USE CASE
Industrielle Dekarbonisierung mit Wärmespeichern: 
Modellierung einer idealtypischen Chemiepark-Versorgungsstruktur

Überblick: Chemieriese Covestro und Klimaschutz

Covestro zählt zu den weltweit führenden Herstellern hochwertiger polymerer Werkstoffe und ist ein Schwergewicht der globalen Chemieindustrie. Das Unternehmen beschäftigt weltweit Tausende Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen und betreibt mit dem Fokus auf Innovation, Nachhaltigkeit und industrielle Transformation diverse Produktionsstandorte. Trotz eines anspruchsvollen Marktumfelds bleibt Covestro mit der konsequenten Umsetzung seiner Strategie „Sustainable Future“ Vorreiter in Sachen Klimaschutz: Bis 2030 soll der Energieverbrauch pro produzierter Tonne um 20 % gegenüber 2020 gesenkt werden – ein entscheidender Beitrag zur angestrebten operativen Klimaneutralität bis zum Jahr 2035 (Quelle).

Im Werk Brunsbüttel setzt Covestro auf eine hochinnovative Lösung: Eine Wärme-Batterie aus Ziegelsteinen kann dort künftig große Mengen Strom aus erneuerbaren Energien speichern und diesen bedarfsgerecht als CO₂-freien Dampf bereitstellen. Damit können künftig zehn Prozent des Dampfbedarfs am Standort mit erneuerbarer Energie gedeckt werden. (Quelle).

Covestro Chemiepark Brunsbüttel (Bild Covestro)

 

Wie planen, simulieren und optimieren Chemieparks solche Energiesysteme?

Von der Forschung zur Umsetzung

Im BMWK-geförderten Forschungsprojekt „TransTES-Chem" (FKZ 03ET1646A-E) untersuchten DLR, TSK Flagsol Engineering, JPM Ingenieurtechnik und GFaI e. V. – unter Nutzung des Know-hows der Chemiekonzerne Covestro und Currenta – mit TOP-Energy Integrationsmöglichkeiten von Hochtemperatur-Wärmespeichern und Power-to-Heat-Anlagen in einem idealtypischen Chemiepark-Modell (iCV). Dieses generische Modell ermöglichte allgemeingültige Aussagen zu Technologieintegrationen, ohne spezifische Standorte wie Brunsbüttel direkt abzubilden. 

„Die größte Herausforderung bei Wärmespeichern in großen Industrieanlagen ist es, Anwendungsfälle zu finden, die am Ende einen wirtschaftlichen Business Case ergeben“, erklärt Dr.-Ing. Stefan Kirschbaum, Bereichsleiter Energiesystemtechnik von TOP-Energy. „Um Speicher sinnvoll in komplexe Energiesysteme zu integrieren, müssen alle Vorteile dieser Technologien bewertet werden. Neben dem reinen operativen Nutzen, wie der Ausnutzung variabler Energiekosten, muss auch der Wert von höherer Flexibilität und mehr Freiheitsgraden bei den Energieträgern bewertet werden.“ 

One model to rule them all? Allgemeine oder spezielle Optimierungsmodelle?

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden exemplarische Energiesysteme basierend auf Know-how von Currenta und Covestro sowie Literaturdaten in TOP-Energy abgebildet. Ziel war die Bewertung von Power-to-Heat-Anlagen und Hochtemperatur-Wärmespeichern (z. B. Flüssigsalz) in einer idealtypischen Chemiepark-Versorgungsstruktur (iCV, DOI: 10.1002/cite.202100164) – als generisches Modell für Chemieparks. Die idealtypische Chemieparkversorgungsstruktur erlaubt die Bewertung bestimmter Technologien, ohne konkret die Gegebenheiten einer bestimmten Liegenschaft abzubilden. Auf diese Weise ist es möglich, allgemeingültige Aussagen über bestimmte Technologien für ein breites Spektrum an Chemieparks zu treffen. Das Forschungsprojekt hat gezeigt, dass die direkte Beladung thermischer Speicher mit Dampf in den meisten Fällen unwirtschaftlich ist. Deutlich sinnvoller ist es, günstig eingekauften Strom in thermische Energie umzuwandeln und so zu speichern – ein Ansatz, der die Schwankungen an den Strommärkten gezielt ausnutzt. Da die Volatilität der Strompreise absehbar weiter zunehmen wird, dürfte dieser Vorteil in Zukunft noch deutlich größer werden.

Wegbereiter für CO₂-arme Prozesswärme

Covestro hat sich für die Investition in einen thermischen Speicher entschieden. Herzstück der Lösung ist die Rondo Wärme-Batterie, die jahrhundertealte Materialien – Ziegelsteine – mit moderner Automatisierung verbindet, um Energie in Form von Hochtemperatur-Wärme zu speichern und bedarfsgerecht abzugeben. Aus erneuerbaren Energiequellen gewonnener Strom wird mithilfe von elektrischen Heizelementen in Wärme umgewandelt. Die Ziegel speichern große Mengen dieser Wärme. Später wird die in den Steinen gepufferte Wärme bedarfsgerecht in Dampf umgewandelt, wodurch jederzeit emissionsfreier Dampf bereitgestellt werden kann. So lässt sich Strom aus erneuerbaren Energien flexibel nutzen: Überschüsse werden gespeichert, die Wärmeversorgung bleibt konstant – auch wenn Wind- und Sonnenenergie schwanken.

 

Systemgrafik aus TOP-Energy mit Energieflüssen, Speicherung und Dampferzeugung

Nachhaltigkeit mit messbarem Erfolg

Mit der innovativen Speicherlösung werden künftig zehn Prozent des gesamten Dampfbedarfs am Standort Brunsbüttel gedeckt. Dies ermöglicht eine jährliche Einsparung von bis zu 13.000 Tonnen CO₂ – ein signifikanter Beitrag zur Erreichung der Klimaziele von Covestro.

 

Energieplanung mit TOP-Energy


Mit Hilfe der Parameterstudien von TOP-Energy konnten in der Studie effizient tausende Konfigurationen von Be- und Entladeleistung sowie Kapazität optimiert und bewertet werden. Dabei kamen vor allem die Modelle des Wärmespeichers und der Power-to-Heat-Anlage zum Einsatz. Außerdem wurden Gasturbinen, Dampfturbinen und klassische Gaskessel verwendet, um alle Freiheitsgrade des Energiesystems abzubilden. Besonders relevant war die Entscheidung zwischen der Eigenerzeugung von Strom und einer erhöhten Dampfproduktion. 

Fazit: TOP-Energy als Enabler für die industrielle Dekarbonisierung

Das ist der wichtigste Nutzen: zu zeigen, dass sich mit TOP-Energy die Dekarbonisierung einer idealtypischen Chemiepark-Versorgung fundiert bewerten und gezielt vorantreiben lässt. Gleichzeitig macht die Modellierung sichtbar, wie sich Strom aus erneuerbaren Energien effizient in Prozesswärme und Dampf umwandeln und speichern lässt.

So wird deutlich, dass sich nicht nur Emissionen reduzieren lassen, sondern auch Flexibilität, Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit in komplexen Energiesystemen verbessert werden können. Der Mehrwert liegt damit in einer belastbaren Entscheidungsgrundlage für die industrielle Transformation.