Dekarbonisierung in der Prozessindustrie
Durch Einführung innovativer Technologien optimiert die Industrie ihren Energieverbrauch, reduziert Abfälle und stellt die Weichen für einen Betrieb mit Netto-Null-Emissionen
In Kürze
- Der Prozessindustrie eröffnet sich die große Chance, ihren CO2-Fußabdruck durch verschiedene Dekarbonisierungsverfahren zu reduzieren.
- Bei der Dekarbonisierung haben wichtige Branchen wie Chemie, Stahl, Öl und Gas, Bergbau, Stromerzeugung und Lebensmittelproduktion einen steinigen Weg vor sich, denn ihre Kernprozesse setzen zwangsläufig große Mengen an Treibhausgasen frei.
- Der hohe Energiebedarf CO2-intensiver Prozesse stellt die Industrie vor eine doppelte Herausforderung, da sowohl die Emissionen bei den Prozessen selbst als auch bei den eingesetzten fossilen Brennstoffen reduziert werden müssen.
- Die Prozessindustrie hat verschiedene Möglichkeiten, Netto-Null-Emissionen zu erreichen: durch Reduzierung der Verluste aus den Prozessen, durch Nutzung sauberer Brennstoffe, durch die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen und durch Minimierung der allgemeinen Abfälle mit einem auf Kreislaufwirtschaft ausgerichteten Betrieb.
- Die Dekarbonisierung der Prozessindustrie erfordert ein schrittweises Vorgehen. Es umfasst kontinuierliches Lernen, Innovationen, tragbare Investitionen und den Aufbau einer Dynamik in Richtung Netto-Null-Emissionen.
- Die Zusammenarbeit mit wichtigen Akteuren der Branche ist unerlässlich, um nachhaltige Arbeitsweisen zu fördern und die Emissionen in der gesamten Wertschöpfungskette zu reduzieren.
Ein Aufruf zum Handeln
Der durch Treibhausgasemissionen verursachte Klimawandel ist eine weltweite Herausforderung von hoher Dringlichkeit. Er erfordert schnelle und entschiedene Dekarbonisierungsmaßnahmen in allen Bereichen der Wirtschaft. Sie sind unerlässlich, um die Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre zu reduzieren. Einige Branchen sind zwar von Natur aus CO2-intensiver als andere, doch jede Prozessindustrie bietet das Potenzial für eine wirkungsvolle Minderung ihrer Emissionen.
Zu diesen Chancen und Verfahren gehören Emissionsreduzierung, CO2-Abscheidung, Optimierung der Prozesseffizienz und die Umstellung auf alternative Brennstoffe und Produktionsverfahren. Die Gesamtheit dieser Anstrengungen wird als Dekarbonisierung bezeichnet. Manchmal spricht man auch davon, die Umweltauswirkungen von Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre zu reduzieren. Dieser Artikel befasst sich mit den komplexen Zusammenhängen bei der Dekarbonisierung der Prozessindustrie. Er untersucht praktische Strategien und beleuchtet die entscheidende Rolle, die Kooperation und Technologie bei der Verwirklichung einer Netto-Null-Zukunft spielen.
Sich den Herausforderungen der CO2-intensivsten Prozesse stellen
Mehrere Branchen stehen bei ihren Dekarbonisierungsanstrengungen vor besonders großen Herausforderungen, denn ihre Kernprozesse haben von Natur aus eine sehr hohe CO2-Intensität. Dazu gehören:
- Chemieindustrie und Erdölraffination: Der Raffinationsprozess, insbesondere die Herstellung von Wasserstoff durch Dampfreformierung von Methan (Steam Methane Reforming, SMR) aus Erdgas, ist eine wesentliche Quelle von Kohlendioxidemissionen. Dieser Wasserstoff wird in verschiedenen Prozessen eingesetzt, z. B. für die Hydrodesulfurierung, bei der Schwefel und andere Verunreinigungen aus Raffinerieprodukten entfernt werden. Dasselbe Verfahren wird auch für die Herstellung von Ammoniak in der Düngemittelproduktion und für andere wichtige Herstellungsverfahren angewendet.
