Abwärme

Die in Produktionsprozessen anfallende oder während der Produktion benötigte Wärme geht meist am Ende der Prozesskette in Form von Abwärme durch Abkühlung an die Umwelt verloren. Allgemein wird ein grosser Teil der in der Industrie eingesetzten Energie nach der produktiven Verwertung, je nach Wirkungsgrad der verwendeten technischen Umwandlung, als Abwärme an die Umwelt abgeführt. Dabei anfallende Abwärmemengen werden oftmals nicht registriert, obwohl für diese Wärme beträchtliche Nutzungspotentiale bestehen. Einsparungen von Energiekosten werden durch konsequente Nutzung der Abwärme in Kühlanlagen und Kühlträgern wie Luft und Wasser aus den industriellen Prozessen erzielt, z.B. aus der Metallverarbeitung, Kunststoffverarbeitung, Elektronikfertigung. Der Einsatz von CO2 relevanten Energiequellen wie Öl und Gas wird deutlich reduziert.
Um die anfallende Wärme (Abwärme) nutzbar zu machen, muss diese in weitere Prozesse überführt werden. Die Übertragung erfolgt je nach Temperaturniveau mit Hilfe von Wärmetauschern oder einer Weiterverwertung mit anderen technischen Hilfsmitteln, wie z.B. Wärmepumpen, Dampfturbinen, Sorptionskältemaschinen.

 

Abwärmenutzung

Die Nutzbarkeit der verfügbaren Abwärme hängt von verschiedenen Faktoren ab. Entscheidend sind Temperaturniveau, Energiemenge, Kontinuität und Gleichzeitigkeit bei der Wärmeerzeugung sowie bei der Wärmeabnahme. Je höher das verfügbare Temperaturniveau und die Korrelation der Erzeugungs- und Nutzungsstunden der Abwärme im Jahr, desto vielfältiger sind die Möglichkeiten bei der Weiterverwertung. Ist eine gleichzeitige Verfügbarkeit und Nutzung der Wärme nicht gegeben, ist die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von  Wärmespeichern zu prüfen. Aufgrund der höheren Wärmespeicherfähigkeit im Medium und der besseren Wärmeübertragung an den Grenzflächen kann Abwärme mit flüssigen Wärmeträgern effizienter genutzt werden. Ebenso ist konzentrierte Wärme in gasförmigen Wärmeträgern effizienter übertragbar als diffuse Wärme.

 

Wärmeübertragung

Um die anfallende Abwärme nutzbar zu machen, werden überwiegend Wärmeübertrager eingesetzt, die das kalte und warme Übertragungsmedium voneinander trennen und somit für eine unbelastete Wärmeübertragung sorgen. Die Wärmeübertragung erfolgt über eine Trennfläche, die selbst wiederum sehr gute Wärmeleiteigenschaften mitbringen muss. Entscheidend für die Wärmeübertragung der Trennflächen sind Materialeigenschaften wie Dicke, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenbeschaffenheit. Die Eigenschaften des Übertragungsmediums werden bestimmt durch die Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte und Strömungseigenschaften. Für den Übertrager sind Bauart, Form und Grösse der Übertragungsfläche und Materialeinsatz bestimmend.

 

Plattenwärmeübertrager

Das Übertragungsmedium (flüssig oder gasförmig) strömt durch den Zwischenraum mehrerer Platten und gibt die Wärme an diese ab. Die von den Platten aufgenommene Wärme wird wiederum an ein zweites Übertragungsmedium abgegeben, das von dem ersten Übertragungsmedium getrennt durch weitere Zwischenräume strömt.

 

Rohrbündelwärmeübertrager

Bei Rohrbündelwärmeübertragern bestehen die Zwischenräume aus vielen Rohren mit kleinem Durchmesser, durch die ein Übertragungsmedium strömt. Das zweite Übertragungsmedium umströmt diese Rohre.

 

Rotationswärmeübertrager

Beim Rotationswärmetauscher oder Wärmerad sind die Platten und Zwischenräume auf einem rotierenden Rad angebracht. Die Zwischenräume werden abwechselnd von dem kälteren und wärmeren Übertragungsmedium durchströmt. Um eine Durchmischung der Übertragungsmedien weitgehend zu vermeiden, können die Rotationswärmeübertrager mit Spülkammern ausgestattet werden.

 

Wirkungsgrad Wärmeübertrager

Rückwärmezahl Phi Φ:
Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung bezogen auf Temperatur der Aussenluft oder der Fortluft.

