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Neue Studie stellt die Flexibilitätsoptionen in der Grundstoffindustrie vor

Slider FlexibilitätsoptionenDie Prozesse der Grundstoffindustrie sind verantwortlich für einen Großteil des industriellen Energie- und Strombedarfs in Deutschland. Welche technischen Möglichkeiten bieten sich in diesen Prozessen, um auf Flexibilitätsanforderungen des Stromsystems zu reagieren?

Das vom BMBF geförderte Kopernikus-Projekt SynErgie untersucht die Flexibilität von Industrieprozessen. Aus dem Projekt heraus wurde nun eine umfassende Studie zu den Flexibilitätsoptionen in den Prozessen der Grundstoffindustrie veröffentlicht.

Übergreifende Ergebnisse:

  • Die untersuchten Prozesse können prinzipiell für kurze Zeiträume (15 min) positive Flexibilität und eingeschränkt negative Flexibilität anbieten.
  • Für mittlere und lange Zeiträume (Stunden bis Tage) ist positive Flexibilität nur in wenigen Prozessen möglich, da dies mit einem Produktionsausfall einhergeht.
  • Priorität vor einem Anbieten von Flexibilität hat die Belieferung der Kunden mit den Produkten.
  • Flexibilität und Effizienz verhalten sich gegenläufig, d.h. eine erhöhte Flexibilität senkt die Effizienz des Prozesses.
  • Veränderungen der Betriebsweise führen in der Regel zu Veränderungen der Produktqualität.
  • Die aktuellen Regeln des Stromsystems begünstigen einen kontinuierlich (nicht-flexiblen) Betrieb der Anlagen.

In enger Zusammenarbeit haben die Forschungseinrichtungen der Branchen und die akademischen Partner eine Methodik entwickelt, um konsistent Potenziale, Perspektiven und Hemmnisse der untersuchten industriellen Prozesse bei typischen Anforderungsprofilen zu analysieren.

Die untersuchten Prozesse wurden nach ihrem elektrischen Energiebedarf und der Bedeutung in ihrer jeweiligen Branche ausgewählt:

  • Stahl: Elektrostahlherstellung (Elektrolichtbogenofen)
  • Glas: Behälterglasherstellung (Elektrische Zusatzheizung)
  • Zement: Roh- und Zementmahlung (Roh- und Zementmühlen)
  • Chemie: Chlor-Herstellung (Chlor-Alkali Elektrolyse)
  • Feuerfest: Herstellung von Schmelzkorund (Rohstoffschmelzanlage)

Für diese Prozesse werden die technischen Potenziale und die zukünftigen Perspektiven ausgewiesen und auf Deutschland hochgerechnet. Des Weiteren werden die Hemmnisse, die einer Ausnutzung der Potenziale im Wege stehen für die einzelnen Prozesse dargestellt und im Kontext der Rahmen¬bedingungen der Grundstoffindustrie eingeordnet. Durch die enge Einbindung der branchen¬spezi¬fischen Expertennetzwerke wurden die Ergebnisse innerhalb der Branchen diskutiert und validiert.

Die Studie kann auf den Internetseiten der beteiligten Partner und des SynErgie-Projektes kostenfrei heruntergeladen werden: dechema.de/Flexibilitaetsoptionen

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Titel Vorbild NaturWelche Chancen bieten Naturstoffe aus Pflanzen, Pilzen oder Mikroorganismen für Pharmazie und Medizin? Wie kann man sie gewinnen oder im Labor herstellen? Unter dem Titel „Vorbild Natur – Naturstoff-Forschung in Deutschland“ beschreiben Experten, wie natürliche Substanzen aus Regenwald, Boden und Meer zu Medikamenten werden. Die App ist kostenfrei für Android und über iTunes verfügbar.

