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Erzeugung von Prozesswärme mit grünem Wasserstoff und Biogas

Erzeugung von Prozesswärme mit grünem Wasserstoff und Biogas
Kesselsysteme für alternative Energieträger

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Nach dem neuen Klimaschutzgesetz soll Deutschland bis 2045 klimaneutral werden. Wie sich die Dekarbonisierung bei der Produktion von Prozesswärme erreichen lässt und welche Rolle alternative Energieträger wie grüner Wasserstoff und Biogas dabei spielen könnten, erläutert Daniel Gosse, Leiter Marketing Thermotechnik Gewerbe und Industrie, Bosch Industriekessel, im Gespräch mit dei.

Herr Gosse, warum sollten sich Lebensmittelbetriebe schon heute mit der zukünftigen Nutzung von grünem Wasserstoff als Energieträger für die Erzeugung von Prozesswärme beschäftigen?

Daniel Gosse: Ich denke, wir werden in der Zukunft einen Multitechnologieansatz brauchen, wenn wir uns möglichst schnell von den fossilen Brennstoffen verabschieden wollen. Grüner Wasserstoff kann einer der möglichen Pfeiler sein, vor allem in Branchen mit großem, lokalem Energieverbrauch wie der Lebensmittelindustrie.

Ist die Technologie für die Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff für Dampf- oder Heißwasserkessel schon ausgereift?

Gosse: Ja. Wir haben schon langjährige Erfahrung mit diesem Brennstoff und der entsprechend zugrunde liegenden Technologie und Sicherheitstechnik. Das liegt daran, dass einige unserer Kunden schon heute Wasserstoff als Abfallprodukt haben und diesen sinnvoll nutzen wollen.

In der Lebensmittelindustrie fällt, anders als etwa in der chemischen Industrie, kein Wasserstoff als Abfallprodukt an. Eine eigene Erzeugung von grünem Wasserstoff mittels Elektrolysator ist nicht wirtschaftlich. Für welche Betriebe macht eine Investition in umrüstbare Kesselanlagen trotzdem Sinn?

Gosse: Es gibt heute einige geförderte Projekte, für die eine kommunale Nahwärmeversorgung mittels Wasserstoff aufgebaut wird. Ein Beispiel dafür ist das Projekt Energiepark Wunsiedel im Fichtelgebirge. Hier wird Wasserstoff mit einer Elektrolyseanlage ohne Kohlestrom erzeugt. Überschüsse von diesem grünen Wasserstoff werden auch von daneben liegenden Industriebetrieben genutzt, in diesem Fall von einem Sägewerk zur Holztrocknung. Dies ist zwar kein Beispiel aus der Lebensmittelindustrie, zeigt aber, dass die große Investition nicht beim Industriebetrieb liegen muss, sondern auch gelieferter Wasserstoff genutzt werden kann, um ein Stück grüner zu werden.

Ein Dampfkessel hat eine Lebenserwartung zwischen 20 und
40 Jahren. Ist es sinnvoll, sich bei einer Neuinvestition jetzt schon Gedanken über wasserstofffähige Dampfkessel zu machen?

Gosse: Darin sehe ich die große Herausforderung für Betriebe, die sich aktuell solch langlebige Anlagen anschaffen, denn sie investieren einen hohen Betrag und brauchen Zukunftssicherheit, also Flexibilität für die spätere Umrüstung. Wir wissen heute noch nicht, wie der Energiemix in Zukunft aussehen wird. Sobald man alternative Energieträger vor Ort hat und diese für die Erzeugung von Prozesswärme nutzen möchte, egal ob Wasserstoff, grünen Strom oder auch andere biogene Brennstoffe, ist man gut beraten, wenn man nicht noch einmal komplett investieren, sondern nur eine kleine Umrüstung vornehmen muss. Die Mehrkosten für eine umrüstbare Anlage sind überschaubar im Vergleich zur Gesamtinvestition.

Kommen wir zur Technologie. Der Heizwert von Wasserstoff pro Volumeneinheit beträgt lediglich ein Drittel des Heizwertes von Erdgas. Müssen mit Wasserstoff befeuerbare Kessel daher immer größer sein?

