Herausforderung Energiewende - die besondere Rolle der chemischen Industrie - Präsentation
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Herausforderung Energiewende - die besondere Rolle der chemischen Industrie Präsentation: Prof. Dr. Manfred Fischedick Wuppertal Institut Januar 2019
Einführung und Hintergrund – Klimaschutz als Treiber für den Umbau
industrieller Strukturen
15/01/2019 page 2 Wuppertal Institute
Herausforderung Klimawandel
Deutliche Zielvorgaben der internationalen Klimaschutzpolitik (COP 21 Paris)
Rio 1992 Kyoto 1997 Copenhagen 2009 Paris 2015
• Zum ersten mal seit 25 Jahren int. Verhandlungen ein Vertrag, der Klimaschutz-aktivitäten
aller (!) Ländern umfasst (u.a. durch Fokussierung auf freiwillige Maßnahmen (INDC:
intended national determined contribution
• Zielsetzung Begrenzung der Klimaerwärmung auf deutlich unter (!) 2 C (inkl.
Vereinbarung Anstrengungen zu unternehmen, die Erwärmung auf 1,5 C zu begrenzen)
15/01/2019 page 3 Wuppertal Institute
IPCC 1.5 C Report und COP 24 - wichtige Meilensteine für den Klimaschutz Regelwerk für Umsetzung des Paris Agreement und deutliche Warnung zu handeln 15/01/2019 Source: IPCC 2018 page 4 Wuppertal Institute
Politikpapier Nr. 9 Klimapolitik August 2018 Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung
Globale Umweltveränderungen
Herausforderung Klimawandel – das schmale Zeitfenster zum Handeln
Notwendige Reduktion der globalen Treibhausgasemissionen in Ab-hängigkeit des
Emissionsscheitelpunktes und Risiko der Zielerreichung
50
Scheitelpunkt im Jahr 2020 2025
2016
40
CO2-Emissionen [Gt CO2 pro Jahr]
30
Historische Emissionen*
20 600 Gt Budget
2016 Scheitelpunkt (bester Fall)
2020
10 2025
800 Gt Budget
2020 Scheitelpunkt
0
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
Jahr
Abbildung 1
Zusammenhang zwischen dem Scheitelpunkt der globalen CO2-Emissionen und der notwendigen
15/01/2019 Source: WBGU 2018 page 5 Wuppertal Institute
Transformationsgeschwindigkeit. Das Ausmaß des Klimawandels hängt von den kumulierten CO2-Emissionen
ab. Je später also der Höchststand der Emissionen überschritten wird, desto schneller müssen die Emissionen
anschließend sinken, um ein bestimmtes Klimaziel zu erreichen. Für die Begrenzung des Klimawandels auf
1,5–2 °C wird hier am Beispiel eines mittleren Emissionsbudgets von 600 Gt CO2 gezeigt, wie sich eine
Rolle der Industrie für den Klimaschutz – Anteil der Industrie an den globalen
und nationalen THG-Emissionen
15/01/2019 page 6 Wuppertal Institute
Sektorale Anteile an der Verursachung von Treibhausgasemissionen Berücksichtigung direkter und indirekter THG-/CO2-Emissionen notwendig Industriesektor der größte Verursacherbereich 15/01/2019 Source: IPCC 2014 page 7 Wuppertal Institute
Sektorale Anteile an der Verursachung von Treibhausgasemissionen
Direkte THG-/CO2-Emissionen der Industrie verantwortlich für 20% der
Gesamtemissionen in Deutschland
Durchschnittliche
Jahreslufttemperatur in Anteile an den THG-
Deutschland Emissionen in Deutschland
C
11 4% 1%
8%
10
Energiewirtsch
9%
40% aft
9 Industrie
Σ 902
8 Mio. t CO2-eq Verkehr
18%
Haushalte
7
Landwirtschaft
6 20%
1881 2017
DWD (2018) UBA (2016)
15/01/2019 page 8 Wuppertal Institute
Direkte Emissionen des Sektors Industrie Stahl-, Chemie- und Zementindustrie sind allein verantwortlich für mehr als 50% der CO2-Emissionen des Sektors 15/01/2019 Source: IPCC 2014 page 9 Wuppertal Institute
Klimaschutz - Sektoranteile an den Treibhausgasemissionen
Hintergrund
Warum ist die
Warum ist Grundstoffindustrie sosowichtig
die Grundstoffindustrie wichtigfür
fürden Klimaschutz
Klimaschutz
5 Grundstoffindustrien emittieren Grundstoffe: Wachstumsprojektion
mehr als 20% der weltweiten (2012 – 2060; 2012 = 100)
Treibhausgasemissionen 200
Cement High value chemicals
Ammonia Crude steel
Paper Aluminum
180
Stahl
25%
!
