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Wasserstoff ermöglicht Klimaneutralität in der Industrie

Wasserstoff in der Industrie

Wasserstoff wird in der Industrie zur Erzeugung von Prozesswärme oder direkt als Rohstoff in der Produktion verwendet. Um die Dekarbonisierung in diesem Sektor und die Klimaschutzziele zu erreichen, werden große Mengen an klimafreundlich hergestelltem Wasserstoff benötigt. Beim Transport spielt die vorhandene Gasinfrastruktur eine entscheidende Rolle.

Wasserstoff ermöglicht Klimaneutralität in der Industrie; © AdobeStock.com/Me studio

Klimaneutralität im Industriesektor mit Wasserstoff

CO2-Emissionen senken und Industriestandort Deutschland sichern

Das Ziel einer vollständig grünen Industrie lässt sich nur mit innovativen und effizienten Gaslösungen erreichen. Der Einsatz von Wasserstoff und klimaneutralen Synthesegasen ist langfristig unumgänglich, um dort die bislang zentralen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas zu ersetzen. Denn wichtige Industriezweige lassen sich nicht zu 100 Prozent elektrifizieren. In der Stahl- und Chemieindustrie etwa werden gasförmige Energieträger für zahlreiche Produktionsverfahren benötigt, nicht nur energetisch, sondern auch als wichtige Rohstoffe. Zusätzlich sind effizienzsteigernde Maßnahmen in den Produktionsprozessen erforderlich, um die CO2-Emissionen der Industrie zu senken.
Das Ziel einer vollständig grünen Industrie lässt sich nur mit innovativen und effizienten Gaslösungen erreichen. Der Einsatz von Wasserstoff und klimaneutralen Synthesegasen ist langfristig unumgänglich, um dort die bislang zentralen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas zu ersetzen. Denn wichtige Industriezweige lassen sich nicht zu 100 Prozent elektrifizieren. In der Stahl- und Chemieindustrie etwa werden gasförmige Energieträger für zahlreiche Produktionsverfahren benötigt, nicht nur energetisch, sondern auch als wichtige Rohstoffe. Zusätzlich sind effizienzsteigernde Maßnahmen in den Produktionsprozessen erforderlich, um die CO2-Emissionen der Industrie zu senken.
Hoher Energiebedarf der Industrie

Weltweit war der Industriesektor 2018 für rund ein Viertel der CO2-Emissionen verantwortlich. Von diesem Viertel verantwortet die Herstellung von Eisen, Stahl und Zement rund zwei Drittel. In Deutschland weist die Industrie nach dem Sektor Verkehr den zweitgrößten Energieverbrauch auf. Gleichzeitig trägt sie ganz wesentlich zur Wertschöpfung bei und ist ein Grundpfeiler des Wohlstands. Um die internationalen und nationalen Klimaschutziele erreichen zu können, soll die Industrie spätestens im Jahr 2050 klimaneutral sein und ihre CO-Emissionen . Bei dieser enormen Herausforderung spielen Gase eine herausragende Rolle. für die CO2-Reduktion ergibt sich aus der Doppelfunktion, die Energieträger in vielen Industriebranchen einnehmen.

Einerseits nutzt die Industrie Erdgas thermisch, um Prozesswärme auf hohen Temperaturniveaus zu erzeugen. Zementklinker für die Bauwirtschaft zum Beispiel wird bei 1.450 °C gebrannt. Strombasierte Produktionsprozesse sind dazu derzeit nicht in ausreichendem Maß in der Lage. Andererseits wird Erdgas auch stofflich genutzt und es lässt sich aus ihm etwa Methanol erzeugen, das in der Chemieindustrie für die Herstellung von komplexeren Produkten wie Isolierungen oder Lacken Verwendung findet. In der Fläche kommen Gase in vielen mittelständischen Produktionsbetrieben zum Einsatz, etwa bei der Glasproduktion oder in metallverarbeitenden Betrieben.

Möglichkeiten zur Reduzierung der CO2-Emissionen mit Wasserstoff in energieintensiven Industriezweigen

Die Autobranche benötigt Erdgas unter anderem für die Trocknungsöfen in der Lackiererei. BMW

Wasserstoff als Rohstoff und Energielieferant

Die Chemie- und Pharmaindustrie ist einer der größten sowie bedeutendsten Wirtschaftszweige in Deutschland und beliefert zahlreiche andere Branchen mit zentralen Grundstoffen und Vorprodukten. Sie ist sehr energieintensiv und emittiert jährlich rund 40 Millionen Tonnen CO2. Eine entscheidene Bedeutung für die Branche spielt Erdgas und sie ist der größte industrielle Verbraucher in Deutschland. Etwa 70 Prozent des Erdgases werden energetisch für die Strom- und Dampferzeugung genutzt, 30 Prozent kommen als Rohstoff zum Einsatz.

