AUSBLICK AUF RESILIENTE UND NACHHALTIGE ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEME - OIAV
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166 WISSENSCHAFT & PRAXIS
September 2021
AUSBLICK AUF RESILIENTE
UND NACHHALTIGE
ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEME
Markus Puchegger, Marcus Keding & Christian Heschl
ABSTRACT 1. EINLEITUNG
Our society is faced with the challenge of driving the energy Die letzten Monate haben uns gezeigt, wie wenig resilient
transition at an accelerated pace to preserve the quality of unser Energiesystem in Wirklichkeit ist. Ein kleines Puzzle-
life on our planet. This article gives an outlook on possibili- Teil im europäischen Stromnetz hat Anfang des Jahres ver-
ties for a resilient and sustainable energy supply in two tem- sagt und das gesamte europäische Stromnetz an den Rand
poral scales - the near future (until 2030) and the time after des Blackouts geführt. Der komplette Stromausfall konnte
(until 2050), in which the complete transformation to a CO2- zwar verhindert werden, doch die Schwankungen im Netz
free energy system is to succeed. haben nicht nur die Unternehmen, sondern auch die Ge-
sellschaft alarmiert. Der Beinahe-Blackout kann auch als
Weckruf zur Vorsorge verstanden werden. Und hier setzt die
KURZFASSUNG Forschung Burgenland gemeinsam mit der Fachhochschule
Burgenland mit ihren Forschungsprojekten an. In den For-
Unsere Gesellschaft steht vor der Herausforderung, zur Er- schungsbereichen Energy Transition und Building Technolo-
haltung der Lebensqualität auf unserem Planeten die Ener- gy werden Flexibilitäts- und Effizienzpotentiale von erneuer-
giewende in beschleunigtem Tempo voranzutreiben. Dieser baren Energiesystemen und effiziente Systemlösungen zur
Artikel gibt einen Ausblick auf Möglichkeiten für eine resi- nachhaltigen Energieversorgung von Gebäuden erforscht.
liente und nachhaltige Energieversorgung in zwei zeitlichen Besonderer Fokus wird hier auch auf die nutzerspezifischen
Ebenen – die nahe Zukunft (bis 2030) und die Zeit danach Anforderungen sowie wirtschaftlichen Faktoren gelegt, denn
(bis 2050), in der der vollständige Wandel zu einem CO2-frei- nur so können die neuen Technologien breite Akzeptanz und
en Energiesystem gelingen soll. Integration erfahren.
1 OIAZ 166
Die Forschungsaktivitäten konzentrieren sich dabei auf beide 2. AUSBLICK BIS 2030 – SEKTORKOPPLUNG UND
Entwicklungsstufen der europäischen Dekarbonisierungs- MARKTMODELLE
strategie. In der ersten Entwicklungsstufe werden vermehrt
intelligent vernetzte Sektorkopplungstechnologien auf Basis 2.1 Energiewirtschaftlicher Rahmen
bereits praktisch verfügbaren und wirtschaftlich sinnvollen Der europäische Grüne Deal hat für Europa die Ziele aus-
Technologien eingesetzt. Diese umfassen u.a. Power to Heat gerufen, bis 2050 keine Netto Treibhausgasemissionen mehr
und Power to Cool Lösungen mittels Wärmepumpen sowie freizusetzen und das Wirtschaftswachstum von der Ressour-
die Elektromobilität. Neben den technologischen Aspekten cennutzung zu entkoppeln. Ein wesentlicher Eckpfeiler die-
werden derzeit auch rechtliche Rahmenbedingungen zur ses Ziels ist die Dekarbonisierung des Energiesektors (Euro-
Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit dezentraler Ener- päische Kommission, Ein europäischer Grüner Deal, 2020).
