Die Geschichte der Wärmebehandlung
Der Beginn der Wärmebehandlung bleibt immer im Dunkeln, weil die Belege umso spärlicher ausfallen, je weiter wir zurückschauen. Der Anfang des Härtens fällt in eine Zeit, aus der keine schriftlichen Überlieferungen vorliegen. Wir müssen uns daher an Artefakte halten, die von Archäologen zu Tage gefördert und in den geschichtlichen Zusammenhang gestellt wurden. Tatsächlich sind Eisenfunde aus Samara im nördlichen Irak belegt, die bis um 5000 v. Chr. zurückreichen.
Seit fast 3000 Jahren werden in fast allen Lebensbereichen Gegenstände aus Eisen bzw. Stahl verwendet. Die Einführung des Eisens als Gebrauchswerkstoff wird als die durchgreifendste Revolution in der Geschichte der Zivilisation betrachtet. Das geschah um 1000 v. Chr. Seither hat die Bedeutung dieses Werkstoffes ständig zugenommen. Die Wiege der Eisenerzeugung wird an der heute türkischen Schwarzmeerküste vermutet. Im frühen zweiten Jahrtausend vor unserer Zeitrechnung war Eisen noch sehr selten und außerordentlich kostbar. Im 19. Jahrhundert v. Chr. war Eisen noch achtmal so teuer wie Gold und vierzigmal so teuer wie Silber. Ab dem 7. vorchristlichen Jahrhundert sah es dann anders aus. Eisen war ein Gebrauchswerkstoff geworden. Aus ihm wurden nun nicht mehr nur Schmuck und Kulturgegenstände hergestellt, sondern Waffen, Feld- und Hausgeräte. Was bewirkte diese rasche Entwicklung der Eisenherstellung in der Antike? Um etwa 1200 v. Chr. wurden die Kupfer- und Zinnlieferungen knapp. Die Bronzeherstellung war gefährdet. Die erste Rohstoffkrise musste gemeistert werden. Man suchte nach Alternativen und erfand die Eisenmetallurgie.
Reines Eisen spielt technisch kaum eine Rolle. Erst wenn ihm bestimmte nichtmetallische und/oder metallische Elemente zulegiert werden, kann man technisch interessante Eisenwerkstoffe erhalten. Das wichtigste Legierungselement früher und heute war und ist der Kohlenstoff. Kohlenstoffhaltiges schmiedbares Eisen wird als Stahl bezeichnet. Stahl lässt sich härten, wenn er von ausreichend hoher Temperatur abgeschreckt wird, zum Beispiel in Wasser. Auch ein nachträgliches mildes Erwärmen, um die Sprödigkeit herabzusetzen wurde schon praktiziert. Das Legieren, sowie das Härten und Anlassen waren schon in der Antike bekannt.
Entwicklung in der Kammerofentechnologie; Quelle Fotos: Fa. Ipsen, Fa. Aichelin
Was ist in den folgenden 2000 Jahren auf dem Gebiet der Wärmebehandlung geschehen? Bis Ende des vorletzten Jahrhunderts nicht sehr viel, obwohl schon recht beachtliche Kenntnisse über den Einfluss des Werkstoffzustandes auf das Eigenschaftsverhalten vorlagen. Die Entwicklung der Wärmebehandlung zu einer modernen Fertigungsoperation blieb im Wesentlichen dem letzten Jahrhundert vorbehalten. Die Wärmebehandlung verlor nun den letzten Hauch von Alchemie und wurde eine technische Wissenschaft.
Moderne Wärmebehandlungsanlagen
Vor etwa 90 Jahren begann die Entwicklung moderner Wärmebehandlungsanlagen, die, insbesondere wenn sie wie zu Straßen zusammengefasst sind, eine beachtliche technische Anlage darstellen. Elektronik und Computer regeln und überwachen nicht nur alle Einzeloperationen des Wärmebehandlungsvorganges, sondern steuern auch den zumeist vollautomatischen Ablauf desselben.
In den letzten 60 Jahren ging es nicht nur um die Weiterentwicklung, Automatisierung und Perfektionierung der konventionellen Wärmebehandlungsverfahren, sondern es wurden auch eine Reihe neuer Wärmebehandlungstechnologien geschaffen. Diese sollten nicht die konventionelle Wärmebehandlung ersetzen, sondern vielmehr zur Lösung bisher nicht gelöster, oder nur mit großen Schwierigkeiten lösbarer Aufgaben bei der Behandlung von Werkstoffen beitragen und das Spektrum der Wärmebehandlungsverfahren erweitern. Hierzu gehören unter anderem das Härten mit dem Laserstrahl und Elektronenstrahl, der Einsatz des Plasmas, der hochfrequenten Induktion und der Vakuumtechnik.