Was haben Kugelfisch, Schlafmohn und Schimmelpilze gemeinsam? Sie produzieren – wie viele andere Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen – Naturstoffe, die auf andere Organismen wirken. Das Spektrum reicht von Pheromonen, die als chemische „Sprache“ dienen, über Toxine zur Feindesabwehr bis zu Geschmacks- und Geruchsstoffen. Für die Forschung sind diese Substanzen hoch interessant – am wichtigsten als Quelle für neue Medikamente, aber auch als Nahrungsergänzungsmittel oder zur Schädlingsbekämpfung. In einer App, die ab sofort kostenfrei zum Herunterladen zur Verfügung steht, stellen Experten aus der DECHEMA-Fachgruppe „Niedermolekulare Naturstoffe mit biologischer Wirkung“ die neusten Erkenntnisse aus der Naturstoff-Forschung und die praktischen Anwendungen vor. Die Autoren aus Industrie, Universitäten und Forschungseinrichtungen berichten in 18 Kapiteln über ihre Forschungsgebiete und Naturstoffe aus Regenwald, Meer oder Bodenbakterien. Dabei fehlt ebenso wenig ein Überblick über die Geschichte der Naturstoff-Forschung bis heute wie eine Diskussion über aktuelle wissenschaftliche Methoden, die uns neue Perspektiven eröffnen: Dank neuer Analysetechniken kann die nahezu endlose Zahl chemischer Strukturen viel schneller untersucht und auf ihre biologische Wirksamkeit getestet werden. Die Biotechnologie erlaubt die Herstellung von komplizierten Molekülen in wenigen Schritten. Am Ende der App steht ein Überblick über Forschungsgruppen und Studien- sowie Ausbildungsmöglichkeiten in Deutschland. Studierende der Medizin, Pharmazie und Naturwissenschaften, Schüler, aber auch all jene, die sich für den Einsatz von Naturstoffen in Pharmazie, Lebensmitteln oder anderen Anwendungen interessieren, bekommen einen Einblick in ein faszinierendes Forschungsfeld, das uns unmittelbar berührt und dessen Grenzen noch lange nicht erreicht sind.

https://itunes.apple.com/de/app/naturstoff-forschung/id949970514?mt=8
https://play.google.com/store/apps/details?id=de.mediacologne.dechema.android

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zu Teil 1: Hierarchie der Nutzungsmöglichkeiten

Schlussfolgerung

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Das Energiesystem der Zukunft macht langfristige bzw. saisonale Speicher notwendig, um auch über längere windschwache und sonnenarme Perioden keine Einbußen bei der Versorgungssicherheit hinnehmen zu müssen. Lediglich chemische Energiespeicher (insbesondere Methan, Wasserstoff) sind in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen.
Mechanische Speicher, wie beispielsweise Druckluftspeicher, weisen für diese Anwendung ebenso wie elektrische Speicher zu geringe Energiedichten auf.
Gleichzeitig wird der Umbau des Energiesystems auf erneuerbare Quellen der Primärenergie inhärent den Aufbau von saisonalen und regionalen Überkapazitäten nach sich ziehen. Die Einkopplung dieser Überschüsse in die stoffliche Wertschöpfungskette bietet prinzipiell noch eingehender zu analysierende Optionen.

Bei allen Überlegungen ist zu berücksichtigen, dass die zur Verfügung stehenden Stromüberschüsse erst nach Abschalten der letzten Kernkraftwerke signifikant werden. Für 2032 prognostizieren die Ausbaupläne der Bundesregierung für die Stromnetze und die
Anteile regenerativer Quellen 2,3 TWh an nicht im Netz nutzbarer Energie („dumped energy“, Netzentwicklungsplan der Bundesregierung). Daraus leitet sich ein Aufkommen von ~ 500 Mio. m³ Wasserstoff ab, woraus sich ca. 275.000 Jahrestonnen Methanol herstellen ließen. Da der Überschussstrom nicht zentral anfiele, würde diese Menge in mehreren Kleinanlagen zu produzieren sein, die eine Größenordnung kleiner als heutige Worldscale-Anlagen ausfielen, mit entsprechenden Nachteilen für die Wirtschaftlichkeit. Wirtschaftlich betreibbare
Kleinanlagen würden auch benötigt, wollte man Überschussstrom aus großen Windkraftfeldern vor Ort chemisch speichern. Unter der Annahme von einer Gesamtleistung von 100 MW und 1.000 Stunden Produktion ohne Stromabnahme durch das Netz ergäbe sich für das Methanol eine Anlagengröße von ca. 15.000 t. Für den kontinuierlichen Betrieb dieser Produktionsanlagen würden physikalische Wasserstoffspeicher zur Pufferung benötigt.