- Zement- und Kalkherstellung: Zement und Kalk werden in einem Hochtemperaturprozess, der sogenannten Kalzinierung, hergestellt, bei der als Nebenprodukt Kohlendioxid freigesetzt wird. Da in diesen Prozessen vor allem fossile Brennstoffe wie Kohle und Petrolkoks genutzt werden, verschlechtert dies ihre CO2-Bilanz zusätzlich.
- Eisen- und Stahlherstellung: Bei der Umwandlung von Eisenerz in Eisen und Stahl, die hauptsächlich in Hochöfen und Sauerstoffaufblaskonvertern erfolgt, werden erhebliche Mengen CO2 freigesetzt. Die sich daran anschließenden energieintensiven Prozesse wie Stranggießen, Warmwalzen und andere Umformverfahren erhöhen den CO2-Ausstoß noch weiter.
- Lebensmittel- und Getränke: Von der Landwirtschaft und der Beschaffung von Zutaten bis hin zur Verarbeitung, Verpackung und Verteilung ist die Lebensmittel- und Getränkebranche in verschiedenen Produktionsphasen stark von fossilen Brennstoffen abhängig. Insgesamt führt dies zu einem hohen CO2-Fußabdruck.
Diese Branchen sind für die moderne Gesellschaft von grundlegender Bedeutung, sie verursachen jedoch einen erheblichen Teil der weltweiten Treibhausgasemissionen. Allein in den USA entfallen auf sie mehr als 75 % der gesamten CO2-Emissionen.
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Wichtige Erkenntnisse
Chemie und Erdöl, Zement und Kalk, Eisen und Stahl sowie Lebensmittel und Getränke sind für mehr als 75 % der gesamten CO2-Emissionen der Industrie verantwortlich.
Quelle: ourworldindata.org
Die Reduzierung dieser Emissionen ist nicht nur aus ökologischer Sicht zwingend notwendig, sie ist vielmehr auch entscheidend dafür, dass Unternehmen ihre ESG-Verpflichtungen („Environmental, Social, Governance“, Umwelt, Soziales und Unternehmensführung) erfüllen und ihre langfristige wirtschaftliche Nachhaltigkeit sichern können.
Die miteinander verflochtenen Herausforderungen von Energieintensität und Prozessemissionen bewältigen
Aber das Problem ist noch komplexer, denn viele dieser CO2-intensiven Prozesse sind gleichzeitig sehr energieintensiv. Daraus ergibt sich eine doppelte Herausforderung: die Reduzierung der Emissionen aus den Prozessen selbst und die Dekarbonisierung der Energiequellen, die für sie genutzt werden.
Raffinerien benötigen beispielsweise gewaltige Energiemengen für Prozesse wie Hydrocracken, atmosphärische Destillation und katalytisches Cracken. Die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen für diesen Energiebedarf verstärkt die Gesamtauswirkungen dieser Prozesse auf die Umwelt noch weiter.
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Zement und Kalk werden hauptsächlich in Drehrohröfen in einem als Kalizinierung bezeichneten Prozess hergestellt, in dem Kalkstein und andere Mineralien auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Dabei werden erhebliche Mengen an Kohlendioxid freigesetzt, wobei die Effizienz einer Anlage hauptsächlich von ihrem Alter abhängt. Ältere Anlagen verfügen oft nicht über fortschrittliche Vorwärmsysteme. Dies führt zu einer geringeren Wärmerückgewinnung und einer insgesamt schlechteren Energie- und Prozesseffizienz.
