Kategorie Innovation & Technologie - 30. Juni 2017

Die große Transformation

APA/APA (dpa)

Es ist alles sehr kompliziert und alles hängt mit allem zusammen. Das gilt auch für die globale Energiebranche. Die Energiewelt wird vielfältiger – von den Quellen, der Übertragung bis hin zur Bereitstellung sowie den wirtschaftlichen Modellen dazu. Es ist längst vorbei mit dem monolithischen Modell, wo große Kraftwerke große Teile der Bevölkerung versorgen, was mit einfachen Geschäftsmodellen abgebildet werden konnte. So weit, so bekannt.

Was sind nun die wichtigen Stellschrauben, an denen in den nächsten Jahren – vor allem auch wissenschaftlich – gedreht werden muss. Fragt man Experten, hört man das fast unisono: Die Speichertechnologien stehen ganz oben auf der Agenda. Wie kann man Energie langfristig speichern und sie bei Bedarf gezielt abrufen?

Neue Speicher

Der Branchenverband Oesterreichs Energie meinte dazu gegenüber APA-Science: „Je mehr volatile erneuerbare Energien im System sind, desto flexibler muss es reagieren. Daher brauchen wir vor allem Speicher. Wir benötigen mehr Investitionen in Forschung in Hinblick darauf, wie Strom wirtschaftlich sinnvoll gespeichert werden kann. Dabei geht es um Autobatterien für den Ausbau der Elektromobilität und deren Second Life-Nutzung genauso wie um private Kleinspeichersysteme oder auch kommunale bzw. regionale Speicherlösungen.“

Ähnlich klingt das bei Karin Kuchler und Christof Sumereder von der FH Joanneum, Institut für Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement: „Aufgrund der Volatilität erneuerbarer Energien gewinnen Energiemanagement sowie die Möglichkeit zum Ausgleich von Energieangebot und -bedarf zusehends an Bedeutung. Es gilt, elektrische Energie im Fall einer Überproduktion zum Beispiel mittels Pumpspeicher-Kraftwerken zu speichern. Alternative Technologien wie Power-to-Gas und Power-to-Heat in Hybridnetzen oder Batteriespeicher befinden sich bereits in der Pilotphase.“

Für Alexander Peschl, bei Siemens zuständig für Business Development Energy Management CEE, macht die zunehmende Dezentralisierung des Systems neue, stabile Speichersysteme nötig. Ein Lösungsansatz könnte dabei sein, Energie in kleinen Einheiten dezentral zu speichern. Es werde aber wohl auch dabei auf eine Kombination (siehe auch „Speicher als Schlüsseltechnologien für die Energiewende„) von großen und kleineren Speichern hinauslaufen, so Peschl.

„Der steigende Strombedarf wird in Österreich künftig nicht alleine durch Pumpspeicherkraftwerke abgedeckt werden können. Daher haben Power-to-Heat und Power-to-Gas zweifellos auch hierzulande eine gute Zukunft“, ist sich der Experte sicher. Das sei also zunächst eine technologische Frage, im nächsten Schritt müssen aber auch zusätzliche rechtliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen (Steuern, Verrechnungsmodell etc.) geschaffen werden.

Auch der Consulter Roland Berger hat sich erst kürzlich zur dezentralen Energiespeicherung in einer Analyse zu Wort gemeldet: „Digital vernetzte Batteriespeicher bei Netzbetreibern könnten dezentrale Großspeicher schaffen, die zur Unterstützung bei Versorgungsengpässen dienen könnten. Durch die neuen Möglichkeiten entsteht zusätzlicher Wettbewerb für die Energieversorger. Neue Konkurrenten werden am sich am Markt etablieren. Deren alternativen Geschäftsmodelle werden die Strategien der Etablierten in Frage stellen.“

Die Forschungsarbeit wird mittelfristig auch am Markt ankommen. Laut Roland Berger sollen bis 2030 die Kosten für Speicher soweit gesunken sein, dass sich profitable Wirtschaftsmodelle eröffnen. Eine Einschätzung des US-Energieministeriums bestätigt das. Demnach werden sich die Kosten für elektrische Speicher in den nächsten fünf Jahren halbieren.

