Die effiziente Nutzung vorhandener Ressourcen bzw. Energieströme ist Basis für eine zukünftige smarte Struktur der kommunalen Versorgung in städtischen Regionen. Im diesem Projekt wurde deshalb für die industriell geprägte Stadt Leoben1 ausgehend von einer Exergieanalyse sondiert, mithilfe welcher technologischen Lösungen die bestehende Energieversorgung auf Basis vorhandener lokaler Ressourcen hinsichtlich einer optimalen und signifikanten Erhöhung der Primärenergieeffizienz angepasst werden kann. Im Fokus liegen hierbei insbesondere zusätzliche Verknüpfungen der Energienetze unter Einbindung zentraler Leobener Industriebetriebe im Sinne eines verstärkten integrativen Gesamtansatzes einer smarten Ressourcenversorgung und zur Vorbereitung einer steigenden Einbindung erneuerbarer Energien.
Innovative Technologien wie Power-to-Gas, Brennstoffzellen oder der integrative Einsatz von Klär- und Biogasanlagen ermöglichen eine engere Koppelung der Netze und schaffen dadurch in jenen Bereichen Möglichkeiten, in denen früher alleinstehende Netze an ihre Grenzen gestoßen sind. Die Implementierung von sogenannten Hybridnetzen ist sowohl aus der Perspektive der Versorgungssicherheit als auch aus ökonomischer Sicht - zur Erhöhung der Ressourceneffizienz sowie zur Reduktion der Intensität eines singulären Netzausbaus - für die Zukunft des Energiesystems aber auch der Ballungsräume und Industriestandorte von entscheidender Bedeutung, wodurch die Multiplizierbarkeit eine signifikante Bedeutung erlangt. Durch die zu erwartende Steigerung von erneuerbaren Energien in der Energieversorgung gewinnt dieser Aspekt in Zukunft eine signifikante Bedeutung. Im Projekt „Smart Exergy Leoben“ wurde erstmals eine energiedomänenübergreifende Exergieanalyse mit Hilfe eines Energieknotenmodells für das gesamte Energiesystem einer
österreichischen Stadt angewendet.
B.3.1. Der Energieknoten Ansatz
Die Verwendung von Energieknoten ermöglicht das Erstellen eines energieträger-übergreifenden Gesamtmodells. Der Energieknoten stellt dabei die Schnittstelle zwischen den unterschiedlichen Energieträgern (Strom, Gas, Wärme) und den
1 Leoben ist mit einer Fläche von 110 km² und rund 25.000 EinwohnerInnen die zweitgrößte Stadt des Bundeslandes Steiermark.
Verbrauchern bzw. Erzeugern her. Innerhalb eines Energieknotens ist jedwede lokale Umwandlung einzelner Energieträger mit Hilfe von Kopplungstechnologien denkbar, um potentielle Energieüberschüsse in geeignete Energieformen zu transformieren und somit den lokalen Ressourceneinsatz zu optimieren. Die Nutzung vorhandener lokaler Ressourcen bzw. Energieströme wird für ein smartes Energienetz zunehmend wichtiger. Jedoch werden damit die bestehenden Netze vor die Herausforderung von Netzengpässen gestellt. Oberste Prämisse im Projekt ist es daher, für verschiedene Veränderungen der Energieflüsse - auf Basis von exergetischen Analysen - bestehende Netze (Strom, Gas, Fernwärme) hinsichtlich ihrer Belastbarkeit zu untersuchen und somit diesen Engpässen entgegenzuwirken.
B.3.2. Warum Exergieanalyse?
Die Exergieanalyse ist eine effektive Methode, um die Quantität und Qualität von Energie zu beurteilen. Als Exergie wird dabei der für die Energiedienstleistung (z.B. Raumwärme) „verwertbare“ Anteil der Energie bezeichnet. Das Konzept der Exergieanalyse ermöglicht es sowohl in Komponenten als auch in Gesamtsystemen jene Bereiche zu identifizieren, in denen die höchsten thermodynamischen Ineffizienzen vorherrschen. Es erlaubt daher, Systeme so zu gestalten, dass exergetisch hochwertige Energieströme für Aufgaben verwendet werden, die hohe Energiequalität erfordern (z.B. Fertigungsprozesse) und umgekehrt Aufgaben mit geringem Exergiebedarf aus qualitativ „niederwertiger“
Energie gedeckt werden.
