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Deutsche Wissenschaftliche Begleitung des IEA Technology Collaboration Programm on Energy Technology System Analysis, Teilvorhaben: Industrielle Synfuelbezugskosten und Materialeffizienz

Das 'Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP)' der Internationalen Energie Agentur (IEA) wurde als Technology Collaboration Programme (TCP) initiiert, um durch eine systemanalytische Herangehensweise die Weiterentwicklung des globalen Energiesystems durch Untersuchungen zu aktuellen energiepolitischen Fragestellungen voranzutreiben. Seither werden alle 3 Jahre im ETSAP TCP Arbeitsprogramme (sog. Annexes) vereinbart, um im Rahmen eines gemeinsam zu bearbeitendem Projekt die Energiesystemanalyse methodisch weiterzuentwickeln und Studien durchzuführen. Der kommende Annex XVI 'Aligning energy security with zero emissions energy systems' beschäftigt sich mit u.a. mit Fragen der Energiesicherheit, Materialeffizienz und der Weiterentwicklung des globalen Energiesystemmodells TIAM. Das Vorhaben verfolgt das Ziel, das ETSAP TCP wissenschaftlich zu begleiten, indem es Beiträge zur Modellierung emissionsfreien Energieträgern in der Industrie, deren Konkurrenz zur Materialeffizienz sowie Kreislaufwirtschaft und der Rolle von neuen Industriezweigen in das Energiesystemmodell ETSAP TIAM zu integrieren liefert. Mittels Szenarienanalysen sollen diese Rückwirkungen der Fragen der Versorgungssicherheit, der Materialeffizienz und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch der Industrie auf möglich Pfadabhängigkeiten emissionsfreier Energieträger, im Kontext der Einhaltung des 1,5 Grad C Ziels untersucht werden. Im Weiteren soll es durch eine Serie von Workshops dazu beitragen, dass Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Annex national und mit gleichzeitiger Einbindung der ETSAP Community diskutiert werden. Ziel des TUM-Teilprojektes ist es, die Energienachfrage der Aluminium-, Kupfer- und Chemie-Industrien weltweit räumlich aufgelöst sowie die Materialeffizienzsteigerungseffekte in der Fahrzeugindustrie zu ermitteln. Ferner sollen die Verfügbarkeit und Kosten der Synfuels, basierend auf die Standorte der EE-Anlagen sowie ermittelten Transportinfrastruktur bestimmt werden.

Wasserverdampfer in der Kältetechnik, Teilvorhaben: Adsorptionskälteanlage (Adsorbus)

Wasserverdampfer in der Kältetechnik, Teilvorhaben: Berieselungseinrichtungen und Geräteregelung (TU Berlin)

Oxidations-Katalysatoren (OxKat/RCO) in der Zementklinkerproduktion: Errichtung einer erstmaligen und innovativen Anlage zur Emissionsminderung ohne Einsatz fossiler Primärenergie (KAREm)

