Industrieprozesse

Kopernikus-Projekt SynErgie

Welche Technologien sind wichtig, um Industrieprozesse an eine neue Energieversorgung anzupassen?

Die Herausforderung eines hohen Anteils an Wind- und Solarstrom besteht darin, Erzeugung und Verbrauch zeitlich in Einklang zu bringen. Hierzu können zum einen Speicher dienen, zum anderen eine Flexibilisierung des Verbrauchs (sogenanntes Demand Side Management – DSM). Energieintensive Industrieprozesse, die an das zukünftige Energiesystem mit einem höheren Anteil fluktuierender Stromerzeugung optimal angepasst sind, müssen daher nach anderen Grundsätzen konzipiert werden als bisher üblich. Dafür sind an das Energiesystem der Zukunft angepasste Technologien für die industriellen Schlüsselprozesse wichtig. Diese müssen zunächst in Demonstrationsanlagen erprobt werden.

"Wie kann eine Volkswirtschaft, die sehr stark auf energieintensive Branchen ausgerichtet ist, die Umstellung auf Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen schaffen und gleichzeitig wettbewerbsfähig bleiben? Die Energieversorgungskosten der Industrie könnten damit schon in den nächsten Jahren stark verringert werden – und gleichzeitig sinkt der CO2-Ausstoß. Daran forscht das Kopernikus-Projekt SynErgie", sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka am 13. Oktober 2016 in Jülich.

Welche möglichen Lösungen gibt es?

Beispielsweise beträgt die elektrische Leistung der Chloralkali-Elektrolyse in Deutschland ca. 2 Gigawatt. Diesen Prozess könnte man vom Stromangebot abhängig machen, um den Verbrauch der Industrie an das Wind- und Solarstromangebot anzupassen. So würde die Industrie einen substantiellen Beitrag zur Flexibilisierung des Energiesystems leisten. Mögliche Technologien dafür sind eine flexible, intelligente Steuerung von so genannten Stapel-Prozessen (z. B. Befüllen und Entladen von Kesseln und Behältern), eine absichtliche Überdimensionierung der Anlagen, um vorübergehende Überschüsse im Stromangebot aufnehmen zu können und die Einführung von Pufferkapazitäten wie Produktspeicher. Hiermit kann der Energieverbrauch in Zeiten eines hohen Stromangebotes verlagert werden, das entlastet die Stromnetze. So kann erneuerbare Energie, die sonst verloren ginge, sinnvoll genutzt werden.

Ein weiterer Ansatz ist, fossile Brennstoffe, die zur Erzeugung von Prozesswärme eingesetzt werden, durch erneuerbare Energieträger zu ersetzen. Insbesondere können hier Power-to-Heat Technologien eingesetzt werden. Dies bietet auch die Chance, den bisher niedrigen Anteil an erneuerbaren Energien im Wärmesektor zu erhöhen. Strom aus Windkraft- und Solaranlagen kann auch direkt in den Industrieprozessen eingesetzt werden, entweder durch Wärmespeicher oder durch Änderung der chemischen Prozesse.

Neben der energieintensiven Prozessindustrie bietet auch die Fertigungsindustrie Potenziale zur Verbesserung des Zusammenspiels mit der schwankenden Stromerzeugung. Neue Produktionskonzepte zur energieeffizienten Fertigung mit zeitlich optimierter Stromabnahme müssen die gesamten Wertschöpfungsketten berücksichtigen.

Ausgewählte zentrale Forschungsfragen:

  • Entwicklung neuer und Anpassung bestehender Verfahren mit dem Ziel elektrischen Strom mit hoher Effizienz aus erneuerbaren Quellen statt fossilen Brennstoffen einzusetzen; Demonstrationsanlagen; Vergleich mit herkömmlichen Verfahren anhand von Kosten und CO2-Fußabdruck
  • Informations- und Kommunikationstechnologien zur intelligenten Steuerung von Prozessen in Abhängigkeit vom Stromangebot (Industrie 4.0)

Das Konsortium SynErgie

Kopernikus-Projekt „Industrieprozesse“: Synchronisierte und energieadaptive Produktionstechnik zur flexiblen Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine fluktuierende Energieversorgung (SynErgie)

Aufgrund des immer größer werdenden Anteils schwankend einspeisender Stromerzeuger wird ein effizienter Ausgleich zwischen Energie-Angebot und –bedarf erforderlich. In Zukunft ist ein ausgewogener Technologiemix zwischen erneuerbaren Energien, flexiblen konventionellen Kraftwerken, Speichern, Netzausbau und flexiblen Nutzern von Nöten, um die Versorgungssicherheit zu garantieren. Viele dieser Lösungsbausteine sind mit hohen Kosten verbunden, die auf den Nutzer umgelegt werden, und ziehen gesellschaftliche Akzeptanzprobleme nach sich. Mit insgesamt 44 Prozent des Nettostrombedarfs und 25 Prozent des Wärmebedarfs in Deutschland weisen Industrieprozesse und insbesondere große Einzelanlagen in energieintensiven Industriebranchen beträchtliche Flexibilisierungshebel auf. Die mittel- und kurzfristige Flexibilisierung der Stromnachfrage, das sogenannte Demand-Side-Management (DSM), bietet eine Chance, den Umbau des Energiesystems kosteneffizient und gesellschaftlich akzeptiert zu ermöglichen.