giegemeinschaften umgesetzt (EU Directive, 2018). Mit Ein wichtiger Grundstein für die Erreichung die-ser Dekar-
zunehmender Integration volatiler Energieträger wie Son- bonisierung wurde auf Europäischer Ebene bereits zuvor
ne und Wind müssen auch Langzeit-speicherkapazitäten in mit dem Clean Energy Package (dem sogenannten Winter-
Form von Power to Gas (P2G) und Gas to Power (G2P) ein- paket) gelegt, das eine Emissionsreduktion von 55% bis 2030
gebunden werden. Aus diesem Grund sind in der zweiten vorsieht. Damit wurde auch eine Reihe von Neuerungen in
Entwicklungsstufe ab ca. 2030 u.a. skalierbare, reversible den europäischen energiepolitischen Rahmenbedingungen
Brennstoffzellensysteme erforderlich (vgl. Abbildung 1). geschaffen mit dem Ziel, die Dekarbonisierung des Energie-
systems unter Beibehaltung der Versorgungssi-cherheit zu
Die Hochtemperaturbrennstoffzelle stellt hierbei eine inte- beschleunigen. Beispielsweise wurde im Zuge dessen auch
ressante Alternative dar. Sie ermöglicht nicht nur kohlen- die Möglich-keit definiert, mittels Energiegemeinschaften
wasserstoffhältige Brennstoffe direkt umzusetzen, sondern die Rahmenbedingungen für den Betrieb erneuerbarer Er-
kann bei regenerativen Überkapazitäten auch Wasserstoff zeugungsanlagen zu verbessern u.a. mit dem Ziel, vermehrt
produzieren. Damit stellt sie eine interessante Technologie privates Kapital für die Energiewende zu lukrieren (Europäi-
- sowohl für den Übergang als auch für eine vollständige sche Kommission, Clean Energy for all Europeans Package,
dekarbonisierte Energieversorgung dar. In den folgenden 2019). Österreich ist gerade dabei, mit dem Erneuerbaren
Abschnitten werden die Perspektiven beider Entwicklungs- Ausbaugesetz (EAG) die Ziele für den Ausbau der Erneuerba-
stufen diskutiert. Dabei werden neben den energiewirt- ren Energien bis 2030 zu definieren. Das Gesetz sieht einen
schaftlichen und technologischen Rahmenbedingungen Ausbau der Ökostromproduktion um 50% bzw. 27 TWh vor,
auch Aspekte der Versorgungssicherheit behandelt. davon entfallen 11 TWh auf Photovoltaik und 10 TWh auf
Windenergie (EAG, 2020). Die Erzeugungscharakteristik die-
Abbildung 1 Chronologische Entwicklungsschritte für die Dekarbonisierung des EU28 Energiesystems. Datengrundlage: (Europe, 2018) und (eurostat,
2018) (Copyright: Fachhochschule Burgenland GmbH und Forschung Burgenland GmbH)
2 OIAZ 166
ser Formen der Stromerzeugung führt dabei zu einem Be- auch Wohngebäude) werden zur Notstromversorgung klas-
darf an Flexibilitäten im Energiesystem. Während das stetige sischerweise oft tragbare oder fest verbaute fossil betrie-
Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch im histo- bene Aggregate eingesetzt (Kueng & Felder, 2007). Ist eine
rischen Energiesystem stets durch eine Anpassung der Er- unterbrechungsfreie Notstromversorgung wesentlich, so
zeugung an den Verbrauch gewährleistet werden konnte, ist sind solche Aggregate mit Anlagen zur unterbrechungsfreien
hier ein Paradigmenwechsel notwendig. Verbraucherseitige Stromversorgung (USV Anlagen) kombiniert, deren primären
Maßnahmen wie Demand Side Management und Demand Funktionen in der IEC 62040-3 klassifiziert sind (IEC 62040-3,
Response sowie die Nutzung von Sektorkopplungsoptionen 2011). Eine weitere Möglichkeit zur Versorgung bei Strom-
rücken zunehmend in den Mittelpunkt. Ein wesentlicher ausfall, vor allem für Haushalte und KMUs, bieten elektro-
Punkt bei der Erschließung solcher Flexibilitäten ist deren chemische Energiespeicher, häufig auch in Kombination mit
positives Kosten-Nutzen-Verhältnis. Auch hier sollen Ener- USV Anlagen und / oder Photovoltaikanlagen (PV Magazine,
giegemeinschaften Anreize dazu schaffen, Verbrauch in Zei- 2020). Im Bereich der Wärmeversorgung ist zu beachten,
ten zu verlagern, in denen entsprechende Strommengen in dass auch bei Verwendung von nicht elektrisch betriebenen
der Energiegemeinschaft zur Verfügung stehen und so zu- Wärmeerzeugungseinheiten (Wärmepumpen, Elektroboiler,
