Flexibel in die Zukunft

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Serie Effizienz - Der Chemiepark Marl ist einer der größten Chemieverbundstandorte in Europa. Wie kann der Park den Herausforderungen der Energiewende begegnen? Flexibilität ist dabei ein Schlüsselbegriff. Zugleich helfen Effizienz und Ressourcenschonung dem Klimaschutz. Ein neues Gas- und Dampfturbinenkraftwerk hat nun den Betrieb aufgenommen.

04. Juni 2016

Vom Balkon der neunten Etage des Hochhauses im Chemiepark Marl bietet sich ein atemberaubender Blick über das nördliche Ruhrgebiet. Lässt der Betrachter seine Augen in die unmittelbare Nähe schweifen, sieht er Beeindruckendes: 1.200Kilometer Rohrleitungen, 900 Gebäude, 100 Produktionsanlagen und drei Kraftwerke. Der Chemiepark Marl bietet 10.000 Arbeitsplätze und ist damit einer der größten Arbeitgeber im nördlichen Ruhrgebiet.

Evonik ist Betreiber des Standortes. Für das Unternehmen der Spezialchemie ist Marl der weltweit größte Standort. Zwölf weitere Unternehmen sind hier mit eigenen Produktionsanlagen ansässig.

Im Chemiepark werden jedes Jahr zirka 4,4Millionen Tonnen chemische Produkte hergestellt. Die Biodiesel-Produktionsanlage war zum Zeitpunkt ihrer Errichtung im Jahr 2002 die größte in Nordrhein-Westfalen. Als Nebenprodukt fallen jährlich mehr als 20.000Tonnen Glycerin an. Dies wird beispielsweise in Zahnpasta verwendet. Ebenfalls als Nebenprodukt entstehen in großen Mengen die Gase Propan und Butan, welche in Deos als Treibgas verwendet werden können. Gezielt hergestellt wird in Marl zum Beispiel Acrylsäure für die Herstellung von Superabsorbern. Diese Kunststoffe, die in der Lage sind, ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Flüssigkeit aufzusaugen, finden zum Beispiel Anwendung in Babywindeln.

Transport von und nach Marl

Die Produktion so vieler Güter benötigt eine ausgedehnte Infrastruktur. Evonik betreibt allein in NRW rund 1.100Kilometer Fernleitungen. Die chemische Wertschöpfungskette startet allerdings bei BP in Scholven. Die Raffinerie produziert nicht nur Treibstoffe, sondern auch die bei der Rohöl-Destillation anfallenden Chemierohstoffe wie Ethen und Propen. Diese werden per Pipeline direkt nach Marl transportiert. Im Chemiepark selbst besteht der größte C4-Chemikalienverbund weltweit. Bei der Rohöl-Destillation fallen verschiedene Produktgruppen an. Im sogenannten C4-Schnitt befinden sich vor allem Butene, die für die Herstellung von Kunststoffen verwendet werden. Außer den C4-Produkten werden auch Cumol, Ausgangsstoff für Phenol und Aceton, sowie Wasserstoff von Marl aus über lange Strecken transportiert.

Der in großem Maßstab über Steam Reforming produzierte Wasserstoff zum Beispiel wird in der größten Wasserstoffabfüllanlage Europas von Air Liquide abgefüllt und über Fernleitungen bis nach Köln transportiert. Allein das Wasserstoffnetz an Rhein und Ruhr ist 240Kilometer lang und nimmt seinen Ausgangspunkt in Marl.

Hohe Anforderungen an Energie

Die Infrastrukturdienstleistungen von Evonik für die hier ansässigen Unternehmen umfassen die Bereiche Ver- und Entsorgung, Technischer Service, Logistik und Standortmanagement. Im Bereich Ver- und Entsorgung liegt die Stärke des Chemieparks Marl vor allem in einem ausgeklügelten Kraft-Wärme-Kopplungssystem.

Die Anforderungen der Energiewende mit der Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit des Chemieparks zu vereinen ist die Herausforderung der Zukunft. Doch eine Umstellung auf erneuerbare Energien ist nicht so ohne weiteres möglich. Der jährliche Strombedarf liegt bei 2,3Milliarden Kilowattstunden das entspricht dem Bedarf von 500.000 Haushalten. Um diesen Strombedarf aus Erneuerbaren decken zu können, bräuchte man rechnerisch 400 Windräder oder 2.000 Hektar Photovoltaikanlagen, was der dreifachen Fläche des Chemieparks entspräche.

Mindestens genauso essentiell wie Strom ist für die Chemieproduktion der Energieträger Dampf. 6,5 Millionen Tonnen benötigt der Chemiepark Marl jährlich das ist der Wärmeinhalt einer Milliarde Badewannen. Zur Erzeugung des Dampfes aus Biomasse bräuchte man pro Jahr drei Millionen Tonnen Holz, wofür wieder 50 Prozent der Waldfläche NRWs eingesetzt werden müsste.

