Wenn Fabriken zu Partnern des Stromnetzes werden

Muss die Industrie die Energiewende ausbaden, oder kann sie sie retten? Fabriken gelten bei vielen als Klimasünder Nummer eins. Dabei liegt genau dort einer der größten noch wenig genutzten Hebel, ebenso wie in Kraftwerken, Wärmenetzen und Energiegemeinschaften: Wer Energieverbrauch und -erzeugung intelligent verknüpft, spart Netzausbaukosten, senkt Energiekosten und macht das gesamte System krisenfester. Doch wie lässt sich diese Flexibilität aktivieren?

Thomas Sobottka Fraunhofer Austria

Im heutigen Energiesystem laufen Angebot und Nachfrage oft aneinander vorbei. Erneuerbare liefern, wenn Wind weht und Sonne scheint. Fabriken, Haushalte und Wärmenetze verbrauchen Energie, wenn es ihr Betrieb verlangt. Jede Lücke dazwischen muss teuer ausgeglichen werden, an etwa 200 Tagen im Jahr durch das Anwerfen von Reserve-Gaskraftwerken und langfristig durch zusätzlichen Netzausbau. Energieerzeugung und Energieverbrauch zu synchronisieren, ist einer der Schwerpunkte, mit denen sich Forscher:innen bei Fraunhofer Austria schon länger beschäftigt.

Die Kernkompetenz: Erzeugung und Verbrauch im Gleichtakt
„Wir synchronisieren Energieerzeugung und Energieverbrauch, und zwar in drei Feldern: bei produzierenden Unternehmen, bei Energieversorgern und in Energiegemeinschaften. Unser Ziel ist es, Flexibilität dort zu heben, wo sie entsteht, und so den Netzausbaubedarf zu reduzieren und zu ergänzen“, sagt Lukas Lingitz, Geschäftsbereichsleiter bei Fraunhofer Austria.

Industrie: Der große Hebel mit hohem Risiko
Rund 44 Prozent der Emissionen entfallen auf die Industrie, mehr als auf jeden anderen Sektor. Das ist ein enormer Hebel für die Dekarbonisierung. Für Unternehmen, die ohnehin mit im internationalen Vergleich hohen Energiekosten kämpfen, ist es aber auch eine Zumutung. Ganze Branchen, etwa die Autoindustrie, stecken zugleich im Umbau ihres Geschäftsmodells. Viele Betriebe erleben die Transformation des Energiesystems daher eher als Risiko, denn als Chance. Fraunhofer Austria setzt hier an. Die Forschungseinrichtung will die Umstellung planbar und effizienter machen und zeigt Unternehmen konkrete Lösungswege auf.

Zwei Hebel stehen im Vordergrund. Der erste sind Energiespeicher. Sie schaffen neue Freiheitsgrade, mit denen sich schwankendes Angebot abfedern lässt, und werden so selbst zum Kostensenker. Der zweite ist die Prozesswärme, die in weiten Teilen der Industrie noch mit Erdgas oder anderen fossilen Quellen erzeugt wird. Wo technisch möglich, sollen künftig Wärmepumpen eingesetzt werden, alternativ kommen andere Formen der Elektrifizierung oder Wasserstoff infrage, etwa für sehr hohe Temperaturen oder bestimmte chemische Prozesse. Die Herausforderung dabei: Nach gängigen Abschätzungen liegt der zukünftige Durchschnitts-Strompreis deutlich über dem aktuellen Erdgaspreis. Das macht jede Umstellung zur wirtschaftlichen Rechenaufgabe. „Prozesswärme auf Erneuerbare umzustellen und der gezielte Einsatz von Energiespeichern sind zwei Baustellen, an denen sich viel bewegen wird. Die Herausforderung liegt aber darin, das ganze System wirtschaftlich zu gestalten und zu steuern“, sagt Thomas Sobottka, Senior Researcher bei Fraunhofer Austria.

Wenn die Produktionsplanung selbst zur Flexibilität wird
Ein bislang wenig genutzter Hebel liegt in der Produktion selbst. Wird sie so geplant, dass ihr Energieeinsatz besser zur Energieverfügbarkeit passt, braucht es oft weniger zusätzliche Investitionen in Hardware. Lastspitzen lassen sich durch Peak Shaving kappen und energieintensive Schritte in günstige Zeitfenster verschieben. Auch Prozessträgheiten, bspw. langsame Temperaturwechsel in Kühlanlagen und träge Druckluftspeicher, oder auf- bzw. absteigende Temperaturen auf Industrieöfen, lassen sich gezielt nutzen, um Energieeinsatz zeitlich zu „verschieben“. Die Kehrseite: Der Erfolg hängt davon ab, wie sicher sich ein Prozess wie geplant ausführen lässt, und die Planungskomplexität steigt spürbar. Genau hier setzen Digitalisierung und künstliche Intelligenz an.

