KWK- am Beispiel eines Verbundstandortes der Chemie

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1 Sommerakademie 2015 Betriebswirtschaftliche und rechtliche Aspekte im Strom-, Gas- und Wärmemarkt KWK- am Beispiel eines Verbundstandortes der Chemie Guido Harms, BASF SE 1

2 BASF The Chemical Company We create chemistry for a sustainable future Unsere Chemie wird in nahezu allen Branchen eingesetzt Wir verbinden wirtschaftlichen Erfolg, gesellschaftliche Verantwortung und den Schutz der Umwelt Umsatz 2014: Millionen EBIT 2014: Millionen Mitarbeiter ( ): Weltweit Patente im Jahr 2014 neu angemeldet 6 Verbundstandorte und rund 380 mittlere und kleinere Produktionsstandorte Sommerakademie

3 Wichtige Trends für die chemische Industrie Beschleunigtes Wachstum Innovationen gewinnen an Bedeutung Nachhaltigkeit als strategischer Treiber Veränderter Wettbewerb Industrieproduktion > BIP Chemieproduktion > BIP Schwellenländer wachsen schneller als Industrieländer Chemie als Schlüsselfaktor Chemische Produkte ersetzen klassische Werkstoffe Entwicklung nachhaltiger Lösungen Chancen durch Nachhaltigkeit Effizienter Ressourceneinsatz Nutzung von erneuerbaren Ressourcen ermöglichen Dialog mit Stakeholdern Integrierte Chemieunternehmen als Grundpfeiler der Branche Neue Wettbewerber aus Schwellenländern werden weiterhin schnell wachsen Rohstoffbasierte Unternehmen werden in Vorwärtsintegration investieren Die chemische Industrie ist und bleibt eine attraktive Wachstumsindustrie Sommerakademie

4 Agenda Prinzip der industriellen Strom- und Dampferzeugung Getrennte Energiebereitstellung Gekoppelte Energiebereitstellung Einbindung von KWK-Anlagen an Verbundstandorten der Chemie Energiebedarf und Verbundstrukturen Integration von KWK-Anlagen Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Zusammenfassung Sommerakademie

5 Prinzip der industriellen Strom- und Dampferzeugung Industrieller Energiebedarf Antriebsenergie = Kraft (Strom, Dampf) Früher war Dampf das Antriebsmittel, heute ist primär Strom das Antriebsmittel Prozesswärme = Dampf, Direktbefeuerung Wärme- und Stromerzeugung erfolgt in der Industrie bzw. für die Industrie getrennt oder kann auch in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) gemeinsam bereitgestellt werden. Sommerakademie

6 Getrennte Energiebereitstellung Getrennte Energiebereitstellung von Wärme CO 2 Primärenergie Erdgas Kohle Öl Biomasse Abwärme aus Prozessen Wärme / Dampf Verlust 90 % 10 % Anmerkung: Prozesswärme ist in der Regel Dampf mit Temperaturen von oberhalb 150 C Bei direkter Befeuerung in Prozessen kann teilweise Abwärme als Energiequelle genutzt werden. Brennwertkessel im häuslichen Bereich erzielen deutlich höhere Wirkungsgrade durch geringeres Nutztemperaturniveau (30-40 C). Sommerakademie

7 Getrennte Energiebereitstellung Getrennte Energiebereitstellung von Wärme CO 2 -Ausstoß hängt vom Energieträger und Wirkungsgrad ab Spezifischer CO 2 -Gehalt gewichtet mit dem Wirkungsgrad Braunkohle (-staub) Emissionsfaktor [t CO2 / MWh] Wirkungsgrad [%] CO2-Faktor [t CO2 / MWh th.] 0,346 bis 90 0,384 Steinkohle 0,334 bis 90 0,371 Erdgas 0, ,224 1 t Dampf ~ 0,75 MWh Sommerakademie

8 Getrennte Energiebereitstellung Getrennte Energiebereitstellung von Strom CO 2 Primärenergie (Nuklear) Kohle Gas, Öl Biomasse Abwärme Primärenergie Sonne Wind Wasser Strom Verlust % % Anmerkung: Wirkungsgrade beziehen sich auf Kraftwerke nach Stand der Technik. Der durchschnittliche Kraftwerkspark hat einen schlechteren Wirkungsgrad Sommerakademie

9 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Getrennte Energiebereitstellung η = f (Δp) Dampf- und Kühlkreislauf in einem konventionellen Kondensationskraftwerk Sommerakademie

