Wie der Wandel zur CO2-Neutralität in Dampfanlagen gelingt

In der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie ist Wasserdampf auch heute noch ein enorm wichtiges Versorgungsmedium in vielen Prozessen. Er ist als Wärmeträgermedium hocheffizient, umweltverträglich und einfach regelbar. Auch für den Transport wird keine weitere Energie benötigt. Dampf eignet sich besonders für die Prozesse, bei denen eine gleichmäßige Beheizung bei hohen Temperaturniveaus gewährleistet werden muss, auch wenn dies in großen Behältern oder Tanks erfolgen soll. Ganz nebenbei erfüllt er in besonderer Form als Rein- oder Reinstdampf-Sterilisationsaufgaben bei der Herstellung und Verpackung von Lebensmitteln, Medizinprodukten oder Pharmazeutika.

Dampf ist damit absolut umweltfreundlich und nachhaltig. Die Energie für die Dampferzeugung stammt allerdings noch meist aus der Verbrennung von fossilen Energieträgern. Dampfkessel, die den so genannten „technischen Dampf“ oder auch „Schwarzdampf“ erzeugen, verbrennen dabei meist Gas oder Öl und erhitzen so im Kesselinneren das aufbereitete Wasser, bis es unter einem ausgeregelten Druck kontrolliert verdampft. So werden auch die sogenannten Reindampferzeuger beheizt. Diese stellen eine spezielle Form der Wärmeübertrager dar, bei der alle medienberührten Bauteile und Oberflächen aus hochwertigen, nicht rostenden Edelstählen gefertigt sind und das Wasser nur physikalisch und ohne chemische Zusätze aufbereitet wird. So wird der Dampf frei von jeglicher Kontamination erzeugt, sodass er dann im Anschluss durch ein Edelstahlverteilnetz sauber zum Verbraucher strömen kann. Somit wird in den meisten Fällen sowohl bei der Dampf- als auch bei der Reindampferzeugung derzeit weiterhin CO₂ emittiert.

Umstellung auf Wasserstoff und „grünen“ Strom?

In vielen Unternehmen werden derzeit Konzepte entwickelt, um die eigenen CO₂-Emissionen zu senken, zum Beispiel durch die Umstellung auf Wasserstoff oder elektrischen, aus erneuerbaren Energiequellen erzeugten Strom.

Für beides sind heute schon Lösungen am Markt verfügbar und auch eine Umrüstung bestehender Dampfkessel auf diese Technologien ist in vielen Fällen möglich. Aber diese Energieformen werden in mittelbarer Zukunft im Vergleich zu den heute verfügbaren fossilen Brennstoffen teuer bleiben. Zusätzlich treiben Bereitstellungskosten gerade bei der elektrischen Energie die Kosten in die Höhe, wenn es starke Lastschwankungen gibt. Es muss aber Sorge getragen werden, dass auch Energiepeaks bei Spitzenlasten bedient werden können.

Erster Schritt: Energieeinsparungen in der Anlage erzielen

Also reicht es nicht, nur ein Konzept für den Austausch von Dampferzeugern oder des Primärenergieträgers zu erarbeiten, sondern es ist wichtig, die Effizienz der Anlagen und Prozesse zu steigern, Verluste zu minimieren und das gesamte Zusammenspiel hinsichtlich Gleichzeitigkeit und Lastprofil zwischen den verschiedenen Prozessen im Dampfnetz mit in die Betrachtung einzubeziehen. Nur dann ist ein zukunftssicherer und kosteneffizienter Betrieb der Dampfanlagen möglich.

Es empfiehlt sich deshalb in einem ersten Schritt Maßnahmen zur Reduktion des Energieeinsatzes bzw. Steigerung der Energieeffizienz zu ergreifen, bevor man im nächsten Schritt die Umstellung der Dampferzeugung angeht.

Um einen Überblick über die aktuelle Situation, aber auch über die Möglichkeiten zu erhalten, empfiehlt es sich, zunächst ein Audit der Dampfanlage hinsichtlich Energieeffizienz und Nachhaltigkeit durch Experten durchführen zu lassen. Damit wird eine Grundlage für eine Ideensammlung geschaffen, Schwachstellen und Optimierungsmöglichkeiten aufgedeckt und damit die Basis für die Erarbeitung eines Gesamtkonzeptes und einer Umsetzungs-Roadmap gelegt. Spirax Sarco bietet ein solches Dampfanlagenaudit an und steht mit seinen Experten bei der Konzepterarbeitung und späteren Umsetzung Unternehmen in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie, aber auch in der Gesundheitstechnik, zur Seite.