Gosse: Nicht zwangsläufig. Es ist zwar absolut richtig, dass für den gleichen Heizwert ein um das Dreifache höheres Gasvolumen benötigt wird. Jedoch braucht man auch etwas weniger Luft. Daher kann man nicht sagen, dass die Gasmenge tatsächlich um den Faktor drei erhöht werden muss. Bei einer Vergrößerung des Kessels geht es jedoch nicht darum, die erhöhte Brennstoffmenge zu bewältigen, sondern um das Thema NOx. Die Temperatur bei der Wasserstoffverbrennung ist im Vergleich zu Erdgas höher, lässt sich durch einen größeren Kessel bzw. einen größeren Feuerraum jedoch reduzieren. In der Regel gelten aber teils strenge NOx-Vorgaben, die gewisse Abgasmaßnahmen erfordern, um die mittlere Flammentemperatur zu verringern – dadurch kann der Kessel auch mit identischer Nennleistung betrieben werden.

Und wie bewerkstelligt man das?

Gosse: Die gängigste Lösung ist die sogenannte Abgasrezirkulation, die man auch als Abgasrückführung im Auto kennt. Man nutzt einen Teil des Abgases und führt diesen dem Brenner zu. Dadurch werden die Flammentemperatur und damit auch die thermische NOx-Bildung gesenkt.

Lassen sich durch die Abgasrezirkulation die geltenden NOx-Vorschriften erfüllen?

Gosse: Ja. Meist ist die Abgasrezirkulation das Mittel der Wahl, um die NOx-Bildung zu reduzieren. Es gibt hier kleinere und größere Lösungen, abhängig davon, wie hoch der Wasserstoffanteil ist.

Ein Problem von Wasserstoff ist, dass er schneller brennt und zündet als Erdgas. Was ist bei der Auslegung von Kesselanlagen hinsichtlich der Sicherheit zu beachten?

Gosse: Das ist ein wichtiger Punkt. Nach bisherigem Stand gibt es kein bindendes Regelwerk und jede Anlage muss einer Einzelbetrachtung unterzogen werden. Sicherheitsmechanismen und die Berücksichtigung anlagenspezifischer Explosionsschutzvorgaben sind dabei unerlässlich. Bei den Gasleitungen muss man beachten, dass so gut wie keine Diffusion von Wasserstoff durch die Materialien erfolgen sollte. Deshalb saugen wir die Verbrennungsluft aus dem Kesselhaus ab. Außerdem setzen wir wegen der höheren Flammentemperatur spezielle hochtemperaturfeste Brennermaterialien ein. Als Vorsichtsmaßnahme empfehlen wir auch eine Flammenrückschlagsicherung. Dadurch kann die Flamme nicht in die Gasleitung vordringen, wenn sie zu nah an den Brennerkopf rutscht.

Was ist bei der Auslegung von Kesselanlagen, die später auf Wasserstofffeuerung umgerüstet werden sollen, noch zu beachten? Ist zum Beispiel eine andere Steuerung und Regelung notwendig?

Gosse: Steuerung und Regelung bleiben kesselseitig gleich, feuerungsseitig sind Anpassungen oder ein Austausch erforderlich. Auch die Parametrisierung des Brenners ist eine andere. Wir haben ja die höheren Gasvolumina schon angesprochen, die sind der Hauptfaktor. Wenn man bis zu 100 % Wasserstoff nutzen will und die dreifache Brennstoffmenge zuführt, muss man die gasführenden Leitungen, Ventile etc. größer dimensionieren. Außerdem gibt es noch Unterschiede bei der Abwärmenutzung, aber die sind marginal.

Sie haben gerade die Abwärmenutzung angesprochen. Lassen sich bei der Wasserstofffeuerung Lösungen wie Economiser oder Abgaskondensatoren analog zur Erdgasfeuerung einsetzen?

Gosse: Es gibt zwar kleine Unterschiede, aber grundsätzlich ist die Abwärmenutzung möglich. Beim Wasserstoff gibt es im Abgas eine große Menge Luftstickstoff. Der Rest ist zum großen Teil Wasserdampf und den kann man kondensieren. Wasserstoff ist der Brennstoff mit dem höchsten Kondensatanteil, denn es liegt ja kein Kohlenstoff vor, sondern nur H2, das komplett zu H2O umgewandelt wird. Diese Kondensationsenergie kann man entsprechend nutzen. Der einzige Unterschied zur Erdgasfeuerung ist, dass der Taupunkt etwas höher ist. Dementsprechend kann man die Temperatur des Abgases etwas weniger weit absenken als beim Erdgas.

Welche Dampf- und Heißwasserkessel bieten Sie mit Wasserstofffeuerung an bzw. welche sind umrüstbar auf Wasserstofffeuerung?

