Modellierung der Energieversorgung : Mit LiSA zu Ökobilanzen für Energiesysteme

Der Forschungsschwerpunkt des Josef Ressel Zentrums LiSA ("Linked System Assessment to support sustainable energy supply“) am Standort Pinkafeld der Hochschule Burgenland liegt auf der Modellierung von nachhaltigen Energiesystemen unter Berücksichtigung verschiedener Perspektiven, wie der Kosten- und Klimaoptimierung, aber auch sozialer Gesichtspunkte wie Akzeptanz von Technologien. Die Sicherung einer nachhaltigen Energieversorgung steht seit der Gründung des Zentrums 2022 im Fokus.

Das Team rund um Zentrumsleiterin Doris Rixrath analysiert dort komplexe integrierte Energiesysteme, um diese nachhaltiger und effizienter zu machen. Bei einer umfassenden Nachhaltigkeitsbetrachtung werden auch die Umwelt- und sozioökonomischen Auswirkungen von Lieferketten mitgedacht. Partner sind dabei die Energieunternehmen Burgenland Energie und Wien Energie. Gefördert wird das Zentrum von den Unternehmenspartnern und über die Christian Doppler Forschungsgesellschaft vom Ministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort.  

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Die weltweit vereinbarten Klimaziele sowie günstige wirtschaftliche Rahmenbedingungen treiben den globalen Ausbau erneuerbarer Energien voran. Dieser Ausbau muss auf einem gut entwickelten Methodenkomplex zur Bewertung der technischen, ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Auswirkungen basieren. Solche Methoden sollen den gesamten Lebenszyklus berücksichtigen und eine effiziente, zielgerichtete und quantitative Bewertung von Energietechnologien und -systemen ermöglichen.

Das Josef Ressel Zentrum LiSA soll dazu beitragen, diesen Bedarf zu decken. Das Zentrum konzentriert sich auf thermische Energieumwandlungssysteme, die in eine erneuerbare Energielandschaft eingebettet sind. Es werden drei Ebenen von Energiesystemen berücksichtigt und mithilfe von Anwendungsfällen aus der Praxis abgebildet.

1. Einzeltechnologien, die Energie bereitstellen und in Wärme/Kälte und Strom umwandeln
2. Verteilsysteme, wie z.B. Fernwärme- und Fernkältenetze
3. integrierte Energiesysteme, die Heiz-/Kühlsysteme mit erneuerbaren Energiequellen kombinieren, wie z. B. Sektorkopplungstechnologien

Ein Ziel des Zentrums ist es, Methoden anzupassen und anzuwenden, um einen dynamischen Rahmen für die Nachhaltigkeitsbewertung zu schaffen. Der Rahmen soll allgemein auf Energiesysteme mit einer thermischen Komponente anwendbar sein. Die Modellierung und Bewertung der verschiedenen Energiesysteme nutzt einen Methodenkomplex zur Nachhaltigkeitsbewertung, der 

1. die technische Modellierung/ Simulation,
2. die ökologische Lebenszyklusanalyse (LCA),
3. die soziale Lebenszyklusanalyse (SLCA) und
4. die wirtschaftliche Bewertung verbindet.

Nachhaltigkeit ist ein sich ständig veränderndes Ziel, und die Ökobilanz als etablierte, quantitative Methode mit einer gut entwickelten Datenbank ist sicherlich ein wichtiger Treiber für die Nachhaltigkeitsbewertung im Allgemeinen und bietet dem LiSA-Ansatz des Josef Ressel Zentrums den methodischen Grundstock. Die Nachhaltigkeitsbewertung geht jedoch heute weit über den Umweltaspekt hinaus. Die aus der Ökobilanzierung bekannten methodischen Konzepte – etwa prospektive Ansätze, Allokationsmethoden oder der Unterschied zwischen konsequenz- und attributbasierten Bewertungen – lassen sich auch auf soziale und wirtschaftliche Fragestellungen übertragen. 

Nachhaltigkeit wird dabei zu nehmend ganzheitlich verstanden: Neben dem klassischen Drei-Säulen-Modell (Ökologie, Soziales, Ökonomie) gewinnen auch neue Ansätze an Bedeutung, etwa die Nachhaltigkeitsberichterstattung von Unternehmen im Rahmen von ESG (Ecology, Social, Governance) oder Konzepte der „absoluten Nachhaltigkeit“, die sich an globalen ökologischen Grenzen orientieren. Diese Aspekte dürfen nicht außer Acht gelassen werden und müssen mittels geeigneter Methoden Berücksichtigung finden.  

