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14.09.2021

Anstösse für Hessens Energiewende

Strom und Wärme braucht jeder und zu jederzeit. Allerdings ist die Erzeugung von Energie eine der größten Quellen für Treibhausgase. Wie also gelingt das: eine klimaverträgliche, zugleich aber auch verlässliche und bezahlbare Energieversorgung für Industrie, Wirtschaft und Haushalte? Die Dekarbonisierung der Strom- und Wärmeerzeugung stellten das Technologieland Hessen und der Materials Valley e.V. am 9. September daher ins Zentrum ihrer Veranstaltungsreihe „Materials for the European Green Deal“.
Veranstaltungsreihe Materials for the European Green Deal
Veranstaltungsreihe Materials for the European Green Deal © HTAI (Design von bartels+drescher)

Energiewende in Hessen hat erst begonnen

Klar wurde: Bei Strom und Wärme klafft eine große Lücke zwischen dem, was möglich ist, und der realen Energiewelt. Beim Primärenergieverbrauch dominieren nach wie vor Öl und Gas, da macht Hessen keine Ausnahme. Der Anteil Erneuerbarer Energieträger am Primärenergieverbrauch lag 2019 laut dem letzten „Monitoringbericht zur Energiewende in Hessen“ bei 11,5 Prozent. Der Anteil der Erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch lang in Hessen im Jahr 2019 bei 24 Prozent, der Anteil regenerativ erzeugter Wärme am Endenergieverbrauch bei 13,5 Prozent. 

„Seit etwa zehn Jahren steigt der Gesamtanteil der regenerativen Energien im Land nur langsam, da haben wir noch einen weiten Weg vor uns“, resümiert Uwe van den Busch, Projektmanager Energiemonitoring bei der HA Hessen Agentur GmbH. Beispielsweise gingen 2019 in Hessen nur vier neue Windkraftanlagen in Betrieb. Ein wichtiger Player für den Fortgang der Energiewende ist der Flughafen Frankfurt: Er steht für etwa 25 Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs im Land. Selbst im Corona-Jahr 2020 mit einem deutlich eingeschränkten Flugbetrieb lag sein Anteil noch bei rund 15 Prozent.

Neubaugebiet heizt mit Abwärme aus Rechenzentrum

Frankfurt ist Standort nicht nur für den größten Flughafen Deutschlands, sondern auch für DE-CIX, den weltweit größten Internetknoten. Durch mehr Homeoffice, die Digitalisierung der industriellen Fertigung und autonome Fahrzeuge wird der Energiebedarf von Servern und Rechenzentren weiter rasant steigen. Damit wächst auch deren Abwärme, die bisher meist ungenutzt verpufft. Dabei ist das Abwärmepotenzial enorm: Rein rechnerisch könnte im Jahr 2030 der Wärmebedarf aller Frankfurter Haushalte und Büros durch Abwärme aus den Rechenzentren der Stadt gedeckt werden.

Im Frankfurter Bauquartier Westville wird dieses Potenzial erstmals in großem Maßstab in Hessen angezapft. Die hier geplanten 1.300 Wohnungen sollen ab 2023 zumindest teilweise mit Abwärme eines benachbarten Rechenzentrums geheizt werden. „Im Endausbau stammen mindestens 60 Prozent der Wärme aus dem Rechenzentrum“, sagt Kolja Franssen, Projektleiter beim Frankfurter Energieversorger Mainova. Ein neues Nahwärmenetz deckt die Grundlast, die bestehende Fernwärmeversorgung die Spitzenlast.

Fortschritte bei Wind und Photovoltaik

Die zwei wesentlichen Säulen der Dekarbonisierung des Energiesektors sind und bleiben Wind und PV. Bei PV können künftig Mehrschicht-Solarzellen den Wirkungsgrad erheblich nach oben treiben. „Diese Zellen bestehen aus mehreren Materialen, die unterschiedliche Wellenlängen absorbieren und dadurch das Lichtspektrum breiter nutzen“, sagt Prof. Andreas Bett, Leiter des Fraunhofer ISE. Das Institut hat einen Prozess entwickelt, bei dem die aktiven Schichten direkt aus der Gasphase abgeschieden werden, was erheblich Material, Produktionsenergie und Abfall einspart.

