Die Chemieindustrie steht vor großen Herausforderungen. Steigende Energiekosten und der Druck zur Dekarbonisierung erfordern innovative Lösungen. Eine vielversprechende Technologie sind thermische Energiespeicher (TES), die Dampfproduktion elektrifizieren und gleichzeitig Betriebskosten senken können.
Wichtige Erkenntnisse
- Thermische Energiespeicher ermöglichen die Elektrifizierung der Dampferzeugung in der Chemie.
- Sie nutzen kostengünstigen Strom, insbesondere aus erneuerbaren Quellen, und speichern Wärme bei hohen Temperaturen.
- TES-Systeme bieten hohe Flexibilität und können schrittweise in bestehende Infrastrukturen integriert werden.
- Ein Projekt in den Niederlanden demonstriert das Potenzial bei PepsiCo zur Reduzierung von Emissionen um bis zu 98%.
- Die Technologie ist entscheidend für eine kosteneffiziente Energiewende in der Industrie.
Dampf als Herzstück der Chemieproduktion
Dampf ist in der chemischen Industrie unverzichtbar. Er treibt Trocknungsprozesse, beheizt Reaktoren, Destillationskolonnen und Hochtemperatur-Cracker. Die Kosten für Dampf wirken sich direkt auf den Endproduktpreis aus. Daher ist die Umstellung auf erneuerbare Energien komplex. Kunden sind oft nicht bereit, einen 'grünen Aufpreis' zu zahlen. Die Branche muss einen Weg finden, Emissionen zu senken, ohne die Wettbewerbsfähigkeit zu gefährden.
Hintergrund: Die Rolle von Dampf
In der chemischen Produktion ist Dampf das zentrale Medium für Prozesswärme. Er wird für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt, die hohe Temperaturen erfordern. Die Effizienz der Dampferzeugung und -nutzung ist daher ein kritischer Faktor für die Gesamtwirtschaftlichkeit und Umweltbilanz chemischer Unternehmen.
Herausforderungen der Dekarbonisierung
Biomasse ist nicht immer in ausreichenden Mengen verfügbar und oft teuer. Grüner oder blauer Wasserstoff ist für die Prozesswärme in der Chemie oft keine praktikable Option. Dies macht Elektrizität zur realistischsten Alternative, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. Der Schlüssel liegt darin, Strom nur in Zeiten niedriger Preise zu nutzen und Spitzenpreise zu vermeiden.
Thermische Energiespeicher als Lösung
Thermische Energiespeicher (TES) bieten hier eine flexible Lösung. Sie wandeln kostengünstigen Strom, oft aus erneuerbaren Quellen, in Hochtemperaturwärme um. Diese Wärme lässt sich speichern und bei Bedarf abrufen. Auch überschüssige Energie aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen vor Ort kann integriert werden.
„Thermische Energiespeicher sind eine vielversprechende Alternative, die einen stabilen und skalierbaren Ansatz zur Elektrifizierung der Dampfproduktion bietet und gleichzeitig die Abhängigkeit von hohen Strompreisen mindert.“ – Martin Schichtel, CEO von Kraftblock.
Faktencheck: TES vs. Batterien
- Effizienz: TES bieten eine hohe Effizienz bei der Bereitstellung thermischer Energie.
- Kosten: Sie sind deutlich günstiger als Lithium-Ionen-Batterielösungen für Wärmeanwendungen.
- Speicherdauer: TES können Wärme über Stunden bis Tage speichern.
Die gespeicherte Wärme kann über einen Abhitzekessel bei Bedarf in Dampf umgewandelt werden. Dies ermöglicht es Betreibern, Phasen hoher Strompreise oder geringer erneuerbarer Energieerzeugung zu überbrücken. Da die Ladeleistung vom Dampfbedarf entkoppelt ist, kann der Stromeinsatz in die günstigsten Preisperioden gelegt werden. Dies senkt die Betriebskosten erheblich.
Flexibilität und Integration in bestehende Systeme
Ein neues System muss die gleiche Flexibilität bieten wie Dampf selbst und sich nahtlos in bestehende Abläufe integrieren. Hochtemperatur-Speicherlösungen können Wärme bei bis zu 1.300 °C speichern und über einen weiten Temperaturbereich abgeben. Durch den Einsatz eines Abhitzekessels lassen sich die Dampfeigenschaften präzise an die Prozess- oder Netzanforderungen anpassen.
Modulare Bauweise für schrittweise Dekarbonisierung
Modulare TES-Systeme bestehen aus mehreren Einheiten, die unabhängig voneinander laden und entladen können. Dies ermöglicht eine flexible Integration in bestehende Dampfnetze. Unternehmen können ihren Dampfbedarf schrittweise dekarbonisieren. Sie profitieren von Phasen mit niedrigen oder sogar negativen Strompreisen, um die Betriebskosten zu optimieren.
- Startphase: Dekarbonisierung eines Teils des Dampfnetzes.
- Skalierung: Hinzufügen weiterer Einheiten über die Zeit.
- Ziel: Erhöhung des Anteils an sauberem Dampf.
Mit zunehmender Verbreitung erneuerbarer Energien und damit volatileren Preisen werden die Vorteile von TES bei der Senkung der Betriebskosten noch deutlicher. Jede Einheit besteht aus Modulen für Laden, Speichern und Entladen. Diese Module sind anpassbar in Bezug auf Eingangsleistung, Speicherkapazität, Ausgangstemperatur und Wärmeübertragungsmedium.
Praxisbeispiel: PepsiCo und Eneco in den Niederlanden
Ein wegweisendes Projekt in den Niederlanden zeigt das Potenzial von TES. Dort nutzen Eneco und PepsiCo Hochtemperatur-Wärmespeicher, um 300 °C heißes Thermoöl für das Frittieren von Kartoffelchips bereitzustellen. Dieses System wird voraussichtlich eines der weltweit größten kommerziellen Hochtemperatur-Speichersysteme sein. Es startet mit einer Anfangskapazität von 70 MWh und soll auf 150 MWh erweitert werden.
Emissionsreduktion durch TES
Der Wechsel zu erneuerbarer Energie wird in der ersten Phase 51% der Scope-1-Emissionen eliminieren. In späteren Phasen sind sogar bis zu 98% Reduktion möglich.
Das System lässt sich durch den Austausch einer einzigen Komponente einfach für die Dampferzeugung konfigurieren. Diese Flexibilität ermöglicht es Chemieproduzenten, fossile Brennstoffe in vielen Prozessen zu ersetzen. Heiße Luft kann zum Trocknen und zur Verbrennungsluftvorwärmung dienen. Thermoöl kann fossile Heizkreisläufe ersetzen, die bei der Herstellung von Phthalaten, Polymeren und Farben verwendet werden. Dies geschieht mit minimalen Änderungen an der bestehenden Rohrleitungsinfrastruktur.
Zukunft der chemischen Industrie
Die Anpassungsfähigkeit und Kosteneffizienz von Hochtemperatur-Wärmespeichern machen sie zu einem Eckpfeiler der Energiewende in der chemischen Industrie. Sie mindern die Herausforderungen, die mit einer variablen Versorgung durch erneuerbare Energien und Netzengpässen verbunden sind. Dadurch werden grüner Dampf und nachhaltige Prozesswärme zu einer greifbaren Realität. Das niederländische Projekt ist ein praktischer Weg zu kohlenstoffarmer Wärme und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programms „Erneuerbare Energielösungen“ der Deutschen Energie-Lösungen-Initiative unterstützt.
