Klimaneutrale Industrie – Teil 2: Transformationskonzepte

Die Industrie steht vor einer zentralen Herausforderung: In den kommenden Jahrzehnten müssen Prozesse von fossilen auf erneuerbare Energien umgestellt werden. Transformationskonzepte bieten Unternehmen einen klaren Fahrplan, wie die Dekarbonisierung schnell, zuverlässig und mit überschaubarem Aufwand umgesetzt werden kann – und verbinden dabei Nachhaltigkeit mit Wirtschaftlichkeit. Entscheidend ist, variable Randbedingungen wie schwankende Energiekosten und die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien zu berücksichtigen. Gerade die Elektrifizierung gewinnt an Bedeutung, etwa durch Photovoltaik, Abwärmenutzung mit Wärmepumpen oder Power-to-Heat-Lösungen.

Eine durchgängige, integrierte Methodik ist unerlässlich, um Dekarbonisierungskonzepte kosteneffizient und zielgerichtet umzusetzen. Erfahrungen aus unserer Projektarbeit am Fraunhofer ISE zeigen: Mit den geeigneten Tools lassen sich CO₂-Emissionen signifikant und wirtschaftlich sinnvoll reduzieren – bei überschaubarem Aufwand für die Konzepterstellung. Wenn wir für Unternehmen Transformationskonzepte entwickeln, gehen wir wie folgt vor:

Den Status quo ermitteln

Im ersten Schritt erfassen wir alle Einzelmaßnahmen zur Prozessoptimierung. Dazu zählen die Effizienzsteigerung elektrischer Verbraucher wie Lüfter, Motoren und Beleuchtung sowie verfahrenstechnische Anpassungen – beispielsweise die Absenkung von Prozesstemperaturen oder grundlegende Änderungen im Ablauf. So entsteht eine solide Basis für die weitere Planung.

Zentral: die »Pinch«-Analyse

Die »Pinch«-Analyse ist ein Schlüsselwerkzeug für die Prozessintegration. Sie ermöglicht uns, effiziente und wirtschaftliche Konzepte zur direkten Wärmerückgewinnung oder zum Einsatz von Wärmepumpen zu ermitteln. Das Ziel einer »Pinch«-Analyse ist es, Wärmequellen und -senken optimal über Wärmetauscher zu vernetzen, um Abwärme intern zu nutzen. Entscheidend dabei ist die kaskadierte Nutzung der Abwärme nach Temperaturstufen: Abwärme wird immer auf möglichst hohem Temperaturniveau verwendet, um das energetische Potenzial vollständig auszuschöpfen. Das Ergebnis der »Pinch«-Analyse ist eine Übersicht, wie Wärme- und Kältebedarfe optimal gekoppelt werden können.

Anhand der Analyse lassen sich modellhaft Technologien wie Solarthermie, Kraft-Wärme-Kopplung, Wärmepumpen oder thermischer Speicher integrieren. Dadurch können unsere Kunden erkennen, welche Heiz- und Kühlbedarfe es zu berücksichtigen gilt und welche Integrationspunkte für Wärmepumpen und Speicher sich eignen. Zudem werden die Auswirkungen einzelner Maßnahmen auf den Gesamtenergiebedarf erkennbar. Mit einer systematischen »Pinch«-Analyse kann die Energieeffizienz so gesteigert werden, dass bis zu 40% Energie eingespart werden kann.

Betriebsstrategien und Komponentenauslegung simulieren

Mit der dynamischen Simulation bilden wir zeitliche Schwankungen von Lasten, Erzeugern und Speichern realistisch ab. Somit können Anlagen für Prozesswärme und -kälte präzise dimensioniert werden, was Investitionssicherheit für Unternehmen schafft und Über- oder Unterauslegung vermeidet. Ebenso lassen sich verschiedener Betriebsstrategien simulieren, etwa bei Produktionsänderungen oder neuen Temperaturanforderungen. Das von uns am Fraunhofer ISE entwickelte Simulationstool »ColSim« ist speziell für solche dynamischen Analysen konzipiert.

