Nutzung industrieller Abwärme

Die Abwärmenutzung in industriellen Unternehmen besitzt ein sehr großes Potenzial in puncto Energieeffizienz, welches nach Erschließung nicht nur positive ökologische sondern auch ökonomische Effekte zur Folge hat.
GETEC-Heizkraftwerk Fürstenwalde

In Zeiten steigenden Umweltbewusstseins sowie vermehrter Diskussion um Nachhaltigkeit und die damit verbundene Schonung der fossilen Brennstoffe rückt das Thema Energieeffizienz immer stärker in den Fokus der Energiewirtschaft. Beide Themen sind eng miteinander verknüpft.
Zur Steigerung der Energieeffizienz von Anlagen zur Nutzenergieerzeugung gibt es zwei Möglichkeiten. Neben der Erneuerung bzw. Modernisierung der Anlagen kann je nach Gegebenheit eine Nutzung von bisher unerschlossenen Energiepotenzialen, wie Abwärme, zur Steigerung der Energieausbeute aus den Primärenergieträgern und damit zur Steigerung der Energieeffizienz beitragen.

Allgemeine Informationen

Als Abwärme bezeichnet man diejenige Wärme, die von Lebewesen, einer technischen Anlage oder von einem Prozess erzeugt und ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Sie entsteht durch ineffiziente Ausrüstung oder Prozessführung sowie durch thermodynamische Beschränkungen.

Sie wird nach dem vorhandenen Temperaturniveau unterschieden. Dabei erfolgt die Aufteilung in:

  • Niedertemperatur-Abwärme: < 150 °C
  • Mitteltemperatur-Abwärme: 150 °C-500 °C
  • Hochtemperatur-Abwärme: > 500 °C

Das größte ungenutzte Abwärmepotenzial lässt sich im industriellen Bereich finden. Besonders bei sehr energieintensiven Produktionsprozessen entstehen häufig Abwärmequellen, an denen mit Primärenergieträgern erzeugte Nutzenergie in Form von industrieller Abwärme als Energieverlust an die Umgebung abgegeben wird.

Im Folgenden sind exemplarisch einige Industriebranchen mit den dort vorzufindenden Niveaus der Abwärmetemperatur aufgeführt.

Hochtemperatur

Roheisenindustrie           
Metallindustrie
Glasindustrie
Keramikindustrie
Steinindustrie

Mitteltemperatur

Verlags- und Druckgewerbe
Papierindustrie
Zementindustrie
Kunststoffindustrie
Textilindustrie
Tabakindustrie
Ernährungsindustrie

Niedertemperatur

In praktisch allen Industriezweigen

Technologien zur Nutzung industrieller Abwärme

Hier gibt es zahlreiche Technologien, die bisher ungenutzte Energie in Nutzenergie umwandeln. Nachstehend sollen die wichtigsten Technologien und Ansätze vorgestellt werden.

Hierbei handelt es sich um den effizientesten und zugleich einfachsten technologischen Ansatz zur Abwärmenutzung. Die Abwärme wird über einen Wärmeübertrager beispielsweise aus einem Abgasstrom ausgekoppelt und an ein anderes Medium übertragen. Das Wärmeträgermedium kann dabei Heißwasser, Thermoöl, Dampf oder ein gasförmiges Fluid sein. Die übertragene Wärme wird über das Wärmeträgermedium zu vorhandenen Wärmesenken transportiert und dort weiter genutzt.

Welches Wärmeträgermedium in Frage kommt und welche Parameter (Druck, Temperatur, etc.) benötigt werden, hängt von den vorhandenen Wärmesenken ab. So kann die Abwärme zur Erzeugung von Prozesswärme in Form von Dampf oder Thermoöl eingesetzt werden, was den Einsatz von Primärenergieträgern substituiert. Ein weiteres Anwendungsgebiet kann die Bereitstellung von Heizwärme sein. Im Rahmen des nationalen KfW-Energieeffizienzprogramms "Abwärme" wird die Einspeisung von zurückgewonnener Abwärme in ein bestehendes Fernwärmenetzt gefördert. Bei Einsatz von Feuerungen im Produktionsprozess kann die ausgekoppelte Abwärme beispielsweise zur Vorheizung der Verbrennungsluft gebraucht werden, was ebenfalls zu Einsparung von Primärenergieträgern führt. Die Abwärmenutzung durch direkte Wärmerückgewinnung und Wärmeverschiebung zeichnet sich durch eine sehr hohe Effizienz aus. Die Verluste beschränken sich einzig auf Verluste bei der Wärmeübertragung. Ökonomisch betrachtet sind die finanziellen Aufwendungen in Bezug auf den energetischen Nutzen relativ gering.

Die Abwärmeverstromung erfolgt prinzipiell nach dem zuvor vorgestellten Konzept der Wärmerückgewinnung. Sind keine Wärmesenken vorhanden, die mit der erzeugten Nutzenergie aus Abwärme gedeckt werden können, kann das Wärmeträgermedium zur Umwandlung in Elektroenergie gebraucht werden. Zur Verstromung werden meist zwei Technologien eingesetzt. Dabei erfolgt die Verstromung über einen Wasser-/Dampfkreislauf mittels einer Dampfturbine oder über einen Thermoöl- oder Heißwasserkreislauf, der in einen ORC (Organic Rankine Cycle) einspeist, um Strom zu erzeugen.

