Wärmebatterien könnten die Heizstromkosten der US-Industrie halbieren

Wenn es um die Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) geht, dominieren in der Regel die Energie- und Transportsektoren die Schlagzeilen. Um unsere Klimaziele zu erreichen, müssen wir uns jedoch mit einer großen und wachsenden Emissionsquelle befassen: der Industrie.

US-amerikanische Industrieanlagen sind direkt für etwa ein Viertel der Treibhausgasemissionen des Landes verantwortlich. Rund 84 % der energiebedingten Industrieemissionen entstehen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Bereitstellung von Wärme für Herstellungsprozesse wie das Schmelzen von Metallen, das Formen von Kunststoffen und das Antreiben chemischer Reaktionen. Die Dekarbonisierung von Industriewärme ist von entscheidender Bedeutung für die Erfüllung der Emissionsreduktionsverpflichtungen der Vereinigten Staaten.

Glücklicherweise könnte eine neue saubere Technologie – industrielle Wärmebatterien – die Lösung zur Reduzierung industrieller Treibhausgasemissionen und zur Senkung der industriellen Stromkosten sein. Diese Batterien könnten die Stromkosten für Industrieheizungen um 50–63 % senken und die Entscheidungsfindung von Unternehmen hinsichtlich der Elektrifizierung von Prozesswärmeanlagen grundlegend verändern und gleichzeitig bis zu 90 % des industriellen Prozesswärmebedarfs decken.

Eine thermische Batterie wandelt Strom in Wärme um, speichert die Wärme stunden- oder tagelang und kann Ausgangswärme bei Temperaturen von bis zu 1.500–1.700 °C liefern, wenn die Wärme vom Industrieanwender benötigt wird, mit einem Gesamtwirkungsgrad von 95 %. Die Abbildung unten zeigt, wie sich eine Thermobatterie mit einer elektrischen Widerstandsheizung auflädt und dann Wärme über Heißgas oder sichtbares und infrarotes Licht abgibt.

Diagramm der thermischen Batterie

Neue Forschungsergebnisse von Energy Innovation modellieren die Kosten, Einsparungen und Leistung von Wärmebatterien. Die Untersuchung zeigt, dass diese Batterien zuverlässig Wärme für 35 bis 62 US-Dollar pro Megawattstunde (MWh) thermischer Leistung liefern können, wodurch die Kosten für die Erzeugung von Wärme aus Strom auf ein Niveau gesenkt werden, das mit dem Weiterbetrieb bestehender Erdgasanlagen konkurrenzfähig ist.

Industrielle Wärmepumpen haben einen ähnlichen Einfluss auf die Kosteneffizienz, aber thermische Batterien arbeiten über einen viel breiteren Temperaturbereich als Wärmepumpen, wodurch die Arten von Heizprozessen, die kostengünstig elektrifiziert werden können, erheblich erweitert werden.

Um den Einsatz thermischer Batterien zu beschleunigen, sollte die Regierung Förderprogramme nutzen (wie das Advanced Energy Project Credit und das Advanced Industrial Facilities Deployment Program), und das IRS sollte Leitlinien herausgeben, die bestätigen, dass thermische Batterien für die 45X Advanced Manufacturing Production in Frage kommen Kredit.

Im Jahr 2022 verbrauchten die US-Industrien rund 12.600 Petajoule brennbare Brennstoffe (ohne Rohstoffe), fast ausschließlich zur Bereitstellung von Wärme bei Temperaturen unter 1.000 °C für Anwendungen wie die Dampferzeugung oder Heizgeräte wie Öfen oder Brennöfen. Für die Bereitstellung dieser Wärme sind Thermobatterien gut geeignet. Obwohl einige Prozesse eine Herausforderung für thermische Batterien darstellen (z. B. die Primärstahlherstellung) oder extreme Präzision erfordern (z. B. Autogenschweißen), machen diese weniger als 5 % des industriellen Energieverbrauchs der USA aus. Daher haben industrielle Wärmebatterien einen großen adressierbaren Markt und ein großes Potenzial zur Reduzierung von Treibhausgasen.

