Alles, was Sie über moderne Hochtemperaturheiztechnologien für die Industrie wissen müssen

Die Dekarbonisierung der Industrie bedeutet die Dekarbonisierung von Strom und Wärme. Im Prinzip kann die Industrie ihren Stromverbrauch relativ leicht dekarbonisieren, indem sie einfach grünen Strom kauft.

Die Wärme ist die eigentliche Herausforderung. Der Wärmebedarf der Industrie ist unglaublich vielfältig und reicht von Temperaturen knapp über der Umgebungstemperatur für die Erwärmung von Flüssigkeiten bis hin zu über 1.400 °C für die Stahlerzeugung. Und allein in der EU werden mehr als 70 % der Wärme und Kälte aus fossilen Brennstoffen erzeugt.

Werfen wir einen Blick auf die Hochtemperaturwärme.

• Welche Technologien gibt es?
• Wer kann sie nutzen?
• Was sind die wirtschaftlichen Aspekte?
• Welche Verbindungen gibt es zu Netz- und Speichertechnologien?

Fortgeschrittene elektrische Heiztechnologien

Es gibt bereits mehrere fortschrittliche elektrische Heiztechnologien für Systeme mit hohem Temperaturbedarf. Sie bieten eine Reihe von Vorteilen wie schnellere Heizraten, höhere Effizienz und bessere Kontrolle über den Heizprozess. Außerdem sind sie umweltfreundlicher, was eine Art Selbstverständlichkeit ist, da man Ökostrom verwenden kann.

Hier einige Beispiele:

1. Widerstandsheizung: Hierbei handelt es sich um eine gängige Heiztechnologie, bei der ein elektrischer Strom durch ein Material mit hohem Widerstand geleitet wird, z. B. einen Metalldraht oder eine Legierung. Der Widerstand erzeugt Wärme, die zur Erhitzung des Materials genutzt wird. Die Widerstandserwärmung kann für Temperaturen bis zu 1200 °C eingesetzt werden.
2. Induktionserwärmung: Bei dieser Erwärmungstechnik wird ein Material durch elektromagnetische Induktion erwärmt. Um das Material herum wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in dem Material einen elektrischen Strom induziert, der Wärme erzeugt. Die Induktionserwärmung kann für Temperaturen bis zu 2500°C eingesetzt werden.
3. Infrarot-Erwärmung: Bei der Infraroterwärmung wird ein Material durch Infrarotstrahlung erwärmt. Die Infrarotstrahlung wird vom Material absorbiert, das sich dadurch erwärmt. Die Infrarotheizung kann für Temperaturen bis zu 1000 °C eingesetzt werden.
4. Mikrowellenerwärmung: Die Mikrowellenstrahlung wird zur Erwärmung eines Materials verwendet. Die Mikrowellen durchdringen das Material, regen die Moleküle an und erzeugen Wärme. Die Mikrowellenerwärmung kann für Temperaturen bis zu 3000 °C eingesetzt werden.
5. Graphen-Erwärmung: Hierbei handelt es sich um eine relativ neue Heiztechnologie, bei der Graphen zur Wärmeerzeugung verwendet wird. Wenn ein elektrischer Strom durch Graphen geleitet wird, erzeugt der Widerstand des Materials Wärme. Die Graphenheizung kann für Temperaturen bis zu 2000 °C eingesetzt werden.
6. Heizung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen: Dies ist eine weitere neue Heiztechnologie, bei der Kohlenstoffnanoröhren zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden. Wenn elektrischer Strom durch die Kohlenstoffnanoröhren geleitet wird, erhitzen sie sich und erzeugen Wärme. Die Kohlenstoff-Nanoröhren-Heizung kann für Temperaturen bis zu 3000 °C eingesetzt werden.

Achtung

Wenn Sie ein Experte für Kohlenstoffnanoröhrenheizung sind, schreiben Sie mir bitte eine E-Mail an juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

Wir arbeiten in einem Konsortium an der Entwicklung von Lösungen für das CO2-freie Methancracking, bei dem Kohlenstoffnanoröhren als Nebenprodukt anfallen, die hauptsächlich für Batterieanwendungen genutzt werden sollen. Vielleicht gibt es eine Möglichkeit, die Anwendung zu erweitern?

Weitere Informationen zu diesem Projekt finden Sie unter https://storming-project.eu/.

