Industrielle Abwärmenutzung

Unter industrieller Abwärmenutzung versteht man die Nutzung von Abwärme, welche bei einem Industrieprozess anfällt. Die Abwärme setzt sich zusammen aus Energieeinsatz abzüglich Nutzenergie und hat somit keine konkrete Zweckbestimmung. Die Abwärme fällt einfach an. Man verwendet die Abwärme des ersten Prozesses um diese in einem weiterführenden Prozess zu verwenden. Bei einer Wärmerückgewinnung wird die Abwärme in denselben Prozess zurückgeführt.

Abwärme

Abwärme entsteht in unterschiedlichen Situationen und aufgrund verschiedener Ursachen. Innerhalb eines industriellen Prozesses wird eine bestimmte Menge an Energie aufgewendet um damit ein gewünschtes Ziel zu erreichen. Bei diesen Umwandlungsprozessen entsteht immer niederwertige Energie, die Abwärme. Die Abwärme fällt einerseits gebunden an Medienströme an, z. B. Abgas-, Abluftströme und andererseits durch Konvektion und Strahlung wie der Wärmeverlust durch Transmission eines Gebäudes.

Abwärmequellen sind Öfen, Kessel, Produktionsmaschinen, welche die Verlustwärme an ihre Umgebung abgeben, Abwärme aus Sorptionsanalagen, Kühlanlagen, Motoren sowie die anfallende Abluft aus Trocknern, Lüftungs- und Klimaanlagen.

Die Abwärme fällt in unterschiedlichen Mengen auf unterschiedlichem Temperaturniveau an. Menge und Temperatur sind wichtige Kenngrößen bei der vorhergehenden Analyse und Planung der Abwärmenutzung. Innerhalb großtechnischer Anlagen können große Mengen von Abwärme entstehen, welche mittels höher dimensionierter Anlagen zur Wärmerückgewinnung genutzt werden können.

Hinsichtlich des Temperaturniveaus wird unterschieden zwischen Abwärme auf einem niedrigen, einem mittleren und einem hohem Temperaturniveau. Je nach Temperaturbereich kann über die Verwendung entschieden werden. Abwärme auf hohem Temperaturniveau eignet sich für die Verwendung von Stromerzeugung und Prozesswärme, wohingegen sich Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau für die Verwendung von Raumwärme anbietet.

Es besteht ein hoher Bedarf an Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme, welcher durch Abwärmenutzung teilweise gedeckt werden kann. Bezüglich der Abwärmenutzungspotenziale gilt es in einem ersten Schritt, die Prozessoptimierung weiter voran zu treiben um effizientere Prozesse zu erhalten. In einem zweiten Schritt werden die Abwärmemengen nun anlagenintern, betriebsintern oder gar außerhalb des Betriebes genutzt.

Technologien zur Abwärmenutzung

Um die bisher nicht verwendete Energie nutzbar zu machen kann man auf die Verfahren der Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung zurückgreifen. Diese Verfahren sind auf Gase, Flüssigkeiten oder feste Stoffe anwendbar. Hinsichtlich der Wärmerückgewinnung existieren zwei Technologien. zum Einen, der rekuperative Wärmetauscher, in welchem der Wärmeübertrag in getrennten Räumen über feste Trennwände geschieht. Und zum Anderen, der regenerative Wärmetauscher. Hierbei können geringfügige Vermengungen der wärmetragenden und zu erwärmenden Ströme beim Wärmeübergang auftreten. Für eine zeitliche Entkopplung zwischen Wärmeangebot und Wärmebedarf kommen Speicher zum Einsatz.

Durch die Verwendung dieser Wärmetauscher innerhalb industrieller Prozesse kann eine Abwärmenutzung erfolgen. Diese Nutzung fällt in die Kategorie der passiven Abwärmenutzung, da die Abwärme ohne zusätzliche Zufuhr von Energie nutzbar gemacht wird. Darüberhinaus gibt es weitere Möglichkeiten, die Abwärme für Strom- oder Kälteerzeugung zu verwenden. Hierfür stehen eine Reihe von Technologien zur Verfügung:

Anwendung

Industrielle Abwärme kann für verschiedene Zwecke eingesetzt werden. Neben Raumwärme und Warmwasser findet die Abwärme Verwendung in der Kälte- sowie Stromerzeugung bis hin zu Prozesswärme.

Raumwärme

Aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus welches dafür erforderlich ist, bietet sich eine Verwendung von Abwärme an. Im Bereich der Gebäude besteht ein hoher Bedarf an Raumwärme. Ein erheblicher Anteil der Raumwärme kann durch die technologische Verwendung von Wärmetauschern abgedeckt werden.

Kälteerzeugung

Über einen thermodynamischen Kreisprozess wird Kälte erzeugt. Wird nun Abwärme zur Erzeugung von Kälte verwendet, so handelt es sich um Abwärmenutzung zur Kälteerzeugung. Die Kälteerzeugung wird für meist zur Kühlung von Gebäuden verwendet.

Stromerzeugung

Aus Abwärme mit einem bestimmten Energiegehalt und Temperaturniveau ist mit einer geeigneten Technologie die Erzeugung von Strom möglich. Durch die Verwendung des ORC-Prozesses oder des artverwandten Kalina-Prozesses kann Strom bereits bei geringeren Temperaturniveaus erzeugt werden. Ziel einer planbaren Stromerzeugung ist auch die Vorhersehbarkeit. Innerhalb der Industrie laufen die abwärmeintensiven Prozesse meist kontinuierlich ab, was eine gleichmäßige Stromerzeugung ermöglicht. Ein zentraler Punkt bezüglich der Stromerzeugung durch Abwärme ist die Wirtschaftlichkeit. Diese hängt maßgeblich von den Energiepreisen ab.

Prozesswärme

Innerhalb der Prozesswärme wird die Wärme auf allen drei Temperaturniveaus, von niedrig bis hoch benötigt. Die Abwärmenutzung eignet sich am Besten für die Verwendung auf niedrigerem Temperaturniveau. Beispiele für den Einsatz der Prozesswärme ist die Erwärmung von Stoffen, Flüssigkeiten und Materialien, die Bereitstellung von Dampf auf unterschiedlichem Temperatur- und Druckniveau, die Bereitstellung von Heißwasser, Waschen, Reinigen, Eindampfen und vieles mehr. Der Wärmebedarf verteilt sich über die Sektoren Gewerbe, Dienstleistung und Handel, der Industrie und den Haushalten. Ein Großteil des Wärmebedarfs fällt im Sektor Industrie an, wo auch erhebliche Abwärmemengen nutzbar gemacht werden können.