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Zukunft planen, Prozesswärme anpacken

Der dominierende Verwendungszweck von Brennstoffen in der Industrie, die Prozesswärme, spielt bei der Dekarbonisierung bisher nur eine Nebenrolle. Fünf Schritte, wie der Prozessenergieverbrauch markant reduziert und auf CO2-freie Energieträger umgestellt werden kann.

In den nächsten 30 bis 50 Jahren sollen Wirtschaft und Gesellschaft unter dem Strich keine Klimagase mehr emittieren, so das Ziel der Schweizer Netto-Null-Klimapolitik. In vielen Szenarien und Instrumenten, die sich auf die Realisation der Dekarbonisierung in diesem Zeitfenster beziehen, wird die industrielle und gewerbliche Prozesswärme am Rande oder gar nicht erwähnt. Dies, obwohl Prozesswärme der dominierende Verwendungszweck von Brennstoffen in der Industrie ist. So beträgt der Anteil an Prozesswärme bei den Unternehmen der EnAW deutlich mehr als zehn Terrawattstunden pro Jahr und dürfte um die 70 Prozent des industriellen Brennstoffverbrauchs aller EnAW-Teilnehmer ausmachen. Wird die Prozesswärme also vernachlässigt? Die Dekarbonisierung von Prozessen und der Prozesswärme ist für einen Grossteil der Unternehmen in den kommenden Jahrzehnten eine Herausforderung. Aber wenn die Bereitstellung und Anwendung von «zukunftstauglicher» Prozesswärme clever, differenziert, systematisch und vorausschauend angegangen wird, ist die Dekarbonisierung realistisch. Weil aber die Massnahmenumsetzung teilweise Jahrzehnte dauert, sollte die Planung nicht auf die lange Bank geschoben werden.

FÜNF-SCHRITTE-PLAN

Die langfristig CO2-freie Produktion erfordert Massnahmen und Entwicklungen auf verschiedenen Ebenen. Der Prozessenergieverbrauch kann durch Effizienzsteigerungen, Wärmerückgewinnung in und zwischen den Prozessen, Prozessoptimierungen, Prozessumstellungen, Produktanpassungen und Mehrfachverwendung der Rohstoffe (Kreislaufwirtschaft) und Abwärmenutzung zwischen Betrieben minimiert werden. Die erforderlichen Temperaturen für die Produktion können durch Prozess- und Produktanpassungen gesenkt werden. Der verbleibende Wärmebedarf kann durch CO2-freie oder CO2-arme Energieträger gedeckt werden. Fünf Schritte sind bei der Umsetzung einer CO2-freien Produktion Erfolg versprechend:

1. Effizienzsteigerungen
Insbesondere bei der Umsetzung von Massnahmen in den Prozessen ist das Potenzial für die Reduktion des CO2-Ausstosses durch Effizienzverbesserungen immer noch hoch. Durch Betriebsoptimierungen, den Einsatz verbesserter Technologien und Innovationen, prozessinterne Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung mit PinCH-Design können die Emissionen heruntergefahren werden. Die Effizienzsteigerungsmassnahmen für den klimaschonenden Einsatz von Prozesswärme und Prozessen sind für viele Betriebe häufig auch die kosteneffizientesten Massnahmen.

2. Übergreifende Nutzungen und Netze
Durch die Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung über einzelne Produktionsstandorte hinaus kann weiteres Potenzial zur Emissionsreduktion erschlossen werden. Durch Nah- und Fernwärmenetze können Wärme und Kälte zwischen verschiedenen Prozessen und Industrien genutzt werden. Die Herausforderungen bei der Umsetzung stellen sich bei der räumlichen Planung der übergreifenden Nutzungen und Netze bzw. der geografischen Distanz der potenziell angeschlossenen Unternehmen. Wärmenetze setzen ausserdem eine langfristige Planung voraus und bedingen hohe Investitionen, welche die Unternehmen der angeschlossenen Standorte teilweise finanziell nicht tragen können. Zudem schaffen übergreifende Nutzungen und Netze Abhängigkeiten zwischen den Betrieben, die bei der Planung berücksichtigt werden müssen. So kann zum Beispiel ein Pfannenhersteller eine Gemeindeverwaltung, ein Altersheim, Teile der Schulanlagen und private Liegenschaften mit Wärme versorgen. Da nicht nur Partnerunternehmen vorhanden sein müssen, sondern häufig auch eine öffentliche Infrastruktur Voraussetzung ist, sind zudem Rechts- und Planungssicherheit sowie ein gutes Einvernehmen mit den Behörden unabdinglich.

