Nicht nur in der Industrie, sondern auch in einigen Gewerken (Bäcker, Fleicher, Textilreiniger, ...) spielt die Wärmeerzeugung eine eine bedeutende Rolle beim Energieverbrauch - und damit auch bei der Suche nach Effizienzpotentialen. Zum Thema Prozesswärme gehören auch die Fragen nach Abwärmevermeidung und -Nutzung. 

Inhalt fossile Wärmeerzeuger ...

Wo Prozesswärme genutzt wird, entsteht stets auch Abwärme, die mit geeigneten Maßnahmen reduziert werden sollte:

• Ist die Anlage ausreichend gegen thermische Verluste gedämmt?
• Ist der Prozess optimiert bzgl. Energieeffizienz, d.h. geringstmögliche Temperaturniveaus, optimale Durchsatzmengen und Laufzeiten, etc.?
• Wird die Anlage oder der Prozess sicher gesteuert, durch digitale Steuerungen oder kompetentes Personal?
• Wird die Anlage ausreichend gewartet und werden die Prozessparameter regelmäßig geprüft?
• Existieren Alternativprozesse, die das gleiche Resultat bei besserer Energieeffizienz erzielen können?

Wo Prozesswärme genutzt wird, entsteht stets auch Abwärme, die mit geeigneten Maßnahmen reduziert werden sollte:

• Ist die Anlage ausreichend gegen thermische Verluste gedämmt?
• Ist der Prozess optimiert bzgl. Energieeffizienz, d.h. geringstmögliche Temperaturniveaus, optimale Durchsatzmengen und Laufzeiten, etc.?
• Wird die Anlage oder der Prozess sicher gesteuert, durch digitale Steuerungen oder kompetentes Personal?
• Wird die Anlage ausreichend gewartet und werden die Prozessparameter regelmäßig geprüft?
• Existieren Alternativprozesse, die das gleiche Resultat bei besserer Energieeffizienz erzielen können?

Zu Beginn steht die Inventur der Energieverbraucher in einem Betrieb, und deren Charakterisierung:

• Quelle: Typische Quelle in Handwerksbetrieben sind Abwärme von Öfen und Trocknern, Kondensatoren/Kompressoren der Kältetechnik, Drucklufterzeuger, Rauchgasströme aus Feuerungsanlagen, Lüftungsanlagen oder Abwässer.
• Menge: Die zur Verfügung stehenden Abwärme einer Anlage entspricht etwa deren Verbrauch, da sich alle Energieformen am Ende in Wärme umwandeln. Wie groß der Anteil ist, der effektiv genutzt werden kann, hängt von den technischen Gegebenheiten ab, ist jedoch grundsätzlich verlustbehaftet.
• Zeitliches Profil: Häufig schwanken die Abwärmemengen zeitlich im Jahres-, Wochen, oder Tagesrhythmus. Wenn der Wärmebedarf der Abnehmer-Prozesse zeitversetzt ist, können Pufferspeicher die Energie bis zum Abruf konservieren – jedoch stets mit Speicherverlusten.
• Ort: Je kleiner die räumliche Distanz zwischen Abwärmequelle und deren Nutzung, desto geringer sind die Transportverluste, sowie der Transportaufwand (Investition, Energie zur Förderung des Trägermediums).
• Temperaturniveau: Anhand des Temperaturniveaus werden mit verschiedenen Abgrenzungen z. B. Niedertemperaturabwärme (unter 150 °C), Mitteltemperaturabwärme (150 bis 500 °C) und Hochtemperaturabwärme (über 500 °C) unterschieden. Je höher das Temperaturniveau, desto größer ist der Nutzwert der Abwärme.
• Medium: Um Wärme zu transportieren oder speichern, wird sie auf ein Medium übertragen. Wasser ist dabei das vorrangige Medium wegen seiner universellen Verfügbarkeit, seiner sehr hohen Wärmekapazität und vielen anderen Vorteilen: hohe Wärmeleitfähigkeit, nicht giftig, brennbar oder explosiv, niedrige Viskosität, hoher Siedepunkt und niedriger Gefrierpunkt. Auch Luft spielt als Trägermedium wegen der Verfügbarkeit eine wichtige Rolle, aber vergleicht man die Wärmekapazitäten, so ergibt sich, dass 1 Liter Wasser genauso viel Energie speichert, wie 3.500 Liter Luft. Für sehr hohe Temperaturen werden in der Industrie auch Flüssigmetalle oder Salzschmelzen eingesetzt.