Abwärmenutzung mittels Dampfturbine

Bei der Verstromung von Abwärme mit einer Dampfturbine wird Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird über einer Dampfturbine entspannt. Dabei wird Strom generiert, welcher zum Beispiel zur teilweisen Deckung des Strombedarfes in ein Werksnetz eingespeist werden kann. Dadurch lässt sich der Strombezug aus dem öffentlichen Netz verringern und somit werden die entsprechenden Kosten eingespart. Da die Dampferzeugung aufgrund der geringen Exergie relativ materialaufwendig ist und der Wirkungsgrad der Dampfturbine sehr stark von den Dampfparametern wie Temperatur und Druck abhängig ist, wird die Verstromung mittels einer Dampfturbine meist nur bei Abwärmetemperaturen über 300 °C eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Dampfturbine liegt zwischen 20 bis 30 %.

ORC - Organic Rankine Cycle

Die Verstromung mittels eines ORC basiert zum größten Teil auf der Funktionsweise einer Dampfturbine. Der Unterschied zur Dampfturbine liegt lediglich im Arbeitsmittel, welches beim ORC ein organisches Medium ist, anstatt Wasser bei der Dampfturbine. Dieses organische Medium besitzt andere thermodynamische Eigenschaften als Wasser und kann bei niedrigeren Temperaturen sowie niedrigerem Druck verdampft werden. Daher lassen sich mit dem ORC Abwärmetemperaturen ab 90 °C nutzen, um Elektroenergie zu generieren. Mit einem ORC lassen sich je nach Temperaturniveau Wirkungsgrade bis zu 24 % erreichen.

Mit Abwärme lässt sich auch die Kühlung oder Klimatisierung von Gebäuden oder Prozessschritten realisieren. Dazu wird diese ausgekoppelt um Niedertemperaturwärme auf ein Wärmeträgermedium zu übertragen. Die nutzbar gemachte Niedertemperaturwärme kann dann in einer Sorptionskälteanlage zur Erzeugung von Kaltwasser genutzt werden.

In den Sorptionskälteanlagen wird über Absorption- oder Adsorptionsprozesse Kaltwasser erzeugt, welches für weitere Verwendungszwecke zur Verfügung steht. Somit lässt sich Kälte aus herkömmlichen Kompressionskälteanlagen und deren Strombedarf substituieren.

Diese Form sieht vor, das Temperaturniveau der erzeugten Nutzwärme durch Zuführung höherwertiger Energie anzuheben, um diese nutzbar zu machen. Die höherwertige Energie kann dabei elektrischer Strom oder Wärme auf einem hohen Temperaturniveau sein, welches durch Kompressionswärmepumpen oder Sorptionswärmepumpen angehoben wird um beispielsweise den Heizbedarf einer Liegenschaft zu decken oder der Produktion zuzuführen.

Neben den zuvor beschriebenen Technologien zu industrieller Abwärmenutzung gibt es noch weitere Technologien, die aufgrund spezieller Parameter seltener zum Einsatz kommen.

Dazu zählen beispielsweise:

  • Verstromung mittels Stirlingmotor
  • Verstromung mittels thermoelektrischer Elemente (Seebeck-Effekt)
  • Wärmetransformation

Abwärmenutzung Industrie: Kriterien zur Nutzbarkeit

Für die Entscheidung, welche Technologie zur Abwärmenutzung angewendet werden kann, gibt es verschiedene Kriterien, die Auswahl möglicher Technologien einzuschränken.

Das Temperaturniveau der vorhandenen Abwärmequelle ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Auswahl der entsprechenden Technik zur industriellen Abwärmenutzung.

Generell kann man die Aussage treffen, dass eine Verstromung meist nur bei Mittel- und Hochtemperatur-Abwärme sinnvoll ist. Für Wärmepumpen, Kälteanlagen und die Wärmetransformation kann auch Niedertemperatur-Abwärme gebraucht werden. Wärmerückgewinnung/-verschiebung ist auf allen Temperaturniveaus möglich.

 

In der Abbildung ist sowohl die Einteilung der Technologien nach Temperaturniveau als auch nach Anlagenleistung (bezogen auf die erzeugte Nutzenergie) dargestellt.

Die Abwärmeleistung ist entscheidend für die Apparategröße und die ökonomische Sinnhaftigkeit einer Abwärmenutzungsanlage. Je höher die vorhandene Abwärmeleistung ist, desto höher ist auch die gewonnene Nutzenergie.

Die Abwärmeleistung hängt hauptsächlich von folgenden Faktoren ab:

  • Volumenstrom (Abgas, Fluid)
  • Temperatur vor dem Wärmeübertrager
  • Mögliche Temperatur nach dem Wärmeübertrager
  • Zusammensetzung des Abgases/Fluides

  

Aus der Temperaturdifferenz vor und nach dem Wärmeübertrager in Verbindung mit dem Volumenstrom lässt sich die Abwärmeleistung ermitteln. Die Zusammensetzung des Abgases/Fluides entscheidet über den Energieinhalt des Abgases/Fluides und damit auch über die auskoppelbare Wärmeleistung. Zusätzlich kann die Zusammensetzung korrosive Stoffe enthalten, die bei der Materialauswahl des Wärmeübertragers zu beachten sind und sich auf die Investitionskosten auswirken.