„Ewiges Talent“ Wasserstoff

Wasserstoff gilt schon seit geraumer Zeit als Hoffnungsträger. Man könnte fast den Eindruck gewinnen, dass es das „ewige energetische Multitalent“ ist. Laut Kuchler und Sumereder hat der Wasserstoff aber das Potenzial einer disruptiven Technologie. Einerseits lässt er sich elektrolytisch aus überschüssigem Ökostrom erzeugen und langfristig speichern, andererseits kann Wasserstoff als Brennstoff oder für den Betrieb einer Brennstoffzelle zur sauberen Stromerzeugung eingesetzt werden. Die Anwendungen von Wasserstoff seien bekanntlich vielfältig. „Es gibt bereits Pilotprojekte für Fahrzeuge und Züge oder zur Energieversorgung von Gebäuden und Betrieben“, erklären beiden Wissenschafter.

Für Brigitte Bach, Leiterin des Energy Departments beim Austrian Institute of Technology (AIT), wiederum ist die Rolle, die Wasserstoff in einem zukünftigen dekarbonisierten Energiesystem spielen wird, großteils noch offen. Langfristig könnte der Wasserstoff zum vielversprechenden Speicher für Überschüsse werden, dabei stehe er aktuell aber in starker Konkurrenz zu anderen potenziellen Speichern, ergänzt Helfried Brunner, Senior Engineer im Forschungsbereich „Power System and Planning Operation“ beim AIT.

System wird komplexer

Die Energiewirtschaft ist also auf dem Weg von einer relativ einfachen eindimensionalen Kommunikation hin zu einem komplexen Netzwerk mit einer Vielzahl an Teilnehmern, die alle eine bestimmte oder manche auch mehrere Rollen einnehmen. Die IEA dringt diesbezüglich bereits darauf, dass sich die eindirektionale Energieversorgung zusehends hin zu einem integrierten und multidirektionalen System bewegen muss.

Das monolithische System, wo Kraftwerke je nach Bedarf den Strom lieferten, wo das Netz und die Geschäftsmodelle klar definiert waren, ist laut Peschl längst überholt. Der künftige „Energiekomplex“ stellt ganz andere Ansprüche, was die physikalischen, die kommunikativen und die geschäftlichen Bedingungen betrifft. „Man geht im europäischen Kontext von Millionen Akteuren im Stromsystem aus – vom kleinsten Erzeuger bis zum Verbraucher“, so wiederum Brunner vom AIT.

„Die Kunst liegt jetzt darin, diese Herausforderungen koordiniert und gleichzeitig zu bewältigen“, meint Peschl. So müssten die verschiedensten technologischen Bausteine so kombiniert werden, dass dieses zusehends dezentralisierte System funktioniert. Bei all diesen Strömungen müsse sichergestellt werden, dass das Gesamtsystem funktioniert, schreibt dazu Oesterreichs Energie. „Hier ist die E-Wirtschaft gefordert, Bewusstseinsbildung zu betreiben.“

Neue Rahmenbedingungen schaffen

Für die neue Energiewelt müssten aber auch die entsprechenden rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für sämtliche Marktteilnehmer geschaffen werden, sieht der Energieexperte die Politik gefordert.

In zahlreichen Modell- und Projektregionen werde daher das Zusammenspiel der verschiedenen technischen und geschäftlichen Möglichkeiten getestet. Auch wenn das eine oder andere Modell im Test gut funktioniere, heißt das noch lange nicht, dass das einfach multipliziert werden könne. Das zeigt für Peschl einen wesentlichen Unterschied zum „alten Energiesystem“ auf: „Hat da eine Kraftwerkstechnologie gute Ergebnisse erbracht, hat man sie vervielfacht und schnell auf den Markt gebracht. Das geht jetzt nicht mehr so einfach.“ Die verschiedenen technologischen Einzelteile müssten jetzt an die unterschiedlichen Gegebenheiten einer dezentralisierten Energieversorgung angepasst werden.

