Österreichische Innovation für den Weltmarkt: DC Megacharger lädt große Akkus wie jene in LKW oder Bussen über einen Mittelspannungszugang mit Hochleistungs-Gleichstrom in Minuten. | © AIT
Bis 2050 möchte die Europäische Union klimaneutral sein und die CO2-Emissionen auf Netto‑Null reduzieren. Österreich will Vorreiter sein und dieses Ziel bereits zehn Jahre früher erreichen. Große Vorhaben, denn das EU-Klimagesetz umfasst alle anthropogenen, also vom Menschen verursachten und vermeidbaren Treibhausgas-Emissionen – von Verkehr über Gebäude bis zu Industrie, Landwirtschaft und Abfall. Als kleines Schlupfloch bleibt „Netto Null“: Unvermeidbare Emissionen – etwa aus Tierhaltung oder bestimmten industriellen Prozessen – können durch natürliche oder technische Maßnahmen ausgeglichen werden.
Energie ist der Knackpunkt und die wesentliche Rolle auf den Weg in die CO2-freie Zukunft wird deshalb der Strom übernehmen. Er lässt sich mit Wasser- und Windkraft sowie Photovoltaik emissionsfrei erzeugen. Doch wenn Sonne und Wind volle Leistung bringen, wird der Strom oft nicht gebraucht. Damit die Energiewende gelingt, muss mindestens ein Drittel dieser überschüssigen Energie gespeichert werden – in Pumpspeicherkraftwerken, Batterien und vor allem in anderen Energieträgern. Und bereits hier wollen noch etliche Herausforderungen von der Wissenschaft gelöst werden.
Ideale Stromspeicher sind Wasserstoff oder in das vergleichsweise leicht handhabbare Ammoniak. Die Power-to-Gas-Verfahren, die Strom in Gas umwandeln, benötigen aber Katalysatoren mit teuren Metallenwie Platin oder Iridium. „Um Strom wirtschaftlich umzuwandeln, brauchen wir also günstigere Materialien oder Wege, mit deutlich weniger teuren auszukommen,“ erklärt Günther Rupprechter, Leiter des Instituts für Materialchemie an der TU Wien und Forschungsdirektor des Exzellenzclusters „Materials for Energy Conversion and Storage“ (MECS).
Rupprechter und sein Team entwickeln Trägerstrukturen, die wenige Platin- oder Eisenatome in einem Katalysator fixieren und damit den Einsatz des teuren Metalls sowie die Kosten der Wasserstoffherstellung entscheidend senken sollen. Die Arbeiten erfolgen im Rahmen des vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Exzellenzclusters MECS, in dem fünf renommierte Forschungseinrichtungen (TU Wien, Universität Wien, ISTA, Universität Innsbruck und TU Leoben) kooperieren. MECS deckt damit die gesamte Kette von der Grundlagenforschung bis zur Technologieentwicklung ab.
CO2 aus der Müllverbrennung
Ein marktreifer Einzelatom Katalysator ist noch Zukunftsmusik. Doch in anderen Bereichen werden von MECS-Wissenschaftlern bereits konkrete Lösungen erprobt – etwa zur technischen Kompensation unvermeidbarer CO2-Emissionen. Gemeinsam mit Wien Energie arbeiten Wissenschaftler daran, CO2 aus der Müllverbrennung zu erfassen, zu reinigen und umzuwandeln. „Das klimaschädliche Gas kann dann als Rohstoff für die Herstellung synthetischer Treibstoffe und vieler chemischer Produkte dienen“, erläutert Rupprechter. In der Zementindustrie suchen die Forscher Wege, das CO2 in Ameisensäure umzuwandeln – einen potenziellen Wasserstoffträger, der sich auch für bestimmte Brennstoffzellenkonzepte eignet.
Würden solche Technologien zur CO2-Umwandlung großtechnisch effizient funktionieren, kämen sie einem modernen Stein der Weisen erstaunlich nahe. Bei MECS arbeiten Teams in unterschiedlichsten Bereichen an zahlreichen ähnlichen Ansätzen für eine erfolgreiche Energiewende. „Einige dieser Konzepte sind vielversprechend und zeigen Wege und Strategien für interessante Lösungen auf,“ resümiert Rupprechter.
Techniken zur energetischen Optimierung von Produktionsprozessen sind das Spezialgebiet von Michael Harasek. Der Universitätsprofessor forscht an der TU Wien in den Bereichen Stofftrenntechnik und Bioraffinerietechnik. „Wir entwickeln beispielsweise spezielle Membranprozesse, um Flüssigkeits- und Gasgemische zu trennen. Das erspart energieintensive Prozesse wie Destillation oder Verdampfung,“ erzählt Harasek. Für den Lebensmittelkonzern Agrana entstand so ein mehrstufiger Prozess zur Aufkonzentrierung von Zuckerdünnsaft – er spart 80 % Energie und damit ebenso viel CO2.