10 Getrennte Energiebereitstellung AG Energiebilanzen e.v. Ausgewählte Effizienz- Indikatoren Fossile Stromerzeugung ohne Kernenergie und Erneuerbare, inkl. Biomasse Kraftwerksneubauten: Neurath (BoA): 43 %, Braunkohle Großkraftwerk Mannheim: 46,4 %, Steinkohle GuD-Kraftwerk Irsching: 60,4 %, Erdgas Wusterhausen: 35 %, Biomasse Sommerakademie

11 Getrennte Energiebereitstellung Getrennte Energiebereitstellung von Strom CO 2 -Ausstoß hängt vom Energieträger und Wirkungsgrad ab Spezifischer CO 2 -Gehalt gewichtet mit dem Wirkungsgrad Emissionsfaktor [t CO2 / MWh] Wirkungsgrad [%] CO2-Faktor [t CO2 / MWh el.] Braunkohle 0, ,805 Steinkohle 0, ,711 Erdgas 0, ,337 Biomasse (Holz) 35 Sommerakademie

12 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Getrennte Energiebereitstellung Wirkungsgradoptimierung von Kondensationskraftwerken 1. Erhöhung der Druckdifferenz zwischen Turbineneintritt und Turbinenaustritt des Kraftwerkes durch, Möglichst hoher Druck (hohe Temperatur) beim Turbineneintritt Möglichst tiefer Druck (tiefe Temperatur) beim Turbinenaustritt Moderner Steinkohleblock: Wirkungsgrad bis 47 % 2. Trennung von Dampfprozess (Dampfexpansion) und Verbrennungsprozess (Expansion der Verbrennungsgase) bei GuD- Anlagen. Moderne Gas- und Dampfturbinenanlage: Wirkungsgrad bis 60 % Aber: Kondensationswärme geht verloren Brennstoffnutzungsgrad lässt sich nur durch Wärmeauskopplung / Wärmenutzung (KWK) erhöhen Sommerakademie

13 Gekoppelte Energiebereitstellung CO 2 Primärenergie Kohle Gas, Öl Biomasse Wärme Strom Verlust 45 % 45 % 10 % z.b. GuD-Anlage Anmerkung: Bei KWK-Anlagen spricht man von Brennstoffnutzungsgraden, da die Nutzenenergien (Strom, Wärme) unterschiedliche Energieformen haben. Das Verhältnis Strom- zur Nutzwärmeerzeugung wird mit der Stromkennzahl gekennzeichnet. Bei einer Stromkennzahl 1 wird zu gleichen Teilen Strom und Wärme erzeugt. Sommerakademie

14 Gekoppelte Energiebereitstellung GuD-Anlage mit Dampfauskopplung bei 19 bar und 6 bar ( C) Sommerakademie

15 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Gekoppelte Energiebereitstellung Der Brennstoffnutzungsgrad bei industriellen KWK-Anlagen liegt bei bis zu 90 Prozent Wärme / Dampf wird bei den gewünschten Prozessparametern (Druck, Temperatur) ausgekoppelt Der Stromanteil aus einer KWK-Anlage (Wasserdampfprozess) ist geringer als bei einem vergleichbaren Kondensationskraftwerk Technische Umsetzbarkeit von KWK-Anlagen ist u.a. abhängig von dem benötigtem Temperaturniveau des Prozesses dem Wärmebedarf (Jahresverlauf) Wirtschaftliche Umsetzbarkeit hängt ab von Energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen (Förderung, Umlagen, usw.) Verhältnis Brennstoffkosten zu Stromkosten und CO 2 -Kosten Investitionskosten Sommerakademie

16 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Gekoppelte Energiebereitstellung Strom Wärme GUD mit KWK GUD Steinkohle Braunkohle η in % t CO 2 pro MWh 0,224 0,337 0,711 0, % KWK oder Erdgaskessel Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ermöglichen einen höheren Brennstoffnutzungsgrad und somit geringere CO 2 Emissionen Stromerzeugung in erdgasbasierten GuD Anlagen mit KWK ist die CO 2 -ärmste Art der Stromerzeugung mit fossilen Energieträgern Sommerakademie

17 Agenda Prinzip der industriellen Strom- und Dampferzeugung Getrennte Energiebereitstellung Gekoppelte Energiebereitstellung Einbindung von KWK-Anlagen an Verbundstandorten der Chemie Energiebedarf und Verbundstrukturen Integration von KWK-Anlagen Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Zusammenfassung Sommerakademie

