben. Zentrales Thema war CO2-armer Wasserstoff per Elektrolyse auf Basis von Strom aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen. Weitere wichtige Themen waren Energiespeicher und energieoptimierte Quartiere.

Die Resonanz auf den „Ideenwettbewerb Reallabore der Energiewende“ hat die Erwartungen weit übertroffen. Reallabore sollen zeigen, wie sich Ideen der Energiewende konkret umsetzen lassen. Gemeinsam ist ihnen die begrenzte Erprobung, die Nutzung rechtlicher Gestaltungspielräume und aktives regulatorisches Lernen. Insgesamt 90 Vorschläge wurden eingereicht. Einige Projekte sind mit der bestehenden Förderrichtlinie nicht umsetzbar. Das Bundeswirtschaftsministerium hat deshalb deren Erweiterung in die Wege geleitet.

Insgesamt prämiert das Bundeswirtschaftsministerium bundesweit 20 Konsortien, die Reallabore planen. Diese ausgewählten 20 Sieger des Ideenwettbewerbs können in den kommenden Wochen und Monaten nun ihre Anträge für Fördermittel stellen. Dafür stellt das Ministerium jährlich 100 Millionen Euro zur Verfügung. Für Reallabore in Strukturwandelregionen gibt es zusätzliche 200 Millionen Euro. Darüber hinaus wird die Bundesregierung bis Ende des Jahres eine Wasserstoffstrategie beschließen. „Reallabore der Energiewende“ sind hierfür ein wichtiger Baustein.

Eine Reihe von geförderten Initiativen haben den Fokus auf Quartierskonzepten.

So befasst sich das Projekt Delta aus Hessen mit der urbanen Energiewende durch interagierende energieoptimierte Qaurtiere. In Darmstadt sollen mehrere Quartierstypen – von Industrie über Gewerbe und Bildung bis hin zum Wohnen – mit Netzinfrastrukturen in den Bereichen Strom, Wärme, Gas, Kommunikation und Verkehr verknüpft werden. Die Partner optimieren und analysieren die entsprechende Interaktion. Übergeordnetes Ziel ist das Reduzieren von Energieverbrauch und Kohlendioxid-Ausstoß in Stadtquartieren.

Auch in Hamburg-Wilhelmsburg ist das Thema energieoptimierte Quartiere. Das Land Hamburg zeigt mit dem Reallabor IW3, dass eine zuverlässige und bezahlbare Wärmeversorgung auf Basis erneuerbarer Energien möglich ist. In dem stark wachsenden Stadtteil werden Wärme, Strom und Mobilität effizient miteinander gekoppelt. Die Partner entwickeln für das Reallabor einen offenen Wärmemarktplatz, über den Wärme aus verschiedenen Quellen und von verschiedenen Anbietern transparent, hochautomatisiert und effizient gehandelt werden soll.

Vernetzte Quartiere im smarten Grid

"Smartquart" nimmt sich des Themas Energiequartiere in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz an. Die Stadtquartiere werden jeweils in sich und auch miteinander vernetzt, damit die vorhandenen Energieinfrastrukturen effizient genutzt werden können. Smart-Grid-Lösungen koppeln Wärme, Kälte, „grünen“ Strom, Wasserstoff und den Bereich Mobilität intelligent miteinander. Ziel ist, in den Modellregionen eine klimaneutrale Energieversorgung zu erreichen. In allen drei Stadtquartieren beteiligen sich Bewohner, Energieversorger sowie lokale Technologieanbieter.

