ZINQ Technologie GmbH
CTO
An den Schleusen 6
45881 Gelsenkirchen
Das Projekt
„Studie zur netzdienlichen Nutzung der Erzeugung von Prozesswärme durch hybride Wärmezufuhr“
hat zum Ziel, die Möglichkeit, das Potenzial und die notwendigen Rahmenbedingungen der „monodirektionalen Wärmebatterie“
a) als spezielle Form einer ‚Power-to-Heat-Sektorenkopplung‘ (Smart Power to Heat - SP2H)
b) 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.
Der beabsichtigte Technologievergleich fokussiert die Nutzenstiftung des SP2H-Verfahrens im Strombereich. Die gezielte Nutzung von Überschussstrom trägt zur Systemstabilisierung bei und hilft, Schiefstände der Systembilanzkreise auszugleichen. Zudem kann die Technologie systemdienlich als Ausgleichsenergie von Netzbetreibern eingesetzt werden. Sie vermeidet Netzengpässe und damit verbundene Redispatch-Maßnahmen sowie Netzausbaukosten. Diese Wirkung ist vergleichbar mit Li-Ionen-Batterien und anderen Stromspeichertechnologien, jedoch wird die eingesetzte elektrische Energie in Prozesswärme umgewandelt.
Fraunhofer UMSICHT analysiert und vergleicht die technischen und ökonomischen Aspekte des SP2H-Konzepts. Das ökonomische Potenzial wird dabei im Vergleich zum bisherigen Erdgaseinsatz betrachtet. Eine Umstellung auf Strombetrieb erfolgt, wenn Stromwärme kostengünstiger als Erdgas ist. Dafür werden Auktionsergebnisse zur Sekundärregelleistung sowie Strommarktkostenvorteile (day-ahead, intraday) berücksichtigt. Perspektivisch wird auch der Vergleich zu grünem Wasserstoff herangezogen.
Branchenübergreifendes Skalierungspotenzial
Ein weiteres Ziel ist, neben der Ermittlung der technisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für eine Umsetzung in der Feuerverzinkungsindustrie, die Abschätzung, inwieweit Ergebnisse des SP2H-Einsatzes auf das Gesamtpotenzial der erdgasbasierten Prozesswärme in Deutschland übertragbar sind. Das grundsätzliche Potenzial für Prozesswärmeerzeugung aus Überschussstrom liegt in der Größenordnung von ca. 134 TWh (317 TWh Prozesswärmebedarf aus fossilen Quellen x 3700/8760h). Details und Einschränkungen einer proportionalen Übertragbarkeit des Ansatzes sind Inhalt der beabsichtigten Studie.
Die Untersuchung der Hybridisierung von Feuerverzinkungsanlagen zur systemdienlichen Erzeugung von Prozesswärme erfolgte in mehreren Arbeitsschritten.
Zunächst wurden verschiedene Technologien zur Hybridisierung der Prozesswärme analysiert, darunter Kombinationen aus Erdgas, Strom, CCS und Wasserstoff.
Ergänzend erfolgte die Bewertung der direkten Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie dessen Speicherung in Druckspeichern oder die Rückverstromung mittels Brennstoffzellen. Weitere Speichermöglichkeiten, wie Lithium-Ionen-Batterien und Carnot-Batterien, wurden ebenfalls betrachtet.
Anschließend erfolgte eine detaillierte Gegenüberstellung der Technologien hinsichtlich ihrer exergetischen Effizienz. Dabei wurden die unterschiedlichen Konzepte auf ihre Fähigkeit zur Nutzung von Überschussstrom und ihre potenzielle Integration in bestehende industrielle Prozesse hin untersucht. Parallel dazu wurde eine wirtschaftliche Bewertung vorgenommen, um die Kostenstrukturen der einzelnen Optionen zu analysieren und wirtschaftlich tragfähige Konzepte abzuleiten.
Im letzten Schritt wurden die erarbeiteten Erkenntnisse auf ihre Skalierbarkeit geprüft. Dabei wurde untersucht, inwieweit sich die entwickelten Konzepte nicht nur auf Feuerverzinkungsanlagen, sondern auch auf andere industrielle Prozesswärmeverbraucher übertragen lassen. Ziel war es, konkrete Ansätze für eine nachhaltige und wirtschaftliche Integration erneuerbarer Energien in bestehende industrielle Strukturen zu identifizieren und damit einen Beitrag zur Reduzierung fossiler Brennstoffe und CO₂-Emissionen zu leisten.
Im Rahmen des Projekts wurde untersucht, inwiefern sich eine hybride Prozesswärmeerzeugung mittels Energieträgerkopplung und monodirektionaler Wärmespeicher (SP2H) zur systemdienlichen Nutzung von Überschussstrom eignet. Die gesetzten Ziele wurden vollumfänglich erreicht.