160
andere
44% Emissionen der
Industrie: 10
Source: own figure, data from IEA ETP 2017
140
Mrd.t CO2
Zement
Papier
19% 120
Alu- 4%
minium Chemie
3% 5% 100
2012
2014
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
2060
Source: own figure based on IEA ETP 2017
11.01.2019 SCI4climate.NRW 1
15/01/2019 Source: IEA ETP 2017 page 10 Wuppertal InstituteTHG-Minderungsoptionen im Bereich der Industrie – weit mehr als “nur”
technologische Verbesserungen der Prozesse
15/01/2019 page 11 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der Treibhausgasemissionen im Industriesektor 15/01/2019 Quelle: IPCC 2014 page 12 Wuppertal Institute
Fünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(1) Steigerung der Energieeffizienz (z.B. Isolierung von Öfen, Kopplung von
Prozessen - Abwärmenutzung, effiziente Antriebe und Pumpen, low carbon
Methodik zum Source-Sink-Matching
Technologien undAnwendungsbeispiel:
Prozesse) Übersicht über die technischen
Nutzungsoptionen
potentielle
Elektroschmelze Wärmesenken in
der Umgebung
Vorwärmen(
des(Prozesses(
Vorheizen(des(Metalls(
Wärme2( Wärmetransport( Speicher( Wärmetransport(
Ofen2/Kühl2( auskopplung(
wasser( Salze! Ohne!Wärmespeicher! Wärmetransport! Verstromung( Stromnetz(
Rauchgas(
Dampfturbine
Schlacke( Wasserdampf! Wärmespeicher!
ORC Fernwärme2(
auskopplung(
Flüssiges
Stahl Alterna1ves!!
(
Übertragungsmedium! Alterna1ve!Wärmespeicher! CHEST
Raumwärme(
Damp>reislauf( Papier2(
! Industrie(
Kältemaschine( Kühlhaus(
20. Sep. 2016 Quelle:Kurzstudie
DLR, WIAbwärme
2016 NRW 20 20
15/01/2019 page 13 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(1) Steigerung der Energieeffizienz (z.B. Isolierung von Öfen, Kopplung von
Prozessen - Abwärmenutzung, effiziente Antriebe und Pumpen, low carbon
Technologien und Prozesse)
• Kurz- bis mittelfristig bestehen im Bereich der Industrie noch
Effizienzsteigerungspotenziale in der Größenordnung von rund 25% (z.B.
durch großmaßstäbliche Umsetzung der Best Available Technology)
• Zusätzliche Maßnahmen zur Verringerung der Energieintensität erfordern
die Umsetzung von innovativen Ansätzen und ggf. Produkt- respektive
Prozessumstellungen (z.B. Alternativen für Zement)
• Für sehr weitgehende THG-Minderungsziele (> > 50%) reichen
Effizienzsteigerungsmaßnahmen allein nicht (!) aus) – breakthrough
technologies oder Wechsel zu strombasierten Prozessen, CCS notwendig
15/01/2019 page 14 Wuppertal InstituteLow Carbon Break Through Technologien für die Industrie
Übersicht über zukünftig anwendbare
TECHNOLOGICAL PATHWAYS Stahlherstellungsverfahren
TO CO2 REDUCTION IN STEEL
- direkter oder indirekter Einsatz von Strom erforderlich
15/01/2019 QUELLE: EUROFER 2018 page 15 Slide | 14
Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(2) Steigerung der Emissionseffizienz (z.B. verstärkte direkte oder indirekte
Elektrifizierung (Power to X), Wechsel von Kohle zu Gas, industrielles CCS, CO2-
Nutzung, synthetische strombasierte Feedstocks PtX/PtC, Solare
Verfahrenstechnik)
Nationale geologische CO2-Speicher- bzw. Lageroptionen
Offshore- CO2-Transport CO2-Zwischen- Kohlekraftwerk Industrie mit
Injektionsanlage des CO2 per Schiff speicher mit CO2-Abtrennung Injektionsanlagen des CO2 CO2-Abtrennung
Tiefe saline Aquifere
Ausgeförderte Erdgas- und Erdöl-Lager
CO2-Pipeline
Tiefe nicht abbaubare
Kohlevorkommen
15/01/2019 page 16 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(2) Steigerung der Emissionseffizienz (z.B. verstärkte direkte oder indirekte
Elektrifizierung (Power to X), Wechsel von Kohle zu Gas, industrielles CCS, CO2-
