Wärme in der Industrie: Prozesse klimaneutral umgestalten

Eine klimaneutrale Industriezukunft benötigt nicht nur eine große Menge an elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien, entscheidend ist auch eine erfolgreiche Wärmewende. Etwa 40 Prozent der weltweiten Kohlenstoffdioxidemissionen entstehen durch Wärmeproduktion, wovon die Hälfte für industrielle Prozesswärme genutzt wird.

 

Innerhalb der deutschen Industrie macht Prozesswärme rund zwei Drittel des Energiebedarfs aus (UBA). Aktuell basiert ihre Erzeugung vor allem auf fossilen Brennstoffen. Zentrale Handlungsfelder, um die mit dem Wärmebedarf der Industrie verbundenen Emissionen zu reduzieren, sind eine gesteigerte Effizienz, insbesondere durch Abwärmenutzung, eine vermehrte Kreislaufwirtschaft, der Umstieg auf regenerative Wärmequellen oder auf eine elektrische Wärmerzeugung mittels erneuerbar erzeugten Stroms sowie eine optimierte Speicherung.

Ob Trocknen, Schmelzen oder Schmieden – ohne Prozesswärme wären technische Verfahren in der Industrie nicht denkbar. Rund 504 Terawattstunden (TWh) benötigt die Industrie in Deutschland dafür jährlich. Dabei sind die Anforderungen der verschiedenen Industriezweige an die Temperaturen höchst unterschiedlich: Von 160 Grad Celsius (°C) zur Trocknung in der Papierherstellung bis zu deutlich über 1.000 °C. Etwa die Hälfte der industriellen Prozesswärme wird mit einem solch hohen Temperaturniveau benötigt, vor allem zur Metallerzeugung und -bearbeitung, aber auch im Zement-, Glas- und Keramikgewerbe. Etwa ein Viertel brauchen Unternehmen der Chemie- und Maschinenbaubranche mit einem mittleren Temperaturniveau im Bereich unter 500 °C. Der Bedarf in Temperaturbereichen bis zu 100 °C macht nur etwa 10 Prozent aus, zum Beispiel in Unternehmen der Nahrungsmittelindustrie. In Nordrhein-Westfalen sind die Chemiebranche sowie die Eisen- und Stahlindustrie die größten Wärmeverbraucher. Auch Kälte zählt zu den Wärmeanwendungen und benötigt Energie, wenngleich der Jahresverbrauch von Industriekältesystemen sowie Gebäudeklimatisierung mit rund 30 Terawattstunden einen vergleichsweise geringeren Anteil ausmacht (vgl. UBA).

Vier-Stufen-Modell einer klimaneutralen Prozesswärmeversorgung (vgl. Diskussionspapier „Industriewärme klimaneutral“)

Die Ansätze und Strategien, um die industrielle Wärmenutzung klimafreundlicher zu gestalten, lassen sich grob in vier Stufen unterteilen: Effizienz steigern, d.h. unter anderem Abwärme intern oder extern nutzen, nach Möglichkeit regenerative Wärmequellen einbinden, Elektrifizierung mit erneuerbarem Strom sowie Nutzung alternativer Energieträger, wie z. B. grünen Wasserstoff. Noch liefern Kohle, Gas und Öl mit einem Anteil von über 75 Prozent den Hauptanteil industrieller Wärme. Durch Effizienzsteigerungen und mit dem Umstieg auf Erneuerbare Energien lassen sich viele Emissionen einsparen. Dabei eignen sich je nach erforderlichem Temperaturniveau verschiedene Ansätze und Technologien.