„Altes System“ aufbrechen

Peschl sieht auch in vielen Regulatorien Stolpersteine. Sowohl die technischen als auch die ökonomischen Regime seien zum größten Teil noch nach dem „alten System“ ausgelegt. Neue dezentrale Anforderungen würden oft noch zu wenig berücksichtigt. Politik ist verhandeln, das kann sich bekanntlich ziehen. Bezüglich der Ökostromnovelle ist es nach monatelangen Diskussionen jetzt (29. Juni) doch noch zu einer Einigung gekommen.

Lange Zeit wurde stark unterschieden zwischen Strom hier, Wärme da und vielleicht noch Gas da. Das werde mehr und mehr zusammenwachsen, es werde verstärkt von einer Energieform in die andere gewechselt werden, verweist Peschl auf die wachsende Bedeutung der Sektorkopplung. Viele Szenarien zeigen, dass der Energieverbrauch zurückgeht, der Stromverbrauch aber gleichzeitig zunimmt. Da muss dann auf andere Energiequellen zugegriffen werden. Das braucht dann neue Regeln, ist den Experten ganz klar. Doch das muss erst bei den politisch Verantwortlichen vollständig ankommen.

Noch ist die Diskussion zur Sektorkopplung hierzulande recht zurückhaltend. In Deutschland ist da schon mehr Dynamik drinnen. „Hier ist der Leidensdruck wohl größer, was zum Beispiel die Dekarbonisierungsziele 20-20-20 anbelangt“, erklärt Christian Redl von der deutschen Agora Energiewende die deutsche Situation. So würden die Kosten für Strom aus Photovoltaik (PV) und Onshore-Windkraft bereits nahe Marktniveau liegen, was die Überführung in Wärme (z.B. Wärmepumpen) aber auch Verkehr (Elektrolyse, E-Mobilität) attraktiver mache. Außerdem gebe das „deutsche Netzproblem“, dass die Überkapazitäten nicht im Netz verarbeitet werden können und so abgeregelt werden müssen. Sinnvoller wäre es jedoch, diese in andere Energien überzuführen.

Für das Gelingen der Energiewende ist eine stärkere Vernetzung der Energiesysteme notwendig, sieht auch Oesterreichs Energie die Sektorkopplung als ein zentrales Zukunftsthema an. Dabei spiele das Internet der Dinge (IoT) eine große Rolle, denn es mache die Verknüpfung von Strom, Mobilität und Raumwärme effektiv möglich. Darüber hinaus müsse auch branchenübergreifend gedacht und gearbeitet werden. Oesterreichs Energie habe dazu einen „Open Innovation“-Prozess gestartet, in dem mit acht unterschiedlichen Branchen an Lösungen für die Energiezukunft gearbeitet werde, hieß es gegenüber APA-Science.

Konsument und Produzent zugleich

Mittlerweile werden PV-Anlagen mit Batteriespeicher am Markt angeboten. „Da wäre es doch volkswirtschaftlich sinnvoll, diese vielen kleinen Speicher auch im großen Maß zu nutzen. Das müsste doch im allgemeinen Interesse sein“, erklärt Siemens-Experte Peschl zum Stichwort Prosumer. Vereinfacht gesagt, der selbstproduzierte Solarstromüberschuss wird zum Handelsgut für den Kleinsthersteller. Diesbezüglich stehen auf der Forschungsagenda Themen wie Microgrids und das „virtuelle Verrechnungssystem“ Blockchain (siehe Gastkommentar „Microgrids: Regionale Energie mit globalen Auswirkungen„).

