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

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.