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Energiewelt
2040
Energiewelt
2040
Entscheidend für den Industriestandort Österreich ist der Einsatz von Technologien, die eine emissionsarme oder sogar emissionsfreie Produktion ermöglichen.
In den 20er Jahren ging nicht nur ein Drittel des österreichischen Energieverbrauchs auf das Konto der Industrie, sondern auch ein Drittel der CO₂-Emissionen (Umweltbundesamt, 2024). Der Ausstieg aus fossilen Energieträgern, allen voran Erdgas, war wesentlich, um diese Emissionen loszuwerden. Mit dem Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energien sind der Bedarf an grünem Strom sowie die Anforderungen an strombasierte Technologien gestiegen, die auch unter hohen Temperatureinsätzen in der Industrie zuverlässig funktionieren.
Effizienz war und ist hier das Stichwort: Mit weniger Energieeinsatz das Gleiche oder sogar mehr zu erreichen ist das Ziel. Viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist in den vergangenen Jahrzehnten geleistet worden, um vorhandene oder neue Technologien effizienter und damit energiesparender zu gestalten und zugleich emissionsarme oder sogar emissionsfreie Produktion zu ermöglichen. Viele dieser Technologien sind heute bereits flächendeckend im Einsatz. Wir stellen einige der wichtigsten vor:
Wärmepumpen wurden vor allem durch ihren Einsatz in Ein- oder Mehrfamilienhäusern bekannt. Ihr Einsatz in der Industrie begann erst ein wenig später, denn lange war der Output an Wärme nicht ausreichend für die oft sehr temperaturintensiven Industrieprozesse. Nur rund 15 % der Industrieprozesse finden im Niedertemperaturbereich (bis 200 °C) statt (Statistik Austria, 2024). Hier werden Kompressionswärmepumpen schon seit rund 20 Jahren eingesetzt, beispielsweise für Trocknungen in der Papier- und Ziegelindustrie oder in der Lebensmittelindustrie für Reinigung oder Pasteurisation.
Das Grundprinzip der KI hat dazu geführt, dass sie aus dem heutigen Energiesystem nicht mehr wegzudenken ist und vor allem in automatisierte Entscheidungsprozesse eingebunden wird.
In der Industrie werden hauptsächlich elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen verwendet. Hier wird die benötigte Wärme einer Wärmequelle wie beispielsweise der Luft oder dem Erdreich entzogen. Im Verdichter wird das Kältemittel anschließend mithilfe von elektrischer Energie komprimiert, sodass Druck und Temperatur des Kältemittels steigen. Sowohl die gewonnene Kälte als auch Wärme können dabei genutzt werden.
Auch Dampf als wichtiger Energieträger in der Industrie kann über die Wärmepumpe mithilfe eines hinzugeschalteten Dampfverdichters erzeugt werden. Gab es in den 20er-Jahren für diesen Anwendungsbereich fast ausschließlich Demonstrationsanlagen, ist ihr Einsatz heute bereits flächendeckend.
Für die Produktion von Stahl sind Temperaturen bis weit über 1000 °C erforderlich und hierfür werden seit einigen Jahren sogenannte (Elektro-)Lichtbogenöfen eingesetzt. Diese Industrieöfen können leitfähiges Material auf bis zu 3500 °C erhitzen und kommen beim Einschmelzen und Gießen von Metallen zur Verwendung – etwa in der Stahlindustrie zur Produktion von Rohstahl, aber auch zum Recycling von Eisenschrott.
Lichtbogenöfen oder Electric Arc Furnaces (EAF) schmelzen im Wesentlichen die Einsatzstoffe zur weiteren Verarbeitung ein und leisten grundlegende metallurgische Arbeit. Zum Einschmelzen wird mithilfe von elektrischer Energie im Ofen ein Lichtbogen erzeugt: Ist das Ofengefäß beladen („chargiert“), wird der Ofendeckel geschlossen und die drei circa 70 cm starken Grafitelektroden herabgesenkt.
Durch sie fließt mit der Zündung ein rund 80.000 Ampere starker Strom und bildet einen Lichtbogen. Mit einer Temperatur von mehr als 3.000 °C erhitzt er, unterstützt von Brennern im Ofengefäß, den Ofeninhalt und schmilzt ihn innerhalb von circa 48 bis 50 Minuten ein. Abschließend wird die Schlacke entfernt, der Stahl abgestochen und das noch heiße Ofengefäß wieder chargiert.
Neben diesen konkreten Anwendungen spielen folgende digitalen Technologien eine entscheidende Rolle im Energiesystem der Gegenwart 2040:
Physische und virtuelle Welten sind zunehmend miteinander verschmolzen – etwa in der Form, dass Produkte sowie Produktionsprozesse und -systeme vollständig und durchgängig im digitalen Raum abgebildet werden können. Diese digitalen Abbildungen werden als Virtualisierung bezeichnet und helfen dabei, Informationen einer Computerverarbeitung zugänglich zu machen und neue Nutzenpotenziale zu erschließen. Was nicht durch Messung („direkt“) erfasst werden kann, muss durch Modelle oder Simulation ergänzt beziehungsweise (re-)konstruiert werden.
Virtualisierung ist umso effektiver, je mehr und je qualitativ hochwertigere Informationen zur Verfügung stehen. Um diese Daten zu generieren, sind Sensorsysteme nötig. Sie spielen auch eine wesentliche Rolle bei der Qualitätskontrolle der Produkte, bei vorausschauender Instandhaltung (Predictive Maintainance) und beim Product-Lifecycle-Management.
KI-Anwendungen haben sich in den vergangenen zwei Jahrzehnten rasant weiterentwickelt. Ihr Grundprinzip – aus großen Datenmengen zu lernen und Muster zu erkennen, um Wahrscheinlichkeiten abzuleiten – hat dazu geführt, dass sie im heutigen Energiesystem unverzichtbar geworden sind – vor allem im Bereich der automatisierten Entscheidungsprozesse. Neben den datengetriebenen Techniken werden hier wissensbasierte Verfahren wie Ablaufplanung, heuristische Suchverfahren und mathematische Optimierung eingesetzt. Durch KI kann etwa der Ressourceneinsatz, also beispielsweise Energieeffizienz und -verbrauch, optimiert werden.