Die interne Nutzung sollte immer zuerst betrachtet und priorisiert werden, denn aufgrund von kurzen Wegen, direkter Nutzung oder kurzer Zwischenspeicherung können Verluste minimiert werden. Zudem bleiben alle Abläufe vollständig in der Kontrolle des Betriebes. Fällt der Prozess aus, der die Abwärme liefert, benötigt die Abwärme-Senke eine alternative Wärmequelle. Die Schaffung von neuen Abhängigkeiten ist eine generelle Problematik der Abwärmenutzung.

Typische Nutzungspotentiale für Abwärme sind:

• Keine neuen Abhängigkeiten ergeben sich, wenn die Abwärme im gleichen Prozess verwendet werden kann, z.B. zum Vorwärmen der Produkte oder der Verbrennungsluft. Die beim Vorwärmen übertragene Wärmemenge reduziert direkt den Energiebedarf im Vergleich zur Anwendung ohne Vorwärmung.
• Weitere typische Abwärmesenken innerhalb eines Betriebs sind Anlagen zur Warmwassererzeugung. Bäcker, Metzger und viele andere Betriebe haben einen permanenten Bedarf an heißem Brauchwasser, für dessen Erzeugung die Abwärme einen großen Teil der zuvor eingesetzten Endenergie ersetzen kann. Die Nutzung zur Gebäudeheizung spielt nur während der Heizperiode eine Rolle. In den wärmeren Monaten fällt der Bedarf weg und die Abwärme bleibt ungenutzt, so dass sich geringere Nutzungsgrade ergeben.
• Die Umwandlung von Wärme in Kälte (Sorptionskältemaschine) oder Strom (OCR[1]) ist erst bei industriellen Wärmemengen und hohen Temperaturniveaus wirtschaftlich darstellbar, da die Anlagen sehr komplex sind.

Häufig benötigen die „Kunden-Prozesse“ höhere Temperaturniveaus als der Abwärmeprozess liefert. Dann kann die Energie trotzdem genutzt werden: Die Abwärme kann zum Vorwärmen verwendet werden, so dass die gewünschte Zieltemperatur mit geringerem Energieaufwand erreicht wird. Alternativ kann der notwendige Temperaturhub mit einer Wärmepumpe erreicht werden.

Bei der Idealen Abwärmenutzung stimmen zeitliches Profil der Quelle und der Senke möglichst gut überein. Ein Zeitlicher Versatz oder schwankende Energiemengen können mit Pufferspeicher ausgeglichen werden.

Die wesentlich größeren Abwärmemengen der Industrie können in Fernwärmenetze eingebracht werden und Einnahmen für das Unternehmen generieren. Im Bereich KMU lässt sich eine externe Vermarktung wegen der zu geringen Energiemengen selten wirtschaftlich darstellen. Für Handwerksbetriebe, die in einem Gewerbegebiet angesiedelt sind, bietet es sich an mit den Nachbarbetrieben Abwärmequellen und -senken für ein kleines, gemeinsames Nahwärmenetz zu identifizieren.

 

[1] Der ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) ist ein thermodynamischer Kreisprozess zur Umwandlung von Wärme in Strom.

Plattenwärmeübertrager

Copyright: Sächsische Energieagentur (SAENA)

Rippenrohrwärmeübertrager werde i.d.R. für den Wärmeübergang zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen Medium angewendet. Die flüssigkeit bewegt sich durch Rohrleitungen, deren Oberfläche mittels Rippen eines gut wärmeleitenden Materials vergrößert wird, so dass den Gasen, die die Rippen umströmen, eine große Oberfläche geboten wird.