Für eine optimale und einfache industrielle Abwärmenutzung ist es vorteilhaft, wenn die Wärmebereitstellung durch die Abwärmenutzung mit dem Bedarf übereinstimmt. Andernfalls muss mit Speichermedien als Puffer gearbeitet werden. Bei der Verstromung ist eine Speicherung aktuell noch nicht ökonomisch sinnvoll. Deshalb muss bei einer zu geringen Abnahme des elektrischen Stroms der Stromüberschuss in das öffentliche Netz eingespeist werden. Ein Teillastbetrieb der Abwärmenutzungsanlage ist im Allgemeinen ebenfalls möglich.

Die Nutzungsdauer der Abwärmenutzungsanlage hängt direkt von der Verfügbarkeit der Abwärmequelle ab. Eine möglichst kontinuierliche und größtmögliche Nutzungsdauer ist für einen ökonomischen Betrieb Abwärmenutzungsanlage wichtig. Über die gewonnene Nutzenergiemenge werden die finanziellen Aufwendungen für die Abwärmenutzungsanlage refinanziert. Das heißt, je höher die Nutzungsdauer ist, desto kürzer ist die Amortisationszeit der Anlage.

Durch diskontinuierliche Verfügbarkeit der Abwärme kommt es zu vermehrten An- und Abfahrvorgängen der Abwärmenutzungsanlage. Das Material wird so vermehrt thermischen Beanspruchungen unterworfen. Entsprechend kann es zu erhöhten Aufwendungen für die Wartung und Instandsetzung der Abwärmenutzungsanlage führen.

Neben den zuvor genannten Kriterien gibt es noch weitere Faktoren, die die energetische und ökonomische Auswahl der Technologie beeinflusst. Dazu zählen die räumlichen Begebenheiten vor Ort. Die Abwärmequelle sollte räumlich vorzugsweise nah zur Wärmesenke liegen, um die Investitionskosten möglichst niedrig zu halten.

Ein weiterer Faktor ist die Bündelung. Gebündelte Abwärme lässt sich technisch wesentlich einfacher und kostengünstiger verwerten als solche, die diffus abgegeben wird.

  

Ökologischer und ökonomischer Nutzen der Abwärmenutzung

Ökologisch betrachtet ist Nutzenergie aus Abwärme eine CO2-neutral gewonnene Nutzenergie. Für die Umwandlung in Nutzenergie werden keine zusätzlichen Primärenergieträger benötigt. Ein weiterer ökologischer Aspekt ist, dass die gewonnene Nutzenergie solche aus anderen Energiequellen substituiert, welche Primärenergieträger zur Umwandlung benötigen. Durch diese Substitution verringert sich der Primärenergieeinsatz für die Erzeugung von beispielsweise Prozesswärme, Strom oder Heizwärme.

Die Substitution der Nutzenergie hat auch ökonomische Effekte. Durch die Einsparung an thermischer oder elektrischer Energie, die durch alternative Erzeugung bereitgestellt werden müsste, lassen sich Kosten für Brennstoff oder elektrischen Strom einsparen. Die Energiekosten sind häufig ein wichtiger Kostenfaktor und beeinflussen signifikant die Konkurrenzfähigkeit von produzierenden Unternehmen am Markt. Im Gegensatz zum Energiebezug aus öffentlichen Quellen bleiben die Kosten für die Umwandlung von Abwärme in Nutzenergie langfristig kalkulierbar. Dies verringert die Abhängigkeit vom Energiemarkt und das Risiko unkalkulierbarer Preisanstiege. Darüber hinaus kann die Bereitstellung von Prozesswärme durch Abwärmenutzung zu einer verringerten Anzahl an benötigten CO2-Zertifikaten führen, was wiederum zu einer Kosteneinsparung im Betrieb führt.


GETEC – Ihr Partner für industrielle Abwärmenutzung

Die Abwärmenutzung Industrie besitzt ein riesiges Potenzial, die Energieeffizienz von Produktionsprozessen für die unterschiedlichsten Gewerbe deutlich zu steigern und den Einsatz fossiler Energieträger zu reduzieren. Die verwendeten Technologien von GETEC zur Abwärmenutzung sind bewährte und robuste Anwendungen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen und lange technische Nutzungsdauern ermöglichen. Die Abwärmenutzung ist eine nachhaltige und umweltfreundliche Art der Ressourcenschonung und Energieeffizienzsteigerung.

Langfristig werden die Preise für fossile Brennstoffe steigen. Dem kann eine Abwärmenutzungsanlage entgegenwirken, die Kosten für Brennstoffe einspart und die Abhängigkeit von öffentlichen Versorgungsmärkten durch eigenerzeugte Nutzenergie verringert. Profitieren Sie vom langjährigen Know-how von GETEC!

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