Industrielle Prozesswärme: Wo die schweren Emissionen sitzen
Strom zu dekarbonisieren ist begrifflich einfach, auch wo es praktisch schwer ist, denn Elektronen sind unabhängig von ihrer Quelle austauschbar. Industriewärme ist nicht so. Ein Prozess, der 80 Grad braucht, und einer, der 1.450 Grad braucht, haben fast nichts gemeinsam, und für den zweiten gibt es derzeit keine großtechnisch eingesetzte elektrische Antwort.
Nach Temperatur sortiert
Industriewärme zerfällt in drei Bänder, und fast alles am Dekarbonisierungsproblem folgt daraus, in welchem Band ein Prozess sitzt.
Unter etwa 100 Grad liegen Lebensmittelverarbeitung, Papiertrocknung, Textilien, Waschprozesse und die Hallenheizung. Das ist rund ein Drittel des Wärmebedarfs und das leichte Drittel: Industrielle Wärmepumpen liefern es mit einer Leistungszahl von 3 und mehr, sodass die Elektrifizierung ein Drittel der Energie des Gasverbrennens braucht. Kommerzielle Geräte erreichen inzwischen 150 Grad, was das leichte Band weiter ausdehnt als früher.
Zwischen 100 und 400 Grad liegen chemische Verfahren, Trocknung und ein großer Teil der leichten Fertigung. Elektrische Widerstandsheizung funktioniert und ist im Betrieb teuer. Konzentrierende Solarkollektoren liefern diesen Bereich unmittelbar und sind die am schnellsten wachsende Anwendung jener Technik. Elektrisch oder mit Biomasse erzeugter Dampf deckt einen großen Teil des Rests.
Über 400 Grad wird die Auswahl dünn, über 1.000 knapp. Zementöfen laufen bei 1.450, Glasöfen bei 1.500, Hochöfen bei 2.000. Elektrolichtbogenöfen erreichen diese Temperaturen und sind bei Recyclingstahl Standard, aber bei den Primärverfahren aus Erz ist häufig die Chemie und nicht die Temperatur das Hindernis.
Warum Zement der schwerste Fall ist
Die Zementherstellung verursacht rund 8 Prozent des weltweiten Kohlendioxids, und sie ist der Fall, in dem ein Brennstoffwechsel am wenigsten erreicht. Der Grund ist, dass der größte Teil der Emission keine Verbrennung ist.
Klinker herzustellen verlangt, Kalkstein auf etwa 1.450 Grad zu erhitzen, wobei Calciumcarbonat in Calciumoxid und Kohlendioxid zerfällt. Dieses Kohlendioxid war chemisch im Gestein gebunden und wird von der Reaktion selbst freigesetzt. Es macht rund 60 Prozent der Zementemissionen aus, und es würde ebenso frei, wenn der Ofen mit Sonnenlicht, Strom oder Kerndampf beheizt würde.
Das meint der Begriff Prozessemissionen, und deshalb hat die Kohlenstoffabscheidung bei Zement einen stärkeren Fall als fast überall sonst. Es gibt keinen alternativen Weg, der die Chemie umgeht, die Wahl steht also zwischen dem Abfangen des Produkts und dem Wechsel des Materials.
Das Material zu wechseln ist die andere Arbeitslinie. Der Klinkerersatz ersetzt einen Teil des Zements durch Flugasche, Hüttensand oder calcinierten Ton und senkt die Emissionen anteilig; er ist verbreitet, wo diese Stoffe verfügbar sind. Neuartige Bindemittel mit Calciumsilicaten, die beim Aushärten Kohlendioxid aufnehmen, bestehen im Pilotmaßstab. Beides mindert und beseitigt nicht, weshalb die meisten belastbaren Zementpfade mit einer Abscheidung am Ofen enden.
Stahl und Chemie
Auf Stahl entfallen rund 7 Prozent des weltweiten Kohlendioxids, und das Problem ist ebenfalls chemisch, wenn auch eine andere Chemie. Eisenerz ist Eisenoxid, und Eisen herzustellen heißt, den Sauerstoff zu entfernen. Der herkömmliche Weg nutzt Koks, sodass der Sauerstoff als Kohlendioxid abgeht - der Kohlenstoff ist ein Reaktionspartner und nicht bloß ein Brennstoff.
Wasserstoff kann dieselbe Reduktion leisten und erzeugt stattdessen Wasser. Direktreduktionsanlagen auf Wasserstoffbasis laufen im Demonstrationsmaßstab in Schweden und sind in Deutschland im Bau, und die Technik funktioniert. Was sie braucht, sind gewaltige Mengen günstigen sauberen Wasserstoffs, was das Problem zur Elektrolysekapazität und zum Strompreis zurückführt.
Elektrolichtbogenöfen, die Schrott einschmelzen, erzeugen in einigen Ländern bereits einen großen Teil des Stahls und emittieren weit weniger, hängen aber am Schrottaufkommen. Eine wachsende Volkswirtschaft braucht mehr Stahl, als ihr Schrottstrom liefern kann, sodass die Primärerzeugung aus Erz unabhängig davon nötig bleibt.