 

Erschwerend kommt noch hinzu, dass sehr hohe Anforderungen an die kontinuierliche Versorgungssicherheit gestellt werden, denn die Anlagen laufen rund um die Uhr und vertragen keine Ausfälle. Die Rahmenbedingungen sind ebenfalls eng gesteckt: die Dampferzeugung muss lokal erfolgen, wohingegen die Stromerzeugung prinzipiell standortunabhängig ist.

Das Ziel ist es, unter Einbezug der marktwirtschaftlichen und gesetzlichen Rahmenbedingungen, die optimale Energieversorgung bereit zu stellen und das unter steigendem Wettbewerbsdruck. »Das Zauberwort heißt hier maximale Flexibilität«, erläutert Andreas Steidle, Verantwortlicher für die Energiewirtschaft bei Evonik. »Die Strom- und Dampferzeugung muss flexibel sein, nur so können wir den aktuellen marktwirtschaftlichen Bedingungen gerecht werden.« Darum hat sich Evonik entschlossen ein altes Kohlekraftwerk abzuschalten und ein modernes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuD) zu bauen. Dieses ist am 11. Mai 2016 offiziell in Betrieb gegangen.

Im Chemiepark Marl befinden sich drei Kraftwerke. Im Kraftwerk I werden Kohle und Reststoffe aus der Chemieproduktion verwertet. Kohlekraftwerk II, Baujahr 1966, war damals das erste überkritisch angelegte Kraftwerk. Bei dieser Art von Kraftwerk befindet sich der Wasserdampf bei über 374Grad und 221bar im überkritischen Aggregatzustand es ist dann praktisch flüssig und gasförmig gleichzeitig. Eine solche Anlage arbeitet besonders effizient. Doch mit dem Entschluss von Evonik waren die Tage von Kraftwerk II gezählt. Es wurde 2015 still gelegt und nun durch das hochmoderne GuD-Kraftwerk mit 60MWel und 100MWth ersetzt. Kraftwerk III ist ebenfalls eine GuD-Anlage. Insgesamt wird durch den Ersatz des alten Kohlekraftwerks Kohle als Brennstoff an Bedeutung verlieren.

Mehr Flexibilität durch neues GUD

Kernkomponente der neuen GuD-Anlage ist eine 47Megawatt Gasturbine, eine Dampfturbine und ein 2-Druck-Abhitzekessel mit einer maximalen Dampfkapazität von 130Tonnen pro Stunde. Die Gasturbine kann im Lastbereich von 50 bis 100Prozent gefahren werden. Dabei lässt sich über die variable Zusatzfeuerung im Abhitzekessel der gewünschte Dampfmassestrom einstellen.

Der im Niederdruckteil des Abhitzekessels erzeugte Dampf geht mit 4bar als Prozessdampf direkt in das Werksnetz. Der Hochdruckdampf wird vor der Einspeisung auf 4bar entspannt. Die Dampfturbine hat ein Schluckvermögen von 85Tonnen pro Stunde und eine Leistung von 13Megawatt. Der Hochdruckdampf kann über Reduzierstationen in die 20 und 70bar Dampfnetze eingespeist werden.

Der Brennstoffnutzungsgrad beträgt 89 Prozent, wodurch ungefähr 280.000Tonnen CO2 jährlich eingespart werden können. E.on Energy Projects hat die Anlage errichtet. Die flexible Fahrweise eröffnet viele neue Möglichkeiten im Lastmanagement, was die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verbundsystems erhöht.

Denn die Energieversorgung im Chemiepark erfolgt auf der Grundlage eines komplexen Energieverbundsystems unter Einbindung der Kraftwerksblöcke, eines Dampfturbinenparks, exothermer Dampferzeuger aus Prozessanlagen und der Anbindung ans externe Stromnetz. Das gesamte Dampf- und Stromnetz sowie das Lastmanagement werden in einem zentralen Energieleitstand koordiniert.

Lastmanagement zentral geregelt

Das Stromnetz besteht aus sechs unabhängigen Werksnetzen mit je einem Umspanner. Alle drei Spannungsebenen (110Kilovolt, 6Kilovolt und 500Volt) sind redundant angelegt. Das bedeutet, dass die jeweils doppelt angelegten Leitungen nur zu 50Prozent ausgelastet sind, im Ausfallszenario aber dementsprechend einspringen können.

70Prozent des benötigten Stroms erzeugen die Kraftwerke durchschnittlich selbst, 30Prozent werden von extern bezogen. Bei Störungen im vorgelagerten Netz ist aber auch ein Inselnetzbetrieb mit autarker Stromversorgung möglich.

Das Dampfnetz wird über eine Dampfnetzsimulation abgebildet. Dieses System erlaubt den Angestellten eine lückenlose Überwachung und ein schnelles Auffinden von Quellen möglicher Verunreinigungen. 60Prozent des gesamten benötigten Dampfes wird in den Kraftwerken produziert und 40Prozent in den Chemieanlagen.