Gosse: In der Theorie sind alle unsere Dampf- und Heißwasserkessel wasserstofffähig. In der Praxis gibt es aber eine kleine Einschränkung: Die Wasserstoffbrenner werden komplett individuell gefertigt und sind dementsprechend nicht günstig. Dieser Aufwand rechnet sich in der Regel erst ab Leistungen von ca. 3 MW oder 5 t pro Stunde. Die meisten größeren Lebensmittelbetriebe, die im Zweischichtverfahren arbeiten oder lange Produktionszeiten haben, kommen in diese Region. Die Grenze ist aber nicht starr, sondern wird sich noch verändern, wenn die Hersteller mehr Erfahrung haben. Wenn es nur um kleinere Beimengungen von Wasserstoff geht, macht die Anschaffung auch für kleinere Leistungen Sinn.

Können Sie Projekte aus der Nahrungsmittelindustrie nennen, für die Sie Kesselanlagen schon so ausgelegt haben, dass diese später mit Wasserstoff betrieben werden können?

Gosse: In der Lebensmittelindustrie ist bisher noch keine Anlage in Betrieb, die in größeren Mengen Wasserstoff verfeuert. Das liegt im Wesentlichen daran, dass er so knapp verfügbar ist. Es gibt aber Anlagen in chemischen Betrieben, die mit grünem Wasserstoff oder Abfallwasserstoff befeuert werden. Von Lebensmittelunternehmen erhalten wir aber immer wieder Anfragen zur Umrüstung. Diese Betriebe wollen später in der Lage sein, Wasserstoff zu nutzen. Anfragen bekommen wir vor allem von Konzernkunden, etwa aus dem Süßwaren- und Getränkebereich, vor allem auch von Brauereien. Das liegt daran, dass diese Unternehmen hohe Energiekosten haben. Viele Firmen haben sich Konzernziele gesetzt, so wie Bosch das auch getan hat. Wir sind seit 2020 als erster deutscher Großkonzern klimaneutral und das treibt die Nachfrage. Eine Rolle spielt natürlich auch die Sorge um die Zukunftssicherheit.

Manche Betriebe erzeugen mit Photovoltaikanlagen eigenen grünen Strom und setzen deshalb auf eine hybride Prozesswärmegewinnung aus Erdgas und Strom. Welche Rolle könnte Wasserstoff in Zukunft bei hybriden Kesselanlagen spielen?

Gosse: Die Kombination von elektrischen Heizelementen mit Wasserstofffeuerung halte ich für einige Betriebe durchaus für realistisch. Dabei sehe ich die Wasserstoffnutzung als Kompensation, wenn kein grüner Strom erzeugt werden kann. Gerade durch den Mix mehrerer Energieträger ergibt sich eine optimale Lösung.

In der Lebensmittelindustrie fallen viele organische Abfälle an, aus denen sich Biogas erzeugen lässt. Was ist bei der Befeuerung von Kesselanlagen mit Biogas zu beachten?

Gosse: Grundsätzlich ist bei Biogas, wie auch bei Bioöl, der Heizwert nicht so konstant wie bei Erdgas. Daher wird eine Verbrennungsregelung benötigt, die ein ideales Brennstoff-Luft-Gemisch erzielt. Somit vermeidet man Feinstaubbildung und Luftüberschüsse, also dass Luft in den Kessel kommt, erwärmt wird und den Kessel verlässt, ohne etwas zur Erzeugung der Prozesswärme beigetragen zu haben. Biogas ist in der Lebensmittelindustrie häufig im Einsatz, zum Beispiel in Brauereien, oft auch in Form einer Mischfeuerung, weil die Verfügbarkeit meist schwankt. Ich glaube, es wird in Zukunft einen gewissen Anteil an grünen Brennstoffen geben, die in einem Jahr CO2 binden und im gleichen Jahr wieder freisetzen, was im Gegensatz zur langen CO2-Bindung bei Holz wirklich nachhaltig ist. Die Frage ist aber: Wo soll die Menge herkommen? Deswegen sehe ich auch mittel- und langfristig einen Energiemix. Es werden bald 11 Milliarden Menschen auf diesem Planeten leben, die ernährt werden müssen. Wir werden also nicht den Luxus haben, riesige Anbauflächen mit Energieträgern zu bewirtschaften.

Ist auch eine Mischfeuerung aus Erdgas, Biogas und Wasserstoff möglich?

Gosse: Ab drei Brennstoffen wird es sehr komplex. Wir haben schon einmal eine Anlage gebaut, die mit einem Brenner ausgerüstet war, der mit Erdgas, Leichtöl und Wasserstoff betrieben werden kann und beim Kesselstart zusätzlich sogar noch mit Propan funktioniert. Das war eine hochkomplexe Einzel-Engineering-Lösung. Aber möglich ist vieles. Das Schöne ist, dass wir wie eine Manufaktur arbeiten. Wir bauen jede Anlage nur genau einmal.