Rückwärmezahl (Aussenluft)

Rueckwaermezahl-Phi-Aussenluft

Rückwärmezahl (Fortluft)

Rueckwaermezahl-Phi-Fortluft

Rückfeuchtezahl Psi Ψ:
Wirkungsgrad der Luftfeuchtigkeitsrückgewinnung bezogen auf absolute Luftfeuchtigkeit X [g/kg] der Aussenluft oder der Fortluft

Rückfeuchtezahl (Aussenluft)

Rueckfeuchtezahl-Psi-Aussenluft

Rückfeuchtezahl (Fortluft)

Rueckfeuchtezahl-Psi-Fortluft

Pufferspeicher und Kurzzeitspeicher sind für die Wärmespeicherung von Stunden oder Tagen ausgelegt und werden meist als Sensible Speicher mit relativ kleinem Speichervolumen aufgebaut.

 

Pufferspeicher und Kurzzeitspeicher

Wärmespeicher werden benötigt, wenn die anfallende Wärme und der Wärmebedarf zeitlich nicht korrelieren. Je nach Umgebung, Beschaffenheit des Speichers und dem Dämmaufwand ist die zeitliche Speicherfähigkeit eines Wärmespeichers durch Wärmeverluste begrenzt, weshalb diese möglichst passend zum Anwendungsfall und den Nutzungszyklen berechnet und ausgelegt werden sollten, um Verluste weitgehend zu vermeiden. Abhängig vom Wärmebedarf und der anfallenden Wärmemenge können Wärmespeicher für Stunden, Tage oder mehrere Wochen ausgelegt werden. Typischerweise unterscheidet man zwischen verschiedenen Arten von Wärmespeichern nach der Speicherdauer oder nach dem prinzipiellen Aufbau und den eingesetzten Materialien: Pufferspeicher, Kurzzeit- und Langzeitspeicher oder Sensible Speicher, Latentwärmespeicher und thermochemische Speicher.

 

Wärmespeicher

Bei der ORC-Turbine wird anstatt Wasser eine organische Flüssigkeit verdampft, die einen niedrigen Siedepunkt hat. Ansonsten arbeitet die ORC-Turbine sehr ähnlich wie die klassische Dampfturbine mit Wasser. Das Wärmeträgermedium wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt und nach der Abkühlung und Entspannung wieder dem Verdampfungsprozess zugeführt. Die verfügbare Abwärme wird der ORC-Anlage mit einem zwischengeschalteten Wärmekreislauf mit Wasser zugeführt, um eine Überhitzung und dadurch möglicherweise Zerstörung der organischen Flüssigkeit zu verhindern. ORC-Anlagen arbeiten typischerweise mit Temperaturen zwischen 70°C und 400°C. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 15%.

 

Stromerzeugung in ORC-Turbine (Organic Rankine Cycle)

Konventionelle Dampfturbinen erfordern einen hohen Druck und ein hohes Temperaturniveau (Hochdruckwasserdampf, 250°C – 600°C). Der nach Nutzung in der Dampfturbine austretende Niederdruckwasserdampf kann in einem Wärmetauscher weiter verwertet werden. Der Wirkungsgrad zur Stromerzeugung liegt bei ca. 35%.

 

Stromerzeugung in Dampfturbinen

Für die Stromerzeugung aus Abwärme stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Welche Technologie zum Einsatz kommt, hängt vom Temperaturniveau ab. Eine Entscheidung bzgl. Verstromung der Abwärme fällt meist dann, wenn eine im Vergleich effizientere Verwertung durch direkte Wärmeübertragung aufgrund der Infrastruktur nicht wirtschaftlich darstellbar ist. Für den Energieträger fallen keine zusätzlichen variablen Kosten an, da die Abwärme sowieso zur Verfügung steht. Zur Auswahl stehen verschiedene Technologien.

 

Stromerzeugung aus Abwärme

Beispiel Wasser:

c-Wasser

Q-Wasser-qm-Bsp

Q-Wasser-1000kg-Bsp

Q = Wärmemenge

m = Masse

∆ϑ = Temperaturdifferenz

Waermemenge-Q

Spezifische Wärmekapazität

c-allgemein

Spezifische Wärmekapazität für Sensible Speicher

Sensible Speicher zeichnen sich durch Wärmespeicherung infolge der Ausnutzung verschiedener Temperaturniveaus aus. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher einem Speichermedium, meist Wasser, zugeführt. Diese Speicherart eignet sich auch als Kältespeicher.

 

Sensible Speicher

In Langzeitspeicher (Saison-Speicher) soll die Wärme für Wochen oder Monate gespeichert werden, um längerfristige Wärmeschwankungen auszugleichen. Entsprechend gross müssen diese ausgelegt werden und es kommen zusätzlich Speichermaterialien, wie z. B. Kies-Wasser-Gemisch, Schotter-Luft, Erdreich (Erdsonden mit Wasser-Glykol-Mischung), zum Einsatz. Je nach geforderter Speicherdauer, Technologie und Material muss die Wirtschaftlichkeit von Langzeitspeichern berechnet werden und kann erst ab einem grösseren Speichervolumen gegeben sein.