sätzliche erneuerbare Erzeugungskapazitäten wirtschaftlich etc.) die Wärmeversorgung gefährdet ist, da entsprechende
und netztechnisch zu ermöglichen. Hilfsaggregate, Pumpen und Regelsysteme auf die Versor-
gung mit Strom angewiesen sind. So wird davon ausgegan-
2.2 Versorgungssicherheit gen, dass bei einem Blackout in Österreich 73,6% der Wär-
Österreich liegt im Europäischen Vergleich im guten Mittel- meversorgung von einem Stromausfall stark oder sehr stark
feld, was die durchschnittliche Unterbrechungsdauer (un- betroffen wären (Reichl, et al., 2015). Aber nicht nur die Ver-
geplante Unterbrechungen) für Strom betrifft. So betrug sorgung mit Energie stellt im Blackout-Fall eine Herausforde-
die kund_innenbezogene Nichtverfügbarkeit im Jahr 2018 rung dar. Diverse Verhaltensempfehlungen und Checklisten
für ungeplante Unterbrechungen (ausgenommen regional sind daher auch für die Versorgung mit Nahrungsmitteln,
außergewöhnlichen Ergebnisse - RAE, meist seltene Wet- Wasser, Medikamenten und weiteren wichtigen Grundbe-
terereignisse) 25,21 min, der Wert für Deutschland betrug dürfnissen zu beachten (Saurugg H. , 2020). Zudem gibt es
bei-spielsweise 13,3 min, jener für Portugal 64,1 min (VDE, diverse Ansätze zur Prädiktion etwaiger Blackouts anhand
2020). Der Klimawandel macht sich aber auch hier vermehrt der Spannungsqualität bzw. deren Früherkennung und Ver-
bemerkbar, die Ausfälle aufgrund von RAE Ereignissen stie- meidung (Sybel & Fete, 2020).
gen 2018 mit durchschnittlich 6,26 min je Kundin und Kun-
de auf 11,65 min je Kundin und Kunde im Jahr 2019. Somit 2.3 Neue Marktmodelle -
betrug die gesamte Unterbrechungsdauer in Österreich inkl. Energiegemeinschaften
geplanter Abschaltungen und RAE-Ereignissen im Jahr 2019 Zur Bewältigung einiger Herausforderungen, denen sich
50,75 min (E-Control, Ausfall- und Störungsstatistik für Ös- traditionelle Energiesysteme heutzutage gegenüberstehen
terreich 2020, 2020). Trotz hoher Zuverlässigkeit der Strom- und um privates Kapital für die Energiewende zu lukrieren,
versorgung ist Österreich aber nicht vor einem größeren wurde das Konzept der LEMs (“Local Energy Markets”) ein-
bzw. längeren Blackout gefeit, wie das Ereignis Anfang des geführt. Ein LEM besteht in der Regel aus zahlreichen Konsu-
Jahres gezeigt hat. Das Österreichische Bundesheer schätzt ment_innen und Prosumern, kann aber auch verschiedene
in seiner Sicherheitspolitischen Jahresvorschau für 2020 das industrielle Marktteilnehmer_innen umfassen. Letztere kön-
Risiko eines Blackouts in den nächsten fünf Jahren mit einer nen z.B. ihre überschüssige Energie für die Verbraucher_in-
hohen Eintrittswahrscheinlichkeit ein. Als Risikofaktoren nen zusätzlich zur lokalen Produktion der Prosumer zur
werden hier unter anderem die Extremwetterlagen, Cyber- Verfügung stellen (Mengelkamp, Staudt, Garttner, & Wein-
angriffe aber auch Pandemien und die Umstellung auf de- hardt, 2017). Die Europäische Union (EU) schlug eine Defi-
zentrale volatile Erzeugungseinheiten genannt. Beim Best- nition eines be-stimmten Typs von LEM vor, nämlich die LEC
Case-Szenario ist hier mit einem mehrtägigen Stromausfall (“Local Energy Community”). Ein Schlüsselaspekt einer LEC
zu rechnen (Saurugg H. , 2019). Das Thema der Versorgungs- ist das kollektive Eigentum oder die kollektive Kontrolle von
sicherheit betrifft nicht nur die Energieform „Elektrizität“, Anlagen (z.B. Photovoltaikanlagen) sowie ein Energiema-
sondern alle gängigen Energieformen. Neben der unterbre- nagementsystem, das die Interaktion der LEC als eine Einheit
chungsfreien Versorgung sind zudem im Strombereich noch mit anderen Einheiten des bestehenden Energiesystems er-
die Spannungsqualität und die operative Versorgungssicher- möglicht. Die vorgeschlagenen EU-Gesetze müssen jedoch
heit nach dem „n-1-Prinzip“ zu beachten, darüber hinaus noch in nationales Recht umgesetzt werden (Europäische
bei sämtlichen Energieformen kommerzielle Qualität der Kommission, Clean Energy for all Europeans Package, 2019).