3. Prozessumstellungen
In vielen Fällen können Prozesse auf weniger hohe Temperaturanforderungen, oft verbunden mit einem geringeren Energiebedarf, umgestellt werden. Solche Prozessumstellungen können sich lohnen, aber auch teuer und risikobehaftet sein. Entsprechend ist hier eine gewisse Zurückhaltung zu spüren. Begründungen wie: «wir lassen es so – so hat es immer funktioniert» oder «lass die Finger von den Einstellungen, das habe ich von meinem Vorgänger so übernommen» sind häufige und nachvollziehbare Reaktionen. In die Black-Boxen der Prozesse hineinschauen und dafür das nötige interne oder externe Fachwissen einsetzen, gewisse Risikobereitschaft und -fähigkeit, viel Innovation, Forschung und Entwicklung spielen für emissionsreduzierende Prozessumstellungen eine wichtige Rolle. Möglicherweise braucht es darüber hinaus Instrumente zur Absicherung von Risiken, um die Umsetzung von emissionsreduzierenden Prozessumstellungen anzustossen. Dies könnten Risikogarantien für grosse Technologiesprünge sein.

4. Produktumstellungen
Produkte können durch andere Produkte ersetzt werden, welche gleiche oder ähnliche Funktionen erfüllen, aber weniger Prozesswärme oder tiefere Temperaturen in der Produktion erfordern. Produktumstellungen werden auch umgesetzt, um die Materialien ressourcenschonender einzusetzen oder um die Materialien am Lebensende der Produkte besser zu trennen und zu rezyklieren.

5. Substitution Energieversorgung durch erneuerbare Energien
Selbst wenn die bisher beschriebenen vier Ansätze zur Reduktion von Emissionen ausgereizt sind, wird noch ein grosser Bedarf an Prozesswärme auf verschiedenen Temperaturniveaus bestehen bleiben. Dieser Bedarf sollte möglichst mit CO2-freien Energieträgern gedeckt werden können. Die wesentlichen Herausforderungen bei den erneuerbaren Energien sind die Verfügbarkeit, die Gleichzeitigkeit, das Temperaturniveau, die Preisentwicklung sowie die nachhaltige Produktion von Biogas sowie synthetischen Gasen und Flüssigbrennstoffen aus erneuerbaren Quellen. Diese Reihenfolge obiger Massnahmenschritte ist, ähnlich wie im Gebäudebereich, theoretisch zu verstehen: Zuerst die Gebäudehülle optimieren und dann die neue Heizung mit erneuerbaren Energien betreiben. In der Praxis ist es oft anders, nicht zuletzt wegen der verschiedenen Lebenszyklen der Bauteile. Setzen die Unternehmen bei den Prozessen und der Prozesswärme an, sollte in jedem Fall mit den Effizienzsteigerungen begonnen werden. Weitere Massnahmenschritte können dann situationsbedingt eine unterschiedliche Reihenfolge einnehmen.

EINFACH ODER SCHWIERIG? ES KOMMT DARAUF AN.

Die Dekarbonisierung der Prozesswärme ist nicht immer ganz einfach. Das lässt sich anhand von drei Beispielen gut aufzeigen. Eine genossenschaftlich organisierte Käserei in einer ländlichen Gegend am Rande einer Gewerbezone kann recht unkompliziert auf eine Schnitzelfeuerung mit Holz aus dem lokalen Forst umstellen. Allenfalls ist auch bereits eine Fernwärmeversorgung oder ein lokaler Wärmeverbund in der Nähe. Grund- und Spitzenlast würde wohl mit dem gleichen Kessel oder den Verbund abgedeckt werden. Holzkessel können ihre Leistung heute zwischen 100 bis 30 Prozent dem Bedarf anpassen. Die Käserei ist auf einen Schlag CO2-frei – so einfach kann es gehen. Rund 150 Käsereien, die von der EnAW bei der Umsetzung ihrer Dekarbonisierungsziele begleitet werden, haben das so gemacht, darunter auch grosse Unternehmen.

Die Dekarbonisierung von Prozessen und der Prozesswärme ist eine Herausforderung.

Etwas schwieriger könnte es in einer Gärtnerei werden. Nachts isolieren Energieschirme das Gewächshaus. Frühmorgens, wenn bei Sonneneinstrahlung die Energieschirme über den Kulturen eingezogen wird, entsteht kurzfristig eine grosse Spitzenlast. Mit einer Abwärmenutzung oder einer Erdsonden- bzw. Grundwasser-Wärmepumpe könnte dieser kurzfristige Energiebedarf nur über grosse Speicher bewerkstelligt werden. Ohne Speicher müsste zusätzlich ein Spitzenkessel zum Beispiel mit Biogas zum Einsatz kommen. Zudem muss die oben genannte Energiequelle überhaupt vorhanden und nutzbar sein. Allenfalls drängt sich gar eine Kulturumstellung auf oder die Gärtnerei fängt später im Jahr mit der Produktion an. Derartige Umstellungen können für einzelne Unternehmen einschneidend sein, sodass die Dekarbonisierung bei der Prozesswärme schon nicht mehr ganz so einfach ist.