„Das PV-Kraftwerk am Haus macht also den klassischen Stromkunden zum Kraftwerksbetreiber und mangels Speicher zum Stromlieferanten“, erklären dazu Kuchler und Sumereder von der FH Joanneum. Ein Elektroauto benötige zum Aufladen ein Vielfaches an Leistung im Vergleich zu einem konventionellen Haushaltskunden. Das sei wiederum ein wesentlicher Einflussfaktor auf den Netzbetrieb bzw. auf die Kostenstrukturen. Smart Meter ermöglichen die Erfassung der entnommenen Energiemenge und die für die Auslastung der Leitungen wesentliche Leistung. In einem Smart Grid werden sich auch Geräte je nach Tarif- oder Lastsituation im Netz zu- oder wegschalten lassen, um ein Optimum an Stromkosten und Netzauslastung zu erzielen. Das IoT wird daher unweigerlich in unsere Haushalte Einzug finden. Eine Konsequenz aus diesen Entwicklungen wird die Anpassung der Stromlieferverträge für Endkunden sein.

Gewohnheiten umstellen

Peschl glaubt daher, dass sich der Endnutzer an derart neue Bedingungen rasch anpassen wird. Das werde das Verhalten ändern, wie Energie konsumiert werde. Das sei eine Frage des Bewusstseins und der Anpassung von Gewohnheiten. Wie sich das abspielen werde, werde sich erst zeigen, und sei kaum vorherzusehen. Noch sei es etwa undenkbar, dass bei Konsumenten zum Lastausgleich Elektrogeräte automatisiert auf Zeit abgeschaltet werden. Viele würden das derzeit verweigern, ohne wirklich über die tatsächlichen Konsequenzen Bescheid zu wissen.

In der Großindustrie sind derart schaltbare Lasten bereits gang und gäbe. Das werde mittelfristig auch beim Endkunden ankommen und Gewohnheiten ändern. Der Konsument könne so sogar zum Treiber von alternativen Technologien werden, verweist Peschl auf die bereits unumstrittene Akzeptanz der PV im Ein- und Mehrfamilienhaussegment – plus die entsprechenden Förderungen natürlich.

Verrechnung via Blockchain

Um die riesigen Datenmengen, die die neue, dezentralere Energiewelt mit sich bringen, zu bewältigen, braucht es natürlich intelligente, smart Systeme. Besonders in den Bereichen „Smart Grids“ und Smart City“ ist Österreich gut aufgestellt, berichtet AIT.

Bezüglich des Energiehandels bis hinunter zum Prosumer braucht es wiederum neue Systeme der Vergütungsverrechnung, um auch im kleinteiligen Bereich finanzielle Sicherheit zu garantieren. Ein Ansatz, an dem bereits massiv gearbeitet wird ist dabei die bereits erwähnte Blockchain-Methode.

Dabei handelt es sich um eine digitale Technologie der Datenspeicherung und -validierung, das Geschäfte direkt zwischen Energieproduzenten und -verbrauchern ohne eine zentrale Stelle wie zum Beispiel einer Handelsplattform ermöglicht. Die Transaktionen werden dabei nachvollziehbar und fälschungssicher via Kryptografie auf verteilten Systemen gespeichert. Siemens ist in diesem Bereich bereits stark engagiert. So entwickelt man etwa gemeinsam mit dem US-Start-up LO3 Energy Microgrids, die einen lokalen Handel basierend auf der Blockchainmethode ermöglichen sollen.

E-Mobilität ist in aller Munde, ….

… die Politik bis hin zu den großen Autokonzernen bekennen sich dazu. China macht mit Quoten Druck und will die eigenen Hersteller massiv fördern. Die öffentliche Meinung ist den Stromfahrzeugen gegenüber sehr positiv, doch auf den Straßen sind sie noch nicht wirklich sichtbar. Im vergangenen Jahr verfügten hierzulande lediglich 0,5 Prozent aller neu zugelassenen Fahrzeuge über einen elektrischen Antrieb. Damit hält sich auch die immer wieder angesprochene zusätzliche Belastung für das Netz noch in Grenzen.

