Energieforschungsprogramm des Bundes 07.06.2021, 08:05 Uhr

Reallabore proben die Energiewende

Zwölf Partner aus Industrie und Forschung wollen in Darmstadt zukünftig gemeinsam Ideen für das Gelingen der Energiewende entwickeln und erproben. Das Mitte Mai gestartete „Reallabor DELTA“ ist eines von derzeit acht bundesweit.

Foto: panthermedia.net/ DOC-Photo

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Im Rahmen des „Darmstädter Energie-Labor für Technologien in der Anwendung“ (DELTA) wollen die insgesamt zwölf Partner demonstrieren, wie die Energiewende im städtischen Umfeld praktisch umgesetzt werden kann. In mehreren Teilprojekten werden dafür ein typisches Wohnquartier, ein Industriestandort sowie städtische Versorgungseinrichtungen und Betriebshöfe des ÖPNV durch Leitungen und Speicher für Strom, Gas, Wärme und Wasserstoff verknüpft, eine unterstützende Digitalisierung soll helfen die Energieflüsse zu optimieren. Für die kommenden fünf Jahre stehen mehr als 110 Millionen Euro für das Projekt zur Verfügung. Das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) schießt zusätzlich weitere 40,1 Millionen Euro hinzu. „Wenn wir unsere Klimaziele erreichen wollen, müssen wir auch den Wärmesektor im Blick haben und eine klimaneutrale Wärmeversorgung vorantreiben“, so Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier anlässlich des Projektstarts. Im urbanen Umfeld liegen vielfältige Erzeuger und Verbraucher aus Industrie, Wohnen und Mobilität räumlich eng zusammen, Energieströme lassen sich daher gut vernetzen. Das Reallabor DELTA werde praxisnah zeigen, wie auf diese Weise CO2-Emissionen effektiv gesenkt werden können, so der Minister. Die Ergebnisse sollen auf viele andere Städte übertragbar sein.

Die Reallabore der Energiewende sind eine neue Initiative in dem im September 2018 verabschiedeten 7. Energieforschungsprogramm des BMWi. Es wurde ins Leben gerufen, um Forschung und Entwicklung im Bereich zukunftsweisender Energietechnologien zu fördern. In mehreren bundesweit verteilten Einzelprojekten soll in den Reallaboren das Zusammenwirken verschiedener Energietechnologien im Energiesystem im Industrie-Maßstab getestet werden. Dazu werden einzelne Forschungsergebnisse zusammengeführt und in die praktische Umsetzung gebracht. Die erzielten Einsparungen an klimaschädlichen CO2-Emissionen werden dabei durch eine Begleitforschung nachgewiesen.

Forschen für die Energiewende: Die Reallabore im Überblick

Bundesweit sind derzeit acht Reallabore aktiv:

  • IW3 (Laufzeit: 2020 bis 2024, Schwerpunkt: Energieoptimierte Quartiere in der Großstadt): Über eine Geothermie-Anlage wird aus etwa 3.500 Metern Tiefe geothermische Energie gewonnen und in ein lokales Nahwärmenetz gespeist. In den Sommermonaten soll überschüssige Wärme in einem oberflächennahen, wasserleitenden Gestein zwischengespeichert werden. Eine systemübergreifende Technologieplattform koppelt über ein virtuelles Kraftwerk Wärme, Strom und Mobilität im Quartier für eine intelligente, effiziente und regenerative Energieversorgung. 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.
  • SmartQuart (Laufzeit: 2020 bis 2024, Schwerpunkt: Energieoptimierte Quartiere im ländlichen Raum, in Kleinstadt und Großstadt): SmartQuart soll zeigen, dass eine engere Verknüpfung der Sektoren Energie, Wärme und Mobilität innerhalb eines Quartiers und im Zusammenspiel mit benachbarten Quartieren bereits heute technisch und wirtschaftlich möglich ist. Essen und Bedburg in Nordrhein-Westfalen sowie Kaisers-esch in Rheinland-Pfalz bilden gemeinsam dieses Reallabor. 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.
  • TransUrbanNRW (Laufzeit: 2020 bis 2025, Schwerpunkt: Energieoptimierte Quartiere in Mittelstadt und Großstadt): In dem nordrhein-westfälischen Reallabor werden Wärmenetze erprobt, die erneuerbare Energien und Abwärme auf allen Temperaturniveaus einbinden. Bisher werden die fünf vom Braunkohleabbau geprägten Quartiere über Fernwärmenetze versorgt. Wärmenetze der 5. Generation fungieren als eine Energieplattform für „Prosumer“ – 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 Energieplattformanbietern für Wärme, Kälte, Strom und Mobilität.
  • Westküste 100 (Laufzeit: 2020 bis 2025, Schwerpunkt: 30-Megawatt-Elektrolyse, Kavernenspeicher, Gas- und Wasserstoffnetz): Mit Westküste 100 entsteht die „Musterregion Heide“. Hier wird in kleinem Maßstab erprobt, was die Industriegesellschaft künftig möglichst flächendeckend leisten soll: ein 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. Das Gas kann dann weitergeleitet und bedarfsgerecht genutzt werden, unter anderem zur Produktion von CO2-neutralem Kraftstoff. In dem Reallabor soll der Wasserstoff in einer Salzkaverne gespeichert werden. Geplant ist auch ein Modellnetz zum Wasserstofftransport an verschiedene Abnehmer. Zudem soll der bei der Elektrolyse gewonnene Sauerstoff im Verbrennungsprozess in einem etwa 60 Kilometer entfernten Zementwerk zu hochreinem Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden. Daraus lassen sich beispielsweise chemische Grundstoffe für Lösemittel herstellen.
  • H2-Wyhlen (Laufzeit: 2021 bis 2025, Schwerpunkt: Die Erzeugung von bis zu zehn Megawatt alkalische Elektrolyse mit Strom aus einem Wasserkraftwerk): In der Elektrolyse-Anlage in Grenzach-Wyhlen am Rhein wird mittels Strom aus dem dortigen Laufwasserkraftwerk Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff kann dann für verschiedene Nutzungswege bereitstehen. Ziel ist der Ausbau einer bereits bestehenden Power-to-Hydrogen-Infrastruktur mit dem angrenzenden Quartier und Industrieareal zu einem Testraum. Vorrangig sollen hierbei Geschäftsmodelle für die bedarfsgerechte Erzeugung, lokale Verteilung und Nutzung des Gases in den verschiedenen Sektoren entwickelt und bei Tragfähigkeit erprobt werden. Geforscht wird an der Entwicklung großskalig fertigbarer Elektrolysetechnologie sowie an der Weiterverwendung von Prozesswärme.
  • Norddeutsches Reallabor (Laufzeit: 2021 bis 2025, Schwerpunkt: Elektrolyse mit insgesamt 77 Megawatt; H2-Tankstellen und -Transport): Hier wird die ganzheitliche Transformation des Energiesystems erprobt und auf diese Weise die schnelle Dekarbonisierung aller Verbrauchssektoren forciert. 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. Um CO2 einzusparen, ist beispielsweise geplant Rückstände aus Raffinerien mit „grünem“ Wasserstoff weiterzuverarbeiten. Auch soll untersucht werden, wie sich das Beimischen von Wasserstoff in Erdgas-Brennern auswirkt. Um den Verkehrssektor systemisch einzubinden, wollen die Projektpartner vermehrt Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf die Straße bringen und Wasserstofftankstellen fördern. Für das Vorantreiben der Wärmewende soll zudem die Abwärme einer Müllverbrennungs- sowie einer Industrieanlage mittels vorhandener Fernwärmeleitungen nutzbar gemacht werden.
  • Reallabor GWP (Laufzeit: 2021 bis 2025, Schwerpunkt: Energieoptimierte Quartiere in Mittelstadt und Großstadt): Das Reallabor GWP erprobt wirtschaftliche und regulatorische Rahmenbedingungen sowie effiziente Betriebskonzepte für den Einsatz von Großwärmepumpen. Zudem will das Konsortium herausfinden, wie sich Großwärmepumpen für die übergeordnete Transformation der Wärme- und Strominfrastruktur nutzen lassen und somit einen wesentlichen Beitrag zur Sektorkopplung leisten können. Dazu sollen fünf Großwärmepumpen mit unterschiedlichen Einbindekonzepten, Wärmequellen und weiteren Spezifika in die Fernwärmenetze in Deutschland integriert werden. Die Standorte in Bayern, Baden-Württemberg und Berlin sind eigenständig, aber über eine übergeordnete zentrale Datenerfassung, Analyse und Optimierung verknüpft.
  • DELTA „Darmstädter Energie-Labor für Technologien in der Anwendung“ (Laufzeit: 2021 bis 2026, Schwerpunkt: Energieflüsse in der Großstadt): 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 von DELTA werden die entsprechende Interaktion anschließend analysieren und optimieren. Die Netze sollen damit besser ausgelastet und gekoppelt werden, sodass sektorübergreifende Synergien entstehen. Übergeordnetes Ziel ist das Reduzieren von Energieverbrauch und Kohlendioxid-Ausstoß in Stadtquartieren. Auch die wirtschaftliche Umsetzbarkeit und gesellschaftliche Akzeptanz werden überprüft.

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Von Marc Daniel Schmelzer

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