Dekarbonisierung industrieller Wärme

Bekanntermaßen ist die Energiespeicherung ein zentraler Aspekt der Energiewende. Sie soll die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen beenden und die Energiewende in der globalen Industrie vorantreiben. Daher liegt in der thermischen Energiespeicherung ein enormes Potenzial für die Dekarbonisierung von industrieller Wärme. Die Realität ist nämlich weiterhin, dass Biomasse endlich ist, Geothermie nur in kleinen Teilen Europas wirtschaftlich zur Verfügung steht und der Wirkungsgrad von Wasserstoff aus Strom zur Wärmeerzeugung ­momentan bestenfalls bei 50 Prozent liegt. Zudem dürfte grüner Was­serstoff erst zu spät flächendeckend verfügbar sein und bleibt absehbar zu kostbar, um ihn in Grundlast zu ver­brennen. Zukunftsfähige grüne Lösungen zur Energiespeicherung wie ThermalBattery hingegen stehen heute schon zur Verfügung. Thermische Speicherlösungen sollten aber nicht nur im Zu­sammenhang mit dem Erreichen von Klimaschutzzielen betrachtet werden. Auch aus betriebswirtschaftlicher Sicht bieten sie große Potenziale. Durch die Dekarbonisierung kann sich die Verpackungsindustrie insgesamt resilienter und wettbewerbsfähiger aufstellen, indem sie die Ab­hängigkeit von fossilen Energieträgern reduziert und somit geopolitische Risiken minimiert. Durch die Implementie­rung von Speicherlösungen können vergleichsweise güns­tige und dezentrale erneuerbare Energien integriert werden und Versorgungs- und Kostensicherheit langfristig gewähr­leistet werden.

Die ThermalBattery von Energynest, Billingstad, Norwegen, besteht aus Karbonstahl und dem eigens in Zusammen­arbeit mit HeidelbergCement entwickelten Spezialbeton Heatcrete. Die Wärmespeicher können modular erweitert werden, je nachdem, wie viel Speicherbedarf besteht. Beim Design wurde auf bewegliche Teile verzichtet, weshalb der Speicher wartungsarm ist. Die Lebensdauer liegt bei 30 Jahren und mehr. Ein Modul des thermischen Energiespeichers hat eine maximale Speicherkapazität von 1 bis 2 MWh; abhängig von der Temperaturdifferenz während des Betriebs, der Energiedichte und den Lade- und Entladegrößen. Das Modul wiegt 47 Tonnen und hat die Größe eines normalen 20-Fuß-Schiffscontainers, was den Transport und die Instal­lation vereinfacht. DieModule können dann kombiniert und flexibel an den jeweiligen Speicherbedarf angepasst werden. In einer klassischen mittelständischen Produktionsanlage kann so beispielsweise eine Spei­cher­kapazität zwischen 8 MWh bis 100 MWh bereitgestellt werden. Als leicht skalierbares Speichersystem kann die ­ThermalBattery auch jederzeit nach Bedarf erweitert ­werden. Das ermöglicht eine individuelle und effizien­te Wärmeversorgung, die optimal auf die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Produktionsstandortes zugeschnitten ist. Die Aufladung der Wärmebatterie erfolgt durch die direkte Durchströmung von heißer Wärmeträgerflüssigkeit durch eingebettete Stahlrohre von oben nach unten, wodurch Wärmeenergie auf das Kernspeichermaterial übertragen wird. Im Entlade­betrieb kehrt sich der Fluss um: Kalte Wärmeträgerflüssig­keit wird unten eingespeist und verlässt die ­Batterie anschließend erhitzt, um Ener­gie von der Oberseite des thermischen Energiespeichers abzugeben. Dieses Prinzip funktioniert ebenso effizient mit Wasser und Dampf. Somit dient der Wärmespeicher beim Laden als Dampfkühler und Kondensator, während er im Entladen als Kessel und Überhitzer fungiert. Als Langzeitspeicher unterstützt die ThermalBattery flexi­­ble Energiezyklen. Sie wird etwa drei bis vier Stunden lang aufgeladen und immer in der gleichen Zeit entladen. In der Regel sind für Anwendungen ein bis zwei Lade- und Ent­ladevorgänge pro Tag vorgesehen. Das Energiespeicher­system ist mit einem energetischen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent hochgradig effizient. Der optimale Wirkungsbereich des Energiespeichersystems liegt zwischen 120 °C und 400 °C. Der Speicher kann dabei auf verschiedene Anwendungen individuell angepasst wer­den, wodurch sich vielfältige Konfigurationen und Einsatz­gebiete in einem industriellen Kontext erschließen. Ob dies nun Trocknungsprozesse oder die Vorbereitung der Zellu­­lose in der Papier- und Kartonherstellung, Thermoform­­prozesse oder die Extrusion in der Kunststoffverarbeitung oder Sterilisationsverfahren bei Lebensmittelverpackungen betrifft.

Um Klimaneutralität in der Verpackungsindustrie zu erreichen, kommt es auch darauf an, die gegenwärtig noch genutzten fossilen Brennstoffe zu ersetzen. Hier bietet sich vor allem Strom aus erneuerbaren Energiequellen als Alternative zum Erdgas an. Idealerweise kann die Elektri­fizierung der Wärme- und Dampfproduktion den Bedarf an fossilen Energien für Teilprozesse gänzlich eliminieren. Doch ohne Speicherung ist die Produktion nur auf Tag­zeiten begrenzt, auch wenn Dampf durchgängig benötigt wird. Thermische Speicher können überschüssige ­Energie für die Dampferzeugung bei Nacht speichern, was eine echte Dekarbonisierung ermöglicht. Das Unternehmen Energynest hat diese Anwendung mit seinem Partner Avery Dennison, einem Hersteller von selbstklebenden Materialien, in Belgien implementiert. Das Projekt umfasst eine Plattform für konzentrierte Solarthermie (concentrated solar thermal – CST) mit 2.240 Oberflächenspiegeln und einem Spitzenertrag des Solarfelds von 2,7 GWh thermischer Energie sowie sechs thermische Speichermodule mit einer Kapazität von 5 MWh thermischer Energie. Dort wird Solarenergie genutzt, um einen Teil der Trocknungsöfen in der Produktion zu be­treiben, die im Beschichtungsprozess der am Standort her­gestellten Haftklebstoffprodukte eingesetzt werden. Nicht bedarfsgerecht erzeugte thermische Energie wird dabei im Energiespeichersystem gespeichert und in der Nacht oder bei sonstigen Bedarfsspitzen abgegeben, was den Einsatz von fossilen Brennstoffen vermeidet und somit zu einer weiteren Reduzierung der Emissionen beiträgt. Der Einsatz von thermischen Speichern beispielsweise bei einem Papierhersteller kann bei einer angenommenen Speichergröße von 8 MWth in Kombination mit einem Elektrodendampfkessel von 5 MWel zu signifikanten Ein­­sparungen führen. In dem Szenario könnte der Verbrauch nach Berechnungen von Energynest jährlich durchschnittlich um 11 GWh Erdgas und 2.300 Ton­nen CO2 gesenkt werden. Die Gesamtersparnis pro Jahr könnte so bis zu 1,3 Millionen Euro pro Jahr betragen, was zu einer Amortisierung der Anlage nach vier Jahren Betrieb führen würde.