Die wirtschaftlichen Potenziale für Effizienzsteigerungen sind in vielen konventionellen Industrieprozessen bereits sehr weit ausgeschöpft. Darüber hinaus müssen zukünftig alle technischen Potenziale erschlossen werden. Wichtig ist vor allem die Verringerung des primären Wärmebedarfes durch Prozessoptimierung oder -umstellung sowie darüber hinaus die Vermeidung von Verlusten, z. B. durch optimale Dämmung, denn: Wärme, die gar nicht erst produziert werden muss, hat die beste Treibhausgasbilanz. Die darüber hinaus „unvermeidbare“ Abwärme kann auf vielfältige Arten genutzt werden. Beispielsweise in Fabriken und Gewerbebetrieben direkt zur Vorwärmung der Prozesse, zur Beheizung der Hallen oder zur sanitären Warmwassererzeugung – alternativ lässt sie sich zudem in ein Nah- oder Fernwärmenetz einspeisen und so Externen zur Verfügung stellen, z. B. einem Betrieb in der Nähe oder um Gebäude in Stadtquartieren zu beheizen. Auch eine Umwandlung in Strom ist möglich. Sind die Temperaturen der Abwärme für eine Nutzung zu gering, lassen sie sich beispielsweise mittels Wärmepumpen anheben. Der Bereich der Abwärmenutzung bietet großes Potenzial für den Klimaschutz, denn derzeit geht noch knapp die Hälfte der eingesetzten Energie zur Wärmeerzeugung als Abwärme wieder verloren. Eine aktuelle Potenzialanalyse des Landesamts für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen geht von 88 bis 96 Terawattstunden technisch verfügbarer Abwärme in NRW jährlich aus wovon ca. die Hälfte (44 bis 48 Terawattstunden) als technisch verwendbar eingeschätzt werden – was mit einer CO2-Einsparung von bis zu 13 Millionen Tonnen pro Jahr gleichzusetzen wäre (LANUV). Beim Aufbau der vieldiskutierten zukünftigen Wasserstoffinfrastruktur ist mit weiteren Abwärmequellen zu rechnen, insbesondere durch Elektrolyseure.

Von Vorteil ist, dass bei der direkten Nutzung von erneuerbarer Wärme keine zusätzlichen Umwandlungsverluste anfallen. Nachteilig sind allerdings die in NRW nur beschränkt zur Verfügung stehenden erneuerbaren Wärmequellen hinsichtlich des technisch-wirtschaftlich nutzbaren Temperaturniveaus für industrielle Zwecke.

Durch Solarthermie lassen sich hierzulande mit sogenannten nicht konzentrierenden Kollektoren, die sowohl direkte als auch diffuse Solarstrahlung nutzen, Temperaturen bis etwa 250 °C erzeugen. Allerdings ist diese Wärmeerzeugung sehr fluktuierend und von Tageszeiten abhängig. In Kombination mit einem Wärmespeicher jedoch kann solare Wärme die Bereitstellung von erneuerbarer Wärme für Niedertemperaturanwendungen wie Trocknungs- und Beheizungsprozesse gut unterstützen, z. B. in der Nahrungsmittelindustrie.

Die Nutzung von tiefer Geothermie, auch Tiefengeothermie genannt, bezieht sich auf Bohrtiefen von über 400 Metern. Die möglichen erreichbaren Temperaturen sind stark abhängig vom Standort sowie von der Untergrundbeschaffenheit. In NRW ist der Untergrund in weiten Teilen noch nicht ausreichend erforscht, es wird jedoch ein großes Potenzial vermutet. Mit Tiefengeothermie in mehreren Kilometern Tiefe lassen sich Temperaturen bis etwa 180 °C erreichen. Ein großer Vorteil ist ihre Grundlastfähigkeit, was bedeutet, dass sie keinen Tages-, Jahreszeiten- oder Wetterschwankungen unterlegen ist. Aus diesem Grund eignet sie sich zur verlässlichen Versorgung industrieller Prozesse im unteren bis mittleren Temperaturbereich (z. B. Trocknungsprozesse in der Papierindustrie) und lässt sich darüber hinaus bei Bedarf gut mit Wärmepumpen kombinieren, um das Temperaturniveau anzuheben.