Die Frage sei jetzt, wie schnell sich die E-Mobilität nun entwickle und wie die künftige Nutzerstruktur und das -verhalten aussehen werde, wirft Peschl einen Blick in die Zukunft. Das hänge zum Beispiel stark von der nächsten Batteriengeneration ab, aber auch davon, ob derartige Fahrzeuge hauptsächlich im urbanen Bereich oder auch Überland eingesetzt werden. Daran werde sich orientieren, wo und wie die Netze künftig gestaltet werden müssen, so Peschl: „Da gilt es Fragen zu beantworten, inwieweit die Konsumenten bei Autobahnfahrten an Schnellladestationen bereit sind, eventuell mehr zu zahlen.“ Davon seien auch neue Geschäftsmodelle abhängig.

Keine klare Meinung herrscht daher auch unter Experten darüber, ob sich die Elektro-, der Wasserstoff- oder gar der Gasantrieb durchsetzen wird. Conclusio aus den verschiedenen Meinungen ist, dass es ein Nebeneinander geben wird. Für Siemens wird der Wasserstoff sehr wohl eine Rolle in der Mobilität spielen. Das gelte vor allem für Bereiche, wo es darum gehe, größere Tonnagen über längere Strecken zu befördern, hebt Peschl hervor. In Deutschland wurden bereits Brennstoffzellen-betriebene Züge getestet. Die E-Mobilität dagegen mache im Stadtverkehr und über kürzere Distanzen Sinn.

„Darf’s ein bisserl mehr sein“

Österreichs Energieforschung ist laut Technologieminister Jörg Leichtfried auf gutem Weg. Er verweist dabei auf die „Energieforschungserhebung 2016“ (siehe auch „Energieforschung in Zahlen“ und „Österreich zum globalen Innovation Leader der Energiezukunft machen„). Demnach hat Österreichs öffentliche Hand im vergangenen Jahr 140,9 Millionen Euro in die Energieforschung investiert.

Für den Minister darf es aber künftig ein „bisserl mehr“ sein. Er fordert nämlich eine Verdoppelung auf künftig 280 Millionen. Er kann sich das als stufenweise Erhöhung bis 2020 vorstellen. „Neue Technologien sind der Schlüssel zur Energiewende. Österreich muss hier die Speerspitze sein. Darum müssen wir unsere Anstrengungen verdoppeln. Das hat zweifachen Nutzen: Wir schützen die Umwelt und tragen dazu bei, unsere Betriebe zu Weltmarktführern zu machen“, meinte Leichtfried kürzlich in einer Aussendung.

Wohin geht Reise?

Es geht also um Dekarbonisierung, Dezentralisierung und Digitalisierung. Der verstärkte Einsatz erneuerbarer Energieformen und CO2-neutraler Lösungen werden wohl langfristig ins postfossile Zeitalter überführen. Der wachsende Markt der Elektromobilität, effizientere Geräte, höhere Energiestandards bei Gebäuden kombiniert mit smarten Steuerungen in einem vernetzten digitalisierten Haushalt bestimmen die Transition des Energiesystems ebenso wie innovative Speicherkonzepte zur Kompensation der Variabilitäten in Erzeugung und Verbrauch.

Ein dezidiertes Ziel stellt die Abdeckung der energiebezogenen gesellschaftlichen Grundbedürfnisse (siehe auch „Wo der Mensch ins Spiel kommt: Soziale Innovation in der Energiepolitik„) und Energiedienstleistungen aller Menschen dar. Sowohl auf nationaler als auch auf globaler Ebene sollen soziale Ungleichheiten und Ressourcenkonflikte deutlich verringert werden.

Von Hermann Mörwald / APA-Science

Service: Diese Meldung ist Teil eines umfangreichen Dossiers zum Thema Energie, das auf APA-Science erschienen ist: http://science.apa.at/dossier/energiesystem.