Aktuell / 23.05.2018

Chlor-Alkali-Elektrolyse an Stromangebot anpassen

Chlor-Alkali-Elektrolyseanlage bei Covestro: Die Sauerstoffverzehrkathode benötigt bis zu 30 Prozent weniger Strom als konventionelle Prozesse. © Covestro

Die chemische Industrie ist der zweitgrößte Stromverbraucher im deutschen Industriesektor. Wissenschaftler untersuchen nun am Beispiel der Chlor-Alkali-Elektrolyse, welchen Beitrag diese zum Lastmanagement leisten kann, wenn die Produktion einem schwankenden Stromangebot angepasst wird.

Die chemische Industrie besitzt als zweitgrößter Stromverbraucher im Industriesektor großes Potenzial dafür, Schwankungen von Angebot und Verbrauch auszugleichen. Sie hat also sowohl große positive als auch negative Demand Response-Kapazitäten. Für die Untersuchung, wie sich der Stromverbrauch der chemischen Industrie flexibilisieren lässt, haben die Forscher die energieintensive Herstellung von Chlor ausgewählt. Bei dem elektrochemischen Verfahren Chlor-Alkali-Elektrolyse wird aus Kochsalz (und Wasser) Chlorgas erzeugt. Die Herstellung dieser auch für die Kunststoffproduktion wichtigen Basischemikalie macht derzeit etwa 2,5 Prozent des deutschen Stromverbrauchs aus.

Lastflexibilisierung elektrochemischer Verfahren in der Industrie

In Kooperation mit Industriepartnern werden Forscher der TU Berlin die Lastmanagement- und Flexibilitätspotenziale von aktuellen und künftigen elektrochemischen Verfahren in der chemischen Industrie bestimmen und wirtschaftlich bewerten. Sie wollen belegen, dass eine an ein schwankendes Angebot erneuerbarer Energien angepasste Fahrweise bei elektrochemischen Verfahren technisch und wirtschaftlich machbar ist.

 

Das interdisziplinäre Verbundprojekt „ChemEFlex – Umsetzbarkeitsanalyse von Lastflexibilisierung elektrochemischer Verfahren in der Industrie“ wird von Prof. Dr.-Ing. George Tsatsaronis, Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz der TU Berlin, geleitet. Partner im Projekt sind neben den TU-Fachgebieten Energietechnik und Umweltschutz, Dynamik und Betrieb technischer Anlagen, Technische Chemie/Mehrphasenreaktionstechnik und Technische Chemie/Elektrokatalyse – Materialien die Industriepartner Covestro Deutschland, Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe und VESTOLIT.

Bisher kontinuierlich gefahrene Chemie-Anlagen lastflexibel betreiben

„Bislang werden diese elektrochemischen Prozesse konstant gefahren. Wir wollen jedoch erforschen, ob es zum einen technisch möglich und zum anderen wirtschaftlich sinnvoll ist, den Herstellungsprozess an die Energiepreisschwankungen zu koppeln. Das bedeutet, der Prozess wird heruntergefahren, wenn weniger elektrische Energie ins Stromnetz eingespeist wird, und bei Stromüberschuss wieder hochgefahren, sagt Projektkoordinatorin Franziska Klaucke vom Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz der TU.

 

Die Forscher untersuchen die Chlor-Alkali-Elektrolyse (CAE) und alternativen elektrochemischen Verfahren, um zu klären, ob eine flexible Fahrweise technisch machbar ist. Sie prüfen, wie Elektroden und Membranen der Elektrolyseanlage auf Ab- und Anfahrvorgänge reagieren und ob mit erhöhtem Verschleiß oder sogar dauerhaften Beschädigungen zu rechnen ist. Für die CAE entwickeln sie eine flexible Prozesssteuerung, die die Rahmenbedingungen des Strommarktes und technische Restriktionen berücksichtigt. Alternative Verfahren wie die Herstellung von Wasserstoffperoxid, das wichtig ist als Bleich- und Desinfektionsmittel, werden daraufhin untersucht, ob eine flexible Betriebsführung umsetzbar ist.

Speicher- und Pufferlösungen mit Batterien und Methanolanlage

Erprobt werden die Innovationen beim Industriepartner Covestro, der in Deutschland an vier Standorten CAE-Anlagen betreibt. Diese laufen kontinuierlich unter Volllast. Die chemischen Prozesse sind eng miteinander verzahnt, aktuell ohne speicherbare Zwischenprodukte. Um Schwankungen in der Chlorerzeugung zu puffern, sind daher Energie- oder Chlorspeicher erforderlich. Im Projekt wird untersucht, wie sich die Flexibilität von CAE-Anlagen durch Batteriespeicher sowie Technologien zur Wasserstoffnutzung steigern lässt. Hier geht es insbesondere darum, Wasserstoff und Kohledioxid zu Methanol umzuwandeln.