Dienstleistung, die langfristige Versorgungssicherheit durch Dabei liegen auf europäischer Ebene zwei unterschiedliche
ausreichende Kapazitäten sowie die Energielenkung in kri- Legaldefinitionen vor: in der überarbeiteten Renewable
senhaften Entwicklungen bzw. Situationen (E-Control, Ver- Energy Directive, RED II für „renewable energy communities
sorgungssicherheit, 2020). (RECs)“ (Erneuerbare-Energien-Gemeinschaften; Art. 2, 22
RED II) und in der Elektrizitätsbinnenmarkt-Richtlinie (Elect-
Unabhängig von der Größe der zu versorgenden Infrastruk- ricity Directive, ED) für „citizen energy communities (CECs)“
tur (Industrie, Kraftwerke, Spitäler, Feuerwehrhäuser aber (BürgerInnen-Energiegesellschaft; Art. 16 ED), wobei die Re-
3 OIAZ 166(EAG, 2020). Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die grundlegenden Eigenschaften und
Unterschiede dieser beiden Arten von Energiegemeinschaften (Eigenbauer, 2019).
Tabelle 1 Übersicht Energiegemeinschaften (Eigenbauer, 2019)
Aspekt Erneuerbare Energiegemein- BürgerInnenenergiegemeinschaft
schaft
Mitglied- Natürliche Personen, lokale Be- Alle Arten von Rechtspersonen, natürliche Per-
schaft hörden, KMU sonen, Gebietskörperschaften, Kleinunterneh-
men
Tätigkeit Erzeugung, Verbrauch, Spei- Erzeugung, Verbrauch, Speicherung, Lieferung,
cherung, Verkauf von erneuer- Aggregator, Effizienz-DL anbieten,
barer Energie E-Ladestellen betreiben
Energieträger Alle Energieträger und -formen, Strom, technologieneutral
100% erneuerbar)
Lokale Aus- Lokale Begrenzung, Ortstarif Keine lokale Begrenzung, kein reduziertes Netz-
prägung für Netzentgelte entgelt
Tabelle 1 Übersicht Energiegemeinschaften (Eigenbauer, 2019)
2.4 ERHÖHUNG DER VERSORGUNGSSICHERHEIT MIT DER
ENERGIEGEMEINSCHAFT – DIE RES² COMMUNITY
gelungen bis 2020 bzw. 2021 in nationales Recht umgesetzt Level, so setzt die Betriebsführung der Ausfallsvermeidung
Die beiden wesentlichen Herausforderungenein.
