Forscher der Technischen Universität Hamburg-Harburg entwerfen ein Szenario, wie der Großraum Hamburg um das Jahr 2030 mit Strom, Wärme und Gas versorgt werden sollte.

Hamburg. Drei Professoren und ihre Mitarbeiter an der Technischen Universität Hamburg-Harburg wollen die Energiewende in der Hansestadt beflügeln. Sie entwerfen ein Szenario, wie der Großraum Hamburg um das Jahr 2030 mit Strom, Wärme und Gas versorgt werden sollte. Ihr Ziel sind möglichst hohe Anteile an erneuerbaren Energien in den jeweiligen Netzen und das mit möglichst geringen Energieverlusten bei Umwandlungsprozessen von einer in eine andere Energieform, beim Speichern und beim Transport. Ende 2016 soll das vom Bundeswirtschaftsministerium finanzierte Projekt „TransientEE“ für die Modellregion Hamburg ein Bild der möglichen Energiezukunft liefern. Die Ergebnisse könnten später auf andere Regionen übertragen werden.

„Die Energiewende ist ein Gemeinschaftsprojekt. Sie ist sehr komplex. Wir haben deshalb unsere kleine Gruppe aus drei Fachbereichen zusammengestellt“, sagt Prof. Gerhard Schmitz vom Institut für Thermofluiddynamik. Neben ihm betreuen Prof. Alfons Kather (Institut für Energietechnik) und Prof. Günter Ackermann (Institut für EleSo um, den wachsenden Anteil an unstetig anfallendem Solar- und Windstrom in die bestehenden Versorgungsstrukturen zu integrieren und dafür dort, wo es nötig und wirtschaftlich ist, neue Strukturen zu schaffen.

Beispiel Windenergie: Das Projekt will Strom aus den in der Nordsee entstehenden Meeresparks mit einer Leistung von 1000 Megawatt (MW) für Hamburg nutzen (das 2011 endgültig stillgelegte Kernkraftwerk Krümmel hatte eine Leistung von 1346 MW). Heute werden Windrotoren zum Teil vom Netz genommen, wenn zu viel Strom erzeugt wird. Hochwertige Energie wird dadurch in den Wind geschrieben. Verschiedene Ansätze wollen den Überschussstrom nutzbar machen, indem sie ihn umwandeln und zwischenlagern: in Pumpspeicherwerken, Druckluft-, Batterie- oder Schwungradmassespeichern.

Alternativ ließe sich mit dem Strom per Elektrolyse Wasserstoff erzeugen. Letzterer kann dann direkt verbraucht oder ins Erdgasnetz eingespeist werden. Oder es wird aus Wasserstoff plus CO₂ Erdgas hergestellt. Doch welche dieser Ansätze eignen sich für Region Hamburg? Dies ist eine der Fragen, denen die TU-Ingenieure nachgehen.

Optimierungsbedarf herrscht auch bei der Kraft-Wärme-Kopplung, also bei Anlagen, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen. Wenn zum Beispiel ein zentrales Kohlekraftwerk, das neben der Stromproduktion das Hamburger Fernwärmenetz bedient (wie in Wedel und Tiefstack) bei hohem Windaufkommen heruntergefahren wird, dann sinkt gleichzeitig die Wärmezufuhr.

Auch kleine dezentrale, mit Gas betriebene Blockheizkraftwerke (BHKW) können parallel Strom plus Wärme produzieren. Da die Nachfrage nach Strom und Wärme schwankt, werden heute relativ große Wärmespeicher gebraucht, um die Anlage möglichst effizient betreiben zu können. Vielleicht wäre zukünftig ein Anschluss ans Fernwärmenetz eine sinnvolle Alternative. Dazu soll TransientEE Hinweise liefern.