Im Mittelpunkt stand der Vergleich zwischen einer rein elektrifizierten Prozesswärmeerzeugung und einem hybriden Ansatz. Die Studie zeigt, dass letzterer sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich überlegen ist. Im Pilotbeispiel eines Zinkschmelzofens mit 3 MW Leistung und 20 MWh Speichergröße konnten jährlich 9.240 MWh Überschussstrom in Prozesswärme überführt werden. Die spezifischen Investitionskosten liegen mit 314 €/kWh deutlich unter denen konventioneller Batteriespeicher (1.443 €/kWh). Eine nationale Skalierung auf die Feuerverzinkungsindustrie ergibt ein Nutzungspotenzial von bis zu 760.000 MWh/a und eine CO₂-Einsparung von 152.500 t/a. Hochgerechnet auf die gesamte industrielle Prozesswärmeerzeugung sind bis zu 115 TWh Überschussstrom substituierbar, was einer CO₂-Minderung von bis zu 30 Mio. t/a entspricht.
Die Umweltentlastung erfolgt durch den vollständigen Ersatz fossiler Energieträger in Spitzenzeiten und ist über die CO₂-Einsparungen sowie den Ressourcenvorteil gegenüber Batteriespeichern quantifizierbar. Ein Vergleich der volkswirtschaftlichen Gesamtkosten für eine Nutzung von 115 TWh ergibt bei SP2H (15,7 Mrd. €) gegenüber Batteriespeichern (63,5 Mrd. €) eine Einsparung von rund 75 %.
Die Zielerreichung geht über die gesetzlichen Vorgaben hinaus: Die freiwillige Nutzung von grünem Überschussstrom ermöglicht eine frühzeitige Teildekarbonisierung industrieller Prozesse, ohne dass Kompromisse bei Qualität, Effizienz oder Prozesssicherheit eingegangen werden müssen. Gleichzeitig werden Netzstabilität und Lastflexibilität unterstützt.
Voraussetzung für eine breite Umsetzung ist jedoch, dass SP2H-Anwendungen rechtlich und regulatorisch als systemdienlich anerkannt werden und sich problemlos an allen Industriestandorten realisieren lassen. Ebenso muss sichergestellt werden, dass die verstärkte Nutzung des Stromnetzes nicht zu zusätzlichen Netzentgeltbelastungen führt – nur so kann dieses schnell wirksame und wirtschaftlich tragfähige Konzept zur Erreichung zentraler Energiewendeziel beitragen.
Nach der Veröffentlichung der Studie ist gezielte Öffentlichkeitsarbeit geplant, um die Ergebnisse im fachlichen und politischen Raum wirksam zu platzieren. Vorgesehen sind unter anderem ein Vortrag beim ZVO, weitere Fachpräsentationen – teilweise bereits im Vorfeld – sowie Beiträge beim Klimaforum Gelsenkirchen und in politischen Diskussionsformaten, beispielsweise bei der IHK, dem DIHK, dem BMWK, dem BMUV, dem MWIKE und dem UBA. Ziel ist es, die Relevanz des SP2H-Konzepts als praktikable Lösung für die Energiewende in die Fach- und Politikdialoge einzubringen.
Ergänzend ist die Veröffentlichung der Studienergebnisse auf der ZINQ-Homepage vorgesehen. Darüber hinaus ist eine Integration in branchenrelevante Formate wie den BDEW-Kongress sowie in einschlägige Arbeitsgruppen zur Prozesswärme, beispielsweise bei in4climate.NRW oder CDI, geplant. Zur weiteren Verbreitung und Vertiefung der Inhalte werden begleitend Short Papers und Fachaufsätze erstellt. So sollen die Erkenntnisse zielgruppengerecht aufbereitet und einem breiten Fachpublikum zugänglich gemacht werden.
Die Energiewende erfordert volks- und betriebswirtschaftlich optimale Konzepte.
Schnell umsetzbare 80%-Lösungen sind teuren 100%-Ansätzen vorzuziehen.
Die Nutzung von grünem Überschussstrom zur Prozesswärmeerzeugung in hybriden Wärmeerzeugern ermöglicht eine kostengünstige, zügige Umsetzung zentraler Energiewendeziele.
Smart-Power-to-Heat (SP2H) muss gem. § 13k EnWG bundesweit als Entlastungsanlage genehmigungsfähig und betreibbar sein.
In der Prozessindustrie besteht kurzfristig ein erschließbares Potenzial von 40 GW bzw. 115 TWh Prozesswärme p. a. – das sind 29 % des fossilen Prozesswärmebedarfs.
Damit können nahezu alle prognostizierten Stromüberschüsse bis 2030 sinnvoll und systemdienlich genutzt werden.
Die CO₂-Einsparung liegt bei ca. 30 Mio. t, was 40 % des Minderungsziels der Industrie bis 2030 entspricht.
Die Umrüstung auf SP2H beeinträchtigt weder Prozesse noch Wirtschaftlichkeit der Industrie.
Der Einsatz in hybriden Systemen ist vollständig systemdienlich.
„Nutzung statt Abregelung“ ist 4–5 Mal günstiger als Speicherung in Batterien.
Eine Netznutzung ohne steigende Anschluss- und Nutzungskosten ist Voraussetzung für die Erschließung des Potenzials.
SP2H benötigt keine kritischen Rohstoffe, eingesetzte Materialien sind vollständig recyclingfähig.