KI, die Kreative Intelligenz jetzt in der neuesten Folge SMART&nerdy! Podcastfolge #23.
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Martin Schichtel, Kraftblock
Klimaneutral produzieren heißt für die Industrie Elektrifizierung. Der günstige Preis von Sonne und Wind unterstützt diese Richtung, mit ihm kommt jedoch der Bedarf für Energiespeicher. In der Industrie ist Energie vor allem Wärme, und die wird am besten auch als Wärme gespeichert. Strom oder industrielle Abwärme kann sinnvoll auf Hochtemperatur gespeichert werden, um fossile Brennstoffe zu ersetzen und die Energieeffizienz zu erhöhen. Das kann in der Automobilindustrie in der kompletten Lieferkette helfen: von der Stahlerzeugung über Aluminiumguss bis zur Trocknung der Lackierung.
Die deutsche Industrie macht sich auf den Weg, klimaneutral zu produzieren. Dabei stolpert sie über ihr größtes Problem: Wärmeerzeugung grün zu gestalten. Da Wasserstoff zu teuer oder nicht vorhanden ist und Bioenergie sich nur schwer skalieren lässt, rückt die Elektrifizierung in den Fokus der Bemühungen. Weil mit dem günstigen Strom aus Sonne und Wind auch volatile Erzeugung einhergeht, wird Elektrifizierung nur noch mit Speicher gedacht. Für die Wärmeprozesse sind die benötigten Kapazitäten und Effizienz allerdings nicht bei Batterien zu finden. Hier kommen thermische Speicher für die Industrie auf den Plan.
Wie der Name Wärmespeicher schon sagt, wird nicht in Form von chemischer oder mechanischer Energie, sondern als Wärme gespeichert. Das ist kein neues Konzept, sondern bekannt in den Warmwasserspeichern und Nachtspeichern für zuhause. Auch die Stahlindustrie nutzt es seit mehr als 150 Jahren mit den Winderhitzern. Diese erhitzen mit den Abgasen des Hochofens Steine und heizen zeitversetzt frische Luft vor, die in den Hochofen geblasen wird.
Genau dieses Konzept hat Kraftblock übernommen. Heiße Abgase oder heiße Luft bis zu 1.300°C durchströmt den Speicher, und das Material darin erhitzt sich. Die Isolierung des Containers wird so ausgelegt, dass fast keine Wärme verloren geht. Somit kann man die Wärme zwischen Stunden und sogar bis zu zwei Wochen ökonomisch vorhalten.
Wenn man die Wärme braucht – im industriellen Kontext nutzt man sie üblicherweise am selben Tag oder am Tag darauf – bläst das System Umgebungsluft in den Speicher. Diese Luft erhitzt sich am Material und nimmt die Energie mit zum Prozess. Auf dem Weg kann mittels Wärmetauscher oder Dampferzeuger das Wärmemedium geändert werden. Dampf, Warmwasser, Thermoöl, sterile Luft oder andere Gase decken fast alle industriellen Prozesse ab.
Der Speicher im System bleibt immer gleich. Die Peripherie ist allerdings flexibel, was eine Vielzahl an Anwendungen ergibt. Während Sonnenkollektoren auf Hochtemperatur in Deutschland kaum sinnvoll anwendbar sind, gibt es eine große Menge erneuerbaren Stroms. Der kann entweder aus dem Netz oder von eigenen Anlagen genutzt und mittels Widerstandsheizern in Wärme bis zu 1.200°C umgewandelt werden. Eine weitere Energiequelle für die Industrie ist die Abwärme aus Abgasströmen. Kraftblock greift diese Abwärme üblicherweise vor der Reinigung ab, bei 350°C oder höher. (Abb.1)
Bei diesen Zahlen kommt die Frage auf, wer außer der Metallindustrie das braucht. Allerdings reguliert das Kraftblocksystem die Temperatur für die Nutzenden. Ob Niederdruckdampf für die Industrie oder Heißluft zum Ersatz von Brennern, ob 50°C oder 1.300°C im Prozess, die Anlagen bleiben im Kern gleich. Der Hochtemperatur-Ansatz dient nicht nur extremen Anwendungen. Er ermöglicht auch eine hohe Energiedichte. Das führt dazu, dass der Speicher kleiner und insbesondere die mögliche Versorgungszeit von Prozessen auf Nieder- oder Mitteltemperatur länger wird. Die Speichergröße wiederum bestimmt die Kosten: Kleinere Speicher brauchen weniger Stahl und weniger Isolierungsmaterial.
