Industrielles Power-to-Heat Potenzial

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1 Industrielles Power-to-Heat Potenzial Anna Gruber, Franziska Biedermann, Serafin von Roon Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbh München 9. Internationale Energiewirtschaftstagung Wien, 13. Februar

2 Inhalt 1 Industrieller Wärmebedarf 2 Methodik zur Potenzialbestimmung 3 Elektrothermische Verfahren 4 5 Brennstoffbasierte Verfahren Raumwärme Prozesswärme Umsetzung in der Praxis 6 Fazit und Ausblick 2

3 Endenergie- und Stromverbrauch nach Sektoren und Anwendungsarten Ca. 74 % des industriellen Endenergieverbrauchs für industrielle Wärmeanwendungen Etwa 18% des industriellen Stromverbrauchs für Wärmeerzeugung 3 Quelle: eigene Darstellung nach AG Energiebilanzen

4 Industrielle Raum- und Prozesswärmeerzeugung nach Energieträgern Strom für Raumwärmeerzeugung nahezu vernachlässigbar Erdgas dominierender Energieträger zur Wärmeerzeugung Theoretisches P2H-Potenzial (2012) 534 TWh 61 GW 4 Quelle: eigene Darstellung nach AG Energiebilanzen

5 Methodik zur Potenzialermittlung Elektrothermische Verfahren Wärmeerzeugung in der Industrie Brennstoffbasierte Verfahren Raumwärme Prozesswärme Raumwärme Prozesswärme Kaum vorhanden Widerstandserwärmung (direkt/indirekt) Induktive Erwärmung Elektrolyse Lichtbogen Heißwasser/Dampf Direktbefeuerung Heißwasser/Dampf Direktbefeuerung Flexibilisierungspotenzial Wie hoch ist die Flexibilität von strombasierten Verfahren zur Wärmeerzeugung? Elektrifizierungspotenzial Welche brennstoffbasierten Verfahren zur Wärmeerzeugung können elektrifiziert werden? Ausgewiesenes Potenzial gilt für Hybridsystem (bivalente Erzeugung) 5

6 indirekt Widerstandserwärmung direkt Bewertung der Flexibilität elektrothermischer Verfahren 6 Verfahren Elektrolyse induktive Erwärmung dielektrische Erwärmung Elektronenstrahlerwärmung Laserstrahlerwärmung Plasmastrahlerwärmung Lichtbogenerwärmung Art der Erwärmung Anlage Betrieb Flexibilisierung (technisch) möglich Beeinflussung Produktionsmenge Beeinflussung Produktqualität konduktive Erwärmungsanlagen (Standanlagen) diskontinuierlich a a r konduktive Erwärmungsanlagen (Durchlaufanlagen) kontinuierlich a a r Widerstandsschweißanlage diskontinuierlich r Elektroschlackeumschmelzverfahren diskontinuierlich a (a) r Siliziumcarbid-Ofen diskontinuierlich a a r Graphitierungsofen diskontinuierlich a a r Elektroglasschmelzofen - vollelektrisch beheizte Glasschmelze diskontinuierlich a a Elektroglasschmelzofen - el. Zusatzbeheizung von Glasschmelzen kontinuierlich a a Elektrodensalzbadofen kontinuierlich a a r Elektrodenkessel diskontinuierlich a a Strahlungsofen, Heißluft-/Umluftofen kontinuierlich / diskontinuierlich a a (a) r Widerstandsofen kontinuierlich / diskontinuierlich a a r Walzentrockner kontinuierlich a a r Elektrokessel diskontinuierlich a a Heizschwert diskontinuierlich a a Galvanik diskontinuierlich a a a r Infrarotstrahler (Prozesswärme) diskontinuierlich a a a r Infrarotstrahler (Raumwärme) diskontinuierlich a a Aluminiumelektrolyse kontinuierlich a a Chlorelektrolyse kontinuierlich a a induktives Glühen (mobile Geräte) diskontinuierlich a a r induktives Härten diskontinuierlich a a r induktives Löten diskontinuierlich r induktives Schweißen diskontinuierlich r Induktives Schmelzen (Tiegelofen) diskontinuierlich a a Induktives Schmelzen (Rinnenofen) kontinuierlich a a r Hochfrequenz-Trocknung kontinuierlich / diskontinuierlich a a r Mikrowellentrocknung kontinuierlich / diskontinuierlich a a r Lichtbogenöfen diskontinuierlich a a Plasmaschmelzofen diskontinuierlich a a r Plasmaschneiden diskontinuierlich r Elektronenstrahlkanone Laser diskontinuierlich diskontinuierlich a a a r hoher organisatorischer Aufwand r praktisch geeignet für Flexibilisierung Für Flexibilisierung geeignet: Elektroglasschmelzofen Elektrodenkessel Elektrokessel Elektrisches Heizschwert Aluminiumelektrolyse Chlorelektrolyse Tiegelofen (induktives Schmelzen) Lichtbogenofen Potenzial in Deutschland Potenzial in Österreich Aluminiumelektrolyse MW Chlorelektrolyse MW Elektrolichtbogenofen MW

