Branchenspezifische Herausforderungen bei der Transformation von Hochtemperaturprozesswärme

Branchenspezifische Herausforderungen bei der Transformation von Hochtemperaturprozesswärme

Die Transformation der Industrie in Nordrhein-Westfalen hin zu einer klimaneutralen Wirtschaft wird nur mithilfe individuell angepasster, hybrider Wärmetechnologien erfolgreich sein. Hierbei kann über alle Temperaturbereiche auf eine Vielzahl von Wärmetechnologien und Energieträger zurückgegriffen werden. Insbesondere im Hochtemperaturbereich wird neben Biomasse und Biogas jedoch häufig eine Elektrifizierung (bspw. über Widerstandserwärmung und induktive, konduktive, dielektrische sowie Infrarot-, Plasma- oder Lichtbogen-Verfahren) oder die Verwendung von grünem Wasserstoff in Betracht gezogen.1

Der Inhalt dieser Publikation entstand im Rahmen der Arbeit des Industriepakts. Es wird damit die Diskussion im Industriepakt abgebildet, wobei dies nicht zwingend die Position einzelner IN4climate.NRW-Partner oder des Ministeriums für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen wiedergibt.

Um Letztere in notwendigem Maß implementieren zu können, müssen die zugrundeliegenden Infrastrukturen für Strom und Wasserstoff umfassend ausgebaut werden. Bei der Ausbauplanung müssen neben spezifischen Temperatur- und Prozessanforderungen insbesondere auch regionale Gegebenheiten mitberücksichtigt werden.

Hochtemperaturbedarfe in der chemischen Industrie

Hochtemperaturprozess Metallverarbeitung

Wirtschaftsstandort NRW – Mittelstand und Hidden Champions2,3,4

Die Unternehmerlandschaft von NRW ist historisch gewachsen und stark mittelstandsorientiert. Die Mehrzahl der hier ansässigen Unternehmen beschäftigt maximal 50 Mitarbeitende, in die klassische Definition von KMU (kleine und mittlere Unternehmen) mit bis zu 249 Mitarbeitenden fallen über 75 % der Unternehmen ab 20 Mitarbeitende und 99 % der Unternehmen, wenn Klein- und Kleinstunternehmen mit weniger als 20 Mitarbeitenden berücksichtigt werden. Das Diagramm (Abb. 1) gibt einen Überblick über die Größenverteilung der Unternehmen in NRW mit mindestens 20 Mitarbeitenden.

Insgesamt gab es im Jahr 2022 über 10.000 Unternehmen mit mehr als 20 Mitarbeitenden, die insgesamt über 400 Mrd. Euro Umsatz erwirtschafteten und über 1,2 Mio. Menschen beschäftigten. Über 9.300 dieser Unternehmen fallen unter die KMU-Definition für kleine und mittlere Unternehmen.

Insbesondere diese Unternehmensstrukturen sind der Grund für die hohe Anzahl an Hidden Champions in NRW. Von insgesamt 1.397 Hidden Champions in Deutschland liegen 557 Unternehmen (knapp 40 %) allein in NRW. In knapp zwei Drittel der Kreisregionen sind mindestens sieben Hidden Champions vertreten. Der Märkische Kreis beheimatet mit 50 Hidden Champions die meisten angesiedelten Unternehmen dieser Kategorie.

20 bis 50 50 bis 99 100 bis 249 17% = 1.760 6% = 631 2% = 235

bis 499 500 bis 999 1.000 und mehr 1%

Temperaturanforderungen der Wirtschaftszweige

Die Unternehmen eines Wirtschaftszweiges weisen häufig einen ähnlichen Wärmebedarf auf einzelnen Temperaturniveaus auf. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die prozentuale Verteilung der benötigten Endenergie zur Wärmebereitstellung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus für sieben ausgewählte, besonders wärmeintensive Wirtschaftszweige (siehe Abschnitt „Regionale Verteilung“).

Zusätzlich weisen einige Prozesse jedoch auch spezifische Anforderungen auf, die über einen reinen Bedarf an hohen

Temperaturen hinausgehen, siehe Abschnitt „Branchenspezifische Anforderungen“.

Losgelöst von spezifischen, prozesstechnischen Anforderungen ergibt sich für jedes Unternehmen auch räumlich bedingt ein individuelles Angebot an Prozesswärmetechnologien und -optionen auf Basis von Erneuerbaren Energien. Weitere Informationen zu den Technologieoptionen sowie zur strategischen Vorgehensweise bei der Untersuchung in Frage kommender Optionen finden sich unter www.energy4climate.nrw.