Das Geschäftsmodell der Innovation besteht zum größten Teil darin, Betriebskosten zu senken sowie Kosten für den Ausstoß von Treibhausgasen zu vermeiden. Im Falle der Abwärmenutzung ist das simpel: Bereits genutzte Energie wird noch einmal benutzt, was den Energiebedarf insgesamt verringert. Das Potenzial in Deutschland hierzu ist riesig und bewegt sich zwischen 125 TWh und 225 TWh pro Jahr.
Bei der Elektrifizierung wird der Speicher aufgeladen, wenn der Strom günstig ist, und teure Stromzeiten können damit überbrückt werden. Nun beklagen Industrieunternehmen mit Recht die hohen Preise für Strom in Deutschland. Dabei ist nicht die Erzeugung von Strom teurer als die Nutzung von Erdgas, im Gegenteil: Strom aus Sonne und Wind sind günstiger als Erdgas.
Allerdings sind die Netzentgelte und Steuern, die auf den Erzeugungspreis kommen, zu teuer, um günstiger als das klimaschädliche Erdgas zu sein. Momentan schlägt die Elektrifizierung mit thermischen Speichern Erdgas in 200 Vollaststunden. Ohne Netzgebühren wären es um die 5.500 Volllaststunden laut Bundesverband Energiespeichersystem (BVES).
Das Stromsystem wird sich bald ändern und sich der volatilen Erzeugung anpassen müssen. Flexible, nicht konstante Abnahme von Strom wird dann belohnt. Thermische Speicher laden flexibel, geben der Industrie aber weiterhin rund um die Uhr Versorgungssicherheit. Damit muss die Produktion nicht eingeschränkt oder umgestellt werden. Bis die Netzentgelte geändert werden, ist die beste Möglichkeit in Deutschland, mit eigenen PV- oder Windanlagen oder PPAs über private Kabel zu elektrifizieren.
Die Anlagen von Kraftblock bestehen aus vielen schlau kombinierten Standardteilen wie Gebläse, Widerstandserhitzer, Rohren, Containern und Wärmetauscher. Das Material ist eine eigene Erfindung und bestimmt über die Energiekapazität, Effizienz, Haltbarkeit, Preis und die Nachhaltigkeit. Während die Preise für Lithium-Batterien bereits stark gefallen sind, sind sie mindestens fünfmal, eher zehnmal teurer als das Kraftblock-Material.
Dafür wird nach jahrelanger Forschung ein Hauptbestandteil genutzt: Stahlschlacke. Das Nebenprodukt des Hochofens ist in großen Massen verfügbar und kennt fast keine Anwendungen. Es hält hohe Temperaturen aus, verändert sich nicht mehr und ist harmlos für die Umwelt. Vor allem kostet es fast nichts.
Bis zu 85 Prozent stellt es den Inhalt des Kraftblock-Materials. Die Schlacke wird, fein zermahlen, mit besonderen Additiven gemischt, die die Wärmeleitfähigkeit verbessern. Dann wird diese Pulvermischung wie bei einem Teig mit einem flüssigen Binder gemischt, um die Körner auf Nano-Ebene zusammenzukleben. So verteilt sich die Wärme im gesamten Material.
Das Ergebnis ist üblicherweise ein rundes, stabiles Pellet. Es wurde auf 15.000 Zyklen getestet. Ein Zyklus ist dabei das Laden, Speichern und Entladen, und bei einem Einsatz pro Tag hätte es über 40 Jahre Lebensdauer. Dabei wurde keine Degradation festgestellt. Somit hatte das Material nach Abschluss dieselben Speichereigenschaften wie zu Beginn. Batterien verlieren mit der Zeit diese Eigenschaften und müssen nach maximal 10.000 Zyklen erneuert werden.
Sieht man sich die thermischen Prozesse in der gesamten Wertschöpfungskette der Automobilindustrie an, ist zu erkennen, dass der Gesamtwärmebedarf einen sehr hohen Anteil hat. Beim Automobilhersteller selbst gibt es etwa folgende Prozesse:
Ungleich mehr Wärmeverbrauch gibt es in der Lieferkette:
Insgesamt macht die Prozesswärme etwa 66 Prozent des gesamten industriellen Energieverbrauchs in der Automobilindustrie aus. Die energieintensivsten Prozesse sind typischerweise die Stahlherstellung, die Lackierung und die Wärmebehandlung von Metallen. Diese Bereiche bieten auch das größte Potenzial für Energieeinsparungen und den Einsatz erneuerbarer Energien zur Prozesswärmeerzeugung.
