CO₂-neutrale Prozesswärmeerzeugung

Studie im Auftrag des Umweltbundesamts, 1. Juni 2019 bis Ende Mai 2023

Projektbeschreibung

Die Bundesregierung verfolgt das Ziel, die Treibhausgas-(THG-)Emissionen in Deutschland bis 2050 um 80 bis 95% unter das Niveau von 1990 zu senken und damit einen Beitrag zum Schutz des Klimas zu leisten. Die Setzung von Zwischenzielen und der Einsatz von verschiedenen politischen Instrumenten tragen zur Erreichung dieses Ziels bei. Bis 2020 soll eine Reduktion von 40% der Treibhausgasemissionen unter das Niveau von 1990 erreicht werden. Ferner hat die Bundesregierung im Rahmen des Energiekonzeptes beschlossen, den Primärenergieverbrauch gegenüber 2008 um 20% bis 2020 und um 50% bis 2050 zu senken. Für eine weitreichende Dekarbonisierung ist der Beitrag der Industrie in Form von stark reduzierten Emissionen unabdingbar. Eine Minderung der THG-Emissionen Deutschlands von 80–95% bis 2050 verlangt auch vom Industriesektor eine ähnlich hohe Minderung.

Institut-fuer-Industrieofenbau-und-Waermetechnik_UBA-Studie_Arbeitspakete

Darstellung der Arbeitspakete (AP) mit ihren jeweiligen Schwerpunktthemen sowie AP-Leitung und Informationsfluss

Der Industriesektor wies im Jahr 2015 THG-Emissionen von 189 Mio. Tonnen auf. Davon entfielen laut des Umweltbundesamtes (UBA) 127 Mio. Tonnen auf energiebedingte Emissionen und 62 Mio. Tonnen auf prozess- und produktbedingte Emissionen. Die energiebedingten Emissionen entfallen fast ausschließlich auf die Erzeugung von Prozesswärme in nahezu allen Industriebranchen. Im verarbeitenden Gewerbe wird der Großteil des Energiebedarfs bisher durch fossile Energieträger und Strom aus konventionellen Energieträgern gedeckt.

Die Erzeugung von Prozesswärme in Industrieöfen und Dampferzeugern ist sehr anwendungsspezifisch und richtet sich nach den besonderen Gegebenheiten und Anforderungen der unterschiedlichen Produktionsprozesse. Die Temperaturniveaus und die Betriebsweise der Anlagen unterscheiden sich deutlich zwischen den Anwendungen. Nach dem Stand der Wissenschaft existieren bisher nur vereinzelt Lösungsansätze zur Verwendung von Energie aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen im Bereich der Industrieofentechnik. Wenngleich für alle Bereiche der Prozesswärmeerzeugung technische Verfahren denkbar sind, die eine Umstellung von fossilen Energieträgern auf (regenerative) Power-to-Heat (PtH) oder Power-to-Gas (PtG)/ Power-to-Liquid (PtL) erlauben, so sind diese Verfahren noch weit von der Wirtschaftlichkeit entfernt. Dies liegt unter anderem an den vergleichsweise hohen Strompreisen, weshalb diese Technologien aktuell lediglich für Nischenanwendungen eingesetzt oder sich noch in der technischen Entwicklung befinden. Neben der Wirtschaftlichkeit sind für Unternehmen andere Eigenschaften der Energieträger ebenso bedeutend für die Investitionsentscheidung. Darunter fällt z.B. die Versorgungssicherheit, die Qualität, der Aufwand für die Bearbeitung am Standort, lokale Schadstoffemissionen oder die Genauigkeit mit der der Verbrennungsprozess gesteuert werden kann. Neue Konzepte CO₂-neutraler Prozesswärmeerzeugung müssen bezüglich dieser Faktoren den bestehenden Versorgungstechniken überlegen sein, um für Unternehmen attraktiv zu werden und eine breite Markteinführung zu erreichen.

Ziele des Vorhabens sind die Ermittlung des aktuellen Standes der Technik sowie des weiteren Handlungsbedarfs im Bereich Forschung- und Entwicklung zum Einsatz CO₂-neutraler Prozesswärmeanlagen für die jeweiligen Branchen und Anwendungsbereiche. Ein weiteres Ziel ist die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit für exemplarische, besonders relevante Techniken. Zusätzlich sollen die ermittelten Techniken auf Basis von technischen, ökonomischen und ökologischen Kriterien bewertet werden, um erste möglichst ganzheitliche Empfehlungen für ihre zukünftige Anwendung abzuleiten. Abschließend werden auf Basis der erarbeiteten Erkenntnisse ein Gesamtbild des aktuellen Zustands sowie wesentliche Elemente einer Gesamtstrategie zum zukünftigen breiten Einsatz CO₂-neutraler Prozesswärmeanlagen im Industriesektor erarbeitet.

Institut-fuer-Industrieofenbau-und-Waermetechnik_UBA-Studie_Modellschema

Modellschema der Wirtschaftlichkeitsberechnung

Projektziele

Wie ist der aktuelle Stand der Technik der Prozesswärmeerzeugung in den ausgewählten Branchen?
Welche PtH‑, ‑Anlagen und ‑Verfahren stehen zur Verfügung, wie ist der Entwicklungsstand, wie ist die Substitution der fossilen Referenztechniken technisch zu bewerten und welcher Handlungsbedarf besteht?
Wie wirtschaftlich sind PtH, PtG/PtL Anlagen gegenüber den herkömmlichen Referenzanlagen?
Wie sind PtH, PtG/PtL Techniken unter ganzheitlicher Betrachtung von ökologischen, ökonomischen und technischen Kriterien im Vergleich zur fossilen Referenztechnologie zu bewerten?
Wie ist der Einsatz von PtH, PtG/PtL zur Prozesswärmeerzeugung in ein Gesamtbild und eine Gesamtstrategie einzuordnen?

Diese Fragestellungen werden anhand von 15 ausgewählten Techniken aus verschiedenen Branchen bearbeitet. Es wird dabei eine zeitliche Perspektive bis zum Jahr 2050 eingenommen.