 

Am Beispiel der Phi-factory auf dem Campus der TU Darmstadt berichtete BINE Informationsdienst darüber, wie Industriebetriebe zur Lastflexibilisierung beitragen können. Diese Fabrik der Zukunft arbeitet flexibel und vernetzt Maschinen und Gebäude energetisch. Sie ist nicht nur sehr energieeffizient, sie trägt gleichzeitig dazu bei, das elektrische Versorgungsnetz zu stabilisieren. Sie setzt dabei auf einen hohen Anteil erneuerbarer Energien und hilft, Schwankungen des Stromangebots zu glätten.

Energiesparende Chlorherstellung mit Sauerstoffverzehrkathode

Die Firma Covestro hat zusammen mit Partnern ein Verfahren entwickelt, das die für die Chlorherstellung benötigte Strommenge um bis zu 30 Prozent reduziert. Die Innovation: Die Sauerstoffverzehrkathode (SVK), die bis zu 30 Prozent weniger Strom verbraucht als beim herkömmlichen Prozess.

 

Die neue Methode basiert auf dem Membranverfahren der Chloralkali-Elektrolyse, bei dem Chlor, Natronlauge und Wasserstoff aus Kochsalz und Wasser gewonnen werden.

 

Beim SVK-Verfahren ist die üblicherweise eingesetzte Wasserstoff-erzeugende Elektrode durch eine Sauerstoffverzehrkathode ersetzt. Dadurch, dass die Kathode mit Sauerstoff versorgt wird, wird die Bildung von Wasserstoff verhindert. So entstehen ausschließlich Chlor und Natronlauge. Dieses Verfahren benötigt nur noch eine Spannung von zwei statt drei Volt.

 

Das Einsparpotenzial allein dieser Verbesserung ist enorm: Würden alle deutschen Chlor-Hersteller dieses Verfahren flächendeckend einführen, so ließe sich der gesamte Energieverbrauch des Landes um ein Prozent senken – was in etwa dem jährlichen Energiebedarf der Großstadt Köln entspricht.

Verknüpfte Projekte

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben: ChemEFlex- Umsetzbarkeitsanalyse zu Lastflexibilisierung elektrochemischer Verfahren in der Industrie

Förderzeitraum:
2018-01-01 – 2020-12-31

Förderkennzeichen:
0350013A-D

Chlor-Alkali-Elektrolyse

Chemische Verfahren wie die Chloralkali-Elektrolyse arbeiten kontinuierlich. Sie laufen 365 Tage im Jahr. Dabei werden die wichtigen Grundchemikalien Chlor, Wasserstoff und Natronlauge hergestellt. Abgeschaltet werden die Anlagen nur, wenn sie gewartet werden müssen. Die Chloralkali-Elektrolyse verbraucht in Deutschland mehr als 15.000 Gigawattstunden pro Jahr, bei einer Produktionsmenge von circa fünf Millionen Tonnen. Dies entspricht etwa dem jährlichen Stromverbrauch von vier Millionen Dreipersonenhaushalten.

Projektbeteiligte

Modellierung der Chlor-Alkali-Elektrolyse sowie wirtschaftliche Bewertung
TU Berlin, Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz (ETUS)
TU Berlin, Fachgebiet Dynamik & Betrieb technischer Anlagen (dbta)
TU Berlin, Fachgebiet Elektrokatalyse - Materialien (ECEMS)
TU Berlin, Fachgebiet Mehrphasen-Reaktionstechnik (TC-MR)

Projektkoordination
Franziska Klaucke (ETUS)
E-Mail: franziska.klauckeattu-berlin.de

Untersuchungen zur lastabhängigen Betriebsweise der Chlor-Alkali-Elektrolyse
Covestro Deutschland AG

Studie zur Erhöhung der Flexibilität durch Batteriespeicher sowie alternative Nutzungsmöglichkeiten des Wasserstoffs
Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH

Feldversuch unter Berücksichtigung der vor- und nachgelagerten Prozesse
VESTOLIT GmbH

Links

Forschungsprojekt ChemEFlex
Projektpräsentation der TU Berlin

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.