Bei Windkraftanlagen gilt: Big ist beautiful. Die mögliche Nabenhöhe hat längst die Spitzen des Kölner Doms erreicht, Rotorblätter können über 100 Meter lang sein. Um Material- und Belastungsschäden von Rotorblättern frühzeitig zu entdecken, testet die Nachwuchsgruppe von Jochen Moll am Physikalischen Institut der Goethe-Universität Frankfurt Millimeterwellen-Radarsysteme. Die Radarsensoren werden am Turm angebracht und arbeiten ähnlich wie Bodyscanner am Flughafen. Sie überwachen Rotoren kontinuierlich und vollautomatisiert und erkennen beispielsweise Bruchschäden oder Delaminationen.

Wäsche für das Klimagas

Fossile Brennstoffe werden noch auf Jahre für Strom- und Wärmeerzeugung wichtig bleiben. Um die Klimaziele zu erreichen, muss also das bei der Verbrennung entstehende CO2 zum Großteil aufgefangen werden. An unterschiedlichen Technologien für dieses „Carbon Capture“ arbeitet das Team um Prof. Bernd Epple, Leiter des Instituts für Energiesysteme (EST) an der TU Darmstadt.

Vielversprechend ist laut Epple insbesondere das Carbonate Looping. Hierbei wird das CO2 im Abgas mit Branntkalk in Carbonat umgesetzt und im zweiten Schritt bei 900 Grad Celsius im Kalzinator wieder freigesetzt und danach abgeschieden. Epple: „Diese CO2-Wäsche ist effizient, ungiftig und preisgünstig.“ Der Prozess wurde im EST erfolgreich in einer Pilotanlage getestet und eignet sich zur Nachrüstung von Kraftwerken, Zementwerken oder Müllverbrennungsanlagen. Mit einem Preis von 22 bis 27 Euro pro abgeschiedener Tonne CO2 ist das Verfahren zudem wirtschaftlich, betont Epple, denn der Zertifikatepreis im Rahmen des europäischen Emissionshandels liegt derzeit bei über 60 Euro pro Tonne CO2.

Wohin mit dem CO2?

Auch eine Energiewende braucht Eisen, Stahl und Zement - für Anlagen zur Erzeugung von grünem Strom und regenerativer Wärme, für Transport- und Verteilernetze. Der Energiesektor kann daher ohne Verfahren zur CO2-Abscheidung und Endlagerung (CCS) nur schwer klimaneutral werden.

„Gegen eine Tiefenspeicherung von Kohlendioxid spricht aus technischer Sicht wenig“, betont Prof. Hans-Joachim Kümpel von der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften e. V. (acatech). Eine Gasspeicherung in ein bis drei Kilometern Tiefe ist Routine, so Kümpel. Beispielsweise wird Heizgas in tiefen Speichern für den Winter zwischengelagert. Auch das Treibhausgas CO2 ist im Untergrund kein Fremdstoff, da es in Erdgasfeldern stets als Beimengung vorkommt. In der Nordsee gibt es laut acatech ausreichend viele und ausreichend große potenzielle Speicher, um die gesamte CO2-Menge, die in der deutschen Industrie in den nächsten Jahrzehnten anfallen, endzulagern. Wird der für Transport, Verdichtung und Verpressung des CO2 notwendige Strom aus regenerativen Quellen gewonnen, kann CCS zudem klimaverträglich gestaltet werden, so Kümpel.

Über das Vertraute hinausdenken

Möglicherweise müssen für eine zügige Energiewende auch Technologien, gegen die sich in der Vergangenheit Widerstände manifestiert haben, neu bewertet werden. Eine davon ist die Tiefen-Geothermie. „Ohne Nutzung von Tiefenwärme wird die Klimakrise nicht zu bewältigen sein“, glaubt Prof. Ingo Saß vom Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt. Derzeit sind in Deutschland gerade mal 37 geothermische Heizraftwerke in Betrieb, die Mehrzahl in Südbayern.

