Energie und Rohstoffe beherrschen die Achema

Strom, Dampf und Druckluft sind die wichtigsten Energieträger in der Prozessindustrie. Doch alle drei Energieformen haben ein großes Problem: Sie werden in Zukunft immer teurer. Vor allem die energieintensive Chemieindustrie leidet darunter und versucht mit allen Mitteln, die Kosten im Energiebereich zu senken. Hierfür existieren zahlreiche Ansätze. Im Folgenden zeigen wir einige der wichtigsten Trends auf.

Die Welt steht unter Strom: Bis 2030, so die Erwartungen der Energieforscher, wird die weltweite Stromerzeugung gegenüber heute um zwei Drittel zunehmen. Dabei sind es längst nicht nur die wachsende Weltbevölkerung und die Elektrifizierung bislang nicht erschlossener Weltregionen, die den Bedarf anheizen. Auch in den entwickelten Industrienationen steigt der Bedarf – nicht zuletzt durch das Megathema „Elektromobilität“: So sollen nach dem Willen der deutschen Bundesregierung bis 2030 sechs Millionen Elektroautos auf Deutschlands Straßen unterwegs sein.

Doch elektrischer Strom ist eine flüchtige Energieform: Der in einem Stromnetz bereitgestellten Energie müssen zu jedem Zeitpunkt entsprechende Abnehmer gegenüber stehen. Bei einem Überangebot steigt die Netzfrequenz, bei einem Unterangebot sinkt diese. Schwankungen in der Netzfrequenz können bis hin zu großen Stromausfällen führen. Verschärft wird diese Situation seit einigen Jahren durch den Ausbau erneuerbarer Energien wie der Windkraft und der Solarenergie.

Angebot und Nachfrage auszubalancieren, gleicht heute einem Gang auf Messers Schneide. Der Balanceakt erfordert neue Wege, darunter den Einsatz von Energiespeichern, die Über- und Unterangebot ausgleichen können.

Um einen Überblick über die zahlreichen Speichertechnologien zu gewinnen, muss man zwischen Speichern zur Stabilisierung des Stromnetzes auf der einen Seite und solchen zur lokalen Speicherung von elektrischer Energie auf der anderen Seite unterscheiden. Da-neben spielen Wärmespeicher insbesondere zur Nutzung von Prozesswärme in der Chemie, Papierindustrie sowie anderen Prozessindustrien eine immer wichtigere Rolle.

Elektrischer Strom kann in chemische, potenzielle, kinetische oder elektromagnetische Energie umgewandelt werden. Die Tatsache, dass bislang nur vergleichsweise wenige Netzspeicher in Betrieb sind, hat vor allem wirtschaftliche Gründe: Es ist bis heute günstiger, Strom konventionell aus Kohle, Kernenergie und Gas zu produzieren, als ihn zu speichern. „Betriebswirtschaftlich machen Pump- oder Druckluftspeicher im Stromhandel erst Sinn, wenn die Differenz zwischen Nachtstrom und Spitzenpreis am Tag wenigstens 3 ct/kWh beträgt“, konkretisiert Prof. Dirk Uwe Sauer von der RWTH Aachen. Überhaupt, so Sauer, ist der Netzausbau in der Regel immer günstiger als Speicherlösungen.

Dennoch wird auf lange Sicht kein Weg an der Entwicklung und Nutzung der Speichertechnologien vorbei führen. Denn im Gegensatz zu klassischen Kraftwerken lassen sich Wind und Sonnenenergie nicht beliebig anschalten. Während das Verhältnis fluktuierender Leistung (Wind, Sonne) zu regelbarer Leistung (konventionelle Kraftwerke) heute bei etwa 1:5 liegt, wird sich dieses nach Einschätzung des deutschen Bundesumweltministeriums bis 2030 auf etwa 1:1 verschieben. Dazu kommt, dass Speichertechnologien – sowohl für Strom als auch für thermische Energie – auch ein Schlüssel zur effizienteren Energienutzung in der Stromerzeugung, aber auch in verfahrenstechnischen Industrien sind.

Die Energiewende ist politisch beschlossen; jetzt gilt es, entsprechende technische Lösungen bereitzustellen, um die Fluktuationen in der Bereitstellung von Strom aus erneuerbaren Quellen auszugleichen. Dafür sind Lösungen aus der Prozessindustrie, der Chemie und der Mess- und Regeltechnik gefragt. Auf der Achema 2012 bilden innovative Energieträger und -speicher daher auch ein separates Schwerpunktthema; nicht nur in dieser Sonderschau werden Aussteller und Wissenschaftler zahlreiche neue Lösungen rund um dieses Thema vorstellen.

