Prozesswärme-Bedarf in der Industrie

Eine veränderte Produktion der in der Industrie benötigten Prozesswärme ist unerlässlich, um Industrieprozesse klimaneutral umzugestalten.

Ob Trocknen, Schmelzen oder Schmieden – ohne Prozesswärme wären technische Verfahren in der Industrie nicht denkbar. Über 60 Prozent des Energiebedarfs der deutschen Industrie werden hierfür genutzt.

Rund 504 Terawattstunden (TWh)  benötigt die Industrie in Deutschland jährlich für die Erzeugung von Prozesswärme. Dabei stellen die verschiedenen Industriezweige und -prozesse höchst unterschiedliche Anforderungen an das Temperaturniveau: Während das Trocknen von Papier bereits ab etwa 160 Grad Celsius (°C) möglich ist, benötigen Brenn- und Schmelzprozesse Temperaturen bis zu deutlich über 1.000 °C. Für etwa die Hälfte der industriellen Prozesswärme wird ein solch hohes 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 bis 500 °C. Der Bedarf in Temperaturbereichen bis zu 100 °C macht nur etwa zehn 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, jedoch macht der Energiebedarf für Industriekältesysteme und Gebäudeklimatisierung mit rund 30 Terawattstunden  einen vergleichsweise geringeren Anteil aus.

 

Strategien und Ansätze für die Wärmewende in der Industrie

Noch liefern fossile Brennstoffe wie Kohle, Gas und Öl mit einem Anteil von über 75 Prozent den Hauptanteil industrieller Wärme, was zu erheblichen Emissionen führt, die vor allem mit der Prozesswärmeerzeugung verbunden sind. Die zentralen Handlungsfelder, um diese Emissionen zu reduzieren, 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. Mit Effizienzsteigerungen und dem Umstieg auf Erneuerbare Energien lassen sich viele Emissionen einsparen. Dabei eignen sich je nach erforderlichem Temperaturniveau verschiedene Ansätze und Technologien.

Effizienz steigern: Verluste vermeiden und Abwärme nutzen

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. Beim Aufbau der vieldiskutierten zukünftigen Wasserstoffinfrastruktur ist mit weiteren Abwärmequellen zu rechnen, insbesondere durch Elektrolyseure.

Umsteigen: Erneuerbare Wärmequellen nutzen

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.

Elektrifizieren: Wärme aus EE-Strom

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.

Defossilisieren: Alternative Energieträger einsetzen

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.

Schaubild symbolisiert vier Stufen: Steigerung der Effizienz, Erschließung erneuerbarer Wärmequellen, elektrische Wärmeerzeugung und alternative Energieträger

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

Säulendiagramm veranschaulicht die erreichbaren Temperaturen, am höchsten u.a. grüner Wasserstoff mit 1.500 Grad Celsius

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

Ein Schaubild zeigt die Wirkungsgrade, am höchsten ist er bei der direktelektrischen Wärmeerzeugung (97%), also Power-to-Heat

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

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