‘Smart Power to Heat‘: hybride Prozesswärme in der Metallindustrie

Projektansatz:

In industriellen Schmelz-Prozessen (wie z. B. der Feurverzinkung) sind Brenner- und Ofensysteme bekannt, bei denen die Beheizung entweder mit Erdgas oder mit Strom erfolgt.

Ein neuer Ansatz ist das von ZINQ ins Auge gefasste ‘Smart Power to Heat‘-Konzept (‘SP2H‘), das auf die Anwendung zur bivalenten Erzeugung von Prozesswärme in der Metallindustrie abzielt. Die hier zur Anwendung kommende Energieträgerkopplung ermöglicht Lösungen, bei denen sowohl Strom als auch molekulare Energieträger (Erdgas und/oder Wasserstoff) wahlweise und zu 100% gleichwertig eingesetzt werden. So kann der Einsatz von erneuerbarem Strom systemdienlich gesteuert werden, indem in Überschussphasen (der Wind weht und die Sonne scheint) mit Strom beheizt werden kann, während im „Normalbetrieb“ molekulare Energieträger zum Einsatz kommen. Diesen Ansatz bezeichnen wir als Smart Power 2 Heat (SP2H); die Umsetzung erfolgt über sogenannte “Wärmebatterien“.

Vorteil im Vergleich zur monovalenten Flexibilisierung, d.h. Flexibilisierung durch Produktionsanpassung, kommt es bei der hybriden Flexibilisierung (Flexibilität in der Wahl des Energieträgers) nicht zu einer Beeinträchtigung bestehender, optimaler Prozess- und Produktionsabläufe.

Kontinuierlich betriebene Metallschmelzanlagen, die als Primärenergieträger in der Grundlast Gas (Erdgas bzw. in Zukunft grünen Wasserstoff) einsetzen, bieten die Möglichkeit, durch zusätzliche Investition in eine strombasierte Beheizung flexiblen Überschussstrom zu nutzen, um die notwendige Prozesswärme zur Verfügung zu stellen und gegebenenfalls darüber hinaus auch noch in gewissem Umfang Überschussstrom vorübergehend in einer zulässigen Überhitzung (sog. ‘Superheat‘) der Metallschmelzen zwischenzuspeichern (‘Monodirektionale Wärmebatterie').  Voraussetzung für den beschriebenen bivalenten Energieträgereinsatz (Energieträgerkopplung) ist der entsprechende infrastrukturelle Anschluss an entsprechend ausgelegte Gas- (Wasserstoff-) und Stromnetze.

Die Anwendung dieses SP2H-Verfahrens und sein Nutzen sowohl für den Anwender als auch die Energieversorgung werden in der Studie am Beispiel der energieintensiven Stückverzinkungsindustrie skizziert.

Projektziel:

Das Projekt „Studie zur netzdienlichen Nutzung der Erzeugung von Prozesswärme durch hybride Wärmezufuhr“ hat zum Ziel, die Möglichkeit, das Potential und die notwendigen Rahmenbedingungen der „monodirektionalen Wärmebatterie“ als spezielle Form einer ‚Power-to-Heat-Energieträgerkopplung‘ (Smart Power to Heat - SP2H) als Ergänzung bzw. Alternative zu bidirektionalen Stromspeichern in ihrem system- und netzdienlichen Nutzen für die Optimierung, Stabilisierung und Flexibilisierung des Stromversorgungssystems in Deutschland und damit für eine kostengünstige und erfolgreiche Umsetzung der Energiewende in Deutschland zu untersuchen und aufzuzeigen - insbesondere unter Berücksichtigung von ökologischen, ökonomischen und ressourcenschonenden Gesichtspunkten. Es ist also zu klären, inwieweit eine großtechnische Bereitstellung von SP2H-Entlastungsanlagen zur Prozesswärmeerzeugung das systemische Volatilitäts-Problem der Energiewende wirkungsvoll und kostenoptimiert abfedern werdenkann.

Das ökonomische Potenzial des SP2H-Konzeptes wird dabei in Relation zum bisherig alleinigen Energieträger Erdgas verglichen. Grundsätzlich wird die Entscheidung zur Umstellung auf Strombetrieb getroffen, wenn Stromwärme preiswerter ist als der Einsatz von Erdgas. Hierfür können (unter Zugrundelegung eines entsprechenden Vertragsverhältnisses mit dem ÜNB) die Auktionsergebnisse zur Vorhaltung und Lieferung von Sekundärregelleistung / Minutenreserve, aber auch die Kosteneinsparpotenziale am börslichen Strommarkt (day-ahead und intraday) dienen. Aktuell werden hierfür die Kostenvorteile ggü. Erdgas, in der perspektivischen Betrachtung ggü. grünem Wasserstoff als Entscheidungskriterium zugrunde gelegt, mit welchem Energieträger die Prozesswärmeerzeugung betrieben wird.

Ein wesentliches Untersuchungsziel neben einer qualifizierten Ermittlung der technisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen einer Umsetzung in der Feuerverzinkungsindustrie ist die Abschätzung, inwieweit die Ergebnisse des Einsatzes der ‘SP2H‘-Konzeptes auf das Gesamtpotential der erdgasbasierten Prozesswärme in Deutschland übertragen werden können.

Projektbeteiligte:

ZINQ Technologie GmbH
Projektführung - Anlagenbetreiber - Prozess-Knowhow-Geber

Fraunhofer Umsicht (Unterauftragnehmer)
Durchführung einer techno-ökonomischen Charakterisierung und Potenzialanalyse der hybriden Wärmeversorgung in der Feuerverzinkung

ESFORIN SE (Unterauftragnehmer)
Vermarktungsstrategien – CO2-Vermeidungspotenziale – Marktanbindung - Betriebsstrategien

ZVO (Zentralverband Oberflächentechnik)
potenzieller Anwendungspartner