89 1 · 2023 TR ANSFORMING CITIES THEMA Krisen managen Energietransformation und Zukunftsfähigkeit „Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“ So Jules Verne im Jahre 1870 [1]. Mehr als 100 Jahre später sprachen Justi, Brennecke und Kleinwächter in den „Abhandlungen der Braunschweigischen Wissenschaftlichen Gesellschaft“ über den Mehrzweck-Universal-Energie- ©Roman auf Pixabay Am Beispiel eines konkreten Use-Case Energietransformation, Dekarbonisierung, grüne Wasserstofftechnologie, Dezentralisierung, H2DemoLab Georg Brunauer, Maria-Christina Brunauer, Harald Rettenegger, Stefan Netsch Die Transformation unserer Gesellschaft in ökologischer, ökonomischer und sozialer Hinsicht ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Generation. Gerade die Ereignisse in jüngster Zeit zeigen die Notwendigkeit zukunftsfähiger Lösungen, die eine transformierte Lebens- und Wirtschaftsweise auf Basis erneuerbarer Energien erfordern. Damit einher geht die Frage, wie moderne Gesellschaften, die sich in einem Zustand struktureller Nicht-Nachhaltigkeit befinden, sich derart verändern können, dass sie zu einem nachhaltigen Zustand gelangen. Die Umwandlung unseres Energiesystems spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Im Zuge dieses Beitrags wird zunächst die Ausgangslage - am Beispiel des derzeitigen Österreichischen Energiesystems - dargestellt. Es folgt die Vorstellung einer Studie, welche die grundsätzliche Machbarkeit eines vollständig umgewandelten Energiesystems zeigt. An der FH Salzburg entsteht ein H2DemoLab, welches als Blaupause für lokal angesiedelte, regional verankerte Energiesysteme dienen soll. träger Wasserstoffgas als „einzige radikale Heilung unserer Energie-Syndrom-Beschwerden“, insbesondere der kontinuierlich steigenden CO 2 -Konzentration in der Erdatmosphäre [2]. Es dauerte neuerdings etwa 30 Jahre, bis endlich „alle Welt [...] von erneuerbaren Energien [redet], mit Sympathie wie für schönes Wetter. Kaum jemand bestreitet noch, dass erneuerbare Energien die Perspektive für die Energieversorgung der Menschheit darstellen“, konstatierte Hermann Scheer in seinem Buch „100 % Jetzt! Der Energethische Imperativ“ [3]. Wasserstoff-integrierte Energiesysteme 90 1 · 2023 TR ANSFORMING CITIES THEMA Krisen managen Nun endlich scheint die Zeit reif geworden zu sein, den schon so lange für notwendig erachteten Wandel auch tatsächlich einleiten zu können. Beginnen wir mit einer wichtigen heuristischen Unterscheidung zwischen zwei ideal-typischen Formen radikalen Wandels: Transformation versus Transition [4]. Die Unterscheidung zwischen diesen zwei Formen des Wandels ist zentral für das Verständnis der vor uns liegenden „Energiewende“. Der Begriff Transition beschreibt in diesem Zusammenhang einen kontrollierten Übergang zu ex ante definierten Zielen auf Basis bestehender Grundstrukturen. Dieser Übergang wird oft von technologischer Innovation angetrieben, begleitet und kontrolliert durch politische Steuerung und vordefinierte Rahmenbedingungen. Im Gegensatz dazu steht der Begriff Transformation für einen viel tiefer gehenden strukturellen Wandel, hervorgerufen durch soziale und technologische Innovation, jedoch verknüpft mit Zieloffenheit und der Bereitschaft zur Änderung von gesellschaftlichen Grundstrukturen. Derart grundlegende Änderungen bedeuten eine Neugestaltung der Art zu wirtschaften und zu leben. Derzeitige Bemühungen um den Energiewandel lassen allerdings darauf schließen, dass wir es bisher eher mit einer Transition zu tun haben - eine Fortführung des „alten Wirtschafts- und Gesellschaftssystems“ im neuen, grünen Kleide. Die vor uns liegenden Herausforderungen verdeutlichen jedoch die Notwendigkeit, zu einem nachhaltigen Zustand zu gelangen, der das wirtschaftliche und soziale Leben in übergeordnete, natürliche Ökosysteme eingebettet betrachtet. Diese Wieder-Einbettung gesellschaftlicher Systeme in natürliche