Die Möglichkeiten, Strom aus Erneuerbaren Energien in Wärme umzuwandeln, sind vielfältig und werden unter dem Begriff „Power-to-Heat“ zusammengefasst. Wird Wärme aus Strom erzeugt, fallen dabei keine direkten Treibhausgasemissionen an. Um jedoch auch entlang der gesamten Wirkungsgradkette klimaneutral zu werden, ist eine wichtige Voraussetzung, dass der Strom regenerativ, z. B. aus Sonne, Wind oder Wasser erzeugt wird und perspektivisch der Anteil der Erneuerbaren Energien am Strommix im Netz deutlich erhöht wird.

Fabriken können beispielsweise Elektrodenkessel betreiben, die Strom in Heißwasser oder Dampf verwandeln. Diese Systeme können Maximaltemperaturen von mehreren hundert Grad erreichen. Bislang erfolgt die Erzeugung von Prozessdampf jedoch meist aus fossilen Quellen, da Erdgas als Brennstoff noch günstiger ist als Strom – zudem wäre die Elektrifizierung mit dem derzeit üblichen Strommix auch unter Klimaschutzaspekten noch nicht sinnvoll. Dennoch bieten sich perspektivisch Vorteile: Der Wirkungsgrad beim Stromeinsatz im Heizkessel ist hoch und Elektrodenkessel lassen sich leicht in Anlagen integrieren bei vergleichsweise niedrigen Investitionskosten.

Weitere Möglichkeiten zur elektrischen Wärmeerzeugung sind Erwärmungstechnologien, die beispielsweise Konduktion (mittels elektrischen Widerstands), Induktion oder Elektrolichtbogen nutzen, um z. B. Glas, Aluminium oder Stahl zu erhitzen oder sogar zu schmelzen.

Zukünftig könnten Industrieunternehmen möglicherweise sogar flexibel und kostengünstig Überschüsse der volatilen erneuerbaren Stromerzeugung für ihre Wärmeproduktion einsetzen und so einen Beitrag zur Speicherung und damit zur Netzstabilisierung leisten.

Erzielbare Temperaturen auf Basis Erneuerbarer Energien in NRW und potenzielle industrielle Anwendungen. (vgl. Diskussionspapier „Industriewärme klimaneutral“)

Wirkungsgradketten und Umwandlungsverluste von Power-to-Heat, Wasserstoffverbrennung und Verbrennung von synthetischem Methan (vgl. Diskussionspapier „Industriewärme klimaneutral“)

Beim Einsatz alternativer Energieträger müssen immer auch Umwandlungsverluste bei der Herstellung berücksichtigt werden. Wird der regenerativ erzeugte Strom direkt für die Wärmeerzeugung genutzt, ist der Gesamtwirkungsgrad höher als bei einer Nutzung des Stroms für Power-to-Gas-Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff oder synthetischem Methan, die dann im weiteren Schritt zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden.

Mit dem Ziel CO2-Emissionen vollständig zu vermeiden, muss der Einsatz von kohlenstoffhaltigen (C-haltigen) Brennstoffen minimiert werden, da sonst unweigerlich bei der Verbrennung des Kohlenstoffes CO2 entsteht. Dies nennt man Dekarbonisierung. In Industrieprozessen, wo weder eine Wärmebereitstellung über erneuerbare Quellen noch eine Elektrifizierung möglich sind, werden voraussichtlich auch zukünftig Verbrennungsprozesse notwendig sein. Grüner Wasserstoff hat den Vorteil, dass bei seiner Verbrennung nur Wasserdampf entsteht. Der Ersatz heutiger Erdgasbrenner und -öfen durch Wasserstofftechnik, z. B. in der Hochtemperaturerzeugung für metallurgische Prozesse in Walzwerken und Schmieden oder bei der Glasherstellung, muss erforscht, entwickelt und erprobt werden.