Und wohin geht die weitere Entwicklung? Einwandfreie beste Qualität wird man voraussetzen, die Kosten und Möglichkeiten, diese zu senken, werden im Vordergrund stehen. Man wird immer mehr und immer weiter rationalisieren und automatisieren, wobei man natürlich alle, die Eigenschaften des Fertigproduktes beeinflussenden, Faktoren beherrschen muss. Aktuell ist man sehr intensiv mit der Energie- und Emissionsreduzierung beschäftigt, um auch zukünftig auf einem sehr hohen technischen Niveau Wärmebehandlungen effizient, wirtschaftlich und besonders nachhaltig betreiben zu können.
Lohnwärmebehandlung in Deutschland
Der Fertigungsschritt Wärmebehandlung im Entstehungszyklus eines Bauteils wird außer in einer Vielzahl von Betriebshärtereien auch in Lohnwärmebehandlungsbetrieben durchgeführt. Die Branche der Lohnwärmebehandler entstand vor ca. 100 Jahren mit einigen kleineren Familienunternehmen. Seit dem ist sie stetig gewachsen und besteht immer noch überwiegend aus familiengeführten Unternehmen.
Die Lohnhärtereien sind typische Vertreter des industriellen Mittelstands mit durchschnittlich 40 Mitarbeitern. Qualität, Fachwissen und Kundenähe sind die besonderen Merkmale. Wärmebehandlungsbetriebe sind allesamt energieintensive Unternehmen. Aktuell produzieren etwa 180 Lohnwärmebehandlungsbetriebe in Deutschland mit ca. 6.500 Mitarbeitern einen Umsatz aus den unterschiedlichsten Marktsegmenten von ca. 1 Milliarde Euro. Der größte Umsatzanteil wird mit dem Marktsegment “Automobilindustrie” erwirtschaftet.
Bei dem überwiegenden Anteil der eingesetzten Wärmebehandlungsanlagen, besonders aus dem Bereich der atmosphärischen Wärmebehandlungsverfahren, wird der fossile Brennstoff Erdgas für die Prozesswärmeerzeugung eingesetzt. Technisch ist die Prozesswärmeerzeugung durch elektrischen Strom schon seit Jahrzehnten möglich und wird auch zum Teil verwendet, aber aufgrund des großen Kostenunterschiedes zwischen Gas und Strom hat man sich bei den Anlagen für eine Gasbeheizung entschieden. Bei anderen Wärmebehandlungsverfahren, wie bei der Vakuum-, Plasma- oder Induktivtechnologie wird schon seit jeher elektrischer Strom eingesetzt.
Energiewende und Energiekosten – der Würgegriff für energieintensive Branchen
Als Energiewende wird der Übergang von der nicht-nachhaltigen Nutzung von fossilen Energieträgern, sowie der Kernenergie zu einer nachhaltigen Energieversorgung mittels erneuerbarer Energien bezeichnet. Ziel der Energiewende ist es, die von der Energiewirtschaft verursachten ökologischen und gesellschaftlichen Probleme auf ein Mindestmaß zu verringern und die dabei anfallenden, bisher im Energiemarkt kaum eingepreisten externen Kosten vollständig zu internalisieren. Von besonderer Bedeutung ist angesichts der globalen Erwärmung heutzutage die Dekarbonisierung der Energiewirtschaft durch Ende der Nutzung von fossilen Energieträgern wie Erdöl, Kohle und Erdgas. Ebenso stellen die Endlichkeit der fossilen Energieträger, sowie die Gefahren der Kernenergie wichtige Gründe für die Energiewende dar.
Ziel der Energiewende in Deutschland ist es, bis 2050 den Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch auf 80% zu steigern, den Primärenergieverbrauch im selben Zeitraum verglichen mit dem Jahr 2008 um 50% zu senken und den Treibhausgasausstoß in Einklang mit den EU-Zielen um 80 bis 95% verglichen mit dem Jahr 1990 zu reduzieren. Insgesamt sollen im Jahr 2050 mindestens 60% des Energieverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt werden. Ein völlig unrealistisches Ziel. Hier wäre ein aktueller Realitätscheck zwingend erforderlich. Nachfolgend die aktuelle Zusammensetzung der deutschen Primärenergie.
Der deutsche Primärenergieverbrauch im Jahre 2019; Quelle: AGEB 2019
Wenn man sich den deutschen Primärenergieverbrauch ansieht, bitte nicht verwechseln mit deutscher Stromerzeugung – wird gerne gemacht, erkennt man unschwer, dass der Anteil der erneuerbaren Energien im Jahre 2019 lediglich knapp 14% betrug (2022 bei 17,1% – global ca. 3%). Zur Zeit möchte man aber gerade bei der Stromerzeugung durch Ausbau von Windenergie und Photovoltaik den Anteil der erneuerbaren Energien auf ca. 60% erhöhen. Das wird schon eine Herkulesaufgabe, die kaum zu stemmen sein wird. Auch wenn man doppelt und dreimal so viele Windräder aufbaut und Photovoltaikanlagen installiert, auf Wind und Sonne werden wir auch dann keinen Einfluss nehmen können. Beispielhaft hatten wir in zwei Wochen im November 2022 einen hergestellten Strommix aus knapp 49% Kohle und nur zu knapp 20% aus erneuerbaren Energien, weil es das Wetter nicht anders zugelassen hat. Jedoch macht die Stromenergieerzeugung nur ca. 25% vom deutschen Primärenergieverbrauch aus. Wie soll das funktionieren? Wie soll ein Industriestaat wie Deutschland damit umgehen, dass seine Produktivität in naher Zukunft vom Wetter abhängig sein soll? Wenn man aber genau nachliest in den Zielen unserer Regierung, steht dort geschrieben, dass man den Primärenergieverbrauch um 50% senken möchte. Das kann nur durch eine Deindustrialisierung im größeren Umfang erzielt werden.