Forderungen an Politik, Wirtschaft und Forschung

Die Energiewende ist ein historisch einmaliges Unterfangen. Es birgt technologische Herausforderungen und wirtschaftliche Risiken für den Produktionsstandort, aber auch Chancen im Sinne einer nicht-fossilen und nicht-nuklearen Zukunft für Deutschland selbst und für den Export von Technologien in die Welt.
Um diese Chancen zu nutzen, fordern wir:

  • Die Politik muss verlässliche politische Rahmenbedingungen schaffen.
  • Um die technologischen Hürden zu meistern, muss die Energieforschung gestärkt werden. Dabei sollte ein Fokus auf chemischen Energiespeichern liegen.
  • Die Projektförderung darf sich nicht zu frühzeitig ausschließlich auf eine Technologie-Option verengen.

Die technologischen Hürden können nur durch gemeinsame Anstrengungen von Wirtschaft und Forschung überwunden werden. Dazu fordern wir im Einzelnen:

[Bildquelle: Ulrichulrich via Wikicommons CC BY 3.0]

[Bildquelle: Ulrichulrich via Wikicommons CC BY 3.0]

  • Chemie und Energie müssen konvergieren. Beide Branchen sind gefragt, Möglichkeiten zur engeren Zusammenarbeit auszuloten und integrierte Konzepte zu entwickeln. Für die Chemie ergeben sich neue Möglichkeiten im Rahmen der Energiewende.
  • Die bestehende Gasinfrastruktur ist in dieser Flächenausdehnung einzigartig; es gilt, sie für weitergehende Versorgungsaufgaben auszubauen. Die Wasserstoffgrenzwerte im Erdgassystem sind dem heutigen Kenntnisstand und den heutigen lokalen und regionalen Gegebenheiten anzupassen
  • Planung von Kavernenspeichern für Wasserstoff

Forschungsbedarf besteht insbesondere in folgenden Bereichen:

  • Es werden effizientere Elektrolyseverfahren benötigt: Die Elektrolyse stellt eine wesentlicheSchlüsseltechnologie dar; sie kann heute nur mit einer Effizienz von etwa 70% betrieben werden.
  • Es sollten Konzepte entwickelt werden, die auch die Nutzung des als Koppelprodukt entstehenden Sauerstoffs sowie die Generierung anderer Wertstoffe als Koppelprodukt an der Anode vorsehen.
  • Die energetischen Verluste bei der Methanisierung von Wasserstoff sind signifikant zu verringern.
  • Für die wirtschaftliche Umsetzung von Wasserstoff in Methan, Methanol oder Ameisensäure und entsprechende Folgeprodukte sowie für die Hydrierung von Kohlenwassererstoffen gilt es, durch integrierte Forschung an Katalysatoren und Anlagentechnik neue, z.B. modulare Verfahrenskonzepte zu entwickeln.

Die Erhöhung der Energieeffizienz von Produktionsanlagen ist eine selbstverständliche und selbsterklärliche Forderung.

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Minolta DSCvon Dr. Hans Kral

Die Katalyse hat eine zentrale Bedeutung in der Chemischen Industrie und deshalb auch einen hohen wirtschaftlichen Stellenwert. Dies hat eine Datenflut – Literatur, Patentliteratur, Studien, Kongresse, u. v. m. – zur Folge, was die Orientierung erschwert. Eine Übersicht über die aktuellen Neuigkeiten und Publikationen findet man auf den Seiten der Deutschen Gesellschaft für Katalyse (GeCatS).

Im Jahr 1990 diskutierten vier Katalytiker – zwei aus der Industrie (Dr. Karl Kochloeffl, Süd-Chemie AG, München und Dr. Matthias Schwarzmann, BASF AG, Ludwigshafen) und zwei Hochschulvertreter (Prof. Dr. Manfred Baerns, Ruhr-Universität Bochum und Prof. Dr. Jochen Block, Fritz-Haber Institut der Max Planck-Gesellschaft, Berlin) über den Stand der Technik und die Entwicklung des Fachgebietes (Chemische Industrie“, 1990, 10, Oktober, 43 – 46; hier in vollständiger Länge: Katalyse und Alchemie).

