Effiziente Gasanwendung in Deutschland

Effiziente Gasverwendung in Deutschland

Mit Brennstoffzellen, Hybridsystemen oder der Kraft-Wärme-Kopplung stehen der Gaswirtschaft hocheffiziente Technologien zur Verfügung. Der DVGW unterstützt die Forschung zur weiteren Optimierung – unter anderem mit Potentialanalysen und wissenschaftlicher Begleitforschung.
Effiziente Gasanwendung in Deutschland; © Foto: DVGW, Roland Horn

Forschungsbedarf

bei Gasverwendungstechnologien

Die nachhaltige Steigerung der Energieeffizienz ist ein zentrales Thema im Rahmen der Innovationsforschung des DVGW. Dazu stehen der Gaswirtschaft hocheffiziente Technologien zur Verfügung – für die verschiedensten Anwendungsfälle in Haushalt, Gewerbe, Handel, Dienstleistungen und Industrie.Übergeordneter Forschungsbedarf zeigt sich in der Erstellung von Potenzialanalysen sowie der Prozess- und Technologieentwicklung, aber auch bei der wissenschaftlichen Begleitforschung zur Festlegung rechtlicher und politischer Rahmenbedingungen. Dabei spielen moderne Methoden der Geo-Informationssysteme eine zunehmende Rolle. Mit diesen können Regionen identifiziert werden, in denen moderne Technologien zur Gasverwendung besonders hohe Effekte für die Energiewende erzielen können.
Die nachhaltige Steigerung der Energieeffizienz ist ein zentrales Thema im Rahmen der Innovationsforschung des DVGW. Dazu stehen der Gaswirtschaft hocheffiziente Technologien zur Verfügung – für die verschiedensten Anwendungsfälle in Haushalt, Gewerbe, Handel, Dienstleistungen und Industrie.Übergeordneter Forschungsbedarf zeigt sich in der Erstellung von Potenzialanalysen sowie der Prozess- und Technologieentwicklung, aber auch bei der wissenschaftlichen Begleitforschung zur Festlegung rechtlicher und politischer Rahmenbedingungen. Dabei spielen moderne Methoden der Geo-Informationssysteme eine zunehmende Rolle. Mit diesen können Regionen identifiziert werden, in denen moderne Technologien zur Gasverwendung besonders hohe Effekte für die Energiewende erzielen können.

Auswirkungen von schwankenden Gasbeschaffenheiten

Die Diversifizierung bei der Gasbeschaffung kann vermehrt zu Schwankungen der Gasbeschaffenheit führen. Insbesondere die Beimischung von hochkalorischem LNG und die Integration erneuerbarer Gase spielen hier eine Rolle. Dies hat Auswirkungen auf verschiedene Anwendungstechnologien, etwa bei speziellen Verbrennungs- oder Produktionsprozessen. Anpassungen für Anwendungstechnologien gibt es bereits – beispielsweise im Wärmemarkt oder in der Mobilität. Vor allem im gewerblichen und industriellen Sektor sind Forschungsbedarfe aber weiterhin existent.

Das Ziel der Forschungen ist es, über den Ansatz der dynamischen Verbrennungsregelung die Robustheit der Anwendungstechnologien gegenüber schwankenden Gasbeschaffenheiten zu erhöhen. In diesem Zusammenhang stehen breite Anwendungsbereiche im Mittelpunkt, keine Einzeltechnologien. Die Forschungen umfassen auch neuartige Regelungskonzepte, die auf externer Informationsbereitstellung beruhen. In der mittelfristigen Ausrichtung sollen diese Informationen etwa aus einem netzseitigen Informationssystem zur Gasbeschaffenheit bezogen werden.

Rahmenbedingungen zur Energieeinsparung

Die Anforderungen an die Einsparung von Energie sind in verschiedenen Vorschriften und Normen niedergelegt. Sie umfassen eine große Bandbreite, mit teils unterschiedlichen Bedingungen auf Landes- und Bundesebene. Ihnen allen gemeinsam ist, dass zunehmend schärfere Kennwerte und Indikatoren für die Energieeffizienz und die Emissionsminderung festgelegt werden.

Im Energieeinsparrecht hat sich die Energieeinsparverordnung als das zentrale Steuerungselement entwickelt. Sie fußt bei der klimaschutzrelevanten Bewertung der Energieträger auf Primärenergiefaktoren. Diese wiederum fließen in andere Vorschriftenwerke ein und stellen eine Leitgröße dar.

Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass sich die Berechnungsgrundlagen für die Primärenergiefaktoren über die Jahre so entwickelt haben, dass keine Lenkungswirkung in Bezug auf Klimaschutz besteht. Auch weitere, zunehmend wichtiger werdende Faktoren wie System- und Netzstabilität, Ressourcenverbrauch, Lebenszyklusbetrachtungen sind nicht davon betroffen.

Im Forschungscluster KWK / Anwendungstechnik soll daher die bestehende Systematik der Primärenergiefaktoren weiterentwickelt und um diese neuen Indikatoren ergänzt werden. Gleichzeitig berücksichtigt das Forschungscluster auch Erfahrungen aus dem europäischen Ausland. Hier wurden schon weitergehende Ansätze entwickelt, etwa zur Einbeziehung von CO2-Emissionen oder Biomasse-Nachhaltigkeitsindikatoren.

