Effiziente Chlorproduktion durch neue Membran-Elektrolyse-Technologie

Große Chemieanlage
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Rund 70 Prozent aller Chemieprodukte werden direkt oder indirekt mit Chlor oder Natronlauge hergestellt. Eine Möglichkeit zur Herstellung dieser chemischen Grundstoffe ist die Chlor-Alkali-Elektrolyse, wobei große Mengen an elektrischer Energie eingesetzt werden. Die Membranelektrolyse zählt dabei zu den wirtschaftlichsten und ökologisch nachhaltigsten Herstellungsverfahren und kommt daher in Deutschland bereits in zwei Drittel aller großtechnisch arbeitenden Betriebe zum Einsatz. Das Verfahren basiert auf der elektrolytischen Zerlegung von Natriumchlorid, wobei Anoden- und Kathodenraum durch eine Membran voneinander getrennt werden um unerwünschte Sekundär- und Rückreaktionen zu vermeiden. Ältere Membranelektrolyse-Technologien basieren auf einem kleinen Abstand der Elektroden zur trennenden Membran. Durch neue Entwicklungen in der Zell- und Membrantechnologie können diese Elektrodenabstände jedoch verringert, die Stromdichten zwischen den Elektroden erhöht und somit der Wirkungsgrad des Verfahrens deutlich verbessert werden.

Optimierungspotenziale und mögliche Effizienzmaßnahmen

Ein wesentlicher Ansatzpunkt für eine Effizienzmaßnahme an Membranelektrolyse-Anlagen ist die Umrüstung von alten Membranzellen auf eine neue Zelltechnologie. Die neuen Zellen arbeiten dabei mit der sogenannten zero-gap-Technologie. Hierbei wird die den Anoden- vom Kathodenraum trennende Membran zwischen den Elektroden ohne Zwischenraum eingespannt. Dadurch wird der Weg des Stroms durch den Elektrolyten minimiert. Auf diese Weise verringert sich der elektrische Widerstand und die Stromeffizienz verbessert sich um ca. fünf Prozent.

Projektidee

Zwei Membran-Elektrolyseure, bestehend aus jeweils vier Racks mit 25 Elektrolysezellen, werden auf die neue Zelltechnologie umgerüstet. Dabei ist, aufgrund gleichbleibender äußerer Abmessungen der vorhandenen Elektrolysezellen, nur ein Austausch der Kathoden und Anoden sowie der zwischenliegenden Abstandshalter für die Membranen notwendig. Durch die Umrüstung der Anlage auf die neuste Zelltechnologie ergeben sich erhebliche Stromeinsparungen (Senkung des Energieverbrauchs um ca. fünf Prozent).

Kosten für die Umsetzung:

  • Investitionskosten für die Umrüstung der Membranelektrolyseure auf die neueste Zelltechnologie von rund 1,75 Mio. €,
  • Investitionsnebenkosten (für Installation, Inbetriebnahme und Messtechnik) in Höhe von 250.000 €,
  • und damit in Summe Investitionsgesamtkosten in Höhe von 2.000.000 €.

Von diesen Kosten können bei STEP up! maximal 30 %, d.h. max. 600.000 €, gefördert werden. Die tatsächliche Höhe der jeweils förderfähigen Kosten hängt letztlich davon ab, ob es sich bei der Maßnahme um eine vorgezogene Ersatzinvestition, eine Zusatzinvestition oder eine Erneuerungsinvestition handelt. Ausführliche Hinweise zu den Investitionstypen finden sich im Merkblatt "Allgemeine Hinweise zur Antragstellung in STEP up!", welches unter "Teilnehmen" und "Ausschreibungsrunden" auf den STEP up!-Webseiten zu finden ist.

Grundlegende Kriterien für eine Förderung durch STEP up! sind, dass die Maßnahme sich erst nach mehr als drei Jahren amortisiert und der sogenannte "Kosten-Nutzen-Wert" von maximal 0,10 €/kWh nicht überschritten wird.

Durch die Umsetzung aller beschriebenen Maßnahmen können jährlich Einsparungen von 2.250 MWh realisiert werden. Bei einer Lebensdauer von zehn Jahren ergibt sich somit eine Gesamtstromeinsparung von 22.500 MWh. Bei einem angenommenen Strompreis von 0,15 €/kWh amortisiert sich die Effizienzmaßnahme ohne Förderung nach circa sechs Jahren, mit maximaler Förderung bereits nach etwas mehr als vier Jahren.

Der Kosten-Nutzen-Wert der Maßnahme ergibt sich aus dem Quotienten der beantragten Fördersumme (Kosten) und der Stromeinsparung über die gesamte Nutzungsdauer der Technik (Nutzen). In der vorliegenden Projektidee liegt der Kosten-Nutzen-Wert bei 0,027 €/kWh und damit unterhalb des bei STEP up! zugelassenen Grenzwertes von 0,1 €/kWh.