Integration Erneuerbarer Energieträger in industrielle Hochtemperaturprozesse: Technische Grenzen des Energieträgerwechsels

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1 Integration Erneuerbarer Energieträger in industrielle Hochtemperaturprozesse: Technische Grenzen des Energieträgerwechsels Matthias Rehfeldt*, Tobias Fleiter Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI Seite 1

2 Einleitung Teil meines Dissertationsprojektes am Fraunhofer ISI unter Beaufsichtigung von Ernst Worrell an der Universität Utrecht Ziel: Beschreibung und Modellierung von Energieträgerwechsel in der Industrie Definition Hochtemperatur: >500 C Abbildung Heterogenität der industriellen Prozesse Relevant u. A. für Klimaziele, Versorgungssicherheit Beitrag baut auf in Veröffentlichung befindlichen Artikeln auf: Modellbeschreibung (Behave 2016 Coimbra) Definition der betrachteten Energiemenge (ECEEE 2016 Industrial Efficiency Berlin) [21] Literatur und Abbildungsbezeichnungen orientieren sich am hier eingereichten Artikel Seite 2

3 Motivation Industrielle Energienachfrage der EU28 beträgt 2012 etwa 3200 TWh [15] (Haushalte EU28: 3450 TWh) [15] Davon 2300 TWh Wärme [3] Davon: 1000 TWh über 500 C [3] Anwendungen sind stark heterogen (z.b. im Vergleich zum Haushaltssektor) Temperaturniveaus Ofentypen (Bsp.: Koks im Hochofen) Betriebsweise Allgemein: Prozesse mit individuellen Anforderungen an eingesetzte Brennstoffe Modellierung der Nachfrage auf Subsektorebene wird dem nicht oder nur bedingt gerecht Seite 3

4 Methodische Vorgangsweise Energienachfragemodell FORECAST Prozessebene (Bottom-up-Ansatz) Aber: Standortspezifische Informationen nicht erfasst Ergänzung von Energiebilanzen um Dimensionen Anwendung und Temperaturniveau Prozesseigenschaften beeinflussen Verwendung von Energieträgern Seite 4

5 Untersuchte Energieträger Energieträger im Modell orientieren sich an Eurostat Teilweise weiter nach Industrierelevanz aggregiert Grobe Einteilung in Kohlen, Öle, Erneuerbare und Gase Heizwerte nicht eindeutig, Definitionen im Modell Biomasse und Müll mit großer Bandbreite [13, 14, 16] 10 MJ/kg Siedlungsabfälle, 30 MJ/kg Kunststoffabfälle Eurostat differenziert feste Biomasse nicht Müll ist ausdifferenziert aber nicht bezüglich Heizwert definiert Exakter Wert auf dieser Aggregationsebene nicht relevant Im Allgemeinen niedrigere Heizwerte als Referenzenergieträger Tabelle 4: Heizwerte der modellierten Energieträger [17, 18] Kohlen Steinkohle [MJ/kg] Koks [MJ/kg] Braunkohle [MJ/kg] < Petrolkoks [MJ/kg] Öle Heizöl, leicht [MJ/kg] Heizöl, schwer[mj/kg] Erneuerbare Gase Müll [MJ/kg] Biomasse, fest[mj/kg] Biogas [MJ/m³] Erdgas [MJ/m³] Weitere Gase [MJ/m³] Gichtgas [MJ/m³] Seite 5

6 Temperaturprofile der Prozesse 21 Prozesse sind für den Hochtemperaturbereich interessant Eisen und Stahl Nichtmetallische Mineralien Grundstoffchemie NE-Metalle Abbildung: Wichtige Prozesse in EU28 Prozesse >500 C besonders relevant Unter den Top 15 nur 3 Prozesse ohne Bedarf >500 C Abbildung 1: Wichtige Prozesse, Temperaturprofile und Energiebedarf in der EU28 [3 Seite 6

7 Energieaustauschverhältnis Konzept zur Bewertung von Brennstoffsubstitution (siehe u. A. [11, 12]) Nutzen des Energieträgers abhängig von Verbrennungs- (->Heizwert) und Prozesstemperatur Weitere Einflüsse: Vorwärmung/ Wärmestufung, Ofendesign, Luftverhältnis Nicht auf Prozessebene darstellbar, daher abstrahiert Abbildung 2: Energieaustauschverhältnis [11] Beispiel Sintern 1.2 facher energetischer Bedarf von Braunkohle (12 MJ/kg) als Ersatz von Steinkohle (28 MJ/kg) Ohne Annahme von Luftvorwärmung deutlich höher (ca. 1.5) Seite 7