Damit nicht nur jederzeit Dampf und Strom vorhanden ist, wenn er gebraucht wird, sondern dies auch kostenoptimiert erfolgt, betreibt der Leitstand ein Lastmanagement unter Berücksichtigung marktwirtschaftlicher und gesetzlicher Rahmenbedingungen. So ist die flexible Anpassung verschiedener Variablen möglich. Die Druckluft zum Beispiel kann über Strom oder Dampf betrieben und Produktionsanlagen, welche viel elektrische Energie benötigen, können bei hohem Strombedarf heruntergefahren werden.

Eine zentrale Rolle spielt aber das neue GuD-Kraftwerk. Die flexible Fahrweise ermöglicht eine kontinuierliche Anpassung an alle Bedarfe. Das heißt, falls der Strom- oder Wärmebedarf schwankt oder sinkt, kann dies auch sehr kurzfristig bedient werden. Doch was technisch möglich ist, ist nicht immer wirtschaftlich. Daher hat die Leitwarte immer die Strompreise der Börse im Blick, denn bei niedrigen Strompreisen kann es durchaus günstiger sein, den Strom von extern dazuzukaufen anstatt ihn selbst zu erzeugen.

Teilnahme am Regelenergiemarkt

Das neue Kraftwerk eröffnet hier eine weitere Möglichkeit: es kann Regelenergie bereitstellen, die Schwankungen im Stromnetz zum Beispiel durch die Einspeisung von erneuerbaren Energien ausgleicht. Dazu muss ein Kraftwerk in der Lage sein, innerhalb von wenigen Minuten hochzufahren. Dies ist auch bei Stillstand der Anlage möglich, da auch dann noch Dampf aus dem Dampfnetz den Abhitzekessel ständig warmhält. »Die Teilnahme am Regelenergiemarkt hilft den Stromnetzen und ist für uns ein marktwirtschaftlicher Gewinn«, erklärt Energiemarkt-Experte Steidle. »Die GuD-Anlage steigert damit die Energieeffizienz und die Kostenoptimierung des gesamten Chemieparks.«

Um den Kraftwerkspark insgesamt besser auszulasten ist Evonik zudem eine Kooperation mit RWE eingegangen. Voraussichtlich Mitte 2016 werden die Marler Bürger mit Wärme aus dem Chemiepark Marl versorgt. Das Marler Fernwärmenetz wird von RWE betrieben, die Einspeisung liegt bei rund 200GWh/a. Zu den fast 2.000 Abnehmern in Marl zählen neben Geschäften und Betrieben auch Wohnungsbaugesellschaften und zahlreiche Haushalte. Geplant sind der Bau einer neuen rund vier Kilometer langen Fernwärmetrasse mit jeweils zwei Fernwärmeleitungen, die Errichtung einer neuen Einspeisestation sowie der Ausbau von großen Wärmetauschern.

ORC und Speicher als Option

»Energie und Klimaschutz sind für uns existenzielle Themen. Energiewende und industrielles Tun müssen in Einklang gebracht werden«, so Steidle. »Die Stärke der Chemieparks liegt im engen Verbund von Energie- und Stoffströmen sowie in der Kraft-Wärme-Kopplung. Neue Technologien und flexibles Lastmanagement treiben die Zukunftsversion von Chemieparks als Energieplattform voran.«

Evonik hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2020 die spezifischen Treibhausgasemissionen um 12Prozent gegenüber 2012 zu senken. Ein großer Schritt ist mit dem neuen Kraftwerk getan, welches 280.000Tonnen CO2 einsparen wird.

Das konsequente Ausnutzen der Kraft-Wärme-Kopplung macht den Chemiepark bereits heute besonders effizient. Die Nutzung der Abwärme spart auch jetzt schon 250.000 Tonnen CO2, 1,5MilliardenkWh Brennstoff durch Nutzen von Reaktionswärme und 500MillionenkWh durch Nutzen von Abfällen und Abgasen in Kraftwerken. Das steigert die Effizienz um 10Prozent.

»Momentan haben wir auch Abwärme, die eine zu geringe Temperatur hat, um sie effizient zu nutzen. Hier experimentieren wir mit ORC-Anlagen, aber auch Wärmespeicher sind für die Zukunft eine Option«, so die Einschätzung von Steidle. Zusätzlich zu Energieeffizienzmaßnahmen geht es auch um CO2-Reduzierung. In einer Ökobilanz bestimmt Evonik den CO2-Rucksack für Ver- und Entsorgungsleistungen im Chemiepark Marl wie Strom, Dampf, Kälte, Wässer und Abwasserreinigung. »Das Thema Carbon Footprint wird für die gesamte Branche immer wichtiger«, so Steidle.

Dr. Rebekka Loschen (KlimaExpo.NRW)

Erschienen in Ausgabe: 05/2016