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01.02.2022

Energie perfekt vernetzt

Veranstaltungsreihe „Materials for the European Green Deal“: Netze müssen intelligent werden und Sektoren koppeln, damit die Energiewende gelingt. Eine Aufgabe, die Betreiber und Materialforscher derzeit mächtig unter Strom setzt.
Veranstaltungsreihe Materials for the European Green Deal
Veranstaltungsreihe Materials for the European Green Deal © HTAI (Design von bartels+drescher)

Bei der Energiewende ist eines sicher: Nichts bleibt wie es war. Fahrzeuge tanken künftig grünen Strom, der träge Energieträger Kohle wird durch fluktuierende Windkraft und Solarenergie abgelöst, ganze Branchen wollen mit Hilfe von Wasserstoff Produkte erzeugen, Wärme für Haushalte und Industrie liefern in Zukunft dekarbonisierte Brennstoffe.

Das alles geht nicht ohne Netze. Sie verbinden Erzeuger und Verbraucher und Fernleitungen mit Verteilnetzen. Sie schaffen Verbindung zwischen Strom und Wärme, zwischen gasförmigen und flüssigen Energieträgern. Sie lenken Überschüsse in Speicher und bringen Energie zu jeder Zeit dorthin, wo sie gerade gebraucht wird – und das künftig am besten smart, digitalisiert und über Sektoren und sogar Ländergrenzen hinweg.

Smarte Netze: eine Mammutaufgabe

Klingt einleuchtend, ist aber eine Mammutaufgabe. Heutige Netze stammen aus dem fossilen Zeitalter und sind für den Wandel nur bedingt tauglich. Sie kennen in aller Regel nur eine Richtung, die vom Erzeuger zum Verbraucher, sind wenig flexibel und haben keine Berührungspunkte untereinander. Für die Energiewende müssen die Netze „intelligent“ werden, damit Erzeugung und Verbrauch zu jeder Zeit zueinander passen. Sie brauchen  vor allem auch Kopplungsstellen, um wie auf einem Verschiebebahnhof die Energie für ganz unterschiedliche Sektoren - Fahrzeuge, Haushalte, Industrieanlagen - gleichermaßen verlässlich liefern zu können.

Wie gelingt diese Netz-Wende? Die Veranstaltung „Materialinnovationen für leistungsfähige Energienetze der Zukunft“ im Rahmen der Reihe Materials for the European Green Deal am 21. Januar stellte Lösungen und Strategien dafür vor. Die Stoßrichtung ist klar: „Aus den bisher strikt getrennten Netzen für Strom, Wärme, Kraftstoffe und Gas wird ein multimodales System entstehen“, sagt Professor Peter Birkner, Geschäftsführer des House of Energy e.V., einem hessischen Innovationscluster, das sich mit den zentralen Fragen der Energiewende beschäftigt.

Viele Erzeuger – viele Fragen

Besonders der Umstieg auf erneuerbare, fluktuierende Energieträger schreibt die Vorzeichen neu. „Die größten Änderungen sehe ich auf Erzeugerseite“, sagt Professor Jutta Hanson vom Fachgebiet Elektrische Energieversorgung unter Einsatz erneuerbarer Energie der TU Darmstadt. Wenige, große Kraftwerke werden durch viele dezentrale und fluktuierende Produzenten abgelöst – das stabilisierende Trägheitsmoment im Netz geht verloren. Und dennoch müssen Erzeugung und Verbrauch in jedem Augenblick ausbalanciert sein. „Insgesamt wird das Stromnetz weicher und die Regelung deutlich schneller“, so Hanson.

Der Strombedarf  wird sich in Deutschland bis 2045 mindestens verdoppeln. Grüner Strom muss künftig innerhalb Deutschlands, aber auch über die Grenzen hinweg über weite Strecken transportiert werden. Das stellt die Forschung vor große Herausforderungen: Wie gelingt der Transport verlustfrei über die Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen (HGÜ-Leitungen), die sogenannten Stromautobahnen?  Welche technischen Herausforderungen bringt die neue Übertragungstechnik VSC-HGÜ mit sich, die z.B. besonders für die Anbindung von Windparks geeignet ist? Wie und wo entstehen die notwendigen Flexibilitäten durch Speicher und Sektorenkopplung? Was bedeutet eine Betriebsführung und Steuerung ohne Großkraftwerke?