Was ist das Ziel des Kopernikus-Projekts?

SynErgie unterstützt die kosteneffiziente Realisierung der Energiewende auf Basis erneuerbarer Energien und befähigt damit Deutschland, sich zum internationalen Leitanbieter für flexible Industrieprozesse zu entwickeln. Die Forschungsarbeiten starten zunächst mit sieben energieintensiven Branchen: Stahl- und Aluminium-Herstellung, chemische Industrie, Maschinen- und Anlagenbau, Papier-, Lebensmittel-, Zement- und Automobilindustrie. Diese vereinigen rund 90 Prozent des industriellen Nettostrombedarfs. Das Projekt SynErgie betrachtet die energieintensiven Schlüsselproduktionsprozesse dieser Branchen, um deren Energiebedarf mit dem schwankenden Angebot erneuerbarer Energie zu synchronisieren. Dafür sollen die konventionellen, monolithischen Automatisierungsstrukturen aufgebrochen und technologisch angepasst werden. Mit Hilfe moderner Ansätze der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) wird eine hochdynamische Steuerplattform geschaffen. Sie regelt die Energieverteilung zwischen den Industrieprozessen und berücksichtigt dabei das schwankende Energieangebot. Neben den technischen und wirtschaftlichen Aspekten integriert das Projekt vor allem rechtliche und sozialgesellschaftliche Perspektiven in seine Lösungen. Als Vorbereitung für eine effiziente Umsetzung der Forschungsergebnisse werden die entwickelten Ansätze modellhaft in der „Energieflexiblen Region Augsburg“ demonstriert und anschließend technisch sowie sozio-ökonomisch evaluiert.

Was macht das Konsortium so attraktiv?

SynErgie ist ein interdisziplinär zusammengesetztes Konsortium mit breiter Beteiligung der energieintensiven Industrie. Unter Federführung der TU Darmstadt und der Universität Stuttgart arbeiten mehr als 80 Kooperationspartner aus Wissenschaft, Industrie und Zivilgesellschaft gemeinsam daran, energieintensive Industrieprozesse in das zukünftige Energiesystem zu integrieren. Für eine ganzheitliche synergetische Lösungsentwicklung arbeiten die Anwendungspartner aus der Industrie mit führenden Forschungsinstituten aus den Bereichen der Produktions- und Verfahrenstechnik, Energiewirtschaft, (Wirtschafts-) Informatik und der Sozial-, Rechts- und Wirtschaftswissenschaften zusammen. In die Umsetzung der erarbeiteten Konzepte der industriellen Nachfrageflexibilisierung in der „Energieflexible Region Augsburg“ bringen sich eine Vielzahl von Unternehmen und zivilgesellschaftlichen Organisationen der Region ein, um eine Wirtschaftlichkeit und eine soziale Ausgewogenheit der entwickelten Lösungen zu garantieren.

Beitrag zum Energiesystem

Durch die Anwendung von Flexibilitätsmaßnahmen könnten die Energieversorgungskosten der Industrie bis 2020 um mehr als 10 Mrd. € gesenkt werden. Darüber hinaus lassen sich die CO2-Emissionen erheblich reduzieren. Es könnten bereits heute etwa 60 Prozent der positiven Regelleistung (Stromnachfrage ist größer als Angebot) und ca. zwei Prozent der negativen Regelleistung (Stromangebot ist größer als die Nachfrage) exklusiv über DSM-Maßnahmen in der Industrie gedeckt werden. Dieses Potential lässt sich durch notwendige technologische Innovationen noch steigern, indem etwa überschüssige erneuerbare Energie effektiv in wertschöpfenden Prozessen gebunden wird. Schätzungen gehen aktuell von einem Potential in Höhe von 6,9 Gigawatt positiver und 4,0 Gigawatt negativer Regelleistung für besonders energieintensive Industrieprozesse in den nächsten Jahren aus. Bisher sind diese Potentiale in Deutschland größtenteils ungenutzt. Mit dem Projekt SynErgie werden erstmals in Deutschland branchenübergreifend Flexibilisierungsmaßnahmen in der Industrie demonstriert und neue Möglichkeiten für DSM-Maßnahmen am Industriestandort Deutschland eröffnet.

Ansprechpartner:

Technische Universität Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele

Koordinatoren

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