Flexibilitätsoptionen in der Grundstoffindustrie II - Kapitel 3: Thermische Energiespeicher

Kurzfassung

Kapitel 1 adressiert Hybridisierung der Wärmeversorgung als eine Flexibilisierungsoption. Im Zuge des Ausbaus volatiler, erneuerbarer Energieerzeugung ist es zunehmend von Bedeutung, einen netzdienlichen Betrieb von Verbrauchern zu etablieren. Eine Möglichkeit besteht in der hybriden Erzeugung industrieller Prozesswärme für die energieintensive Grundstoffindustrie. Ziel ist es, sowohl Hybridisierungspotenziale als auch branchenübergreifende -hemmnisse von brennstoffbasierten Industrieprozessen am Beispiel der Glas-, Papier- und Zementindustrie aufzuzeigen. Die entwickelte Methodik besteht aus einer vorgelagerten Technologieanalyse sowie einer Branchen- und Potenzialanalyse. Je Industriezweig werden zunächst geeignete Prozessschritte mit Hilfe eines Kriteriums zur Hybridisierung identifiziert. Anhand der Übereinstimmung und Verknüpfung der Prozesseigenschaften mit den Technologiekriterien findet eine prozessspezifische Technologieauswahl elektrothermischer Verfahren statt. Auf dieser Basis wird das Hybridisierungspotenzial in Form eines technischen Substitutionspotenzials für eine hybride Wärmeerzeugung quantifiziert. Abschließend werden im Rahmen von Experteninterviews ermittelte Hemmnisse für eine hybride Prozesswärmebereitstellung aufgezeigt. Industrielle Wärmenetze sind das Thema in Kapitel 2. Für eine kosteneffiziente Energieversorgung auf Basis fluktuierender erneuerbarer Energien ist die Einbringung verschiedener Flexibilitätstechnologien erforderlich. In Deutschland macht der industrielle Wärmeenergiebedarf 22 % des gesamten Endenergiebedarfs aus. Ein relevanter Teil davon wird über thermische Netze bereitgestellt. Während diese netzbasierte Wärmeversorgung derzeit überwiegend aus fossilen Brennstoffen erfolgt, wird sie in Zukunft wesentlich auf Strom basieren und damit ein großes bisher nicht beziffertes Flexibilitätspotenzial bereitstellen. In dieser Untersuchung wurde aus der Verschneidung vorliegender Top-down und Bottom-up Daten die potenzielle flexible jährliche Energie und die flexible Leistung hybrider Wärmenetze in Deutschland bestimmt. Kapitel 3 untersucht Möglichkeiten, (elektrische) Flexibilität mit Hilfe thermischer Energiespeicher bereitzustellen. Abschnitt 3.1 und 3.2 adressieren allgemeine Aspekte der thermischen Energiespeicherung wie unterschiedliche Speichertechnologien und Möglichkeiten zur elektrothermischen Beladung solcher Speicher. In den Abschnitten 3.3 bis 3.8 werden die einzelnen Branchen der Grundstoffindustrie beleuchtet. Auf Basis der jeweiligen Schlüsselproduktionsprozesse werden die Möglichkeiten zur Integration von Hochtemperaturwärmespeichern zum Zweck eines flexiblen Strombezug untersucht. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: In der Elektrostahlerzeugung werden derzeit keine vielversprechenden Ansätze für eine Speicherintegration gesehen. In der Feuerfest und Glasindustrie ergeben sich Möglichkeiten, Prozesswärme aus einem elektrische beheizten Speicher zur Verfügung zu stellen. In den Ofenprozessen der Feuerfestindustrie können damit teilweise Ofenbrenner ersetzt und die Verbrennungsluft der Brenner vorgewärmt werden. In der Glasindustrie ist eine Vorwärmung des Gemenges am Schmelzofen mit Hilfe eines Speichers möglich. In der Prozessdampfbereitstellung für die chemische Industrie mit Hilfe von GuD-Anlagen erlaubt ein Wärmespeicher im Abgasstrang der Gasturbine eine Entkopplung der Dampferzeugung vom Gasturbinenbetrieb. Die Gasturbine kann somit zur flexiblen Stromerzeugung eingesetzt werden. In der Zementindustrie wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt keine Integrationsmöglichkeit für Wärmespeicher gesehen. Mittelfristig könnte jedoch das im Klinkerbrennprozess anfallende Kalziumoxid (CaO) als thermochemisches Speichermedium genutzt werden. Die dafür benötigten Technologien (wie z.B. ein elektrisch betriebener Kalzinierer) befinden sich jedoch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium. Kapitel 4 widmet sich den absehbaren Änderungen der Gasversorgung. Im Rahmen der Energiewende werden gasförmige Energieträger als Pendant zu den volatilen Erneuerbaren stark diskutiert. Vor allem durch Power-to-Gas (PtG) steht eine Dekarbonisierungsmaßnahme mit hohem Flexibilitätspotenzial bereit. Dadurch ändert sich allerdings bei Einspeisung ins Erdgasnetz die Gaszusammensetzung von reinem Erdgas zu einem Gasgemisch, welches unter anderem synthetisches Methan und Wasserstoff (H2) enthält. Durch die veränderte Gaszusammensetzung kommen Herausforderungen auf die Industrie zu, welche mit den folgenden Anforderungsprofilen analysiert werden. Das erste Anforderungsprofil stellt die Situation für eine konstante H2‑Einspeisung und damit einen konstanten Volumenanteil von erneuerbarem Gas im Gasgemisch dar. Diese Situation entsteht beispielsweise durch die Einspeisung einer PtG- oder Biogas-Anlage, welche konstant in Volllast betrieben wird. Im zweiten Anforderungsprofil wird von einem schwankenden, aber planbaren Volumenanteil erneuerbarer Gase im Gasgemisch ausgegangen. Hier wird also von wechselnden Gaszusammensetzungen ausgegangen, beispielweise durch die volatile Einspeisung einer PtG-Anlage in der Nähe eines Windparks, welche überschüssigen Strom in H2 umwandelt. Das letzte Anforderungsprofil stellt die größten Herausforderungen an die Industrie, da hier von nicht planbaren Schwankungen ausgegangen wird, welche zum Beispiel durch die Erbringung von Regelleistung durch PtG-Anlagen oder Prognosefehlern für EE-Erzeugung auftreten können. Im Kontext der Energiewende werden synthetische Gase als Mittel zur Dekarbonisierung des Gassektors diskutiert. Dabei stehen Wasserstoff – produziert per Elektrolyse – sowie synthetisches Methan (EE Methan), welches aus der Methanisierung des zuvor erzeugten Wasserstoffs hergestellt wird, im Fokus. Um wirklich treibhausgasneutrale Energieträger bereit zustellen, wird vorausgesetzt, dass es sich bei der eingesetzten Energie um regenerativ erzeugten Strom aus Solar- und Windkraftanlagen handelt. Biomethan wird derzeit schon als Austauschgas ins Erdgasnetz eingespeist; es wird erwartet, dass das Potential aufgrund der Nachhaltigkeits-Anforderungen an Landwirtschaft als Substratlieferant eher gering bleiben wird. Die Einspeisung alternativer Gase in das bestehende Erdgasnetz wird durch das Regelwerk des DVGW (Deutscher Verein das Gas- und Wasserfachs) bestimmt, das unter anderem einzuhaltende Kenndaten der Gasbeschaffenheit vorgibt. Diese Kenndaten (Brennwert, Dichte, Wobbe-Index, Methanzahl) spannen ein Kennfeld auf, innerhalb dessen die Gasbeschaffenheit zulässig ist. Allerdings kann es auch innerhalb dieses Kennfelds bereits zu Schwankungen in der Gasbeschaffenheit kommen, die beim Endverbraucher je nach Anwendungsfall bereits dazu führen kann, dass die Brenner etc. angepasst werden müssen. Entsprechend wäre eine Sensorik und Messtechnik vorzuschalten, was derzeit nicht bei jedem Verbraucher vorausgesetzt werden kann. Die in dem Kapitel 6 vorgestellte Hemmnisanalyse begleitete und unterstützte die von den Projektpartnern durchgeführten Untersuchungen zur Flexibilitätsbereitstellung durch Hybridisierung der Wärmeerzeugung, Einsatz von thermischen Speichern sowie Nutzung synthetischer Brenngase in ausgewählten wärmeintensiven Prozessen der Stahl-, Chemie-, Zement-, Glas- und Feuerfestindustrien. Es wurde ein Analyserahmen entwickelt, der neben technischen auch organisatorische, regulatorische und ökonomische Hemmnisse erfasst. Zur Datenerhebung wurden Expertengespräche geführt, deren Ergebnisse durch Literaturrecherche ergänzt wurden. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Hemmnisanalyse branchenübergreifend zusammengeführt. Es werden 18 branchenübergreifende Hemmnisse sowie fünf branchenübergreifende Flexibilisierungsmöglichkeiten generalisiert dargestellt, und zur Illustration konkrete Beispiele aus den untersuchten Branchen gegeben. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die aus technischer Sicht für den Industriebetrieb am einfachsten umzusetzende Flexibilisierungsmöglichkeit die Bereitstellung synthetischer Gase in spezifizierter und konstanter Zusammensetzung über das Erdgasnetz ist, da in diesem Fall maximal eine (geringfügige) Anpassung der etablierten und erprobten Produktionsprozesse und der zugehörigen technischen Anlagen nötig wäre. Auf Basis der geführten Gespräche erscheint eine Hybridisierung des Wärmeeintrags in Prozesse in ihren heutigen Formen aus verfahrenstechnischen Gründen nur in wenigen Fällen möglich. Unter heutigen Rahmenbedingungen wird eine Hybridisierung zudem insbesondere durch Stromkosten erschwert, die im Vergleich zu den Kosten fossiler Energieträger sehr hoch sind. Bzgl. einer Integration thermischer Speicher konnten verschiedene prozessspezifische, aus technischer Sicht plausible, Ansatzpunkte identifiziert werden. In dem Kapitel 7 werden drei Referenzprozesse der Grundstoffindustrie mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Modellen genauer betrachtet. Ziel ist es, aufzuzeigen, welche ökonomischen und regulatorischen Rahmenbedingungen auf dem Markt vorherrschen müssen, damit Flexibilitätspotentiale in der Grundstoffindustrie wirtschaftlich gehoben werden können. Im ersten Modell wird die Behälterglasglasschmelze als Referenzprozess für eine hybride Wärmebereitstellung aus Strom (mit einer Elektrozusatzheizung) und Erdgas mithilfe eines Optimierungs-Modells näher untersucht. Dabei werden sowohl Energiekosteneinsparungen berechnet, als auch der Einfluss von Netzentgelten, anderer Umlagen sowie der Einfluss von CO2-Preisen auf den Einsatz von Elektrizität in einer hybriden Wärmebereitstellung analysiert. Anschließend wird die Verbrennung von Synthesegas in einem fiktiven exemplarischen Werk der Feuerfestindustrie betrachtet. Der letzte Referenzprozess bezieht sich auf eine hybride Verbrennungsluftvorwärmung für thermische Brenner. Kapitel 8 untersucht Flexibilitätsoptionen in der Elektrostahlherstellung. Die Betriebscharakteristik eines Elektrolichtbogenofens zur Herstellung von Elektrostahl wurde über einen repräsentativen Produktionszeitraum ausgewertet. Die Messdaten wurden hinsichtlich einer zeitlichen und räumlichen Aggregation analysiert. Spezifische Kenngrößen der Prozessauslastung und der elektrischen Leistungsaufnahme wurden überprüft. Zusätzlich wurden Dauerlinien mit unterschiedlich aggregierten Energiedaten ermittelt, die eine Basis für künftige Abschätzungen des Flexibilitätspotentials von Elektrolichtbogenöfen der Stahlindustrie bilden können. Ferner wird über Versuche mit Bereitstellung von Regelenergie einer Sauerstofferzeugungsanlage berichtet. Außerdem wird die Betriebsweise von Pfannenöfen in der Sekundärmetallurgie von Stahlwerken und deren Flexibilität erläutert. Eine mögliche Perspektive zur hybriden Beheizung von Teilanlagen der Stahlherstellung