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Auch die Prozesse zur Herstellung von Eisen, Stahl und anderen Metallen erfordern einen enormen Energieeinsatz zum Erhitzen, Schmelzen und Formen. Diese Energie wird größtenteils mithilfe fossiler Brennstoffe wie Erdgas und Kohle erzeugt. Um diese miteinander verflochtenen Herausforderungen effektiv anzugehen, müssen die Prozessindustrien eine umfassende Dekarbonisierungsstrategie verfolgen. Diese ruht auf vier Eckpfeilern, die jeweils unterschiedliche Schwerpunkte für das Erreichung der Netto-Null-Ziele in den Blick nehmen.
Vier Eckpfeiler einer robusten Dekarbonisierungsstrategie
Strategie
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Emissionen reduzieren
Beim ersten Eckpfeiler geht es um die Minimierung oder vollständige Beseitigung direkter Kohlendioxid-Abfallprodukte aus dem Prozess. Dies erfordert oft einen Paradigmenwechsel in der Betriebsweise und die Umstellung auf innovative Technologien. Zur Optimierung der Prozesse müssen in der Regel bestehende Abläufe feiner abgestimmt werden, um den Energieverbrauch und die Abfallerzeugung zu minimieren. Dies kann durch fortschrittliche Prozessleitsysteme, Data Analytics und die Umsetzung von Best Practices bei der Ressourcennutzung erreicht werden. Die für die Umsetzung benötigten Daten werden von Messgeräten bereitgestellt, die in einigen Fällen bereits vorhanden sind, in anderen zusätzlich installiert werden müssen. Ebenfalls wichtig ist die Erforschung und Implementierung alternativer Technologien, die von Natur aus weniger CO2-intensiv sind. Dies kann, sofern realisierbar, den Umstieg auf erneuerbare elektrische Energiequellen bedeuten oder die Nutzung effizienterer Geräte und Anlagen oder gegebenenfalls die Einführung von CCUS-Technologien (Carbon Capture, Utilization and Storage) zur CO2-Abscheidung, Nutzung und -Speicherung, falls sich Emissionen nicht vermeiden lassen. Das vorrangige Ziel von CCUS besteht beispielsweise darin, die Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre zu verhindern, indem Prozessabgase aufgefangen und gespeichert werden. In einigen Fällen kann für eine deutliche Reduzierung der Emissionen auch eine grundlegende Neukonzeption der Prozesse erforderlich sein. Dies kann den Übergang zu völlig neuen Produktionsverfahren, die Nutzung anderer Rohstoffe oder die Erforschung alternativer chemischer Prozesse umfassen, die deutlich weniger oder gar kein CO2 erzeugen.
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Saubere Kraft- und Brennstoffe einführen
Der zweite Eckpfeiler betrifft die Abkehr von fossilen Kraft- und Brennstoffen und die Nutzung sauberer Alternativen wie Wasserstoff zur Energieerzeugung. Dies ist ein wichtiger Baustein bei der Dekarbonisierunng der Prozessindustrie. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse mit Energie aus erneuerbaren Quellen hergestellt und bietet daher eine vollständig CO2-freie Brennstoffquelle. Er verfügt über ein enormes Potenzial für verschiedene Anwendungen in der Prozessindustrie, beispielsweise zur Ersetzung von Erdgas in Hochtemperaturprozessen oder als Rohstoff für die Herstellung CO2-armer Chemikalien und Kraftstoffe. Biokraftstoffe werden aus erneuerbaren Quellen wie landwirtschaftlichen Abfällen, Holzresten und anderen organischen Stoffen gewonnen und bieten eine nachhaltigere Alternative zu fossilen Kraftstoffen. Obwohl bei ihrer Verbrennung Kohlendioxid freigesetzt wird, gelten diese Prozesse als CO2-neutral, da der Kohlenstoff ursprünglich beim Wachstum des Ausgangsmaterials aus der Atmosphäre aufgenommen wurde.