Je nach Anlagengröße und Komplexität kann es sinnvoll sein, das Audit in verschiedene Teilbereiche zu splitten (z. B. Dampferzeugung, Dampfverteilung, Prozesse, oder auch nach Gebäude), um eine strukturierte und detaillierte Aufnahme zu ermöglichen und parallel die Ideenentwicklung und Planung zu beginnen.

Energieeffizienz und Qualität beurteilen und überwachen

Auch kann es für die Detailaufnahme notwendig werden, mit messtechnischer Unterstützung die Energieeffizienz und Qualität regelungstechnischer Prozesse zu beurteilen und zu überwachen, um Probleme beziehungsweise Einsparpotenziale aufzudecken.

Sind Daten durch eine Leittechnik verfügbar, greifen die Spezialisten gern auf diese zurück, ansonsten können auch verschiedenste Messsysteme begleitend beim Audit zur Anwendung kommen, beziehungsweise partiell oder auch dauerhaft installiert werden – und damit die fortschreitenden Möglichkeiten zur Digitalisierung genutzt werden. Auch Software-Cloudlösungen zur Ermittlung und Verwaltung von Energieströmen und Verbräuchen wie z. B. das am Markt bereits etablierte Strata-System von Cotopaxi unterstützen die Konzepterarbeitungsaktivitäten, begleiten aber auch aktiv die Unternehmen auf ihrem Weg in Richtung CO₂-Neutralität.

Sind Einspar- und Optimierungspotenziale identifiziert, geht es daran, die individuell auf den jeweiligen Produktionsstandort passenden Konzepte zu erarbeiten. Dies erfolgt auf der Basis der für den zukünftig effizienteren Betrieb errechneten erforderlichen Grund- und Spitzenlasten für die Dampfanlage. Diese können dann neue zentrale elektrische oder mit Wasserstoff oder Biomasse betriebene Dampferzeuger sowie eine Umrüstung von existierenden Dampferzeugern auf Strom- oder Wasserstoffversorgung beinhalten. Auch können Technologien wie Dampfspeicher, Thermalbatterien (elektrisch geladene Dampfspeicher) oder auch dezentrale elektrische Dampf- und Reindampferzeuger-
lösungen dabei helfen, Spitzenbedarfe zu glätten, Bereitstellungskosten zu reduzieren und Versorgungsengpässen vorzubeugen.

Zudem können Hybridlösungen zum Beispiel in Form von Reindampferzeugern mit elektrischer sowie konventioneller Dampfbeheizung helfen, die Übergangsphase wirtschaftlich und kostentechnisch sicher zu gestalten und die Versorgungssicherheit zu erhöhen. Alternativ kann auch eine kombinierte Betriebsweise aus einer elektrischen Grundlastversorgung und einem mit Biomasse oder Biogas betriebenen Kessel ein effizienter Weg für die Dampferzeugung der Zukunft sein – genauso wie der Einsatz von Heißmedien-Wärmepumpen zur direkten Dampferzeugung, oder „normalen“ Wärmepumpen zur Vorheizung des Kesselspeisewassers, die mittels grüner Energie z. B. aus Solarkollektoren auf dem Kesselhausdach in Verbindung mit einem Batteriespeicher versorgt werden können. So können sie die Heizleistung des Dampferzeugers teils deutlich reduzieren.

Dem Effizienzansatz anhand der Bedürfnisse von Unternehmen folgen

Für den Wandel zur CO₂-Neutralität in Dampfanlagen existieren viele kreative Lösungen, die teils am Markt bereits bewährte Technik darstellen – oder wie etwa die Thermalbatterie als elektrischer Spitzenlastpuffer etwas völlig Neues sind. Gerade aber in Bezug auf das Thema Nachhaltigkeit ist es wichtig, dem Effizienzansatz zu folgen, um die Prozess- und Versorgungsanlagen technisch und effizient für eine wirtschaftlich gut bestreitbare Zukunft fit zu machen. Deshalb braucht es nicht nur den Austausch der „schmutzigen“ Emissionsquelle, sondern individuelle, auf die Rahmenbedingungen und Bedürfnisse der Unternehmen abgestimmte Lösungsansätze, die mithilfe von Dampfspezialisten und Partnern auch über die nächsten Jahre hinweg umgesetzt werden.