Regionale Verteilung von Unternehmen6,7

Herstellung v. chemischen Erzeugnissen

Metallerzeugung u. -bearbeitung

H. v. Glas, -waren, Keramik, Verarb. v. Steien u. Erden

Herstellung von Nahrungs- u. Futtermitteln

Herstellung v. Papier, Pappe u. Waren daraus

Herstellung v. Metallerzeugnissen

Herstellung v. Gummi- u. Kunststoffwaren

Abb. 3: Verteilung der Unternehmen mit mind. 20 Mitarbeitenden in NRW

Die sieben Wirtschaftszweige mit den größten Erdgasverbräuchen verteilen sich teilweise sehr inhomogen über NRW. So kann beispielsweise in der Rheinschiene (Regierungsbezirke Düsseldorf und Köln) ein Chemieschwerpunkt konstatiert werden. Demgegenüber finden sich im Regierungsbezirk Arnsberg ein Großteil der Unternehmen aus der Metallerzeugung, -bearbeitung sowie -weiterverarbeitung. Derartige, historisch bedingte Clusterungen müssen bei der Infrastrukturplanung mitgedacht werden, da durch diese Cluster regionale Bedarfsschwerpunkte hinsichtlich Temperaturen und Leistungen auftreten können6 (siehe www.regionalstatistik.de [6] für eine genauere regionale Auflösung)

Abb. 2: Prozentualer Endenergieverbrauch für die Erzeugung von Wärme nach Temperaturniveau und Branchen5

Prozessspezifische Anforderungen

Die großen Wärmebedarfe auf hohen Temperaturniveaus einiger Branchen (siehe Abschnitt „Temperaturanforderungen der Wirtschaftszweige“) ergeben sich meist aus einer hohen Wärmeflussdichte („Energieeintrag“), welche für einen oder mehrere Prozessschritte Voraussetzung ist. In manchen Fällen ist bereits dieser Energieeintrag ein limitierender Faktor bei der Wärmetechnologieauswahl, in anderen Fällen können darüber hinaus andere Anforderungen die existierende Auswahl weiter einschränken. Zusätzlich reduziert sich generell mit steigenden Temperaturanforderungen die Anzahl der in Frage kommenden technologischen Optionen. Im Folgenden werden einige Spezialanforderungen relevanter Branchen und Prozesse aufgeführt, die bei der notwendigen Priorisierung von Energieträgern und der Ausarbeitung (regionaler) Verfügbarkeiten berücksichtigt werden müssen:

Metallerzeugung und -bearbeitung

Insbesondere in der Metallerzeugung und -bearbeitung können aufgrund der notwendigen Wärmeflussdichten Einschränkungen bei der Auswahl auftreten. So ist beispielsweise eine Vergütung mittels Induktion nur bei vergleichsweise einfachen Geometrien sowie kleinen Durchmessern (bis ca. 600 mm) möglich, darüber hinaus ist eine gleichmäßige Erwärmung nicht gegeben. Ebenso müssen die Bauteile und der Induktionsofen geometrisch aufeinander abgestimmt sein (identischer Abstand zwischen

Neue Herausforderungen

Bauteiloberfläche und Induktor), damit das Bauteil von allen Seiten gleichmäßig und effizient erwärmt werden kann. Somit eignet sich diese Form der Erwärmung nicht für variable Bauteilgeometrien.

Herstellung von Flachglas

Auch bei der Herstellung von Flachglas existieren einige Einschränkungen hinsichtlich der Umrüstbarkeit der Glasschmelzwanne. So ist bei der Herstellung eine gleichzeitige Beheizung von unten und oben notwendig, um hochwertige Produkte erzielen zu können. Die von unten heizende Wanne lässt sich elektrifizieren, für den oberen Wärmeeintrag ist nach dem Stand der Technik jedoch eine offene Flamme Voraussetzung. Aus diesem Grund ist nur eine Teilelektrifizierung möglich, während ein gasförmiger Energieträger erforderlich ist (vgl. Abschnitt „Aus der Praxis“).

Ziegelherstellung

Bei der Ziegelherstellung ist aktuell ebenfalls eine Verbrennungsatmosphäre in der Brennkammer des Tunnel- oder Ringofens Voraussetzung, um die gewünschten Oberflächenbeschaffenheiten (bspw. Porosität, Farbgebung) der Ziegel erzielen zu können. Insbesondere die Untersuchung der Auswirkungen einer reduktiven Atmosphäre mit Wasserstoff auf diese Eigenschaften steht noch aus. Weitere Informationen zur Umrüstbarkeit: Abschnitt „Abgeleitete Forschungsbedarfe“.

