Energiewende in der Industrie

Mit der Energiewende und den damit verbundenen Zielen entstehen vielfältige neue Anforderungen an die Energieerzeugung, -speicherung und -nutzung. Prozesse sind neu zu gestalten und integrieren, damit die Industrie bis 2050 klimaneutral werden kann.

 

Der Begriff „Energiewende“ bezeichnet den Weg zu einer alternativen, sauberen, bezahlbaren und sicheren, also nachhaltigen Energieerzeugung und -nutzung. Die Bundesregierung hat dabei fünf Ziele definiert, die im Rahmen der Energiewende zu erreichen sind. So soll der Anteil der Erneuerbaren Energien am Stromverbrauch bis 2030 65 Prozent erreichen, die letzten Kernkraftwerke sind bis 2022 vom Netz zu nehmen und der Kohleausstieg soll bis 2038 gelingen. Zudem ist es Ziel, den Primärenergieverbrauch durch Effizienzsteigerung bis 2050 um 50 Prozent gegenüber 2008 zu senken. Basierend auf diesen Zielen soll die Summe aller ergriffenen Maßnahmen eine Reduktion der Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55 Prozent gegenüber 1990 erreichen.

Diese Ziele bringen große Herausforderungen für Energieerzeugung, -speicherung und -nutzung der Zukunft mit sich. Auch IN4climate.NRW beschäftigt sich mit der Frage, woher, wieviel von welcher Energieform zu welchen Preisen für die klimaneutralen Industrieprozesse zur Verfügung steht.

Die fünf Energiewendeziele auf einen Blick

  1. Steigerung des Anteils an Erneuerbaren Energien am Strombedarf bis 2030 auf 65 %
  2. Abschaltung der letzten Kernkraftwerke bis 2022
  3. Kohleausstieg bis spätestens 2038
  4. Senkung des Primärenergieverbrauchs bis 2050 um 50 %
  5. Reduktion der Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55 %

Mit den Zielen der Energiewende ist der Ausstieg aus der traditionellen Strom- und Wärmeerzeugung auf Basis fossiler Ressourcen und der Umstieg auf Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien unumgänglich.

Einiges wurde in Deutschland auf dem Weg zu diesem Ziel schon erreicht. Über 40 Prozent des Stroms stammt mittlerweile aus Wind, Sonne, Wasser und Biomasse. Doch um die vereinbarten Klimaziele bis zum Jahr 2050 zu erreichen, müssen noch zahlreiche Schritte erfolgen. Hier ist es nicht mit einer Maßnahme allein getan, sondern eine Vielzahl von Lösungsansätzen und Technologien haben ineinander zu greifen. Eine Kombination aus kostengünstigen Lösungen und einer optimalen Systemintegration ist gefragt.

Eine besondere Herausforderung bei der Energieerzeugung auf Basis regenerativer Quellen ist die Tatsache, dass diese im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken weniger steuer- und planbar ist, Bedarf und Erzeugungsmenge somit nicht mehr zusammenfallen. Konzeptionell kommt bei dieser Thematik vor allem der Sektorenkopplung eine wichtige Rolle zu. Wurden die verschiedenen Sektoren, wie zum Beispiel Elektrizität, Wärmeversorgung, Verkehr und Industrie, lange Zeit unabhängig voneinander betrachtet, so geht die Entwicklung hin zu einem optimierten und smarten Gesamtsystem. Zum einen kann durch die intelligente Kopplung von bestimmten energieeffizienten Technologien der Energieverbrauch deutlich gesenkt werden, zum anderen lassen sich die schwankenden Erzeugungsmengen Erneuerbarer Energie durch flexible Prozesse, Speicher und Power-to-X Technologien sektorenübergreifend effizient im Gesamtsystem nutzen.

Die Erzeugung von Energie aus regenerativen Quellen birgt aufgrund der volatilen Verfügbarkeit von Wind und Sonne besondere Herausforderungen, da Bedarf und Erzeugungsmenge nicht mehr zwangsläufig zeitlich zusammenfallen. Dem erheblichen Energiebedarf steht immer mehr ein wechselhaftes Energieangebot gegenüber. In diesem Zusammenhang werden Speicherlösungen zur Flexibilisierung des Systems relevant, die als zeitliches Verzögerungselement im Rahmen der Energieversorgung dienen. Sie nehmen in nachfrageschwachen Zeiten ein Überangebot von Energie im Stromnetz auf und geben sie bei Spitzenlast, also bei einem hohen Bedarf, wieder ins Netz ab.

Da Energie aus regenerativen Quellen in Form von Strom vorliegt, lässt sie sich leicht in eine Vielzahl anderer Energieformen umwandeln und so mechanisch, thermisch oder chemisch speichern. Ein Beispiel für mechanische Speicher ist der Pumpspeicher, bei dem Wasser in ein höherliegendes Becken gepumpt wird, das später für den Antrieb von Turbinen zur Stromerzeugung wieder abgelassen werden kann. Thermische Speicher, oder auch Wärmespeicher genannt, sind sowohl kurzfristig als auch saisonal verfügbar und können je nach Bauart Niedertemperaturwärme zur Raumheizung oder Hochtemperaturwärme für industrielle Anwendungen aufnehmen und wieder abgeben. Chemische Energiespeicher können zum einen als Batteriespeicher konstruiert sein, in denen chemische Reaktionen zum Be- und Entladen ablaufen; zum anderen kann Strom aber auch genutzt werden, um unterschiedliche Energieträger herzustellen, die anschließend je nach Bedarf energetisch oder als Rohstoff genutzt werden können.

