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7/8 | 2013

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durch Zunahme von

durch Zunahme von Strom-basierter Mobilität –zumindest teilweise –kompensiertwerden. In dieser Variante wärenfolgende Kapazitäten nötig: 7 147Gigawatt (GW) durchWindkraftanlagen onshore, 7 50 GW durch Windkraftanlagen offshoreund 7 230 GW durch Photovoltaikanlagen. Dazu kämen Solarthermieanlagen mit rund 100 GW Leistung. Gut die Hälfte davonwären Großanlagen, die in Wärmenetzeeinspeisen. Studie zum Download Die Studie mit Quellenangaben und Abbildungen kann heruntergeladen werden unter: www.ise.fraunhofer.de/de/datenzu-erneuerbaren-energien/studien Grafik: Ergebnisse der Kostenoptimierung für die Leistung regenerativer Erzeuger bei verschiedenen Randbedingungen: links für einen Gesamtstrombedarf von 375 Terawattstunden (minus 25 Prozent bezogen auf heute), rechts für 500 Terawattstunden (ungefährer heutiger Strombedarf). Die Säulenreihen beziehen sich jeweils auf einen Anteil von fossilem Erdgas von 0, 150, 300 und 500 Terawattstunden. Die Rolle der Speicherung Energiespeicher spielen eine zentrale Rolle, um Ungleichzeitigkeiten zwischenEnergiebereitstellung aus fluktuierenden Erneuerbaren Energien und Energiebedarf auszugleichen. Die ganzheitliche Betrachtung von Strom- und Wärmesektor macht deutlich, dassWärmespeicher hiereinenwesentlichenBeitrag liefern können, um eine Flexibilisierung in derStromverwendung zu ermöglichen. Wärmespeicher können bei hoher Verfügbarkeit von Strom aus Erneuerbaren Energien in Verbindung mit elektrischen Wärmepumpen geladen werden. Elektrische Wärmepumpen spielen sowohl in Einzelgebäuden als auch als Großanlagen in Wärmenetzen eine wichtigeRolle (rund 50 TWhimBeispielsystem mit 500 TWh Stromverbrauch, 150TWh Erdgas,Heizwärmebedarf50Prozentdes heutigen Wertes). Als letzte Nutzungsmöglichkeit kann Strom auch über Heizstäbe direkt in Wärme umgewandelt werden. Im zuvor beschriebenen Beispielsystemsind gut1,5 TWhWärmespeicher in Verbindung mit Wärmenetzen installiert –das entspricht rund 320 Speicher mit jeweils 100000 Kubikmeter Wasservolumen, die jährlich etwa 40 bis 50 äquivalente Vollzyklen pro Jahr durchlaufen. Dazu kommen rund 600 Gigawattstunden (GWh) an Wärme-Pufferspeichern inEinzelgebäuden. Batterien spieleninsbesondere eine wichtigeRolle in Verbindung mit Photovoltaik-Anlagen. Im Beispielsystem sind knapp 40 GWhanBatterien installiert –das entspricht etwa zehn Millionen Speichern mit je 4Kilowattstunden (kWh). Diese fungierenals Kurzzeitspeicherund kommen rechnerisch auf rund 190äquivalente Vollzyklenpro Jahr. Eine ähnliche Rolle spielenPumpspeicherkraftwerke (110 äquivalente Vollzyklen proJahr). In welchemUmfang ein Langzeitspeicher zum Ausgleich saisonaler Effekte benötigt wird, hängt entscheidend vonder Menge fossilerBrennstoffe ab,die demSystemnochzur Verfügung stehen. Sind noch 300 TWh oder mehr an Erdgas für das Strom-Wärme- System verfügbar, so zeigt die Optimierung,dasspraktischkeine Power-to-Gas- Anlagen benötigt werden. Im Beispiel mit150 TWhanErdgasist dagegen eine Leistung vongut 23 GW an Elektrolyseuren erforderlich, um Strom aus fluktuierenden Erneuerbaren Energien in einen synthetischen Brennstoff umzuwandeln, der dann für die komplementäre Stromerzeugung zur Verfügung steht. Die Komplementärstromversorgung wird dabei nahezu vollständig durch Wärmenetz-gebundene Kraftwärmekopplung übernommen. Rund 30 Prozent aller Gebäude sind an Wärmenetze angeschlossen, die elektrische Wärmepumpe ist die dominante Heiztechnik. Monovalente Nur-Strom-Heizungen sind dagegen nicht systemdienlich, da diese auch dann Strom benötigen,wennkeine direkteStromerzeugung aus ErneuerbarenEnergien gegebenist. Unterdiesen Voraussetzungen gilt:Die elektrische Kurzzeitspeicherung über- Bild und Grafik: Fraunhofer ISE nehmen 37 GWh Batterien, das entspricht 10 Millionen Speichern mit 3,7 kWh. Für die Langzeitspeicherung werden 1,5TWh in Form von32Millionen Kubikmeter thermische Großspeicher –entsprechend 320 Speichern zu 100000 Kubikmetern –benötigt, dazu 23 GW Elektrolyseure und 3 TWh Methanspeicherfür Power-to-Gas. Fazit Die Modellierung liefert ein mögliches, in sich stimmiges Bild fürdie Energieversorgung in 2050, die mit einer 95-prozentigen Reduzierung der Treibhausgase im Strom-Wärme-Sektor die Klimaschutzziele der Bundesregierung erfüllt und Luftlässt füreine Nicht-Erreichung der Ziele in den Bereichen Mobilitätund Prozesse derIndustrie.Die jährlichen Gesamtkosten liegen dabei nicht über denen der heutigen Energieversorgung.Die Untersuchungenzeigen darüber hinaus, dass esviele mögliche Kombinationen aus Energiebereitstellung und Energieeffizienz –insbesondere im Bereichder energetischen Sanierung des Gebäudebestands – gibt, die zu ähnlichenjährlichenGesamtkosteneine Erfüllung der Klimaschutzziele ermöglichen.Das tatsächliche System zu finden, isteine gesellschaftliche Aufgabe, die neben Ökonomie und Technik auch Aspekte wie Landschaftsplanung, Akzeptanz und Bürgerbeteiligung berücksichtigen wird. Dr. Hans-Martin Henning, Andreas Palzer, Fraunhofer ISE, Freiburg, andreas.palzer@ise.fraunhofer.de UmweltMagazin Juli -August2013 47