Die Energieversorgung optimieren

Im letzten Schritt entwickeln wir das durch »Pinch«-Analyse und Simulation optimierte Wärme- und Kältebedarfssystem mit Hilfe der Energiesystemanalyse weiter. Wir beziehen dabei alle verfügbaren Energieträger (Strom, Wasserstoff, Biomasse, Erdgas) sowie verschiedene Technologien (z. B. Photovoltaik, Kraft-Wärme-Kopplung, Power-to-Heat, Solarthermie, Batteriespeicher) und zeitvariable Energiepreise ein. Entscheidend ist, Energieträgerpreise und Verfügbarkeiten zu berücksichtigen, um einen langfristig tragfähigen Transformationsplan zu erstellen. Für diese Aufgabe steht uns das Fraunhofer ISE-Tool »District« zur Verfügung.

Praxisbeispiele

Koehler Paper

Bei Koehler Paper am Standort Kehl konnten wir Wege aufzeigen, um den Erdgasverbrauch drastisch zu senken. Dabei haben wir Optimierungspotenziale für die gesamte Liegenschaft mit Papiermaschinen und eigenem Kraftwerk identifiziert. Auch die potenzielle Anbindung an ein Fernwärmenetz haben wir untersucht, sodass wir neben der Wärmerückgewinnung mit Wärmeübertragern auch Konzepte zur Dampferzeugung mit Wärmepumpen entwickeln konnten.

Adelholzener Alpenquellen GmbH

Für die Adelholzener Alpenquellen GmbH entwickelten wir ein Konzept, das die vollständige Vermeidung energiebedingter CO₂-Emissionen ermöglicht. Neben verbesserter direkter Wärmerückgewinnung haben wir Industriewärmepumpen integriert. Kernelemente sind die Nutzung von Abwärme aus der Kälteanlage und dem Abwasser mit Großwärmepumpen, die Optimierung der internen Wärmerückgewinnung sowie der Einsatz thermischer Speicher.

Unsere Arbeiten zeigen, dass die »Pinch«-Analyse ideal geeignet ist, Maßnahmen zur Reduzierung von CO₂-Emissionen für Heizen und Kühlen in der Industrie zu identifizieren. In Kombination mit dynamischer Simulation der Prozesse sowie Energiesystemmodellierung ermöglicht sie die Entwicklung und Bewertung von Konzepten für Technologien wie Wärmepumpen, Solarthermie, thermische Speicher und BHKW – stets unter Berücksichtigung technischer und wirtschaftlicher Aspekte.

Am Fraunhofer ISE entwickeln wir innovative Lösungen, um den Übergang zur klimaneutralen Industrie zu unterstützen. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Integration erneuerbarer Energien, die Verbesserung der Energieeffizienz und die Nutzung von Abwärme in industriellen Prozessen. Durch die Kombination von Technologieentwicklung, Prozessoptimierung und umfassender Beratung helfen wir Unternehmen, ihre Emissionen zu reduzieren und ihre Produktion zukunftssicher zu gestalten.

Finanzielle Fördermöglichkeiten für Transformationspläne

Für Unternehmen in Baden-Württemberg:

Über den Förderaufruf »Energiefahrplan« des Ministeriums für Umwelt, Klimaschutz und Energiewirtschaft sind finanzielle Zuschüsse für professionelle Beratungsleistungen möglich – inklusive systemischer Analyse von Energieströmen, Identifikation von Effizienz- und Dekarbonisierungspotenzialen sowie Entwicklung eines praxisnahen Fahrplans mit konkreten Maßnahmen, Kostenabschätzung und Einsparprognosen.

Förderprogramm Energiefahrplan Baden-Württemberg

Bundesweite Förderung:

Transformationspläne können bundesweit über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gefördert werden.

Förderung von Transformationsplänen

Titelbild: © iStock.com / www.industrieblick.net

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Klimaneutrale Industrie – Teil 1: Industriewärmepumpen