Die Chemie ist uneinheitlicher. Ammoniak braucht Wasserstoff als Rohstoff und wird deshalb dekarbonisiert, indem die Wasserstofferzeugung sauber wird. Hochwertige Chemikalien aus dem Steamcracken brauchen sowohl extreme Hitze als auch Kohlenwasserstoffmoleküle, und elektrifizierte Cracker werden erprobt. Die Schwierigkeit der Branche ist, dass der Kohlenstoff häufig im Produkt landet und nicht in der Atmosphäre, was die Bilanzierung von allem in der Stromerzeugung unterscheidet.
Die übersehene Gelegenheit
Vor all dem steht die Abwärme. Ein erheblicher Teil der in der Industrie erzeugten Wärme wird bei Temperaturen an die Atmosphäre abgegeben, die noch nützlich sind - Rauchgase mit 200 bis 400 Grad, Kühlwasser mit 60 bis 90.
Die Rückgewinnungstechniken sind ausgereift und unspektakulär. Economiser wärmen Speisewasser mit Rauchgas vor. Rekuperatoren führen Abgaswärme in die Verbrennungsluft zurück. Anlagen mit organischem Rankine-Kreislauf erzeugen Strom aus Wärme, die für eine Dampfturbine zu niedrig ist. Wärmepumpen können Abwärme auf ein nutzbares Niveau heben, statt sie zu verwerfen. Nichts davon ist neu; die Hürde ist, dass jede Installation ein Einzelfall und niemandes Aufgabe ist.
Fernwärme ist der zu wenig genutzte Abnehmer. Ein Werk, das 50 Megawatt Wärme mit 80 Grad abgibt, neben einer Stadt, die Wärme braucht, ist ein offensichtliches Paar, und Dänemark und Schweden bauen seit Jahrzehnten Netze auf genau dieser Grundlage. Es verlangt Infrastruktur und langfristige Vereinbarungen zwischen Parteien, die sonst keine Geschäfte miteinander machen - ein institutionelles und kein technisches Problem.
Der allgemeine Punkt ist, dass die Industriewärme das größte ungenutzte Potenzial für Effizienz birgt, gerade weil sie diffus, technisch und unsichtbar ist. Ein Zementwerk ist ein Wahrzeichen; die Nachrüstung eines Wärmetauschers ist eine Zeile im Instandhaltungsbudget. Die zweite spart mehr Energie, als die erste es voraussichtlich tut, und zieht keinerlei Aufmerksamkeit auf sich.
Häufige Fragen
Wie viel Energie verbraucht Industriewärme?
Rund zwei Drittel des gesamten industriellen Energiebedarfs sind Wärme und nicht Strom oder mechanische Arbeit, und ihre Erzeugung verursacht etwa ein Viertel der weltweiten energiebedingten Kohlendioxidemissionen. Sie erhält einen kleinen Bruchteil der politischen Aufmerksamkeit, die der Stromerzeugung zuteilwird.
Warum zählt die Temperatur so stark?
Weil sie bestimmt, welche Lösungen es gibt. Unter 100 Grad liefern industrielle Wärmepumpen Wärme mit dem dreifachen Wirkungsgrad des Gasverbrennens. Bis 400 funktionieren elektrische und solarthermische Wege. Über 1.000 wird die Auswahl schmal, und bei einigen Prozessen ist die Chemie und überhaupt nicht die Wärme das Hindernis.
Warum kann Zement nicht einfach auf saubere Energie umstellen?
Weil rund 60 Prozent seiner Emissionen aus dem Kalkstein selbst stammen. Calciumcarbonat auf 1.450 Grad zu erhitzen zerlegt es in Calciumoxid und Kohlendioxid, und dieses Kohlendioxid wird von der Reaktion freigesetzt, ganz gleich womit der Ofen beheizt wird. Nur Abscheidung oder ein anderes Bindemittel adressiert das.
Lässt sich Stahl ohne Kohle herstellen?
Ja, indem Wasserstoff statt Koks dem Eisenerz den Sauerstoff entzieht, wobei Wasser statt Kohlendioxid entsteht. Direktreduktionsanlagen auf Wasserstoffbasis laufen im Demonstrationsmaßstab in Schweden und sind in Deutschland im Bau. Die Beschränkung ist die benötigte Menge günstigen sauberen Wasserstoffs.
Was lässt sich am schnellsten tun?
Abwärme nutzen. Ein großer Teil der Industriewärme wird bei Temperaturen abgegeben, die für anderes noch nützlich wären, und die Rückgewinnungstechniken - Economiser, Rekuperatoren, organische Rankine-Kreisläufe, Wärmepumpen - sind ausgereift. Die Hürde ist, dass jede Installation ein Einzelfall und niemandes ausdrückliche Zuständigkeit ist.