besteht ggf. in Warmwalzwerken. Dort ist eine Medienvorwärmung von Verbrennungsluft mit Einbindung elektrischer Heizelemente denkbar. Abschließend werden Perspektiven zur Nutzung synthetischer Gase aufgezeigt, mit denen der Bedarf fossiler Brennstoffe zur Stahlherstellung vermindert werden könnte. Zur Beurteilung der Flexibilität der Glasindustrie in Deutschland in Kapitel 9 bezüglich der zeitlich schwankenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien wurden zwei sog. Schlüsselprozesse näher betrachtet: die Behälter- und die Flachglasherstellung. Beide Glasherstellungsprozesse decken ca. 85% der Jahrestonnage ab und repräsentieren auch ca. 85% des Energiebedarfs zur Glasherstellung in Deutschland. Während bei der Behälterglasherstellung ein gewisses technisches Flexibilitätspotential für kurzzeitige Maßnahmen auf Grund der vorhandenen Elektrozusatzheizung (EZH) ermittelt werden konnte [a], wurde bei der Flachglasherstellung keine nennenswerte Flexibilität für die abgefragten Profile erkannt bzw. von den Herstellern kein erkennbares Potential ausgewiesen [b]. Als maximales technisches Flexibilitätspotential ergibt sich somit ± 550 GWh/a bei einem aktuellen Verbrauch an elektrischer Energie von rund 3000 GWh/a [c] der schmelzenden Betriebe. Die Diskussion um die Anpassung bzw. Adaption der Glasschmelzanlagen an die Forderung der CO2-neutralen Schmelze ist in vollem Gange. Hier werden zurzeit national wie international die beiden grundlegenden Konzepte „vollelektrische Wanne“ und „Hybridwanne“ diskutiert und mit Hilfe von Simulations- und Modellrechnungen eine Beurteilung bzw. Abschätzung der unterschiedlichsten Varianten vorgenommen. Das Lastflexibilisierungspotential des Referenzprozesses Zementmahlung im Kapitel 10 wurde anhand von Produktionsdaten aus zwei unterschiedlichen Zementwerken untersucht und praxisnah eingeschätzt. Es wurde ein Modell entwickelt, welches zur Abschätzung des maximalen Lastflexibilisierungspotentials entsprechend der branchenübergreifend definierten Anforderungsprofile 1 bis 3 für unterschiedliche Lastverschiebungszeiträume genutzt werden kann. Die zusätzlichen Ergebnisse für das zweite Referenzwerk bestätigen hierbei erneut die hauptsächliche Abhängigkeit des Lastflexibilisierungspotentials von der installierten Mühlenantriebsleistung und der jährlichen Mühlenauslastung. Sie ermöglichen eine Gegenüberstellung zu Ergebnissen für das erste Referenzwerk und weisen hierbei eine vergleichbare Größenordnung auf. Die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen und Hemmnisse beim flexiblen Betrieb von Zementmühlen wurden anhand von Kostenindizes für zwei historische Referenzjahre und Strompreisszenarien für das Jahr 2030 untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst bei extremen Änderungen der variablen Anteile in den Stromkosten kaum wirtschaftliche Potentiale für den flexiblen Stromeinsatz in der Zementmahlung entstehen. Die Kostenersparnis selbst könnten in der Regel keine neuen Investitionen zur Erhöhung der Flexibilität begründen. Für Anforderungsprofil 3 wurde der Einfluss unterschiedlicher standortspezifischer Rahmen-bedingungen wie Silokapazität und Mühlenkapazität in Bezug auf das Potential zur Flexibilisierung des Zementmühlenbetriebs über eine Zeitspanne zwischen 1 und 5 Tagen untersucht. Die Erhöhung der Mühlenkapazität weist hierbei ein größeres Potential zur positiven Lastflexibilisierung (Mühlenabschaltung) auf, welches jedoch die Investition in eine neue Zementmühle alleine wirtschaftlich nicht rechtfertigt. Darüber hinaus wurde das Lastflexibilisierungspotential für das Konzept der separaten Feinstmahlung untersucht