Dienstag, 23. Oktober 2018
-   Topthema

Strategie zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei energieintensiven Produktionsprozessen


Manfred Grundke, Gunther Friedl, Hans Wintrich, Maximilian Blaschke, David Matthäus und Friedrich Walcher


Energieeffizienz und CO2-Einsparungen haben für viele deutsche Industrieunternehmen eine hohe Bedeutung. Aktuelle politische Rahmenbedingungen lassen jedoch nur einen engen wirtschaftlichen Handlungskorridor zu und wichtige Schritte in Richtung Sektorkopplung werden erschwert. Wie kann ein Industrieunternehmen langfristig die CO2-Emissionen deutlich senken? Wo gibt es Bedarf für politische Neugestaltung? Eine Fallstudie für ein Energiekonzept 2030 der Knauf Gips KG am Standort Iphofen liefert Antworten.

Foto Knauf Gips KG

Die Klimaschutzziele der EU verlangen bis 2030 eine Reduktion der Treibhausgasemission von mindestens 40 % gegenüber dem Niveau von 1990. Damit dieses ambitionierte Ziel erreichbar wird, muss die Industrie in Deutschland aktiv eine langfristige Strategie entwickeln, da sie für rund 20 % der Emissionen verantwortlich ist. Gut die Hälfte der Emissionen in Deutschland wird dabei durch das Europäische Emissionshandelssystem (EU ETS) abgedeckt.

Einige Branchen und Industrieanlagen unterliegen jedoch einem besonders hohen Risiko, dass die CO2-Emissionen und damit die Produktion in Länder mit niedrigeren Regulierungsanforderungen verlagert wird. Aufgrund dieses Risikos, das auch als Carbon-Leakage bezeichnet wird, erhalten solche Branchen kostenfreie Emissionszertifikate maximal bis zur Höhe anspruchsvoller Benchmarks. Aufgrund der Neuregelung ab 2020 besteht derzeit für manche Branchen, z.B. die Gipsindustrie, große Unsicherheit, ob sie weiter unter den Carbon-Leakage-Schutz fallen.

Zusätzlich zu den steigenden Anforderungen und Selbstverpflichtungen im Bereich der Treibhausgasreduktion sieht sich die Industrie bis zum Jahr 2025 zunehmenden Strompreisen ausgesetzt. Diese Entwicklung wird hauptsächlich durch Netzentgelte und die EEG-Umlage getrieben, die sich bis zum Jahr 2025 um knapp 30 % erhöhen wird. Ab 2025 sinkt die EEG-Umlage voraussichtlich ab, was den Preisanstieg auf dem Strommarkt und in den Netzentgelten leicht dämpfen kann [1,2].

Die Strategie

Vor diesem Hintergrund entwickelt die Knauf Gips KG eine Strategie, um den steigenden Energiepreisen zu begegnen und ihren Beitrag bei der Erreichung der Emissionsziele zu erfüllen. Dabei kann sie auf zahlreiche laufende Maßnahmen zur nachhaltigen Energieversorgung aufbauen. So werden z. B. Themen wie die Sektorkopplung zwischen Strom- und Wärmeversorgung sowie die Dezentralisierung der Energieversorgung an allen Standorten weltweit adressiert. In den letzten Jahren wurde gezielt in Blockheizkraftwerke investiert und die Produktionsanlagen wurden modernisiert. Seit 2012 veröffentlicht die Knauf Gips KG einen Nachhaltigkeitsbericht, der Mitarbeitern, Anwohnern und anderen Interessenten einen Überblick über die Aktivitäten des Unternehmens im ökonomischen, ökologischen und sozialen Bereich gibt. Auch dort werden der Energieverbrauch und die Emissionssituation ausführlich dargestellt.

