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Die Rolle der Energieversorgung in der Industrie 4.0 VGB PowerTech 12 l 2016

Autor

Abstract

The role of energy supply in the industry 4.0

Germany is one of the leading countries with chemical industry in the world. High import and export activities demonstrate the competi-tion situation of the chemical industry. Energy supply is one important parameter for competi-tiveness of the energy intensive chemical indus-try. Secure energy supply offers an advantage but increasing energy costs are a threat for the competitiveness of the chemical industry in Ger-many. The chemical industry has the highest industrial energy demand. During the past dec-ades the chemical industry significantly in-creased its energy efficiency. Production was increased by 60% since 1990 and in the same time the energy demand reduced by 20%. The chemical industry produces heat and a part of its electricity demand in own combined heat and power installations. The chemical industry will also need a competitive energy supply in the future although production increase will be less high. The chemical industry is already able to provide a limited flexibility in electricity con-sumption. Higher flexibility potentials will be offered in the future by the development of chemical storage capacities and of new electric-ity based chemical processes. But this develop-ment will strongly depend on the development of the future energy and climate change regula-tions in Germany and Europe. l

Die Rolle der Energieversorgung in der Industrie 4.0Jörg Rothermel

Dr. Jörg RothermelLeiter der Abteilung Energie, Klimaschutz und Rohstoffe im Verband der Chemischen Industrie e.VFrankfurt am Main, Deutschland

Einleitung

Die Rolle der zukünftigen Energieversor-gung in der Industrie 4.0 wird hier am Bei-spiel der chemischen Industrie in Deutsch-land dargestellt. Die chemische Industrie in Deutschland ist eine der Schlüsselindus-trien für die vernetzten industriellen Wert-schöpfungsketten in Deutschland. Sie lie-fert wichtige Grundstoffe, die in der Wert-schöpfungskette von Weiterverarbeitern bis hin zu den Herstellern von Endkonsu-mer-Produkten genutzt werden. Die Wert-schöpfungskette lebt von den Innovatio-nen, die in der chemischen Industrie ent-wickelt werden. Die chemische Industrie produziert ein breites Spektrum an Produkten, wobei die gesamte chemische Wertschöpfungskette von Petrochemikalien und anorganischen Chemikalien bis hin zu hochspezialisierten Endprodukten wie Spezialchemikalien, Pharmazeutika und Endkonsumer-Produk-ten im Waschmittel-, Pflege- und Kosmetik-bereich vertreten sind. Ein ebenso großer Bereich sind die Polymere, die in unter-schiedlichsten Kunststoffbereichen An-wendung finden. Die chemische Industrie in Deutschland ist eine der wichtigsten In-dustrien in Deutschland. Umsatzbezogen liegt sie nach der Automobilindustrie und dem Maschinenbau an dritter Stelle inner-halb des produzierenden Gewerbes. Be-züglich des Wachstums nimmt sie die vier-te Stelle in Deutschland ein. Charakteris-tisch ist die starke Exportorientiertheit. Seit 1990 haben sich die Exporte mehr als vervierfacht. Auch der Importanteil ist stark gestiegen aber nach wie vor steigt der Handelsüberschuss. Hinsichtlich der öko-nomischen Schlüsselfaktoren bewegt sich die chemische Industrie insbesondere beim Umsatz und der Beschäftigung eher im Durchschnitt des produzierenden Ge-werbes oder unterdurchschnittlich. Deut-lich überdurchschnittliche Faktoren sind Forschung und Entwicklung und Energie. Als energieintensive Industrie ist die che-mische Industrie in besonderer Weise von einer sicheren und wettbewerbsfähigen Energieversorgung abhängig.

