Mit kleinen, unkonventionellen Schritten zum Klimaziel

Um den Klimawandel zu bremsen und den Ressourcenverbrauch zu mindern, müssen alle Bereiche gesellschaftlichen Lebens den Ausstoß von CO₂, Methan und anderen klimawirksamen Gasen drastisch senken und die Energieeffizienz deutlich erhöhen. Erfordert der erste Bereich bevorzugt den Wandel bei der Energieerzeugung, zwingt die Effizienzsteigerung, den Verbrauch zu senken. Wie ein Puzzle setzen sich die erforderlichen technischen Lösungen zu einem Ganzen zusammen, mit dem sich diese Transformationen erreichen lassen. Das wichtigste Feld ist die Energieerzeugung mit erneuerbaren (EE), dekarbonisierten Quellen, aber es ist nicht das einzige.

Innovationen für die Energiegewinnung

Gerade für die Industrie gibt es eine Vielzahl innovativer, teilweise unkonventioneller Lösungen. Manche Ideen sind heute schon marktreif, andere lassen erst Potenziale für die Zukunft erkennen.

Für die Gewinnung und Nutzung Erneuerbarer Energien:

• Fliegende Windkraftanlagen (FWKA): Sie ernten effizient den Wind in höheren Luftschichten und übertragen die Energie mechanisch oder direkt als Strom an die Bodenstation,
• Solarenergie: Biegsame Solarzellen für Textilien erlauben zum Beispiel die Energiegewinnung auf LKW-Planen,
• Osmose-Kraftwerke machen sich als Grundlasterzeuger nahe von Flussmündungen ins Meer den unterschiedlichen Salzgehalt von Meer- und Süßwasser zunutze,
• der Einsatz von Gasmotoren- und Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerken,
• die Methanpyrolyse für CO₂-freie Wasserstoffgewinnung, um Brennstoffzellen zu versorgen,
• die reversible Hochtemperatur-H₂-Elektrolyse für die Stahlproduktion. Im kritischen Zustand arbeitet das System als stromliefernde Brennstoffzelle,
• solares Kerosin, das mit Sonnenenergie aus Wasser und CO₂ generiert wird,
• Wandlung grünen Wasserstoffs mit künstlichem CO₂ in synthetisches Erdgas.
• die bewährten Biogasanlagen.

Ein weiterer Aspekt ist die CO₂-neutrale Wärmeerzeugung. Auch hier kommt es wieder auf die intelligente Vernetzung von einzelnen Technologien an, um in der Summe zum Ergebnis zu kommen. Dazu gehören Wärmepumpen, wie auch Wärmebrennwertheizungen und Wärmenetze, sowie die Kraft-Wärme-Kopplung, Die Solarthemie leistet für die klimaneutrale Wärmeerzeugung genauso einen Beitrag wie Power-to-Gas und der Einsatz von (Erd-)Gas mit höchsten Brennstoffnutzungsgraden.

Erneuerbare Energie speichern
Fast ebenso wichtig wie das Erzeugen von Energie aus erneuerbaren Quellen ist die kurz- und langfristige Speicherung, um Lastspitzen genauso wie Erzeugerspitzen abzufangen und eine kontinuierliche, stabile Energieversorgung sicherstellt:

• Flexibles Energiemanagement für die Vollversorgung mit erneuerbaren Energien: Das Smart Grid sorgt die für Konstanz von Spannung und Frequenz,
• Energiespeicher der nächsten Generation mit deutlich vergrößerter Energiedichte. Li-Ionen-Akkus werden durch Li-Metall- und Magnesium-Akkus ersetzt. Sie erlauben die Vervielfachung der Speicherkapazität,
• kostengünstige Großspeicher aus gebrauchten Li-Ionen-Akkus,
• Wärmespeicher als Akku-Salz-Wasserelektrolyt-/-Schmelze-Speicher (sog. „Carnot-Batterien“ aus nachhaltigen Materialien),
• Brennstoffzellen-Einsatz mit Wasserstoff und Alkohol,
• unterirdische Druckluftspeicher in Kombination mit Gasturbinen und Wärmetauschern,
• thermische Speicher aus Vulkangestein in Kombination mit Dampf-Kraftwerken,
• Kleinspeicher mit Vanadium-Redox-Flow-Technologie ähnlich einer Brennstoffzelle,
• elektrothermische Speicher zur reversiblen Umwandlung verschiedener Energiezustände durch Kombination elektrischer Wärme- und Kältespeicherung,
• Nachrüstung einer universellen Ladeinfrastruktur in Stecktechnik und der Ersatz von Ladesäulen durch steckbare Kabel und induktive Ladestationen.

Weniger Verbrauch, mehr Zuverlässigkeit
Die Verbrauchssenkung und die Erhöhung der Ausfallsicherheit sind kein Widerspruch. Im Gegenteil gibt es Konzepte und Technologien, die beide Ziele zugleich fördern und die auch heute schon verfügbar sind:

• Vernetzung und Automatisierung dezentraler Erzeuger zu einem virtuellen Kraftwerk,
• Ausbau der Blockchain-Technologie,
• Einführung des 5G-Standards als Treiber für eine einfachere, drahtlose Implementierung von Industrie 4.0,
• Single Pair Ethernet (SPE) als Kern des kabelgebundenen Industrial Internet of Things (IIoT) und generell flexible, werkzeugfreie Steck- und Verbindungstechnik,
• drahtlose Energieübertragung,
• effiziente Stromversorgung durch aktive Blindleistungskompensation-PFC bei Oberwellen- und EMV-Filterung,
• leistungselektronische Technologien wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), die eine höhere Leistungsdichte und einen höheren Wirkungsgrad versprechen,
• intelligente Beleuchtung und Nutzung von Einschicht-OLED,
• der Retrofit von Anlagen, um die Ressourceneffizienz und den Wirkungsgrad zu steigern. Zum Beispiel durch Antriebe mit AFE-Umrichtern,
• die Forcierung von Konzepten des Maschinenbaus 4.0 mit einer fließbandlosen, modularen Fertigung.
• der Einsatz von Künstlicher Intelligenz,
• thermisches Management für Computer- und Embedded-Systeme, um die Zuverlässigkeit durch Betrieb im optimalen Temperaturbereich zu steigern,
• vorausschauende Wartung von Maschinen mit on-line-Diagnose und Condition Monitoring,
• Energiebussysteme.

Von der Energiegewinnung, über die Energiespeicherung bis hin zur Betriebsebene lassen sich so über viele kleine Stellschrauben der Energieverbrauch senken und zugleich die Effizienz der Anlagen steigern, so dass das Ziel der klimaneutralen Produktion in greifbare Nähe rückt. Joachim Krause/dsc