Nutzung, synthetische strombasierte Feedstocks PtX, Solare Verfahrenstechnik);
Heute:
60 % CO2
Hochofen Kraftwerk
u.a. Strom
Energetische
Konverter
Verwertung Status Quo
Stahl
Kokerei 40 % Produktion CO2
Kuppelgase werden zu
x% werthaltigen Produkten (Carbon
Morgen: Kraftwerk
to Chem Projekt)
Methanol
Hochofen Technologischen
Integration in das bestehende Hüttenwerk
Synthetische
Chemische Grund-lagen sind
Chemie- Kraftstoffe
Verwertung Konverter … bekannt;
y% Anlage
… Industrielle Umsetzung
Kokerei Düngemittel wird entwickelt;
Stahl Planungshorizont 2030
z% Produktion
15/01/2019 page 17 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(2) Steigerung der Emissionseffizienz (z.B. verstärkte direkte oder indirekte
Elektrifizierung (Power to X), Wechsel von Kohle zu Gas, industrielles CCS, CO2-
Nutzung, synthetische strombasierte Feedstocks PtX/PtC, Solare
Verfahrenstechnik);
Das Grundprinzip von Power to X
(vielfältige Anwendungsmöglich-
keiten) für die Bereitstellung von
klimaverträglichen Rohstoffen für die
Sichere, stabile Energieversorgung möglich
Industrie
durch Koppelung der Energienetze
Quelle: Sterner, 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25
15/01/2019 page 18 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(2) Steigerung der Emissionseffizienz (z.B. verstärkte direkte oder indirekte
Elektrifizierung (Power to X), Wechsel von Kohle zu Gas, industrielles CCS, CO2-
Nutzung, synthetische strombasierte Feedstocks PtX/PtC, Solare
Verfahrenstechnik);
Wasserstofferzeugung über
thermochemische Kreisprozesse
führen (durch Einbindung solarer
Hochtemperaturwärme) zu deutlich
geringerem Stromverbrauch im
Vergleich zur Elektrolyse (Beispiel:
hybrider Schwefelsäure-Prozess)
15/01/2019 Source: DLR (Institut für Solarforschung) 2018 page 19 Wuppertal InstitutePtX-Nutzung und Energiewende können Hand in Hand gehen
Elektromobilität und Bereitstellung von synthetischen Kraftstoffen als Option des
Ausgleichs und der intelligenten Nutzung des volatilen Stromangebots
Abschlussbericht Vorprojekt : Strom zu Gas und Wärme -
Entwicklung einer Forschungsagenda für NRW
Flexibilitätsoptionen
kurz-/mittelfristig
• Flexible fossile Kraftwerke (inkl. KWK)
• Flexible EE-Kraftwerke (z.B. Biogas)
• Demand Side Management (inkl. E-Mob)
• Power to Heat
• Power to X (Gas, Kraftstoffe)
• Power to chemicals
fristig
lang-
• Stromspeicher
Abbildung 27: Schematische Darstellung des Gesamtenergiesystems inklusive aller relevanten
Bildquelle: Virtuelles Institut Power to Gas 2015
Technologieklassen für die im Folgenden diskutierten Flexibilisierungsoptionen.
Kapitel 9 stellt im Folgenden fünf beispielhafte technische Systempfade vor, die eine
mögliche Einbettung von PtX Technologien ins Energiesystem darstellen. Die Auswahl dieser
Pfade bietet unterschiedliche Schwerpunktsetzungen und zeigt, dass PtX-Technologien
unterschiedlichste Versorgungsaufgaben erfüllen können. Die Bandbreite erstreckt sich über
den Mobilitätssektor, die Netzdienstleistung (Lastmanagement), die Wärmebereitstellung
(Power-to-Heat), die Einbettung erneuerbarer Energie in der Chemie-Industrie und die
dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung.
In den skizzierten Systempfaden leistet PtX eine Energiespeicher- oder
Energieumverteilungsfunktion und beschreibt somit mögliche Wege der Integration großer
Mengen erneuerbarer Energie in das bestehende Energiesystem.
Alle im Folgenden analysierten Systempfade haben das Potenzial, durch intelligente
Flexibilisierung des Energiesystems eine höhere Ausnutzung der EE-Anlagen zu erzielen.