18 Energiebedarf und Verbundstrukturen Chemische Prozesse sind auf eine Energiezufuhr angewiesen Exotherme Reaktion: Setzt Energie in Form von Wärme frei, während sie abläuft. Endotherme Reaktion: Energie in Form von Wärme muss zugeführt werden, damit sie abläuft. Sommerakademie

19 Energiebedarf und Verbundstrukturen Durchschnittlicher Anteil der Energiekosten am Produktionswert in Prozent, 2009: Energieintensive Industrien 8,3 7,4 7,3 5,1 2,6 Quellen: 1,0 0,9 Statistisches Bundesamt, VCI, Juli 2011 Metall Glas, Keramik, Steine und Erden Papier Chemie (o. Pharma) Ernährung Maschinenbau Automobil Anteil der Energiekosten am Produktionswert bei ausgewählten chemischen Produkten: Pharmazeutische Wirkstoffe: <1% Chlor/NaOH: ca. 60% Sommerakademie

20 Energiebedarf und Verbundstrukturen Wärme: Energiebedarf der Reaktion Auftrennung von Produktgemischen z.b. durch Destillation, Extraktion Konfektionierung von Produkten z.b. Trocknen Strom: Durchmischung der Einsatzstoffe (Motoren) Transport der Chemikalien (Pumpen) Verdichtung und Verflüssigung von Gasen Konfektionierung von Produkten z.b. Mahlen Verhältnis von Wärme und Strombedarf hängt von den Prozessen ab, die am Standort betrieben werden. Sommerakademie

21 Energiebedarf und Verbundstrukturen Kennzeichen von Verbundstandorten Ganze Wertschöpfungskette in räumlicher Nähe Integriertes Produktionsnetzwerk Vorteil: Geringe Transportwege Hoher energetischer und stofflicher Nutzungsgrad Nachteil: Hohe Komplexität Sommerakademie

22 Energiebedarf und Verbundstrukturen Werksfläche 10 km² Produktionsbetriebe 160 Straße 115 km Schiene 213 km Rohrleitungen 2600 km Beispiel: Verbundstandort BASF SE, Ludwigshafen Sommerakademie

23 Integration von KWK-Anlagen Energieeffizienz zur Absicherung der Wirtschaftlichkeit von Verbundstandorten Energieverbund Wärmeintegration Abhitzenutzung Energieumwandlung Hocheffiziente Kraft- Wärme-Kopplungs-Kraftwerke Effiziente Verfahren / Prozesse a Kontinuierliche Verbesserung von Prozessen und Anlagen Sommerakademie

24 Integration von KWK-Anlagen Beispiel: BASF SE, Ludwigshafen, 2014 Sommerakademie

25 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Integration von KWK-Anlagen Energetische Versorgung eines Verbundstandortes berücksichtigt u.a.: Maßnahmen zur Abwärmenutzung (Wärmeintegration) Maßnahmen zur thermischen Verwertung von Reststoffen (geplante + umgesetzte) Energieeffizienzmaßnahmen KWK-Potential Versorgungszuverlässigkeit KWK-Potential wird definiert durch: den verbleibenden Wärmebedarf des Standortes (Jahresgang) den Strombedarf (nur Eigenversorgung wirtschaftlich) die energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen Sommerakademie

26 Integration von KWK-Anlagen Umsetzungsbeispiel für KWK-Anlagen bei BASF Eigene hocheffiziente Kraft- Wärme-Kopplungs-Kraftwerke mit Gas- und Dampf-Turbinen Abdeckung von ca. 70% des weltweiten Strombedarfs der BASF (Chemiegeschäft) durch KWK-Anlagen Jährliche Einsparung* BASF-Gruppe 2014: Primärenergie 11,8 Mio. MWh CO 2 -Emissionen 2,4 Mio. t CO 2 * Vergleich: Konventionelle Strom- und Dampferzeugung in getrennten Anlagen auf Erdgasbasis GuD-Anlage Ludwigshafen Strom: 450 MW Dampf: 640 t/h KWK-Anlage Lampertheim Strom: 7-8 MW Dampf: bis 30 t/h Sommerakademie

27 Agenda Prinzip der industriellen Strom- und Dampferzeugung Getrennte Energiebereitstellung Gekoppelte Energiebereitstellung Einbindung von KWK-Anlagen an Verbundstandorten der Chemie Energiebedarf und Verbundstrukturen Integration von KWK-Anlagen Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Zusammenfassung Sommerakademie

