Inhalt. In Teil 1a diskutieren wir den Verbrauch von Energie. Wir motivieren, warum wir uns überhaupt mit dem Thema beschäftigen und in einer sehr speziellen Herangehensweise, nämlich über die energieintensiven Industrie in Deutschlands, das tun. Ich gebe ein paar Projektbeispiele, ein paar Herausforderungen, die übrig bleiben.

Wie viel Energie wird verbraucht, schauen wir uns dann an. Wer braucht viel Strom? Die energieintensive Industrie und die Energiewende wird thematisiert und dann haben wir Datenskripte und Übersichten zu den stromkostenintensiven Unternehmen. Inwieweit wir uns hier nur auf

Strom oder de facto auch auf Gas und andere Energieformen konzentrieren, wird dann diskutiert. In Teil 1b gäbe es weitere Übersichten, Branchenübersichten je deutschlandweit und NRW spezifisch. Das gibt es nur als Foliensatz. Lernziele. Bezogen auf den Industriesektor sollen

die wesentlichen Herausforderungen der Energiewende verstanden werden. Der Begriff energieintensive Industrien wird eingeführt und soll verstanden werden nach dem Kapitel. Die dort relevanten Branchen sollen kennengelernt und eingeordnet werden können. Wir machen einen regionalen Bezug. Das Bundesland NRW lernen wir kennen aus der Energieperspektive und

insbesondere einige besonders energieintensive Firmen in unserer jeweiligen Nähe können betrachtet werden. Teil 1a Verbrauch von Energie. Wir starten mit einer Motivation. Man kann sich unter dem

unten angegebenen Link auf eine Grafik, die nicht unter einer passenden Lizenz veröffentlicht ist, anschauen wie Deutschland bis 2050 klimaneutral wird. Da ist eine zeitliche Entwicklung gezeigt. Das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt und Energie hat diese veröffentlicht. Zahlen in

Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten finden sich dort aufgeteilt in die wesentlichen Sektoren, wie sie hier genannt werden. Damit sind nicht Energiesektoren gemeint, sondern die Sektoren, die wir üblicherweise für den Verbrauch diskutieren. Energiewirtschaft selber, Industrie,

Gebäude, Verkehr, die Landwirtschaft als prominente Anteile. Oben drauf gibt es, glaube ich, noch den Abfallbereich mit einem kleinen Anteil in dieser Grafik. Der spielt aber keine besondere Rolle. Wenn man sich dann dort anschaut, wie die notwendige Entwicklung der Treibhausgasemissionen pro Sektor inklusive Gesetzeslage 2021 vonstattengehen muss und was

schon erreicht ist, kann man Folgendes festhalten. Von 1990 bis 2020 jeweils habe ich hier die Zahlen notiert. Die Energiewirtschaft hatte eine deutliche Reduktion von circa minus 53 Prozent geschafft in diesen Jahren von 466 auf 221 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten. Problem an der Sache war,

dass der Startwert einfach sehr hoch war, sodass dieser Sektor in der Projektion für 2020 noch ein Stückchen größer war als die anderen Sektoren. Der Industrie-Sektor hatte aber mit deutlich

tieferen Ausgangsniveau immerhin eine Reduktion um 37 Prozent geschafft auf 178 Millionen Tonnen noch. Der Gebäudesektor kam als nächstes minus 43 Prozent von 210 auf 120. Der Verkehrssektor lediglich minus 11 Prozent. Er startet aber auch nur bei 164 Millionen Tonnen und landet nun bei 146 Millionen

Tonnen, was höher ist leider als der Gebäudesektor. Und die Landwirtschaft hatte 27 Prozent geschafft von 90 auf 66. Und das Ärgerliche sicherlich ist, dass im Verkehrssektor, auch wenn er anteilsmäßig hier vielleicht nicht als größter wirkt, sich einfach zu wenig bewegt. Der Gebäudesektor

noch viel Potenzial hat. Der Industrie-Sektor sicherlich viel Potenzial hat, lediglich die Energiewirtschaft ordentlich was geschafft hatte, aber wo noch viel mehr gemacht werden müsste bis 2050. Eigentlich kann man zusammenfassen, es gibt diejenigen, die sich noch viel zu wenig beteilt

haben, aber diejenigen, die anteilsmäßig groß waren, haben auch jetzt immer noch viel zu tun, um von den CO2-Äquivalenten runterzukommen. Treibhausgasemissionen werden einfach viel zu viel ausgestoßen. Man kann es auch umformulieren. Die Lebenszeit eines Autos mit circa zwölf Jahren wenigstens eigentlich, das hieße dann eigentlich, dass Verbrennungsmotoren für fossile