Hybridsysteme
Effiziente Verwendung von Gas; © DVGW, Foto: Roland Horn

Die Kombination von fossilem Gas mit EE-Gas zur nachhaltigen Senkung der CO2-Emissionen stellt nicht nur für den Wärmemarkt eine kostengünstige Lösungsoption dar. Auch in der Industrie sowie im Gewerbe-, Handels- und Dienstleistungssektor (GHD-Sektor) sind große Potenziale vorhanden. Dank der Flexibilität des Energieträgers Gas lässt sich dieser ideal mit regenerativen Energien kombinieren, insbesondere im Hinblick auf EEG-geförderte Anlagen.

Für die gewerbliche, aber auch die industrielle Wärmeproduktion bieten sich solche Hybridsysteme an, beispielsweise aus Biomasse-Grundlastanlagen und Erdgas-Spitzenlastanlagen. Hier sind Entwicklungsbedarfe in der Systemintegration und Standardisierung erkennbar. Da es sich in der Regel um fallbezogene Lösungen handelt, sind solche Forschungsprojekte gemeinsam mit den beteiligten Partnern zu entwickeln und durchzuführen.

Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln chemisch gebundene Energie im Erdgas auf elektrochemischem Weg zu Strom und Wärme um. Wegen dieses direkten Umwandlungsschrittes können sie sehr hohe elektrische Wirkungsgrade erreichen. In den letzten Jahren sind umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten dazu durchgeführt worden.

Es haben sich zwei Prinzipien von Brennstoffzellensystemen als zukunftsfähig erwiesen: Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Festkörper-Oxid-Brennstoffzellen (SOFC). Diese unterscheiden sich im Wesentlichen in der erforderlichen Gasaufbereitung mit entsprechend unterschiedlichen Betriebstemperaturen. Zwar weist die SOFC-Technologie sehr hohe Betriebstemperaturen von bis zu 750 °C auf, jedoch werden elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 Prozent erreicht. Dies zeigt eindrucksvoll das erhebliche Potenzial dieses Brennstoffzellentyps.

Technologischer Forschungsbedarf liegt in der Verbesserung der Funktionalität wie etwa Langzeitstabilität und Betriebssicherheit, aber auch in der Systemintegration im Gebäudeenergiesektor. Flankierende Forschungen zum Markthochlauf sind zur Verbreitung dieser klimaschonenden Anwendungstechnik erforderlich. Die Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie ist wesentlich, um eine Marktdurchdringung auch in übergeordneten Sektoren zu erreichen. Dies trifft insbesondere im Leistungsbereich bis 50 kW zur Versorgung von Quartieren zu.

Stromoptimierte Betriebsweisen der Kraft-Wärme-Kopplung
Effiziente Gasverwendung; © DVGW. Foto: Roland Horn

Hocheffizienten Gasanwendungstechnologien wird zum Erreichen der Ziele der Energiewende ein sehr großes Potenzial zugesprochen, da sie zu deutlichen CO2-Senkungen führen. Der Kraft-Wärme-Kopplung kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu, zum Beispiel beim Einsatz in virtuellen Kraftwerken. Hierzu sind neben System- und Technologieforschungen auch wissenschaftliche Begleitforschungen erforderlich.

Grundvoraussetzung für einen stromoptimierten beziehungsweise stromgeführten KWK-Anlagenbetrieb ist ein dafür optimiertes Wärmemanagement. Denn nur so kann ein zeitweise entkoppelter Betrieb vom Wärmebedarf des Gebäudes realisiert werden. Neuartige Speicherkonzepte und Betriebsstrategien sind zu entwickeln, inklusive Forschungsarbeiten zu neuartigen Speichermaterialien mit deutlich höheren Aufnahmekapazitäten.

Niedrigenergiegebäude stellen besonders hohe Anforderungen an die Energieversorgung, da sie in der Regel geringe und kontinuierliche Lastprofile aufweisen. Trotzdem müssen aber auch hohe Bedarfsspitzen abgedeckt werden, zum Beispiel für die Warmwasserbereitung. Weitere Fragestellungen ergeben sich in diesem Sektor zur techno-ökonomischen Rolle von Gastechnologien. Ähnliche Forschungsbedarfe ergeben sich bezüglich der Nutzung und Anerkennung von regenerativen Gasen im Wärmemarkt und bei Sanierungen – etwa als Begleitforschung zur Übertragung von Länderregelungen auf die Bundesebene.

Klimaneutraler Gebäudebestand 2050
  • Studie des Umweltbundesamtes
  • kostenlos zum Download
  • veröffentlicht im Februar 2016
Zur Studie
Das Forschungscluster KWK/Anwendungstechnik

Für das Thema Effiziente Gasverwendung ist das Forschungscluster KWK/Anwendungstechnik unter der Leitung von Dirk Hunke (Stadtwerke Neuss) zuständig.

Das Forschungscluster KWK/Anwendungstechnik gehört zum Innovationskreis Gas. Aufgabe des Innovationskreises ist die Initiierung, Bewertung und Priorisierung, sowie die Sicherstellung der Kommunikation der jeweiligen Forschungsthemen.

Ihr Ansprechpartner
Wenn Sie Fragen oder Anregungen zum Forschungsthema Effiziente Gasanwendung haben, können Sie uns telefonisch oder per E-Mail erreichen.
Dr. Michael Walter
Hauptgeschäftsstelle / Technologie und Innovationsmanagement

Telefon+49 228 91 88-845