Nordsee als Powerhouse

Insbesondere auch die Materialforschung ist gefragt: Große, überlagernde Netze brauchen besonders effiziente Halbleiter, leichte Werkstoffe, langzeitstabile Gleichstromkabel, womöglich gasisolierte Leitungen und Schaltanlagen oder verlustfrei leitende Komponenten aus innovativen Supraleitern. „Die erforderliche Topologie ist nicht nur einfach das alte Netz größer gebaut, sondern technisch ein ganz anderes System“, konstatiert Hanson.

An diesem ganz anderen System arbeitet beispielsweise der niederländische Netzbetreiber TenneT TSO GmbH. „Die Dauer der Genehmigungsverfahren ist zwar immer noch eine Hürde, aber mittlerweile nimmt der Ausbau an Fahrt auf“, sagt Tim Meyerjürgens, Chief Operations Officer bei TenneT. Bis 2030 will das Unternehmen die Anbindung von deutschen Offshore-Wind-Parks auf mindestens 30 GW vervierfachen.  Dafür wird der Übertragungskapazität auf 525 kV erhöht, das steigert die Effizienz und minimiert die Zahl der notwendigen Kabel im naturgeschützten Wattenmeer.  Ein vermaschtes Gleichstromnetz auf See soll europäische Windparks miteinander verbinden, was die Versorgung sicherer und Lastflüsse flexibler macht. „Die Nordsee wird so zum neuen Kraftwerk in Europa“, ist Meyerjürgens überzeugt.

Gemeinsam mit dem Netzbetreiber 50Hertz Transmission GmbH geht TenneT noch einen wichtigen Schritt weiter. Im Raum Heide in Schleswig-Holstein soll ein erstes Stromdrehkreuz entstehen. Eine neuartige Gleichstrom-Schaltanlage wird zwei 2-GW-Offshoreleitungen mit einer Gleichstromverbindung an Land verknüpfen. Ein Konverter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um, mit dem verschiedene industrielle Verbraucher der Region versorgt werden. Über den Konverter kann auch Strom abtransportiert werden, den die Windkraftanlagen an Land produzieren. 

Neues Gas in alten Leitungen

Eine Netz-Wende braucht es nicht nur für Strom, sondern auch für Gas. Wobei der Wandel beim Gas weniger radikal ist: Die meisten Erdgasleitungen lassen sich auf den Transport von Wasserstoff oder Biogas umstellen. „Das bestehende Gasnetz wird also auch weiterhin benötigt“, betont Karsten Frese, Strategieentwickler bei der Open Grid Europe GmbH, die in Deutschland rund 12.000 Kilometer Fernleitungen betreibt. Schon heute transportiere das Gasnetz doppelt so viel Energie wie das Stromnetz.

Künftig, so Frese, ist der Transport von Gasgemischen vorgesehen, die je nach Kundenwunsch mehr oder weniger Wasserstoff enthalten oder aus denen über große Membrananlagen der Wasserstoff sauber abgetrennt werden kann. Im Rahmen des Verbundprojektes GetH2 sollen bis 2024 die ersten 30 Kilometer Gasnetz auf grünen Wasserstoff umgerüstet werden, 2030 könnten es bereits 5100 Kilometer sein. Bis 2040, so sehen es die Planungen für ein European Hydrogen Backbone vor, sollen 40.000 Kilometer Leitungen in der EU Wasserstoff transportieren, davon sind 69 Prozent bereits bestehende Trassen. Gas-Fernleitungen sind nicht zuletzt unverzichtbar für den Transport von CO2, das künftig aus Abgasen filtriert und zu geologischen Speichern oder für eine chemische Nutzung zu Industrieanlagen transportiert werden muss.

Speicher sichern Versorgung

Zu einem Wasserstoff-Netz gehören auch Großspeicher, die eine Versorgung zu jeder Zeit sicherstellen. Platz dafür hat Deutschland im Prinzip genug: Die deutschen Gasspeicher fassen 24 Prozent des gesamten Speichervolumens der EU. „Für Wasserstoff kommen insbesondere große Kavernenspeicher in Frage“, sagt Rainer Vogt, Geschäftsführer der MET Speicher GmbH in Frankfurt. Die MET ist Eigentümer u.a. des Kavernenspeichers im hessischen Reckrod im Landkreis Fulda. 

