Methodik zur Nutzung von Abwärme

Abwärme fällt in nahezu allen industriellen Thermoprozessen an. Die Nutzwärme wird dabei in einem Energiewandlungsprozess aus einem Energieträger in einer Thermoprozessanlage bereitgestellt. Diese Systeme sind in der Regel verlustbehaftet, wobei die Verluste in Form von Wärme anfallen können.
Die Abwärme kann an bestimmte Medien gebunden sein oder diffus über die Oberfläche durch Strahlung oder Konvektion an die Umgebung abgegeben werden. Im zweiten Fall ist die Menge der Abwärme meist gering und die Nutzung schwierig, aber nicht unmöglich. So wird die in einem Serverraum diffus anfallende Abwärme bereits in einigen Fällen über Wärmepumpen dem Heizsystem der angrenzenden Büroräume zur Verfügung gestellt.
An Medien gebundene Abwärme ist häufig in großer Menge verfügbar und deutlich leichter zu nutzen. Folgende Medien sind unter anderem als Träger von industrieller Abwärme möglich: Abgas, Abluft, Brüden, Dämpfe, Kühlwasser, Kühlöl oder Prozesswasser. Dabei gilt: Die Nutzung von Abwärme, welche an flüssige Medien gebunden ist, fällt wesentlich leichter als die Abwärmenutzung gasförmiger Medien. Das liegt zum einen an der geringeren Wärmekapazität und damit geringerer Energiedichte von Gasen und zum anderen an der schlechteren Wärmeübertragung im Vergleich zu Flüssigkeiten.

Für einen wirtschaftlich und technisch effektiven Umgang mit Abwärme gilt grundsätzlich folgende Reihenfolge:

Natürlich ist die effiziente Verwendung von Abwärme in erster Linie von den Randbedingungen des betrachteten Unternehmens abhängig. Dennoch kann eine allgemeingültige Vorgehensweise formuliert werden, die auf beinahe jedes Unternehmen angewendet werden kann. Als erstes gilt es, das Potenzial der vorhandenen Abwärmequellen zu identifizieren. Darunter zählen folgende Sachverhalte:

• Medium der Abwärme (z.B. Abgas, Kühlwasser)
• Verschmutzung des Abwärmemediums (Staub, Öl, giftige oder brennbare Substanzen, aggressive oder korrosive Bestandteile, Ruß, kondensierbare Dämpfe wie z.B. Teer oder Fett, etc.)
• Temperaturniveau
• verfügbare Abwärmeleistung bzw. Energiemenge
• zeitliche Verfügbarkeit (kontinuierlich oder schwankend, saisonal, Anzahl der Volllaststunden pro Jahr)

Während das Medium, der Verschmutzungsgrad und das Temperaturniveau der Abwärme relativ leicht zugänglich sind, bereitet die ausreichend genaue Abschätzung der Abwärmeleistung (P_AW) unter Umständen größere Probleme. Sie lässt sich nach folgender Gleichung bestimmen:

P_AW = c_p x ΔT x Q

Dabei bezeichnen c_p die mittlere volumenspezifische Wärmekapazität, ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Abwärmemedium und Umgebung sowie Q den Volumenstrom der Abwärmequelle (eigentlich V Punkt, hier aus Darstellungsgründen Q). Die mittlere volumenspezifische Wärmekapazität lässt sich einschlägiger Literatur entnehmen, der Volumen- strom kann zum Beispiel mit Hilfe von Massebilanzen oder Geschwindigkeits-messungen berechnet werden.

Als zweiten Schritt müssen Nutzungsmöglichkeiten sondiert werden. Dabei sollte man sich an der oben genannten Reihenfolge für den effektiven Umgang mit Abwärme orientieren und in erster Linie nach Nutzungsmöglichkeiten im Abwärme verursachenden Prozess suchen, bevor man sich anderen betriebsinternen Nutzungsvarianten oder gar einer externen Abwärmeverwendung zuwendet. Zwischen der geplanten Nutzung der Abwärme (Senke) und der Abwärmequelle müssen folgende einfache Zusammenhänge bestehen:

• die Temperatur der Wärmequelle muss höher sein als die der Wärmesenke (Ausnahme: Verwendung von Wärmepumpen)
• die Leistung der Wärmequelle sollte gleich oder etwas größer sein als die der Wärmesenke, ansonsten muss ein zusätzliches Wärmeerzeugungs-system vorgehalten werden
• der Verschmutzungsgrad darf der geplanten Nutzung nicht grundsätzlich entgegenstehen
• die zeitliche Verfügbarkeit der Abwärme sollte dem Nutzungsprofil der geplanten Abwärmenutzungstechnologie entsprechen, andernfalls sind teure Speicher oder redundante Systeme vorzusehen
• es muss genügend Bauraum für die Installation der notwendigen Technologie zur Verfügung stehen
• gegebenenfalls sind Genehmigungen für die Errichtung und den Betrieb zusätzlicher Anlagen einzuholen

Neben diesen Voraussetzungen für eine technische Machbarkeit entscheidet die Wirtschaftlichkeit über die Realisierung solcher Maßnahmen. Diese wiederum wird von folgenden Faktoren beeinflusst:

• Höhe der Investitionskosten für die Abwärmenutzungstechnologie
• Höhe der Ausgaben für Wartung und Betrieb
• Fördermaßnahmen der öffentlichen Hand
• Erlöse durch die Abwärmenutzung (Einsparung an Energiekosten für Strom, Erdgas, Heizöl etc.)

Diese Kosten bzw. Erlöse sind den Kosten bei Weiterbetrieb der unveränderten Anlage gegenüber zu stellen. Dabei sollten veränderliche Faktoren wie der Energiepreis mit berücksichtigt werden. Im nachfolgenden Kapitel werden technologische Möglichkeiten und Systeme zur Nutzung von industrieller Abwärme vorgestellt. Dabei werden deren Eigenschaften soweit beschrieben, dass die Funktionsweise klar wird und die oben angesprochenen technisch - wirtschaftlichen Grundfragen für jeden Einsatzfall geklärt werden können.

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