Bessere Anlagenausnutzungsgrade versprechen erhöhte Wirtschaftlichkeit, stärkere
Durchdringung erneuerbarer Energien in den Markt und somit einen wesentlichen Beitrag
zur Erreichung der oben genannten politischen Ziele.
15/01/2019 Um eine Diskussion und Beurteilung der Systempfade unter Berücksichtigung möglichst page 20 Wuppertal Institute
vieler Sichtweisen und Aspekte zu ermöglichen, wird zu jedem Systempfad eine SWOT-
61Fünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(3) Steigerung der Materialeffizienz
(3a) Materialeffizienz bei Herstellung und Produktion (z.B. Reduktion von
Materialverlusten beim Stanzen und Prägen von Metallteilen, Wiedernutzung von
Stahl ohne neuerliches Einschmelzen, Re-Recycling);
Konzept der Circular Economy inkl. Re-Use und
Re-Cycling
15/01/2019 page 21 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(3) Steigerung der Materialeffizienz
(3a) Materialeffizienz bei Herstellung und Produktion (z.B. Reduktion von
Materialverlusten beim Stanzen und Prägen von Metallteilen, Wiedernutzung von
Stahl ohne neuerliches Einschmelzen, Re-Recycling);
Recycling ist kein Selbstzweck - Anforderungen an Kunststoffprodukte in der
Kreislaufwirtschaft – produktbezogene Bilanzen notwendig!!!
Teppich aus 100 % Teppich aus 50 % primärem Teppich aus 100 % sekundären
primären Nylon und 50 % sekundärem Nylonfasern
Nylonfasern Nylon
Material 9,96 kg 18,05 kg 26,14 kg
Footprint pro (9,10 kg wenn nur die Kernprozesse (8,25 kg wenn nur die Kernprozesse
m² Teppich im Recycling berücksichtigt werden) im Recycling berücksichtigt werden)
15/01/2019 page 22 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(3) Steigerung der Materialeffizienz
(3a) Materialeffizienz bei Herstellung und Produktion (z.B. Reduktion von
Materialverlusten beim Stanzen und Prägen von Metallteilen, Wiedernutzung von
Stahl ohne neuerliches Einschmelzen, Re-Recycling);
(3b) Materialeffizienz durch intelligentes Produktdesign (z.B langlebige, modulare
Produkte, Dematerialisierung);
15/01/2019 page 23 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(4) Steigerung der Produktnutzungseffizienz (z.B. durch intensivere Nutzung: car
sharing, shared economy);
15/01/2019 page 24 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(4) Steigerung der Produktnutzungseffizienz (z.B. durch intensivere Nutzung: car
sharing, shared economy);
Chemical leasing as example for smart
services: The customer pays for the service, for
example, for each square meter of cleaned
surface, and not for the quantity of used
chemicals. Aside from the chemicals, the
manufacturer sells the know-how for an efficient
application of the respective chemicals. As the
turnover is not directly connected to the quantity
of sold chemicals, the leasing company is
interested in a more efficient use of a respective
chemical. Conveyor belt for powder coating, (Source: Copyright by
UNIDO)
Material Efficiency:
Approximately one third of all chemicals used in Austria each year could be saved if
this model was implemented in all suitable sectors.
Source: http://www.ressourceneffizienzatlas.de
15/01/2019 page 25 Wuppertal InstituteFünf zentrale (direkte und indirekte) Optionen für die Minderung der
Treibhausgasemissionen im Industriesektor
(1) Steigerung der Energieeffizienz (z.B. Isolierung von Öfen, Kopplung von
Prozessen - Abwärmenutzung, effiziente Antriebe und Pumpen, low carbon
Technologien und Prozesse);
(2) Steigerung der Emissionseffizienz (z.B. verstärkte direkte oder indirekte
Elektrifizierung (Power to X), Wechsel von Kohle zu Gas, industrielles CCS);
(3) Steigerung der Materialeffizienz
(3a) Materialeffizienz bei Herstellung und Produktion (z.B. Reduktion von
Materialverlusten beim Stanzen und Prägen von Metallteilen, Wiedernutzung von
Stahl ohne neuerliches Einschmelzen);
(3b) Materialeffizienz durch intelligentes Produktdesign (z.B langlebige, modulare
Produkte, Dematerialisierung);
(4) Steigerung der Produktnutzungseffizienz (z.B. durch intensivere Nutzung: car
sharing, shared economy);
(5) Nachhaltige Konsummuster – Reduktion des Dienstleistungsbedarfs (z.B.