7 Methodik Elektrifizierungspotenzial brennstoffbasierter Verfahren zur Prozesswärmeerzeugung Industrieller Wärmebedarf 2008 Analyse der relevanten Industrieprozesse Technisches E-Potenzial* je Branche nach Temperaturniveau 2012 Geeignete elektrothermische Verfahren für Elektrifizierung Praktisches E-Potenzial Prozesswärme nach Temperaturniveau und Branche Endenergie nach Branche und Anwendungsart Brennstoffbasierte Verfahren Strombasierte Verfahren Annahme: anteiliger Wärmebedarf konstant Berücksichtigung Umwandlungsverluste Endenergie in Prozesswärme Wärmepumpe Elektrokessel Elektrodenkessel Elektrothermische Verfahren Beeinflussung durch Wirtschaftlichkeit Aufwand für Umsetzung Brennstoffbasiertes Verfahren: Elektrifizierung möglich? Analyse einzelner Verfahren und Temperaturniveaus JA E-Potenzial vorhanden NEIN Keine Berücksichtigung für E-Potenzial 7 *E-Potenzial Elektrifizierungspotenzial

8 Prozesswärmebedarf in TWh th /a Prozesswärmebedarf nach Branche und Temperaturniveau Steine und Erden Glas&Keramik Papier Lebensmittel Druck Metallerzeugung Metallverarbeitung Chemie Kunststoffverarbeitung Fahrzeugbau Holz Textil Temperaturniveau in C FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_ Quelle: eigene Darstellung nach Blesl & Kessler: Energieeffizienz in der Industrie

9 Auszug an Prozessen nach Branche Differenzierung nach Heißwasser-/Dampfprozessen und Direktbefeuerung 9 Branche Auszug an Prozessen Branche Auszug an Prozessen Waschen Urformen / Gießen Trocknen Metallerzeugung Sintern Textil Färben Roheisenerzeugung Fixieren Trocknen Druck Veredelung Thermische Nachverbrennung Kochen / Dämpfen Trenn- und Zerteilungsprozesse Holz Trocknung Erwärmen und Erhitzen Pressen Lebensmittel Trocknungsprozesse Trocknen Homogenisierung Fahrzeugbau Beschichten Thermische Konservierung Stoffeigenschaftsänderung Aufbereitung Vorbehandlung (z.b. Trocknung) Pressen Papier Plastifizieren Trocknen Kunststoffverarbeitung Umformen Veredelung Reinigen Schmelzen Nachbehandlung (z.b. Trockner) Glühen Umformen / Schmieden Glas&Keramik Granulieren Trennen Trocknen Metallverarbeitung Fügen Brennen Beschichten Trocknen Steine und Erden Stoffeigenschaftsänderung Brennen

10 Potenzialermittlung Technisches Potenzial Aus technischer Sicht können alle brennstoffbasierten Verfahren elektrifiziert werden: In 2012 ca. 460 TWh Endenergie für Prozesswärme: gesamte Prozesswärme elektrisch erzeugbar Abzüglich Strom und Erneuerbare für Prozesswärme sowie Wirkungsgrad brennstoffbasierter Verfahren ca. 350 TWh verbleibend Praktisches Potenzial Einflüsse, die mindernd auf Potenzial wirken: Brennstoff wird im Verfahren auch als Rohstoff eingesetzt (z.b. Koksherstellung) Elektrifizierung ist mit einem Anlagenneubau verbunden (z.b. Rohstahlerzeugung im Hochofen vs. Elektrostahlofen) Folgende Prozesse werden als nicht elektrifizierbar identifiziert: Koksherstellung Stahlerzeugung im Hochofen Primärkupferherstellung Glaserzeugung Einzelne Prozesse der Grundstoffchemie wie Methan- und Ammoniakproduktion 10