Cityimpuls erprobt die Umsetzung und Erprobung von Innovationen in typischen Quartiersstrukturen in Sachsen am Beispiel Dresden. Um die Wärmeversorgung künftig energieeffizienter und umweltfreundlicher zu gestalten, soll schrittweise die Vorlauftemperatur deutlich gesenkt werden. Zugleich sollen sechs große Solarthermieanlagen, Wärmepumpen und ein großer Wärmespeicher erneuerbare Energiequellen nutzbar machen. Ziel im Reallabor ist es, die Wärmeversorgung energieeffizienter und umweltfreundlicher zu gestalten und so einen Beitrag zur CO2-Vermeidung und zur Wärmewende zu leisten. Um diese Ziele zu erreichen, müssen insbesondere die Netzhydraulik völlig neu gedacht und zahlreiche neue technische Konzepte der Wärmeerzeugung in das Netz integriert werden.

Länderübergreifend ist das Reallabor Großwärmepumpen in mit  Baden-Württemberg, Bayern, Berlin und Nordrhein-Westfalen. Es soll  wirtschaftliche und regulatorische Rahmenbedingungen sowie effiziente Betriebskonzepte für den Einsatz von Großwärmepumpen zu erproben. Zudem will das Konsortium herausfinden, wie sich Großwärmepumpen für die übergeordnete Transformation der Wärme- und Strominfrastruktur nutzen lassen und somit einen Beitrag zur Sektorkopplung leisten können. Dazu sollen fünf Großwärmepumpen mit unterschiedlichen Einbindekonzepten, Wärmequellen und weiteren Spezifika in die Fernwärmenetze in Deutschland integriert werden.

Skalierbare Energiespeicher für E-Mobility

Das Projekt JenErgieReal erforscht in Echtzeit skalierbare Energiespeicher. Das Reallabor soll als Blaupause für die zukünftige Versorgung mit elektrischer und thermischer Energie dienen, wobei der Mobilitätssektor als Bindeglied fungiert. Die Projektpartner untersuchen verschiedene Ansätze: Quartiersspeicher sowie netzdienliche Energiespeicher werden mit KWK-Anlagen und Ladesäulen kombiniert. Dadurch soll Netzausbau, beispielsweise für entstehende E-Bus-Linien, vermieden werden. Gleichzeitig soll eine Nachnutzung von Abwärme aus den resultierenden Schnellladevorgängen erfolgen. Und: Projektbegleitend werden die Integration in die Stadtentwicklung sowie die Akzeptanzkriterien der Systemnutzer untersucht.

Im Reallabor Lausitz geht es um energieeffizientes Bauen und Versorgen im Kontext des Strukturwandels. In insgesamt 13 Teilprojekten – aufgeteilt auf die Städte Cottbus, Spremberg, Lübbenau und Lübben – sollen Pilotlösungen Anreize für Teilhabe bieten, den Hemmnisabbau in der Region befördern und die Machbarkeit innovativer Lösungen aufzeigen. Dabei spielen Maßnahmen zur Digitalisierung eine wichtige Rolle.

Wasserstoff wird Basis des Energiesystems

Um die Nutzung von Wasserstoff aus Erneuerbaren und Sektorkopplung geht es in zahlreichen anderen Projekten. Hamburg, Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern betreiben gemeinsam ein norddeutsches Reallabor. Fokus ist die Elektrolyse mit insgesamt 77 Megawatt; H2-Tankstellen und -Transport. Verteilt auf fünf geografische „Hubs“ in Hamburg, Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern sollen großskalige Konzepte für die Sektorkopplung entwickelt werden, mit Fokus auf Wasserstoff und energieeffizienten Quartierslösungen im Wärmebereich. Für das Vorantreiben der Wärmewende wollen die Partner die Abwärme einer Müllverbrennungs- sowie einer Industrieanlage mittels vorhandener Fernwärmeleitungen nutzbar machen.

In Salzbergen in Niedersachsen liegt der Schwerpunkt auf  dem Abscheiden von CO2 und seine Verwendung in verschiedensten Bereichen. Mittels eines innovativen CCU-Verfahrens soll bisher ungenutztes, breit verfügbares CO2 für verschiedene Sektoren im industriellen Maßstab erschlossen werden. Dazu wollen die Partner mithilfe eines Prototyps das von einer lokalen Müllverbrennungsanlage ausgestoßene CO2 im industriellen Maßstab abscheiden und mit „grünem“ Wasserstoff in synthetisches Methan umwandeln. Eine Begleitforschung berücksichtigt systemische Aspekte.