28 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Entscheidungsebenen Ebene 1 Ermittlung der wirtschaftlichsten Energieversorgung für einen Standort Eigenerzeugung (KWK) versus Zukauf von Strom Ebene 2 Globale Investitionsentscheidung für Produktionsanlagen an einem Standort basieren auf Basis der Gesamtwirtschaftlichkeit. Bei energieintensiven Produkten können Energiekosten ausschlaggebend sein Wettbewerb der Standorte untereinander innerhalb eines Konzerns Sommerakademie

29 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Prüfung der technischen Voraussetzung für KWK-Anlagen Ermittlung von Energiebedarf und Lastprofilen (Wärme / Strom) Wärmebedarf / Wärmesenke ganzjährig verfügbar?! Wärmebedarf Strombedarf Sommerakademie

30 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Eigenerzeugung (KWK) versus Zukauf von Energien Eigenerzeugung Erdgasbasierte KWK-Anlage Strom +Dampf Strombezug Erdgasbasierte Dampferzeugung Fixkosten: Abschreibung, usw. Variable Kosten: Brennstoffe, usw. Fördergelder, Steuern? > = < + Stromzukauf Fixkosten: Abschreibung, usw. Variable Kosten: Brennstoffe, usw. Stromzukauf, Umlagen, Abgaben Sommerakademie

31 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Investitionskosten GuD-Anklage Kesselanlage hohe Komplexität geringe Komplexität Investitionskosten >> Investitionskosten Sommerakademie

32 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Vollkosten Stromzukauf werden von Abgaben / Umlagen bestimmt Sommerakademie

33 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Eckpunkte zur Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Technische Mindestvoraussetzung ( Wärmesenke über das ganze Jahr) muss gegeben sein Belastung durch bzw. Entlastung von der EEG-Umlage beeinflusst massiv die Entscheidung für oder gegen eine Eigenstromversorgung mit KWK-Anlagen Eigenstromerzeug in KWK-Anlagen ist trotz anteiliger Befreiung von der EEG-Umlage (Alt- / Neuanlage) teurer als der Strombezug, wenn Entlastungstatbeständen genutzt werden können. Verbundstandorte erfüllen Voraussetzungen zur Nutzung der Härtefallregelung (Besonderen Ausgleichsregelung) nicht, da die Stromkostenintensität des gesamten Produktportfolios zu gering ist. (Chemie-)standorte, die ausschließlich einen stromintensiven Teil der Wertschöpfungskette produzieren, können die Härtefallregelung nutzen. Für diese Standorte ist der Strombezug günstiger als die Eigenstromerzeugung in KWK-Anlagen. Sommerakademie

34 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Unternehmensstruktur hat maßgeblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Es sind erhebliche Investitionen zum Bau von KWK-Anklagen zu tätigen Ohne stabiles Energiewirtschaftliches Umfeld sind Investitionen in KWK- Anlagen mit hohem Risiko verbunden. Sommerakademie

35 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Ebene 2 Energiekostenvergleich (z.b. Erdgas) USA hat derzeit konkurrenzlos günstige Energiepreise Erdgas EU, Asien Kohleäquivalent Erdgas USA Sommerakademie

36 Agenda Prinzip der industriellen Strom- und Dampferzeugung Getrennte Energiebereitstellung Gekoppelte Energiebereitstellung Einbindung von KWK- Anlagen an Verbundstandorten der Chemie Energiebedarf und Verbundstrukturen Integration von KWK-Anlagen Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen Zusammenfassung Sommerakademie

37 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Zusammenfassung Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ermöglichen einen höheren Brennstoffnutzungsgrad und somit geringere CO 2 Emissionen als konventionelle Kondensationskraftwerke. Stromerzeugung in erdgasbasierten GuD Anlagen mit KWK ist die CO 2 -ärmste Art der Stromerzeugung mit fossilen Energieträgern. Technische Mindestvoraussetzung für KWK Anlagen ist die Existenz einer Wärmesenke (über das ganze Jahr). (Verbund-) Standorte der Chemie bieten Einsatzoptionen für KWK- Anlagen. Sie sind jedoch nur ein Element zur Erhöhung der Energieeffizienz / der Wirtschaftlichkeit eines Standortes. Eigenstromerzeug in KWK-Anlagen ist trotz anteiliger Befreiung von der EEG-Umlage (Alt- / Neuanlage) teurer als der Strombezug, wenn Entlastungstatbeständen genutzt werden können. Sommerakademie

38 Energiemanagement und Gesetzgebung ESI/TA Zusammenfassung Die Unternehmensstruktur hat maßgeblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen. Ohne stabiles energiewirtschaftliches Umfeld sind Investitionen in KWK-Anlagen mit hohem Risiko verbunden. Sommerakademie

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Sommerakademie