Klimaneutraler Wasserstoff aus Elektrolyse und Pyrolyse

Die Chemieindustrie weist einen enormen Bedarf an Wasserstoff auf. Mittels Dampfreformierung wird dieser aus Erdgas erzeugt und bildet ein wichtiges Ausgangsprodukt für viele Chemikalien. Insbesondere gilt dies für die Basischemikalien Ammoniak und Methanol, die u.a. zu Düngemitteln und Kunststoffen weiterverarbeitet werden. Bei der Herstellung des benötigten Wasserstoffs, dem sogenannten grauen Wasserstoff, werden große Mengen CO2 freigesetzt. Diese Emissionen lassen sich durch den Einsatz von klimaneutralem Wasserstoff vermeiden, der mit Hilfe von Elektrolyse oder der Pyrolyse erzeugt wurde.

CO2-arme Stahlerzeugung mit Wasserstoff

Die deutsche Stahlindustrie verursacht jährlich rund 67 Millionen Tonnen CO2. Diese hohen Emissionen entstehen insbesondere bei der Erzeugung von Roheisen aus Eisenerz, das anschließend zu Rohstahl weiterverarbeitet wird. Für die sogenannten Reduzierung von Eisenerz zu Eisen benötigt man Koks, das mit Sauerstoff reagiert und für extreme Temperaturen von bis zu 2.200 Grad im Hochofen sorgt. Aus dem so gewonnenen flüssigen Roheisen entsteht nach weiteren Verarbeitungsschritten Rohstahl.

Direktreduktion mit Wasserstoff

Um die erheblichen CO2-Emissionen bei der Stahlerzeugung zu reduzieren, lässt sich im alternativen Direktreduktionsverfahren klimaneutraler Wasserstoff anstelle von Koks einsetzen. Im Gegensatz zum Hochofenprozess entsteht bei Temperaturen von bis zu 1.000 Grad statt flüssigem Roheisen ein sogenannter Eisenschwamm, der in einem elektrisch betriebenen Lichtbogenofen anschließend zu Stahl geschmolzen wird. Die Direktreduktion mit Wasserstoff ermöglich eine CO2-arme und somit weitgehend klimaneutrale Stahlerzeugung, die bis zu 95 Prozent der CO2-Emissionen im Vergleich zum Hochofenprozess einspart.

Klimaneutraler Zement durch CO2-Abscheidung und Weiterverarbeitung

Als Haupbestandteil und Bindemittel für die Herstellung von Beton und Mörtel hat Zement eine wesentliche Bedeutung für die Bauindustrie. Die Herstellung von Zement ist allerdings energieintensiv und verursacht hohe CO2-Emissionen, die sich jährlich auf ca. 20 Millionen Tonnen belaufen. Eine Reduzierung dieser Emissionen gestaltet sich schwierig, da nur etwa ein Drittel der CO2 durch den Einsatz fossiler Brennstoffe entstehen und durch den Wechsel zu regenerativen Energieträgern vermieden werden könnten. Der Großteil ist rohstoff- bzw. prozessbedingt und entsteht bei der sogenannten Kalzinierung, d.h. der Entsäuerung des Ausgangsmaterials Kalkstein. Bei Temperaturen von ca. 900 Grad wird dem Kalkstein hierbei das enthaltene Kohlendioxid (CO2) entzogen, bevor man ihn anschließend im Drehrohrofen bei bis zu 1.450 Grad zu Zementklinker weiterverarbeitet und diesen anschließend zu Zement mahlt.