Die Umrüstung der unterirdischen Kavernen ist für eine Wasserstoffwirtschaft mindestens so wichtig wie die Umrüstung von Fernleitungen. Bis 2050 wird eine H2-Anschlussleistung für die deutsche Industrie von 111 Gigawatt prognostiziert. 69 Gigawatt werden ehemalige Erdgaskavernen speichern können, um die erzeugten und importierten Wasserstoffmengen puffern zu können, betont Vogt. Der MET-Speicher Reckrod könnte künftig die hessische Industrie, aber auch Unternehmen in südlicheren Bundesländern versorgen. Allerdings ist die Umrüstung einer Kaverne auf Wasserstoff nicht banal. Beispielsweise müssen unterirdisch und oberirdisch eingesetzte Werkstoffe ausgetauscht werden, um Sicherheit und Explosionsschutz zu gewährleisten.

Flüssig-Carrier für Wasserstoff

Auch bei der Netz-Wende geht es um Tempo. Doch wie gelingt ein schneller Wandel, und das möglichst global? „Indem wir weltweit die bestehende Infrastruktur für flüssige Energieträger nutzen“, betont Professor Peter Wasserscheid, Gründungsdirektor des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg. Tanker, Lager, Tankstellen und Pipelines gibt es nahezu überall, „und diese Infrastruktur brauchen wir weiterhin, weil Erzeuger und Verbraucher auch in Zukunft weit voneinander entfernt sind.“ Wasserstoff ist zwar ein Gas, lässt sich aber effizient in chemisch gebundener, flüssiger Form transportieren, zum Beispiel als Molekülbestandteil von Methanol, Ammoniak oder bestimmten Wärmeträgerölen (LOHC). Die ersten Tankstellen, bei denen der Wasserstoff aus LOHC gewonnen wird, sind laut Wasserscheid seit 2021 im Probebetrieb.

Sektorenkopplung, hocheffiziente Speicher, bidirektionale Energieflüsse – auch für Wärmenetze benennen diese Schlagworte den notwenigen Wandel. Dazu gehört, dass unterschiedliche Wärmequellen und Temperaturniveaus gekoppelt werden und Abwärme aus Rechenzentren oder Industrieanlagen besser integriert wird. „Über die hydraulische Vernetzung hinaus braucht es aber vor allem eine transparente, schnelle Datenkommunikation“, sagt Guido König, Manager Digital Solutions bei der Samson AG in Frankfurt. Schnelle Datenkommunikation und konsequente Digitalisierung sind Bestandteil aller künftigen Leitungssysteme. Sie versprechen eine weitaus effizientere Nutzung von Wärme, Kälte, Strom und Wasserstoff als heute und eine vielfältigere, aber klimaschonende Welt der Netze.

Nächste Termine: Landwirtschaft/Ernährung und Abschluss der Reihe

Technologieland Hessen und Materials Valley e.V. laden am 17. Februar 2022 zu „Materialinnovationen für klimaneutrale Ernährung und Landwirtschaft“ ein (jetzt anmelden!).

Am 26. April 2022 findet in Hanau die Abschlussveranstaltung statt.

Text: Dipl.-Ing. Christa Friedl

Weitere Infos zur Reihe

Materials Valley e.V. ist ein seit 2002 bestehender Verein unter Beteiligung von Industrieunternehmen, Hochschulen, Forschungsinstituten, Institutionen der Länder zur Förderung von Technologie und Wirtschaft und Privatpersonen.

Informieren, Beraten, Vernetzen: Das Technologieland Hessen unterstützt Unternehmen dabei, zukunftsweisende Innovationen zu entwickeln. Umgesetzt wird das Technologieland Hessen von der Hessen Trade & Invest GmbH im Auftrag des Hessischen Wirtschaftsministeriums.

Sandro Szabo
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Ansprechpartner im Technologieland Hessen

Dr. Sandro Szabo

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Kooperations Partner
  • Materials Valley e.V.
    Materials Valley e.V.
    Materials Valley e.V.
    Der Verein Materials Valley e.V. wurde im Frühjahr 2002 unter der Beteiligung von Industrieunternehmen, Hochschulen, Forschungsinstituten, Institutionen der Länder zur Förderung von Technologie und Wirtschaft und Privatpersonen gegründet. Ziel des Vereins ist die Profilierung der Region Rhein-Main als High-Tech Standort für Materialforschung und Werkstofftechnologie. Dies beinhaltet den Ausbau von Wissensnetzen zu einem langfristig angelegten Forschungsverbundnetz zwischen den wissenschaftlichen Instituten und Unternehmen der Region sowie zwischen Unternehmen als Grundlage für Kooperationen, gemeinsame Forschung und Entwicklung.
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