Energieverbrauch im verarbeitenden Gewerbe in den USA nach Temperaturbereich 2022

Für den Betrieb thermischer Batterien gibt es zwei Ansätze. Generationsfolgebatterien ermöglichen es Industrieanlagen, die netzunabhängige Wind- und Solarenergie besser zu nutzen. Preisgesteuerte Thermalbatterien ermöglichen es netzgebundenen Anlagen, ihren Strom zu den Zeiten zu kaufen, in denen er am günstigsten ist. Auch Hybride dieser Ansätze sind möglich.

Industrien, die Strom aus dem Netz beziehen, müssen den Einzelhandelspreis zahlen, der nicht nur die Kosten für die Stromerzeugung, sondern auch die damit verbundenen Stromübertragungs-, -verteilungs- und Gemeinkosten abdeckt. Eine Anlage kann Strom günstiger kaufen, indem sie direkt mit einem Solar- oder Windprojekt zusammenarbeitet und thermische Batterien verwendet, um die Schwankungen von Solar- und Windenergie auszugleichen, wodurch kostengünstige Wärme zuverlässig für die industrielle Nutzung verfügbar gemacht wird.

Diese Zuverlässigkeit ist eine Funktion der Stunden der Wärmespeicherung der Batterie und der Stromreduzierungsrate bzw. der Bereitschaft, in den sonnigsten und windigsten Stunden überschüssigen Strom zu erzeugen, damit auch in längeren Zeiträumen mit geringerer Stromerzeugung genügend Strom vorhanden ist. Die Komponenten der Kosten für die von einer thermischen Batterie gelieferte Wärme werden unten für einen Standort in Kalifornien, der ausschließlich auf Solarenergie basiert, und für einen Standort in Texas, der auf eine Mischung aus Wind- und Solarenergie angewiesen ist, aufgeführt. An Standorten, die ausschließlich auf Solarenergie basieren, sind die Kosten höher, da für die zuverlässige Wärmeversorgung eine größere thermische Batterie (und eine stärkere Leistungsreduzierung) erforderlich ist als bei Standorten, die von einer Mischung aus Wind- und Solarenergie versorgt werden.

LCOE-Komponenten für jede modellierte Wärmebatterie

Unter Berücksichtigung der Kapital- und Betriebskosten von Thermalbatterien liefern sie Wärme zu einem halben bis einem Drittel der Kosten für die direkte Nutzung von Netzstrom und sind damit preislich konkurrenzfähig gegenüber Erdgaspreisen.

Preisvergleich effizienzbereinigter Prozesswärmekosten

Die Netzstrompreise können je nach Erzeugung aus erneuerbaren Energien, Übertragungsbeschränkungen und Nachfrage stündlich variieren. Eine Anlage, die eine preisgesteuerte Wärmebatterie nutzt, könnte von diesen Preisschwankungen profitieren. Die Batterie ermöglicht es der Fabrik, Strom zu kaufen, wenn die Kosten niedrig sind, und den Kauf von Strom in Stunden mit hohen Kosten zu vermeiden. Die folgende Grafik zeigt den Ladezustand einer preisgekrönten thermischen Batterie (gelbe Linie), während sie als Reaktion auf Änderungen des Strompreises im Netz geladen und entladen wird (blaue Linie).

Strompreis und Ladezustand der thermischen Batterie

Die ideale Batteriekonfiguration erzielt die geringstmöglichen Kosten pro Einheit, indem sie die Stromeinsparungen mit den höheren Kapitalkosten in Verbindung mit einer schnelleren Laderate und mehr Kapazität in Einklang bringt. Im Jahr 2020 könnte eine optimierte thermische Batterie zuverlässig Wärme liefern und gleichzeitig Strom zu einem Durchschnittspreis von 10,50 $ pro Megawattstunde (MWh) kaufen, verglichen mit einem Durchschnittspreis von 30,80 $/MWh ohne thermische Batterie. Im Jahr 2022, einem Jahr mit höheren Strompreisen, lagen die Werte mit der Batterie bei 27,18 $/MWh gegenüber 62,35 $ ohne.

