Innovationen für eine fossilfreie Zukunft

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.