Ökosysteme wird dann möglich, wenn in die Tiefenverhältnisse der Produktion und Reproduktion eingegriffen wird [5]. Die Umwandlung unseres Energiesystems spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Wie gelingt es nun, durch eine Transformation unseres Energiesystems zu einer Wiederherstellung der sogenannten natürlichen oder „göttlichen Ordnung“ der Natur“ zu gelangen, um mit den Worten Justis zu sprechen, also zu einem geschlossenen Energiekreislauf ohne Vergiftung der Umwelt? Diesen Fragen wollen wir uns in diesem Beitrag widmen. Energiewende - Das Potenzial Im Folgenden wird eine Studie bzw. ein Forschungsprojekt vorgestellt, welche zum Ziel hatte, unter Verwendung eines leistungsfähigen energieökonomischen Optimierungsmodells ein volkswirtschaftlich optimiertes dekarbonisiertes Energiesystem zu entwerfen, in dem mit einer umweltverträglichen Nutzung von ausschließlich erneuerbaren Energiequellen und dem Einsatz CO 2 -neutraler Technologien der gesamte Energiebedarf Österreichs dauerhaft, leistbar und versorgungssicher gedeckt werden kann. Die Studie ONE 100 wurde von der Wagner & Elbling GmbH (www.wecom.at) im Auftrag von AGGM Austrian Gas Grid Management AG, Austrian Power Grid AG, Energienetze Steiermark GmbH, Gas Connect Austria GmbH, Netz Burgenland GmbH, Netz Niederösterreich GmbH, Netz Oberösterreich GmbH, Salzburg Netz GmbH, TIGAS Erdgas Tirol GmbH, Trans Austria Gasleitung GmbH, Vorarlberger Energienetze GmbH, Wiener Netze GmbH erstellt [6]. Ohne vorab definierte Szenarien festzulegen, wurde ein idealtypisches, hundertprozentig dekarbonisiertes und optimiertes Energiesystem für Österreich unter den folgenden Prämissen berechnet:  Greenfield Ansatz: keine Berücksichtigung vorhandener energietechnischer Anlagen und Infrastruktur - die Prämisse der Neu-Errichtung zeigt damit einen dauerhaft optimalen Zielzustand für das dekarbonisierte Energiesystem  Inputparameter für die Berechnung des dekarbonisierten Energiesystems ONE 100 durch das energieökonomische Optimierungsmodell − Regionalisierter Nutzenergiebedarf der Haushalte, des Gewerbes, der Industrie, der Landwirtschaft und der Mobilität − Realistische regionalisierte Potentialeinschätzungen für erneuerbare Energiegewinnung in Österreich − Kosten und Wirkungsgrade für mehr als 140 Technologieoptionen für Energieproduktion, -umwandlung, -speicherung, -transport und -verbrauch − Rohstoff- und Importpreise für erneuerbare Energieträger Bild 1: Gewinnung des H 2 aus H 2 O und Recycling des Verbrennungsproduktes H 2 O durch die Biosphäre. Nach Seifritz. [2] Biosphäre Energie- Input bei H 2 - Produktion O 2 H 2 H 2 O O 2 H 2 O Rezykliert Energie-Output beim Verbraucher 91 1 · 2023 TR ANSFORMING CITIES THEMA Krisen managen − Produktions- und Bedarfsprofile eines repräsentativen Klimajahres, sodass jeder Bedarf zu jeder Zeit mit erneuerbarer Energie versorgungssicher gedeckt werden kann  Simultane Optimierung des gesamten Energiesystems in einem integrierten Modell (alle Energieträger, gesamte Wertschöpfungskette, regionalisiert, optimale Nutzung der energietechnischen Anlagen, sektorgekoppelt) mit dem Optimierungskriterium der Minimierung der volkswirtschaftlichen Kosten  Technologie- und Ergebnisoffenheit - keine ex ante Vorgaben hinsichtlich Energieträgereinsatz, Endanwendungstechnologien, etc.  Berechnungsergebnisse: − regionale Kapazitäten je Technologie für Produktion, Umwandlung, Speicherung und Verbrauch sowie für Verteil- und Transportnetze für Strom, Gas und Fernwärme − volkswirtschaftliche Kosten des dekarbonisierten Systems Die Berechnungsergebnisse aus der Studie ONE 100 liefern hinsichtlich des Umbaus des Energiesystems wesentliche Entscheidungs- und Diskussionsgrundlagen, wie beispielsweise die Dekarbonisierungsziele kostenneutral erreicht werden können. Neben dem Nachweis der volkswirtschaftlichen Sinnhaftigkeit der Nutzung aller regionaler erneuerbarer Energiepotenziale