Thermalbatterien erzeugen emissionsfreien Strom, der für produktive Zwecke genutzt werden kann, ohne das bestehende Netz stärker zu belasten. Preisjägerbatterien verbrauchen Strom zu Zeiten, in denen er für andere Zwecke weniger attraktiv ist. Sie stellen außerdem Flexibilitätsdienste für das Netz bereit, indem sie ihren Stromverbrauch in stressigen Zeiten reduzieren, in denen es zu Ausfällen kommen könnte. Es für Energieversorger einfacher zu machen, ein Netz mit hohem Anteil erneuerbarer Energien zu betreiben und Stromausfälle zu vermeiden, kommt allen zugute, insbesondere einkommensschwachen Gebieten, die überproportional von Stromausfällen betroffen sind.

Die Verabschiedung neuer Richtlinien ist von entscheidender Bedeutung, um die Kosten für Wärmebatterien zu senken und ihren Einsatz zu beschleunigen. Die Bundesregierung könnte über Programme des Industrial Efficiency and Decarbonization Office, des Office of Clean Energy Demonstrations, des Advanced Energy Project Credit und des Advanced Industrial Facilities Deployment Program finanzielle Anreize für thermische Batterien bieten.

Das Inflation Reduction Act genehmigte außerdem den 45-fachen Advanced Manufacturing Production Credit für Hersteller sauberer Energietechnologien, einschließlich „Batteriemodulen“, die nicht auf elektrochemischen „Batteriezellen“ basieren. In seinen bevorstehenden Leitlinien zum Kredit sollte der IRS bestätigen, dass es sich bei industriellen Wärmebatterien um eine abgedeckte Energiespeichertechnologie handelt.

Die Federal Energy Regulatory Commission sollte festlegen, dass Industriekunden mit thermischen Batterien ermäßigte Gebühren für den Zugang zum Stromnetz zahlen, da sie Vorteile für das Stromnetz bieten. Netzbetreiber können ermutigt werden, die Vorteile flexibler Ressourcen wie thermischer Batterien zu erkennen und bei Batterien, die mit erneuerbarer Energieerzeugung ausgestattet sind, ihre Anbindung an das Netz zu beschleunigen.

Schließlich könnten staatliche Versorgungskommissionen eine neue Tarifklasse für flexible Lasten wie Wärmebatterien schaffen und sicherstellen, dass etablierte Energieversorger den Einsatz von Wärmebatterien erleichtern und möglicherweise damit Geld verdienen.

Wärmebatterien können die industrielle Elektrifizierung und einen schnelleren Übergang zu einer sauberen Industrie erleichtern. Sie liefern Wärme mit einer Temperatur von bis zu 1.500–1.700 °C, genug, um über 90 % des industriellen Prozesswärmebedarfs zu decken, der mit brennbaren Brennstoffen gedeckt wird.

Mit dem richtigen politischen Umfeld fördern thermische Batterien eine saubere und wettbewerbsfähige US-Industrie, stärken die Technologieführerschaft der USA und reduzieren die Umweltverschmutzung durch konventionelle und Treibhausgase. Die politischen Entscheidungsträger sollten diese Win-Win-Win-Chance nutzen, um in die US-Produktion zu investieren, die öffentliche Gesundheit zu schützen und zu den Klimazielen der USA beizutragen.

Um mehr zu erfahren, melden Sie sich für die Mailingliste des Industry-Programms von Energy Innovation an, um über zukünftige Forschungsergebnisse informiert zu werden, darunter Zero-Carbon Industry, unser bevorstehendes Buch von Columbia University Press.