Durch die anvisierte Umstellung auf klimaneutrale Produktionsprozesse können für Unternehmen neue Herausforderungen auftreten. Ein Kernpunkt wird dabei immer die Verfügbarkeit von Energieträgern mit den benötigten Anschlussleistungen vor Ort sein. Dabei ist unter anderem zu berücksichtigen, dass das zugehörige Energieversorgungsnetz auch werkseitig angepasst und ausgebaut werden muss.

Darüber hinaus können durch die Umstellung eines Prozesses auch umliegende, respektive abhängige (Teil-)Prozesse mit beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Elektrifizierung eines Prozesses zum Wegfall des Abgasstranges führen. Damit verbunden ist eine Reduktion oder gar ein vollständiger Wegfall der Abwärme, die derzeit noch zur Vorbehandlung zurückgewonnen werden kann. Durch diesen Wegfall der Abwärmerückgewinnung muss gegebenenfalls eine Vorbehandlung als ein eigener Prozessschritt betrachtet werden und mittels alternativer Beheizungsmöglichkeiten ebenfalls bedient werden.

Transformation

Aus den identifizierten Sachverhalten – eine kleinteilige Industrielandschaft mit vielen dezentralen Verbrauchern u. a. im Hochtemperaturbereich sowie sehr individuellen Umstiegsmöglichkeiten, technischen Reifegraden und Forschungsständen – ergeben sich mehrere Kernanforderungen für die Ermöglichung der industriellen Transformation:

a Ein schneller und flächendeckender Ausbau der Infrastruktur für Strom und Wasserstoff ist Grundvoraussetzung im Bereich der Hochtemperaturprozesse

Wirtschaftlichkeit8,9

a Mit Blick auf die Verfügbarkeit müssen Unternehmen bei der Nutzung von Wasserstoff priorisieren. Vor diesem Hintergrund müssen sie durch Hybridisierung auf begrenzte Mengen oder Kapazitäten von Strom oder H2 sowie auf Preissignale der Energieträger flexibel reagieren können

a Wasserstoff kann aufgrund der Speicher- und Transportfähigkeit bereits mittelfristig eine höhere Versorgungssicherheit darstellen und auch hier einen wichtigen Beitrag bei der Transformation leisten.

Eine große Herausforderung bei der Transformation der Industrie liegt insbesondere in der Notwendigkeit, einen wirtschaftlich darstellbaren Übergang realisieren zu können. Hier stellen Prognoseunsicherheiten über Energiepreise eine große Hürde dar, um die technisch machbaren Wärmetechnologieoptionen ökonomisch fundiert abwägen zu können.

Schon in den Jahren bis 2030 herrschen große Unsicherheiten bezüglich der prognostizierten Großmarktpreise für Strom, Wasserstoff und Erdgas (siehe Abb. 4). Darüber hinaus wird die generelle Verfügbarkeit der Energieträger bei jedem einzelnen Unternehmen ein ausschlaggebender Punkt für die Realisierbarkeit sein.

Zusätzlich zu den reinen Betriebskosten (OpEx: Operational Expenditures), die sich durch die Energieträgerpreise ergeben, müssen u. U. auch unterschiedliche Produktivitäten beim Technologiewechsel berücksichtigt werden. Treten beispielsweise reduzierte Durchsätze auf - wie etwa

bei der induktiven Stahlhärtung im Vergleich zur Gasfeuerung - müssen diese durch mehr Aggregate kompensiert werden. Dies wiederum führt zu höheren Investitionskosten, während gleichzeitig auch der dafür notwendige Platzbedarf berücksichtigt werden muss.

Generell können daher grüne Leitmärkte, die sowohl für mehr Akzeptanz als auch für eine finanzielle Beteiligung der Kunden sorgen, sowie Instrumente wie der Carbon Border Adjustment Mechanism (CBAM) und der Klimaschutzvertrag (KSV) mit Blick auf die internationale Wettbewerbsfähigkeit unterstützend wirken.