Die damals von Dr. Kral gestellten Fragen haben auch nach 23 Jahren noch Bestand, sie wurden nun erneut von kompetenten Partnern, die paritätisch die industrielle und die nichtindustrielle Forschung repräsentieren, diskutiert und ergeben ein Meinungsbild über Fortschritt, Trends und ungelöste Probleme sowie über die Streitfrage nach dem Realitätsbezug der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Katalyse.

Sie können wie ein Wegweiser in einer unübersichtlichen Landschaft auf die gelösten und anstehenden Probleme hinweisen und außerdem den Fortschritt der letzten 23 Jahre aufzeigen. Diesen Beitrag finden Sie auch in gekürzter Version in der Chemie Ingenieur Technik 12/2013 [DOI: 10.1002/cite.201250750].

Über die Autoren

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Dr. Dirk Demuth
Senior Vice President, Catalysis Research, BASF SE
Prof. Dr. Richard W. Fischer
Koordinator der strategischen Allianz MuniCat an der TU München, vormals Süd-Chemie
Prof. Dr. Hans-Joachim Freund
Direktor der Abteilung Chemische Physik am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Prof. em. Dr. Manfred Baerns
Professor Emeritus und Gast am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Am Anfang des letzten Jahrhunderts hat die Grundlagenforschung den technischen Fortschritt auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse bestimmt. Das belegen vier Nobelpreise für katalytische Prozesse. Was hat sich seitdem geändert?
„Auch nach den bahnbrechenden Entwicklungen in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts hat es grundlegend-spektakuläre Entwicklungen gegeben.“ „Im Verlauf der letzten 25 Jahre ist auch eine Verzahnung der verschiedenen Katalyse-Systeme erfolgt.“ „Die Grundlagenforschung in der Katalyse hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr weit fortentwickelt.“ „Die im letzten Interview 1990 von mir gegebene Antwort ist heute noch gültig , obwohl in den letzten 20 – 25 Jahren erhebliche Fortschritte erzielt wurden.“
Die zentrale Bedeutung der Katalyse in der chemischen Industrie ist unbestritten. Trotzdem erfolgen Entwicklung und Optimierung neuer Katalysatoren meist empirisch. Warum?
„Ein System ab initio vollständig zu verstehen, würde bedeuten, dass man alle wichtigen statischen und dynamischen Aspekte quantifizieren kann. Dies ist nur für einen Bruchteil der industriellen katalytischen Prozesse ansatzweise erreicht. „ „Jedes neue Problem bzw. Thema muss daher auch als solches behandelt werden. Aber dies erfolgt nicht immer ausschließlich empirisch!“ „Da das Auffinden von neuen Katalysatoren sowie deren Optimierung ein mehrdimensionales Problem darstellt, wird die Kombination von theoretischem Wissen, bereichert durch die Ergebnisse der „surface science“, mit empirischen Methoden nach wie vor den dominierenden Zugang darstellen.“ „Die Optimierung der Herstellungsverfahren erfolgt mehr oder weniger empirisch, da dieses Erfahrungsgebiet nicht im Fokus der Grundlagenforschung steht. „
Wie kann der oft zitierte „gap“ zwischen der Grundlagenforschung (Modellkatalysatoren) und der technischen Entwicklung realer Systeme überwunden werden?
„Ein Teil des „gaps“ erklärt sich daraus, dass die in der Grundlagenforschung untersuchten Systeme das katalytische Problem nicht „repräsentativ vereinfachen.““ „Eine Möglichkeit diesen oft systemimmanenten Gap deutlich zu verkleinern, ist die entsprechenden Parteien (Akademie und angewandte industrielle Entwicklung) so nahe wie möglich zusammen zu bringen. Code-Word hierfür: Industry on Campus.“ „Insofern kann man optimistisch auf die kommenden Entwicklungen blicken und schließen, dass sich in absehbarer Zeit ein weitergehendes Zusammenspiel von Grundlagen- und angewandter Katalyse-Forschung ergeben wird.“ „Durch theoretische Modellierung der katalytischen Reaktion und durch in-situ-Charakterisierung von Katalysatoren, insbesondere nanostrukturierter katalytischer Materialien, nimmt das Verständnis über heterogen katalysierte Reaktionen stetig zu.“
Das große Ziel, Katalysatoren für neue Prozesse vorherzusagen, ist noch nicht erreicht. Sind aussichtsreiche Methoden erkennbar?
„Ich möchte sogar die These aufstellen, dass es gar keinen Bedarf für diese Art von „Vorhersage“ gibt.“ „Eine „Weltformel“ für die Katalyse ist nicht zu erwarten.“ „Die Entwicklung von Prognosemethoden in Kooperation mit anderen Disziplinen wird erst dann erfolgen, wenn für das Realsystem die entscheidenden Faktoren identifiziert sind.“ „In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Verwendung von in-situ-Charakterisierungs-methoden ausgedehnt; damit können die katalytischen Materialien unter Bedingungen der katalytischen Reaktion, d.h. in Gegenwart der Reaktanden über einen weiten Bereich der experimentellen Bedingungen charakterisiert werden. „
Welche Entwicklungslinien sind erfolgversprechend und sollten deshalb mehr Beachtung finden?
„Last but not least ist es unabdingbar, dass auch in der akademischen Welt verschiedene Disziplinen projektorientiert zusammenfinden, um mit ihren jeweiligen Lösungspotentialen Gesamtprobleme und nicht nur isolierte Ausschnitte eines Problems zu lösen.“ „einige Anregungen:
– Intensive Kooperation der Verfahrenstechnik, der Anlagenbauer und der Katalysatorentwickler,
– Betrachtung des Katalysators als entscheidenden Prozess-Parameter und nicht lediglich nur als Mittel zum Zweck,…
„Die gegenwärtigen ökologischen und energiepolitischen Herausforderungen bestimmen auch die Entwicklungslinien der Katalyse- Forschung“ „Manche Anliegen verlieren nicht ihre Aktualität, wie aus meiner vor 23 Jahren gegebenen Antwort zu entnehmen ist“