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Die aktuellen Forschungsarbeiten befassen sich mit der Frage, wie nachhaltig thermische Energiesysteme tatsächlich sind – und wie sich ihre Bewertung verbessern lässt. Ein konkretes Beispiel ist eine Studie zur Ökobilanz einer Fernkälteanlage, die sowohl mit Kompressions- als auch mit Absorptionskältemaschinen arbeitet. Dabei zeigte sich: Wenn anstelle von jährlichen Durchschnittswerten stündlich aufgelöste Energiedaten verwendet werden, können die berechneten Umweltauswirkungen um bis zu 41 Prozent geringer ausfallen. Dieses Ergebnis verdeutlicht, wie wichtig eine genauere zeitliche Betrachtung ist, um die tatsächliche ökologische Performance moderner Energiesysteme realistisch einzuschätzen.

Die Studie untersucht, wie sich die Nutzung von Wind- und Solarenergie effizienter gestalten lässt – am Beispiel eines Hybridparks. Dort würden Zeiten mit gleichzeitig starkem Wind und hoher Sonneneinstrahlung zu Netzüberlastungen führen: Die Einspeisung ins Stromnetz wird daher begrenzt, wodurch jährlich rund 20 MWh an erneuerbarer Energie verloren gehen können – etwa 0,1 Prozent der gesamten Windproduktion des Parks. In verschiedenen Szenarien wurde analysiert, wie sich dieser Verlust reduzieren lässt – etwa durch Zwischenspeicherung des Überschusses oder den Ausbau der Netzkapazität. 

Die Ergebnisse der Studie zeigen: Wird die Abregelung von Windkraftanlagen vermieden, lassen sich die Klimaauswirkungen senken. Der Ausbau der Transformatorenkapazität verringert die Umweltbelastungen spürbar um über 10 Prozent, während der Einsatz von Batteriespeichern im Vergleich zur aktuellen Praxis zu höheren Umweltauswirkungen führt. Trotz moderner Batterietechnologien zeigen sich hier deutliche ökologische Belastungen – weshalb deren Einsatz stets im Kontext jedes Projektes geprüft werden muss. Die Studie liefert damit wichtige Erkenntnisse, um das Potenzial erneuerbarer Energien auszuschöpfen, wodurch die Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit im Energiesektor weiter gestärkt wird. 

Die vorgestellte Analyse befasst sich mit der ökologischen Bewertung eines realen Energiesystems, das sowohl Strom als auch Wärme bereitstellt. Untersucht wurden drei Varianten: ein System mit Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB), eines mit Lithium-Ionen-Batterie (LIB) und ein System ohne Speicher. Die Ökobilanz wurde nach ISO 14040/44 durchgeführt, alle Ergebnisse werden auf die funktionelle Einheit von 1 kWh Energie (28 Prozent Strom, 72 Prozent Wärme) bezogen.  

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Die Ergebnisse zeigen, dass Speicher nicht automatisch nachhaltiger sind. In der Wirkungskategorie globale Erwärmung weist das System mit LIB rund 40 Prozent geringere Emissionen, das System ohne Speicher sogar 52 Prozent weniger Emissionen auf als die VRFB. Ähnliche Muster zeigen sich bei Feinstaubbildung und Humantoxizität, während bei Süßwasserökotoxizität und Ressourcenverbrauch die Unterschiede geringer ausfallen. Besonders die Batterieproduktion trägt hier stark zu den Umweltwirkungen bei. Dabei hat die Lebensdauer der Batterien einen wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisse: Eine längere Nutzungszeit (25–30 Jahre statt 5–10 Jahre) reduziert die Umweltbelastungen signifikant, insbesondere bei der VRFB, da sich der hohe Produktionsaufwand über eine längere Betriebsdauer amortisiert.  

Die Studie verdeutlicht, dass die technische Auslegung und Systemintegration entscheidend für die ökologische Gesamtbilanz sind. Effiziente Speicherlösungen müssen daher im Kontext des gesamten Energiesystems bewertet werden – einschließlich Herstellung, Nutzung und Lebensende. Nur wenn Umweltwirkungen über den gesamten Lebenszyklus berücksichtigt werden, kann eine Aussage über die Nachhaltigkeit von Systemen getroffen werden.