TECHNIK UND MANAGEMENT Energie/Erneuerbare Energien Bild: Florian Gerlach/Pixelio Biomasse für Biogasanlagen: Durch die Trocknung der hier anfallenden Gärreste entsteht Prozesswärme. EnergieoptimiertesTrocknersystem für Biomasse-Gärreste In den vergangenen Jahren entstanden zunehmend Konzepte zur Trocknung von Gärresten aus Biogasanlagen zur Nutzung der anfallenden Prozesswärme. Doch die Effizienz bei der Trocknung von Gärresten ist insbesondere im Vergleich zu Trocknungsprozessen in anderen Industriebereichen gering. Kern des nachfolgend vorgestellten Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung eines energieeffizienten Trockners für Gärreste mit Hilfe umfangreicher Experimente und Computersimulationen. Prof. Hans-Arno Jantzen, Torsten Krohner, Holger Czajka, Prof. Christof Wetter, Dr.-Ing. Elmar Brügging und Daniel Baumkötter Die Förderung Erneuerbarer Energien inDeutschland hat dazu geführt, dass eine Vielzahl von Biogasanlagen entstanden sind, die ihre Einnahmen im Wesentlichen aus der Stromproduktion generieren. Bei dem dafür verwendeten Kraft-Wärme-Kopplungsprozesswirdneben demerzeugten Strom inetwa gleicher Menge Wärme produziert, die oftmals ungenutzt bleibt. Durch die Nutzung dieser kostengünstig zur Verfügung stehenden Prozesswärme zurTrocknung deranfallenden Gärreste sollten der Nutzungsgrad der Gesamtanlage und die Transportwürdigkeit der enthaltenen Nährstoffe deutlichangehoben werden. Ziel einesaktuellen Forschungsvorhabens der Fachhochschule Münster gemeinsam mit der RIELA Karl-Heinz Knoop e.K.ist die Entwicklung und der Aufbau einer neuen, energieoptimierten Trocknungsanlage für Gärreste aus Biogasanlagen als Vorstufe des Nährstoffrecyclings beziehungsweise der Düngemittelproduktion. Das geplante System soll in derLage sein, auchbei unterschiedlichen Ausgangsfeuchtegehalten des Trockengutesein konstant gutes Trocknungsergebnis zu erreichen. Im Anschluss erfolgt eine entsprechende Konditionierung (etwa Pelletierung), sodass ein transportwürdiges und vermarktungsfähiges Düngemittel als Produkt entsteht. Neue Entwicklungsmethodik Der Fokus liegt hierbei auf mehreren Schwerpunkten: 7 schonendeProduktbehandlung, 7 hohe Durchsätze bei kurzenDurchlaufzeiten, 7 flexible Wahl der Energiequellen (Hochtemperaturwärme, Niedrigtemperaturwärme), 7 Steigerung der Energieeffizienz (zum Beispiel Verkürzung der Dauer der thermischen Behandlung, Abwärmerückgewinnung), 7 Erreichung gleichmäßiger, sehreng tolerierter Trockensubstanz-Gehalte >83 Prozent (Lagerstabilität, Transportwürdigkeit) bei variablen Anfangszuständen, 7 In den Trocknungsprozess eingegliederteGranulierung derGärresteals Alternative zur Pelletierung (erleichterte Ausbringung alsDünger)und 7 Senkung der Herstellungs- sowie Betriebskosten (Verbesserte Auslastung desTrockners). 48 UmweltMagazin Juli -August2013

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