Im Folgenden soll die Strategie der Knauf Gips KG hin zu einer größeren Energieeffizienz und zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen beispielhaft für den Hauptstandort Iphofen dargestellt werden. Aus den entsprechenden Untersuchungen können auch andere Unternehmen in energieintensiven Branchen hilfreiche Schlüsse ziehen und basierend darauf Schritte zur Verbesserung der Energieeffizienz und Emissionsvermeidung einleiten. Darüber hinaus können die Analysen politischen Entscheidungsträgern helfen, die Folgen von politischen Entscheidungen im Energiebereich für energieintensive Industrieunternehmen besser zu verstehen und ggf. auf Änderungen der Rahmenbedingungen hinzuwirken.

Drei Bausteine der Strategie

Für die Entwicklung einer Strategie zur Erhöhung der Energieeffizienz und zur Reduzierung der Emissionen werden drei Bausteine (siehe Abb.) betrachtet. Der erste Baustein ist die Untersuchung und Opti-mierung des bestehenden Energie- und Wärmesystems im Hinblick auf Kostenverbesserungen. Auf Basis eines Optimierungs- und Simulationsmodells wird ein kostenoptimaler Energiemix entwickelt. Dieser kann mit dem bestehenden System verglichen werden, sodass sich unmittelbare Verbesserungsmöglichkeiten ergeben. 


Bausteine einer Strategie zur nachhaltigen und CO2-armen Produktion für Unternehmen mit wärme- und energieintensiven Produktionsprozessen

Der zweite Baustein der Strategie beschäftigt sich mit dem bestehenden Produktionsprozess. Knauf fertigt am Standort Iphofen Gipskartonplatten, für deren Trocknung große Mengen an Wärme benötigt werden. Dabei entsteht, wie in anderen wärmeintensiven Branchen, nicht vermeidbare Abwärme. Mit Modellrechnungen wird untersucht, wie die Abwärme noch besser genutzt werden kann, um Energie und damit einhergehende Emissionen einzusparen. Dabei spielen technische Machbarkeit und die Wirtschaftlichkeit unter den aktuellen politischen Rahmenbedingungen eine wichtige Rolle.

Der dritte Baustein behandelt Innovationen im Produktionsprozess, die Energieverbrauch vermeiden oder deutlich reduzieren. Dazu wird aufbauend auf den Prozessinnovationen der letzten Jahre die Nutzung von Niedertemperaturabwärme für die Trocknung von Gipskartonplatten bewertet, die ein hohes Potenzial zu einer erheblichen Energieeinsparung bietet.

Optimierung des Energiesystems

Die Untersuchung des Energiesystems am Standort Iphofen auf der Basis eines Optimierungs- und Simulationsmodells zeigt, dass sich ein Ausbau von Photovoltaikanlagen auf ungenutzten Freiflächen lohnen kann. Der produzierte Strom kann zu großen Teilen vor Ort konsumiert werden. Aufgrund der weiter steigenden Netzkosten, die eine große Belastung für die stromintensive produzierende Industrie darstellen, wird in Zukunft auch ein standortangepasstes Batteriekonzept rentabel. Eine richtig dimensionierte Batterie hilft, Lastspitzen zu vermeiden und so den Strombedarf aus dem Netz planbar zu gestalten. Allerdings können Unsicherheiten über die Entwicklung der Netzkosten zu einer ineffizienten Verzögerung dieser risikobehafteten Investitionen führen.

Die derzeit bestehende politische Unsicherheit hinsichtlich regulatorischer Änderungen trägt außerdem dazu bei, dass einige Projekte, die aus energietechnischer Sicht sinnvoll sind und zur Emissionsreduktion beitragen, nicht wirtschaftlich umgesetzt werden können. Dies gilt insbesondere für Blockheizkraftwerke zur industriellen Eigenenergieversorgung. Denn seit der überraschenden Einstellung der teilweisen Befreiung von der EEG-Umlage auf Eigenverbrauch seit 1.1.2018 lassen sich diese nicht mehr wirtschaftlich betreiben. Kraft-Wärme-Kopplung ist seit Jahren ein Grundstein der Energieversorgung für die produzierende Industrie. Durch die dezentrale Energieerzeugung direkt am Ort des Verbrauchs wird der Aufwand im Netzausbau, verursacht durch fluktuierende Wind- und Solarenergie, deutlich reduziert und damit ein wertvoller Beitrag zur Energiewende geleistet. Mit dem Wegfall der Befreiung in Höhe von 60 % der EEG-Umlage auf den Eigenverbrauch müssen bestehende Anlagen neu bewertet werden und es besteht kein Spielraum für eine zukünftige Neuinvestition, da nun bereits die variablen Betriebskosten auf Strommarktpreisniveau für Industriestrom sind.

