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Erneuerbare Energien für Prozesswärme aus Sicht der Wissenschaft

Dr. Antje Seitz, Stefan Estelmann Fachgespräch „Erneuerbare Energien und Abwärme in der Prozesswärme“ Berlin – 24. Oktober 2017

> Fachgespräch "Erneuerbare Energien und Abwärme in der Prozesswärme" > A. Seitz • Sicht der Wissenschaft > 24.10.2017 DLR.de • Folie 1


Agenda

• Eckdaten industrieller Prozesswärme

• Optionen zur Erzeugung von Prozesswärme aus erneuerbaren Energiequellen • Wärmepumpen, Geothermie und Solarthermie • Alternative Brennstoffe • Direkte elektrische Beheizung

• Thermische Energiespeicher und Fernwärmenetze als Wegbereiter

• Zusammenfassung

Raumwärme 27%

Warmwasser 5%

Prozesswärme 22%


Energieverbrauch nach Anwendungsbereichen

• Mehr als die Hälfte der Endenergie

wird in Form von Wärme benötigt

• Gerade einmal 13 % der Wärmeversorgung werden bisher erneuerbar bereitgestellt[1]

• Die Wärmeversorgung hängt zu mehr als 80 % von fossilen Energieträgern ab

Wärmebedarf ≙ 54 %

(4.794 PJ)[2]

Endenergiebedarf in Deutschland 2015[2] (8.877 PJ)

[1]: AGEE-Stat, 2/2017 [2]: BMWI, Energiedaten, 1/2017

Raumwärme

Warmwasser

Prozesswärme

Kälteprozess

Mechanische Energie

IKT & Beleuchtung


Endenergiebedarf nach Sektoren

private Haushalte[1]

2.289 PJ

GHD[1]

1.393 PJ

Industrie[1]

2.576 PJ




[1]: BMWi, Gesamtausgabe der Energiedaten – Datensammlung, 5/2017, für das Jahr 2015

Raumwärme Warmwasser Prozesswärme Kälteprozess Mechanische

Energie IKT &

Beleuchtung

Raumwärme 69 %

Warmwasser 14 %

Prozesswärme 6 %

Warmwasser 5 %

Prozesswärme 7 %

Prozesswärme 65 %

Warmwasser 1 %

Raumwärme 7 %

Raumwärme 47 %


Energieträger zur industriellen Prozesswärmebereitstellung

• Der Gesamtbedarf beläuft sich auf etwa

1.700 PJ

• Als Hauptenergieträger werden Gas und Kohle eingesetzt

• Kohle dient überwiegend als Reduktionsmittel in der Eisenerzeugung

• Erneuerbare Energien tragen nur circa 5 % zur Bereitstellung bei (ca. 90 PJ)

Öl 3 %

Gas 45 %

Strom 8 %

Fernwärme 9 %

Kohle 25 %

Erneuerbare 5 %

Sonstige 5 %

[1]: BMWi, Gesamtausgabe der Energiedaten – Datensammlung, 5/2017

Verwendete Energieträger 2015[1]


Temperaturniveaus in der Prozessindustrie

[1] DLR, Prozesswärme im Marktanreizprogramm, M. Nast, 2010

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Maschinenbau

Metallerzeugnissen

Kfz-Hersstellung

Metallerzeugung u. -bearbeitung

Glasgewerbe, Keramik, Feuerfest

Chemische Industrie

Gummi- u. Kunststoffwaren

Papiergewerbe

Textilgewerbe

Ernährungsgewerbe

PJ

PW < 100°C PW 100-500°C PW 500-1000°C PW >1000°C


Temperaturniveaus in der Prozessindustrie

• Ca. 50 %[1] der industriellen

Prozesswärme wird auf einem Temperaturniveau von mehr als 1.000 ºC benötigt (zur Metall-, Zement-, Glas- und Keramikerzeugung)

• Ca. 25 % der Prozesswärme fallen auf einem Temperaturniveau kleiner 500 ºC an

< 100 °C 10 %

(170 PJ)

100 - 500 °C 15 %

(250 PJ)

500 - 1.000°C 27 %

(450 PJ)

> 1.000 °C 48 %

(800 PJ)

[1]: DLR, Prozesswärme im Marktanreizprogramm, M. Nast, 2010

Temperaturniveau der Prozesswärme[1]

Wärmepumpe


Optionen zur Erzeugung von Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien

100 ºC 500 ºC 1000 ºC

Solarthermie

Geothermie

Alternative Brennstoffe (biogen oder synthetisch sowie Abfälle)

Direkter elektrischer Energieeintrag


Wärmepumpen

• Exergetische Aufwertung von Niedertemperatur-wärme mittels eines Kompressors durch mechanischen oder thermischen Energieeintrag

• Mögliche Wärmequellen: Erdreich, Grundwasser, Umgebungsluft, Solarthermie, industrielle Abwärme