Energieeinsparpotenziale lassen sich schnell finden, indem man eine einzelne Komponente (Pumpe, Armatur, Wärmeübertrager, Kompressor) oder einen definierten Teil einer Anlage (Druckluftversorgung, Kühlwasserbereitstellung) unter die Lupe nimmt und optimiert. Das ist für viele Betreiber sicher ein wichtiger erster Schritt, wie auch eine Studie des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) zeigt: Schließlich zählen Strömungsmaschinen wie Pumpen, Ventilatoren und Druckluftkompressoren zu den besonders energiehungrigen Komponenten einer Anlage.

Wesentlich aufwendiger ist es, eine Anlage als Ganzes zu betrachten und als System zu optimieren.

Dieser Systemansatz – man spricht hier auch von Energieintelligenz – bietet aber als Belohnung auch die größten Energieeinsparungen. Nicht zuletzt profitiert der Betreiber in vielen Fällen quasi als Zusatz-Bonbon von stabileren Prozessen und Produktqualitäten.

Gemäß der europäischen Ökodesign-Richtlinie (ErP) müssen Hersteller die Energieeffizienz ihrer Technik über den gesamten Lebenszyklus verbessern und die Umweltbelastung reduzieren. Das gilt natürlich auch für Pumpen.

Die schon immer empfohlenen Details einer guten Pumpenauslegung (Arbeitspunkt nahe dem optimalen Betriebspunkt der Pumpe, hydraulisch korrekte Dimensionierung der Rohrleitungen) und die heute verfügbaren Technologien zur Energieeinsparung (effiziente Motoren, Frequenzumformer zur Drehzahlregelung, wirkungsgradoptimierte Hydraulik, Reduktion der Verluste in den Wicklungen und in den Lagern) müssen zum Erreichen dieses Zieles aber sehr konsequent umgesetzt bzw. genutzt werden.

Die Forschungsstelle Energieeffizienz hat dazu 2009 einige Zahlen ermittelt: Die Investitionskosten setzen sich aus den Kosten des Frequenzumrichters in Höhe von 100 bis 200 Euro/kW Pumpenleistung und den Installationskosten von etwa 2000 Euro je Pumpeneinheit zusammen (die Kosten sind als Richtwerte zu betrachten).

Auch die Laufradanpassung ist eine Möglichkeit, die Leistung einer Kreiselpumpe anlagenspezifisch zu optimieren. Das verringert die Leistungsaufnahme der Pumpe. Das Einsparpotenzial liegt je nach Reduzierung der Pumpen- und Motorleistung zwischen 10 und 40 %. Das Anpassen kostet je nach Laufradgröße bis zu 1000 Euro.

Der Einsatz drehzahlregelbarer Antriebe kann nicht nur Energie und Kosten einsparen, sondern macht die Pumpe zudem interaktionsfähig. Eine mit Sensoren und mikroelektronischen Bauteilen bestückte Pumpe steht dann als Aktor zur Verfügung, kann sozusagen „handelnd“ auftreten und den Prozessverlauf mitbestimmen.

Über die kommunikationsfähige, parametrierbare Pumpe wird beispielsweise sichergestellt, dass ein Medium mit dem gewünschten Druck oder dem erforderlichen Volumenstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt im Reaktor zur Verfügung steht. Oder dass zwei Komponenten exakt vermischt zur richtigen Zeit präzise zudosiert werden.

Im Vergleich zu mechanischen Regelkonzepten wie dem Drosseln lässt sich die Durchflussmenge mit einem drehzahlvariablen Antrieb wesentlich genauer steuern – bei kürzeren Reaktionszeiten. Die E-Pumpe passt also bei Bedarfsschwankungen die Fördermenge wesentlich schneller und exakter dem aktuellen Bedarf an.