So kann auch Wasserstoff als Speichermedium dienen und als solches an Bedeutung gewinnen. Es ist möglich, Wasserstoff zum Beispiel in unterirdischen Kavernen oder in Röhrenspeichern zu lagern und zu einem späteren Zeitpunkt entweder energetisch oder stofflich im Rahmen von Produktionsprozessen einzusetzen.

Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten sind zudem vor allem Power-to-X-Technologien im Rahmen der Energiewende für die Industrie besonders relevant. Dank Power-to-Gas (P2G), Power-to-Liquids (P2L) und Power-to-Chemicals (P2C) kann der überschüssige Strom in andere Stoffe umgewandelt und so zeitlich unabhängig von der Erzeugung genutzt werden. Zusätzlich zur Speicherung von Strom bieten diese Technologien die Möglichkeit, der Industrie grüne Rohstoffe für nachhaltigere Produkte bereitzustellen. Zudem ist es möglich, durch Power-to-Heat sowohl Wärme für Fern- und Nahwärmenetze als auch Prozesswärme für die Industrie bereitzustellen oder in Hochtemperaturwärmespeichern zwischenzuspeichern. Die gespeicherte Wärme kann dann zeitversetzt als Prozesswärme genutzt oder mittels Dampferzeugung rückverstromt werden.

Die Energiewende kann allerdings nur dann gelingen, wenn auch die relevante Infrastruktur zur Umsetzung dieser Lösungen und Technologien geschaffen wird. So werden beispielsweise Leitungen und Netze zum Transport unterschiedlicher Energieformen benötigt. Ein wichtiger Forschungsbedarf besteht daher aktuell in der Klärung der Nutzbarkeit vorhandener Infrastrukturen sowie der Notwendigkeit neuer Infrastrukturmaßnahmen.

Die Grundstoffindustrie gehört zu den besonders energieintensiven Sektoren. Damit nimmt die Nutzung Erneuerbarer Energien im Hinblick auf die Anforderungen der Energiewende auch für die Industrie einen signifikanten Stellenwert ein. Hinsichtlich der Energienutzung kann künftig vor allem Wasserstoff eine Schlüsselrolle spielen. Er kommt bereits heute in der chemischen Industrie als einer der zentralen Grundstoffe zum Einsatz. Im Rahmen der Sektorenkopplung können aus ihm – in Reaktion mit Abgaskomponenten – klimafreundliche chemische Grundstoffe entstehen, welche zum Beispiel als synthetische Kraftstoffe oder Ausgangsstoffe für andere Industriezweige verwendet werden. Insbesondere in industriellen Prozessen oder zur Wärme- und Stromproduktion in Gasturbinen und Brennstoffzellen besitzt Wasserstoff ein umfangreiches Potenzial. Die Herstellung von „grünem“ Wasserstoff erfordert große Mengen an erneuerbarem Strom. Als mögliche Quellen dienen der sogenannte Überschussstrom oder explizit für die Herstellung von Wasserstoff errichtete Windkraft- oder Photovoltaikanlagen.

Auch das Nutzen von Potenzialen einer stärker vernetzten Kreislaufführung von Stoffen (Circular Economy) ebenso wie die stoffliche Verwertung von abgeschiedenem CO2 (CCU – Carbon Capture and Utilisation) gehen mit einem großen zusätzlichen Energiebedarf einher. Dies ist beim Blick auf ein prozentuales Ausbauziel Erneuerbarer Energien zu beachten.

Um Energie möglichst effizient nutzen zu können und dabei das zeitliche Auseinanderfallen von Erzeugungs- und Bedarfsmenge zu berücksichtigen, wird Produktionsflexibilität zu einem wichtigen Steuerungselement. Mit dem sogenannten Demand Side Management können Industriebetriebe eine Systemstabilisierung über clevere Nachfrage realisieren. Einzelne Werke oder Produktionslinien können heruntergefahren werden, wenn wenig Strom im Netz ist, um dann wieder hochzufahren, wenn größere Mengen Strom ins System eingespeist werden. Hiermit hat es die Industrie schon heute geschafft, mehr Effizienzgewinne und CO2-Einsparung verbunden mit einer Systemstabilisierung zu erreichen als Privathaushalte, die aktuell noch wenig Handhabe zur flexiblen Stromnutzung besitzen. Ein gutes Beispiel für einen flexibilisierten Herstellungsprozess liefert unser Best-Practice-Projekt von TRIMET .

Übersicht eines zukünftigen klimaneutralen Industrienetzwerks, basierend auf Wasserstoff als Hauptenergieträger und Grundstoff für die Verwertung unvermeidbarer Emissionen mittels Power-to-X.