Eine weit verbreitete und kostengünstige Form sind Lamellenwärmeübertrager, bei der eine große Oberfläche erzeugt wird, indem Bleche mit den Rohren verschweißt oder verlötet werden. Die geringen Lamellenabständen führen zwar zu einer effektiven Wärmeübertragung, aber auch zu Empfindlichkeit bzgl. Verschmutzungen, kondensiertem Wasser bzw. Vereisung. Der Kühler eines Kfz oder der Verdampfer einer Wärmepumpe sind bekannte Anwendungen.

Rohrbündelwärmeübertrager

Copyright: Sächsische Energieagentur (SAENA)

In einem Rotationswärmeübertrager (Wärmerad) rotiert eine zylindrische Speichermasse innerhalb zweier Strömungskanäle. Die Speichermasse nimmt dabei während einer halben Umdrehung Wärme von einem Medium auf und gibt sie während der anderen halben Umdrehung an das zu erwärmende Prozessmedium ab. Rotationswärmeübertrager sind in Gasströmungen selbst bei geringen Temperaturunterschieden effizient einsetzbar. Als Speichermasse dienen Metall-Lamellenstrukturen (glatt oder strukturiert) oder durchströmte Schüttungen aus kleinen kugelförmigen Speicherelementen. Da die Speichermasse mit beiden Medien in stofflichen Kontakt steht, ist keine vollständige Stofftrennung garantiert.

Da das Anfallen der Abwärme häufig nicht mit dem gegenübergestellten Bedarf deckungsgleich ist, werden Zwischenspeicher eingesetzt, um die Zeiträume und quantitative Schwankungen zu überbrücken. So kann anfallende Abwärme kurzzeitig zwischengespeichert werden und bei Bedarf an weitere interne Produktionsprozesse abgegeben werden. Vorhandene Potenziale können mittels Speicher deutlich besser ausgenutzt werden.

Während für die Abwärmenutzung in betriebsinternen Prozessen die notwendige Speicherzeit meist nur Stunden oder Tage beträgt, ist es vor allem für die Gebäudebeheizung interessant, große Speicher zu nutzen, die den Energiebedarf einiger Tage bis Wochen oder sogar Monate zur Verfügung stellen können. Entsprechend der Art, wie die Wärme gespeichert wird, unterscheidet man zwischen drei Typen von Wärmespeichern:

Sensible Wärmespeicher ändern beim Be- und Entladen ihre Temperatur. Hier ist die Speicherkapazität abhängig von der Wärmekapazität und Masse des Speichermediums sowie von der maximal nutzbaren Temperaturdifferenz. Jedes kg Wasser nimmt 4,19 kJ pro Grad Temperaturänderung auf. Ein 1.000 kg-Wasser-Speicher (1m³) der von 0°C auf 100°C aufgeheizt wird, speichert dabei 116 kWh.

Rechnung: 1m³ Sensibler Speicher: 1.000kg * 100°K * 4,19 kJ/(kg °K) = 419.000 kJ = 116 kWh

Zur Speicherung von Wärme auf höherem Temperaturniveau (bis 400°C) werden spezielle Thermoöle genutzt, deren Siedepunkt weit oberhalb dem des Wassers liegt.

Latentwärmespeicher nutzen die großen Energiemengen die beim Phasenübergang eines Stoffs umgesetzt werden.