Geowissenschaftler der TU wollen künftig auch in Hessen Tiefenwärme nutzen. Im Rahmen eines Verbundforschungsprojekts werden auf dem Campus Lichtwiese ab Frühjahr 2022 Bohrungen bis in eine Tiefe von 750 Meter eingebracht. Das Projekt soll den Beleg liefern, dass Abwärme und regenerative Wärme wirtschaftlich im mitteltiefen Untergrund gespeichert werden können. „Im Schlussausbau sind 39 Bohrungen vorgesehen, die rein rechnerisch den Wärmebedarf des gesamten Campus decken“, betont Saß.

Zum Kern kommen

Auch die Atomkraft trifft auf viel Widerstand. „Dabei können neuartige Reaktorkonzepte die Klimavorteile der Atomkraft nutzen und zugleich ihre Risiken weitgehend vermeiden“, ist  Björn Peters, Kaufmännischer Geschäftsführer der Dual Fluid Inc. und Inhaber eines Beratungsinstituts in Kelkheim, überzeugt. Eines diese Konzepte ist das Dual Fluid-Kraftwerk. Es arbeitet mit flüssigem Kernbrennstoff und einem vom Brennstoffkreislauf abgekoppelten Wärmekreislauf, in dem flüssiges Blei die im Reaktor erzeugte Energie ableitet. Das Dual Fluid-Prinzip steigert die Leistungsdichte und ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher flüssiger Brennstoffe, darunter auch von nuklearen Abfällen, so Peters. Beim Ausfall der Kühlsysteme werden die Spaltprozesse automatisch innerhalb von Sekunden abgebrochen.

Nicht auf Kernspaltung, sondern auf Kernfusion setzt dagegen Prof. Markus Roth, Plasmaphysiker an der TU Darmstadt. Er und sein Team haben einen Prozess entwickelt, der die Zündung des Kernbrennstoffs für die Fusion einfacher macht. Bei dieser „Fast Ignition“ wird der Wasserstoff, der beim Verschmelzen seiner Atomkerne große Mengen Energie freisetzt, in zwei Stufen mit unterschiedlichen Hochleistungslasern extrem komprimiert und gezündet. „Dadurch kann mit deutlich geringerem Energieeintrag eine selbsterhaltende Brennwelle in Gang gesetzt werden“, sagt Roth. Unter dem Dach des kürzlich gegründeten StartUps Focused Energy soll innerhalb der kommenden vier Jahre in Hessen eine erste Testeinrichtung in Betrieb gehen, die den neuen Prozess auf seine Tauglichkeit prüft.

Für alle Ansätze, die über das Vertraute hinausgehen, gilt allerdings: Sie sind nicht nur auf die technische Machbarkeit angewiesen. “Wir erleben leider oft, dass schlechte Erfahrungen aus Einzelprojekten in Vorbehalten gegenüber gesamten Technologien enden“, erläutert Sandro Szabó, Mitorganisator vom Technologieland Hessen. Gerade bei Projekten zur Dekarbonisierung der Strom- und Wärmeerzeugung sei daher eine breite Akzeptanz nicht nur in der Politik, sondern auch in der Bevölkerung wichtig.“

Nächste Termine: Kreislaufwirtschaft und Leichtbau

In diesem Jahr laden Technologieland Hessen und Materials Valley e.V. noch zu zwei weiteren Terminen im Rahmen der Veranstaltungsreihe ein: am 27. Oktober zu „Materialinnovation für eine erfolgreiche Kreislaufwirtschaft“ (jetzt anmelden!) und am 2. Dezember zu „Materialinnovationen für Leichtbaulösungen“.

Sandro Szabo
Sandro Szabo
Ansprechpartner im Technologieland Hessen

Dr. Sandro Szabo

Projektleiter Materialtechnologien
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