werden müssen. Insofern ist in der nahen Zukunft auf der fürIndas
diesemEnergiesystem
Modus soll zudem bisberücksichtigt
2030 sindwerden,also
rechtlichen Seite mit Anpassungen in den nationalen Ge- inwiefern objektbezogene Speicher zur Überbrückung des
einerseits die
setzgebungen Gewährleitung
zu rechnen, der Versorgungssicherheit
die zu unterschiedlichen Ausge- drohenden Blackoutsbei gleichzeitigem
noch beladen werden Ausbau der
könnte, wobei
staltungen und ggf. Definitionen von „energy communities“ kritische Infrastruktur hier bereits Vorrang genießt, wäh-
Erneuerbaren
führen könnten. Zum Energien. Auf regionaler
Zeitpunkt der Antragsstellung hat sichEbene betrachtet
rend andere ergibt
Flexibilitäten sichdersomit
im Sinne deraktiviert
Prävention An-
in Öster-reich das Erneuerbaren-Ausbau-Gesetz (EAG), mit werden. Die Betriebsweise der Notversorgung stellt sodann
spruch,
dem die Energieversorgung
diese Europäischen soweit
Richtlinien in Österreich wie möglich
umgesetzt mit lokal
den – zumindest verfügbaren
lokalen – Blackout-fall erneuerbaren
dar. In diesem Fall
Energieres¬sourcen (RES) zu bewerkstelligenentsprechenden
werden sollen, im Begutachtungsprozess befunden (EAG,
2020). Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die grundlegenden
sowie Rahmenbedingungen
muss die kritische Infrastruktur stand-alonezu
oder schaffen,
über einen
Notbetrieb mit Wärme und Strom versorgt
die einen wesentlichen
Eigenschaften und UnterschiedeAnreiz für lokale
dieser beiden Stakeholder
Arten von werden. Die geben, eigene
zweite Säule des Mittel inAnsatzes
verfolgten den Ausbau
stellt die
Energiegemeinschaften (Eigenbauer, 2019). Domänen der RES² Community dar. Innerhalb der Gemein-
von RES zu stecken. Dieser Ansatz muss imschaft Sinne dersowohl
können Versorgungssicherheit
die Energieträger Wärme um den
und Strom
– erzeugt durch erneuerbare Energie (RES) - geteilt werden.
Aspekt
2.4 erweitert
Erhöhung werden, dass zumindest
der Versorgungssicherheit mit der kritische
Darüber Infrastruktur gegenüber
hinaus können grundsätzlich Krisensitu-
ebenfalls weitere Res-
Energiegemeinschaft – die RES² Community sourcen (z.B. Brennstoffe, Güter der Notversor-gung wie
ationen,
Die insbesondere
beiden wesentlichen Blackouts,für resilienter
Herausforderungen das Ener- (RES)Lebensmittel,
Wasser, gemachtetc.) werden
in diesenwird. Um diese
Ansatz integriert wer-
giesystem bis 2030 sind also einerseits die Gewährleitung den. Eine gemeinsame Nutzung von Speichern ist ebenfalls
der Versorgungssicherheit bei gleichzeitigem Ausbau der zentraler Bestandteil des Innovationsansatzes. Um den vol-
Erneuerbaren Energien. Auf regionaler Ebene betrachtet er- len Nutzen der Gemeinschaft ausschöpfen zu können, muss
gibt sich somit der Anspruch, die Energieversorgung soweit
wie möglich mit lokal verfügbaren erneuerbaren Energie-
ressourcen (RES) zu bewerkstelligen sowie Rahmenbedin-
gungen zu schaffen, die einen wesentlichen Anreiz für lokale
Stakeholder geben, eigene Mittel in den Ausbau von RES
zu stecken. Dieser Ansatz muss im Sinne der Versorgungs-
sicherheit um den Aspekt erweitert werden, dass zumindest
kritische Infra-struktur gegenüber Krisensituationen, insbe-
sondere Blackouts, resilienter (RES) gemacht werden wird.
Um diese Ziele zu erreichen, können sogenannte RES² Com-
munities einen Lösungsansatz darstellen (vgl. Abbildung 2).
Die RES² Community weist drei Betriebsstufen auf: Im Nor-
malbetrieb erfolgt die Betriebsführung gemäß wirtschaft-
lich-ökologischer Zielfunktionen unter Berücksichtigung
der Randbedingungen für die Blackoutvorsorge in der Opti- Abbildung 2 Die RES² Community (Copyright: Fachhochschule Burgenland
mierung. Sinkt die Spannungsqualität unter ein bestimmtes GmbH und Forschung Burgenland GmbH)
4 OIAZ 166diese über verschiedene Akteursgruppen verteilt (Industrie, von Stack-Modulen ermöglicht eine hohe Skalierbarkeit
öffentliche Einrichtungen, private Haushalte, KMUs) Teilneh- sowie eine kompakte Bau-weise. Die damit verbundenen
merInnen beinhalten. Die Vernetzung erfolgt sowohl über Skaleneffekte der Massenproduktion versprechen kostenef-
die physikalischen Energienetze, als auch über die Daten- fiziente Systemlösungen und gleichzeitig ein breites Einsatz-
aspekt (IoT) und über die partizipative Ebene der Stakehol- und Leistungsspektrum. Damit können zukünftige, dezent-
derintegration. Die Forschung Burgenland startet gemein- rale Leistungsanforderungen an Energiespeicherkapazitäten
sam mit weiteren Forschungs- und Umsetzungspartnern im „leistbar“ realisiert werden.
