Diese Masterarbeit untersucht, wie die Elektrifizierung der Industrie und der Einsatz von grünem Wasserstoff zur Wärmeerzeugung nicht nur zur Dekarbonisierung beitragen, sondern auch Engpässe im Stromnetz überwinden können. Sie legt die technischen und wirtschaftlichen Aspekte der Integration dieser Technologie in Industrieparks dar und liefert somit einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung der Klimaschutzvorgaben.
Um die Vorgaben des Bundes-Klimaschutzgesetzes und des Pariser Klimaschutzabkommens zur Reduzierung der Treibhausgase einzuhalten, kann ein Teil der benötigten Wärmeenergie der Industrie durch erneuerbaren Strom erzeugt werden. Die Elektrifizierung der Industrie, aber auch die Umstellung der anderen energieverbrauchenden Sektoren resultiert in einen erhöhten Strombedarf. Infolge der schwankenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien, in Kombination mit dem Wegfall konventioneller Kraftwerkskapazitäten, können Versorgungslücken im öffentlichen Stromnetz entstehen.
Wasserstoff kann für dieses Szenario vorgelagert und bei Bedarf mittels verschiedener Technologien in Strom und/oder Wärme umgewandelt werden. Die Frage, mit welcher technischen Umsetzung aus dem grünen Wasserstoff in einem Industriepark zentrale Wärme erzeugt werden kann, ist in der Masterarbeit beantwortet. Um die Machbarkeit zu prüfen, ist die für die Wärmeerzeugung angewendete Technologie in einem Industriepark integriert. Die wesentlichen technischen und wirtschaftlichen Kenndaten sind dargestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung, Zielsetzung und Forschungsfrage
1.2 Vorgehensweise und Methoden
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Energiebedarfsszenario
2.1.1 Reduktion von Treibhausgasen
2.1.2 Elektrifizierung der Industrie
2.1.3 Leistungsbedarf der Elektrifizierung
2.1.4 Szenarioerstellung und Handlungsoption
2.2 Wasserstoff
2.2.1 Eigenschaften von Wasserstoff
2.2.2 Prozesskette grüner Wassersoff
2.2.3 Wasserstoffwirtschaft
2.2.4 Kosten von grünem Wasserstoff
2.3 Wasserstoff – Technologien zur Wärme- und Stromerzeugung
2.3.1 Wasserstoff Gasturbine
2.3.2 Brennstoffzellen BHKW
2.3.3 BHKW (H2 Motor)
2.3.4 Wasserstoffkessel
2.4 Aktuelle Forschung
2.4.1 Zukünftiger Energie- und Technologiemix in der Industrie
2.4.2 Grüne Prozesswärme in der Industrie
2.4.3 100 % erneuerbarer Strom, Ausweg aus der Dunkelflaute
2.5 Zusammenfassung und Forschungsbedarf
3 Fallstudie
3.1 Verbrauchermodellierung
3.1.1 Temperaturniveau und Energieverbrauch
3.1.2 Lastgang und Leistung
3.1.3 Dunkelflaute – Engpassszenario
3.1.4 Zusammenfassung – Leistungs- und Energiebedarf
3.2 Nutzwertanalyse
3.2.1 Leistung
3.2.2 Wärmeparameter
3.2.3 Betriebsverhalten
3.2.4 Planungssicherheit
3.2.5 Wirkungsgrad
3.2.6 Investitions- und Betriebskosten
3.2.7 Zusammenfassung Eigenschaften und Bewertung
3.3 Integration der Vorzugsvariante
3.3.1 Wärmebilanz
3.3.2 Verluste
3.3.3 Anlagenverluste
3.3.4 Wirkungs- und Nutzungsgrad
3.3.5 Spezifikation Kessel und Brenner
3.3.6 Elektrische Verbraucher
3.3.7 Wasserverbrauch
4 Bewertung
4.1 Kostenmodell
4.2 Kapitalkosten
4.2.1 Investitionskostenschätzung
4.2.2 Abschreibungsdauer, Zins und Kapitalkosten
4.3 Brennstoffkosten
4.4 Betriebskosten
4.4.1 Fixe Betriebskosten
4.4.2 Variable Betriebskosten
4.5 Wärmegestehungskosten
4.6 Sensitivitätsanalyse
4.6.1 Bemessung und Bewertung
4.6.2 Best Case
4.6.3 Ausfallberechnung
5 Zusammenfassung
5.1 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Masterarbeit hat das Ziel, die optimale Technologie zur nachhaltigen Umwandlung von grünem Wasserstoff in Wärme für einen Industriepark zu identifizieren, um Versorgungssicherheit in Dunkelflaute-Szenarien bei gleichzeitig steigendem Strombedarf zu gewährleisten.
- Technologische Analyse wasserstoffbasierter Lösungen zur Strom- und Wärmeerzeugung
- Modellierung eines synthetischen Energiebedarfs für einen durchschnittlichen Industriepark
- Bewertung der Technologien mittels einer Nutzwertanalyse zur Identifikation der Vorzugsvariante
- Quantifizierung der Wärmegestehungskosten unter Berücksichtigung verschiedener Zukunftsszenarien
- Untersuchung der Resilienz des Modells durch Sensitivitätsanalysen der Investitions- und Betriebsparameter
Auszug aus dem Buch
1.1 Problemstellung, Zielsetzung und Forschungsfrage
Konventionelle Energieträger und Energieerzeugung werden aus verschiedenen Gründen immer teurer, wohingegen erneuerbare Energien schon heute günstiger sind als Strom aus Braunkohle, Steinkohle, Atomspaltung und Gas [19, S. 4].
