Klimaneutrale Industrie – Teil 4: Elektrifizierungspotenziale

Die Herstellung von Asphalt für den Straßenbau ist ein überraschend energieintensiver Prozess: Große Mengen an Gestein und Recyclingmaterial müssen getrocknet und auf Temperaturen von 150 bis 300 °C erhitzt werden. Die dafür eingesetzten fossilen Brenner (heute oft Erdgas, in älteren Anlagen Kohlestaub) erzeugen eine thermische Leistung von bis zu 20 MW pro Anlage. Das entspricht der Heizleistung von rund 2.000 Einfamilienhäusern. In Deutschland werden jährlich rund 40 Mio. t Asphaltmischgut produziert. Bei spezifischen Emissionen von etwa 20–50 kg CO₂ je Tonne ergibt sich ein jährlicher CO₂-Ausstoß der Asphaltproduktion in der Größenordnung von 0,8–2,0 Mio. t CO₂. Steigende CO₂-Kosten und Energiepreise erhöhen den wirtschaftlichen Druck auf Betreibende, während politische Klimaziele eine tiefgreifende Emissionsminderung verlangen. Am Beispiel einer Asphaltmischanlage wollen wir zeigen, wie sich die Wärmeversorgung in der Industrie durch Elektrifizierung dekarbonisieren lässt.

Im Projekt »DekarAsphalt« haben wir am Fraunhofer ISE gemeinsam mit dem Anlagenhersteller Benninghoven und dem Anlagenbetreiber Storz untersucht, welche Konzepte zur Elektrifizierung und Dekarbonisierung von Asphaltmischanlagen technisch und wirtschaftlich umsetzbar sind. Benninghoven hat als Projektpartner reale Betriebsdaten und umfangreiche Anlagenexpertise eingebracht, auf deren Basis wir eine detaillierte techno-ökonomische Analyse durchführen konnten. Das Projekt wurde durch Invest BW, ein Förderprogramm des Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg, gefördert.

Warum Elektrifizierung? – Die Energiemarkt-Perspektive

Die wirtschaftliche Grundlage für die Elektrifizierung ergibt sich aus der prognostizierten Entwicklung der Energiepreise (Modellrechnung des Fraunhofer ISE). Der effektive Industriegaspreis wird durch steigende CO₂-Kosten von heute etwa 6 ct/kWh auf rund 14 ct/kWh bis 2045 ansteigen. Gleichzeitig bleibt der durchschnittliche Industriestrompreis bei ca. 14 ct/kWh – entscheidend ist jedoch die zunehmende Spreizung: Durch den Ausbau erneuerbarer Energien entstehen immer häufiger Niedrigpreisphasen, in denen Strom deutlich günstiger verfügbar ist als Gas. Wasserstoff hingegen startet bei etwa 22 ct/kWh (ab 2030) und sinkt bis 2045 auf ca. 18 ct/kWh – auch langfristig bleibt er damit deutlich teurer als Gas und als Strom in günstigen Phasen.

Für die Asphaltproduktion ergibt sich eine günstige zeitliche Korrelation: Produziert wird vor allem im Sommer und bei Tageslicht – genau dann, wenn PV-Überschüsse die Strompreise drücken. Ab ca. 2028 können die niedrigeren laufenden Energiekosten elektrifizierter Systeme die höheren Anfangsinvestitionen zunehmend kompensieren.

Den Energiebedarf senken

Bevor wir verschiedene Elektrifizierungskonzepte verglichen haben, identifizierten wir zunächst mittels einer Pinch-Analyse erhebliche Effizienzpotenziale. Ein Großteil der zugeführten Energie fließt in die Verdampfung von Wasser aus den Ausgangsmaterialien und wird anschließend als feuchtes Abgas an die Umgebung abgegeben.

Zwei Maßnahmen können den Energiebedarf deutlich reduzieren: Erstens lässt sich durch die Reduktion des Feuchtegehalts – etwa durch Überdachung von Lagerplätzen oder mechanische Verfahren – der Bedarf um rund 25 % senken. Diese Maßnahmen erfordern vergleichsweise geringe Investitionen. Zweitens ermöglicht die elektrische Beheizung eine Reduzierung der Luftmengen im Trockner, da kein Verbrennungsgas mehr eingebracht wird. Dadurch ergibt sich ein weiteres Einsparpotenzial von ca. 25 %. In Kombination beider Maßnahmen lässt sich der Energiebedarf um über 40 % reduzieren. Darüber hinaus zeigte unsere Analyse, dass eine Wärmepumpen-gestützte Vortrocknung bei niedrigerer Temperatur den Gesamtenergiebedarf um bis zu 50 % senken kann – ein Konzept, das wir in zukünftigen Arbeiten detaillierter untersuchen wollen. Ein geringerer Energiebedarf reduziert nicht nur die laufenden Kosten, sondern auch die notwendige Dimensionierung aller Erzeugungs- und Speicherkomponenten.

Hybride Systemkonzepte und dynamische Simulation

Zur Elektrifizierung haben wir mehrere hybride Systemkonzepte entwickelt und verglichen: Elektroerhitzer kombiniert mit einem Hochtemperatur-Wärmespeicher (Festgestein bei 800 °C), mit einem Lithium-Eisenphosphat-Batteriespeicher oder mit einem Warmlager für vorgetrocknetes Material – jeweils mit Gas- oder Wasserstoff-Backup-Brenner.