• Fest-flüssig: Die Energie zum Schmelzen von 0°C kaltem Eis zu 0°C kaltem Wasser beträgt 335kJ/kg. Ein 1m³-Latentwärmespeicher entspricht einer Energiemenge von 93 kWh
• Flüssig-gasförmig: Auch der Phasenübergang von flüssig nach gasförmig wird in sog. Ruths- oder Gefällespeicher technisch genutzt. Im Speicher koexistieren Wasser und Sattdampf. Zum Laden wird Wasserdampf zugeführt, was den Druck und damit auch die Siedetemperatur im System erhöht. Beim Entladen wird Wasserdampf entnommen. Dabei sinkt der Druck, wodurch Wasser verdampft und die Temperatur im Speicher herabsetzt. Ein Speicher mit einer Füllmenge von 1 m³ Wasser repräsentiert eine Verdampfungsenergie von 628 kWh.

Die Zahlen belegen, dass die Latentwärmespeicher im Vergleich zu den sensiblen Speichern eine sehr große Energiedichte aufweisen.

Soll Energie auf einem Temperaturniveau gespeichert werden, dass nicht dem Tau- oder Siedepunkt des Wassers entspricht, können auch andere Stoffe eingesetzt werden:

• Paraffine, Salzhydrate von Raumtemperatur bis etwa 80 °C
• Nitratsalze und -mischungen von etwa 130 °C bis etwa 400 °C
• Wasser-Salz-Lösungen bei 0 °C oder darunter

Sorptive Wärmespeicher nutzen den Effekt der Bindungsenergie die in einer umkehrbaren Reaktion zweier Stoffe gespeichert ist. Beim Adsorptionsspeicher wird die Bindungsenergie zwischen einem Gas und der Oberfläche eines Feststoffes genutzt. Nutzt man die Bindungsenergie eines Gases an eine flüssige Komponente, handelt es sich um Absorptionsspeicher. Sorptive Speicher werden im KMU-Bereich selten eingesetzt.

Finanzinstitutionen und EU-Institutionen benötigen eine Standardisierung der wirtschaftlichen Bewertung von Energieeffizienz-Maßnahmen, um zu vermeiden, dass verschiedene Betrachtungsweisen und Methoden zu unterschiedlichen Wirtschaftlichkeitsbewertungen führen. Dazu wurde im Jahr 2021 die erste Fassung der VALERI-Norm DIN EN 17463 veröffentlicht. Sie ist eine “normative” Norm (à“informativ”) und definiert Anforderungen, deren Normkonformität eindeutig geprüft und verifiziert werden kann. Mit der Norm soll erreicht werden, nicht ausgeschöpfte wirtschaftlich vorteilhafte Energieeinsparpotenziale in Unternehmen aufzudecken und auszuschöpfen. Beim Thema Wirtschaftlichkeitsbewertung verweisen die einschlägigen Energiegesetze und Energiemanagementsysteme auf diese Norm. Wichtigste Merkmale der Norm sind:

• Umfassende Berücksichtigung aller Nutzen und Lasten einer Investition im gesamten Lebenszyklus, d.h. von der Planung, der Umsetzung und des Betriebs bis zur Entsorgung am Ende der Nutzungsdauer. Dabei werden auch nicht-monetäre Aspekte (Risiken, Prestige, Marktchancen, etc.) vollständig identifiziert, um bei der Entscheidung Berücksichtigung zu finden.
• Die Kapitalwertmethode ermöglicht die Berechnung des heutigen Kapitalwerts einer Investition, indem alle zukünftigen Ein- und Auszahlungen auf den heutigen Tag abgezinst werden. Der Kapitalwert ist die Summe dieser abgezinsten Zahlungsströme und gibt an, welchen Wert eine Investition zum gegenwärtigen Zeitpunkt hat.
• Um schwer vorhersehbare Parameter angemessen zu berücksichtigen (Lebensdauer, zukünftige Energiepreise, etc.), werden für jeden Parameter neben dem wahrscheinlichen Wert auch der Worst-Case- und Best-Case-Wert bestimmt. Mit diesen Extremwerten werden weitere Kapitalwertberechnungen durchgeführt, um verschiedene Szenarien abzubilden.
• Es gibt konkrete Vorgaben für die Dokumentation der Bewertungsergebnisse, um im Rahmen eines Audits die Normkonformität nachzuweisen.