Industrielle Nutzung cases für fortschrittliche elektrische Heiztechnologien

Es gibt bereits industrielle Anwendungsfälle, die eine verbesserte Prozesseffizienz und eine höhere Produktqualität ermöglichen, die sich aus Vorteilen wie präziser Temperaturregelung, gleichmäßiger Erwärmung oder schnellen Erwärmungsraten ergeben. Wie bereits erwähnt, ist der Wärmebedarf in der Industrie unglaublich vielfältig, so dass Sie wahrscheinlich in vielen oder allen Sektoren sinnvolle Anwendungsmöglichkeiten finden können. Kein Wunder, dass man bei der Suche nach solchen Möglichkeiten eine Liste der üblichen Verdächtigen erhält. Hier sind drei:

Chemische Industrie

In der chemischen Industrie gibt es viele Prozesse, die eine Hochtemperaturbeheizung erfordern, z. B. Polymerisation, Destillation und Reaktionsprozesse. Moderne elektrische Heiztechnologien bieten eine präzise Temperaturregelung und schnelle Heizraten.

Glasindustrie

Die Glasherstellung erfordert Hochtemperaturwärme zum Schmelzen, Formen und Kühlen. Infrarotheizungen und Graphen-Heizungen ermöglichen eine gleichmäßige Erwärmung und präzise Temperaturkontrolle.

Lebensmittelindustrie

Die Lebensmittelindustrie benötigt Hochtemperaturprozesse für die Lebensmittelverarbeitung, z. B. zum Backen, Kochen und Sterilisieren. Moderne elektrische Heiztechnologien bieten eine präzise Temperaturregelung und schnelle Heizraten.

Wirtschaft - der Elefant im Raum

Einer meiner Kollegen, der EEIP-Vorsitzende Rod Janssen, liebt diesen Ausdruck und hat ihn schon einige Male verwendet, wenn er über Energieeffizienz in der Industrie oder in Gebäuden sprach. Tatsächlich dreht sich die gesamte Energy Efficiency Financial Institutions Group (EEFIG), eine 2013 von der Europäischen Kommission (GD Energie) und UNEP FI ins Leben gerufene Initiative, um dieses Thema.

Wenn es um die Wirtschaftlichkeit fortschrittlicher elektrischer Heiztechnologien für Systeme mit hohem Temperaturbedarf geht, vergleichen Entscheidungsträger in der Industrie diese mit dem aktuellen Stand der Technik bei fossilen Heizsystemen. Und das ist alles andere als einfach, da viele Dimensionen die Wirtschaftlichkeit beeinflussen und die Bewertung auch von Faktoren wie dem Risiko oder den in einem bestimmten Unternehmen verwendeten finanziellen KPIs abhängt.

Wenn man die Wirtschaftlichkeit etwas genauer betrachtet, muss man zwischen den tatsächlichen Stromkosten und den Kosten für fossile Brennstoffe, den Erwartungen hinsichtlich der künftigen Preisentwicklung, den Vorschriften und der Kundenwahrnehmung unterscheiden. Eine andere Möglichkeit, die beiden zu vergleichen, ist die Gegenüberstellung von Kapitalkosten (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX).

Im Allgemeinen haben fortschrittliche elektrische Heiztechnologien tendenziell höhere Kapitalkosten als fossil betriebene Heizsysteme. Allerdings sind die Betriebskosten aufgrund der höheren Effizienz und des geringeren Wartungsbedarfs niedriger. Darüber hinaus emittieren fortschrittliche elektrische Heiztechnologien keine Treibhausgase, so dass sie Kosten im Zusammenhang mit Kohlenstoffpreisen oder Emissionsvorschriften vermeiden können.

Natürlich sind die Stromkosten ein entscheidender Faktor für die wirtschaftliche Rentabilität fortschrittlicher elektrischer Heiztechnologien. Wenn Strom teuer ist oder hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen erzeugt wird, sind die Betriebskosten fortschrittlicher elektrischer Heiztechnologien höher als bei fossilen Heizsystemen. Ist der Strom jedoch billig oder wird er aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt, dann können fortschrittliche elektrische Heiztechnologien kosteneffizienter sein.

Weitere Faktoren sind die Auswirkungen der Skalenerträge, sobald diese neuen Technologien auf breiter Basis eingesetzt werden, oder die erforderlichen Fähigkeiten für den Betrieb solcher Systeme in den Werkshallen, aber auch auf der Ebene der Digitalisierung und Prozesssteuerung.

