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Hitze, Kälte und Strom im gleichen Kreislauf

Tecindustry Themen Hitze, Kälte und Strom im gleichen Kreislauf

Fast 40 Prozent der globalen CO2-Emissionen werden durch Heizen und Kühlen verursacht. Werden für diese Prozesse künftig mehr erneuerbare Energien eingesetzt, so wird die Energiespeicherung immer wichtiger. Das neue Energiesystem ETES bietet eine Antwort auf beide Herausforderungen. Es kann in grossem Stil eingesetzt werden.

Mitten in der Stadt Zürich, beim Escher-Wyss im Kreis 5, arbeiten rund 900 Personen an der Energiezukunft. MAN Engergy Systems ist der grösste Industriebetrieb in der Stadt und steht sinnbildlich für die Richtung, die es einzugschlagen gilt. 

Der Produktions- und Forschungsstandort von MAN erstreckt sich über rund fünf Fussballfelder, ist umgeben von Wohnsiedlungen, Kulturangeboten wie Kinos und Theater und befindet sich nahe einer der bevorzugten Ausgehmeilen der Stadt. Ein Mix, wie es ihn sonst nur an wenigen Orten gibt. Dieses Nebeneinander gilt es auch verstärkt im Energiebereich umzusetzen. Das Losungswort heisst: Sektorkopplung. 

Die Wärmeregulierung neu gestalten

In Zukunft wird ein Grossteil unseres Geschäfts im nachhaltigen Bereich stattfinden, erklärt Patrik Meli, Direktor von MAN Energy Solutions. Man müsse jedoch verstärkt über die einzelnen Wirtschafts- und Industriesektoren hinaus denken und diese verknüpfen. 

Derzeit werden 48 Prozent der globalen Energiekonsums fürs Heizen und Kühlen verwendet. Da dafür viel Energie verwendet wird, und diese oft nicht aus erneuerbaren Quellen stammt, ist die Wärmeregulierung für 39 Prozent des C02-Ausstosses verwantwortlich, wie der REN21 Global Status Report 2018 aufzeigt.   

Schweizer Kooperation

Auch wenn künftig mehr erneuerbare Energie für diese Prozesse zur Verfügung stehen wird, tauchen neue Herausforderungen auf. Wind- und Solaranlagen liefern Strom mit grossen Schwankungen, was die Versorgungssicherheit einschränkt. Es braucht daher neue Speicherlösungen in grossen Dimensionen, welche Strom auf Abruf produzieren oder speichern können und die Netzstabilität garantieren. 

Ein solches System ist ETES, das von MAN Energy Systems in Zusammenarbeit mit ABB entwickelt worden ist und derzeit auf dem Weg zur industriellen Anwendung ist. Einfach gesprochen funktioniert ETES wie ein Kühlschrank. 

Produzieren Windparks oder Solaranlagen überschüssigen Strom, so kann dieser verwendet werden, um einen Kompressor anzutreiben. Dieser pumpt CO2  in einen Druckbehälter, wodurch Wärme entsteht. Die Wärme kann nun in Wassertanks gespeichert werden und zum Heizen eingesetzt werden. 

Wird das inzwischen abgekühlte CO2  dekomprimiert, so ergibt sich der gegenteilige Prozess. Es entsteht Kälte, die zum Kühlen verwendet werden kann oder als Eis gespeichert werden kann. Der besondere Vorteil an diesem System: Die thermische Energie lässt sich auch wieder in Strom rückverwandeln. So kann überschüssige Wärme zum Beispiel dazu genutzt werden, eine Turbine anzutreiben, die Strom produziert und ans Netz abgibt. 

Das CO2  ist in diesem System also kein Klimagas, sondern vielmehr ein Arbeitsmittel innerhalb des Prozesses. Seine Wärme-/Kälteeigenschaften werden genutzt, um Wasser zu erhitzen oder zu kühlen. 

Vergleichbar mit Pumpspeicherwerken

Während bei Pumpspeicherwerken die Lageenergie genutzt wird, um überschüssigen Strom umzuwandeln, wird beim ETES-System ein thermischer Ansatz gewählt. Der Anteil der Energie, welche insgesamt verloren geht, ist zwischen den beiden Ansätzen vergleichbar. Er liegt bei rund 50 Prozent. 

Die Ausgestaltung der Turbomaschinen ist die Hautpentwicklung von MAN Energy Solutions. Der Turbokompressor verdichtet das Arbeitsmedium CO2 auf rund 140 bar und ca. 120 bis 150 ° C. 

Die Kompressortechnologie und die Prozessgestaltung der CO2-Zyklen sind die Schlüsselelemente von MAN ETES und reflektieren die Kernkompetenzen von MAN Energy Solutions. 

Die Eigenschaften des Systems sind für Agglomerationen mit einer starken industriellen Basis hochrelevant, da sie über einen hohen Energieverbrauch verfügen. Da dieser im Ausland oft noch mit Kohlestrom gedeckt wird, bietet ETES eine wichtige Unterstützung für die Umstellung auf erneuerbare Energieträger. 

Das Bundesland Nordrhein-Westfalen ist eine geeignete Region, um ETES im Betrieb zu testen. Die Projektpartner Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen University, Stadtwerke Aachen Aktiengesellschaft (STAWAG), und MAN Energy Solutions haben daher beschlossen, die notwendigen Voraussetzungen für den Bau einer Forschungsanlage zu schaffen. Ziel ist es, wie die Projektpartner Ende November 2020 kommuniziert haben, im 2021 mit dem Bau einer Demonstrationsanlage mit einem Strom-zu-Strom Speicherwirkungsgrad von ca. 50 %  zu beginnen. 

Welche CO2-Einsparungen wären in der Schweiz realistisch?

Mittelfristig sind Umsetzungen in verschiedenen Bereichen denkbar. So zum Beispiel für die Wärme-/Kälteversorgung von Spitälern, Molkereien,  lebensmittelverarbeitenden Betrieben oder Data-Centers. Würden in der Schweiz 30 solche Anlagen gebaut werden, so könnten gemäss SwissEngineering jährlich rund 450'000 Tonnen CO2-Emissionen eingespart werden. Zum Vergleich: Die Stadt Zürich stösst derzeit jährlich rund 1 Million Tonnen CO2 aus. 

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Letzte Aktualisierung: 26.11.2020