Herbst 2021 ein Projekt zur Umsetzung einer solchen RES²
Community im Burgenland, um dieses theoretische Konzept Eine wesentliche Grundlage der PtG-Speichertechnologie ist
auf ihre Praxistauglichkeit zu erproben. die Elektrolyse von Wasser zu Wasser- und Sauerstoff. Dem
Stand der Technik entsprechend werden hierzu Alkali- und
Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseverfahren einge-
3. AUSBLICK 2030 BIS 2050 – P2G UND setzt. Eine vielversprechende Alternative stellt hier aber die
G2P TECHNOLOGIEN Hochtemperaturelektrolyse mit Festoxidzellen dar (SOEC).
Diese weist hinsichtlich der thermodynamischen Umwand-
In USA, China und Europa wird mittlerweile mehr in Kapazi- lungseigenschaften signifikante Potenziale zur Effizienzver-
täten für erneuerbare Energien investiert als in alle anderen besserung auf.
Stromerzeugungstechnologien zusammen. 2015 stammten
etwa 60 Prozent der weltweit neu installierten Kraftwerks- Die im SOEC-Betrieb erforderliche Gesamtenergie ist nahe-
leistung aus Erneuerbaren Energien (Agora Energiewende, zu unabhängig von der verwendeten Prozesstemperatur. Mit
2017). Zwangsläufig verteilt sich die Stromproduktion im- zunehmender Temperatur sinkt jedoch der Bedarf an elekt-
mer mehr auf größere Flächen und die Energieversorgungs- rischer Energie für die Wasserstoffproduktion. Der restliche
systeme tendieren zur Dezentralität. Traditionelle Rollen- Energiebedarf wird mithilfe von Wärmeenergie gedeckt (vgl.
verteilungen, wie zentrale Einspeisung und Lastanpassung Abbildung 3).
durch Großkraftwerke sowie dezentraler Bedarf, wer-den
durch dezentrale Einspeiser auf allen Netzebenen und Pro-
sumer ersetzt. Die Versorgungssicherheit kann dabei nur
durch einen Ausgleich zwischen dem fluktuierenden Ertrag
und der Nachfrage erreicht werden. Zur Realisierung der
EU-Klimaziele 2050 sind daher neben verbraucherseitigen
Flexibilitäten und Sektor-kopplungsstrategien auch Aus-
gleichsoptionen in Form von Speichern notwendig. Derzeit
verfügbare Speichertechnologien wie beispielsweise Pump-
speicherkraftwer-ke, etc. können als ergänzende Lösungen
betrachtet werden. Deren Kapazitäten sind jedoch durch die
in Europa nahezu ausgeschöpften Nutzungspotenziale be-
schränkt. Da die fluktuierenden Stromerzeugerprofile auch
eine signifikante saisona-le Komponente enthalten, sind
auch Langzeitspeicherlösungen essentiell. Um entsprechen-
de Langzeitspeicherdienste anbieten zu können, ist die zu-
Abbildung 3: Temperaturabhängigkeit des Energiebedarfs für die Elek-
sätzliche Nutzung von gasförmigen Energieträgern in Form
trolyse von Wasserstoff (ideale Prozessführung, Gesamtdruck 1 bar).
von PtG-Technologien notwendig (Jentsch, 2014). Zurzeit (Copyright: Fachhochschule Burgenland GmbH und Forschung Burgenland
ist jedoch die PtG-Speichertechnologie noch in der Ent-wi- GmbH)
cklungs- und Demonstrationsphase, sodass ein weiterfüh-
render Forschungsbe-darf vorrangig auf System- aber auch
auf Komponentenebene erforderlich ist. Die aktuellen Ent- Die Verschiebung des Energiebedarfs in Richtung Wärme hat
wicklungen konzentrieren sich dabei auf Energieträger wie wesentliche Vorteile. Einerseits können bei entsprechender
reiner Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffverbindungen. Integration verfügbare Hochtemperatur-Abwärmepotenzia-
le verwertet werden. Andererseits können die im Stack ent-
Wasserstoffbasierende PtG-Speichertechnologien weisen stehen-den Dissipationswärmen (aufgrund der Aktivierungs-
mehrere Vorteile auf: (1) Die Energiedichte ist wesent- und Konzentrationsverluste, ohmschen Verluste usw.) direkt
lich höher gegenüber anderen Energiespeichermedien. (2) lokal genutzt werden. In der praktischen Umsetzung lässt
Der gespeicherte Wasserstoff ist ein flexibles Energiespei- sich damit ein sehr effizienter Elektrolysebetrieb realisieren.