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So wächst der Aspergillus niger ohne Mikropartikel...

… und so ohne Mikropartikel…

... und so, wenn 20g/l Talkpartikeln zugesetzt werden.

So wächst der Aspergillus niger, wenn 20g/l Talkpartikeln zugesetzt werden…

Wer freut sich schon über Schimmel? Wissenschaftler tun es! Denn filamentöse Pilze, zu denen zum Beispiel die Schimmelpilze gehören, sind die Arbeitstiere der Mikrobiologen. Bereits Anfang der 90er Jahre wurden mehr als 40 % aller industriell eingesetzten Enzyme mit ihrer Hilfe produziert[1] – dazu gehören die Enzyme in Waschmitteln ebenso wie das Lab für die Käsereifung.

Dabei hängt die Produktivität der Pilze auch davon ab, in welcher Form sie wachsen. Lässt man sie frei wuchern, neigen sie zur Agglomeration; es bilden sich „Klumpen“. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass man dies verhindern kann, in dem man Mikropartikel in das Kulturmedium gibt, in dem die Pilze wachsen. Die Größe und die Form des Pilzwachstums lassen sich dabei durch die eingesetzten Materialien, die Größe und die Form derMikropartikel steuern. Warum das allerdings so ist, weiß man bisher nicht. Deshalb untersuchen Wissenschaftler aus Braunschweig und Frankfurt in einem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) genauer, was in den Pilzkulturen im Einzelnen passiert. Verschiedene Mikropartikel sollen auf ihre Wirksamkeit getestet werden. Gleichzeitig sollen Verfahren für die Pilzkultur mit Mikropartikeln entwickelt werden, die auch großindustriell eingesetzt werden können. Dazu zählen auch Methoden zur Zugabe, Abtrennung und Wiederverwertung der Partikel.

Nicht nur Unternehmen, die selbst mit Hilfe von filamentösen Pilzen produzieren wollen, können von den Ergebnissen des Projekts profitieren. Auch die Hersteller von Partikeln und Unternehmen aus dem Anlagenbau können die Ergebnisse nutzen, um neue Geschäftsfelder zu erschließen.

Mehr zum Projekt


[1] Tappe, H.: Transformationsmethoden für filamentöse Pilze. In: Jansohn, M. u. Rothhämel, S. (Hrsg.): Gentechnische Methoden. Eine Sammlung von Arbeitsanleitungen für das molekularbiologische Labor,  Spektrum Akademischer Verlag, 5. Auflage (2012), S. 385

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