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Den Energieverbrauch dekarbonisieren
Der dritte Eckpfeiler legt den Schwerpunkt auf den Übergang zu saubereren Energiequellen für alle Aspekte des Energieverbrauchs. Dies reicht von der Stromversorgung von Maschinen und Anlagen bis hin zur Bereitstellung von Wärme für verschiedene Prozesse. Wichtig hierfür ist die Einbeziehung erneuerbarer Energiequellen wie Sonne, Wind, Wasser und Geothermie in den Energiemix. Dies kann in der dezentralen Stromerzeugung mit Solarparks oder Windkraftanlagen bestehen, im Bezug erneuerbarer Energie von den Versorgungsunternehmen oder auch in der Beteiligung an Abnahmeverträgen für erneuerbare Energien. Wo immer möglich, kann auch die Elektrifizierung – d. h. die Ersetzung traditioneller, auf fossilen Brennstoffen basierender Prozesse durch elektrisch betriebene Alternativen – erheblich zur Reduzierung der Emissionen beitragen. Besonders relevant ist dies beim Heizen und im Verkehr, wo elektrische Alternativen immer praktikabler und kostengünstiger werden.
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Abfallreduktion und Förderung der Kreislaufwirtschaft
Beim vierten Eckpfeiler kommt es darauf an, Abfälle im gesamten Produktionsprozess zu minimieren, um gleichzeitig den Energieverbrauch und die Emissionen zu reduzieren. Durch die Implementierung von fortschrittlichen Prozessleitsystemen und Data Analytics, die sich auf von Messgeräten bereitgestellte Daten stützen, können Ineffizienzen erkannt und Prozesse optimiert werden. Dies bietet die Möglichkeit, die Abfallerzeugung an der Quelle zu minimieren. Darüber hinaus können Abfallströme in wertvolle Produkte und Rohstoffe für andere Anwendungen umgewidmet werden und so einen Beitrag zu einer Kreislaufwirtschaft leisten, die gleichzeitig die Umweltbelastung durch Nebenprodukte verringert. Wenn Unternehmen diesen Eckpfeiler umsetzen, fördern sie einen Mentalitätswandel vom linearen Modell „Take-Make-Dispose“ („Nehmen-Herstellen-Wegwerfen“) hin zu den Grundsätzen einer Kreislaufwirtschaft, bei der Wiederverwendung, Umnutzung und der möglichst lange Verbleib von Ressourcen im Kreislauf im Vordergrund stehen. Diese Philosophie ist eine wichtige Voraussetzung für langfristige Nachhaltigkeit.
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Mit einem schrittweisen Ansatz eine Dynamik für langfristigen Erfolg aufbauen
Der Weg zur Dekarbonisierung komplexer Prozessindustrien lässt sich am besten mit einem schrittweisen Ansatz bewältigen. Er zielt darauf ab, im Lauf der Zeit immer wieder kleine, jedoch wirkungsvolle Verbesserungen zu erreichen. Dies ermöglicht:
- Kontinuierliches Lernen und Optimieren, wobei jede Phase wertvolle Daten und Erkenntnisse liefert, die zur Feinabstimmung nachfolgender Strategien genutzt werden können. Dies sorgt für eine kontinuierliche Verbesserung und Optimierung der Dekarbonisierungsmaßnahmen.
- Tragbare Investitionen und Minderung von Risiken. Dadurch können Investitionen strategisch zugeteilt und finanzielle Risiken in Verbindung mit groß angelegten, unerprobten Technologien minimiert werden.
- Eine Dynamik aufbauen und Fortschritten sichtbar machen. Erfolg in den Anfangsphasen schafft Vertrauen nach innen und außen, erhöht die Attraktivität für weitere Investitionen und beschleunigt den Übergang zu einer Netto-Null-Zukunft.