Die Holcim (Süddeutschland) GmbH ist spezialisiert auf die Herstellung und den Vertrieb von Baustoffen. Das Unternehmen bietet ein breites Sortiment an Zement, Gesteinskörnungen, Beton sowie Dienstleistungen für Bauvorhaben an. Der Prozess der Zementklinkerherstellung ist sehr energieintensiv und verursacht sowohl brennstoff- als auch rohstoffbedingte Emissionen. Letztere resultieren aus den chemischen Zusammensetzungen der verwendeten Rohstoffe wie Kalkstein, Sand, Ton und z.B. eisenhaltigen Zusatzstoffen. Neben Staub sind insbesondere gasförmige Abgaskomponenten, wie NO X , NH 3 und SO X , organische Verbindungen sowie Schwermetalle von Bedeutung. In der 17. BImSchV, der für Zementwerke maßgeblichen Immissionsschutzregelung, gibt es jedoch für eine Vielzahl von Parametern (SO X , organische Gesamtemissionen, NH 3 , Hg) die Möglichkeit, rohmaterialbedingte Ausnahmen von den allgemeinen Grenzwerten zuzulassen. Am Standort Dotternhausen gelten derzeit Ausnahmen für die Emissionsgrenzwerte von CO, VOCs und NH 3 , da bisher keine Reduzierung der rohstoffbedingten Emissionen implementiert ist. Zur Minderung von NO X -Emissionen wird im Zementwerk Dotternhausen aktuell das Verfahren der selektiven nichtkatalytischen Reduktion (SNCR) betrieben. Im Rahmen des Vorhabens soll im Zementwerk der HOLCIM Süddeutschland GmbH in Dotternhausen eine Anlage zur kombinierten Abgasreinigung errichtet werden. Damit sollen zum einen die Emissionen des Zementwerks deutlich reduziert (z.B. NO X , NH 3 , VOCs, CO) und zum anderen der fossile Energiebedarf für die Emissionsminderung in Zementwerken deutlich gesenkt werden. Die Anlage besteht aus einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), der mit einem Oxidationskatalysator in einer Funktionseinheit kombiniert wird. Der Oxidationskatalysator wird erstmalig in der Zementindustrie eingesetzt. Der Einsatz von Oxidationskatalysatoren wird seit langem als vielversprechende Technologie für den Einsatz in der Zementindustrie gehandelt, aufgrund des hohen technischen Risikos aber bisher noch nicht eingesetzt. Durch diese Anlagenkombination werden zukünftig sowohl brennstoffbedingte als auch rohmaterialbedingte Emissionen eingespart und gezielt insbesondere NO X , NH 3 , organische Gesamtemissionen und besonders problematische Einzelverbindungen (z. B. Benzol, PAKs, PCB) sowie CO gemindert. So sollen bei Umsetzung des Projektes im Dauerbetrieb Emissionswerte für Ammoniak unterhalb der allgemeinen gesetzlichen Anforderungen eingehalten werden: 10 Milligramm pro Kubikmeter statt 30 Milligramm pro Kubikmeter für Ammoniak im Tagesmittel. CO wird nahezu vollständig zu CO 2 oxidiert. Zusätzlich werden die Emissionen organischer Verbindungen soweit reduziert, dass keine nach 17. BImSchV allgemein zulässige rohmaterialbedingte Ausnahme für organische Emissionen erforderlich ist und ein Wert unterhalb von 10 Milligramm pro Kubikmeter im Dauerbetrieb und allen Betriebszuständen eingehalten wird. Auch bei relevanten organischen Einzelkomponenten (z. B. Benzol, Dioxine/Furane, PCB) wird eine nahezu vollständige Zerstörung erwartet. Damit werden bei erfolgreicher Umsetzung des Projektes die Emissionen unterhalb des Emissionsniveaus der aktuell fortschrittlichsten Anlagen liegen. Ziel ist, nach erfolgreicher Umsetzung des Projektes auf die Inanspruchnahme rohmaterialbedingter Ausnahmen für NH 3 , organische Gesamtemissionen und CO verzichten zu können. Darüber hinaus kann bei der innovativen Technologiekombination aus selektiver katalytischer Reduktion und einem Oxidationskatalysator auf den Einsatz fossiler Energieträger komplett verzichtet werden. Die geplante Anlagenkombination ist auf andere Anlagen der Zementindustrie und ggf. auch auf Unternehmen anderer Branchen übertragbar, da es sich bei dem Ofenabgas der Zementklinkerproduktion um ein sehr herausforderndes Umfeld für die Anwendung abgassensibler Minderungstechniken handelt. Die Demonstration der Funktionsfähigkeit des Verfahrens kann daher Hürden für andere Bereiche abbauen helfen. Weiterhin ist davon auszugehen, dass auch eine Nachrüstung von Oxidationskatalysatoren als eigenständiges Element in Werken mit Low-Dust-SCR-Anlagen und ggf. auch anderen SCR-Varianten zur weitergehenden Reduktion von organischen und CO-Emissionen möglich ist. Branche: Glas und Keramik, Verarbeitung von Steinen und Erden Umweltbereich: Luft Fördernehmer: Holcim GmbH Bundesland: Baden-Württemberg Laufzeit: seit 2025 Status: Laufend