Mit Beginn der Energiewende wurden auch die Strompreise in Deutschland permanent teurer. Anfang 2021 hatte Deutschland bei den gewerblichen Strompreisen ohne staatliche Sonderregelungen die Weltspitze erreicht. Nirgendwo auf diesem Globus waren die Stromkosten höher, Deutschland lag ca. 160% über dem weltweiten Durchschnitt. Seit Mitte des Jahres 2021 wurde es dramatisch. Einflussfaktoren, wie die Einführung der CO2-Abgabe, die politischen Diskussionen über die Inbetriebnahme der Gas-Pipeline Nord-Stream II, der Beginn des Ukraine-Krieges und letztendlich die Reduzierung und dann die Aussetzung von Gaslieferungen aus Russland haben den Strompreis auf nicht für möglich gehaltene Spitzen katapultieren lassen. Auslöser für den rasanten Anstieg des Strompreises war die Koppelung mit dem Gaspreis durch den Merit-Order-Effekt. Der Merit-Order-Effekt bestimmt die Einsatzreihenfolge der Kraftwerke in Deutschland: Zur Deckung der Stromnachfrage werden zuerst die Kraftwerke eingesetzt, die am günstigsten Energie erzeugen. Der Strompreis wird dabei von dem Kraftwerk mit den höchsten Grenzkosten, das aktiv ist, bestimmt. Und das waren die Gaskraftwerke.
Gefahren für die Wettbewerbsfähigkeit
Die Strom- und Gaspreise erreichten ein Vielfaches des ursprünglichen Preises. Das war für fast alle Unternehmen nicht mehr bezahlbar, besonders für die Unternehmen, die zum Zeitpunkt stark erhöhter Preise wieder Strom und Gas einkaufen mussten. Zudem war auch die Versorgungssicherheit gefährdet. Von Gasknappheit und Mengenrationalisierung war die Rede. Ein Zustand, der für die deutsche Industrie völlig neu war und über eine lange Zeitschiene nicht zu handhaben. Das hat sich seit dem Frühjahr 2023 wieder relativiert, aber zu den alten Strom- und Gaspreisen werden wir höchstwahrscheinlich nicht wieder zurückfinden. Wir werden mit einer dauerhaften Verdoppelung der Preise gegenüber 2020 und der Zeit davor rechnen müssen. Gründe hierfür sind der endgültige Ausstieg aus der Kernenergie in 2023 und der Wegfall des billigen russischen Erdgases. LNG als Alternative zum russischen Erdgas ist bereits heute deutlich teurer und wenn hier die Nachfrage steigen sollte aufgrund einer Konjunkturbelebung, gerade im asiatischen Bereich, sind signifikante Teuerungen aktuell noch nicht abzusehen. Auch die Versorgungssicherheit mit LNG ist keinesfalls gegeben.
Neben Strom und Gas haben sich für die Wärmebehandlungsbetriebe auch die Kosten für die Betriebsmittel, wie zum Beispiel Stickstoff, Ammoniak, Propan, Methanol, Wasserstoff, Hochleistungsabschrecköle usw. immer noch bei einigen Produkten bis um den Faktor 2 erhöht. Ein Zustand mit existenzbedrohendem Einfluss. Weil bei diesen Produkten in der Herstellung eine direkte Abhängigkeit zu den Medien Strom und Gas vorliegt, werden auch diese Preise, analog zu den Strom- und Gaspreisen, nicht wieder auf die gewohnten Preise zurückgehen können.
Damit hat sich die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Lohnwärme-behandlungsbetriebe noch weiter verschlechtert. Dabei sind die Automobilzulieferunternehmen, zu denen auch die Lohnwärmebehandler gehören, am Standort Deutschland die beste Prävention gegen weitere globale Disruption. Sie garantieren kurze Lieferketten, geringe Störanfälligkeiten, hohes technisches Know-how, einen niedrigen CO2-Fußabdruck, bessere Kommunikation und bessere Lösungswege.
Nachhaltigkeit – das Handlungsprinzip unserer Zeit
Nachhaltigkeit ist ein Handlungsprinzip bei der Nutzung von Ressourcen. Hierbei soll eine dauerhafte Bedürfnisbefriedigung gewährleistet werden, indem die natürliche Regenerationsfähigkeit der beteiligten Systeme bewahrt wird, vor allem von Lebewesen und Ökosystemen. Das Prinzip wurde zuerst in der Forstwirtschaft angewendet. Im Wald ist nur so viel Holz zu schlagen, wie permanent nachwächst. Als in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erkannt wurde, dass alle Rohstoffe und Energievorräte auf der Welt auszugehen drohen, ging sein Gebrauch auf den Umgang mit allen Ressourcen über.