Viele Unternehmen nutzen im Rahmen ihrer Dekarbonisierungsmaßnahmen derzeit CO2-ärmere Alternativen zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen. Einer dieser sogenannten Übergangsbrennstoffe ist z. B. Erdgas. Bei seiner Verbrennung setzt Erdgas nur etwa halb so viel CO2 frei wie Kohle. Außerdem kann es als Flüssigerdgas (LNG) problemlos in Regionen ohne eigene Erdgasvorkommen transportiert werden, um als Brückentechnologie zu dienen, bis vollständig CO2-freie Energiequellen verfügbar sind.
Den Wandel durch Zusammenarbeit und technologischen Fortschritt beschleunigen
Die Dekarbonisierung der Prozessindustrie kann nicht im Alleingang bewältigt werden. Sie ist vielmehr ein Gemeinschaftswerk, das Zusammenarbeit und Wissensaustausch zwischen Branchen, Wertschöpfungsketten und Technologieanbietern erfordert. Eine offene Zusammenarbeit bei erfolgreichen Strategien, Herausforderungen und gewonnenen Erkenntnissen kann den Fortschritt beschleunigen und zu Innovationen im gesamten Wirtschaftszweig anregen.
Wichtige Erkenntnisse
Die Dekarbonisierung der Prozessindustrie kann nicht im Alleingang bewältigt werden. Sie ist vielmehr ein Gemeinschaftswerk, das Zusammenarbeit und Wissensaustausch zwischen Branchen, Wertschöpfungsketten und Technologieanbietern erfordert.
Um eine umfassende Dekarbonisierung zu erreichen, kommt es außerdem auf die Zusammenarbeit mit Lieferanten und Kunden an, denn dies fördert nachhaltige Arbeitsweisen und reduziert die Emissionen in der gesamten Wertschöpfungskette. Zur beschleunigten und strategischen Umsetzung der Dekarbonisierung sollten die Akteure in der Industrie zudem die Fachkompetenz und innovativen Lösungen von Technologieunternehmen nutzen, die sich auf Automatisierung, Instrumentierung, Data Analytics, erneuerbare Energien und Prozessoptimierung spezialisiert haben.
Unternehmen wie Endress+Hauser spielen bei diesem Wandel eine entscheidende Rolle. Sie liefern moderne Messtechnik, Lösungen für die Anlagenvernetzung und ermöglichen datengestützte Einblicke. Mit ihrem gründlichen Verständnis industrieller Prozesse unterstützen sie Unternehmen bei der Optimierung ihrer Betriebsabläufe und der Reduzierung ihrer Umweltauswirkungen, damit sie ihre ehrgeizigen Nachhaltigkeitsziele erreichen.
Gemeinsame Anstrengungen für eine nachhaltige Zukunft
Die Dekarbonisierung der Weltwirtschaft, insbesondere der Prozessindustrie, ist eine Herkulesaufgabe, aber das Ziel ist erreichbar und wird bedeutende und dauerhaft positive Wirkungen entfalten. Eine vollständige und sofortige Dekarbonisierung ist für bestimmte Prozesse zwar nicht realistisch, aber ein konsequenter Einsatz für kontinuierliche Verbesserungen, Offenheit für Innovationen und die Förderung der Zusammenarbeit ebnen den Weg in eine sauberere und nachhaltigere Zukunft.
Der Weg zu Netto-Null erfordert einen vielschichtigen Ansatz: Minimierung von Abfällen aus dem Prozess, Umstellung auf saubere Brennstoffe, Übergang zu erneuerbaren Energiequellen und Einführung von Arbeitsweisen der Kreislaufwirtschaft, damit weniger Abfall erzeugt wird. Wenn die Prozessindustrie diesen vier Eckpfeilern Rechnung trägt und gleichzeitig das Potenzial nutzt, das Technologie, gemeinschaftliches Handeln und kontinuierliches Lernen bietet, kann sie eine wegweisende Rolle bei der Dekarbonisierung spielen. Mit den Netto-Null-Zielen im Blick kann sie so eine nachhaltigere Umwelt für künftige Generationen sichern.
