Gastbeitrag aus der Forschung: Ausblick in die energieintensive Industrie von Übermorgen

15.04.2024 – Alles elektrifizieren, mit Strom aus Erneuerbaren Energien – das ist der grundsätzliche Gedanke der Energiewende. Hierbei sind Wärmepumpen und Elektromobilität die prominentesten Beispiele. Aber auch die Produktion von industriellen Grundstoffen, wie Stahl, Zement, Grundstoffchemikalien, die immerhin ein Fünftel aller CO₂-Emissionen in Deutschland ausmachen, müssen teilweise oder vollständig, direkt oder indirekt elektrifiziert werden. Direkte Elektrifizierung gilt allgemein als die effizienteste Variante, sofern sie technisch umsetzbar ist. Doch die Technologien dafür stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung.

Klar ist dabei auch – Wasserstoff muss einer der Schlüssel der Energiewende sein, besonders in der Stahl- und Chemieindustrie. Gerade dort, wo grüner Wasserstoff als Rohstoff oder Reduktionsmittel zum Einsatz kommt, ist die direkte Elektrifizierung schwierig. Auch Temperaturen über 1000°C lassen sich einfacher über Verbrennung statt über Elektrifizierung bereitstellen. Dass der Markthochlauf für Wasserstoff gelingt, ist essenziell und nicht alles wird in den nächsten 10 bis 20 Jahren direkt elektrifiziert werden können. Dennoch lohnt sich ein Blick in die Industrie von übermorgen. Angenommen, die Technologien zur direkten Elektrifizierung entwickeln sich wie erhofft weiter – wie genau kann die energieintensive Produktion der Zukunft aussehen?

Eisenerzelektrolyse – kein Wasserstoff notwendig?

Geforscht wird an der sogenannten Eisenerzelektrolyse: aus Eisenerz ließe sich Eisen ohne Wasserstoff oder Kohle als Reduktionsmittel gewinnen. Das Projekt Siderwin von ArcelorMittal hat eine Pilotanlage in Frankreich getestet. Das Verfahren entspricht einer klassischen Elektrolyse: Gelöstes Eisenoxid (Fe₂O₃) in einer alkalischen Elektrolytlösung wird zwischen einer Nickelanode und einer Kohlenstoffkathode durch elektrischen Strom bei einer Temperatur von 110°C in seine Elemente zerlegt. Es entstehen Sauerstoff (O₂) und Eisen (Fe).

Dieses Verfahren verspricht das effizienteste Verfahren zur Eisenherstellung zu werden und kann zudem relativ zügig und dezentral auf ein variables Stromangebot reagieren. Die Produktionskapazität beträgt aktuell noch wenige Kilogramm. Ein anderes Projekt dagegen von Boston Metal kann bereits mehrere hundert Kilogramm Eisen pro Tag produzieren, allerdings mit einem anderen Verfahren und Temperaturen bis zu 1600°C. ArcelorMittal plant die Siderwin-Technologie bis zum Ende des Jahrzehnts so zu skalieren, das bis zu 100.000 Tonnen pro Jahr produziert werden können. Ein Durchbruch der Technologie ist zwar noch nicht in Sicht, die Entwicklungen sollten jedoch im Auge behalten werden. Der Technology Readiness Level (TRL) wird mittlerweile auf TRL 6 (von 9) geschätzt.

Hochtemperatur-Prozesswärme – mehr als 1000°C ohne Verbrennung

Wärmepumpen für Temperaturen bis 200°C, elektrische Kessel und Dampferzeuger bis 1000°C sind effizienter und technologisch erschlossener als Wasserstoffverbrennung. Hier sollte elektrifiziert werden, was möglich ist. Induktions-, Widerstands- und Mikrowellenheizung sind gängige Technologien. Bei Temperaturen über 1000°C und nicht-metallischen Mineralien wird es schwieriger: dennoch wird in der Zementindustrie an Plasmabrennern für Drehrohrofensysteme geforscht, mit denen selbst Temperaturen über 2000°C erreicht werden können. Hierbei wird ein Gas – zum Beispiel Stickstoff – mithilfe eines Lichtbogens in den Plasmazustand versetzt, ein Zustand in dem Gas vollständig ionisiert ist. Bis auf das CemZero Projekt in Gotland, Schweden hat es diese Technologie bisher nicht über das Laborstadium hinaus geschafft.