Mit dem bestehenden Energiesystem sieht sich Knauf bis 2030 einem Kostenanstieg von knapp 50 % der Energieerzeugungskosten gegenüber. Durch gezielte Investitionen kann dieser Anstieg auf 21 % abgeschwächt werden. Durch Investitionen in erneuerbare Energien werden hierbei aus Sicht des gesamten Systems etwa 3.600 t CO2-Emissionen jährlich eingespart.

Nutzung der Abwärme

Die Kraft-Wärme-Kopplung und die Wärmewende nehmen in der aktuellen Debatte eine große Rolle ein. Obwohl die Wärmeversorgung fast die Hälfte des Gesamtenergiebedarfs in Deutschland ausmacht, wird aktuell nur 13 % der Wärme aus regenerativen Quellen bereitgestellt [3]. Auch für Industrieunternehmen spielt die Wärmeversorgung eine wichtige Rolle. Dies gilt insbesondere für Knauf, weil bei der Produktion von Gipsplatten aufgrund der Trocknung viel Wärme benötigt wird und damit viel Abwärme anfällt. Durch eine Nutzung der Abwärme des Produktionsprozesses und der Blockheizkraftwerke zur Heizungsunterstützung der Verwaltungsgebäude lassen sich 63 % des CO2-Ausstoßes im Vergleich zum Heizbetrieb mit Gas einsparen.

Auch außerhalb des Unternehmens besteht für die Nutzung der Abwärme Potenzial. Falls beispielsweise das Fernwärmenetz der Stadt Iphofen auf einen Niedertemperaturnetzbetrieb umgestellt wird, kann Abwärme zur Deckung von gut 15 % des jährlichen Wärmebedarfs der Stadt bereitgestellt werden. Die Abwärme könnte so Wärme aus Gaskraftwerken und Hackschnitzelbrennern ersetzen und so den jährlichen CO2-Ausstoßes um rund 100 t senken.

Um das große Abwärmepotenzial der Knauf Gips KG für viele weitere Anwendungen nutzbar zu machen, muss die Abwärme zunächst auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Industriewärmepumpen ermöglichen diesen Prozess aus technischer Sicht seit Jahren, allerdings scheitert die Umsetzung für Industriebetriebe am hohen Strompreisniveau, das insbesondere durch Steuern, Netzentgelte und die EEG-Umlage getrieben wird. Bei einer Leistungszahl (dem Verhältnis von abgegebener Heizleistung und aufgewendeter elektrischer Leistung) von Industriewärmepumpen in der Größenordnung von 4 und einem Verhältnis von Strom- zu Gaspreis in der Größenordnung von 6,5 (Tendenz steigend) können die Pumpen nicht wirtschaftlich betrieben werden. Hier hemmt die aktuell hohe EEG-Umlage maßgeblich die Entwicklung hin zu einer Wärmewende mit einem breiten Einsatz von Wärmepumpen wie sie in anderen europäischen Ländern, wie z.B. in Norwegen und Schweden, ermöglicht wurde [4]. Die Einsatzmöglichkeiten zur Nutzung der Abwärme auf höherem Temperaturniveau wären auch in Deutschland in vielen Unternehmen gegeben [5].