B.3.3. Das optimierte Energiekonzept
Um ein optimiertes Energiekonzept erstellen zu können, wurden zu Beginn alle energetischen Flüsse in Leoben erhoben. Aufbauend darauf wurde eine Energiebilanz erstellt, welche die Basis für die anschließende Exergieanalyse.
Mithilfe der Energieknoten konnten eine integrative Analyse der drei bestehenden Energienetze durchgeführt werden. Das Ergebnis dieser Analysen bildet ein für die Industriestadt Leoben optimiertes Energiekonzept.
Abbildung 1: Darstellung des optimierten Energiekonzepts
Wie in Abbildung 1 dargestellt, wurden dabei drei Energieszenarien definiert, welche dazu beitragen, den lokalen Ressourceneinsatz zu optimieren. Ein Hauptaugenmerk wurde dabei auf die Verknüpfung zwischen den einzelnen Energienetzen gelegt. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Energienetze können durch die Interaktion verschiedener Technologien zusätzliche Potenziale geschaffen werden. Im Folgenden werden die drei abgeleiteten Szenarien beschrieben:
Szenario 1: Fernwärme aus Abwärme substituiert Gasheizungen im Stadtzentrum
Für die Bereitstellung von Fern- und Nahwärme durch Gas kann nur ein geringer Anteil dieser Exergie genutzt werden. Abwärme aus Industrieprozessen weist einen geringeren Anteil an Exergie als Gas auf, eignet sich jedoch angesichts des ausreichend hohen Temperaturniveaus oftmals sehr gut für die Bereitstellung von Wärme. Durch die Nähe zum Standort des integrierten Hüttenwerks Donawitz verfügt die Stadt Leoben über die Möglichkeit, zusätzlich industrielle Abwärme in das Fernwärmenetz der Stadtwerke Leoben einzuspeisen, wodurch exergetisch weniger sinnvolle Gasheizungen im Stadtgebiet ersetzt werden können. Eine Substitution dieser Heizungsanlagen durch Fernwärme aus Abwärme spart Primärenergie ein, wodurch sich die ökologische Bilanz signifikant verbessert. Auch steigt aufgrund der erhöhten lokalen Ressourcennutzung die
lokale Wertschöpfung, was sich positiv auf den Industriestandort Leoben auswirkt.
Szenario 2: Optimale Integration von PV-Anlagen
Der Einsatz durch Photovoltaikanlagen trägt dazu bei das Stromnetz unabhängiger von Stromimporten zu gestalten, wodurch Primärenergie eingespart und Wertschöpfungsabflüsse verringert werden können. Leoben verfügt über eine Vielzahl an für die PV-Produktion gut geeigneten Dachflächen.
Ein großflächiger unkontrollierter Ausbau wäre jedoch kontraproduktiv für das Energiesystem, da es die bestehenden Netze überlasten würde. Um eine optimale und für das Netz verträgliche PV-Einspeisung zu ermöglichen, wird in diesem Szenario mithilfe des Energieknotenansatzes sowie Lastflussberechnungen die optimale Integration ermittelt.
Szenario 3: CO2-Verwertung mittels Power-to-Gas Anlagen zur Treibstoffbereitstellung für regionale Omnibusse
Die Power-to-Gas Technologie kann im Hinblick auf ein künftiges verknüpftes Energiesystem dazu beitragen Ungleichgewichte im Energiesystem auszugleichen. Unter der Verwendung von Kohlenstoffquellen wie z.B. einer Kläranlage wird Überschussstrom (z.B. aus PV-Anlagen) in Wasserstoff (H2) bzw.
Methan (CH4) umgewandelt. Das erzeugte Methan kann anschließend in das bestehende Erdgasnetz eingespeist und zwischengespeichert werden. In diesem Szenario liegt der Fokus jedoch auf der direkten Verwertung durch die Treibstoffbereitstellung für die regionale Omnibusflotte. In Österreich werden bereits heute eine Vielzahl an erdgasbetriebenen Omnibussen im Linienverkehr betrieben. Wasserstoffbetriebene Busse sind gegenwärtig noch wenig etabliert, stellen jedoch zukünftig eine effiziente Möglichkeit dar dieselbetriebene Omnibusse zu ersetzten.