Druckluft wird in der Industrie wie Strom aus der Steckdose verwendet – und ist deshalb als Energieträger in vielen Produktionsprozessen hoch geschätzt. Allein in Deutschland sind etwa 62 000 Druckluftanlagen installiert. Gerade weil Druckluft so sicher und einfach in der Handhabung ist, sind für viele Betreiber die dabei entstehenden Kosten nachgeordnet. So löst sich durch Leckagen zum Teil viel Geld buchstäblich in Luft auf; Verlustraten von 15 % sind eher die Regel als die Ausnahme, manchmal erreichen sie sogar bis zu 70 %. Inzwischen bieten fast alle Hersteller Druckluft-Audits an. Damit werden Leckagen identifiziert, falsch dimensionierte Leitungen erkannt oder eine nicht bedarfsgerechte Erzeugung ermittelt.

Höchstmögliche Energieeffizienz jeder einzelnen Druckluftkomponente ist zwar eine notwendige, aber noch keineswegs hinreichende Voraussetzung für ein optimales Gesamtsystem. Mit Ausnahme von kontinuierlich ablaufenden Prozessen der Verfahrenstechnik weist das per Analyse gewonnene Bedarfsprofil üblicherweise Schwankungen auf. Dann kann es sinnvoll sein, mit drehzahlgeregelten Kompressoren zu arbeiten. Bei größeren Anlagen empfiehlt sich zudem der Einsatz einer übergeordneten Steuerung. Der Vorteil: Mehrere Kompressoren lassen sich in einer Station aufeinander abgestimmt betreiben. Dann kann zum Beispiel durch Lastverteilung (Splitting) auf mehrere Kompressoren unterschiedlicher Größe das Lastverhalten wirtschaftlicher gestaltet werden.

Eine zentrale Druckluftstation bietet dem Betreiber Vorteile, sofern nicht extrem lange Leitungen für eine dezentrale Versorgung sprechen. Lassen sich Kompressoren bündeln, vereinfacht das nicht nur Service und Wartung. Da bei der Verdichtung vor allem Wärme entsteht, kann ein System zur Wärmerückgewinnung die Energiekosten weiter senken. Es lassen sich bis zu 96 % der dem Kompressor zugeführten Energie als Abwärme ein zweites Mal nutzen (z. B. für Heizzwecke).

Auch eine automatisierte Armatur zur Energieeffizienz beitragen? Durchaus, wie der ZVEI herausgefunden hat: Mit elektro-pneumatischen Stellungsreglern lassen sich Ventile in Durchflussleitungen optimal regeln. Vor allem bei schnellen Prozessen in chemischen und petrochemischen Verfahren werden Störgrößen wesentlich rascher ausgeregelt, wodurch Prozessanlagen mit weniger Primärenergie eine größere Produktmenge liefern. Durch die Umrüstung nur eines Regelventils mit einem intelligenten elektro-pneumatischen Stellungsregler und einer entsprechenden pneumatischen Verschaltung (in einer OLEX-Anlage zur Trennung von Butan und Buten), konnte die Produktausbeute um 3 % gesteigert werden.

Über akustische Sensoren können undichte Ventile entdeckt und ein schleichender Produktverlust verhindert werden. Würde bei einem Fackelventil mit Nennweite DN 150 und einem Vordruck von 20 bar durch Verschleiß unbemerkt eine Leckage von 3 % – entsprechend einem Leckverlust von 800 kg/h – auftreten, entstünden Produktverluste von bis zu 10 000 Euro pro Tag.

Darüber hinaus verbrauchen moderne Stellungsregler im Gegensatz zu klassischen Geräten nur ein Zehntel an Instrumentenluft, was den Hilfsenergieverbrauch in den Anlagen deutlich reduziert. Konventionelle Stellungsregler verbrauchen etwa 200 bis 250 Euro Instrumentenluft pro Jahr und pro Gerät, sodass sich bei einem mittleren Betrieb mit beispielsweise 100 Stellventilen pro Jahr bis zu 20 000 Euro einsparen lassen. Der Druckluftverbrauch in Anlagen kann somit effizienter gefahren werden.

Unter dem Eindruck volatiler Rohstoffmärkte, von Zahlungsausfällen und Finanzkrisen, angesichts neuer Handelsprotektionismen in den Agrar- und Nahrungsmittelmärkten und konfrontiert mit dem regulatorischen Tauziehen um Pflanzengentechnik halten sich Unternehmen spürbar zurück, wenn es darum geht, auf bisher verlässliche Rohstoffquellen zu verzichten, Komponenten mit bewährten Eigenschaften auszutauschen und Produktionsprozesse neuen Materialien anzupassen oder gar ganze Anlagen mit neuen Technologien aufzubauen. Investitionen ja, Technologierevolution nein – me-too-Produkte nein, Neues ja, sagen die Verantwortlichen. So liegen Komponenten, Module, Prozesslösungen und Anlagen im Trend, die die Verarbeitung unterschiedlicher Rohstoffe für dasselbe Endprodukt ermöglichen.