wurden auch die entsprechenden Größenordnungen für den erforderlichen Ausbau der erneuerbaren Energiequellen und der notwendigen Etablierung von effizienten Umwandlungs-, Transport-, Speichersowie Endanwendungstechnologien erhoben. Auf Basis einer das gesamte Energiesystem betrachtenden simultanen Optimierungsrechnung und des gewählten „Grüne-Wiese-Ansatzes“ zeigt diese Studie erstmals in einer gesamthaften Betrachtung auf, welche Energieträger, Produktions-, Speicher- und Anwendungstechnologien inklusive der dafür erforderlichen Transportinfrastruktur jedenfalls Teil eines volkswirtschaftlich optimierten, dekarbonisierten und versorgungssicheren Energiesystems sein müssen (Bild 1). Das bestehende Energiesystem muss demnach durch ein deutlich umgebautes Energiesystem abgelöst werden. Die berechneten Kosten des Energiesystems sind mit dem heutigen BIP-Anteil von 9 % am Energiesystem vergleichbar. ONE 100 beweist somit, neben der technischen Machbarkeit, auch dessen grundsätzliche Leistbarkeit. Die Kostenstruktur verschiebt sich allerdings, insofern eine wesentliche Senkung des Energieeinsatzes mit einer deutlichen Steigerung der Kosten je Energieeinheit gekoppelt ist. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass die Kosten des neuen Energiesystems aufgrund der Investitionskosten am Weg zur vollständigen Dekarbonisierung zuerst steigen, bevor sie langfristig sinken. Ausblick Das Potenzial der bisherigen Ergebnisse lässt sich wie folgt darstellen: In Kombination mit den Netzdaten des Energieversorgers wäre es nun in einem nächsten Schritt möglich, die Energieflüsse im gesamten Gemeindegebiet inklusive der Industriebetriebe abzubilden, um den gesamten Energiestatus der Gemeinde darzustellen. Über das Lastprofil kann in Folge ein wasserstoff-integriertes Energiesystem ausgelegt werden, um Überschüsse aus Photovoltaik-Anlagen zu speichern und bei Bedarf rückzuverstromen. Zu diesem Zweck wird nun an der FH Salzburg die Demonstrationsanlage H2DemoLab-Smart Region (Bild 2) errichtet, um erstmals ein wasserstoff-integriertes Energiesystem mit Anbindung an die eigene Photovoltaikanlage in seiner Gesamtheit zu untersuchen. Dadurch soll es möglich werden, einerseits reale Systemdaten über die elektrochemische Wasserzerlegung und Rückverstromung zu erhalten, um in Folge auf die Anwendbarkeit in Energieanlagen schließen zu können. Neben der Wissensgenerierung im Aufbau eines wasserstoffbasierenden Energiesystems und der Abbildung und Charakterisierung des Systemverhaltens liegt der Innovationsprozess in der Entwicklung eines Optimierungsmodells zur Szenarienanalyse, Bild 2: H2-DemoLab auf dem Campus Kuchl. © Fachhochschule Salzburg GmbH 92 1 · 2023 TR ANSFORMING CITIES THEMA Krisen managen IMPRESSUM Transforming Cities erscheint im 8. Jahrgang Herausgeber Eberhard Buhl, M.A. Verlag Trialog Publishers Verlagsgesellschaft Eberhard Buhl | Christine Ziegler Schliffkopfstr. 22, D-72270 Baiersbronn-Buhlbach Tel. +49 7449 91386.36 · Fax +49 7449 91386.37 office@trialog.de · www.trialog.de Redaktionsleitung Dipl.-Ing. arch. Christine Ziegler VDI (verantwortlich) Tel: +49 7449 91386.43 Fax: +49 7449 91386.37 christine.ziegler@transforming-cities.de Anzeigen Tel. +49 7449 91386.46 Fax +49 7449 91386.37 anzeigen@trialog.de Gültige Anzeigenpreisliste Nr. 8 vom 01.01.2023 Vertrieb und Abonnentenservice Tel. +49 7449 91386.39 Fax +49 7449 91386.37 vertrieb@trialog.de Erscheinungsweise Viermal im Jahr Bezugsbedingungen Die Bestellung des Abonnements gilt zunächst für die Dauer des vereinbarten Zeitraumes (Vertragsdauer). Eine Kündigung des Abonnementvertrages ist zum Ende des Berechnungszeitraumes schriftlich möglich. Erfolgt die Kündigung nicht rechtzeitig, verlängert sich der Vertrag und kann dann zum Ende des neuen Berechnungszeitraumes schriftlich gekündigt werden. Bei Nichtlieferung ohne Verschulden des Verlages, bei Arbeitskampf oder in Fällen höherer