Grünes Methanol im großen Maßstab

In Stade geht es um „Grünes Methanol“. Die Partner im Reallabor Green MeOH in Stade bei Hamburg wollen einen industriellen Kraftwerksprozess dekarbonisieren und das gewonnene CO2 nutzen. Aus den Abgasen eines Gaskraftwerks des Chemieunternehmens DOW wollen sie dazu CO2 herausfiltern und durch Zugabe von Wasserstoff in Methanol umwandeln. Das Projekt ist um einen Faktor zehn größer als alle vergleichbaren derzeit in Betrieb oder in der Planung befindlichen Anlagen weltweit und das erste einem Gaskraftwerk nachgeschaltete Verfahren seiner Art.

Beim Projekt Element Eins in Niedersachsen ist das Thema Power-to-Gas. Erforscht werden soll die Kopplung von Strom- und Gasnetzen. Die Partner wollen untersuchen, wie über einen großtechnischen Elektrolyseur Strom aus nahegelegenen Windenergieanlagen in Wasserstoff umgewandelt und schließlich in bestehende Ferngasleitungen eingespeist werden kann.

Bestehende Power-to-Gas-Anlage erweitert

In Whylen in Baden-Württemberg ist der Schwerpunkt die Entwicklung und Untersuchung eines Testraums für die lokale Energie- und Rohstoffversorgung der Sektoren Gebäude, Verkehr und Industrie auf Basis regenerativen, strom-basierten Wasserstoffs. In der Elektrolyse-Anlage in Grenzach-Wyhlen am Rhein wird mittels Strom aus dem dortigen Laufwasserkraftwerk Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Mit H2 Wyhlen soll die bereits bestehende Power-to-Hydrogen-Infrastruktur mit dem angrenzenden Quartier und Industrieareal zu einem Testraum ausgebaut werden: Vorgängig sollen hierbei Geschäftsmodelle für die bedarfsgerechte Erzeugung, lokale Verteilung und Nutzung des Gases in den verschiedenen Sektoren entwickelt und bei Tragfähigkeit erprobt werden. Nach der Förderung soll das Gesamtsystem soweit entwickelt sein, dass ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist.

ReWest100 befasst sich in Schleswig-Holstein mit dem nahezu klimaneutrales Gewinnen von Energie und Produzieren von Gütern. Dafür wollen die Projektpartner mithilfe eines 30 Megawatt starken Elektrolyseurs Strom aus Wind in Wasserstoff umwandeln. Wasserstoff soll in einer Salzkaverne gespeichert werden. Geplant ist auch ein Modellnetz zum Wasserstofftransport an verschiedene Abnehmer.

Kavernen dienen als Speicher

Der EnergieparkBL behandelt in Sachsen-Anhalt das Thema Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien. Im EnergiePark Bad Lauchstädt nahe Leipzig wird Strom aus einem Windpark über ein Elektrolyse-Verfahren in Wasserstoff umgewandelt. Anschließend wird der Wasserstoff  auch hier in unterirdischen Hohlräumen eines Salzstocks gespeichert. Von dort gelangt er über eine für den Wasserstoffbetrieb umgerüstete Erdgasleitung zum nahegelegenen Chemiedreieck Mitteldeutschland.

Im Chemiedreieck ist Greenhydrochem anesiedelt. Dort entsteht ein 50-Megawatt-PEM-Elektrolyseur (Gesamtausbauziel 100-Megawatt-Elektrolyse). Der Wasserstoff wird unter anderem in den ortsansässigen Raffinerien in chemische Grundstoffe und Methanol umgewandelt. Im Fokus aller Aktivitäten steht eine volkswirtschaftlich optimale Integration der erneuerbaren Energieträger. Die anfallenden Treibhausgasemissionen sollen so um bis zu 90 Prozent gesenkt werden.