Innovation im Produktionsprozess

Neben einer Optimierung der Energieversorgung und Abwärmenutzung außerhalb des Produktionsprozesses liegt das vielleicht größte Potenzial zu einer Erhöhung der Energieeffizienz bei Innovationen im Produktionsprozess selbst. Ein vielversprechendes Innovationsprojekt bei Knauf ist die sog. Niedertemperaturtrocknung im Prozess der Gipsplattenherstellung. Dabei werden Platten unter Nutzung von Abwärme vorgetrocknet, um im späteren Trocknungsprozess den Gasverbrauch und somit CO2-Emissionen zu reduzieren. Das Pilotprojekt verspricht unter Laborbedingungen eine nachhaltige Effizienzsteigerung in der Energienutzung von bis zu 10 %. Dieses Potential könnte noch deutlich besser genutzt werden, wenn das Temperaturniveau der Abwärmemengen weiter angehoben werden kann. Da dies aufgrund der ungünstigen Preisstruktur am Energiemarkt derzeit nicht mit Wärmepumpen möglich ist, untersucht Knauf gemeinsam mit Forschungspartnern ein alternatives Konzept mit der Nutzung eines Wärmetransformators.

Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche Umsetzung der Strategie

Mit einer Strategie basierend auf den Bausteinen Optimierung des Energiesystems, Nutzung der Abwärme und konstanter Innovation im Produktionsprozess leistet Knauf einen Beitrag zur Senkung der Treibhausgasemissionen in Deutschland. Die Entwicklung einer solchen Strategie ist allerdings maßgeblich von politischen Rahmenbedingungen abhängig. Eine zentrale Forderung an die Politik liegt darin, sichere Rahmenbedingungen zu schaffen, weil langfristige Entscheidungen der Unternehmen von diesen Rahmenbedingungen abhängen. Die überraschend abgeschaffte teilweise Befreiung von der EEG-Umlage beim Eigenverbrauch von Strom aus Blockheizkraftwerken ist ein Beispiel für einen Verstoß gegen eine solche Forderung.

Positiv dagegen ist eine stärkere politische Fokussierung auf das wichtige Thema Wärme. Die aktuelle Förderung der Abwärmenutzung in Form von Investitionsunterstützung und Sonderkrediten ermöglicht wertschaffende Investitionen im Bereich der Hochtemperaturabwärme. Wichtig sind darüber hinaus Verbesserungen bei der Sektorkopplung. Eine Anhebung der Abwärme auf ein gut nutzbares Temperaturniveau kann beispielsweise durch industrieangepasste Stromtarife unterstützt werden. Eine Kopplung des Strom- und Wärmebedarfs in Unternehmen bietet erhebliches Potenzial zu einer Senkung der Treibhausgasemissionen und damit zur Erreichung der Klimaziele der Europäischen Union.

Literatur

[1] Schlesinger, M.; Lindenberger, D. und Lutz, C.: Entwicklung der Energiemärkte – Energiereferenzprognose. Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, Basel/Köln/Osnabrück 2014.

[2] Christidis, A.; Mollenhauer, E.: Tsatsaronis, G.; Schuchardt, G.; Holler, S.; Böttger, D. und Bruckner, T.: Einsatz von Wärmespeichern und Power-to-Heat- Analgen in der Fernwärmeerzeugung., AGFW, Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V., Berlin 2017.

[3] Gentner, K.: Regenerativer Energiemix für die Wärmewende – Erfolgsmodell einer kommunalen Nahwärmeversorgung. In: et 3/2018.

[4] Patronen, J.; Kaura, E. und Torvestad, C.: Nordic heating and cooling: Nordic approach to EU‘s Heating and Cooling Strategy, TemaNord, Nordic Council of Ministers, Kopenhagen 2017.

[5] Hirzel, S.; Sontag, B. und Rohde, C.: Industrielle Abwärmenutzung: Kurzstudie. Fraunhofer ISI, Karlsruhe 2013.
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M. Grundke, Geschäftsführender Gesellschafter,
Dr. H. Wintrich, Leiter Prozessoptimierung & Energiemanagement, Knauf Gruppe, Iphofen 
Prof. Dr. G. Friedl, Professor für Controlling,
M. Blaschke, D. Matthäus und F. Walcher, Wissenschaftliche Mitarbeiter, Technische Universität München

grundke.manfred@knauf.de
gunther.friedl@tum.de
wintrich.hans@knauf.de
maximilian.blaschke@tum.de
david.matthaeus@tum.de
friedrich.walcher@tum.de

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