und wirtschaftlich bewertet. Ein Konzept zum Einsatz einer Gutbett-Walzenmühle zur Vormahlung und Rührwerkskugelmühlen zur Feinstmahlung führt zu einer Reduktion des spezifischen Energiebedarfs und damit zu geringfügig höheren Kostenreduktionen in Abhängigkeit des Strompreisszenarios im Vergleich mit dem Kugelmühlenbetrieb. Das Lastflexibilisierungspotential in Form von Regelenergie in MWh/Jahr sinkt jedoch. Ursache hierfür sind 1. die geringen Produktionsleistung der einzelnen Rührwerkskugelmühlen und 2. der geringere spezifische Energiebedarf dieser Mahlanlagen in Kombination mit Gutbett-Walzenmühlen gegenüber Kugelmühlen. Kapitel 11 adressiert die Flexibilitätsoptionen, die durch eine Konfiguration verschiedener Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen entstehen können. Die Standorte der chemischen Industrie in Deutschland sind häufig integrierte Standorte, die häufig über eine eigene Strom- und Wärmeerzeugung verfügen. Gleichzeitig sind die Standorte an das externe Strom-, Gas-, und ggfs. Fernwämenetz angeschlossen und wirken sowohl in der Funktion des Verbrauchers als auch ggf. in der des Erzeugers. Die verschiedenen Strom- und Dampferzeuger können in verschiedenen Konfigurationen genutzt werden, um einerseits die Energieversorgung am Standort sicherzustellen und andererseits an den Energiemärkten teilzunehmen. Die Möglichkeit zwischen verschiedenen Erzeugungskonfigurationen hin- und her-zuschalten erzeugt ein Flexibilitätspotenzial in Abhängigkeit vom Referenzbetrieb. Die Effekte einer Flexibilisierung für verschiedene Einsatzstrategien (Wirtschaftlich, CO2-Minimierung, Max. Stromerzeugung, Min. Stromerzeugung und Max. Flexibilität) wurden anhand eines typischen grö- ßeren Chemiestandortes durchgeführt, welcher sich an den Gegebenheiten des Industrieparks Höchst anlehnt und auf Basis der MONA Standard Zeitreihe für 2030 über das Jahr summarisch bewertet. Von besonderem Interesse dabei ist die Wechselwirkung zwischen Kosten, CO2-Emissionen und Flexibilität. Die Konfiguration des Modells wurde zusätzlich um einen idealen thermischen Speicher erweitert, der ein zusätzliches positives Flexibilitätspotenzial erschließt. Zusätzlich wurde die Integration einer Wasserelektrolyse untersucht, die ein zusätzliches negatives Flexibilitätspotenzial verfügbar macht. In der Feuerfestindustrie, Kapitel 12, erfolgt die Herstellung der gesinterten Rohstoffe und der vielfältigen Feuerfestprodukte in gasbefeuerten Sinter- und Brennöfen. Mit Erdgas werden die hohen Sintertemperaturen von > 1800 °C erreicht und kann eine oxidierende bzw. reduzierende Atmosphäre in den Öfen eingestellt werden. Mit technischen Nachrüstungen können die gasbefeuerten Sinter- und Brennöfen auf stoffliche Flexibilisierung der Brenngase reagieren. Um Potenziale für eine energetische Flexibilisierung der Sinter- und Brennöfen zu identifizieren, wurden Durchlauföfen für die Produktion von Schamotte, von Bauxitprodukten und von Ziegeln untersucht. Die für den Betrieb mit Erdgas als Energieträger identifizierten energetischen Flexibilitätsoptionen können bei der Hybridisierung von solchen Aggregaten zumindest anteilhaft auf Strom als Energieträger übertragen werden. Gasbefeuerte Sinter- und Brennöfen können zumindest teilweise hybridisiert werden und damit ein Teil der erforderlichen Energie durch elektrische Energie eingebracht werden. So lassen sich der Trockner, die Vorwärmzone, die Brennluftvorwärmung, Regeneratoren und thermische Speicher elektrifizieren. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen lassen sich auch auf andere gasbefeuerte Öfen in der Feuerfest- und Keramikindustrie übertagen.