Ein gezielter Wandel hin zu effizienteren Technologien und alternativen Energiequellen könnte nicht nur den CO₂-Fußabdruck erheblich reduzieren, sondern auch langfristig Kosten senken und die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie stärken.
Am Band der Automobilherstellung selbst, ist die Lackierung wärmeintensiv. Lack an Fahrzeugen, ob Auto oder Zug, wird zwischen 160°C und 180°C in großen Öfen getrocknet. Die Wärme dazu wird heutzutage in der Regel aus Erdgas erzeugt. Mit Kraftblocks Net-Zero-Heat-System, also der Nutzung erneuerbaren Stroms, kann das Erdgas ersetzt werden. Ein Umrüsten der konventionellen Öfen ist möglich und ein guter Weg für die Industrie, Emissionen zu reduzieren und überschüssigen Strom zu nutzen. Vergleichbar mit dieser Anwendung ist das Volt-Projekt. Hier baut Kraftblock sein System in der Lebensmittelindustrie. Bei PepsiCo in den Niederlanden wird ein 25 MW-Gaskessel ersetzt, und das Frittieren von Kartoffelchips bei etwa 300°C wird aus dem Kraftblock-Speicher versorgt.
Mit höheren Temperaturen arbeitet man in den Gießereien. Durch den Hochtemperaturansatz kann das Kraftblock-System mit der Umwandlung von Strom zu Wärme auch Gussprozesse von Aluminiumlegierungen abdecken und bei Eisenguss unterstützen. Auch die Abwärme von Schmelzöfen kann wieder genutzt werden. Zeitlich versetzt kann sie entweder zur Vorwärmung desselben Prozesses oder etwa Schrott genutzt werden. In der Metallverarbeitung gibt es dafür dutzende Anwendungen. Ein Abwärmesystem von Kraftblock steht beispielsweise bei einem Mittelständler für technische Keramik, Comet. Hier wird Abwärme aus Brennöfen wieder zur Vorwärmung des Ofens eingesetzt, was den Erdgasverbrauch reduziert.
Auch in klimaneutraler Mobilität spielt Wärme vor allem in der Lieferkette eine Rolle. Der Lithiumbergbau ist sehr energieintensiv und beim Hartgesteinsbergbau, der 40 Prozent der globalen Lithiumgewinnung ausmacht, gibt es Kalzinierungsprozesse auf Hochtemperatur. Diese sowie das Acid-Roast-Verfahren können dekarbonisiert werden. Näher an der fertigen Batterie kann die Trocknung von Elektrodenpaste mit Öfen von fossilen auf erneuerbare Energie umgestellt werden. Sie liegt im Bereich zwischen 100°C und 200°C. Dazu gibt es hohe Temperaturen, bis zu 500°C, bei der thermischen Behandlung von Batterien, wenn sie recycelt werden.
Recycling ist für alle Fahrzeuge ein energieintensiver Prozess. Hier sind hochtemperierte Verfahren entscheidend für die effektive Rückgewinnung und Aufbereitung von Materialien aus Altfahrzeugen. Sie ermöglichen die Trennung und Reinigung von Metallen, die Umwandlung von Kunststoffen in verwertbare Rohstoffe und die Behandlung komplexer Komponenten wie Batterien. Beim Recycling von Metallen aus Fahrzeugkomponenten werden häufig pyrometallurgische Verfahren angewandt, die Temperaturen bis 2000°C erreichen können. Die Vorwärmung des Schrotts durch erneuerbaren Strom und auch durch Abwärme des Verfahrens reduziert den Brennstoffbedarf.
Pyrolyse für Kunststoffe und Reifen erzeugt Abwärme zwischen 400°C und 800°C und kann elektrifiziert werden. Weitere Anwendungen sind Vergasung und Sintern. Die Automobilindustrie muss auf saubere Hochtemperatur-Wärme umsteigen, wobei erneuerbarer Strom aus günstigen Zeiten die wirtschaftlichste Lösung ist. Effiziente Speichertechnologien werden dabei eine zentrale Rolle spielen.</p