chermedium welches sowohl für stationäre Anwendungen Bei verfügbaren CO2 oder CO Quellen ermöglicht zudem die
(Brennstoffzellen, Gas Turbinen usw.) als auch für die Mobili- Hochtemperaturelektrolyse eine effiziente Methanisierung
tät (Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen, Turbinen usw.) des Wasserstoffs. Damit können Sektorkopplungsstrategien
genutzt werden kann. (3) Die Selbstentladungsrate ist sehr mit neuen, vielfältigen, Einspeisestrukturen in bestehende
gering, so dass diese Technologie auch für saisonale bzw. Wärme- und Gasnetze gefördert werden.
Langzeitspeicheranwendungen geeignet ist. (4) Die Nutzung
5 OIAZ 166Die verwendeten Komponenten der Hochtemperaturelek- 4. LITERATURVERZEICHNIS
trolyse erlauben darüber hinaus auch einen Brennstoffzel-
lenbetrieb (SOFC-Betrieb), sodass der erzeugte Wasserstoff » Agora Energiewende. (2017). Energiewende 2030: The
oder die erzeugten Kohlenwasserstoffverbindungen wieder Big Picture, Megatrends, Ziele, Strategien und eine
in elektrischen Energie umgewandelt werden können. Sys- 10-Punkte-Agenda für die zweite Phase der Energie-
teme die zwischen dem Elektroly-semodus (SOEC) und dem wende.
Brennstoffzellenmodus (SOFC) umschalten können, wer-
den als reversible Festoxidzellensysteme (rSOC) bezeichnet. » EAG. (2020). Bundesgesetz über den Ausbau von
Wird reiner Wasserstoff als Energieträger verwendet sind Energie aus erneuerbaren Quellen (ErneuerbarenAus-
bei einer Betriebstemperatur von 600°C und idealen Bedin- bau-Gesetz – EAG) vom 16.09.2020. Wien, Österreich:
gungen Round-Trip Wirkungsgrade von über 80% erreichbar. Österreichische Bundesregierung.
Bei Verwendung von Kohlenwasserstoffverbindungen sind » E-Control. (2020). Ausfall- und Störungsstatistik für
sogar höhere Round-Trip Wirkungsgrade möglich. Der Rest Österreich 2020. Wien, Österreich: E-Control.
steht als Hochtemperaturabwärme zur Verfügung. Diese
kann entweder zwischengespeichert und für die Elektrolyse » E-Control. (15. 10 2020). Versorgungssicherheit. Von
eingesetzt oder direkt für Industrieprozesse und Gebäude https://www.e-control.at/industrie/strom/versorgungs-
(Heschl, Klanatsky, & Peinsipp, 2017) genutzt werden. In- sicherheit abgerufen
tegrierte rSOC-Systemlösungen können daher Gesamtwir- » Eigenbauer, A. (2019). Die zukünftige Rolle der Local
kungsgrade von über 90% erreichen. Energy Communities. LEC-Insight Talk: E-Control.