Das Ringen um Nachhaltigkeit in der industriellen Produktion ist so alt wie die Industrialisierung. Vor dem Hintergrund der Erderwärmung ist das Thema nachhaltige Produktion heute aber aktueller denn je – denn die Industrie ist besonders ressourcen- und energieintensiv. Energie- und Wärmeverbrauch mit eingerechnet, ist sie für rund 40 Prozent der globalen Kohlendioxidemissionen (CO2) verantwortlich. Ein großer Anteil entfällt dabei auf Grundmaterialien wie Stahl, Aluminium, Kunststoffe und Zement. Der Verbrauch dieser Rohstoffe und Materialien wird Schätzungen zufolge bis zum Jahr 2050 um den Faktor zwei bis vier ansteigen.
Der europäische Grüne Deal
Mit ihrer hohen Ressourcenintensität und ihren globalen Wertschöpfungsketten hat die industrielle Produktion eine besondere Verantwortung für die Umwelt – aber auch besonders große Hebel, um die Zukunft der Produktion nachhaltiger und ökologischer zu gestalten.
Der europäische Grüne Deal ist die konzeptuelle Grundlage für diesen Wandel. Alle 27 EU-Mitgliedstaaten haben sich verpflichtet, die EU bis 2050 zum ersten klimaneutralen Kontinent zu machen. Sie vereinbarten hierzu, die Emissionen bis 2030 um mindestens 55% gegenüber dem Stand von 1990 zu senken. Der ökologische Wandel bietet der europäischen Industrie eine große Chance, in dem Märkte für saubere Technologien und Produkte geschaffen werden. Man könnte es auch definieren mit „die Vorreiter der dritten industriellen Revolution“.
Aufgrund der sehr unterschiedlichen und umfangreichen Sachverhalte möchte ich mich nur mit einer Position aus dem Green Deal beschäftigen, die für die Lohnwärme-behandlungsbranche gravierende Einschnitte bedeuten könnten.
Der europäische Green Deal; Quelle: http://eur-lex.europa/legal-content/EN ; eigene Darstellung
Das Themenfeld ist das „Null-Schadstoff-Ziel für eine schadstofffreie Umwelt“. Hierbei geht es besonders um die CO2-Emmissionsreduzierung bei den durchzuführenden Wärmebehandlungen und Senkung des CO2-Footprint der Unternehmen, bis hin zum CO2-neutralen Wärmebehandlungsbetrieb. Die OEMs stellen bereits Anforderungen über zukünftige CO2-neutrale Bearbeitung bzw. Lieferung. Nicht selten ist diese Forderung schon ein Vertragsbestandteil.
Viele Zulieferer kennen als Beispiel das Daimler-Projekt „Ambition 2039“. Hierzu gibt es ein Schreiben von der Firma Daimler an die Lieferanten für einen Spurwechsel zur Bereitstellung CO2-neutraler Produkte ab dem Jahr 2039. Schon heute erhalten viele Wärmebehandlungsbetriebe Kundenfragebögen aus der Zulieferindustrie über den CO2-Footprint für die Wärmebehandlung ihrer Bauteile. Die Bearbeitung solcher Fragebögen ist nicht immer ganz einfach, damit ist exakte Messung, Bestimmung oder Berechnung des emittierten CO2-Anteils für die Wärmebehandlung eines Bauteils gemeint.
Die Bemühungen in der Wärmebehandlungsbranche für zukünftige CO2-neutrale Wärmebehandlungen sind zweifelsfrei gegeben, aber so einfach ist das nicht. Zunächst muss man bei den Wärmebehandlungen unterscheiden zwischen Prozesswärmeerzeugung und den einzusetzenden Prozessmedien selbst. Immer öfter wird darüber diskutiert und zum Teil auch gefordert, die Prozesswärmeerzeugung, bei der aktuell zum überwiegenden Teil Erdgas eingesetzt wird, auf eine elektrische Beheizung umzurüsten, bzw. bei einer Neuanschaffung die elektrische Beheizungsvariante zu wählen. Technisch ist das kein Problem und auch verfügbar. Es ergeben sich aber gravierende wirtschaftlichen Unterschiede, bei einem Wechsel der Beheizung von Gas auf Strom, beispielhaft an einem Kammerofen. Und wenn man zusätzlich keinen grünen Strom einkauft, verschlechtert man sich auch beim CO2-Footprint.
Vergleichbare Verbräuche, Emissionen und Kosten ergeben sich, wenn man einen Kammerofen – sowohl gas- als auch strombeheizt – mit definierten Parametern ein Jahr lang betreibt, dabei die aufgeführten Preise und das jeweilige CO2-Äquivalent berücksichtigt.