Branchenabhängiger Energieverbrauch des verarbeitenden Gewerbes

<p>Alle Wirtschaftsbereiche zusammen verbrauchen fast drei Viertel der in Deutschland benötigten Primärenergie. Der Anteil des verarbeitenden Gewerbes am Primärenergieverbrauch aller Produktionsbereiche lag 2022 bei rund 46 Prozent. Der Energiebedarf dieses Gewerbes blieb im Zeitraum 2010 bis 2022 etwa konstant, der spezifische Energieverbrauch pro Tonne Stahl, Glas oder Chemikalien ging aber zurück.</p><p>Der Energiebedarf Deutschlands</p><p>Der gesamte Primärenergiebedarf Deutschlands betrug im Jahr 2022 nach dem Inländerkonzept rund 11.854 Petajoule (PJ). Dabei wird der Verbrauch inländischer Wirtschaftseinheiten in der übrigen Welt in die Berechnung des Gesamtverbrauchs einbezogen, während der Verbrauch gebietsfremder Einheiten im Inland unberücksichtigt bleibt. Die privaten Haushalte in Deutschland verbrauchten rund 30 % der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a>⁠. Die Wirtschaft mit ihren vielen Produktionsbereichen benötigte die übrigen 70 %. Zu diesen Bereichen zählen das Herstellen von Waren, das Versorgen mit Energie und der Warentransport. All diese Produktionsbereiche verbrauchten im Jahr 2022 zusammen mehr als 8.170 PJ Primärenergie (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch 2022 (Inländerkonzept)“).</p><p>Zur Begriffsklärung: Mit der Präposition „primär“ betonen Fachleute, dass der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/primaerenergiegewinnung-importe">“Primär“-Energiebedarf</a> sowohl den realen Energiebedarf bei Energieverbrauchern erfasst als auch die Energieverluste, die bei der Bereitstellung und beim Transport von Energie entstehen. Und diese Verluste sind hoch: Mehr als ein Drittel aller Primärenergie geht bei der Bereitstellung und beim Transport von Energie verloren <a href="https://www.destatis.de/GPStatistik/receive/DEMonografie_monografie_00003790">(Statistisches Bundesamt 2006)</a>.</p><p>Der Energiebedarf des verarbeitenden Gewerbes</p><p>Die Firmen, die Waren herstellen, werden als „verarbeitendes Gewerbe“ bezeichnet. Sie hatten von allen Produktionsbereichen im Jahr 2022 mit circa 3.768 PJ den größten Primärenergiebedarf. Das ist ein Anteil von rund 46 % am Energieverbrauch aller Produktionsbereiche. Der nächstgrößte Energieverbraucher war die Energieversorgung mit 1.594 PJ (oder 19,5 % Anteil am ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>⁠), gefolgt vom Verkehr mit 1.121 PJ (oder 13,7 % Anteil am Primärenergieverbrauch) (siehe Abb. „Anteil wirtschaftlicher Aktivitäten am Primärenergieverbrauch aller Produktionsbereiche 2022“).</p><p>Primärenergienutzung des verarbeitenden Gewerbes</p><p>Die Primärenergienutzung innerhalb des verarbeitenden Gewerbes verteilt sich auf verschiedene Produktionssektoren (siehe Abb. „Anteile der Sektoren am ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>⁠ des verarbeitenden Gewerbes 2022“). Ein wichtiger Sektor ist dabei die Chemieindustrie. Sie benötigte im Jahr 2022 mit rund 1.592 PJ von allen Sektoren am meisten ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a>⁠ zur Herstellung ihrer Erzeugnisse. Das ist ein Anteil von 42,3 % am Energieverbrauch im ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=verarbeitenden_Gewerbe#alphabar">verarbeitenden Gewerbe</a>⁠. Weitere wichtige Energienutzer sind die Metallindustrie mit einem Anteil von 14,7 % sowie die Hersteller von Glas, Glaswaren, Keramik, verarbeiteten Steinen und Erden mit 7,3 % am Energieverbrauch im verarbeitenden Gewerbe.</p><p>Die Energie wird Unternehmen dabei als elektrischer Strom, als Wärme (etwa als Dampf oder Thermoöl) sowie direkt in Form von Brennstoffen (wie Erdgas, Kohle oder ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=Biomasse#alphabar">Biomasse</a>⁠) zur Verfügung gestellt.</p><p>Gleichbleibender Primärenergieverbrauch</p><p>Seit dem Jahr 2010 blieb der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>⁠ in fast allen Produktionssektoren relativ konstant (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch ausgewählter Sektoren des verarbeitenden Gewerbes“).</p><p>Gesunkene und gestiegene Primärenergieintensität </p><p>Die Primärenergieintensität beschreibt, wie viel ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a>⁠ bezogen auf die erzielte Bruttowertschöpfung eines Produktionsbereichs oder Wirtschaftszweigs verbraucht wird. Die Entwicklung dieser Energieintensität über mehrere Jahre kann einen Hinweis darauf geben, ob in einem Wirtschaftszweig energieeffizient gearbeitet wird.</p><p>Die Primärenergieintensität einzelner Wirtschaftszweige entwickelte sich im Zeitraum 2010 bis 2021 unterschiedlich (siehe Abb. „Primärenergieintensität ausgewählter Sektoren des verarbeitenden Gewerbes“):</p><p>Begrenzte Aussagekraft der Primärenergieintensität</p><p>Schwankende Preise für Rohstoffe und Produkte sowie andere äußere Wirtschaftsfaktoren oder ggf. auch die Auswirkungen der weltweiten Corona-Pandemie beeinflussen zwar die Bruttowertschöpfung, nicht aber die Energieeffizienz eines Prozesses. Die Primärenergieintensität eignet sich daher nur eingeschränkt, um die Entwicklung der Energieeffizienz in den jeweiligen Herstellungsprozessen zu beschreiben. Dies ist unter anderem deutlich bei den Kokerei- und Mineralölerzeugnissen zu sehen.</p>

Wasserverdampfer in der Kältetechnik, Teilvorhaben: Splash-Verdampfung und Simulation

Saale Energie GmbH - wesentlichen Änderung der Kraftwerksblöcke zur Kraft-Wärme-Kopplung Strom und Prozessdampf in zwei konventionellen Dampfkraftwerksblöcken durch eine Gas- und Dampfturbinen-Anlage (GuD) inklusive einer Ersatzstromanlage und einer Industriegasturbinenanlage (IGT) am Standort Schkopau

Das Kraftwerk (KW) Schkopau befindet sich im Süden des Bundeslandes Sachsen-Anhalt, zwischen den Städten Halle und Merseburg, in der Gemeinde Schkopau im Saalekreis, Gemarkung Korbetha. Es liegt direkt neben einem Chemiepark mit Industriebetrieben (z. B. der DOW Olefinverbund GmbH) mit erhöhtem Energiebedarf, in ca. 700 m Entfernung zur Saale. Das Kraftwerk wurde im Juli 1996 offiziell in Betrieb genommen. Nach dem aktuellen Stand wird der Kohleausstieg für das Kraftwerk Schkopau im Dezember 2034 erwartet. Die Saale Energie GmbH (SEG) ist Eigentümer und führt den Betrieb des Braunkohlekraftwerks Schkopau mit zwei braunkohlebefeuerten Blöcken (Blöcke A und B) mit einer elektrischen Gesamtbruttoleistung von ca. 915 MW. Die Saale Energie GmbH beabsichtigt, im Zuge der Energiewende das Kraftwerk Schkopau von einem ausschließlich mit Braunkohle betriebenen Kraftwerk, das in Kraft-Wärme-Kopplung Strom und Prozessdampf in zwei konventionellen Dampfkraftwerksblöcken erzeugt, zu einem flexiblen und schnell auf Laständerungen reagierenden Kraftwerk auszubauen. Zukünftig soll die Herstellung von Prozessdampf, Wärme und Strom auch in einer Gas- und Dampfturbinen-Anlage (GuD) sowie einer Industriegasturbinenanlage (IGT) erfolgen. Das Projekt wird unter der Bezeichnung „Zukunft Ener-gieversorgung Sachsen-Anhalt“ (ZESA) geführt. Die Errichtung der Neuanlagen soll auf vorhandenen, unbebauten Flächen südwestlich neben der Hilfskesselanlage (Baufeld 1 für das IGT-Kraftwerk), südwestlich von Kohleblock B (Baufeld 2 für das GuD-Kraftwerk) sowie in geringem Maße neben den Maschinentransformatoren Block A und B (Baufeld 3 für Schaltanlagen der IGT) erfolgen.

Ressourcenschonender SB-Waschpark

Die Firma FAWA Fahrzeugwaschanlagen GmbH ist seit über 30 Jahren in der Fahrzeugreinigungsbranche tätig. Aktuell betreibt das Unternehmen zwei maschinelle Fahrzeugwaschanlagen im Stadtgebiet der Universitätsstadt Gießen. Beim Betrieb von Autowaschanlagen werden dem Waschwasser verschiedene Stoffe zugefügt, beispielsweise Tenside, Säuren oder Laugen zur Erhöhung der Reinigungsleistung. Außerdem gelangen bedingt durch den Reinigungsprozess selbst organische und anorganische Substanzen in den Wasserkreislauf. In Deutschland wird die Behandlung von Abwässern aus Autowaschanlagen im Rahmen der Abwasserverordnung geregelt. Zudem wird darin zwar auch festgelegt, dass Waschwasser weitestgehend im Kreislauf zu führen ist, allerdings greift diese Regelung nicht für SB-Waschplätze, da es sich hierbei nicht um eine maschinelle, sondern um eine manuelle Fahrzeugreinigung handelt. Standard-SB-Waschplätze haben allgemein folgenden Aufbau: Die Bodenabläufe der SB-Waschplätze enthalten selbst separate Schlamm- und Sandfänge, oder werden über Rohrleitungen in einen zentralen Schlammfang geführt. Danach ist ein Leichtflüssigkeitsabscheider installiert. Das verbrauchte Waschwasser wird dann in die Kanalisation eingeleitet, da die Qualität des Abwassers für eine Kreislaufführung nicht ausreicht. Im Rahmen dieses UIP-Projekts ist ein Kfz-Waschpark mit SB-Waschplätzen geplant, der mit Regenwassernutzung und einer membranbasierten Wasseraufbereitung ausgestattet ist und so fast komplett ohne Frischwasser auskommt. Darüber hinaus wird ein CO 2 -neutraler Betrieb mit Energieversorgung durch PV-Anlage und Energiespeicher sowie eine innovative Wärmerückgewinnung aus dem Betrieb von speziellen SB-Staubsaugern angestrebt. Durch die Realisierung des Vorhabens werden regenerative Energien effizient genutzt, Regenwasser verwendet und der Einsatz von Chemikalien minimiert. Durch Kreisläufe wird Grauwasser wieder zu Nutzwasser. Anfallende Wärme wird in den energetischen Kreislauf eingebunden und minimiert damit den energetischen Aufwand. Die Nutzung von Regenwasser reduziert im Projekt die projizierte notwendige Menge von Frischwasser auf null, wenn Niederschläge, wie in den vergangenen Jahren fallen. Wenn kein Regenwasser zur Verfügung steht, kann die nötige Qualität auch mittels Umkehrosmose erzeugt werden. Das Wasser, welches normalerweise aufgrund seiner hohen Salzfracht ins Stadtnetz eingeleitet werden würde, kann hier einfach zurück in den Entnahmebehälter geleitet werden. Dort vermischt es sich im Betrieb wieder mit dem Osmosewasser und kann so ohne Weiteres erneut aufbereitet werden. Der Bedarf an Osmosewasser beträgt etwa 20 Prozent des Gesamtbedarfs. Die Bereitstellung des Wassers durch die Aufbereitungsanlage folgt einfachen Regeln, welche in der Steuerung über die Zeit in Abhängigkeit vom Nutzungsverhalten, Wetterdaten und damit u.a. dem PV-Strom Aufkommen optimiert werden. Im weiteren Betrieb optimiert sich die Anlage bezüglich genauerer Vorhersagen, was die täglichen Bedarfsmengen betrifft. Gegenüber einer herkömmlichen Anlage werden voraussichtlich mindestens 1.050 Kubikmeter, gegenüber einer effizienten Anlage immer noch ca. 350 Kubikmeter Frischwasser eingespart. Regenwasser hat eine geringere Härte, dadurch und durch eine Erhöhung der Prozesswassertemperatur um ca. 5 Grad Celsius kann eine Reduzierung von bis zu 35 Prozent der schaumbildenden Chemie erreicht werden. Es können ca. 440 Liter Chemikalien eingespart werden. Trotz der 100-prozentigen Einsparung von Frischwasser kann die innovative Anlage mit dem gleichen Energiebedarf wie eine herkömmliche Anlage betrieben werden. Der Gesamtenergiebedarf reduziert sich bei der Projektanlage um ca. 6.800 Kilowattstunden auf 11.503 Kilowattstunden pro Jahr, was einer Reduktion von etwa 40 Prozent gegenüber einer effizienten Anlage entspricht. Besonders an der Anlage ist vor allem die sehr gute Übertragbarkeit der einzelnen Technologien in der Branche. Die Komponenten können fast alle, teilweise in abgewandelter Form, einfach in bereits bestehende SB-Waschanlagen, Portalanlagen und Waschstraßen integriert und nachgerüstet werden. Branche: Grundstücks- und Wohnungswesen und Sonstige Dienstleistungen Umweltbereich: Ressourcen Fördernehmer: FAWA Fahrzeugwaschanlagen GmbH Bundesland: Hessen Laufzeit: seit 2023 Status: Laufend

CO2-neutrale Herstellung von Leichtbaukomponenten aus Magnesium

Einsatz leistungsfaehiger Methoden fuer die Analyse der Funktion von Oekosystemen und der Messung des Energie- und Informationsflusses durch solche Systeme

Es wird der Energiefluss in limniden Systemen bis zur Ebene des Phyto- und Zooplanktons im Labor und im Freiland gemessen. Hierbei wird der Energiebedarf individueller Organismen experimentell ermittelt.

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