Nicht nur Produzenten, auch große Energieverbraucher können Schwankungen beim Solar- und Windstrom ausgleichen. Alfons Kather nennt als Beispiel das Hamburger Stahlwerk von ArcelorMittal. Der Schmelzprozess im Elektrolichtbogenofen benötigt viel Strom. „Vor ein paar Tagen hat ArcelorMittal zehn Megawatt Leistung sprunghaft zugeschaltet, um zu sehen, wie der Produktionsprozess dies verträgt. Auf diese Weise könnten dieser und andere Industriebetriebe zukünftig Spitzenlasten im Netz kappen.“ Schon heute orientiere sich die Stromabnahme des Stahlwerks mit Hilfe entsprechend gestalteter Tarife an der Lastsituation im Netz, also an nachfragearmen und -starken Zeiten, sagt Kather.

Vor der Schmelze muss das Stahlwerk in Waltershof den Ausgangsstoff Eisenerz in metallisches Eisen umwandeln. Dazu wird unter anderem Wasserstoff benötigt. Kather: „Heute erzeugt ArcelorMittal den Wasserstoff aus Erdgas, das ist der übliche Weg. Denkbar ist aber auch, dass der Wasserstoff per Elektrolyse aus überschüssigem Windstrom erzeugt wird.“ Oder per Pipeline aus der entfernten Nachbarschaft heranströmt: Im Werk Stade des Chemiekonzerns Dow Chemical fällt Wasserstoff als Nebenprodukt an. Alternativ (oder ergänzend) kann dort potenziell Wasserstoff in einer Salzkaverne zwischengespeichert und später wieder zur Stromproduktion genutzt werden.

Die Klaviatur an Umwandlungstechniken, die dazu dienen, Energie zur rechten Zeit am rechten Ort in der benötigten Form zur Verfügung zu stellen, ist vorhanden. Nun müssen die Wissenschaftler lernen, nicht nur einzelne Tasten zu drücken, sondern so auf ihr zu spielen, dass ein Gesamtkunstwerk daraus wird. Schmitz: „Wir haben eine Fülle von Handlungsmöglichkeiten.“

Im ersten Schritt macht das TU-Team derzeit eine Bestandsaufnahme der Energieversorgung in der Metropolregion. „Das Datensammeln ist sehr mühselig“, sagt Schmitz. „Wir arbeiten hier mit Kollegen der Hochschule für Angewandte Wissenschaften und der HafenCity Universität zusammen, die für ähnliche Fragestellungen ebenfalls Daten erheben.“

Das zentrale Werkzeug, um aus der unübersichtlichen Ausgangssituation verschiedene Szenarien zu modellieren, heißt Modelica. Es ist eine Computer-Software, die sich besonders gut zur Simulation von komplexen Systemen eignet. Sie wurde an der TU mitentwickelt und hilft bereits den Entwicklungsabteilungen bei Airbus und Daimler. „Es ist keine klassische Programmiersprache, sondern eine beschreibende Sprache, die Vorgänge aus unterschiedlichen Fachgebieten wie Mechanik, Elektrotechnik oder Thermodynamik miteinander verknüpft“, erläutert Günter Ackermann.

Wenn das Hamburger Energienetzmodell steht, können die Forscher zum Beispiel hochrechnen, wie sich der vermehrte Einsatz von kleinen BHKW auf die Energienetze auswirkt. Ackermann: „Wir können aber auch ganz neue Entwicklungen berücksichtigen. So könnten in 20 Jahren Elektrofahrzeuge als neue große Verbrauchergruppe hinzugekommen sein. Das Modell hilft uns, solche Trends im Vorwege einzubeziehen, anstatt nur auf sie zu reagieren.“

Am Projektende in drei Jahren solle nicht nur das Simulationsmodell stehen, sondern ein konkreter Investitionsvorschlag, betont Schmitz. Gewünscht seien „lokal ausbalancierte Regionen“, die bei der Energieversorgung weitgehend autark seien – in Hamburg und anderswo. Sein Kollege Alfons Kather stimmt zu: „Wenn wir zum Klimaschutz CO₂ vermeiden wollen, dann reicht es nicht, auf norwegische Wasserkraft, französischen Atomstrom oder Solarstrom aus der Wüste zu setzen. Diese Energien werden unsere Probleme nicht lösen.“