Abscheidung von CO2 und Unwandlung mit Wasserstoff

Die bisherigen CO2-Minderungsmaßnahmen der Zementindustrie wie etwa die Verbesserung der thermischen Effizienz, die Senkung der Klinkergehalte im Zement oder das Ersetzen von fossilen Energieträgern durch alternative Brennstoffe haben mittlerweile ihre Grenzen erreicht. So lassen sich die prozessbedingten CO2-Emissionen, die bei der Herstellung von Zementklinker entstehen, mit heutigen Technologien nicht weiter reduzieren. Für eine zukünftige klimaneutrale Zementherstellung spielen deshalb Verfahren zur Abscheidung von CO2 eine zentrale Rolle. Das Kohlendioxid wird so nicht mehr freigesetzt, sondern in weiteren Schritten entweder langfristig gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) oder als Rohstoff genutzt (Carbon Capture and Utilisation, CCU). Die sogenannte Oxyfuel-Technologie, bei der im Drehrohrofen Sauerstoff statt Luft Verwendung findet, bewirkt, dass das anfallende CO2 die hierfür benötigte Qualität aufweist. Das abgeschiedenen Kohlendioxid lässt sich anschließend mit Hilfe von Wasserstoff zu chemischen Grundstoffen oder synthetischen Kraftstoffen wie z.B. Kerosin weiterverarbeiten.

Vorhandenes Gasnetz bietet notwendige Infrastruktur für Wasserstoff

Der Einsatz von klimaneutralem Wasserstoff ist mittel- bis langfristig in der Industrie erforderlich, um Treibhausgasemissionen zu minimieren, Arbeitsplätze zu sichern und die deutsche Industrie resilienter zu machen. Denn durch nachgelagerte Wertschöpfungsketten deutscher Schlüsselindustrien hat die Nutzung von Gasen für Produktionszwecke auch für den Mittelstand strategische Bedeutung. Dem Gasnetz wird somit auch langfristig eine entscheidende Bedeutung für die Industrie zukommen. Schon heute hängt die industrielle Wertschöpfung in Deutschland ganz entscheidend auch vom gut ausgebauten Gasnetz ab.

Wasserstoff-Pilotprojekte mit industrieller Nutzung

Energiepark Bad Lauchstädt
Enegiepark Bad Lauchstädt
Enegiepark Bad Lauchstädt © VNG Gasspeicher GmbH

Grüner Wasserstoff für Mitteldeutschland

  • Bau einer Großelektrolyse-Anlage von bis zu 35 MW in Sachsen-Anhalt
  • Inbetriebnahme ab 2020
  • Ziel: Herstellung, Transport, Speicherung (Salzkaverne) und der wirtschaftliche Einsatz von grünem Wasserstoff in industriellem Maßstab im mitteldeutschen Chemidreieck
  • Projektpartner: Uniper, VNG Gasspeicher, Ontras, Terrawatt, DBI – Gastechnologisches Institut

Im mitteldeutschen Chemiedreieck, das die Region um Halle, Merseburg und Bitterfeld umfasst, besteht ein hoher Bedarf an Wasserstoff seitens der ansässigen Industrieunternehmen. Gedeckt werden soll er zukünftig mit aus regenerativer Energie erzeugtem Wasserstoff. Im Rahmen des Projekts "Energiepark Bad Lauchstädt" wird erprobt, wie klimaneutraler Wasserstoff im industriellen Maßstab hergestellt, transportiert, gespeichert und verwendet werden kann. Ein Windpark liefert die benötigte Energie für die Wasserstoffproduktion in einer Großelektrolyseanlage, die an einen unterirdischen Speicher angeschlossen werden soll. Dieser dient dazu, die witterungsbedingten Schwankungen der Windenergie ausgleichen und somit eine zuverlässige Wasserstoffversorgung der chemischen Industrie sicherzustellen. Über eine umgewidmete Erdgasleitung wird unächst der Chemiepark Leuna versorgt, perspektivisch sollen weitere Chemie- und Industriestandorte in der Region folgen.

Zur Website – Projekt Energiepark Bad Lauchstädt

Westküste 100
Das "Projekt Westküste 100" sieht die Produktion von grünem Wasserstoff in Schleswig Holstein vor
Das "Projekt Westküste 100" sieht die Produktion von grünem Wasserstoff in Schleswig Holstein vor © Westküste 100

Grüner Wasserstoff und Dekarbonisierung in allen Sektoren

  • Bau eines 30-MW-Elektrolyseurs in Schleswig-Holstein
  • Ziel: Produktion von grünem Wasserstoff aus Offshore-Windkraftanlagen und Nutzung der dabei entstehenden Abwärme. Im Anschluss Wasserstoff-Einspeisung in das Gasnetz und Produktion als klimafreundlicher Kraftstoff für Flugzeuge. Zusätzlich soll der ebenfalls gewonnene Sauerstoff in einem Zementwerk weiterverarbeitet werden.
  • Projektpartner: u.a. Open Grid Europe, Stadtwerke Heide, Orsted, EDF, Thyssenkrupp, FH Westküste