In einigen Industrieprozessen sind weiterhin C-haltige Energieträger erforderlich. Der Kohlenstoff wird beispielsweise in der metallverarbeitenden Industrie für spezielle Legierungen benötigt oder in Wärmebehandlungsöfen für sehr große Bauteile, da die notwendigen hohen Temperaturen und die Strahlungswärme nur mit kohlenstoffhaltigem Brenngas erzeugt werden können. In der chemischen Industrie wird ebenfalls Kohlenstoff als Grundstoff für eine ganze Reihe von Produkten benötigt. Hier ist eine vollständige Dekarbonisierung nicht möglich. Der Kohlenstoff sollte jedoch zukünftig nicht mehr fossilen Ursprungs sein – dies nennt man Defossilisierung. Mögliche Energieträger sind dann z. B. Biomasse, Biomethan oder synthetisches Methan. Die nachhaltig gewinnbaren Mengen für Biomasse und Biomethan sind allerdings limitiert, weshalb ihr Einsatz so gezielt und effizient wie nur möglich erfolgen sollte. Zum gleichzeitigen stofflichen und energetischen Einsatz in der chemischen Industrie oder auch in der Metallverarbeitung besteht derzeit noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf. So wird beispielsweise die Substitution von konventionellem Koks in der Eisen- und Stahlindustrie durch sogenannten „Biokoks“ getestet.

Die Wärmewende in der Industrie gehört zu den zentralen und wichtigsten Herausforderungen für das Erreichen von Klimaneutralität. Wie die Umstellung auf eine nachhaltige Versorgung mit Prozesswärme mit Blick auf die Klimaziele möglichst zeitnah gelingen kann, zeigt das von der Landesinitiative IN4climate.NRW veröffentlichte Diskussionspapier „Industriewärme klimaneutral: Strategien und Voraussetzungen für die Transformation“. Erste Projekte aus der Praxis der energieintensiven Branchen stellen wir auf unserer Webseite vor.

Eine wichtige Rolle für die Defossilisierung von Hochtemperaturprozessen spielt die Elektrifizierung mit regenerativ erzeugtem Strom. Die sehr energieintensive Stahlproduktion umfasst zwei Herstellungspfade: Die Primärroute zur Herstellung von Rohstahl aus Eisenerz sowie die Sekundärroute, bei der aus Stahlschrott wieder Rohstahl erzeugt wird. Bei letzterer ist Strom bereits standardmäßig im Einsatz, da Sekundärstahl mittels Lichtbogen oder Induktionsofen aus Stahlschrott, Roheisen oder Eisenschwamm erzeugt wird. Im Elektrolichtbogenofen wird über das Anlegen einer Spannung zwischen Schmelztiegel und Elektroden ein Lichtbogen erzeugt, der den Inhalt aufheizt und zum Schmelzen bringt. Ein Induktionsofen erhitzt das Schmelzgut durch Wirbelströme, die durch Wicklungen der Induktoren um den Schmelztiegel entstehen. Rund 30 Prozent des Stahls in Deutschland wird auf diese Weise aus Schrott hergestellt. Zukünftig gilt es daher, den Anteil der Erneuerbaren Energien am Strommix im Netz deutlich zu erhöhen, um diesen Herstellungspfad langfristig klimaneutral aufzustellen.

Bei der Stahlherstellung in der noch überwiegenden Hochofenroute – der sogenannten Primärroute – spielt der eingesetzte Kohlenstoff nicht nur als Brennstoff eine Rolle. Er ist außerdem als Reduktionsmittel für den Prozess unerlässlich, wobei gleichzeitig der Kohlenstoff zu CO2 oxidiert und damit zu einem erheblichen Anteil der Treibhausgasemissionen in der Stahlproduktion beiträgt. Hier ist eine Vermeidung von CO2 nur möglich, wenn die Prozesse an sich langfristig neu gedacht und umgestellt werden. Thyssenkrupp erprobt beispielsweise in einem vom Land NRW im Rahmen von IN4climate.NRW geförderten Projekt den anteiligen Ersatz von Kohlenstoff durch Wasserstoff im Hochofenprozess. Dieses Verfahren verspricht mittelfristig bereits enorme Emissionsreduzierungen.