Strombeheizung ist teurer als Gasbeheizung
Bei der Betrachtung der Jahresdaten ist die Variante „strombeheizt“ aufgrund des hohen deutschen Strompreises deutlich kostenintensiver, als die Variante „gasbeheizt“. Wir sprechen hier nicht von ein wenig teurer, sondern bis zum Faktor 2. Zudem haben wir uns bei den CO2-Emmissionen bei einer Strombeheizung sogar noch signifikant verschlechtert. Hier liegt die Ursache in dem Sachverhalt, dass das CO2-Äquivalent des deutschen Strommixes deutlich schlechter ist als das vom Erdgas. Durch Abschaltung der Kernkraftwerke Ende April 2023 und gleichzeitiger, dadurch notweniger, Zuschaltung von Gas- oder sogar Kohlekraftwerken für die Stromerzeugung wird sich das CO2-Äquivalent für den deutschen Strommix weiter verschlechtern. Zudem hat LNG ein höheres CO2-Äquivalent als Erdgas, eine weitere Verschlechterung.
Bei einem Wechsel von Gasbeheizung auf Strombeheizung gibt es aktuell ohne gleichzeitigem Zukauf von grünem Strom keine Verbesserung des CO2-Footprints. Es ist sogar anzunehmen, dass sich dieser in den nächsten Jahren noch weiter verschlechtern wird. Außerdem würde man seine Wettbewerbsfähigkeit aufgrund der sich dann gegebenen Kostensituation bei einem Gas-Strom-Wechsel massiv verschlechtern. Das wird freiwillig kein Unternehmen machen. Jetzt könnte man auf die Idee kommen, „dann kaufe ich grünen Strom und bin alle Probleme los“.
Es sollte aber jedem klar sein, dass es so viel grünen Strom in Deutschland noch nicht gibt. Es gäbe noch nicht einmal normalen Strom in ausreichenden Mengen, wenn die Industrie nun im großen Stil auf eine elektrische Versorgung wechseln wollte. Selbst wenn nur alle gasbeheizten Wärmebehandlungsanlagen in Deutschland auf Strombeheizung kurzfristig umgestellt würden, gebe es ein absolutes Stromnetzchaos. Gerne erinnere ich noch einmal an den Winter vor zwei Jahren. Aufgrund einer prognostizierten Gasknappheit haben sich viele Bürger Stromheizungen angeschafft, um bei eventuell kalten Temperaturen nicht frieren zu müssen. Die kommunizierte Menge in den Medien belief sich auf 600.000 Geräte, ohne die schon vorhandene Anzahl alter Geräten in den Haushalten. Sofort warnte die Bundesnetzagentur, nicht alle Geräte gleichzeitig einzuschalten, weil es sonst zu Netzproblemen kommen könnte.
Grüner Wasserstoff als Brennstoff
Eine andere immer wieder von der Politik ins Spiel gebrachte Variante einer möglichen Beheizungsvariante in naher Zukunft ist der grüne Wasserstoff. Wenn man sich aber mit den Details hinsichtlich Kosten und Versorgung genauer beschäftigt, wird man schnell feststellen, dass wir von einer Umrüstung auf Wasserstoff für die Prozesswärmeerzeugung in der Lohnwärmebehandlung noch weit entfernt sind. Es gibt zwar schon Brenner, die mit Wasserstoff betrieben werden können, aber aktuell sind in noch keinem deutschen Lohnwärmebehandlungsbetrieb derartige Brenner im Einsatz. Mittlerweile werden Brenner neuster Generation verbaut, die noch mit Erdgas betrieben werden, aber schon wasserstoffkompatibel sind. Im nachfolgenden Vergleich von unterschiedlichen Beheizungsmedien ist aufgezeigt, welche Mengen und Kosten für die Beheizung eines Mehrzweckkammerofens aktuell anfallen würden.
Vergleich (Menge, Preis, Kosten) unterschiedlicher Beheizungsmedien; Quelle: eigene Darstellung
Die im Bild aufgeführten Verbrauchsmengen beruhen darauf, dass ein Kammerofen von der Größe RTQF-17-GRM mit nachfolgenden Prozesszyklen ein Jahr betrieben wird:
- Anzahl Brenner: 12
- Arbeitszeit (Std.) pro Jahr: 6000
- Warmhaltezeit (Std.) pro Jahr: 2256
- Wärmebehandlungszyklus: 940°C/860°C
- Taktzeit je Charge (min.): 427
- WB-Zyklen pro Jahr (5 Tage/Woche): 843
Wenn man sich die Kosten der unterschiedlichen Beheizungsmedien (Erdgas, Propan, Wasserstoff) ansieht, ist eigentlich klar, dass Wasserstoff nur dann eine Chance haben wird, wenn die Kosten sich den Erdgaskosten annähern. Danach sieht es im Moment jedoch nicht aus. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) könnten die Produktionskosten dank des Ausbaus der Infrastruktur für saubere Energie bis 2030 um 30% sinken. Würde das helfen? Leider nein.