8 Ergebnisse Braunkohle Electricity Müll Beispielszenario Deutschland Gase leicht 2040 Mit Modellerweiterung Steigende Kohle-, Biomasse- und CO 2 -Preise Gesamtentwicklung daher Richtung Erdgas Erdgas Steinkohle Koks Gichtgas Weitere Heizöl, Energieträger Heizöl, Biomasse, Petrolkoks Biogas Summe schwer fest Ohne Modellerweiterung Einfluss Modellerweiterung Geringere Verwendung der schlechter bewerteten Energieträger (Müll, Gichtgas, Braunkohle, Biomasse) Koksanteil stabil durch technische Grenze im Hochofenprozess Verschobene Energiemenge etwa 6 TWh Seite 8

9 Zusammenfassung und Ausblick Untersuchung der Energienachfrage in der Industrie auf Prozessebene Ermöglicht schärfere Abbildung heterogener Strukturen der energieintensiven Industrie Einbeziehung von Temperatur und Anwendung Standortebene wünschenswert, aufgrund Datenverfügbarkeit aber derzeit unrealistisch Ausblick Integration weiterer prozessspezifischer Anforderungen (derzeit nur Koks im Hochofen) Ausdifferenzierung der Energieträger Biomasse und Müll Seite 9

10 Literatur [1] Fleiter et al. 2013, Energieverbrauch und CO2-Emissionen industrieller Prozesstechnologien Einsparpotenziale, Hemmnisse und Instrumente, Stuttgart [2] Worrell, Price, Neelis, Galitsky, Nan 2008, World Best Practive Energy Intensity Values for Selected Industrial Sectors, Berkeley, USA [3] European Commission 2016: Mapping and analyses of the current and future ( ) heating/ cooling fuel deployment (fossil/ renewables), available at: last visited: 4/14/2016 [4] Biere 2015: Modellgestützte Szenario-Analyse der langfristigen Erdgasnachfrageentwicklung der deutschen Industrie, Dissertation, Karlsruhe [5] Atkins et al. 2010: Integration of solar thermal for improved energy efficiency in low-temperature pinch industrial processes, in: Energy 35 (2010), S [6] Lauterbach et al. 2012: The potential for solar heat for industrial processes in Germany, in: Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012), S [7] H. Schnitzer et al. 2007: Solare Prozesswärme - Österreichische Beteiligung an der Task 33 des IEA Solar Heating and Cooling Programms, Phase I Subtask B: Investigation of Industrial Processes, in: Berichte aus Energie- und Umweltforschung 47/2007. [8] Pardo et al. 2013: Methodology to estimate the energy flows of the European Union heating and cooling market, in: Energy 52 pp [9] Naegler et al. 2015: Quantification of the European industrial heat demand by branch and temperature level, in: International Journal of Energy Research (2015), DOI: /er [10] Taibi et al. 2012: The potential for renewable energy in industrial applications, in: Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012), S [11] Beckmann et al. 2002: Einfluss der Prozessführung auf den spezifischen Energieverbrauch in Verfahren der Grundstoffindustrie beim Einsatz von Ersatzbrennstoffen, in: VDI Berichte 1708, Düsseldorf: VDI Verlag GmbH, S , ISBN ISSN [12] Scholz, Beckmann 1998: Substitution von Brennstoffen und Rohstoffen durch Abfälle in Hochtemperaturprozessen, in: 11. DVV-Kolloquium Stoffliche und thermische Verwertung von Abfällen in industriellen Hochtemperaturprozessen, Braunschweig 1998, S ISBN X [13] Friedl et al. 2005: Prediction of heating values of biomass fuel from elemental composition, in: Analytica Chimica Acta 544 (2005), S [14] McKendry 2002: Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, in: Bioresource Technology 83 (2002), S [15] Eurostat 2016: Energy balance sheets 2014 data (2016 edition), abrufbar unter: zuletzt besucht: [16] Mrus, Prendergast 1978: Heating value of refuse derived fuel, in: Proceedings of National Waste Processing Conference 27, [17] OECD/IEA 2004: Energy Statistics Manual, IEA Publications, Paris [18] BMWi 2016: Zahlen und Fakten Energiedaten Nationale und Internationale Entwicklung, verfügbar unter: zuletzt besucht: [19] Suopajärvi et al. 2013: The potential of using biomass-based reducing agents in the blast furnace: A review of thermochemical conversion technologies and assessments related to sustainability, in: Renewable and Sustainable Energy Reviews 25 (2013), S [20] WV Stahl, Stahlinstitut VDEh 2015.: Stahl und Nachhaltigkeit Eine Bestandsaufnahme in Deutschland, abrufbar unter: zuletzt besucht: [21] Rehfeldt, Matthias; Rohde, Clemens; Fleiter, Tobias; Toro, Felipe; Reitze, Felix (2016): A bottom-up estimation of heating and cooling demand in the European industry. ECEEE Industrial Summer Study Proceedings 2016 ( Rehfeldt et al) Seite 10