Energie für industrielle Prozesse

Auch bei H2Stahl in Nordrhein-Westfalen geht es um Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien. Das Projekt setzt auf Wasserstofftechnologien, um aus Erz Eisen zu gewinnen. Bisher wird für diesen Prozess im Hochofen Einblaskohle verwendet. In einer Übergangsphase soll in den bestehenden Anlagen reiner Wasserstoff beigemischt werden, der den Prozess teilweise dekarbonisiert. Im HydroHub Fenne in Völklingen produzieren die Projektpartner in Zeiten des Überangebots an Wind- und Sonnenenergie mithilfe eines Elektrolyseurs Wasserstoff. Dieser kann anschließend auf vielfältige Weise zum Einsatz kommen, durch die Verbindung von Strom- und Gasnetz, Industrie und Verkehr: So wird der Wasserstoff an nahegelegene Stahlunternehmen geliefert, die ihn für industrielle Prozesse benötigen. Die Wärme, die bei der Erzeugung des Wasserstoffs entsteht, wird in das Netz des Fernwärmeverbund Saar ausgekoppelt.

RefLau befasst sich mit Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien. Im Reallabor Referenzkraftwerk Lausitz will das Konsortium Schlüsseltechnologien der Energieversorgung mit erneuerbaren Energien und Wasserstoff als chemischem Speicher in der Praxis erproben und den Umbau zu einer CO2-neutralen, sektorübergreifenden Energieversorgung beschleunigen.

StoreToPower Nordrhein-Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines Wärmespeicherkraftwerks. Das Konsortium nutzt dabei die Infrastruktur eines Braunkohlekraftwerks. In einem Wärmespeichermodul wird Strom genutzt, um flüssiges Salz auf bis zu 560 Grad Celsius zu erhitzen und dann in einem Tank zu speichern. Bei erhöhtem Strombedarf wird mit der Salzschmelze Dampf erzeugt, der wieder zur Stromerzeugung in der Turbine des Kraftwerks verwendet wird. So kann ein Teil des mit Kohle erzeugten Dampfs ersetzt und die CO2-Bilanz des Kraftwerks verbessert werden. Die Pilotanlage lässt sich schrittweise um weitere Module erweitern und kann dann nach Auslaufen der Kohlenutzung auch im reinen Speicherbetrieb laufen. Das Projekt bietet damit eine wichtige Grundlage zur Transformation durch nachhaltige Nutzung von Kraftwerksstandorten.

Umbau im Braunkohlerevier

TransUrbanNRW hat die Transformation der netzgebundenen, urbanen Wärme- und Kälteversorgung mit intersektoralen Power-2-Heat Lösungen zum Ziel. Das wird an fünf Standorten in Nordrhein-Westfalen erprobt, die bisher von Braunkohleabbau geprägt sind. Wärmenetze sollen als Plattform für sogenannte „Prosumer“ dienen, also für Verbraucher, die sowohl Energie nutzen als auch selber bereitstellen, etwa über ihre PV-Anlage auf dem eigenen Hausdach. Der notwendige Erzeugungsmix für die Wärme- und Kältebereitstellung kann bei diesen Wärmenetzen aus fossilen und CO2-freien Erzeugungskapazitäten synthetisiert werden. Dies ermöglicht einen schrittweisen Umbau von der heutigen fossilen Erzeugung in eine strombasierte und zunehmend regenerative Wärme- und Kältebereitstellung. Im Zuge des Kohleausstiegs wandelt sich damit die Rolle des klassischen Fernwärmeversorgungsunternehmens zu Energieplattform-anbietern für Wärme, Kälte, Strom und Mobilität. Quelle: BMWi / pgl

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