Bis wann wird es in der Lebensmittelindustrie üblich sein, alternative Energieträger zu nutzen, um Prozesswärme zu erzeugen?

Gosse: Wir haben heute aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit erst einen sehr kleinen Anteil an nicht fossilen Brennstoffen. Die Technologie ist nicht das Limit, sondern die Verfügbarkeit. Die Frage ist, wie günstig kann man grünen Strom nutzen? Dieses Thema wird in Zukunft eine Rolle spielen. Je nachdem, welche Politik wir haben, sehe ich in den nächsten fünf bis zehn Jahren einen steigenden Anteil an alternativen Energieträgern. Ich rechne aber damit, dass es noch 20 bis 30 Jahre dauern wird, bis der Anteil der mit nicht fossilen Brennstoffen erzeugten Prozesswärme an der gesamten Prozesswärme höher sein wird als 50 %. Wenn es um die Nutzung von grünem Wasserstoff geht, glaube ich, dass wir in Zukunft mehr Insellösungen sehen werden. Zum Beispiel können neben Industrieparks Energieparks errichtet werden. Der Energiepark erzeugt grüne Energie und bietet den umliegenden Industriebetrieben grünen Wasserstoff an. Sind die Speicher voll, können die Grünstromüberschüsse sinnvoll genutzt werden und die Anlagen müssen nicht abgeschaltet werden. Das halte ich für das wahrscheinlichste Szenario für die nahe bis mittlere Zukunft.

Gibt es denn Fördermöglichkeiten für die nachhaltige Erzeugung von Prozesswärme?

Gosse: Im Moment gibt es attraktive Förderungen für CO2-senkende Maßnahmen bei der Erzeugung von Prozesswärme generell. Je nach Betriebsgröße sind das 30 bis 40 % Investitionskostenzuschuss. Diese Förderung bezieht sich bei Prozesswärme aktuell auf die errechneten eingesparten Tonnen CO2 pro Jahr, je nach Unternehmensgröße sind es 500 bis 700 Euro/t. Gedeckelt ist das Ganze auf die schon erwähnten 30 bis 40 %. Wird hierfür Wasserstoff genutzt, vermute ich, dass ein Nachweis erfolgen muss, wie er produziert wurde. Wer sich heute beispielsweise eine Elektroladesäule von der KfW fördern lassen möchte, muss ebenfalls nachweisen, dass er über eine eigene Photovoltaikanlage oder einen Grünstromvertrag verfügt.

Bosch Industriekessel GmbH, Gunzenhausen


Die Dampf- und Heizkessel von Bosch Industriekessel können für eine spätere Umrüstung auf Wasserstoff ausgelegt werden

Auf einen Blick:   H2-fähige Kesselsysteme

Die Kesselsysteme von Bosch Industriekessel lassen sich mit bis zu 100 % Wasserstoff betreiben, auch im Mix mit Erdgas und/oder Leichtöl als Reservebrennstoff.

Für eine spätere Umrüstung können sie auch „H2-ready“ ausgelegt werden. Ebenso lassen sich ältere Bestandsanlagen in vielen Fällen dahingehend modernisieren. Der Kesselkörper und die Nennleistung des Kessels können beibehalten werden – sofern eine Abgasrezirkulation eingesetzt wird. Diese ist in der Regel ohnehin nötig, um die strengen NOx-Limits auch bei der Wasserstofffeuerung einzuhalten.

Bei einer nachträglichen Umstellung auf Wasserstoff müssen in erster Linie der Brenner, die Gasversorgungsstrecke, Sicherheitseinrichtungen und die Regelparameter in der Steuerung modifiziert sowie die erwähnte Abgasrezirkulation vorgesehen werden. Beim Brenner kommen u. a. hochtemperaturbeständige Materialien, größer dimensionierte Komponenten zur Gasversorgung und eine Einrichtung zum sanften Zünden zum Einsatz. Die Gasregelstrecke und ihre Dichtungen werden aus besonders diffusionsbeständigen Materialien gefertigt. Zudem sollte man eine Flammenrückschlagsicherung vorsehen.


Das Interview führte für Sie: Claudia Bär

Redakteurin


„Wir haben schon langjährige Erfahrung mit Wasserstoff und der zugrunde liegenden Technologie und Sicherheitstechnik.“

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