Für die energieintensiven Industrien in Deutschland (EID) haben die Energiepreise einen hohen Einfluss auf die Brutto-Gestehungskosten ihrer Produkte. Wie in Abbildung 1.3 gezeigt, kann der Anteil bis zu 26 % betragen. Dementsprechend haben höhere Energiepreise einen großen Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit dieser Unternehmen. Als Reaktion auf erhöhte Energiekosten werden z.B. in Chemie- und Pharmafirmen häufig die Preise für die Kunden angehoben, was zu einer reduzierten Nachfrage führt. Um eine Änderung der Preise zu vermeiden, bemühen sich die Firmen ihre Energiekosten durch Absicherungsgeschäfte, lange Lieferverträge oder Lieferantenwechsel so niedrig wie möglich zu halten. Durch diesen Aufwand entstehen jedoch indirekte Zusatzkosten. Sind keine der Mechanismen möglich, kommt es vereinzelt auch zu Produktionsdrosselungen, da Produkte nicht mehr wirtschaftlich produziert werden können. In einer aktuellen Erhebung durch den VCI Verband der Chemischen Industrie, sehen 60 % der Chemie- und Pharmafirmen ihre Betriebsabläufe durch hohe Energiepreise schwer oder sehr schwer gestört [20]. Die Umfrage ist vor dem russischen Krieg in der Ukraine durchgeführt worden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung erläutert die Notwendigkeit der energetischen Transformation in der Industrie, führt in die Problematik von Netzengpässen durch erneuerbare Energien ein und leitet die Forschungsfrage ab.
2 Theoretische Grundlagen: In diesem Kapitel werden das Energiebedarfsszenario, die Eigenschaften und die Prozesskette von Wasserstoff sowie technologische Umwandlungsoptionen untersucht.
3 Fallstudie: Hier erfolgt die Modellierung eines repräsentativen Industrieparks sowie eine Nutzwertanalyse zur Auswahl der besten Wasserstoff-Technologie für die Wärmeversorgung.
4 Bewertung: Dieses Kapitel widmet sich der quantitativen Kostenanalyse, inklusive der Wärmegestehungskosten und einer Sensitivitätsanalyse der Einflussgrößen.
5 Zusammenfassung: Die Ergebnisse zur Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit der gewählten Wasserstofflösung werden reflektiert und ein Ausblick auf zukünftige Marktentwicklungen gegeben.
Schlüsselwörter
Wasserstoff, Wärmeversorgung, Energieversorgung, Elektrifizierung, Dekarbonisierung, Engpass, Versorgungslücke, Industriepark, Chemiepark, Prozesswärme, Dunkelflaute, Wärmegestehungskosten, Nutzwertanalyse, Energieeffizienz, Nachhaltigkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterarbeit im Kern?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Integration von Wasserstoff in bestehende Energieversorgungssysteme von Industrieparks, um eine nachhaltige Wärmeversorgung zu gewährleisten, wenn konventionelle Energiequellen nicht ausreichen.
Welche zentralen Themenfelder stehen im Fokus?
Die zentralen Themen sind die Dekarbonisierung industrieller Prozesswärme, die Handhabung von Energieengpässen durch erneuerbare Energien (Dunkelflaute) und der technologische Vergleich von Wasserstoffanwendungen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel ist es, die vielversprechendste wasserstoffbasierte Technologie zur Wärmeerzeugung zu identifizieren, die einem Industriepark bei netzbedingten Stromversorgungsengpässen ökonomische Vorteile bietet.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es werden eine Literaturrecherche zu Wasserstofftechnologien, eine synthetische Lastprofilmodellierung für Industrieparks, eine semi-quantitative Nutzwertanalyse und eine detaillierte quantitative Kostenanalyse (Wärmegestehungskosten) durchgeführt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen zu Wasserstoff, eine detaillierte Fallstudie zur Integration in einen Industriepark und eine darauf aufbauende wirtschaftliche Bewertung durch Kosten- und Sensitivitätsanalysen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Untersuchung?
Neben Wasserstoff als technologischem Enabler stehen Begriffe wie Industriepark, Prozesswärme, Dunkelflaute, Versorgungssicherheit, Wärmegestehungskosten und Dekarbonisierung im Fokus.
Warum ist der Wasserstoffkessel das Ergebnis der Nutzwertanalyse?
Der Wasserstoffkessel wurde aufgrund seiner hohen Marktreife (TRL 9), guten Regelbarkeit, niedrigen Investitionskosten und Flexibilität in der Brennstoffwahl als sinnvollste Notwärmeversorgung identifiziert.
Welche Rolle spielt die Dunkelflaute für die Arbeit?
Sie dient als kritisches Engpasses-Szenario, das die Notwendigkeit für ein Backup-System auf Basis von Wasserstoff unterstreicht, da Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien in diesen Zeiten nicht den Gesamtbedarf decken kann.
- Citar trabajo
- Nicolas Ürlings (Autor), 2022, Wasserstoff als Schlüssel für nachhaltige Energie in Industrieparks. Technologien und Wirtschaftlichkeit, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1421722
