Klimaneutrale Industrie

In der Neutralität liegt die (Wirtschafts-) Kraft

Klimaschutz und Wirtschaft sind Konkurrenten und Treibhausgase sind zu nichts zu gebrauchen. Von diesen Vorurteilen können wir uns getrost verabschieden – das zeigen uns die Aktivitäten zur klimaneutralen Industrie in Nordrhein-Westfalen. Die Oberfläche der Sonne hat eine Temperatur von etwa 5.500 °C. Im Inneren einiger nordrhein-westfälischer Industrieanlagen herrschen Temperaturen von bis zu 3.600 °C. Dort wird Stahl hergestellt. Auch um Glas zu schmelzen oder neues, noch nasses Papier zu frischen Bögen zu trocknen, braucht es immens hohe Temperaturen. Diese lassen sich nur mit sehr viel Energie erzeugen.

Unternehmen, die mit solch hohen Temperaturen arbeiten, werden deshalb als „energieintensive Industrie“ bezeichnet. Zusätzlich zur Stahl-, Chemie-, Glas- und Papierbranche zählen dazu zum Beispiel auch Unternehmen, die Zement oder Aluminium herstellen. In Nordrhein-Westfalen ist ein Großteil der deutschen energieintensiven Industrie zu Hause. Sie hat sich traditionell dort niedergelassen, wo Energie in großen Mengen verfügbar ist, nämlich in der Nähe der Kohlekraftwerke. Heute bilden die energieintensive und die nicht energieintensive Industrie aus Nordrhein-Westfalen zusammen eine der stärksten Industrieregionen Europas. Sie produzieren die Grundstoffe für unsere Infrastrukturen und Konsumgüter, sie stehen für hohe Qualität und sie erwirtschaften rund 20 Prozent des gesamten deutschen Industrieumsatzes. 


1,37 Millionen
Zahlen bitte

Nicht umsonst hat die Industrie in Nordrhein-Westfalen einen besonders hohen Stellenwert: Mehr als 1,37 Millionen Menschen arbeiten hier in über 10.000 Industriebetrieben. Damit ist die Industrie einer der größten Arbeitgeber im Land und trägt maßgeblich zum Bruttoinlandsprodukt von Nordrhein-Westfalen bei.

Industrielle Energieversorgung in der Energiewelt von morgen

Als Arbeitgeber und Wirtschaftsfaktor ist die Industrie also wesentlich. Und genauso wesentlich ist die Industrie, wenn es um das Erreichen von Klimaschutzzielen geht. Denn wenn die industriellen Produktionsprozesse so umgestellt werden können, dass sie nicht mehr auf Kohle und fossilen Kraftstoffen basieren, dann reduziert sich der Ausstoß von Treibhausgasen in die Atmosphäre maßgeblich – dann ist ein großer Schritt in Richtung Zukunft getan.

Das Ziel ist es deshalb, die energieintensive Industrie in Nordrhein-Westfalen zu halten und sie gleichzeitig in eine klimaneutrale Industrie zu transformieren. Klimaneutral heißt nicht emissionsfrei. Auch bei klimaneutralen Produktionsprozessen können Treibhausgase wie CO2 ausgestoßen werden. Klimaneutral bedeutet aber, dass die gleiche Menge an Treibhausgasen, die ausgestoßen wird, an einer anderen Stelle im Prozess gebunden, das heißt idealerweise aus der Atmosphäre entnommen wird. Insgesamt ist die Treibhausgasbilanz dann neutral. Klimaneutral. Für unsere zukünftige Industrielandschaft spielen also nicht nur emissionsfreie Energieträger wie Wasserstoff oder erneuerbare Energiequellen eine Rolle, sondern auch Konzepte, die auf dem Energiepotenzial von Treibhausgasen basieren.

© COVESTRO
Im Projekt Carbon-to-Chem nutzt die Firma Covestro im Chemiepark Dormagen CO2 für die Produktion von Schaumstoffen.

Hand in Hand für Wirtschaft und Klimaschutz

Die Umstellung auf klimaneutrale Produktionsprozesse und Herstellungsverfahren ist eine große Herausforderung. Dafür wurde von der Landesregierung Nordrhein-Westfalens im September 2018 die Initiative IN4climate.NRW gegründet. IN4climate.NRW versteht sich als Kooperationsplattform für Industrie, Wissenschaft und Politik, in der Strategien und Lösungen für Klimaneutralität in der Industrie entwickelt werden. Von politischer Seite können geeignete Infrastrukturen und Rahmenbedingungen geschaffen werden. Die Industrie beteiligt sich mit derzeit 35 Partnern aus der energieintensiven Industrie und Verbänden an IN4climate.NRW und lädt andere Industriebranchen ein, den Wandel hin zur klimaneutralen Industrie aktiv mitzugestalten. Aus der Wissenschaft sind sechs Forschungsinstitute beteiligt, geleitet durch das Wuppertal Institut. Sie begleiten die Initiative unter dem Titel SCI4climate.NRW als wissenschaftliches Kompetenzzentrum.

Insgesamt steht IN4climate.NRW damit für eine entscheidende Botschaft: Erfolgreiche Klimaschutzkonzepte und -technologien sind gefragte Produkte. Klimaschutz und Wirtschaft sind keine Gegensätze, sondern vielmehr das Fundament und der Motor für Wohlstand, heimische Wertschöpfung und Arbeitsplätze.

Interview mit Samir Khayat und Prof. Dr. Stefan Lechtenböhmer
„Veränderungen klug und fair gestalten“

© IN4climate.NRW

Samir Khayat ist Geschäftsführer von IN4climate.NRW und arbeitet an der Vision einer klimaneutralen und ressourcenschonenden Grundstoffindustrie.

© Wuppertal Institut

Prof. Dr. Stefan Lechtenböhmer gestaltet die Arbeiten von IN4climate.NRW aus der wissenschaftlichen Perspektive über SCI4climate.NRW mit. Er ist außerdem Leiter der Abteilung „Zukünftige Energie­ und Industriesysteme“ am Wuppertal Institut und erforscht unter anderem Langfristszenarien einer CO2­armen Gesellschaft.

Nordrhein-Westfalen ist die industrielle Kernregion Deutschlands und eine der stärksten Industrieregionen Europas. Besonders die energieintensive Industrie ist stark in Nordrhein-Westfalen verankert. Da energieintensive Industrieprozesse mit einem hohen Ausstoß an Treibhausgasen einhergehen, stehen hinsichtlich Klimaneutralität gerade in diesem Bereich tiefgreifende Transformationsprozesse an. Diese Transformation insgesamt zu unterstützen, ist eine wichtige Aufgabe der Energieforschung.

Der europäische Green Deal ist besonders wichtig, da er die mittel- und langfristige Richtung vorgibt und damit für Orientierung sorgt. Gerade in Nordrhein-Westfalen als Zentrum der energieintensiven Grundstoffindustrie können Klimaneutralität und Ressourcenschonung zum Innovationsmotor werden und damit gleichzeitig den Standort sichern und neue Geschäftsfelder im Rahmen einer nachhaltigen Grundstoffproduktion schaffen. Durch eine intensive und zielgerichtete Vernetzung kann Nordrhein-Westfalen so zur ersten nachhaltigen Industrieregion weltweit werden – und damit zu einem Vorbild und einem Exporteur nachhaltiger, klimaneutraler Industriestrukturen.

Europäischer Green Deal

Die Europäische Kommission hat im Dezember 2019 den European Green Deal vorgestellt, mit dessen Hilfe Europa bis zum Jahr 2050 klimaneutral werden soll. Hierfür wurden zahlreiche Investitions-, Gesetzes- und Strategiemaßnahmen entwickelt, um die Wirtschaft nachhaltiger zu gestalten und den natürlichen Lebensraum zu schützen.

Welche Bedeutung hat Wasserstoff für eine klimaneutrale Industrie?

Khayat: Eine klimaneutrale Industrie ist ohne Wasserstoff nicht denkbar. Strom aus erneuerbaren Energiequellen lässt sich nicht nur dafür nutzen, Industrie und Gesellschaft mit Elektrizität zu versorgen, sondern er kann auch für die Herstellung von Wasserstoff eingesetzt werden. Die erneuerbare Energie wird also zu einer chemischen Energie in Form des Wasserstoffmoleküls umgewandelt. Dieser erneuerbar hergestellte – „grüne“ – Wasserstoff ist ein vielfältig einsetzbarer Energieträger und auch ein chemischer Langzeitspeicher von erneuerbarer Energie.

Lechtenböhmer: Ausreichend verfügbare Energie aus erneuerbaren Quellen ist eine der zentralen Voraussetzungen für eine klimaneutrale Industrie. Die Industrie wird in Zukunft voraussichtlich vor allem mit elektrischer Energie und mit grünem Wasserstoff versorgt werden.

Khayat: Wasserstoff ist zudem ein wichtiger Baustein für die Herstellung chemischer Grundstoffe, wie in der Stahl- oder Glasindustrie.

Lechtenböhmer: Ein weiterer wichtiger Vorteil von Wasserstoff liegt im Bereich Infrastruktur: Werden für die Versorgung großer Industrieverbraucher großflächig Wasserstoffpipelines aufgebaut, so würde die Energieversorgung einerseits vielfältiger und durch die Potenziale der Energiespeicherung in Wasserstoff andererseits flexibler. Für solche Wasserstoffpipelines könnte unter anderem auf Teile der bisherigen Erdgasinfrastruktur zurückgegriffen werden, sodass keine vollständige Neuerrichtung notwendig wäre.

Wie kann die Energieforschung den Weg hin zu einer klimaneutralen Industrie ebnen?

Khayat: Einige der Technologien, die wir für die Transformation zu einer klimaneutralen Industrie benötigen, sind bereits gut erforscht und haben einen hohen technologischen Reifegrad. Solche Technologien, zu denen zum Beispiel die Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung zählt, müssen nun in großem Maßstab und für die industrielle Produktion aufgebaut werden. Daneben gibt es viele Verfahren in mittleren Technologiereifegraden. Damit auch diese Technologien in Zukunft erfolgreich eingesetzt werden können, müssen insbesondere anwendungsorientierte Forschung und Industrie eng zusammenarbeiten.

Lechtenböhmer: Meist geht es um die Frage, wie die energetische und stoffliche Basis industrieller Prozesse von fossilen Rohstoffen auf erneuerbare Quellen umgestellt werden kann. Dies sind klassische Themen der Energie- und Verfahrensforschung, deren Fokus sich aber deutlich von Kohlenstoffhaltigen Energien auf elektrisch- bzw. Wasserstoff-basierte Verfahren verschiebt. Auch der Aufbau von neuen und der Ausbau von bestehenden Infrastrukturen sowie zum Teil völlig neue Lieferketten bei gleichzeitiger Versorgungssicherheit sind zu erforschen. Zugleich sind die fossilbasierten Produktionsverfahren heute noch deutlich kostengünstiger als die klimaneutralen Alternativen. Das ist problematisch für die Grundstoffindustrien, die sich im internationalen Wettbewerb behaupten müssen. Die Kosten zu reduzieren und gleichzeitig Leitmärkte für grüne Produkte zu schaffen, sind daher vordringliche Forschungsthemen.

Wir brauchen eine starke anwendungsorientierte und disziplinübergreifende Forschung zu Energiesystemanalyse und Transformationsforschung. Diese sollte insbesondere auch die gesellschaftswissenschaftlichen Disziplinen mit einbeziehen. So können die Industrietransformation konzipiert und ihre Realisierbarkeit durchgespielt werden, Politikinstrumente und Geschäftsmodelle entwickelt und erprobt werden, geo- und klimapolitische Aspekte einbezogen werden und die Transformation gesellschaftlich durchdacht und positiv etabliert werden.

Welcher Bereich der Energieforschung beeinflusst den anstehenden Transformationsprozess in der Industrie am meisten?

Khayat: Von besonderer Bedeutung wird es sicher sein, industrielle Prozesswärme über erneuerbare Energien bereitzustellen. Einen weiteren Schwerpunkt sehe ich in der Steigerung von Energieeffizienz in Verbindung mit künstlicher Intelligenz und optimierter Sensorik.

Lechtenböhmer: Wir benötigen beides: technisch-naturwissenschaftliche Erkenntnisse, um die industriellen Verfahren noch grüner und erfolgreicher zu machen, und genauso auch Forschung, durch die wir die technischen Fähigkeiten in nachhaltige Wirtschafts- und Geschäftsmodelle umsetzen können. Dabei dürfen wir nicht vergessen, auch die Menschen mitzunehmen.

Wie können Ergebnisse der Energieforschung heute in die Anwendung kommen? Was sind vielleicht (abbaubare) Hemmnisse?

Lechtenböhmer: Um das Klima zu schützen, muss die Transformation von Energiesystem und Industrie massiv beschleunigt werden. Dafür müssen Wirtschaft, Wissenschaft, Politik und Gesellschaft eng zusammenarbeiten. Es braucht gemeinsame Visionen.

Khayat: Grundsätzlich mangelt es nahezu allen klimaneutralen Verfahren an einem tragfähigen Geschäftsmodell. Vor allem die Betriebskosten der neuen Prozesse sind nicht wirtschaftlich. Solche Projekte sind daher über längere Zeiträume auf staatliche Beihilfen angewiesen. Um die Finanzierung der Mehrkosten von Investition und Betrieb langfristig sichern zu können, sollten die EU-Beihilferichtlinien auf Klimaneutralität ausgerichtet werden.

Leuchtturmprojekte

Diese Projekte aus Nordrhein-Westfalen zeigen schon heute, wie die Transformation hin zur klimaneutralen Industrie gelingen kann.

Stahlproduktion: Wasserstoff ersetzt Kohlenstaub

Die Stahlproduktion hat ihre Emissionen in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich gesenkt. Die kohlebasierte Route wurde nah an ihr theoretisches Optimum herangeführt. Deswegen ist ein Technologiewandel nötig, um die Stahlherstellung klimaneutral aufzustellen. Dabei im Mittelpunkt: Wasserstoff. In Duisburg wird dessen Einsatz im Hochofen bereits getestet.

Im Hochofen findet der erste Schritt auf dem Weg zum Stahl statt. Dort wird dem Eisenerz Sauerstoff entzogen, traditionell mit Hilfe von Kohlenstoff. Unter anderem wird der Kohlenstoff in Form von Kohlestaub in den Ofen eingeblasen. Die Folge: Es entsteht CO2. Mit dem Projekt H2BF erforscht thyssenkrupp Steel in Duisburg neue Wege, um diese CO2-Emissionen zu reduzieren. Statt Kohlestaub wird in einen der Hochöfen teilweise Wasserstoff eingeblasen. Auch der Wasserstoff entzieht dem Eisenerz Sauerstoff – aber statt CO2 entsteht dabei Wasser.

Aus Experimenten lernen

Im November 2019 wurde erstmals Wasserstoff in einen laufenden Hochofen eingeblasen. Seitdem finden an einer von 28 Blasformen am Hochofen weitere Versuche statt. In der ersten Projektphase geht es vor allem um die technische Erprobung, denn der Wasserstoff sorgt unter anderem für deutlich höhere Temperaturen als der normalerweise verwendete Kohlestaub. Entsprechend geht es darum, die Auswirkungen dieser höheren Temperaturen auf die Anlagentechnik zu untersuchen. Hinzu kommen Erkenntnisse zu den Druckverhältnissen im Hochofen und zur richtigen Position der Lanze, mit der der Wasserstoff eingeblasen wird. Im Anschluss soll der Einfluss des neuen Verfahrens auf den Gesamtprozess der Stahlherstellung erforscht werden. Die Versuche an einer Blasform sollen die Grundlage schaffen, um die Wasserstoffinjektion auf alle 28 Blasformen ausweiten zu können. In der zweiten Projektphase wird es um metallurgische Untersuchungen gehen und darum, wie effektiv das Verfahren ist. Dazu gibt es zwar theoretische Betrachtungen, bisher jedoch keine großindustriellen Erfahrungen.

Kleine Veränderung, große Wirkung

Bis Ende 2021 sollen alle 28 Blasformen des Hochofens auf den teilweisen Einsatz von Wasserstoff umgestellt werden. Spätestens dann wird die benötigte Menge an Wasserstoff nicht mehr mit einem Tanklastwagen angeliefert werden können. Stattdessen soll der thyssenkrupp-Standort mit einer Pipeline verbunden werden. Das neue Verfahren hat zwei Vorteile: Erstens lässt sich die Technologie kurzfristig umsetzen, ohne dass neue Anlagen gebaut werden müssen. Zweitens können bis zu 20 Prozent der sonst entstehenden CO2-Emissionen vermieden werden. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg in eine klimaneutrale Stahlherstellung.

Trimet: flexible Aluminiumherstellung

Einer der energieintensivsten Industrieprozesse ist die Herstellung von Aluminium. Sie benötigt nicht nur viel Energie, sondern auch eine konstant große Energiemenge – zumindest bisher. Dass die Konstanz auch umgangen werden kann, zeigte das Unternehmen Trimet Aluminium SE im Rahmen zweier Forschungsprojekte (September 2013 bis Juni 2015 und Januar 2017 bis Dezember 2019) und stellte 120 Aluminiumöfen um: Diese sind nun nicht mehr auf eine konstant große Energiemenge angewiesen, sondern können im laufenden Betrieb bis zu 25 Prozent mehr oder weniger Strom abnehmen. Durch diese Pufferkapazität können Schwankungen im Netz ausgeglichen werden, die zum Beispiel durch eine Über- oder Unterproduktion von Strom aus erneuerbaren Energiequellen entstehen können. Mit dieser neuen Flexibilität unterstützen die Öfen die weitere Integration von erneuerbaren Energiequellen ins Netz.

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LARA by Lanxess: Lachgas fast vollständig vermeiden

Die Kunststoffindustrie braucht Adipinsäure – aber bei der Herstellung der Säure entsteht Lachgas (N2O), eines der klimaschädlichsten Treibhausgase. Der Chemiekonzern Lanxess hat daher im Rahmen eines Forschungsprojekts eine Lachgasreduktionsanlage (LARA) entwickelt und gebaut. Die in der Anlage herrschenden Temperaturen von mehr als 1.000 °C spalten das Lachgasmolekül in seine Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff auf. Diese beiden Gase sind natürliche Hauptbestandteile der Luft und können daher problemlos freigesetzt werden. Auf diese Weise neutralisiert LARA jedes Jahr etwa 5.000 Tonnen Lachgas. Die Effizienz der Anlage wird weiter gesteigert, indem der durch die hohen Temperaturen entstehende Dampf in ein Versorgungsnetz eingespeist wird und umliegende Quartiere heizt.

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Kabel Zero: Geothermie in der Papierindustrie

Die Papierindustrie braucht viel Strom und Wärme, um neu hergestelltes Papier zu trocknen. Diese Wärme möchte die Kabel Premium Pulp & Paper GmbH zukünftig aus einer Geothermieanlage beziehen. In einem Forschungsprojekt werden daher bis November 2022 die geologischen Bedingungen am Unternehmensstandort untersucht, Probebohrungen vorgenommen und nach positiver Bewertung eine hydrothermale Geothermieanlage aufgebaut. Ziel ist es, das in etwa 4.000 Meter Tiefe zirkulierende Thermalwasser als Prozessdampf für die Papiertrocknung zu nutzen. Mit diesem Wärmeversorgungskonzept soll die Produktion bis 2025 klimaneutral werden.

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