Auch in der Glasindustrie wird über vollelektrische Technologien diskutiert. Einige sind sogar schon im Einsatz und erlauben das Schmelzen von Glas bei hoher Effizienz – meist angewendet in kleinen Anlagen zur Herstellung von Spezialglas. Es hapert an der Skalierbarkeit: für kleine Schmelzwannen umsetzbar, ist die Umstellung bei Schmelzwannen mit mehr als 300 Tonnen Durchsatz für pro Tag für Flach- und Behälterglas, vor allem aufgrund der Schmelzwannengeometrie, technisch schwierig. Eine Besonderheit der Glasherstellung ist die Inflexibilität: eine Schmelzwanne begibt sich auf die so genannte „Wannenreise“, ein anderes Wort für ihre Lebensdauer, die meist 15 Jahre beträgt und während ihres Betriebs niemals abgeschaltet wird - es käme sonst zur Aushärtung der Glasschmelze und einer Zerstörung der Anlage. Egal ob vollelektrisch oder wasserstoffbeheizt: in einem vollständig erneuerbaren Energiesystem muss durch Speicher gewährleistet werden, dass eine unterbrechungsfreie Produktion stattfinden kann.

Elektrokatalyse – eine revolutionäre Technologie

Durch neue, technische Verfahren, die aktuell auf Laborebene untersucht werden, kann es gelingen, Grundstoffchemikalien wie Ammoniak oder Methanol ohne den direkten Einsatz von grünem Wasserstoff herzustellen. Nur aus Luft-Stickstoff und Wasser, bei Umgebungsdruck und -temperatur. Elektrokatalytische Stickstoffreduktion nennt sich ein neues Verfahren, womit Ammoniak synthetisiert und später Kunstdünger oder auch Treibstoff hergestellt werden kann. Die Technologie könnte das bewährte Haber-Bosch-Verfahren ersetzen – und die extremen Bedingungen von 600°C und 200 bar überflüssig werden lassen.

Dies wäre eine folgenreiche Entwicklung. Auch die elektrokatalytische Produktion von CO₂ zu grünem Methanol oder Ethylen kann so möglich werden. Denkbar ist eine effiziente, dezentrale Versorgung mit Basischemikalien, dort wo sie gebraucht werden und immer dann, wenn Erneuerbare Energien zur Verfügung stehen. Es scheitert bisher an der zu niedrigen Faraday’schen Effizienz der Katalysatoren. Ein Durchbruch ist noch nicht in Sicht. Sollte dies gelingen, gerät der Begriff der Wasserstoffwirtschaft noch stärker ins Wanken und der Begriff der Power-to-X-Wirtschaft wird stärker.

Ist die Zukunft der Industrie vollelektrisch?

Alles hängt davon ab, wie der Ausbau der Erneuerbaren Energien vorangeht. Ob Elektrolyse-Wasserstoff oder Direktelektrifizierung – die Produktion ist erst dann grün, wenn die Stromproduktion nicht aus fossilen Quellen kommt. Ein Großteil der industriellen Prozesswärmebereitstellung – Niedrig- und Mitteltemperaturwärme – wird in absehbarer Zeit elektrisch sein. Was neue Verfahren und hohe Temperaturen angeht: Der noch niedrige technologische Reifegrad und einige technische Hürden der vollelektrischen Alternativen lassen ihren Einfluss auf die unmittelbare Transformation der Industrie vorerst noch als gering erscheinen. Die Zukunft kann anders aussehen: effiziente, vollelektrische und emissionsfreie Prozesse, die flexibel mit dem Angebot an grünem Strom aus Wind und Sonne interagieren. Dezentrale, modulare Produktionsstätten statt riesige, zentralisierte Anlagenkomplexe, möglicherweise als Teil einer Power-to-X-Wirtschaft. Nicht weniger als eine technologische Revolution.

Die Autoren Philipp Diesing und Christian Breyer forschen an Energiesystemen mit 100 Prozent Erneuerbaren Energien und an Industrietechnologien der Zukunft an der LUT University, Lappeenranta, Finnland; Philipp Diesing ist derzeit zudem Promovend  am EnergieSystemWende-Kolleg der Reiner Lemoine Stiftung. Christian Breyer ist Professor an der LUT University und Leiter der Arbeitsgruppe für Solarwirtschaft.