Das Reallabor Westküste 100 zeigt beispielhaft, wie sich aus Windenergie erzeugter Wasserstoff vielseitig einsetzen lässt. Im Zuge des Projekts im Nordwesten Deutschlands wird ein Wasserstoffnetz geplant, das Industrie und Haushalte mit klimaneutralem Wasserstoff versorgt. Dieser soll mit Hilfe eines Elektrolyseurs aus Windenergie gewonnen und über Pipelines anschließend weiter transportiert werden. Einerseits lässt sich der klimaneutrale Wasserstoff ins vorhandene Erdgasnetz einspeisen und in Haushalten zur Wärmegewinnung nutzen, anderseits bietet er das Potenzial industriell genutzt zu werden. Das Reallabor Westküste 100 sieht vor, dass das in einem Zementwerk anfallende CO2 in einer Raffinerie zusammen mit dem Wasserstoff zur Herstellung von Methanol genutzt wird. Daraus ließen sich anschließend synthetische Kraftstoffe wie Benzin und Kerosin herstellen. Somit würde Projekt nicht nur die CO2-Emissionen in der Zementindustrie reduzieren, sondern auch zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beitragen.

Zur Website – Projekt Westküste 100

Plattform "Grüne Industrie" - Gemeinsam den Wandel gestalten

Erfolgreiche Energiewende der deutschen Industrie

Entwicklung einer gemeinsamen zukunftsweisenden Strategie für eine emissionsarme, wasserstoffbasierte Industrie Nutzung vorhandenen Erfahrungen zur gemeinsamen Zielerreichung Beschleunigung der Transformation zu einer klimaneutralen Industrie

Entwicklung einer gemeinsamen zukunftsweisenden Strategie für eine emissionsarme, wasserstoffbasierte Industrie Nutzung vorhandenen Erfahrungen zur gemeinsamen Zielerreichung Beschleunigung der Transformation zu einer klimaneutralen Industrie

 

 

Leistungen des DVGW für die Industrie

Die TRGE „Thermische Industrie“ ist Teil des DVGW-Regelwerks und richtet sich an Betreiber von Thermoprozessanlagen sowie an Energienetzbetreiber. Diese werden bei den Themen Klimaneutralität, Schadstoffminimierung und CO2-Einsparung unterstützt. Die TRGE bietet einen detaillierten Überblick über die industrielle Gasnutzung in Deutschland und erläutert die Anforderungen und Herausforderungen der Thermoprozessindustrie auf dem Weg in eine klimaschonende Zukunft. Die TRGE bietet einen Überblick zu effizienzsteigernden Maßnahmen in gasbefeuerten Industrieprozessen und zeigt Optimierungspotenziale an praktischen Beispielen auf.

Die Sicherheit hat oberste Priorität – das gilt auch für Planung, Errichtung, Prüfung und Inbetriebnahme sowie für Betrieb und Instandhaltung von industriellen Gasanlagen inklusive der nachgeschalteten Gasanwendungen. Ab dem Anschlusspunkt des vorgelagerten Netzbetreibers befinden sich diese Gasanlagen und -anwendundungen im Eigentum des Industrieunternehmens. Für Bau, Betrieb und Instandhaltung dieser Energieanlagen sind nach Definition des Energiewirtschaftsgesetzes die allgemein anerkannten Regeln der Technik einzuhalten. Diese Forderung gilt als erfüllt, wenn das technische Regelwerk des DVGW angewandt wird (§ 49 Absatz 2 EnWG).

Mit unserem TSM bieten wir ein System der freiwilligen Selbsteinschätzung und Überprüfung zur rechtskonformen Organisation Ihrer technischen Prozesse. Als bedeutendes Element der technischen Selbstverwaltung in der Versorgungswirtschaft ist das TSM für die betriebliche Praxis entwickelt und auf die Bedürfnisse der Versorger zugeschnitten.

Ansprechpartner
Dr. rer. nat. habil. Paschalis Grammenoudis
Hauptgeschäftsstelle / Gastechnologien und Energiesysteme

Telefon+49 228 91 88-803
Björn Munko
Hauptgeschäftsstelle / Gastechnologien und Energiesysteme

Telefon+49 228 9188-232