Grüner Wasserstoff wäre immer noch um ein Vielfaches teurer als Erdgas oder Strom. Es sollte auch nicht unerwähnt bleiben, dass augenblicklich nur ca. 1% aus der weltweiten Wasserstoffherstellung von ca. 70 Millionen Tonnen grüner Wasserstoff ist. Der überwiegend zur Anwendung kommende graue Wasserstoff wird mittels Dampfreformierung aus fossilem Erdgas hergestellt und ist keineswegs CO2-neutral produziert worden. Bei der Herstellung von 1 Tonne Wasserstoff entstehen 10 Tonnen CO2. Die Wärmebehandler werden höchstwahrscheinlich noch über einen sehr langen Zeitraum bezahlbaren, grünen Wasserstoff nicht zur Verfügung haben. Mit der aufgezeigten Jahresmenge von 263.280 cbm grüner H2 bei der Prozesswärmeerzeugung für nur einen Kammerofen, wäre man in Deutschland schon ein Großkunde für die Gaslieferanten. Für die Belieferung einer ganzen Kammerofenlinie mit Wasserstoff fehlt noch die Infrastruktur.
Wasserstoff gilt als der potenzielle Hoffnungsträger im Kampf gegen den Klimawandel. Die Europäische Kommission hat Wasserstoff als „das fehlende Teil des Puzzles auf dem Weg zu einer vollständig dekarbonisierten Wirtschaft“ bezeichnet. Der Grund ist ganz simpel. Auch die Politiker haben mittlerweile vernommen, dass der erzeugte grüne Strom auch irgendwie gespeichert werden muss. Der erzeugte Strom ist aber nur zu sehr geringen Anteilen speicherbar. Es wird noch lange dauern, bis hierfür die Technologie zur Verfügung steht. Die aktuell in Deutschland zur Verfügung stehenden Speicherkapazitäten (z.B. Pumpspeicher-kraftwerke) reichen gerade einmal aus, um Deutschland eine knappe Stunde mit Strom versorgen zu können. Hier liegt der Vorteil des Wasserstoffs. Er ist speicherbar, aber mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad (Umwandlungsverluste von ca. 75%). Unser Kanzler Olaf Scholz sieht Wasserstoff sogar als Schlüssel an, die Abhängigkeit von Erdgas zu verringern und die Klimaziele zu erreichen – mit Verlaub in meinen Augen eine Aussage unseres Kanzlers, die völlig an den zur Zeit technischen Möglichkeiten und der Realität vorbei geht.
Vor- und Nachteile von Wasserstoff
Tatsächlich ist Wasserstoff ein sauberer und vielseitiger Brennstoff, der keine direkten Treibhausgasemissionen erzeugt. Zur Freisetzung der Energie wird lediglich Sauerstoff benötigt und das einzige Nebenprodukt ist Wasser. Klingt wie ein grüner Traum. Leider gibt es auf unserem Planeten keine reinen Wasserstoffvorkommen. Er kommt in der Natur nur in gebundener Form vor. Um reinen Wasserstoff zu erhalten, muss er daher aus einem wasserstoffreichen Ausgangsstoff abgespalten werden. Dies ist zeitraubend, energieintensiv und sehr kostspielig. Aus Umweltsicht besteht der größte Haken darin, wie der Wasserstoff hergestellt wird. Es gibt unzählige und komplexe H2-Produktionsmethoden, die von sauber bis schmutzig reichen.
Wirklich ernüchternd ist jedoch die schiere Menge an grünen Strom, die wir benötigen würden, um grünen Wasserstoff in größeren Mengen zu produzieren. Derzeit werden weltweit jährlich etwa 70 Millionen Tonnen grauer Wasserstoff produziert (> 95% der Gesamtproduktion) und dabei rund 830 Millionen Tonnen CO2 in die Atmosphäre geblasen. Das ist übrigens mehr als die gesamte CO2-Emissionen Deutschlands für das Jahr 2021 (762 Millionen Tonnen). Um lediglich diese 70 Millionen Tonnen grauen durch grünen Wasserstoff zu ersetzen, bräuchte man etwa 3.600 TWh Strom, mehr als die jährliche Netto-Stromerzeugung der gesamten Europäischen Union (2019: 2.780 TWh – Deutschland 600 TWh). Um dem Klimawandel mit grünem Wasserstoff entgegenwirken zu können, würde ein vielfaches der heutigen Menge von ca. 70 Millionen Tonnen benötigt.
Leider gibt es einen weiteren Haken. Wasserstoff ist viel schwieriger zu lagern als fossile Brennstoffe, weil er eine sehr geringe Dichte hat. Wasserstoff ist das leichteste Gas im Universum, gefolgt von Helium. Außerdem ist es hochexplosiv. Das Gas muss also unter hohem Druck in Spezialbehälter gepresst werden. Oder es wird als Flüssigkeit bei minus 253° Celsius gelagert. Die extrem geringe Dichte von Wasserstoff stellt uns zudem vor die Herausforderung, große Mengen zu transportieren. Es ist viel Energie notwendig, um Wasserstoff über lange Strecken mit dem Schiff transportieren zu können. Denn für den Transport muss das Gas zunächst auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt und verflüssigt werden. Ein aufwendiger und vor allem energieintensiver Vorgang, für den derzeit noch keine etablierte Infrastruktur existiert.