Die Bewertung dieser Konzepte erfordert eine dynamische Systemsimulation: Asphaltproduktion ist ein diskontinuierlicher Batch-Prozess mit lediglich 1.000–2.000 Volllaststunden pro Jahr. Die Wirtschaftlichkeit hängt entscheidend davon ab, wann produziert wird, wie sich die Strompreise in diesen Stunden verhalten und wie gut ein Speicher die zeitliche Entkopplung von günstigem Stromeinkauf und Wärmebedarf ermöglicht. Statische Berechnungen können diese Zusammenhänge nicht abbilden.

Mit unserer hauseigenen Simulationssoftware ColSim haben wir alle Systemvarianten minutengenau über mehrere Stützjahre (2024–2044) simuliert und dazwischenliegende Jahre interpoliert. Die Betriebsstrategie nutzt den effektiven Gaspreis als Strompreis-Obergrenze: Liegt der Strompreis darunter, kann elektrisch beheizt oder der Speicher beladen werden. Ein dynamischer Strompreis-Grenzwert, gekoppelt an den Speicherfüllstand und die Day-Ahead-Preisprognose, optimiert diese Beladestrategie. Durch tausende Parametervariationen wurden Speichergröße und Betriebsführung für die diskontierten Investions- und Betriebskosten über 20 Jahre optimiert.

Ergebnisse – Was ist wirtschaftlich?

Unsere Analysen zeigen: Bereits die einfache Elektrifizierung mit einem Elektroerhitzer – ganz ohne Speicher – ermöglicht eine signifikante Dekarbonisierung. Allein durch die Nutzung günstiger Strompreisfenster wird ein Elektrifizierungsgrad von rund 40 % erreicht und der CO₂-Ausstoß um mehr als 30 % gesenkt.

Mit einem zusätzlichen Hochtemperatur-Wärmespeicher oder einem Warmlager wird die Elektrifizierung deutlich über 50 % getrieben: Bereits mit einem vergleichsweise kleinen Speicher von ca. 40 MWh thermisch liegen die diskontierten Lebenszykluskosten in der gleichen Größenordnung wie bei der Gas-Referenzanlage – bei einer CO₂-Reduktion von über 45 %. Bei höheren Strompreis-Spreads werden die Konzepte mit thermischem Speicher sogar günstiger als die rein fossil betriebene Anlage.

Batteriespeicher sind für die direkte Wärmebereitstellung derzeit nicht wettbewerbsfähig – die hohen Anschaffungskosten und eine geplante Ersatzinvestition nach 15 Jahren belasten die Wirtschaftlichkeit. Für die Optimierung des restlichen Strombezugs oder bei Berücksichtigung von Stromhandel entwickelt sich jedoch ein interessanter Business Case.

Der Einsatz von Wasserstoff statt Erdgas ermöglicht eine nahezu vollständige Dekarbonisierung, ist jedoch mit deutlich höheren Lebenszykluskosten verbunden. In Projekten, in denen vollständige Klimaneutralität gefordert oder vorgeschrieben ist, kann dies dennoch die richtige Lösung sein. Als Backup-Brennstoff in einem ansonsten elektrifizierten System ist Wasserstoff sinnvoll einsetzbar, da hier nur geringe Mengen benötigt werden.

Ein übergreifend wichtiger Befund: Durch die geringen Jahres-Volllaststunden fallen die Investitionskosten gegenüber den Energiekosten besonders ins Gewicht. CAPEX-Förderung ist deshalb ein zentraler Hebel für die Wirtschaftlichkeit der Transformation.

Ausblick

Mit DekarAsphalt haben wir gezeigt, dass die hybride Lösung aus elektrischer Beheizung, Hochtemperatur-Wärmespeicher und Gas-Backup-Brenner für Asphaltmischanlagen bereits heute wettbewerbsfähig ist und den CO₂-Ausstoß erheblich senken kann. Die entwickelte Methodik – Pinch-Analyse, dynamische Jahressimulation und techno-ökonomische Langfristbewertung – liefert Betreibenden und Anlagenbauern eine fundierte Entscheidungsgrundlage.

Weiterer Forschungsbedarf besteht insbesondere in der detaillierteren Untersuchung der Vortrocknung (zum Beispiel mit Wärmepumpen), in der Übertragung auf andere europäische Energiemärkte mit unterschiedlichen Strompreisstrukturen und Produktionsprofilen sowie in der Entwicklung modellprädiktiver Betriebsstrategien mit digitalem Zwilling für den optimierten Realbetrieb.

Die hier eingesetzten Methoden und Werkzeuge sind grundsätzlich auf andere energieintensive Industrieprozesse übertragbar. Am Fraunhofer ISE unterstützen wir im Rahmen unseres Forschungsleitthemas »Klimaneutrale Industrie« Anlagenbetreiber und -hersteller mit Transformationskonzepten und techno-ökonomischen Analysen auf dem Weg zur klimaneutralen Produktion.

Finanzielle Fördermöglichkeiten für Transformationspläne

Bundesweite Förderung: »Transformationspläne« können bundesweit über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gefördert werden.

Für Unternehmen in Baden-Württemberg: Über den Förderaufruf »Energiefahrplan« des Ministeriums für Umwelt, Klimaschutz und Energiewirtschaft sind finanzielle Zuschüsse für professionelle Beratungsleistungen möglich.

Bildnachweise

Beitragsbild (Header): © istock.com / teppakorn tongboonto
Foto (erste Abbildung): © Benninghoven