Energieverbrauch und Produktion in der chemischen Industrie

Die chemische Industrie in Deutschland ist mit Abstand der größte industrielle Ener-

gieverbraucher. Mit über 53 TWh Strombe-darf und ca. 120 TWh Gasbedarf steht sie mit Abstand an der Spitze des Energiebe-darfs in Deutschland. Kohle und Mineral- ölprodukte spielen mit jeweils rund 1,3 Mio. t Bedarf pro Jahr eine eher unter-geordnete Rolle. Bei den Anteilen am Ener-gieverbrauch des produzierenden Gewer-bes steht die chemische Industrie beim Erdgas mit fast 30 % an der Spitze. Ebenso beim Stromverbrauch mit rund 22 %. Beim Verbrauch von Mineralölprodukten hat die chemische Industrie einen Anteil von 16,5 %. Der hohe Energiebedarf und die damit ver-bundenen Kosten in der chemischen Indus-trie haben schon immer dazu geführt, dass die Effizienz in den Prozessen massiv vor-angetrieben wurde. So hat die chemische Industrie seit 1990 ihre Produktion um rund 62 % gesteigert, dabei aber gleichzei-tig ihren absoluten Energiebedarf um 19 % reduziert. Das führte auch zu einer Reduk-tion der Treibhausgase – hier im Wesentli-chen CO2 und Lachgas – um 47 %. Damit hat sich die Energieeffizienz annährend verdoppelt und die Treibhausgaseffizienz fast verdreifacht.Wichtig für die zukünftige Betrachtung der Energieversorgung in der chemischen Industrie ist vor allem, wie der enorme Strombedarf von knapp 53 TWh gedeckt wird. Dies erfolgt auf zwei Arten. Zum ei-nen hat die chemische Industrie eine nicht unerhebliche Eigenerzeugung fast aus-schließlich in Kraft-Wärme-Kopplungsan-lagen. Die KWK-Anlagen werden in erster Linie betrieben, um den enormen Wärme-bedarf zu erzeugen. Weil es sich aus Effi- zienzgründen anbietet, wird in Kraft- Wärme-Kopplung auch ein Teil des Strom- bedarfs der chemischen Industrie er-zeugt.  Die Gesamteigenstromerzeugung in den Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen der chemischen Industrie bewegt sich seit vielen Jahren in der Größenordnung zwi-schen 12  und 16 TWh. Allerdings wird der Strom nicht vollständig selbst ver-braucht. Der Eigenverbrauch der chemi-schen Industrie von diesem selbst pro- duzierten Strom schwankt je nach Markt-lage und lag im Jahre 2014 bei knapp 10  TWh. Der restliche eigenerzeugte Strom wurde in das Netz eingespeist. Gleichzeitig wurde jeweils das Delta an benötigtem  Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen.

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VGB PowerTech 12 l 2016 Die Rolle der Energieversorgung in der Industrie 4.0

Entwicklung der chemischen Industrie bis 2030

Zur tieferen Beurteilung der künftig not-wendigen Energieversorgung der chemi-schen Industrie ist eine Betrachtung der Produktionsentwicklung der chemischen Industrie in Deutschland erforderlich. In einer aktuellen, von Prognos erstellten Stu-die für die chemische Industrie wurde die Entwicklung national, europäisch und weltweit bis zum Jahre 2030 aufgezeigt. Übergeordnet bleibt festzuhalten, dass neue Produktionskapazitäten der chemi-schen Industrie sowohl im Basischemie- als auch im Spezialitätenchemiebereich drei verschiedenen Trends folgen werden.

Zum einen werden verstärkt Produktions-kapazitäten näher bei der Rohstoffförde-rung angesiedelt. Das sind derzeit die Ölförderzentren im Mittleren Osten, wo heute der reinen Förderung eine weitere Wertschöpfung nachgeschaltet wird. Des-weiteren verschaffen in den USA per Fra-cking gewonnen günstigen Kohlenwasser-stoffe aus Schiefergestein der Chemiein-dustrie eine Renaissance. Auch Brasilien baut weitere Chemiekapazitäten auf.

Weiterhin erfolgt ein massiver Kapazitäts-ausbau in den Wachstumszentren dieser Welt, vor allem in China aber auch verstärk-ter in Indien. Produktionszentren werden aber auch weiterhin dort zu finden sein, wo in innovativen Industrie- und Chemieclus-tern gearbeitet. Das wird vor allem auch in Deutschland und Japan der Fall sein.

Die chemische Industrie wird sich zumin-dest in Deutschland zukünftig stärker auf wertschöpfendere und höherwertigere Spezialchemikalien und Pharmazeutika fokussieren. Diesbezüglich wird sich die Produktionsstruktur insbesondere in Deutschland auch zu weniger energiein-tensiven Produktionen hin verschieben. Haben die Basischemikalien 2013 noch ei-nen Anteil von knapp 34 % an der Gesamt-produktion, wird ihr Anteil im Jahre 2030 auf knapp 28 % sinken. Gleichzeitig wird der Anteil der Spezialchemikalien von 39 % auf knapp 41 % ansteigen. Der größte Wachstumsanteil wird bei den pharmazeu-tischen Chemikalien liegen, die ihren An-teil von heute 27 % auf 31,5 % steigern wer-den. Die Produktion wird insgesamt auch gemäßigt ansteigen und zwar um durch-schnittlich 1,5 % bis 2030.

Bedeutend für die Energieversorgung wird sein, dass energieintensive Basischemikali-en Marktanteile verlieren werden. Gründe dafür sind zum einen höhere Kosten bei Rohstoffen und Energie in Europa. Zum anderen werden verstärkt die effizienteren größeren World-Scale-Produktionskapazi-täten in den sich entwickelnden Ländern betrieben.

Die deutsche Chemie hat bereits einen sehr hohen Exportanteil. Die Exporte aus Deutschland in die Welt werden sich aber

auch weiterhin leicht verstärken. Gleich-zeitig werden aber auch die Importe von 31 % heute auf fast 41 % Anteil im Jahre 2030 steigen. Die Handelsbilanz wird ne-gativ werden. Basischemikalien werden überwiegend nur noch für den eigenen Markt zur Aufrechterhaltung der deut-schen Standorte produziert. Europa, der wichtigste Exportmarkt für Chemiepro-dukte aus Deutschland, wird in den nächs-ten Jahren nur langsam wachsen. Insbe-sondere in den USA wird die Chemiepro-duktion aufgrund des Shalegas-Booms einen starken Auftrieb erhalten und weiter-hin die deutschen Basischemikalien unter Druck setzten. Insgesamt wird der Investmentboom in Chemieanlagen auf der Welt deutlich ab-flachen. Während in den Jahren 2000-2013 der jährliche Anstieg der Investitio-nen in Chemieanlagen noch über 5 % be-trug, werden Investitionen bis 2030 nur noch um 0,7 % pro Jahr steigen. Gründe dafür sind Sättigungstrends für Chemie-produkte in den sich entwickelnden Län-dern, speziell in China, ein niedrigeres Wachstum in den Schwellenländern, das Abflauen des Shalegasbooms in den USA und die Digitalisierung im Rahmen der In-dustrie 4.0. Die Investments in die energi-eintensive Basischemie in Deutschland werden bis 2030 um 0,5 % pro Jahr zu-rückgehen. Während sie heute noch über die Hälfte der Gesamtinvestitionen aus-machen, werden sie bis zum Jahre 2030 auf 45 % sinken. Gründe dafür werden das geringere Nachfragewachstum und auch steigende Planungsunsicherheiten für ent-sprechende Großanlagen sein. Insbeson-dere die alternde Bevölkerung wird die Nachfrage nach pharmazeutischen Pro-dukten befördern. Deswegen werden die Investments in diesem Sektor steigen.Schon wird ein eindeutiger Trend beobach-tet, dass die Investitionen der deutschen Chemieunternehmen im Ausland die In-vestitionen im Inland deutlich übersteigen. Grund dafür sind unter anderem die deut-lich niedrigeren und längerfristig besser kalkulierbareren Energiepreise im Rest der Welt. Die Preisunterschiede gerade im Energiebereich werden dabei nicht mehr durch weitere Energieeffizienzsteigerun-gen aufgefangen werden. Die Energieeffi-zienz wird zwar auch weiterhin leicht um ca. 0,1 % pro Jahr steigen, was aber vor al-lem der Verschiebung des Produktions-portfolios von energieintensiven Basische-mikalien hin zu weniger energieintensiven Spezialchemikalien geschuldet ist. Insge-samt wird der Energiebedarf aufgrund des weiteren Wachstums in etwa auf dem heu-tigen Niveau bleiben.

Industrie 4.0 in der chemischen Industrie

Auch in der chemischen Industrie wird ein deutlicher Trend zu weitere Digitalisierung

zu beobachten sein. Dies wird aber weniger zu einem revolutionären sondern eher zu einem weiter evolutionären Wandel füh-ren. Digitalisierung wird einhergehen mit den ohnehin intensiven Innovationsbemü-hungen und zusammen mit diesen wichti-ge Potenziale zur Verbesserung der Wett-bewerbsfähigkeit der chemischen Produk-tion heben. Die Nutzung von digitalisierten Informations- und Kommunikationssyste-men ist in der chemischen Industrie kein neues Phänomen sondern bereits seit Jahr-zehnten in der gesamten Wertschöpfungs-kette von der Forschung und Entwicklung über die Produktion und Instandhaltung bis hin zur Logistik etabliert. Was wird Industrie 4.0 für die chemische Industrie bedeuten? In der Produktion wird der Weg noch stärker weg von linea-ren Wertschöpfungsketten hin zu intergier-ten Wertschöpfungsnetzen, über individu-elle Produktionsanlagen und Unterneh-men hinaus, weiter führen. Es werden auch in der Chemie neue Geschäftsmodelle ent-stehe, die sowohl Chancen als auch Risiken bergen. Bereiche in denen verstärkt Digita-lisierung und Vernetzung zum Tragen kommen wird, sind vorausschauende In-standhaltung der Anlagen, Logistik und Einkauf, Produktion von Materialien für den 3D-Druck, modulare Produktionsein-heiten. Aber auch entsprechende Entwick-lungen in den Märkten, wie die Digitalisie-rung in der Landwirtschaft in die wichtige Produkte geliefert werden und stärker per-sonalisierte digitalisierte Medizin werden Auswirkungen auch auf die Chemiepro-duktion haben. Der Energiebedarf für die weiterhin energieintensive Produktion wird insgesamt weniger durch die Digitali-sierung beeinflusst. Hier werden aber si-cherlich die Möglichkeiten für ein besseres Management von Energie- und hier vor-nehmlich Stromangebot und Stromnach-frage eine Rolle spielen.

Chemische Industrie und Energieversorgung der Zukunft

Die Rolle der chemischen Industrie in der künftigen Energie- und vor allem Strom-versorgung wird sich in erster Linie bei der Stabilisierung des Versorgungssystems und der Netze vor dem Hintergrund einer immer volatileren Stromversorgung durch erneuerbare Energien zeigen. Hier wird die Digitalisierung im Rahmen einer Entwick-lung hin zur Industrie 4.0 auch eine wich-tige Bedeutung haben. Schon heute spielt ein bereits vorhandenes Flexibilitätspotenzial der energieintensi-ven Produktionen in der Chemie eine Rol-le, um auf ein stark schwankendes Angebot von Strom im Netz innerhalb eines intelli-genten Demand Side Managements zu re-agieren. Mittelfristig werden die Produkte der chemischen Industrie für Energiespei-cher zwangsläufig immer bedeutender werden. Längerfristig gesehen werden die

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Die Rolle der Energieversorgung in der Industrie 4.0 VGB PowerTech 12 l 2016

Möglichkeiten über neue chemische Pro-zesse bis hin zur Nutzung von Kohlendio-xid als Rohstoff, bei der regenerativ er-zeugter Wasserstoff ein unabdingbarer Cofaktor darstellt, stark an Bedeutung ge-winnen.

Die chemische Industrie hat als stromin-tensive Industrie ein nicht unerhebliches Potenzial an begrenzt flexiblem Stromver-brauch, das im Rahmen eines Demand Side Management genutzt werden kann. Alleine in die Chlor-Alkali-Elektrolysean-lagen fließen jährlich 11 TWh Strom. Diese Anlagen ziehen insgesamt eine Leistung von 1.250 MW über 8.500 Betriebsstun-den aus dem Netz. Davon könnten heute technisch ca. 600 MW in ein Demand Side Management eingebracht werden. Aller-dings liegt das ökonomisch erschließbare Potenzial unter den heutigen Bedingun-gen deutlich niedriger. Entscheidend da-für sind vor allem die Regulierungskosten. Hinzu kommt ein Trade off zwischen Fle-xibilität, die der Netzstabilität nutzt und der Effizienz der Anlagen. Am effizientes-ten arbeiten die Anlagen nahe an ihrer Ka-pazitätsgrenze, also bei über 90 % der ins-tallierten Kapazität. Durch Ab- und an-schließende Anfahrvorgänge sinkt die Gesamteffizienz der Anlage deutlich. Dies hat zum einen erhebliche wirtschaftliche Konsequenzen. Zum anderen entsteht hier ein Zielkonflikt bezüglich der immer stär-ker werdenden politischen Vorgaben zur Steigerung der Energieeffizienz. Mit höhe-rer Flexibilität steigen schließlich auch die Kosten für Investitionen in zusätzliche Produktionskapazitäten wie auch Kosten für nicht getätigte Produktion hinzu.

Neben dem Potenzial der Chloralkalielek-trolysen wird zukünftig auch ein weiteres bedeutendes Potenzial im Bereich der Wär-meerzeugung in der chemischen Industrie zu erschließen sein. Bislang wird der enor-me Wärmbedarf der chemischen Produkti-on ausschließlich über in der Regel gasbe-feuerte Heizkessel bzw. in Kraft-Wär-me-Kopplungsanlagen gedeckt. Alternativ sind, im Rahmen einer echten Sektorkopp-lung auch Tauchsieder nutzbar, die im fle-xiblen Wechsel, je nach Stromangebot, mit gasbefeuerten Anlagen betrieben werden können. Derzeit ist jedoch Wärmeerzeu-gung auf elektrischer Basis im Vergleich zu gasbasierten Wärmeerzeugung völlig un-wirtschaftlich, zumindest solange die vol-len Steuern und Umlagen, insbesondere die EEG-Umlage, auf den Strompreis erho-ben werden.

Die Chemische Industrie wird mittelfristig eine wichtige Rolle im Bereich der Speiche-rung von Elektrizität spielen. Schon heute

kommt keine Batterietechnologie ohne die speziellen Komponenten aus der chemi-schen Industrie aus. Batterien sind mit ih-rem begrenzten Speicherpotenzial aller-dings nur für die Kurzzeitspeicherung hilf-reich. Wirkliche Massenspeicher werden künftig nur auf Basis chemischer Speicher arbeiten können. Hier bietet sich jegliche Form von „Power to Chemicals“- Technolo-gie an, die heute schon in Form von Elekt-rolyse-Wasserstoff eine gewisse Rolle spielt. Wasserstoff selbst, wie auch die nächste chemische Stufe das Methan, sind derzeit die einzigen vernünftigen und si-cherlich langfristig kosteneffizienten Spei-chertechnologien für größere Energiemen-gen. Sie sind in großen Mengen und auch über längere Zeit verlustfrei speicherbar. Insbesondere Methan kann in üblicher Weise wieder rückverstromt und damit als echter, bzw. direkter Stromspeicher ge-nutzt werden. Wasserstoff bietet über die Herstellung von Methan hinaus eine Vielzahl andere Ver-wendungsmöglichkeiten, die das Potenzial für eine Sektorkopplung deutlich erwei-tern. Neben der Nutzung zur Herstellung von Brenn- und Treibstoffen kann Wasser-stoff direkt auch rückverstromt werden und zur Wärmeerzeugung eingesetzt wer-den. Schon heute ist Wasserstoff zudem eine wichtige Basischemikalie für die che-mische Industrie z.B. zur Herstellung der Massenchemikalie Ammoniak. Dabei wird der heute verwendete Wasserstoff fast voll-ständig aus Methan unter Freisetzung von Kohlendioxid gewonnen. Die Palette der Nutzungsmöglichkeiten zur Herstellung chemischer Produkte wird da-bei in Zukunft noch deutlich erweitert wer-den. Zukunftsmusik, aber sicherlich aus verschiedenen Gründen die ultimative Technologie, wird die Nutzung von Elekt-rolyse-Wasserstoff in der Sektorkopplung mit der chemischen Industrie zur Nutzung von Kohlendioxid als alternative Kohlen-stoffquelle zu Erdölprodukten sein. Um Kohlendioxid als Rohstoff nutzen zu können und das für Chemieprodukte notwendige Verhältnis von Kohlenstoff und Wasserstoff herstellen zu können, wird ein hochenerge-tischer Cofaktor wie Wasserstoff benötigt. Zu der erheblichen Bedeutung für die Stromwirtschaft würde diese Technologie auch den Weg zu einer Treibhausgas ärme-ren chemischen Industrie öffnen.

Politische Rahmenbedingungen

Deutschland bietet nach wie vor noch in der Gesamtbetrachtung der Faktoren ak-zeptable Standortbedingungen für die

energieintensive chemische Industrie. Ins-besondere die gute Infrastruktur, die her-vorragenden Bedingungen im Forschungs- und Entwicklungsbereich und sehr gut ausgebildete Arbeitskräfte bieten nach wie vor Vorteile gegenüber anderen Regionen in der Welt. Aber insbesondere die immer schlechter werdende Wettbewerbsfähig-keit durch steigende bzw. nicht mehr dau-erhaft kalkulierbare Energiekosten vor al-lem aufgrund der steigenden Zahl von energie- und klimapolitischen Regelungen setzt die langfristige Planungssicherheit für Investitionen vor allem in energiein-tensive Basischemieproduktion immer weiter herab. Alleine die staatlich indu-zierten Kosten durch Aufschläge aus dem EEG und dem Emissionshandel bedeuten für manche Unternehmen Zusatzkosten für Strom, die über den vollen Stromkos-ten an anderen Standorten in Europa oder außerhalb Europas liegen. Die Diskussio-nen zur Revision des EU-Emissionshandels auf europäischer Ebene, zur künftigen Energiebesteuerung in Deutschland, die weiter steigende EEG-Umlage, die drohen-de Zahlung der EEG-Umlage für Unterneh-men oder die im Klimaschutzplan 2050 vorgestellten Maßnahmenvorschläge las-sen hier für die Zukunft zumindest keine Besserung bei den Rahmenbedingungen erwarten.

Fazit und Zusammenfassung

Die chemische Industrie in Deutschland ist eine der Schlüsselindustrien. Sie hat den höchsten industriellen Energiebedarf sowohl in Form von Elektrizität als auch Wärme. Bei leichtem weiteren Wachstum und leichter weiterer Effizienzverbesse-rung wird der Energiebedarf der chemi-schen Industrie bis 2030 in Deutschland in etwa konstant bleiben. Die Entwicklun-gen hin zur Industrie 4.0 werden auch für die chemische Industrie Chancen bieten: Für eine noch effizientere Produktion, für ein noch besseres Energiemanagement hinsichtlich Angebot und Nachfrage und dahingehend, dass die chemische Indust-rie noch mehr zur Stabilisierung des Net-zes bei steigender volatiler Versorgung beitragen kann. Um auch weiterhin am Standort Deutschland wettbewerbsfähig arbeiten zu können und die zuvor ge-nannten Chancen nutzen zu können be-nötigt die chemische Industrie wie aller anderen energieintensiven Industrien entsprechende politische Rahmenbedin-gungen, die wettbewerbsfähige Energie-preise ermöglichen und damit zu einer besseren Langfristplanung für Investitio-nen beitragen. l

 

 

 

 

 

 

 

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