Gewalt besteht kein Entschädigungsanspruch. Zustellmängel sind dem Verlag unverzüglich zu melden. Es ist untersagt, die Inhalte digital zu vervielfältigen oder an Dritte weiterzugeben, sofern nicht ausdrücklich vereinbart. Bezugsgebühren JahresAbo Plus - Inland (Print+ePaper+Archiv): 4 x gedruckte Ausgabe + elektronische Web-Ausgabe + Zugang zu allen bisher erschienenen Ausgaben im elektronischen Archiv zum Jahresbezugspreis von EUR 172,- (inkl. MwSt., zzgl. EUR 12,- Versandkosten) JahresAbo Plus - Ausland (Print+ePaper+Archiv): 4 x gedruckte Ausgabe + elektronische Web-Ausgabe + Zugang zu allen bisher erschienenen Ausgaben im elektronischen Archiv zum Jahresbezugspreis von EUR 172,- (mit UID ohne VAT, zzgl. EUR 25,- Versandkosten) JahresAbo ePlus - Inland (ePaper+Archiv): 4 x elektronische Web-Ausgabe + Zugang zu allen bisher erschienenen Ausgaben im elektronischen Archiv zum Jahresbezugspreis von EUR 160,- (inkl. 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Resumée Zurück zum Anfang - wir hatten die Frage gestellt, wie die Transformation zu einem neuen, auf regenerativen Energiequellen basierenden Energiesystem gelingen kann. Für die Beantwortung dieser Frage wurde im Zuge dieses Beitrags zunächst die Ausgangslage - am Beispiel des derzeitigen Österreichischen Energiesystems - dargestellt, sowie auf die grundsätzliche Machbarkeit eines umgewandelten Energiesystems verwiesen, vorgestellt durch die Studie ONE 100 . Transformation - in ihrem Wortsinn - bedeutet jedoch mehr: sie steht für eine Neu-Anordnung, eine Umwandlung der inneren Struktur. Die Umwandlung unseres derzeitigen Energiesystems bedeutet also nicht nur, bestehende Technologien durch neue zu ersetzen, sondern unsere gesamten Denk- und Handlungsmuster zu erneuern. Es gilt also, zu einem völligen Umdenken, von linearen, verbrauchsorientierten Denkmustern zurück zu naturgegebenem Kreislaufdenken, zu gelangen. Ein umgewandeltes Energiesystem wird veränderter Handlungsmuster bedürfen, und solche auch hervorbringen. Ziel unserer Anstrengungen muss es also sein, nicht nur die technologischen Herausforderungen zu meistern, sondern zu einer Wiederherstellung der natürlichen Kreisläufe zu gelangen. Kurzum: zu einer Wiedereinbettung unserer gesellschaftlichen Struktur in deren übergeordnete ökologische Systeme. LITERATUR [1] Diekmann B., Rosenthal E.: Schlussbetrachtungen. In: Energie. Springer Spektrum, Wiesbaden, 2014. [2] Justi, E., Brennecke, P., Kleinwächter, J.: Die Funktion der Wasserstoff-Druckgas- Transport- und Speicherleitung in einer Wasserstoff-Wirtschaft. Veröffentlicht in: Abhandlungen der Braunschweigischen Wissenschaftlichen Gesellschaft Band 32, (1981) S. 153 - 185. [3] Scheer, H.: 100% JETZT! Der Energethische Imperativ. Wie der vollständige Wechsel zu erneuerbaren Energien zu realisieren ist. Kunstmann Verlag, München, 2010. [4] Stirling, A.: Emancipating Transformations: from controlling „the transition“ to culturing plural radical progress. In: Scoones, I./ Leach, M./ Newell, P. (eds.): The politics of Green Transformations. London: Routledge, 2014. [5] Sommer, B., Welzer, H.: Transformationsdesign. Wege in eine zukunftsfähige Moderne. Transformationen Band 1, oekom Verlag, München, 2014. [6] Austrian Gas Grid Management AG (AAGM): Projekt „ONE 100 - Österreichs nachhaltiges Energiesystem - 100 % dekarbonisiert“, 2021. Dr.rer.soc.oec. Maria-Christina Brunauer Leiterin der Initiative Zukunft NOVAPECC GmbH Kontakt: mc.brunauer@novapecc.com FH-Prof. Dr.-Ing. DI M.eng. Stefan Netsch Fachbereichsleiter Städtebauliche Planung, Smart Buildings in Smart Cities Fachhochschule Salzburg GmbH Kontakt: stefan.netsch@fh-salzburg.ac.at FH-Prof. Univ.Lektor DI DI (FH) Dr.rer.nat. Georg Chr. Brunauer Fachhochschule Salzburg GmbH Techn. Universität Wien Kontakt: georg.brunauer@fh-salzburg.ac.at Harald Rettenegger NOVAPECC GmbH Kontakt: harald.rettenegger@novapecc.com AUTOR*INNEN