• Antriebsenergie (z.B. Strom) muss erneuerbar sein

• Stand der Technik: Tmax ~ 120 ºC Forschung & Entwicklung: Tmax > 150 ºC neue Ansätze mittels chemischer Reaktionen

• Industrielle Großwärmepumpen sind in Deutschland noch wenig verbreitet

Bildquelle: waermepumpen-portal.de

Bildquelle: Friotherm


Geothermie

• Zunahme der Temperatur im Erdreich um 30 ºC je Kilometer[1]

Oberflächennahe Geothermie (Bohrtiefe < 400 m) • z.B. Erdwärmesonden in Verbindung mit

Wärmepumpen • Große Anzahl installierter Anlagen (insbesondere im

Gebäudebereich)

Tiefe Geothermie (Bohrtiefe > 400 m) • Im Wesentlichen hydrothermale Dublettensysteme • Technologisch herausfordernd • 33 Projekte mit insgesamt rund 300 MWth in Betrieb • Maximale Temperaturen von 160 ºC erreichbar

[1]: Bundesverband Geothermie

Bildquelle: GeotIS


Solare Prozesswärme

• Prozesswärmebereitstellung auf einem Temperaturniveau bis 250°C

• Solarthermischer Ertrag in Mitteleuropa beläuft sich auf ca. 250 - 300 kWh/(m²a)[1] (Flächenbedarfe müssen berücksichtigt werden)

• Kombination mit Zusatzheizung, Wärmepumpe und thermischen Energiespeichern zur bedarfsgerechten Bereitstellung auf gewünschtem Temperaturniveau notwendig

[1]: DLR, Leitstudie 2010, Nitsch

Bildquelle: Universität Kassel


Alternative Brennstoffe zur Erzeugung hoher Prozesstemperaturen

Biogene Brennstoffe • Ressourcen: Nachwachsende Rohstoffe oder biogene Reststoffe • Begrenztes Potenzial • Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion ist auszuschließen • Erzeugbare Produkte: feste Brennstoffe, (Roh-)Biogas, Biomethan

Strombasierte Brennstoffe (Power-to-Gas/Liquid) • Ressourcen: Wind- und PV-Strom und Kohlenstoffquelle • Größeres Potenzial • Wirkungsgradverluste durch chemische Umwandlungsketten • Erzeugbare Produkte: synthetische Kohlenwasserstoffe

Aufbereitete Abfälle • Steigerung der Ressourceneffizienz

Bildquelle:www.siemens.com/presse

Bildquelle:www.greengas.net


Anwendungsbeispiel – Nutzung von Biogas in der Glasindustrie

• Kohlenstoffbasierte Brennstoffe werden aufgrund ihrer Energiedichte zukünftig weiterhin als Energieträger in Thermoprozessen benötigt

• Biogas kann als Zusatzbrennstoff in der Glasschmelze genutzt werden, ohne Qualitäts-einbußen im Glasprodukt und Schäden am Feuerfestmaterial hervorzurufen[1,2]

• Für hohe Biogasanteile in der Glasschmelze ist die

Brennerlogistik neu auszulegen, um eine konstante Gasqualität und Zusammensetzung zu gewährleisten

[1]: Nutzung von Biogas im Glasschmelzprozess, gwi – gaswärme international, 06/2014 [2]: Refractory materials in the glass melting furnaces fired with biogas, 56. International Colloquium on Refractories, 2013

Kühlfalle

Reststoffe z.B. Bioabfall,

Speisereste, Gülle

Roh-Biogas

Biogas CH4: 60-70 Vol.%, CO2: 30-40Vol.%

H2O + gelöste Salze

Bildquelle: HVG


Anwendungsbeispiel – Reststoffe als Brennstoff in der Zementindustrie

• Einsatzrate alternativer Brennstoffe aus aufbereiteten Abfällen liegt bei derzeit 65 % (Industrieabfälle, Klärschlamm, Altreifen)

• Erhöhung bis 100 % möglich, vorausgesetzt die Qualität des Zementklinkers bleibt konstant und die Reststoffe sind ausreichend verfügbar

• Erschließung des Potenzials erfordert • Untersuchung der Einflüsse auf die

Eigenschaften der Zementprodukte und die Wechselwirkungen im Herstellungsprozess

• Wechselwirkungen mit den Aggregaten (z.B. Feuerfestmaterialien)

ca. 65 %

Quelle: VDZ Umweltdaten Zeitreihe


Direkter elektrischer Energieeintrag

• Voll-elektrische oder hybride Prozessaggregate sind heute bereits im Einsatz (z.B. Elektrolichtbogenofen, Glaswanne mit Elektrozusatzheizung, Induktionsheizung für NE-Metalle)

• Die Elektrifizierung von Prozessaggregaten ist nicht immer möglich und abhängig von den physikalischen Stoffeigenschaften des zu erwärmenden Materials bzw. von zusätzlichen Funktionalitäten des Kohlenstoff basierten Energieträgers