 

Langzeitspeicher (Saison-Speicher)

Thermochemische Speicher

In thermochemischen Speichern wird Wärme durch eine chemische, endotherme Reaktion gespeichert. Einem Sorptionsspeicher, beispielsweise mit Silicagel, wird  Wärme zugeführt und Wasser entzogen (Trocknung). Bei Wärmebedarf wird dem Silicagel Wasserdampf zugeführt und an der Oberfläche des Silicagels adsorbiert, dabei wird Wärme in einer exothermen Reaktion freigesetzt. Für thermochemische Speicher gibt es verschiedene Materialien und Methoden. Der Vorteil ist die hohe spezifische Speicherkapazität und die Langzeitspeicherfähigkeit. Bisher sind diese Speicher allerdings noch im oberen Preisniveau angesiedelt.

 

Für Latentwärmespeicher werden Materialien eingesetzt, die bei Temperaturänderung ihren Aggregatzustand von fest nach flüssig ändern. Diese Materialien werden als PCM - Phase Change Materials (Phasenwechselmaterialien) bezeichnet. Zum Einsatz kommen zum Beispiel: Salzhydrate, Paraffine, Wasser-Eis-Mischung.
Wird einem PCM im Temperaturbereich des Phasenwechsels Wärme zugeführt, bleibt die Temperatur weitgehend konstant, aber der Aggregatzustand ändert sich von fest nach flüssig. In diesem Zustand kann das PCM weit mehr Energie speichern, als sensible Speichermaterialien. Umgekehrt wird bei der Erstarrung des Materials die Wärme wieder abgegeben. Bei der Abkühlung (Wärmeentnahme) von Wasser zu Eis bleibt die Wassertemperatur solange konstant bei 0°C, bis das Wasser vollständig zu Eis geworden ist. Dabei kann dem Wasser so viel Energie entnommen werden, wie zur Erwärmung derselben Menge Wasser von 0°C auf 80°C erforderlich ist.
PCM verhalten sich ausserhalb des Temperaturbereiches für den Phasenwechsel wie sensible Speichermaterialien. PCM stehen für viele Temperaturbereiche zur Verfügung. Bei PCM sollte berücksichtigt werden, dass die Materialien oftmals nach einer begrenzten Anzahl von Phasenübergängen ausgetauscht werden müssen.

 

Latentwärmespeicher

Wärmepumpe

Wenn grosse Mengen Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau anfallen ist die Nutzung der Wärme trotz der teils immensen Mengen nur schwer zu bewältigen, da für eine direkte Verwertung oft zu wenig Abnehmer zur Verfügung stehen. Steht zum Beispiel Abluft mit einer Temperatur zwischen 30°C und 45°C aus Kühlungsprozessen zur Verfügung, dann kann diese im Winter für eine Gebäudebeheizung eingesetzt werden. Im Sommer dagegen, wenn Anlagen sogar mehr gekühlt werden müssen und entsprechend mehr Abwärme zur Verfügung steht, wird diese Wärme nicht benötigt. Die Verwertung als Prozesswärme oder zur Wassererwärmung setzt meist ein höheres Temperaturniveau voraus. Zur Anhebung des Temperaturniveaus eignen sich Wärmepumpen.
In der Kompressionswärmepumpe wird mit Hilfe eines stromangetriebenen Kompressors das Temperaturniveau angehoben. Die Effizienz von elektrischen Kompressionswärmepumpen wird mit der Leistungszahl COP (Coefficient Of Performance) ausgedrückt. Ein COP von 4 bedeutet, dass mit 1kW elektrische Leistung 4kW Heizleistung erreicht werden.
In Sorptionswärmepumpen wird die erforderliche Energie in Form von Wärme zugeführt. Bei Sorptionswärmepumpen wird die Effizienz über die Heizzahl angegeben. Diese ergibt sich aus dem Verhältnis der erreichten Wärmeleistung zu der eingesetzten (Ab-)Wärmeleistung oder dem eingesetzten Brennstoff.

 

Kälteerzeugung

Meist mit Hilfe von Sorptionskältemaschinen wird die Abwärme zur Kälteerzeugung genutzt. Für die verschiedenen Arten der Kältemaschinen können Abwärmenivaus von 60°C bis 160°C genutzt werden. Der COP liegt zwischen 0,3 und 1,2

 

Abwärme / Industrie

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