Die Möglichkeit ein breites Brennstoffband im SOFC-Be- » ENERGETIKUM. (20. 02 2021). Living Lab ENERGETI-
trieb zu nutzen und flexi-bel zwischen dem Elektrolyse- und KUM. Von https://forschungsinfrastruktur.bmbwf.gv.at/
Brennstoffzellenbetrieb umzuschalten sind we-sentliche de/fi/energetikum-living-lab_2655. abgerufen
Gründe dafür, dass die rSOC eine vielversprechende Tech- » EU Directive. (2018). DIRECTIVE (EU) 2019/944 OF THE
nologie für die Flexibilisierung der Netze darstellt. Darüber EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 5
hinaus ist das Anlagendesign gegenüber separater System- June 2019 on common rules for the internal market for
lösungen kompakter und es können Skaleneffekte der Mas- electricity and amending Directive 2012/27/EU.
senpro-duktion genutzt werden. Zudem ermöglicht die Um-
» Europäische Kommission. (12. 08 2019). Von Clean
schaltung zwischen der Elektro-lyse- und Stromproduktion
Energy for all Europeans Package: https://ec.europa.eu/
eine Erhöhung der Betriebszeiten und somit die Wirt-schaft-
energy/topics/energy-strategy/clean-energy-all-europe-
lichkeit.
ans_en abgerufen
Innerhalb des Projektes (FIRST, 2021) wird daher ein kom- » Europäische Kommission. (15. 10 2020). Ein europäi-
paktes, reversibles Hoch-temperatur-Festoxidsystem (rSOC) scher Grüner Deal. Von https://ec.europa.eu/info/
mit einer Nennleistung von 30kWel im SOEC-Betrieb und strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_de
einer Nennleistung von 10kWel im SOFC-Betrieb entwickelt. abgerufen
Das dabei gewählte Anlagendesign verspricht eine flexible
» Europe. (16. 01 2018). EU Reference Scenario 2016. Von
Integration (PV- und Windpark / Smart Energy Building / In-
https://ec.europa.eu/energy/data-analysis/energy-mo-
dustrie) und hohe Skalierbarkeit der Nennleistung (bis zu 2
delling/eu-reference-scenario-2016_en abgerufen
MWel). Neben der thermodynamischen Systementwicklung
werden auch intelli-gente Regelalgorithmen zur optimalen » eurostat. (16. 01 2018). Partial Provisional Results Short
Systemintegration entworfen. Für das Integ-rationsszenario Assessment of Renewable Energy Sources. Von https://
Smart Energy Building steht dafür das Living Lab ENERGE- ec.europa.eu/eurostat abgerufen
TI-KUM (ENERGETIKUM, 2021) der Forschung Burgenland
» FIRST. (20. 02 2021). FIRST Fully Integrated Reversible
zur Verfügung. U.a. werden dabei datengetriebene, modell-
Solid oxide cell system. Von https://www.energiefor-
basierende, prädiktive Regelalgorithmen einge-setzt um die
schung.at/projekte/1072/fully-integrated-reversible-so-
Betriebsweise der rSOC-Anlage und das Lastprofil des Ge-
lid-oxide-cell-system. abgerufen
bäudes möglichst an den Ertrag der PV- und Windenergie-
anlagen anzupassen. Die Syste-mentwicklung soll zwischen » Heschl, C., Klanatsky, P., & Peinsipp, M. (2017). SOFC-
2022 und 2023 im Living Lab ENERGETIKUM inte-griert, ge- System Solutions for Residential Buildings. Fachhoch-
testet und validiert werden. schule Burgenland GmbH, Pinkafeld, Austria. ISBN:
978-3-7011-0399-7.
Letztlich kann festgehalten werden, dass das Burgenland » IEC 62040-3 . (2011). Unterbrechungsfreie Stromver-
seinen Weg, Zukunfts-technologien und -systeme im Feld zu sorgungssysteme (USV) - Teil 3: Methoden zum Fest-
testen, konsequent weiter geht und so als modernes Living legen der Leistungs- und Prüfungsanforderungen (IEC
Lab für die Energiewende gesehen werden kann. 62040-3:2011); Deutsche Fassung EN 62040-3:2011.
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von https://www.pv-magazine.de/marktuebersichten/
batteriespeicher/speicher-2020/
DI MARKUS PUCHEGGER1, markus.puchegger@forschung-burgenland.at
DI MARCUS KEDING1, marcus.keding@forschung-burgenland.at
Prof. (FH) DI (FH) Dr. CHRISTIAN HESCHL2, christian.heschl@forschung-burgenland.at
1
Forschung Burgenland GmbH, Campus 1, 7000 Eisenstadt, Österreich
2
Fachhochschule Burgenland GmbH, Steinamangerstraße 21, 7423 Pinkafeld
7 OIAZ 166Sie können auch lesen
