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Die Sauerstoffverzehrkathode benötigt bis zu 30 Prozent weniger Strom als konventionelle Prozesse.
© Covestro
Chemieindustrie unterstützt Lastmanagement
23.05.2018

Chlorherstellung an das Stromangebot anpassen

Die chemische Industrie ist der zweitgrößte Stromverbraucher innerhalb der deutschen Industrie. Wissenschaftler untersuchen nun am Beispiel der energieintensiven Chlor-Alkali-Elektrolyse, in welchem Umfang dieser Prozess zum Lastmanagement des Stromnetzes beitragen kann. Dafür muss die Produktion an das schwankende Stromangebot angepasst werden.

Die chemische Industrie besitzt als zweitgrößter Stromverbraucher im Industriesektor ein großes Potenzial dafür, Schwankungen von Angebot und Verbrauch auszugleichen. Sie hat sowohl große positive als auch negative Demand Response-Kapazitäten. Für die Untersuchung, wie sich der Stromverbrauch der chemischen Industrie flexibilisieren lässt, haben die Forscher die energieintensive Herstellung von Chlor ausgewählt. Beim elektrochemischen Verfahren der Chlor-Alkali-Elektrolyse wird aus Kochsalz (und Wasser) Chlorgas erzeugt. Die Herstellung dieser auch für die Kunststoffproduktion wichtigen Basis-Chemikalie macht derzeit etwa 2,5 Prozent des deutschen Stromverbrauchs aus.

Lastflexibilisierung elektrochemischer Verfahren in der Industrie

In Kooperation mit Industriepartnern werden Forscher der TU Berlin die Lastmanagement- und Flexibilitätspotenziale von aktuellen und künftigen elektrochemischen Verfahren in der chemischen Industrie bestimmen und wirtschaftlich bewerten. Sie wollen belegen, dass eine – an ein schwankendes Angebot der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien – angepasste Fahrweise bei elektrochemischen Verfahren technisch und wirtschaftlich machbar ist.

Das interdisziplinäre Verbundprojekt „ChemEFlex – Umsetzbarkeitsanalyse von Lastflexibilisierung elektrochemischer Verfahren in der Industrie“ wird von Prof. Dr.-Ing. George Tsatsaronis, Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz der TU Berlin, geleitet. Hier sind neben dem Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz noch die Bereiche Dynamik und Betrieb technischer Anlagen, Technische Chemie/Mehrphasenreaktionstechnik und Technische Chemie/Elektrokatalyse – Materialien beteiligt. Als Industriepartner wirken die Covestro Deutschland AG, Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH und VESTOLIT GmbH im Forschungsprojekt mit.

Bisher kontinuierlich gefahrene Chemie-Anlagen lastflexibel betreiben

„Bislang werden diese elektrochemischen Prozesse konstant gefahren. Wir wollen jedoch erforschen, ob es zum einen technisch möglich und zum anderen wirtschaftlich sinnvoll ist, den Herstellungsprozess an die Energiepreisschwankungen zu koppeln. Das bedeutet, der Prozess wird heruntergefahren, wenn weniger elektrische Energie ins Stromnetz eingespeist wird, und bei Stromüberschuss wieder hochgefahren, sagt Projektkoordinatorin Franziska Klaucke vom Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz der TU.

Die Forscher untersuchen die Chlor-Alkali-Elektrolyse (CAE) und alternative elektrochemische Verfahren, um zu klären, ob eine flexible Fahrweise technisch machbar ist. Sie prüfen, wie Elektroden und Membranen der Elektrolyseanlage auf Ab- und Anfahrvorgänge reagieren und ob mit erhöhtem Verschleiß oder sogar dauerhaften Beschädigungen zu rechnen ist. Für den Prozess entwickeln sie eine flexible Steuerung, die die Rahmenbedingungen des Strommarktes und technische Restriktionen berücksichtigt. Alternative Verfahren wie die Herstellung von Wasserstoffperoxid, das wichtig ist als Bleich- und Desinfektionsmittel, werden daraufhin untersucht, ob eine flexible Betriebsführung umsetzbar ist.