Abb. 4: Unsichere Preisprognosen stellen bereits kurz- und mittelfristig eine Hürde dar

Abgeleitete Forschungsbedarfe

Generell kann festgehalten werden, dass in vielen Fällen die Machbarkeit des Einsatzes von Wasserstoff bereits nachgewiesen ist. Neben den dargestellten prozessspezifischen Anforderungen (siehe Abschnitt „Prozessspezifische Anforderungen“) wurden aus dem Industriepakt jedoch auch aktuelle Forschungsfragen gemeldet, die für die Transformation in klimaneutrale Wärmeprozesstechnik noch beleuchtet werden müssen:

a Reaktion von Wasserstoff und entstehendem Wasserdampf mit den Kesseln und Öfen bei Hochtemperaturprozessen

a Zunahmen von Stickoxiden (NOX) bei der Stahlhärtung mit Wasserstoff

a Nutzbarkeit von elektrischen Öfen in der Ziegelindustrie

a Auswirkung von Wasserstoffeinsatz in der Ziegelindustrie auf die Produkteigenschaften, wie etwa die Farbentwicklung der Tone sowie die Oberflächenbeschaffenheiten der Ziegel

a Genereller Forschungsbedarf bei der Brennertechnik für Wasserstoffbrenner

a Forschungsfragen beim Einsatz von Biomasse und Biogasen

a Fragen der Systemintegration, Hybridisierung und Flexibilisierung insbesondere von elektrischen Wärmeerzeugern

a Speicherung von Hochtemperatur-Wärme

Aus der Praxis

Metall

Erstmalig untersucht das Projekt InnoGuss die spezifischen Randbedingungen von Eisen-, Stahl-, Leichtmetall- und Buntmetallgießereien in NRW und zeigt anhand von Modellgießereien ganzheitlich Wege zu treibhausgasarmen Prozessen auf. Dabei werden verschiedene Technologiepfade - von Biomasse bis Wasserstoff – in Betracht bezogen. Es zeigt sich, dass vor allem die Elektrifizierung bei allen Modellgießereien eine Option ist. Ebenfalls betrachtet wird, welche Anforderungen die zukünftige Versorgungsinfrastruktur erfüllen muss.

Glas

Die Hoffnung der Glasindustrie ist, auf hybride Glaswannen zu setzen, die überwiegend elektrisch und zu einem geringen Teil mit Gas beheizt werden. Langfristig könnte das fossile Gas durch grünen Wasserstoff ersetzt und somit die gesamte bereitgestellte Energie klimafreundlich produziert werden.

Ein Szenario des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz, an dem auch der Bundesverband Glasindustrie mitgewirkt hat, geht davon aus, dass eine zukünftige klimaneutrale Glasproduktion zu etwa 25 % in rein elektrischen Glaswannen und zu 75 % in Hybridwannen stattfinden kann, welche mit einer Mischung aus grünem Strom und grünem Wasserstoff betrieben werden.

Keramik

Eine vom Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie erarbeitete Roadmap zeigt auf, wie die Dekarbonisierung der Ziegelherstellung bis 2050 mit Hilfe von Effizienzsteigerungen im Produktionsprozess, wachsenden Anteilen an Erneuerbaren Energien und der Einführung verbesserter Technologien gelingen kann. Welche Rahmenbedingungen die vorwiegend mittelständisch geprägte Branche benötigt, wird ebenfalls beleuchtet.

Quellenangaben

1 Energiewirtschaftliche Tagesfragen et 10/2023, S. 37 ff.

2 www.bet-energie.de

3 www.it.nrw

4 www.wirtschaft.nrw

5 www.umweltbundesamt.de

6 www.regionalstatistik.de

7 www.pflegeschule-vfa.de

8 www.ewi.uni-koeln.de

9 www.worldenergy.org

Kontakt

industriewaerme@energy4climate.nrw industriepakt@energy4climate.nrw

Diese Publikation entstand im Rahmen des Industriepakts. Sie dient der Orientierung, erhebt aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Richtigkeit. Der Industriepakt ist Teil der Landesinitiative IN4climate.NRW. IN4climate.NRW ist als Initiative der Landesregierung Nordrhein-Westfalens eine zentrale Arbeitsplattform rund um Klimaneutralität in der Industrie. Unter dem Dach der Landesgesellschaft für Energie und Klimaschutz NRW.Energy4Climate bringt der Thinktank Wirtschaft, Wissenschaft und Politik zusammen, um die klimaneutrale Transformation der produzierenden Branchen voranzutreiben. Mittlerweile engagieren sich mehr als 70 Industriepartner in verschiedenen Arbeitsformaten in der Bearbeitung der zentralen Transformationsthemen.

IN4climate.NRW lebt von der Diskussion und den verschiedenen Standpunkten der beteiligten Unternehmen, Verbände und Forschungseinrichtungen. Diese Diskussionen werden in unterschiedliche Arbeitsprodukte überführt und können innerhalb von Arbeitsgremien der Initiative von einzelnen Mitgliedern zur Veröffentlichung ausformuliert werden. Die Geschäftsstelle von IN4climate.NRW stellt Transparenz und Beteiligungsmöglichkeiten sicher.

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Stand: 3/2024

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