In verschiedenen vorangegangenen Forschungsprojekten bis zum laufenden Projekt UMBERTO entwickelt Fraunhofer Austria automatisierte Energielaststeuerung für Fabriken, Demand Side Management genannt. Reale Anlagen werden digital modelliert und damit künftiges Verhalten durchgespielt. Die daraus ermittelten optimalen Steuerungsmaßnahmen fließen zurück ins reale System. So entsteht ein ständiger Regelkreis aus Daten, Optimierung und Ausführung – das wird Digitaler Zwilling genannt. Er steigert die Energieeffizienz und macht Flexibilität für Energiemärkte und Netzdienstleistungen nutzbar. Ergänzend entstehen in den Projekten RISE und explAIn-X datenbasierte Prognosen für Märkte, Verbraucher und Erzeugung und KI-basierte Steuerung bspw. für Großbatterien. Die KI-Methoden beziehen dabei auch Prognoseunsicherheiten in die Steuerung ein und werden erklärbar gemacht.

„Wenn eine Fabrik weiß, wann sie wirklich viel Energie braucht, und das mit dem Netz abstimmt, gewinnen am Ende beide Seiten – und das Energiesystem wird alle Stromkund:innen günstiger“, erklärt Thomas Sobottka.

Energieversorger: Optimale Fahrpläne für Kraftwerke und Wärmenetze
Dieselbe Logik gilt auf der Erzeugungsseite. Energieversorger stehen vor der Aufgabe, ihre Anlagen so einzusetzen, dass Angebot und Bedarf wirtschaftlich bestmöglich zusammenfinden. Dabei müssen sie volatile Strompreise, schwankende Einspeisung aus Erneuerbaren und den Wärmebedarf ihrer Kundinnen und Kunden gleichzeitig berücksichtigen. Fraunhofer Austria entwickelt dafür Methoden zur Fahrplanoptimierung – also wann Anlagen wie intensiv laufen sollen –, etwa für Kraftwerke mit kombinierter Wärme- und Stromerzeugung und für die Steuerung von Fernwärmenetzen. Verbrauchsprognosen, Marktdaten und die technischen Möglichkeiten der Anlagen fließen dabei in eine gemeinsame Einsatzplanung ein. So wird mehr Biomasse und weniger Erdgas eingesetzt, Brennstoff wird effizienter genutzt, und Erzeugung und Verbrauch werden besser aufeinander abgestimmt. Solche automatisierten Steuerungstools hat Fraunhofer Austria unter anderem für das Kraftwerk der EVN in Dürnrohr sowie für Erzeugungsaggregate in komplexen Wärmenetzen umgesetzt.

Energiegemeinschaften: Vom Verrechnungsmodell zum steuerbaren Baustein
Das dritte Feld sind Energiegemeinschaften. Bisher sind sie passive Verrechnungseinheiten, die erzeugten Strom lediglich in der Rückschau bilanziell zwischen den Teilnehmenden verrechnen. Im Projekt LORETTA arbeitet Fraunhofer Austria daran, sie zu aktiv gesteuerten Bausteinen eines dezentraleren, netzdienlichen Energiesystems zu machen. Ein wesentlicher Hebel ist die Speicherbewirtschaftung. In den Energiegemeinschaften verteilte Speicher können optimiert so betrieben werden, dass lokal erzeugte Energie möglichst vor Ort genutzt wird und weniger Strombezug zu ungünstigen Zeiten das Netz entlastet. Auch hier ist das Ziel, Erzeugung und Verbrauch zu synchronisieren und damit den Netzausbaubedarf zu senken.

Planbarkeit trotz beweglicher Ziele
Industrieprozesse und Energieerzeugung müssen im künftigen Energiesystem funktionieren: dekarbonisiert, zuverlässig und wirtschaftlich tragbar. Erschwerend kommt hinzu, dass Rahmenbedingungen wie das EU-Emissionshandelssystem ETS2 oder der europäische Green Deal samt CO₂-Bepreisung bewegliche politische Ziele sind – ETS2 wurde schon zweimal von 2025 auf aktuell 2028 verschoben. Für jede Business-Case-Rechnung sind sie dennoch entscheidend. Fraunhofer Austria erstellt daher Szenarienrechnungen und Roadmaps. Sie zeigen transparent, unter welchen Bedingungen welche Schritte sinnvoll sind, etwa Investitionen oder neue Prozesstechnologien. So wird die Transformation schneller und für Unternehmen planbar.

Von der Forschung in den Betrieb
Fraunhofer Austria initiiert Forschungsprojekte, in denen konkrete Lösungshilfen für die Energietransformation entstehen. Anschließend begleitet die Forschungseinrichtung Industrieunternehmen, Energieversorger und Energiegemeinschaften dabei, diese Ansätze in den Betrieb zu überführen. Ob Speicher-Auslegung, Prozesswärme, Kraftwerksfahrpläne oder digitale Steuerung: Am Ende entscheidet sich der Erfolg daran, wie gut Erzeugung und Verbrauch zusammenfinden, in der einzelnen Fabrik genauso wie im Gesamtsystem.

Text Thomas Sobottka, Fraunhofer Austria