Kraftstoffe bis maximal 2033 verkauft werden könnten, nach der damaligen Gesetzeslage jedenfalls. Wenn man die Zahlen anschaut, die Lebenszeit einer Heizung liegt bei etwa 25 Jahren wenigstens und Ölgasheizungen hätten nur bis 2020 überhaupt verkauft werden dürfen. Das ist das, was das in

der Praxis bedeutet. Wir sind also weit, weit weg von der Energiewende, die wir uns vorstellen. Auf dem Weg zur Klimaneutralität in 2050, das ist eigentlich spät, vielleicht zu spät, gibt es

laut dem Wuppertal-Institut für Klimaumwelt Energie drei Säulen, die bearbeitet werden müssen. Das eine ist die Energieeffizienz und Senkung des Energiebedarfs, das heißt eine Senkung auf, ich sag mal, in etwa die Hälfte des Primärenergiebedarfs in 2050. Wir diskutieren

den Primärenergiebedarf noch im Detail. Keine fossilen Kraftwerke, keine Verbrennungsmotoren im Transportsektor jedenfalls nicht. Solche mit fossilen Energien. Gebäudesanierungen müssten durchgeführt werden in Hülle und Fülle, effizientere Energieumwandlungen. Dann haben wir

die Säule Strom aus erneuerbaren Quellen und Elektrifizierung, elektrische Stadtverbrennungsmotoren, Wärmepumpe statt Boiler, starke Ausbau von Windenergie und Photovoltaik, Flexibilisierung über Batterien, alles bekannte Maßnahmen, aber hier nochmal in Summa gelistet. Und dann als eine einzelne wesentliche eigene Säule der Wasserstoff als Energieträger und Rohstoff. Wasserstoff im

direkten Einsatz in der Industrie für synthetische Energieträger unter anderem Kraftstoffe, das heißt nicht, dass das für den Pkw-Bereich gemeint ist, sollte man sagen. Für die Sektorkopplung, Power to Gas und so weiter, für Langzeitspeicherung im Gasnetz. Was hat das mit unserem Hauptthema für

das Modul zu tun? Die Sektorkopplung, effizientere Energieumwandlung ist Sektorkopplung, die Umwandlung ist Sektorkopplung eben. Die elektrischen Stadtverbrennungsmotoren sind das, also diese ganze Spalte hier gehört dazu. Auch der Wasserstoff einfach deswegen, weil er mehrere Sektoren

miteinander koppelt und ersetzt, was vorher eben problematisch war. So jedenfalls der Eindruck, den wir haben. Wenn wir das hier uns anschauen und wir werden auf mehrere von diesen Punkten, ganz besonders auf den Wasserstoff und intensiv im Ganzen auf Gase und den Wärmesektor eingehen,

in diese Module. Sektorkopplung, wie sieht das konkret aus? Ich erläutere es anhand eines typischen Ausschnitts unseres zukünftigen Energiesystems, so wie wir uns das aktuell vorstellen, nämlich des Power to Gas Kreislaufes. Wir starten mit einer Skizze der Gebäude, die in

jedem Fall ja mit Strom und Wärme versorgt werden wollen. Es können einzelne Häuser, mehr Familienhäuser, große Wohnanlagen, Wohngebäude aller Art, aber genauso Gebäude im gewerblichen oder industriellen Sektor sein. Was wir aktuell schon kennen, ist eine Versorgung

über Erneuerbare als ziemlich wichtige Ergänzung bereits unseres Stromsystems. Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen, große bzw. auf Dächern installierte Anlagen und wir alle wissen auch,

dass man in Teilen Elektroautos und auch schon weitere Fahrzeuge damit laden kann, was hinzukommen soll und in Teilen wenigstens schon vorhanden ist, aber noch nicht. Also flächendeckend sind größere Speicher aller Art, beziehen sich nicht nur auf Strom, wie hier angedeutet Batteriespeicher, sondern

auch auf die Wärme. Was dann ergänzt werden soll, ist ein großer Kreislauf, den wir so flächendeckend in Deutschland noch gar nicht haben. Überschussstrom nehmen, in viele viele Elektrolyseure schicken, aus dem Überschussstrom mit Wasser zusammen dann Wasserstoff und Sauerstoff machen. Der