Die Wette auf Wasserstoff hat ihren Preis
Grüner Wasserstoff löst nicht unser Energieproblem, aber es kann einen wichtigen Beitrag bei der Dekarbonisierung spielen. Aber die Wette auf Wasserstoff hat ihren Preis. Nach Angaben der Energy Transitions Commission (ETC) müssten wir bis 2050 ca. 12,5 Billionen Euro ausgeben, um eine nachhaltige globale Wasserstoffwirtschaft aufzubauen, die dann 15 – 20 % des Energieverbrauchs deckt. Die grüne Wasserstoffproduktion würde dabei laut ETC um das fünf- bis siebenfache gesteigert werden, was wiederum jährlich bis zu 30.000 TWh zusätzlichen Strom aus Erneuerbaren Energien erfordern würde. Auch sollte man dabei stets berücksichtigen, dass grüner Wasserstoff sich dort am sinnvollsten produzieren lässt, wo die Bedingungen für Erneuerbare Energien am besten sind. Ohne stabile strategische Partnerschaften mit sonnenreichen Ländern wird grüner Wasserstoff hierzulande ein grüner Traum bleiben. Speziell Deutschland wird zukünftig auf dem Import von grünen Wasserstoff angewiesen sein.
Saudi-Arabien plant ein zweites Standbein neben dem Öl: Im Megaprojekt Neom will der autoritäre Staat grünen Wasserstoff für den Export produzieren. Auch Deutschland setzt auf eine Partnerschaft. Noch ist aber noch nicht viel passiert. Es wird noch Jahre dauern bis die Lieferungen nach Europa erfolgen werden. Ein Öko-Institut hat in einer Modellrechnung die Kosten des Seeweges von Saudi-Arabien nach Rotterdam angesetzt. Fazit: Der Schifftransport führt aktuell zu so hohen Kosten, die den Vorteil der günstigen Erzeugung in wind- und sonnenreichen Wüsten weitgehend kompensieren. Der Seeweg sei deshalb von Ausnahmen abgesehen eher eine langfristige Option. Man schränkt jedoch ein, dass die verfügbaren Technologien noch nicht ausgereift seien und kostengünstiger werden können.
Viele Megaprojekte sind noch von Nöten
Bis dahin wäre es in jedem Fall besser, Pipelines zu nutzen, die aber auch noch nicht vorhanden sind, durch krisenbehaftete Staaten führen würden und deren Bau ebenfalls Jahre dauern wird. Man sollte auch die angedachten H2-Mengen des Neom-Projektes nicht unerwähnt lassen. Nach heutigen Stand sind das gerade mal knapp 2% der aktuellen weltweiten Erzeugung von Wasserstoff. Für eine umfassende globale Energiebereitstellung benötigt man aber mindestens das fünf- bis siebenfache der heutigen Menge. Das heißt, es müssen kurzfristig noch sehr viele Megaprojekte angestoßen werden.
Wieder zurück zu den Wärmebehandlungsprozessen. Neben der Prozesswärmeerzeugung benötigt man auch Prozessgase. Bei den Prozessgasen (überwiegend hergestellt aus Erdgas, bzw. Zugabe von kohlenstoffhaltigen Medien, wie z.B. Propan oder Methanol) für die Standardverfahren wie Härten, Vergüten, Einsatzhärten und Carbonitrieren in großen Kammeröfen und/oder Durchlaufofenanlagen, sind die Alternativen für eine CO2-freie Wärmebehandlungsatmosphäre noch gering. Seit vielen Jahren kann man schon unter Vakuum prozesssicher aufkohlen (LPC-Verfahren), aber wirtschaftlich können die Großserienbehandlungen nicht kompensiert werden. Vorteilhaft ist jedoch, dass in den Schutzgasatmosphären nur geringe Anteile von CO2 vorliegen und emittiert werden.
Zusammenfassung
Seit vielen Jahrzehnten haben sich die Lohnwärmebehandlungsbetriebe in Zusammenarbeit mit den Anlagenherstellern technisch weiterentwickelt und somit einen großen Beitrag zum weltweit anerkannten Technologiestandort Deutschland beigetragen. Das Gütesiegel “Made in Germany” wäre ohne die mittlerweile hochtechnologische Wärmebehandlung für viele Industriezweige nicht möglich gewesen. Und es geht weiter. An zeitorientierten Aufgaben, wie Reduzierung/Vermeidung von schädlichen Emissionen oder Energieeinsparung, um nur zwei zu benennen, wird permanent weitergearbeitet, um auch zukünftig auf einem sehr hohen technischen Niveau in Deutschland Wärmebehandlungen effizient, wirtschaftlich und nachhaltig betreiben zu können. Die Zeiten, wo die Prozesswärmeerzeugung durch Holz, Holzkohle oder Kohle erfolgte sind schon sehr lange vorbei. Seit mehr als hundert Jahren sind Erdgas und elektrischer Strom die bestimmenden Energiequellen, mit allen Vor- und Nachteilen. Der nächste Schritt „grüner Wasserstoff“, wenn auch technisch heute schon möglich, wird aufgrund der Wirtschaftlichkeit und der Verfügbarkeit aber höchstwahrscheinlich nicht so schnell flächendeckend Einzug finden.