Hochtemperatur-Wärmespeicherung und Netzintegration

Neue Lösungen für die Hochtemperatur-Wärmespeicherung und die Integration in das Energienetz können ebenfalls eine Rolle bei der Verringerung des Risikos fortschrittlicher Hochtemperatur-Heizsysteme sowie bei der Verbesserung des dahinter stehenden Geschäftsmodells spielen, z. B. durch die Teilnahme an Netzflexibilitätsmärkten.

Weitere Informationen über Netzflexibilitätsmärkte finden Sie im OneNet-Projekt. EEIP beteiligt sich an diesem Projekt hauptsächlich im Bereich des Engagements der Industriekunden.

Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, hier nur ein kurzer Überblick darüber, was ich mit Netzintegration meine:

1. Nachfrageseitiges Management: Heizungsanlagen können so geplant werden, dass sie in den Schwachlastzeiten laufen, wenn die Stromnachfrage geringer ist, oder sie können in Zeiten mit hoher Stromnachfrage abgeschaltet werden.
2. Energiespeicherung: Energiespeichersysteme können verwendet werden, um überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie zu speichern und bei Bedarf zum Betrieb von Hochtemperatur-Heizsystemen zu nutzen.
3. Netzgebundene Speicherung: Netzgebundene Speichersysteme, wie z. B. Pumpspeicherkraftwerke oder Druckluftspeicher, können ebenfalls verwendet werden, um überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu speichern.

Und hier einige Beispiele für Hochtemperatur-Wärmespeicherlösungen, die heute bereits existieren oder in naher Zukunft verfügbar sein werden:

1. Schmelzsalzspeicher: Die Salzschmelze ist derzeit eine der gängigsten Lösungen zur Speicherung von Hochtemperaturwärme. Das System speichert thermische Energie in Form von geschmolzenem Salz, das auf hohe Temperaturen erhitzt und zur Erzeugung von Dampf für Turbinen zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Salzschmelzen-Speicher werden in großen Solarkraftwerken (CSP) eingesetzt und werden auch für den Einsatz in industriellen Anwendungen untersucht.
2. Thermische Energiespeicherung mit Phasenwechselmaterialien (PCMs): Die thermische Energiespeicherung mit Phasenwechselmaterialien (PCM) ist eine weitere Hochtemperatur-Wärmespeicherlösung, die zunehmend an Popularität gewinnt. PCMs können bei Phasenübergängen, wie z. B. Schmelzen oder Erstarren, Wärmeenergie aufnehmen und abgeben. Diese Technologie wird für den Einsatz in Gebäuden und industriellen Anwendungen erforscht.
3. Thermische Energiespeicherung mit keramischen Materialien: Auch keramische Werkstoffe können für die Speicherung von Hochtemperaturwärme verwendet werden. Die keramischen Werkstoffe können Wärmeenergie speichern, indem sie bei Phasenumwandlungen Wärme aufnehmen und wieder abgeben. Keramische thermische Energiespeichersysteme werden für den Einsatz in CSP-Anlagen und für industrielle Anwendungen entwickelt.
4. Energiespeicherung mit Schwungrädern: Schwungrad-Energiespeichersysteme werden für die Speicherung von Hochtemperaturwärme entwickelt. Das System speichert kinetische Energie in Form eines rotierenden Schwungrads. Das System kann die gespeicherte Energie als Strom oder Wärmeenergie abgeben. Schwungrad-Energiespeichersysteme werden für den Einsatz in CSP-Anlagen und anderen industriellen Anwendungen entwickelt.
5. Flüssigmetall-Energiespeicher: Flüssigmetall-Energiespeichersysteme sind eine relativ neue Technologie, die für die Speicherung von Hochtemperaturwärme entwickelt wird. Das System speichert thermische Energie in Form von Flüssigmetall, das auf hohe Temperaturen erhitzt und zur Erzeugung von Dampf verwendet werden kann, um Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben. Flüssigmetall-Energiespeichersysteme werden für den Einsatz in CSP-Anlagen und anderen industriellen Anwendungen entwickelt.
6. Forschungsebene: Hochtemperatursupraleiter für die Energiespeicherung
7. Forschungsebene: Nanomaterialien für die thermische Energiespeicherung

Da die Dekarbonisierung von Hochtemperaturwärme ein so wichtiges (und herausforderndes) Thema ist, würden wir uns sehr über Ihr Feedback und Ihren Input freuen.

Falls Sie weitere Lösungen oder Anwendungsfälle kennen, schreiben Sie mir bitte eine Nachricht an juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

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