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CO2-neutrale Energieversorgung von Industriestandorten am Beispiel eines Chemieparks

Das SPIN-Forschungsprojekt CO2NEICHEM entwickelt Konzepte für die notwendige Energie- und Rohstoffwende am Beispiel des CHEMPARK. Ziel ist eine kontinuierliche und zuverlässige, wettbewerbsfähige, sektorübergreifende und effiziente Strom-, Wärme- und Kälteversorgung auf Basis erneuerbarer Energien unter Berücksichtigung der benötigten Infrastruktur zu entwickeln. Die besondere Herausforderung dabei ist, dass chemische Produktionsverfahren vorwiegend sehr wärmeintensiv sind und zu einem geringen Teil Prozessdampf mit hohen Temperaturen bis zu 500 Grad Celsius benötigen. Partner des SPIN-Projekts sind Siemens Energy, CURRENTA und die Ruhr-Universität Bochum.

Zahlreiche Produktionsverfahren der chemischen Industrie sind wärmeintensive Prozesse, die kontinuierlich mit hoher Leistung und mit hoher Versorgungssicherheit Prozesswärme in Form von Prozessdampf mit Temperaturen bis zu 500 Grad Celsius benötigen. Der Bedarf an Prozessdampf wird in der chemischen Industrie absehbar als konstant erwartet, vorbehaltlich disrupti-ver Prozessinnovationen. Über eine klimaneutrale Stromversorgung hinaus ist damit eine CO2-neutrale Wärmeversorgung von herausragender Bedeutung für die Produktionsstandorte der chemischen Industrie.

Die dafür erforderlichen Technologien basieren Stand heute zum Teil auf Ent-wicklungen, wie sie ebenfalls für CO2-freie Spitzenlast- oder Backup-Kraftwerke benötigt werden. Für die Erfordernisse von chemischen Industrie-standorten müssen sie aber bezüglich Integration und technischer Ausführung signifikant angepasst werden, damit Prozessdampf prioritär bereitgestellt und eine standortbezogene Versorgungssicherheit garantiert werden kann.

Bisherige Energieversorgung

Heute erfolgt die Prozessdampfversorgung über Dampfnetze auf unterschiedlichen Druckstufen, die aus Anlagen zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme und mit Abhitze aus Produktionsbetrieben oder Entsorgungsanlagen gespeist werden. Als Brennstoffe werden Erdgas und in immer geringer werdendem Ausmaß Kohle eingesetzt. Die KWK-Anlagen sind überwiegend wärmegeführt betrieben, d. h. zusätzlicher Strombedarf wird ergänzend zur KWK-Erzeugung aus dem übergeordneten Netz gedeckt. Der Anlagenbetrieb stellt eine kontinuierliche und abgesicherte Wärmeversorgung sicher und nutzt die KWK-Anlagenflexibilität, um ein volatiles grünes Stromdargebot zu integrieren und zur Stabilisierung des Stromsystems beizutragen.

Notwendige Anpassungsprozesse, Möglichkeiten und Anforderungen
Eine nachhaltige CO2-freie Wärmeversorgung im industriellen Maßstab lässt sich prinzipiell durch Nutzung verschiedener Alternativen erreichen. Möglich wäre die Prozesswärmeerzeugung aus fluktuierendem erneuerbarem Strom in Form von PV- und Windstrom, wobei die Wärmeerzeugung elektrothermisch oder unter Nutzung von Umweltwärme und bisher ungenutzter Niedertemperaturabwärme (in der Regel unter 100°C) durch Wärmetransformation erfol-gen könnte.
Eine weitere Alternative stellt die energetische Nutzung chemisch gespeicherter erneuerbarer Energien dar, beispielsweise in Form von grünem Wasserstoff und synthetischen Energieträgern wie Power-to-X.

Innovative Entwicklungen der SPIN-Projektpartner

Im Rahmen von CO2NEICHEM entwickeln die Konsortialpartner ein Energiesys-temmodell für einen idealtypischen Chemiepark zur technoökonomischen Analyse und Optimierung. Die Untersuchungen werden innovative Technologien wie Wasserstoff-betriebene Dampf-Gasturbinen, Hochtemperatur-Wärmepumpen und Wärmespeicher mit Dampf- und Stromausspeicherung einbeziehen. Als Forschungsergebnis wird das SPIN-Projekt alternative Energieversorgungssysteme bewerten und ein detailliertes Konzept zur Anwendung des favorisierten Systems für eine Demonstrationsanwendung ausarbeiten.