Wärmebehandlungsbetriebe sind sehr energieintensiv. Aus diesem Grund sind die Auswirkungen der Maßnahmen in den Bereichen Energiewende und Klimaschutz mit den einhergehenden stetigen Kostensteigerungen für Strom und Gas enorm belastend, sogar existenzbedrohend. Zudem verteuerten sich durch die Covid-19-Pandemie, Rohstoffpreisexplosionen, Ukraine-Krieg, Inflation usw. auch alle weiteren Betriebs- und Hilfsmittel signifikant. Zu den Preisen aus den Vorjahren werden wir wohl nie wieder zurückkommen. Höchstwahrscheinlich wird es auf ein Verdoppelung der Energiepreise hinauslaufen. Dazu ist auch noch die gewohnte Versorgungssicherheit gefährdet. Bei einer Vielzahl von Unternehmen ist das schon heute bzw. wird es eine Überlebensfrage. Eine mögliche Deindustrialisierung ins Ausland, wie es namhafte Großunternehmen seit Jahren praktizieren, ist für fast alle kleinen inhabergeführten Lohnwärmebehandlungsbetriebe keine Alternative. Hier geht es ausschließlich um „Sein“ oder „Nichtsein“.
Die EU- und deutsche Politik hat immer weniger einen klaren Blick für Daten, Fakten und technische Möglichkeiten, schreibt aber zukünftig politisch gewünschte Technologien und Maßnahmen, in Kombination mit Strafzahlungen bei Nichteinhaltung, gesetzlich vor. Hier wird Wunsch und Wirklichkeit leider zu oft verwechselt. Zudem bestimmen ideologische Grundgedanken und nicht ausgereifte und nicht problemlösende Kompromisse bei den Regierungsparteien heute überwiegend den politischen Alltag.
Fazit
Auf dem Weg zum grünen Wasserstoff verzeichnet die EU bislang nur bescheidene Erfolge. Dies geht aus einem aktuellen Bericht des Europäischen Rechnungshofes hervor. Die Europäische Kommission habe zwar richtige Schritte unternommen, doch es gibt entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette noch Probleme. So werde die EU ihre für 2030 gesetzten Ziele für Erzeugung und Import von grünem Wasserstoff nicht erreichen (statt anvisierter 20 Millionen Tonnen werden es weniger als 10 Millionen Tonnen). Die Prüfer fordern, die EU-Ziele einem Realitätscheck zu unterziehen. Man müsse sicherstellen, dass diese sich auch verwirklichen ließen und die Entscheidungen über das weitere Vorgehen die Wettbewerbsfähigkeit der Schlüsselindustrien nicht beeinträchtigen oder neue Abhängigkeiten schaffen. Die Prüfer stellten außerdem fest, dass es momentan keine umfassende EU-Strategie für Wasserstoffimporte gibt.
Die Situation in Deutschland sieht auch nicht besser aus. Hier möchte man bis 2030 jährlich 3 Millionen Tonnen grünen Wasserstoff produzieren bzw. importieren. Aus heutiger Sicht utopisch. Aber selbst wenn es gelingen würde, wer bekommt dann den grünen Wasserstoff? Die deutsche Stahlindustrie, sollte diese im Jahre 2030 in Deutschland noch die aktuellen Mengen Stahl produzieren, benötigt alleine ca. 2 Millionen Tonnen. Dazu kommt dann noch die chemische Industrie mit einem riesigen Bedarf. Es bleibt zu befürchten, dass für kleinere, energieintensive Branchen dann kein grüner Wasserstoff mehr zur Verfügung stehen wird. Auch die angedachte Belieferung des grünen Wasserstoffs durch Pipelines wird sich für die kleinen Wärmebehandlungsbetriebe, die größtenteils auch noch abseits der industriellen Ballungszentren angesiedelt sind, nicht realisieren lassen.
Wir sind eine kleine, aber technisch und wirtschaftlich wichtige Branche für den Industriestandort Deutschland. Solange wir in unserem Land Bauteile aus Eisenwerkstoffe produzieren, wird für den Anwendungszweck meistens eine Wärmebehandlung benötigt. Wir möchten in naher Zukunft nicht nur von einer erfolgreichen Vergangenheit zehren und erzählen, sondern in eine vielversprechende Zukunft, mit entsprechender Planungs- und Investitionssicherheit sehen können mit bezahl- und verfügbarer Energie.
