Spin-Projekt Chemiepark als Beispiel: CO2-neutrale Energieversorgung von Industriestandorten

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Ruhr-Universität Bochum

Das Spin-Forschungsprojekt CO₂-Neichem entwickelt Konzepte für die Energie- und Rohstoffwende am Beispiel des Chemparks mit seinen drei Standorten in Nordrhein-Westfalen. Ziel ist eine kontinuierliche und zuverlässige, wettbewerbsfähige, sektorübergreifende und effiziente Strom-, Wärme- und Kälteversorgung auf Basis erneuerbarer Energien.

Im Mai ist das Spin-Projekt CO₂-Neichem offiziell an den Start gegangen. Unter Beteiligung von Siemens Energy, Currenta und der Ruhr-Universität Bochum soll dabei eine Strategie für eine CO₂-neutrale Wärmeversorgung von chemischen Industriestandorten entwickelt werden.

Am 17. Juni des Jahres würdigten in einem offiziellen Rahmen Vertreter der Projektbeteiligten sowie der Spin-Geschäftsstelle die Förderung des Ministeriums für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen (MWIDE) mit rund einer Million Euro im Zentrum für Energiewendetechnologien von Siemens Energy in Mülheim. Die Förderzusage des MWIDE, die bereits im Mai an das Sprin-Projektkonsortium ging, bildete den Startschuss für das innovative Projekt. Dr. Sebastian Stießel, Geschäftsstellenleiter des Spitzenclusters für industrielle Innovationen (Spin), freut sich über die Zusage des Wirtschafts- und Innovationsministeriums: „Mit unserem siebten Spin-Forschungsprojekt CO₂-Neichem kommen wir unserem Ziel einer nachhaltigen Energie- und Rohstoffwende wieder ein Stück näher, indem wir uns dabei einer CO₂-neutralen Wärmeversorgung von chemischen Industriestandorten widmen. Nach und nach wollen wir mit unseren Projekten die gesamte Bandbreite der notwendigen Transformationsprozesse energieintensiver Industrien abdecken.“ Das gesamte Projektvolumen beträgt rund 1,5 Millionen Euro.

Kontinuierliche und zuverlässige CO₂-neutrale Wärmeversorgung

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°C benötigen. Der Bedarf an Prozessdampf wird in der chemischen Industrie absehbar als konstant erwartet, vorbehaltlich disruptiver 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 Entwicklungen, wie sie ebenfalls für CO₂-freie Spitzenlast- oder Backup-Kraftwerke benötigt werden. Für die Erfordernisse von chemischen Industriestandorten 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 erfolgen 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.

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Entwicklungen der Spin-Projektpartner

Im Rahmen des Projekts entwickeln die Konsortialpartner ein Energiesystemmodell 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 Projekt alternative Energieversorgungssysteme bewerten und ein detailliertes Konzept zur Anwendung des favorisierten Systems für eine Demonstrationsanwendung ausarbeiten.

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