Biomethan aus Biogas
Die Gewinnung von erdgaskompatiblem Biomethan aus Biogas ermöglicht ein anderes an der TU Wien entwickeltes Membranverfahren. Es ist effizienter als herkömmliche Technologien und funktioniert selbst bei schwankender Gaszusammensetzung sicher. In der Biogasanlage in Bruck an der Leitha wurde es erstmals eingesetzt; heute ist es für viele neue europäische Biogasaufbereitungsanlagen Standard. Diese Innovation trägt dazu bei, Biomethan – einen vollständigen Ersatz für fossiles Erdgas – günstiger zu gewinnen.
Für die Speicherung von überschüssigem grünen Strom in Form von Wasserstoff in ehemaligen Erdgaslagern haben Harasek und sein Forschungsteam ebenfalls eine Lösung entwickelt. Underground Sun Storage 2030 heißt ein von der FFG gefördertes Projekt, an dem RAG Austria, Verbund sowie mehrere Energieversorger mitwirken. „Wir haben ein Druckwechseladsorptionsverfahren entwickelt, um das Wasserstoff-Methan-Gemisch aus der Lagerstätte sehr effizient zu trennen: es benötigt insgesamt wenig Druck und ist damit besonders wirtschaftlich“, erklärt Harasek.
Beim AIT Austrian Institute of Technology arbeiten rund 300 Expert:innen meist in Kooperation mit Industriebetrieben an Technologien für eine CO2-freie Energiezukunft, erzählt Friederich Kupzog, Head of Center for Energy. Eine der Entwicklungen ist ein grüner Ziegel von Wienerberger, der nach einem neuen Verfahren in mit Ökostrom betriebenen Brennöfen hergestellt wird. Der GreenBrick entstand im Innovationnetzwerk NEFI – New Energy for Industry.
„Ziel von NEFI ist eine leistbare erneuerbare Energieversorgung für Österreichs produzierende Unternehmen, die Grundvoraussetzung für Standortsicherheit“, erklärt Kupzog. Die Projekte reichen von Abwärmenutzung in der Papier- oder Nahrungsmittelproduktion über den Einsatz von Geothermie bei einer Molkerei bis zur Nutzung von grünem Wasserstoff in der Stahlproduktion. Sie sollen auch heimischen Anbietern solcher Technologien Exportchancen eröffnen.
Hochtemperatur Wärmepumpen
Hochtemperatur-Wärmepumpen sind ein weiterer Schlüssel zur Defossilisierung. Im Rahmen des NEFI-Projektes AHEAD wurde beispielsweise für den Pharmaproduzenten Takeda in Wien eine dampferzeugende Wärmepumpe von SPH Sustainable Process Heat so adaptiert, dass sie 184°C heißen Dampf mit 11 bar Druck erzeugen kann. Elektrizität statt Erdgas bedeutet in diesem Fall eine potenzielle CO2-Reduktion von 80 Prozent.
Als Leiter des Institutes für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien sowie auf internationaler Ebene als Vice Chair des Technologieprogramms IETS („Industrial Energy- Related Technologies and Systems) der Internationalen Energieagentur beschäftigt sich auch René Hofmann mit der Defossilisierungen ergieintensiver Industrien. Die Herausforderungen: Prozesse mit hohen Temperaturen von oft mehr als 1.000 Grad Celsius, jahrzehntelange Investitionszyklen sowie eng verzahnte Stoff- und Energieströme. „Wir müssen die gesamte Prozesslogik neu denken: Weg von einem planbaren Energieverbrauch, hin zu Anlagen, die flexibel auf das Energieangebot reagieren“, sagt er über den Kern seiner Forschungsarbeiten.
Doch die Umstellung der Industrie auf erneuerbare Energien bedeutet erhebliche Langfristinvestitionen und bei den derzeitigen Preisen etwa für grünen Wasserstoff deutlich höhere Betriebskosten als bei Nutzung von Erdgas oder Kokskohle. Instrumente wie der CO2-Grenzausgleich, Klimaschutzverträge und gezielte Förderprogramme sollen hier den Weg für die Dekarbonisierung ebnen. Hofmann warnt jedoch: China baut Kapazitäten in einem Tempo aus, mit dem Europa kaum mithalten kann: „Wenn Europa die Transformation will, muss sie planbar, schnell und wirtschaftlich tragfähig gestaltet sein. Sonst verlieren wir Wertschöpfung und Know-how.“ Deshalb geht es in seinen Forschungen nicht nur um einzelne Technologien, sondern um deren Systemintegration und die Optimierung der Betriebsführung: „Das ist der Hebel, mit dem wir die Kosten der Transformation senken können.“
Raumwärme und Raumkühlung
Eine große Herausforderung im Zuge der Dekarbonisierung stellen Raumwärme und zunehmend Raumkühlung dar. In Wien etwa sollen bis 2040 hunderttausende Gasthermen durch Wärmepumpen ersetzt werden. „Hier forschen wir sehr intensiv und suchen nach modularen Konzepten, die mit kostengünstigen Geräten umsetzbar sind“, erläutert Kupzog. Eine Idee: Wärmepumpen am Dach, die über bestehende Kamine mit Wohnungen verbunden werden. Wichtig dafür sind Wärmepumpen mit hoher Arbeitszahl, damit der Strombedarf nicht zu hoch wird. Kupzog ist überzeugt, dass schon bald marktreife Lösungen zur Verfügung stehen werden.
