Energiewende im laufenden Betrieb

An besonders heißen Tagen wird der Lechkanal bei Augsburg zum limitierenden Faktor. Nicht für Spaziergänger, sondern für die Industrie. Überschreitet die Wassertemperatur die genehmigten Grenzwerte, muss der Industriepark den Wärmeeintrag reduzieren. Für einen energieintensiven Chemiestandort wie das Werk des Feinchemikalien-Herstellers Cabb in Gersthofen berührt das beides: den Schutz des Gewässers und die Stabilität des laufenden Betriebs.

Das Unternehmen produziert dort unter anderem Monochloressigsäure (MCA), ein wichtiges Zwischenprodukt für Pharma, Pflanzenschutz und Kosmetik, etwa für die Herstellung von synthetischem Koffein und Betain-Tensiden, die in Zahnpasta eingesetzt werden. Die Produktion benötigt viel Strom und Prozesswärme. Zugleich fallen Abwärme, Wasserstoff und weitere Koppelprodukte an.

Um die Anforderungen des internationalen Standards für Energiemanagementsysteme ISO 50001 zu erfüllen und den Standort angesichts steigender Energiekosten resilienter aufzustellen, realisierte das Chemieunternehmen zwischen 2020 und 2024 ein betriebsteilübergreifendes Effizienzvorhaben. Das Projektteam verfolgte drei Ziele:

• mehr als 60 % der technisch nutzbaren Abwärme in den untersuchten Teilprozessen zurückgewinnen,

• den Zukauf einer Rohstoffkomponente in der MCA-Chlorierung um 10 bis 15 % senken

• und jährlich rund 4.000 t CO₂-Äquivalente vermeiden.

Technisch wurden dafür Wärme-, Energie- und Rohstoffströme über mehrere Betriebsteile hinweg verknüpft. Finanziell setzte das Unternehmen ebenfalls auf mehr als ein Instrument: Investitionszuschüsse unterstützten die Anlagentechnik – und über die Forschungszulage konnte rückwirkend ein Teil des Entwicklungsaufwands geltend gemacht werden.

Ermitteln einer präzisen Datenbasis

Als Philipp Stahlhofen 2018 die neu geschaffene Vollzeitposition des Energiemanagers bei Cabb übernahm, stieß er schnell auf ungenutztes Potenzial. „Wasserstoff ging zeitweise über das Dach, Abwärme blieb ungenutzt, und Rohstoffe aus dem Abgasstrom wurden mit hohem Stromeinsatz zurückgewonnen“, sagt er. „Zugleich fehlte eine belastbare Datenbasis. Volumenströme, Temperaturen und Betriebszustände hatten wir nicht präzise genug vorliegen.“

Für die Wärmeintegration ließ das Unternehmen eine Pinch-Analyse durchführen. Ein Student der Umwelt- und Verfahrenstechnik untersuchte dafür Wärmequellen und -senken. „Irgendwo entsteht immer Wärme, die wir anderswo brauchen können“, sagt Stahlhofen. „Aber erst die Zahlen zeigen, welche Quellen vom Temperaturniveau, von der Energiemenge und vom zeitlichen Anfall her zu welchen Senken passen.“ Aus der Pinch-Analyse entstanden die Konzepte für Solevorwärmung und HCl-Restwärmenutzung. Für Wasserstoffverwertung und Rohstoff-Rückgewinnung legte das Team eigene Stoff- und Energiebilanzen zugrunde.

Modul 1: Wasserstoff als Dampflieferant

Eine wichtige „Stellschraube“: die Chloralkalielektrolyse, mit der das Unternehmen Chlor für die MCA-Herstellung gewinnt. Dabei entsteht zwangsläufig Wasserstoff. Einen Teil nutzt das Werk selbst, einen weiteren gibt es an einen externen Abnehmer ab. Durch Absatzschwankungen blieben zeitweise aber erhebliche Überschüsse ungenutzt.

Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen verlangen weitgehend konstante Lasten; der Wasserstoffüberschuss schwankt. „Wir haben uns deshalb für einen Wasserstoffbrenner mit gekoppeltem Dampfkessel entschieden“, erklärt Stahlhofen. „Das System verwertet die variablen Mengen flexibel und ersetzt jedes Jahr mehrere Tausend Tonnen extern bezogenen Dampf.“ Zugleich sinken die CO₂-Emissionen um mehr als 1.000 t pro Jahr.

Modul 2: Abwärme für die Solevorwärmung

Die Pinch-Analyse legte im Solesystem ein unnötig aufwendiges Verfahren offen. Die aufbereitete Dünnsole muss vor der Rückspeisung in die Elektrolyse erwärmt werden. Bislang kam dafür Dampf mit einem deutlich höheren Temperaturniveau zum Einsatz, als der Prozessschritt benötigt.

Das Team um Stahlhofen suchte nach einer energetischen Abkürzung – und fand sie im benachbarten MCA-Betriebsteil. Dort setzt die stark exotherme Chlorierreaktion so viel Wärme frei, dass der Reaktor aktiv gekühlt werden muss. Bislang führte Cabb einen großen Teil dieser Energie über den Kühlwasserkreislauf ab.

Ein zusätzlicher Wärmetauscher verbindet heute beide Systeme: Die Abwärme aus der Chlorierung wärmt die Sole für die Elektrolyse vor. Nur einen vergleichsweise kleinen Rest deckt man weiterhin mit Dampf ab. „Wir haben erstmalig so etwas betriebsteilübergreifend gemacht“, sagt Stahlhofen. Die Lösung spart jährlich mehrere Tausend Tonnen Dampf und ein Teil der Wärme, die früher über das Kühlwasser in den Lechkanal gelangte, bleibt nun im Prozess.

Modul 3: Inconel-Sonderkonstruktion für die HCl-Restwärme

Beim nächsten Vorhaben war die Wärmequelle bekannt. Das Problem war das Material. Nach dem Abhitzekessel verlassen die chlorwasserstoffhaltigen Abgase die Anlage noch mit über 300 °C. Doch das Medium greift Standard-Edelstahl an. Der Betreiber ließ deshalb einen Nachkühler aus Inconel fertigen, einer hochkorrosionsbeständigen Nickel-Chrom-Superlegierung. Um meterlange Zuleitungen aus dem teuren Material zu vermeiden, entwickelten die Ingenieure eine unkonventionelle Lösung: Sie schnitten ein Teilstück aus dem vertikalen Abgasrohr heraus und setzten dort den Nachkühler ein – ohne Umleitung, ohne zusätzliches Rohrsystem. Er senkt die Abgastemperatur auf rund 150 °C und erzeugt je nach Betriebszustand zwischen 0,3 und 0,6 t 3-bar-Dampf/h. Genutzt wird er zur Speisewasservorwärmung und zur Eindüsung in die Brennkammern.

Modul 4: Waschen statt Kühlen

Energie war nicht das Einzige, das im Abgasstrom steckte. Bei der MCA-Chlorierung enthält er neben HCl auch einen Wertstoff, der frischen Rohstoff ersetzen kann. Bislang gewann man ihn vor allem durch Tiefkühlung und Kondensation zurück. Cabb ergänzte den Prozess deshalb um einen vorgeschalteten Abgaswäscher. Der Gleichstromabsorber wäscht einen großen Teil des Wertstoffs bereits vor der Tiefkühlung mit Essigsäure aus dem Gasstrom. Die erforderliche Kälteleistung hat sich dadurch nahezu halbiert. Zugleich senkt Cabb den Rohstoff-Zukauf in diesem Teilprozess um 10 bis 15 %. „Je mehr Wertstoff wir zurückgewinnen, desto weniger Rohstoff müssen wir zukaufen“, bilanziert Stahlhofen.

