Wärmewende in der Industrie ist möglich

Für die Erreichung der Klimaschutzziele muss auch die Industrie ihre Prozesswärme künftig klimaneutral herstellen. Dazu erschien am 14. Dezember eine Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) und des Instituts für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) der RWTH Aachen. Sie gibt einen Überblick über den Stand der Technik der klimaneutralen Alternativen.

„Die Herausforderungen sind komplex, denn es geht um Anlagen im Dauerbetrieb, Temperaturen von oft über 1.000 Grad Celsius und sehr hohe Energiedichten“, so die Studienautoren. Die Analyse im Auftrag des Umweltbundesamts (UBA) zeigt, wo sich Alternativen wie Wasserstoff oder Elektrifizierung durchsetzen könnten und welche Herausforderungen zuerst durch Staat und Unternehmen gelöst werden müssen.

In einem hohen Detailgrad untersucht die Studie insgesamt 13 Branchen mit 34 Anwendungen in der Metall- und Mineralindustrie. Die betrachteten Anwendungen stehen repräsentativ für etwa 1.800 einzelne Prozesswärmeanlagen in Deutschland. Der aktuelle Stand der Technik sowie zukünftige Potenziale der unterschiedlichen CO2-neutralen Alternativtechniken werden unter Berücksichtigung von technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Kriterien betrachtet.

Klimaneutrale Prozesswärmeerzeugung bis 2045

Ein Großteil der Treibhausgasemissionen des Industriesektors wird direkt durch die Prozesswärme verursacht. Die Studie zeigt, dass die Umstellung auf klimaneutrale Prozesswärmeerzeugung bis zum Jahr 2045 grundsätzlich technisch möglich ist. Für alle Anwendungen sind CO2-neutrale Alternativen verfügbar oder befinden sich in der Entwicklung. Dabei unterscheiden sich die Möglichkeiten, Herausforderungen und Technologiereife sehr stark zwischen den Branchen.

Eine Transformationsstrategie hin zur CO2-neutralen Prozesswärme müsse diese strukturellen Unterschiede berücksichtigen und gleichzeitig ein klares Ziel der Treibhausgasneutralität setzen, fordern die Autorinnen und Autoren. Besonders bei gasbeheizten Industrieprozessen, die eine sehr hohe Energiedichte erfordern, kann der Einsatz von Wasserstoff gegenüber Strom vorteilhaft sein. Hier ist die direkte Elektrifizierung häufig technisch noch nicht ausgereift oder erfordert erhebliche Umbauten der bestehenden Anlagen.

Anwendungen mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen oder geringen Produktionskapazitäten sollten eher auf Elektrifizierung setzen, die häufig bereits am Markt verfügbar ist, so die Studie. Welche Lösung vorteilhaft ist, entscheide sich zudem oft standortbedingt – etwa durch in der Nähe geplante Wasserstoffinfrastruktur oder den Ausbau der elektrischen Anschlussleistung.

Elektrische Dampferzeugung am Markt verfügbar

Beim Blick auf die Reifegrade der verschiedenen Technologien zeigt der Bericht, dass vor allem bei der Dampferzeugung Dampfkessel mit Einsatz von Strom oder Wasserstoff bereits im industriellen Maßstab am Markt verfügbar sind. Energieeffizienter als diese elektrischen Dampfkessel sind beispielsweise Großwärmepumpen in der Papier- und Nahrungsmittelindustrie.

Ein direkter Einstieg in die Transformation der Dampferzeugung sei über hybride Anlagen möglich, durch das Nachrüsten bestehender gasbeheizter Anlagen mit elektrischen Wärmepumpen oder Dampfkesseln. Diese könnten dann flexibel in Zeiten mit niedrigen Strompreisen betrieben werden und erlaubten einen risikoarmen Einstieg in die Transformation. Entscheidend seien dabei die Energiekosten: CO2-neutraler Wasserstoff und Strom aus erneuerbaren Energien müssten gegenüber Erdgas konkurrenzfähig werden.

Der Einsatz von Wasserstoff sei in den meisten Anwendungen derzeit noch nicht marktreif, die Technologien befinden sich noch im Pilot- und Demonstrationsmaßstab. Jedoch gehen die Forschenden davon aus, dass die Technologie der Wasserstoffbeheizung schon in naher Zukunft in Form von Anlagen auf industriellem Niveau betrieben werden kann und häufig eine Umrüstung bestehender gasbeheizter Öfen möglich sein wird. Die größere Unsicherheit liege bei der Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff am jeweiligen Industriestandort.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der heutige Instrumentenrahmen nicht genügt, um die Transformation der Prozesswärme bis 2045 zu ermöglichen. Alternativtechniken seien noch nicht wirtschaftlich und Unsicherheiten hinsichtlich der Verfügbarkeit von grünem Strom oder Wasserstoff am jeweiligen Standort sehr hoch. Studienautor Dr. Tobias Fleiter mahnt: „Die Zeit drängt, denn viele industrielle Anlagen haben eine Betriebsdauer von mehreren Jahrzehnten.“ Wenn die Industrie bis 2045 klimaneutral sein soll, müsse jetzt der Rahmen dafür gestaltet werden, so der Geschäftsfeldleiter im Competence Center Energietechnologien und Energiesysteme am ISI.

Die Studie zur Wärmewende in der Industrie steht im Internet bereit.