Speicher- und Pufferlösungen mit Batterien und Methanolanlage

Erprobt werden die Innovationen beim Industriepartner Covestro, der in Deutschland an vier Standorten CAE-Anlagen betreibt. Diese laufen kontinuierlich unter Volllast. Die chemischen Prozesse sind eng miteinander verzahnt, aktuell ohne speicherbare Zwischenprodukte. Um Schwankungen in der Chlorerzeugung zu puffern, sind daher Energie- oder Chlorspeicher erforderlich. Im Projekt wird untersucht, wie sich die Flexibilität von CAE-Anlagen durch Batteriespeicher sowie Technologien zur Wasserstoffnutzung steigern lässt. Hier geht es insbesondere darum, Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methanol umzuwandeln.

Nicht nur in der chemischen Industrie werden die Potenziale erforscht, um künftig stärker zum Lastmanagement im Stromnetz beizutragen. Auch in der Phi-factory, die sich auf dem Campus der TU Darmstadt befindet, ist die Kopplung der Produktionsprozesse mit den Anforderungen des Stromnetzes ein Schwerpunkt. Diese Fabrik der Zukunft arbeitet flexibel und vernetzt Maschinen und Gebäude energetisch. Sie ist nicht nur sehr energieeffizient, sie trägt gleichzeitig dazu bei, das elektrische Versorgungsnetz zu stabilisieren. Die Fabrik setzt dabei auf einen hohen Anteil erneuerbarer Energien und hilft, Schwankungen des Stromangebots zu glätten. BINE Informationsdienst hat die Phi-factory und ihr Konzept vorgestellt.

(gh)

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Adressen

Projektkoordination
TU Berlin

Untersuchungen zur lastabhängigen Betriebsweise der Chlor-Alkali-Elektrolyse
Covestro AG

Studie zur Erhöhung der Flexibilität durch Batteriespeicher sowie alternative Nutzungsmöglichkeiten des Wasserstoffs
Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH

Feldversuch unter Berücksichtigung der vor- und nachgelagerten Prozesse
VESTOLIT GmbH

Energieverbrauch Chlor-Alkali-Elektrolyse

Chemische Verfahren wie die Chloralkali-Elektrolyse arbeiten kontinuierlich. Sie laufen 365 Tage im Jahr. Dabei werden die wichtigen Grundchemikalien Chlor, Wasserstoff und Natronlauge hergestellt. Abgeschaltet werden die Anlagen nur, wenn sie gewartet werden müssen. Die Chlor-Alkali-Elektrolyse verbraucht in Deutschland mehr als 15.000 Gigawattstunden pro Jahr, bei einer Produktionsmenge von circa fünf Millionen Tonnen. Dies entspricht etwa dem jährlichen Stromverbrauch von vier Millionen Dreipersonenhaushalten.

Energiesparende Chlorherstellung mit Sauerstoffverzehrkathode

Erster Schritt zur Energiewende: Einsparung

Die Firma Covestro hat zusammen mit Partnern ein Verfahren entwickelt, das die für die Chlorherstellung benötigte Strommenge um bis zu 30 Prozent reduziert. Die Innovation: Die Sauerstoffverzehrkathode (SVK), die bis zu 30 Prozent weniger Strom verbraucht als beim herkömmlichen Prozess.

Die neue Methode basiert auf dem Membranverfahren der Chloralkali-Elektrolyse, bei dem Chlor, Natronlauge und Wasserstoff aus Kochsalz und Wasser gewonnen werden.

Beim SVK-Verfahren ist die üblicherweise eingesetzte Wasserstoff-erzeugende Elektrode durch eine Sauerstoffverzehrkathode ersetzt. Dadurch, dass die Kathode mit Sauerstoff versorgt wird, wird die Bildung von Wasserstoff verhindert. So entstehen ausschließlich Chlor und Natronlauge. Dieses Verfahren benötigt eine Spannung von lediglich zwei Volt statt drei: ein Drittel gespart.

Das Einsparpotenzial allein dieser Verbesserung ist enorm: Würden alle deutschen Chlor-Hersteller dieses Verfahren flächendeckend einführen, so ließe sich der gesamte Energieverbrauch des Landes um ein Prozent senken – was in etwa dem jährlichen Energiebedarf der Großstadt Köln entspricht.

Links

Forschungsprojekt ChemEFlex
Projektpräsentation der TU Berlin

EnEff:Industrie
Weblink zum Portal mit Nachrichten und Berichten aus der Forschung für die energieeffiziente Industrie

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.