Vom Anlagenbau zur Forschung

Was im Nachhinein nach einer Abfolge logischer Effizienzschritte klingt, war mit erheblichen technischen Unsicherheiten verbunden. Der Chemieproduzent musste klären, ob sich die neuen Stoff- und Energieströme stabil in den laufenden Produktionsverbund integrieren lassen, ob die Werkstoffe den aggressiven Medien dauerhaft standhalten und die angestrebten Leistungen unter wechselnden Betriebsbedingungen erreichbar waren. Auch die Wasserstoffverwertung hing davon ab, ob die angeschlossenen Verbraucher den erzeugten Dampf abnehmen konnten. Damit ging das Vorhaben über Standard-Anlagenbau hinaus: Das Projektteam prüfte Varianten, passte Parameter an und koppelte die Prozessanpassungen so, dass der betriebsteilübergreifende Gesamtprozess stabil blieb. Nicht jeder untersuchte Lösungsweg versprach Erfolg. Diese technischen Ungewissheiten mussten durch Forschung und Entwicklung geklärt werden und bildeten die Grundlage dafür, das Projekt im Rahmen der Forschungszulage als förderfähig zu begründen.

Forschungszulage ergänzt Investitionszuschüsse

Für die technische Umsetzung nutzte Cabb Zuschüsse aus dem damaligen Förderwettbewerb Energie- und Ressourceneffizienz und aus einem Bafa-Programm. Sie machten die Anlagenprojekte wirtschaftlich darstellbar, erfassten aber nicht die interne Entwicklungsarbeit, Vorplanung und Teile des Basic Engineerings. Ende 2023 machte das Beratungsunternehmen Leyton den Chemikalienhersteller auf die Forschungszulage aufmerksam: „Wir haben keine klassische F&E-Abteilung, deshalb war uns dieses Instrument nicht geläufig“, sagt Stahlhofen. Die Berater prüften die Entwicklungsaktivitäten seit 2020 und arbeiteten heraus, was den Fördercharakter des Gesamtkonzepts ausmachte: Die Prozessanpassungen dienten einem übergeordneten Entwicklungsziel und mussten in ihrem technischen Zusammenspiel betrachtet werden.

Dr. Saskia Graf von Leyton bereitete den technischen Teil des Antrags vor. Die Biochemikerin mit Erfahrung in Nachhaltigkeitsprojekten arbeitete Neuartigkeit, systematisches Vorgehen und technische Ungewissheiten heraus, grenzte die Entwicklungsarbeit vom routinemäßigen Engineering ab und beantwortete die Rückfragen der Bescheinigungsstelle Forschungszulage. Das Consulting-Team ordnete die förderfähigen Aufwendungen und bezog auch die dem Vorhaben zuzuordnenden Arbeitszeiten von rund 30 Mitarbeitenden ein – vom Engineering bis zu Schlossern und Elektrikern. Anschließend gingen die Unterlagen an das Finanzamt. „An die Forschungszulage hätten wir uns ohne Leyton nicht herangewagt“, sagt Stahlhofen. „Man muss sehr spezifisch erklären, warum ein Vorhaben über routinemäßige Prozessoptimierung hinausgeht.“

Die Forschungszulage brachte Cabb eine zusätzliche bedeutende Steuerentlastung. Sie ersetzte die Investitionsförderung nicht, sondern ergänzte sie – ohne dieselben Kosten doppelt anzusetzen. Die positive Erfahrung zeigte zugleich, dass auch außerhalb einer klassischen Forschungsabteilung förderfähige Entwicklungsarbeit entsteht. Das Chemieunternehmen hat die Forschungszulage deshalb fest in seine Förderstrategie aufgenommen und finalisiert mit Leyton derzeit den fünften Projektantrag.

Der Lechkanal bleibt ein wichtiger Teil der Kühlwasserinfrastruktur des Standorts. Doch ein Teil der Wärme, die das Unternehmen früher über den Kanal abführte, arbeitet heute an anderer Stelle weiter. Das Projekt zeigt, wie sich Energie- und Rohstoffströme im laufenden Betrieb neu verknüpfen lassen – und warum die Finanzierung dabei ebenso sorgfältig abgestimmt sein muss wie die Technik.