• Grundsätzlich muss ein Ersatz des Energieeintrags mittels Brenngasen durch elektrischen Strom hinsichtlich der CO2-Bilanz überprüft werden

Bildquelle: BSW

Bildquelle: Weiss Anlagentechnik


Anwendungsbeispiel – Elektrodenheizkessel in der chemischen Industrie

• 60 %[1] des Energieeinsatzes der europäischen Chemieindustrie entfällt auf die Erzeugung von Prozessdampf

• Die Reduktion der CO2-Emissionen ist direkt abhängig vom Strom-Mix

• Elektrodenkessel befähigen die Chemiewirtschaft zur Teilnahme an DSM-Maßnahmen

• Bedarfsgerechte Bereitstellung durch thermische Energiespeicher oder Hybridbetrieb mit fossilen Brennstoffen Bildquelle: Enerstorage

[1]: Dechema, Low carbon energy and feedstock for the European chemical industry, 2017


„Wegbereiter“ – Thermische Energiespeicher

• Einsatz zur bedarfsgerechten Bereitstellung von Prozesswärme aus fluktuierenden erneuerbaren Energien

• Vergleichmäßigung fluktuierender Abwärme zur Reintegration in den Prozess oder zur externen Verwendung (z.B. Strom-erzeugung, Fernwärme, …)

• Sensible Speichertechnologien sind für spezifische Anwendungen bereits etabliert (Regeneratoren, Ruths-Speicher, 2-Tank-Flüssigsalz-Speicher)

• Weiterer Entwicklungsbedarf besteht generell im Hochtemperaturbereich und bei innovativen latenten und thermochemischen Speichertechnologien

Bildquelle: Solarmillenium

Latentwärmespeicher mit berippten Rohren (DLR)


„Wegbereiter“ – Industrielle Wärmenetze

• Grund für den Bau der Fernwärmeschiene Niederrhein war die Einbindung der Abwärmequellen aus der Stahlindustrie Anfang der 80er Jahre (30 % der Wärme-Einspeisung)

• Warmwasser-Speicher werden zur Pufferung eingesetzt

• Im Sommer übersteigt das Angebot industrieller Abwärme häufig den Fernwärmebedarf Bedarf für saisonale Wärmespeicher

• Bestehendes Fernwärmenetz ermöglichte die Einbindung erneuerbarer Energiequellen (14 % der Wärmeeinspeisung)

• CO2-Emissionen der Industrie werden üblicherweise dem Prozess und nicht der Fernwärme zugeordnet, die dann CO2- und Primärenergie-frei ist. Bildquelle: Stadtwerke Dinslaken


Überblick erneuerbarer Energien und Abwärme in der Prozesswärme

Öl 3 %

Gas 45 %

Strom 8 %

Fernwärme 9 %

Kohle 25 %

Erneuerbare 5 %

Sonstige 5 %

Alternative Brennstoffe • Einsatz biogener / synthetischer

Gase und aufbereiteter Abfälle • Anpassung von Prozess-

aggregaten notwendig

Direkte elektrische Beheizung • Power-to-Prozessdampf mit

thermischer Speicherung • Elektrifizierung Prozessaggregate

Wärmepumpen / Solarthermie / Geothermie • Niedertemperaturbereich • Angepasste Prozesstechnik

Alternative Routen • Neuer Hochofenprozess

Hohe EE-Anteile am Strom-Mix notwendig

CO2-freie Fernwärme • Einbindung industrieller

Abwärme • Einbindung erneuerbarer

Energien • Thermische Speicher

für bedarfsgerechte Bereitstellung


Zusammenfassung

• Niedertemperatur-Prozesswärme kann mittels Wärmepumpen, Solarthermie und Geothermie erneuerbar zur Verfügung gestellt werden.

• Für hohe Prozesstemperaturen sind alternative Brenngase und Brennstoffe notwendig. Teilweise können Aggregate mit direktem elektrischen Energieeintrag betrieben werden. Hierbei müssen die verfügbaren Biomasse- und EE-Strom-Potenziale berücksichtigt und die ökologische Erzeugung sichergestellt werden.

• Die Wechselwirkung mit den Herstellungsprozessen sind zu berücksichtigen und eine unveränderte Produktqualität ist sicherzustellen. Hieraus ergibt sich Forschungsbedarf in der Nutzung erneuerbarer Energien für Einzelaggregate und deren Auswirkungen auf die industriellen Prozessketten.

• Thermische Energiespeicher sind branchen- und prozessübergreifend für eine bedarfsgerechte Bereitstellung von Prozesswärme einsetzbar. Im Hochtemperaturbereich besteht Forschungsbedarf hinsichtlich der Entwicklung kostengünstiger und effizienter Speicherkonzepte und deren Prozessintegration.

• Mittels industrieller Fernwärmenetze können Abwärme- und erneuerbare Potenziale geschöpft werden.

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Dr. Antje Seitz

[email protected] 0711 / 6862 484


mailto:[email protected]

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