In den letzten Jahren hat die Kombination verschiedener Technologieplattformen an Fahrt gewonnen. Selbststeuernde Maschinenkomponenten, intelligente Mess- und Regeltechniken, modulare Extraktions-, Separations- und Kühlsysteme und miniaturisierte Fraktionierungs- und Synthesemaschinen sorgen dafür, dass Biotechnologieanwendungen praxistauglich für den Industrieeinsatz sind. So sind immer mehr Laborautomaten mit herstellerunabhängigen Schnittstellen zu den Kundengeräten ausgestattet. Nicht zuletzt haben Anwender damit größere Wahlfreiheit bei begleitenden Reagenzien. In Fermentern kommen mittlerweile Inline-Sensoren zum Einsatz, deren Elektroden autoklavierbar sind und eine mobile Messung spezifischer Prozessparameter in Flüssigkeiten ermöglichen. Neue pH-Differenzsensoren vermeiden in Kombination mit spezialisierten Puffergelen (z. B. Maleinsäure, Diallylamin) die Nachteile gängiger Referenzsysteme (KCI-Halbzelle) und eröffnen damit die Möglichkeit zu Echtzeit-pH-Messungen unter wechselnden Temperaturbedingungen.

Ähnlich stürmisch geht die Entwicklung bei Separatoren voran, die eine lukrative (und klimafreundliche) Verwertung von Nebenströmen eröffnen. So wird in China seit Herbst letzten Jahres eine große Algenproduktionsanlage betrieben, bei der die Algen mit anfallendem und gereinigtem Rauchgas eines Kohlekraftwerkes gefüttert werden. Die Algenanlage kann pro Tag bis zu 2500 kg CO2 in Form von Biomasse fixieren. Dazu nehmen die Algen das Kohlendioxid auf und verstoffwechseln es u. a. zu Fetten und Kohlehydraten.

Auf der Basis der neuen Möglichkeiten zieht der Anlagenbau nach. Dabei geht es bisher weniger um neue Bioraffinerien als um die Modernisierung von Altanlagen und Kostenoptimierung ihres Outputs. In der Petroindustrie sind Bio-Ethanol und Pflanzenöle, die den fossilen Kraftstoffen zugemischt werden, erst der Anfang. Noch stammt das meiste von Feldfrüchten. Der gesellschaftliche Konsens ist jedoch, die Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden. Die nächste Generation von Biokraftstoffen wird nicht mehr aus Lebensmitteln gewonnen, sondern aus Holz, Stroh, Speiseresten und pflanzlichen oder tierischen Industrieabfällen. Mehrere Pilotanlagen laufen bereits, Beispiele zeigt Prozesstechnik-online.de/gogreen.

Auch die Chemieindustrie steht in den Startlöchern, um aus Agrarrohstoffen Plattformchemikalien wie etwa Glyzerin oder Stärke zu produzieren. Auch dazu braucht es Komponenten, Geräte und Prozesstechnik, die die Produktionsabläufe flexibel halten und den wechselnden Rohstoffen anpassen. Im Anlagenbau geht es zusätzlich darum, oft erhebliche Logistikkosten zu reduzieren. Das Kraftwerk kommt zum Rohstoff und das heißt, Rohöl und Biomasse im Wechsel- oder Parallelbetrieb zu verarbeiten. Heute steht man erst am Anfang mit diesem Konzept der Zusatzverfeuerung und -gasifizierung von Pflanzenöl oder Ethanol am Standort einer bestehenden Petroraffinerie oder E-Werks.

Noch sind auf dem Weltmarkt organische Kohlenwasserstoffe billiger als biobasierte Rohstoffe. Doch die Preisschere schließt sich, und das heißt auf absehbare Zeit nicht Ersatz von Erdöl, sondern Wechselnutzung heterogener Rohstoffquellen. „Rohstoffe aus Biomasse konkurrieren auch in der Zukunft mit den petrochemischen“ fasst Alfred Oberholz, ehemaliger Forschungsvorstand von Evonik Degussa, die Entwicklung zusammen: „Am Ende wird der Wert des C-Atoms am Markt gleich sein, egal ob es aus Biomasse oder aus petrochemischen Rohstoffen gewonnen wurde.“