Auch der Verkehr muss elektrifiziert werden, damit die Energiewende gelingt. „Hier forschen wir bei AIT auf mehreren Ebenen – einerseits an Technologien wie der Ladeinfrastruktur, andererseits auf systemischer Ebene des Gesamtenergie Beispiel ist der im AIT entwickelte DC Megacharger, er lädt große Akkus wie jene in LKW oder Bussen über einen Mittelspannungszugang mit Hochleistungs-Gleichstrom in Minuten. „Mit dieser Technologie spielen wir global in der obersten Liga“, sagt Kupzog stolz. So gibt es bereits Pläne, das indische Autobahnnetz damit auszustatten.
Kupzog ist bewusst, dass all das den Strombedarf erhöht. Er weist aber auf eine aktuelle Studie hin, die aufzeigt, dass Österreich genug Potenzial hat, um den höheren Bedarf zu decken. Erforderlich ist allerdings ein rascher Ausbau des Stromnetzes, wofür – je nach Studie und Zeitplan bis 2040 oder 2050 – Investitionen von rund 53 Mrd. Euro nötig sind. Eine Studie des AIT kommt für das Verteilnetz auf eine Summe von 44 Mrd. Euro bis 2040.
Johannes Reichl, Leiter des Future Energy Lab der JKU in Linz, setzt sich mit den wirtschaftlichen und regulatorischen Mechanismen des elektrischen Systems auseinander. Er sieht die Entwicklung kritisch: „Neben der starken Fokussierung auf die CO2-Bilanz sollten beim Stromsystem auch Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit wieder stärker berücksichtigt werden.“ Andernfalls setze sich der aktuell beobachtbare Trend hoher Stromkosten weiter fort. Den österreichischen Stromverbrauch bis 2030 bilanziell zu 100 % aus erneuerbaren Quellen zu decken sei gut für die Energiewende, argumentiert der Wissenschaftler, aber ohne gleichzeitige Koordination aller dafür relevanten Infrastrukturen sowie einer Weiterentwicklung der regulatorischen Rahmenbedingungen könnten hohe Kosten drohen.
Ein Problem sieht Reichl in der Entkoppelung von Investitionsanreizen und den Kostenstrukturen des Gesamtsystems. Die Merit-Order etwa legt den Strompreis auf Basis des Kraftwerkes mit den höchsten Erzeugungskosten fest. Davon profitieren Photovoltaik und Windkraft mit ihren günstigen Erzeugungskosten; zugleich verursachen diese Energien aber deutlich höhere Netzkosten. „Wir brauchen ein System, das sich viel stärker an der Kostenwahrheit orientiert“, sagt Reichl. Deshalb sollte auf regulatorischer Ebene stärker auf den Ausbau erneuerbarer Energien Einfluss genommen werden und alle Technologien sollten einen angemessenen Beitrag zu den von ihnen verursachten Netzkosten leisten.
Intelligente Netze könnten helfen, die volatile Stromerzeugung zu beherrschen. Dafür hat das AIT das Netzmanagement-System Voltera entwickelt, das heuer mit dem Houskapreis ausgezeichnet wurde. Mit einer Kombination aus deterministischer Netzberechnung und künstlicher Intelligenz rekonstruiert es den präzisen Netzzustand und berechnet optimale Betriebsgrenzen für Photovoltaik-Systeme oder Batteriespeicher.
Österreichs Wissenschaft zeigt: Die Energiewende ist technisch machbar. Und sie nützt nicht nur dem Klima. Mit dem Abschied von großteils importierten fossilen Energieträgern – 90 Prozent unseres Gases, 95 Prozent unseres Öls und die gesamte Kohle sind Importe – endet auch die Abhängigkeit von internationalen Märkten mit ihren in Krisensituationen gravierenden Versorgungs- und Preisproblemen. Laut Energieagentur verursachten die gestiegenen Ölpreise allein in den ersten drei Monaten des aktuellen Konflikts am Persischen Golf Mehrkosten von rund 450 Millionen Euro. Die Energiewende ist damit nicht nur ein ökologisches, sondern auch ein ökonomisches Entlastungsprogramm.