Wasserstoff wird genommen, vielleicht in ein größeres Netz eingespeichert, ein Gasnetz für den Wasserstoff, dezidiert für Wasserstoffqualitäten mit Anschluss an Kavernen und andere Speicherformen, die wir uns gleich noch anschauen können und im Modul auch beleuchten. Er kann rückverstromt

werden bei Bedarf, dann erhalte ich wieder Wasser und Strom und was ich jetzt zusätzlich sehe, dass es nicht nur den gelben Pfad gibt der Stromweiterleitung und wieder Stromproduktion, sondern in der Elektrolyse und in der Brennstoffzelle auch betrachte, dass ich dort Wärmerückgewinnung

machen kann und die Wärme kann auch genutzt werden, um ein Fernwärmesystem, das soll dann hier angedeutet sein, mit den Pfeilen wieder zu den Häusern, um eben ein Fernwärmesystem zu beschicken und in den Städten und in der Industrie Wärme zur Verfügung zu stellen. Man kann dann statt nur an

die Autos zu denken, was vielleicht die falsche Idee ist, doch eher an andere Verkehrsmittel denken, Züge, sofern sie nicht nur elektrifiziert werden und Busse für die größeren Strecken, was hier den Wasserstoffbedarf natürlich betrifft und man kann überlegen, ob man in einem Teil der

Anlagen, vielleicht nicht in den kleinen Häusern, aber in großen Anlagen oder auch in ganzen Quartieren für den saisonalen Ausgleich größere Gasspeicher noch installiert und dann andere Speicherformen diskutiert, wie beispielsweise Metallhydrittspeicher. Als erstes Projekt möchte

ich FH, PUF und Flexfügs kurz erwähnen, da geht es um Power2Gas2X mit Metallhydrittspeichern, also im Grunde Szenarien, wie wir sie gerade diskutiert haben, sieht man hier auch, die Grafik ist nicht umsonst vergleichbar natürlich, große Wohnanlage, Industrie- bzw. Gewerbegebiet,

bis hin zum Netzanschluss von Speichern wollen wir Flexibilitätsoptionen, regenerative H2 Erzeugung und Nutzung mittels dezentraler stationärer Metallhydrittspeicher und der Integration in Gassnetze betrachten. Wir arbeiten schon eine ganze Weile daran, können das Labor in Betrieb nehmen,

um unsere Simulationsmodelle gegen Messdaten zu kalibrieren und dann Auslegungen für Systeme, wie sie hier skizziert sind, durchzuführen. All das in Zusammenarbeit mit unseren Kooperationspartner der GKN Hydrogen. Zweites Projektbeispiel, das BMBF vorhaben,

Transite, Systemanalyse als ein Bestandteil des Wasserstoffleitprojekts Transite. In der Systemanalyse geht es um Transportlösungen für grünen Wasserstoff, umfassend Netz, Schiff, alles Mögliche, Wasserstoff und auch in anderen Formen, also gasförmige oder auch in Form von

Ammoniak beispielsweise. Es gibt aktuell drei Wasserstoffleitprojekte in Deutschland und Transite ist das größte unter ihnen, mit Abstand, läuft bis Anfang 2025. Meine Arbeitsgruppe hat dort ein Teilvorhaben namens Mechamod, Modellierung und Analyse mechatronischer Komponenten für gekoppelte

Wasserstoffnetze. Warum gekoppelt? Sektorkopplung, Kopplung, Gas, Strom wird beleuchtet, Elektrolyseur, Großanlagen, Brennstoffzellen, Kraftwerke und Kraftwerke anderer Art, denn in Deutschland muss es nicht unbedingt die Brennstoffzelle sein, es könnten auch umgerüstete Gas- und Dampfkraftwerke sein. Gasnetzbetriebsmittel, Verdichterstation, Reglerstation und in jedem Fall

die Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung. Damit sind nicht Beimischungen gemeint zu Erdgas oder Methan, sondern die verschiedenen Wasserstoffqualitäten. Wasserstoff wird nie 100 Prozent, in hundertprozentiger Reinheit durch die Leitungen geführt. Es gibt immer Verunreinigungen und die sind wichtig. Mit den Projektpartnern führen wir Simulation und Analyse möglicher. Transformationsfade

vom aktuellen Erdgas zu einem Wasserstoffsystem durch die analysierende technische Grenzen der Komponenten und Ausfallsicherheit der Netze. Als drittes Projektbeispiel sei High Cologne Wasserstoffregion

Rheinland erwähnt mit dem konkreten Projekt High Pipco rund um Köln. Das ist gelaufen 2021 bis Anfang 2022 unter anderem mit meiner Arbeitsgruppe an Fraunhofer Sky. High Cologne Wasserstoffregion

Rheinland e.V. ist ein Verein in unserer Region, der sich zusammen mit der Firma EMCEL, der Energy Transition Consulting und dem Fraunhofer Sky auf den Wege gemacht hat, möglichst den aktuellen Bestand an Pipelines im Rheinland für Wasserstoff zu nutzen und für die Zukunft auszubauen, wobei gleichzeitig an Chemieparks und Raffinerien in und um Köln und

über regionale Projektentwicklungen angeknüpft werden soll. Weitere Infos gibt es auf der Projektwebseite.