11 Endenergieverbrauch in TWh/a Elektrifizierung brennstoffbasierter Prozesswärmeerzeugung Ist-Zustand Szenario elektrothermische Verfahren FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_00214 Szenario Wärmepumpe & elektrothermische Verfahren Strom (WP) Strom (el.thermisch) Strom (Ist-Zustand) Sonstige Erneuerbare Kohlen Fernwärme Gase (fossil) Mineralöl 11 Praktisches Potenzial nach Abzug der mindernden Einflüsse auf das technische Potenzial 180 TWh Strom bzw. 29 GW* Inkl. Wärmepumpen: 140 TWh Strom bzw. 24 GW* * Mittlere Prozesswärme-Last am Werktag

12 Methodik Elektrifizierungspotenzial brennstoffbasierter Verfahren zur Raumwärmeerzeugung Industrieller Endenergieverbrauch für Raumwärme und Warmwasser Zum Großteil brennstoffbasiert Annahme: vollständig elektrifizierbar Industrieller Wärmebedarf für Raumwärme und Warmwasser Berechnung durch mittlere Wirkungsgrade je Energieträger E-Potenzial durch E-Kessel* und Wärmepumpe Annahme: Wirkungsgrad Elektro- / Elektrodenkessel: 100 % COP Wärmepumpe: 3 12 * Gemeint sind hier sowohl Elektro- als auch Elektrodenkessel

13 Endenergieverbrauch 2012 in TWh/a Elektrifizierung brennstoffbasierter Raumwärmeerzeugung Sonstige Erneuerbare Kohlen Fernwärme Strom Gase (fossil) Mineralöl FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_00215 Ist-Zustand Szenario E-Kessel Szenario Wärmepumpe Praktisches Potenzial nach Abzug der mindernden Einflüsse auf das technische Potenzial (hier Abzug Wärmeerzeugung durch Erneuerbare und Strom) 53 TWh Strom (E-Kessel) bzw. 18 TWh Strom (Wärmepumpe**) in GW* (E-Kessel) bzw. 5 GW* (Wärmepumpe**) 13 * Mittlere Raumwärme-Last während Heizperiode (im Mittel h/a) **COP Wärmepumpe mit 3 (Mittel) angesetzt

14 Energiepreise in Cent/kWh Umsetzbarkeit in der Praxis Einfache Realisierung der Elektrifizierung bei Heißwasser- / Dampfsystemen Elektro- / Elektrodenkessel und elektrische Heizstäbe erfordern geringe Investitionen Lediglich Einbindung in bestehendes Hydrauliksystem inkl. Integration in Heizungssteuerung erforderlich Hemmnis: deutlich höhere Strompreise i. Vgl. zu Brennstoffpreisen 12,00 10,00 8,00 Heizöl (schwer)* Heizöl (leicht)* Erdgas Strom 6,00 4,00 2,00 0,00 FfE BMWi-17#P MOS-DRInd_mbH_00213 *Preise für Heizöl beziehen sich auf den Heizwert Jahr 14 Quelle: eigene Darstellung der Energiedaten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie

15 Zusammenfassung und Ausblick Heute: Flexibilisierungspotenzial nur vereinzelt vorhanden Bedeutendes Elektrifizierungspotenzial aus technischer Sicht vorhanden: Erhöhung der elektrischen Last im Mittel an einem Winter-Werktag: 29 (24) GW Prozesswärme + 15 (5) GW Raumwärme = 44 (29) GW Stark mindernde Einflussfaktoren + Einfache Realisierung von hybriden Systemen zur Heißwasser- und Dampferzeugung Zukünftige Entwicklung: Neue strombasierte Verfahren als Alternative zu brennstoffbasierten Verfahren Weitere flexibilisierbare Verfahren (z.b. Power-to-Chemistry) 15

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ansprechpartner: Dipl.-Ing. (FH) Anna Gruber +49 (89) Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbh Am Blütenanger München Das Projekt wird finanziert von: 16