Für einen Chemiebetrieb in urbaner Umgebung mit einer Vielzahl von kontinuierlichen und nichtkontinuierlichen Prozessen und sehr verschiedenen Temperaturanforderungen in den Prozessen wird es nochmals deutlich schwieriger. Grundsätzlich sollte nicht die höchste Temperaturanforderung auf dem Gelände dazu führen, dass das ganze Areal auf diesem hohen Temperarturniveau versorgt wird. Denn das verhindert nicht selten die Wärmerückgewinnung innerhalb der Prozesse, die Abwärmenutzung, ein mögliches Anergienetz, die Nutzung von Umweltenergie mittels Wärmepumpen oder die Verwendung von Solarthermie zur Vorwärmung oder Vollversorgung. Oftmals wird das Areal zentral durch eine einzige Heizzentrale mit einem Dampf- oder Heisswassernetz versorgt. Die hochtemperaturigen Wärmetauscher bei den Verbrauchern werden folglich klein dimensioniert. Dadurch können solche Netze später nicht ohne grössere Umrüstungen auf tiefere Temperaturen umgestellt werden, weil bei niedrigen Temperaturen die Wärmetauscherflächen grösser sein müssen.

Es bleiben Prozesse, die nur schwer dekarbonisiert werden können.

WAS IST ZU TUN?

Eine Aufteilung in Versorgungs-Cluster nach Temperaturniveaus und Betriebszeiten mit unterschiedlichen Wärmeerzeugern wäre für viele Unternehmen sinnvoll. Die Erzeugung von Raumwärme sollte möglichst von der Prozesswärme getrennt werden. Ein gut saniertes Gebäude kann heute mit einer Vorlauftemperatur von 35 Grad Celsius bedient werden. Da braucht es keine Ölfeuerung, keine Gasheizung und auch keine Holzfeuerung. «Hochtemperatur-Energieträger» sollten Hochtemperaturanwendungen vorbehalten sein (keine Raumwärme, kein Warmwasser). Störend ist auch, wenn Grossanlagen zur Verstromung von Holz die entstehende Wärme nicht vollständig nutzen. Die Ressource Holz als Energieträger wird knapp werden.

Etwas Licht am Ende des Tunnels bringt die hoffentlich zunehmende Verfügbarkeit von Biogas sowie synthetischen Gasen und Flüssigbrennstoffen aus erneuerbaren Energien. Mit ihnen können hohe Temperaturen erzeugt werden. Sie sind deshalb gezielt dort einzusetzen, wo es hohe Temperaturen braucht und sie sind nachhaltig zu produzieren. Auch Fortschritte bei der Hochtemperatur-Wärmepumpe sind wichtig. Letztlich bleiben aber Prozesse, die nur schwer dekarbonisiert werden können. Dazu gehören Prozesse in der Petrochemie und solche, die geogene Emissionen freisetzen wie das Kalkbrennen.

HEUTE FÜR MORGEN PLANEN

Basierend auf dem oben beschriebenen 5-Schritte-Plan zeigen die Beraterinnen und Berater der EnAW den interessierten Unternehmen zugeschnitten auf die Situation des Betriebs auf, welche Massnahmen über die nächsten 30 Jahre freiwillig ergriffen werden können, um Prozesse und Prozesswärme so weit wie möglich emissionsfrei zu gestalten. PinCH-Analysen, wie sie auch vom Bund finanziell unterstützt werden, werden ein Schlüssel bei der Identifikation von Wärmerückgewinnung und Prozessumstellung sein. Die Massnahmen- und Kostenplanung sollte zwingend mit Life Cycle Cost-Betrachtungen (LCC) gemacht werden. Bei der entsprechenden Massnahmenplanung sollten auch die möglichen «non energy benefits» aufgezeigt werden, weil Teile der Massnahmen nach heutigen Gesichtspunkten und Rahmenbedingungen sonst nicht wirtschaftlich sein dürften. Mit «non-energy benefits» sind Effekte gemeint, die zusätzlich zu den Energiekosteneinsparungen wirken. Anstoss, diese Planungsdienstleistung der EnAW in Anspruch zu nehmen, könnten anstehende grosse Investitionen in Produktionslinien oder Produktionsstandorte sein oder das Interesse, Handlungsoptionen zu erkennen. Die Zukunft planen, eben! Mehr als 200 Unternehmen, die von der EnAW begleitet werden, haben die Dekarbonisierung in der Prozesswärme in Angriff genommen und eine umfassende Planung erstellen lassen oder setzen entsprechende Massnahmen bereits um. Andere haben das noch vor sich. «Geht nicht» geht gar nicht, würde Jacqueline Jakob sagen. Die vielen Praxisbeispiele in diesem Magazin zeigen, was möglich ist und wo die Herausforderungen liegen.

Über den Autor

Thomas Weisskopf, Dipl. El. Ing. HTL, dipl. Energieing. HTL/NDS ist Inhaber und Geschäftsführer der Weisskopf Partner GmbH und Mitglied der Geschäftsleitung der Energie-Agentur der Wirtschaft (EnAW). Er ist Energie-Coach der Stadt Zürich, GEAK-Plus-Experte und Mitglied beim Forum Energie Zürich. Weisskopf Partner GmbH ist bei EnAW und energo akkreditiert.

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