Selbstversorger mit kleinem Fußabdruck

Artikel Chemie Technik, 11/21

Neue Technologien in der Stickstoff-Erzeugung

Die Eigenproduktion vor Ort stellt eine umweltfreundliche und zugleich kostengünstige Möglichkeit der Stickstoff-Versorgung dar. Mit neuen Wasserstoff- und Wärmerückgewinnungs-Technologien lässt sich die Bilanz sogar noch weiter verbessern.

In der chemischen sowie der Öl- und Gasindustrie kommt Stickstoff (N2) als Inert- und Prozessgas zur Vermeidung von Bränden und Explosionen sowie unerwünschten Oxidationen zum Einsatz. Stickstoffgeneratoren erlauben es Unternehmen, das Gas selbst vor Ort herzustellen. Mit Hilfe der Pressure-Swing-Adsorption-Technologie (PSA) wird dabei Sauerstoff und CO2 aus der Umgebungsluft adsorbiert und die Produktion eines kontinuierlichen N2-Stroms in der gewünschten Menge und Qualität sichergestellt.

Druckluftfaktor als größter Hebel

Die hierfür benötigte Druckluft wird über Kompressoren erzeugt – ein Prozess, der energieaufwendig ist, da ein wesentlicher Teil der zugeführten Strommenge in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärmemenge kann in einem Gaserzeugungs-Abwärme-Konzept dezentral nutzbar gemacht werden, um fossile Brennstoffe für die Bereitstellung von Wärme (und Kälte) zu substituieren. Durch die Nutzung der Abwärme lässt sich also nicht nur für eine wirtschaftliche Gasbereitstellung sorgen, sondern auch der CO2-Fußabdruck des Unternehmens dauerhaft senken.

Welche Möglichkeiten gibt es nun konkret für Unternehmen, um bei der Eigenproduktion von Stickstoff den eigenen CO2-Fußabdruck zu reduzieren und gleichzeitig Energie und Kosten einzusparen? Bei der Eigenproduktion von Stickstoff mittels PSA-Technologie stellt der Druckluftkompressor zur Bereitstellung der benötigten Druckluftmenge den größten Energieverbraucher dar. Der sogenannte Druckluftfaktor gibt an, welches Druckluftvolumen benötigt wird, um eine gleichgroße Volumeneinheit Stickstoff (z. B. mit einer Reinheit von 99,999 %) herzustellen. Somit liegt der größte Hebel zur Senkung des CO2-Fußabdruckes darin, den Druckluftbedarf zu reduzieren.

Wasserstoff verringert Sauerstoffgehalt

Durch die Optimierung des früheren Designs der PSA-Technik wurde seit 2017 eine deutliche Absenkung des Druckluftfaktors erreicht. Dies war aber nur ein Zwischenschritt, denn die Entwicklung des Katalysator-Systems von Inmatec und die Zugabe von Wasserstoff haben eine weitere Absenkung des Druckluftfaktors ermöglicht. Mit Hilfe des Wasserstoffkatalysators wird der über den Stickstoffgenerator gewonnene „Roh“-Stickstoff (Reinheit 99,5 – 99,9 %) mit Kleinstmengen von Wasserstoff angereichert und katalytisch umgesetzt, wodurch sich der Rest-Sauerstoffgehalt reduzieren und eine Reinheit von 5.0 oder besser erzielen lässt. Auf diese Weise können größere Menge hochreinen Stickstoffs mit einem deutlich reduzierten Druckluftbedarf (Druckluftfaktor ab 2,9) produziert werden, wobei bis zu 70 % der Energiemenge früherer PSA-Technologien eingespart werden.

Tabelle: Druckluftfaktor bei verschiedenen PSA-Technologien

Abwärme lässt sich nutzen

Eine weitere Möglichkeit, um den CO2-Fußabdruck in der Eigenproduktion von Stickstoff zu reduzieren, besteht in der Nutzung der Abwärme, die aus dem Druckluftkompressor rückgewonnen werden kann. Wärmerückgewinnungs-Techniken (WRG) ermöglichen es, die entstandene Abwärme in Form von Warmluft oder Warmwasser zur Heizung von Räumen und zur Prozessheizung zu verwenden. Hierfür eignen sich sowohl Schraubenkompressoren als auch Druckluftheizkraftwerke (DHKW). Über spezielle Technologien zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) ist es ferner möglich, die erzeugte Wärme des DHKW in Kälte umzuwandeln. So kann überschüssige Wärme, die zum Beispiel im Sommer nicht genutzt werden kann, zur Kühlung von Räumen und Prozessen eingesetzt werden. Durch die Nutzung der Abwärme lassen sich in Industriebetrieben in der Regel fossile Brennstoffe wie Erdgas, LPG oder Öl ersetzen, was sich positiv auf den direkten CO2-Fußabdruck auswirkt.

Öffentliche Förderung setzt Anreize

Bei solchen Initiativen unterstützt das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Unternehmen mit der Förderung von Energieeffizienz und Prozesswärme aus erneuerbaren Energien in der Wirtschaft (EEW). Entscheidend für die Berechnung ist die resultierende CO2-Einsparung, die durch die Investition erreicht wird. Die Fördermittel betragen je nach Unternehmensgröße 500 bis 700 Euro pro jährlich eingesparter Tonne CO2. Dafür wird der Energieverbrauch eines energiesparenden Systems im Vergleich zu einer „normalen“ Stickstofferzeugungsanlage betrachtet.

Ein Beispiel: Wenn die erzielte CO2-Einsparung 154 t beträgt, sichert dies dem Unternehmen somit eine BAFA-Förderung von 107.800 Euro. Diese wird dem Unternehmen als nicht rückzahlbarer Zuschuss ausbezahlt. Das beschriebene Unternehmen in diesem Beispiel reduziert weiterhin seine Kosten unter Berücksichtigung der Wasserstoffkosten um 55 % und spart so dauerhaft 63.000 Euro pro Jahr. Durch den Einsatz einer zusätzlichen WRG-Technik lassen sich darüber hinaus die Heizkosten reduzieren. Diese Einsparungen betragen in diesem Fall weitere 18.400 Euro im Jahr. In Summe steht also eine wirtschaftliche Kostenreduktion in Höhe von 81.400 Euro pro Jahr. Moderne Systeme zur Eigenerzeugung von Stickstoff können somit dazu beitragen, Kosten zu senken und gleichzeitig den CO2-Fußabdruck zu reduzieren.

Beispiel: Vergleichsrechnung für die Beantragung von Fördergeldern

Veröffentlicht in der Chemie Technik 11/21