Wechsel von individueller Auto-Mobilität zu ÖPNV)
15/01/2019 page 26 Wuppertal InstituteIndustrieproduktion ist kein Selbstzweck Emissionen sind am Ende auf die menschlichen Bedürfnisfelder und Konsummuster zurückzuführen (Saney Diagramm schlüselt globale THG-Emissionen auf) 15/01/2019 Source: IPCC 2014 page 27 Wuppertal Institute
Industrie ist nicht nur Verursacher von THG-Emissionen, sondern leistet über
Produkte auch wichtigen Beitrag zur Emissionsreduktion (ganzheitliche Bewertung
der Emissionen notwendig)
15/01/2019 page 28 Wuppertal InstituteProdukte aus der Industrie mit Minderungsbeitrag bei der Anwendung
Ganzheitliche Bewertung der Emissionsbilanz der energieintensiven Industrie
notwendig (scope 4 Emissionen)
Beispiel: Leichtlaufreifen mit modernen
Komponenten aus der chemischen Industrie
Andere Beispiele:
• Herstellung von Reifen aus Löwenzahn-
Kautschuk (Bsp. Continental)
• Dämmmaterialien aus Zellulose
• CO2-Nutzung (Vorprodukte der
chemischen Industrie)
• Einspeisung grüner Wasserstoff in
Raffinerieprozesse
• Leichtbaumaterialien aus
Faserverbundwerkstoffen oder
Aluminium
• .....
15/01/2019 page 29 Wuppertal InstituteAusblick - Rolle der Minderungsoptionen in der Industrie im globalen und
nationalen Kontext
15/01/2019 page 30 Wuppertal InstituteMitigation wedges comparing RTS and B2DS
Erreichung der globalen Klimaschutzziele erfordert vollständige Palette der
(Quelle: IEA
Vermeidungsoptionen 20
in der 1 7 ) und höhere Innovationsdynamik
Industrie
Beispiel 2 C Klimaschutzszenario (B2DS)
Notwendige Minderung der direkten THG-Emissionen in der Industrie beim Übergang von
Trendentwicklung zur Erreichung des 2° Ziel
15/01/2019 Source: IEA 2017 page 31 Wuppertal Institute
© Fraunhofer ISI
Seite 9Wechselwirkungen im System beachten
Resultierender Strombedarf für eine “All electric World“ in 2050 zeigt zentrale
Bedeutung der Flankierung der Elektrifizierung durch Effizienzsteigerung und
alternative Lösungen (inkl. Import von PtX-Produkten)
3500 Fossil
Energy efficiency matters!!! Feedstock
3000 Other Final
energy
x 1.8 Feedstocks
2500
2000 Industry
!
1500 Transport
x 3.3 (indir.)
1000 Transport
514 (dir.)
TWh Tertiary
500
0
2015 2050, high 2050,
efficiency frozen
15/01/2019 Source: WI 2017 page 32 Wuppertal InstituteErreichung ambitionierter Klimaschutzziele in der Industrie
Vollständige Palette der Vermeidungsoptionen, höhere Innovations-
dynamik und Anpassung der politischen Rahmenbedingungen
§ „Energy efficiency in industry is [more] economically feasible and an
enabler of industrial system transitions but would have to be
complemented with Greenhouse Gas (GHG)-neutral processes or
Efficiency
Carbon Dioxide Removal (CDR) to make energy-intensive industry first!
consistent with 1.5 C (high confidence). {4.3.1, 4.3.4}“
!
§ „Electrification, hydrogen, bio-based feedstocks and substitution, and
in several cases carbon dioxide capture, utilisation and storage Break-through for
1.5°C compatibilty
(CCUS), would lead to the deep emissions reductions required
in energy-intensive industry to limit warming to 1.5 C.“
§ „However, those options are limited by institutional, economic and De-risk investment
and infrastructure
technical constraints, which increase financial risks to many
incumbent firms (medium evidence, high agreement).“
15/01/2019 Source: IPCC 2018 page 33 Wuppertal Institute……. die Energiewende ist ein dynamischer Transformationsprozess 15/01/2019 page 34 Wuppertal Institute
Abschlussbemerkung im Lichte der Komplexität und der Unsicherheiten
Herausforderungen, Chancen und Risiken entwickeln sich mit der Zeit
„Confidence is before you encompass the problem!“
Woddy Alan {American actor}
Source: telegraph.co.uk
15/01/2019 page 35 Wuppertal InstituteHerzlichen Dank für die Aufmerksamkeit
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