Wie Spitzenforschung die Vision einer klimaneutralen Industrie vorantreibt

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Um CO2-Emissionen in der Produktion zu reduzieren, entwickeln Unternehmen und Forschungsinstitute industriespezifische Technologien. Wie energieintensive Industriebereiche dekarbonisiert werden können, erklärt Uwe Riedel, kommissarischer Leiter des DLR-Instituts für CO2-arme Industrieprozesse.

Herr Riedel, die deutsche Industrie steht vor der Herausforderung, die CO2-Emissionen in ihren Prozessen in den kommenden Jahren deutlich zu reduzieren. Ist eine nahezu CO2-freie Industrieproduktion auf dem heutigen Niveau technisch machbar?

Es liegen noch Forschungs- und Entwicklungsarbeiten vor uns, um dekarbonisierte Produktionsprozesse zu erreichen. Wir haben noch nicht für alle Industriebereiche spezifische Technologien, um möglichst schnell zu einer CO2-Reduktion zu kommen. Durchbrüche brauchen wir dort, wo es darum geht, neue Technologien auf Industriemaßstab zu skalieren. Und auch auf der Seite der Energiebereitstellung, denn wir können heute nicht davon ausgehen, dass wir in Deutschland autark genug Strom aus regenerativen Energien erzeugen können, um den Bedarf der Industrie und anderer Sektoren in der Zukunft zu decken. Um die Versorgungssicherheit künftig gewährleisten zu können, müssen wir erforschen, wo dieser Strom am besten produziert wird und in welcher Form er zu uns gelangt. Eine Überlegung ist zum Beispiel, den Strom in sonnenreichen Ländern zu erzeugen und vor Ort in Wasserstoff oder andere Energieträger umzuwandeln, die dann zu uns transportiert werden. Wasserstoff wird ein Schlüsselelement unserer Energieversorgung sein. 

Welche Technologien werden benötigt, um dem Ziel CO2-armer Industrieprozesse möglichst schnell näher zu kommen?

Da gibt es zwei große Baustellen: Zum einen müssen wir die CO2-Emissionen verringern, die mit dem Strom- und Wärmebedarf verknüpft sind, indem wir auf regenerativen Strom – hauptsächlich aus Sonne und Wind – umsteigen. Zum anderen müssen wir die CO2-Emissionen verringern, die mit den prozessbedingten Emissionen aus den Industrieprozessen verknüpft sind, indem wir zu kohlenstoffärmeren oder kohlenstofffreien Herstellungspfaden wechseln. Das klassische Beispiel ist die Stahlherstellung. Hier geht es im ersten Schritt um die Reduktion von Eisenoxid, die heute im Hochofen stattfindet. Dabei entstehen sehr hohe CO2-Emissionen. Mit der Umstellung auf Wasserstoff-Direktreduktion fällt im Prozess statt Kohlenstoffdioxid nur Wasserdampf an.

Das heißt, jede Industrie muss für ihre Verfahren einen eigenen Weg finden. Wo sehen Sie den größten Forschungsbedarf?

Die Lösungen werden ganz sicher branchen- und sektorspezifisch sein müssen. Wir haben in den Industrien hochintegrierte Prozesse und jede Änderung hat unmittelbare Auswirkungen auf andere Prozessbereiche. Und die Emissionen, die im Zusammenhang mit dem Rohstoffeinsatz entstehen, können nur durch eine Änderung der Prozesse verringert werden. Was aber generell für alle Branchen gilt: Selbst wenn wir davon ausgehen, ausreichend grünen Strom zur Verfügung zu haben, ist die Wärmeerzeugung aus Strom nicht sehr effizient. Hier können Hochtemperatur-Wärmepumpen helfen, ein wichtiger Baustein der Energiewende und zur Effizienzsteigerung der Energiewandlungsprozesse. Allerdings gibt es aktuell noch zwei Technologielücken: Die Wärmepumpen müssen Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius erreichen, um in Hochtemperaturprozessen der Papier-, Kunststoff- und Chemieindustrie nutzbar zu sein. Einzelne bisherige Modelle kommen auf bis zu 150 Grad. Auch die Leistung muss deutlich steigen. Bisher liegt sie im Bereich von zehn Kilowatt, die Industrie benötigt aber den Megawatt-Bereich.

 

Die Lösungen werden ganz sicher branchen- und sektorspezifisch sein müssen.

Welche Aufgabe im Forschungsumfeld nimmt Ihr Institut wahr?

Wir entwickeln neuartige Hochtemperaturwärmepumpen, um die Effizienz von Strom-Wärme-Konzepten zu steigern und die bisher bestehende Temperatur- und Leistungslücke zu schließen. Unsere Wissenschaftler entwickeln zudem digitale Zwillinge von Industrieprozessen, um anhand der Computermodelle Optimierungspotenziale aufzeigen zu können. Außerdem forschen wir an alternativen Produktionsverfahren zur Minderung der prozessbedingten Emissionen zum Beispiel an der genannten Direktreduktion mit Wasserstoff in der Stahlherstellung sowie am Einsatz von Brennstoffen aus regenerativen Quellen in der Zementherstellung. Mit den drei Forschungsfeldern haben wir eine gute Kombination zusammen, um branchenspezifische Lösungen zu entwickeln und wirklich einen Schritt weiter zu kommen. Wir beginnen mit wenigen spezifischen Beispielprozessen. Es ist natürlich unsere Aufgabe, typische Muster, verallgemeinerungsfähige Grundbausteine und Methoden – Prozesssimulation und deren Bewertung – zu entwickeln, welche auf andere Anwendungsbeispiele effizient übertragen werden können.

Was sind die größten Herausforderungen, die darüber hinaus noch gemeistert werden müssen?

In vielen Fällen gibt es bereits CO2-ärmere oder gar CO2-freie Produktionsprozesse, aber sie sind mit der konventionellen Produktionstechnologie nicht konkurrenzfähig, weil sie einfach aktuell noch zu teuer sind. Wir brauchen also nicht nur technologische Durchbrüche, sondern wir müssen uns auch sehr stark darum kümmern, wie man die neuen Technologien skalieren kann, um sie wirklich in großen Industriebetrieben wirtschaftlich einsetzen zu können.

Das heißt, es gibt bereits technische Lösungen, die aber eventuell nicht tauglich sind, um sie großindustriell einzusetzen?

Ja, so ist es. Ob Lösungen tauglich sind, ist ja keine rein technische Frage. Es geht auch darum, was der Kunde bereit ist zu bezahlen. Wir müssen uns entscheiden, welchen Dekarbonisierungsgrad wir erreichen möchten; dafür brauchen wir einen Konsens. Davon hängt es ab, zu welchem Preis wir bestimmte Produkte herstellen können. Je nach Industriezweig ist die Konkurrenz international sehr groß und steigende Kosten können dann natürlich auch Geschäftsmodelle gefährden.

Die Ablösung der bestehenden durch CO2-neutrale Produktionsverfahren wird es nicht zum Nulltarif geben.

Das berücksichtigen Sie bei Ihren Forschungen?

Die Wirtschaftlichkeit denken wir immer mit. Das ist zwar nicht die Grundaufgabe der technischen Entwicklung, aber wenn wir neue Herstellungsprozesse erfolgreich einführen wollen, spielt natürlich auch der Preis eine Rolle. Der muss konkurrenzfähig sein.

Welchen Beitrag erwarten Sie von Industrie und Politik, um das Ziel einer CO2-armen Industrie zu erreichen?

Die Ablösung der bestehenden durch CO2-neutrale Produktionsverfahren wird es nicht zum Nulltarif geben. Die Anlagen, die heute laufen, sind mit hohen Kosten erstellt worden und haben eine lange Lebensdauer. Sie lassen sich nur schwer umrüsten. Und auch Parallelstrukturen – egal ob Energiesysteme oder Industrieprozesse – sind teuer und nicht wirklich effizient. Insofern müssen wir in der Industrie, Gesellschaft und Politik gemeinsam eine Lösung finden, welche Unterstützung die Industrie bekommt, um den Übergang zur dekarbonisierten Produktion zu stemmen. 

Auch in anderen Ländern wird an CO2-armen Industrieprozessen geforscht. Wo steht Deutschland im internationalen Vergleich?

Wenn wir die Entwicklung der Industrieprozesse betrachten, sehe ich neben Deutschland auch viele Aktivitäten in Japan, Australien und den USA. Wir sind vorne mit dabei, da bin ich sicher, weil wir über eine hohe Innovationsfähigkeit und gute Fachkräfte verfügen. Ich sehe allerdings die Gefahr, dass Industrieprozesse oder Teile davon in die Länder abwandern, wo der Strom aus regenerativen Energien besonders günstig produziert werden kann, zum Beispiel in den sonnenreichen. Wir müssen auf unser deutsches Know-how setzen und es durch eine gute Ausbildung auch für die Zukunft sichern, um die jungen Leute mit dem erforderlichen Wissen für die Industrieanlagen und Energiesysteme der Zukunft auszustatten. Übrigens könnte auch die Geschwindigkeit, mit der wir in neue Technologien einsteigen, entscheidend sein. Wir dürfen nicht zu viel „German Angst“ entwickeln.

Uwe Riedel ist kommissarischer Leiter des 2019 neu gegründeten DLR-Instituts für CO2-arme Industrieprozesse. Als promovierter Physiker hat er an der Universität Heidelberg in Physikalischer-Chemie habilitiert und ist Professor an der Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik der Universität Stuttgart. © DLR Frank Eppler