Langfristiges Ziel ist jedoch die klassische Hochofenroute vollständig zu transformieren und auf eine klimaneutrale Stahlproduktion mittels Wasserstoffdirektreduktion umzurüsten.

 

Best Practice: Wasserstoff statt Kohlenstoff

Die Herstellung des Leichtmetalls Aluminium benötigt konstante und sehr hohe Temperaturen bis ca. 1.000 °C, was die Produktion sehr sensibel macht. Dabei werden die Öfen für die Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumherstellung bereits mit Strom betrieben. Die Energiewende hin zur Nutzung von Ökostrom bedeutet für die Unternehmen allerdings, auf dessen schwankende Verfügbarkeit reagieren zu müssen. Denn je mehr regenerativer Strom ins Netz eingespeist wird, desto flexibler müssen die Systeme agieren können, um die Produktionsprozesse stabil zu halten. Wie dies gelingen kann, zeigt das Best-Practice-Projekt von Trimet. Ein komplett überarbeitetes Prozesskonzept, optimierte Wärmeisolation und -speicherung und Anpassungen für schwankende Energiezufuhren stellen innerhalb der Elektrolyseöfen die erforderliche gleichbleibende Prozesswärme von 900 °C für die Schmelzflusselektrolyse sicher. 

 

Best Practice: Flexible Aluminiumelektrolyse

Die Glasherstellung benötigt für den Schmelzprozess hohe Temperaturen zwischen 1.450 und 1650 °C, um das Rohstoffgemenge aus Quarzsand, Kalkstein, Dolomit, Soda, Additiven und Scherben zu schmelzen. Um zukünftig nicht mehr von fossilen Brennstoffen abhängig zu sein, wird eine Umstellung der Anlagen auf Strom angestrebt. Für die Behälterglasherstellung sind elektrische Schmelzwannen bereits im Industriemaßstab verfügbar. Um die hohen Qualitätsanforderungen bei der Flachglasherstellung erzeugen zu können, könnten hier hybride Anlagen mit Strom und einer Zufeuerung mit Gas (heute noch Erdgas, perspektivisch grüner Wasserstoff) eine zukünftige Lösung darstellen. Grünen Wasserstoff als Brennstoff für die Glasproduktion einzusetzen – das erproben der Bundesverband der Glasindustrie zusammen mit dem Gas- und Wärmeinstitut Essen derzeit im IN4climate.NRW-Forschungsprojekt „HyGlass“. Dabei untersuchen die Partner, wie sich unterschiedliche Wasserstoffanteile auf die Produktion auswirken, die dem sonst hauptsächlich als Energieträger verwendeten Erdgas beigemischt werden.

Darüber hinaus könnten elektrisch beheizte Glasschmelzwannen in Zukunft möglicherweise ähnlich flexibel mit schwankenden Strommengen umgehen, wie es in der Aluminiumproduktion derzeit erprobt wird. Hinsichtlich der Flexibilisierung des Glasherstellungsprozesseses besteht noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

 

Best Practice: HyGlass

Die Papiertrocknung benötigt viel Wärme in Form von Dampf bei Temperaturen von ca. 160 °C und Heißluft von bis zu 350 °C. Einen Lösungsansatz für die Dampferzeugung bieten erneuerbare Wärmequellen. Der IN4climate.NRW-Partner Kabel Premium Pulp & Paper möchte auf Tiefengeothermie setzen und plant mit einer rund 20 Megawatt-Anlage die Erdwärme aus 4.000 Metern Tiefe zu nutzen und damit den bisherigen Einsatz von Erdgas zu reduzieren.

 

Best Practice: Kabel ZERO

Glossar

Zentrale Begriffe rundum die klimaneutrale Industrie und innovative Zukunftstechnologien kurz erläutert.

Zum Glossar