Entwicklung einer klimaneutralen Wärmeversorgung für Asphaltmischanlagen

Im Projekt »DekarAsphalt« untersucht das Fraunhofer ISE die Dekarbonisierung der Prozesswärmebereitstellung in der Asphaltproduktion. Hierbei wird die Integration von Wärmepumpen, Speichern in Form von Wärme- und Batteriespeichern sowie Wasserstoff analysiert, um den Einsatz fossiler Brennstoffe zu ersetzen oder zu reduzieren und die fluktuierende Stromerzeugung erneuerbarer Energien auszugleichen. Ziel ist es, CO₂-Emissionen und Energiekosten deutlich zu senken und gleichzeitig eine praxistaugliche Roadmap für klimaneutrale Asphaltmischanlagen zu entwickeln.

Ausgangslage

Asphaltmischanlagen gehören zu den energieintensiven Prozessen im Straßenbau: Große Mengen an Mineralstoffen und Recyclingmaterial werden mit fossil befeuerten Brennern getrocknet und auf hohe Temperaturen erhitzt. Hohe Feuchtegehalte der Ausgangsstoffe und große Luftmengen führen zu einem hohem Brennstoffverbrauch und CO₂-Ausstoß. Steigende Energiepreise und CO₂-Kosten erhöhen den wirtschaftlichen Druck auf Betreibende, während politische Klimaziele eine tiefgreifende Emissionsminderung verlangen. Gleichzeitig entstehen durch den Ausbau erneuerbarer Energien phasenweise sehr niedrige Strompreise, die neue Chancen für eine flexible, elektrische Wärmeerzeugung eröffnen.

Ziel

Ziel von »DekarAsphalt« ist es, technische und wirtschaftliche Konzepte zur weitgehenden Dekarbonisierung von Asphaltmischanlagen zu entwickeln und zu bewerten. Im Fokus stehen Effizienzsteigerungen im Trocknungsprozess sowie die Substitution fossiler Brennstoffe durch Strom und Wasserstoff. Untersucht werden u. a. Wärmepumpen, direkte elektrische Beheizung, Hochtemperatur-Wärmespeicher, Batteriespeicher, Wasserstoffbrenner und Prozessoptimierungen. Auf dieser Basis erhalten Betreibende und Anlagenbauer praxistaugliche Entscheidungshilfen zur Auslegung hybrider Wärmesysteme.

Lösungsansatz

Für eine bestehende Referenzanlage wurde zunächst ein detailliertes Prozess- und Energiemodell erstellt und mit Messdaten validiert. Eine Pinch-Analyse identifizierte Wärmerückgewinnungs- und Effizienzpotenziale, insbesondere durch Reduktion von Feuchtegehalt und Luftmengen. Anschließend wurden Konzepte zur direkten elektrischen Beheizung sowie Konzepte der Energieumsetzung mittels Feststoff-Hochtemperaturspeicher, Lithium-Eisenphosphat-Batteriespeicher und der Wasserstoffversorgung technisch ausgearbeitet. Mit der Simulationsumgebung »ColSim« des Fraunhofer ISE wurden diese Komponenten in mehreren hybriden Systemvarianten dynamisch über ein Jahr und in Langfristszenarien bis 2045 techno-ökonomisch optimiert.

Ergebnisse

Die Analysen zeigten, dass sich durch die Reduktion des Wassergehalts von Recyclingmaterialien und Mineralströmen sowie durch geringere Luftmengen der Energiebedarf der Anlage um bis zu 40 % senken lässt. Der Einsatz zusätzlicher Trocknung mit Wärmepumpen ermöglicht Einsparungen von rund 50 %. Hybridkonzepte aus Power-to-Heat, Hochtemperatur-Wärmespeicher und Gas- bzw. Wasserstoff-Backup können den CO₂-Ausstoß der Wärmebereitstellung bereits mit vergleichsweise kleinen Speichern um mehr als 50 % reduzieren – bei Lebenszykluskosten in der Größenordnung der heutigen Gaslösung.

Ein kompletter Umstieg auf Wasserstoff verdoppelt dagegen die Kosten nahezu. Batteriespeicher sind für die direkte Wärmebereitstellung derzeit nicht wettbewerbsfähig, eignen sich aber zur Optimierung des restlichen Strombezugs. Die hybride Lösung aus Power-to-Heat, thermischem Energiespeicher und Backup-Boiler ist wettbewerbsfähig und sollte als präferierte Lösung weiterverfolgt werden. Kostengünstige Maßnahmen zur Reduktion des Feuchtegehalts in den Ausgangsmaterialien werden angeraten, da sich dadurch der Energiebedarf und damit laufende Kosten deutlich senken lassen.

Das Projekt »DekarAsphalt« wurde gefördert von Invest BW,  einem Förderprogramm des Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg.