Querschnittsthemen > Abwärme > Neue Inhalte

Abwärme ist die ungenutzte Wärme, die als Nebenprodukt in Prozessen entsteht und an die Umgebung abgegeben wird – obwohl sie wertvolle Einsatzmöglichkeiten für Industrie und Gesellschaft bietet. Die erste Priorität sollte jedoch die Vermeidung von Abwärme sein, durch energieeffiziente Komponenten, Prozessoptimierung und bessere thermische Isolierung der Anlagen. Es geht also vor allem um die unvermeidbare Abwärme, die sinnvoll genutzt werden kann und soll. Während die Industrie bereits umfangreiche Abwärmenutzung betreibt, gewinnen steigende Energiepreise diese Strategie auch für Handwerksbetriebe zunehmend an Bedeutung.

Während industrielle Abwärme oft in Fernwärmenetze eingespeist wird, ist die externe Vermarktung im Bereich von KMU selten wirtschaftlich. Für Handwerksbetriebe in Gewerbegebieten bietet sich jedoch eine Kooperation mit Nachbarbetrieben an, um ein kleines Nahwärmenetz aufzubauen und gemeinsam Abwärmequellen und -senken zu identifizieren.

Um zu entscheiden, ob sich die Nutzung von Abwärme in einem Betrieb lohnt, beginnt man mit einer Analyse der Energieverbräuche und Prozesse. Dabei werden vermeidbare Abwärmequellen identifiziert, die nicht vermeidbare Abwärme charakterisiert und potenzielle Abnehmer der Wärme ermittelt. Der erste Schritt ist eine umfassende Inventur der Energieverbraucher im Betrieb:

• 
  Typische Quellen: Öfen und Trockner, Kältetechnik (Kondensatoren/Kompressoren), Drucklufterzeuger, Rauchgasströme aus Feuerungsanlagen, Lüftungsanlagen, Abwässer
  


• 
  Menge: Die zur Verfügung stehende Abwärmemenge einer Anlage entspricht im Wesentlichen deren Energieverbrauch, da sich nahezu alle Energieformen schließlich in Wärme umwandeln. Allerdings sind technische Verluste bei der Nutzung unvermeidbar.
  


• 
  Zeitliches Profil: Abwärmemengen schwanken oft im Jahres-, Wochen- oder Tagesrhythmus. Pufferspeicher können helfen, zeitversetzte Wärmebedarfe zu decken, allerdings stets mit gewissen Speicherverlusten.
  


• 
  Ort: Je kleiner die Entfernung zwischen Abwärmequelle und deren Nutzung, desto geringer sind die Transportverluste sowie der damit verbundene Aufwand.
  


• 
  Temperaturniveau: Abwärmequellen unterscheiden sich in ihrem Temperaturniveau: Niedertemperatur (unter 150 °C), Mitteltemperatur (150 bis 500 °C), und Hochtemperatur (über 500 °C). Je höher das Temperaturniveau, desto größer ist der Nutzen.
  


• 
  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. 
  

Zur Übertragung der thermischen Energie werden sogenannte Wärmetauscher eingesetzt. Sie haben die Aufgabe, die Wärme eines Mediums auf ein anderes, kälteres Medium zu übertragen.

In Rekuperator-Wärmetauschern sind die beiden Medien räumlich voneinander durch eine wärmeübertragende Fläche getrennt. Die einzelnen Ströme haben dabei keinen direkten Kontakt, sondern werden aneinander vorbeigeleitet, sodass ein Wärmeübertrag stattfinden kann. Regeneratoren hingegen verfügen über eine thermische Speichermasse, die abwechselnd vom Heiz- und vom Kühlmedium durchströmt wird.

Verbreitete Vorrichtungen zur Wärmeübertragung

• 
  Plattenwärmeübertrager: Diese dienen häufig der Übertragung von Wärme zwischen zwei flüssigen Medien. Sie bestehen aus mehreren parallelen Platten, zwischen denen sich abwechselnd die wärmeabgebende und die -aufnehmende Flüssigkeit befinden. Die Medien sind stofflich getrennt, aber thermisch verbunden. Durch die große Anzahl an Platten ergibt sich eine sehr große Fläche für die Wärmeübertragung und damit eine hohe Leistungsdichte bei kompakter Bauform. Die Wärmeübertragung wird verbessert, indem die Flüssigkeiten zu einer turbulenten Strömung angeregt werden. Eine typische Anwendung ist die Trennung eines Fernwärmenetzes von den Heizungsanlagen.
  


• 
  Lamellenwärmeübertrager: Eine weit verbreitete und kostengünstige Form des Wärmetauschers, bei der die große Oberfläche durch Bleche erzeugt wird, die mit den Rohren verschweißt oder verlötet sind. Die geringen Lamellenabstände führen zu einer effektiven Wärmeübertragung, machen den Wärmetauscher jedoch empfindlich gegenüber Verschmutzungen, kondensiertem Wasser oder Eis. Bekannte Anwendungen sind der Kühler eines Kfz oder der Verdampfer einer Wärmepumpe.
  


• 
  Rippenrohrwärmeübertrager: Diese werden in der Regel für den Wärmeübergang zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen Medium eingesetzt. Die Flüssigkeit bewegt sich durch Rohrleitungen, deren Oberfläche durch Rippen aus einem gut wärmeleitenden Material vergrößert wird, sodass den Gasen, die die Rippen umströmen, eine große Oberfläche zur Verfügung steht.
  


• 
  Lamellenwärmeübertrager: Eine weit verbreitete und kostengünstige Form des Wärmetauschers, bei der die große Oberfläche durch Bleche erzeugt wird, die mit den Rohren verschweißt oder verlötet sind. Die geringen Lamellenabstände führen zu einer effektiven Wärmeübertragung, machen den Wärmetauscher jedoch empfindlich gegenüber Verschmutzungen, kondensiertem Wasser oder Eis. Bekannte Anwendungen sind der Kühler eines Kfz oder der Verdampfer einer Wärmepumpe.
  


• 
  Rohrbündelwärmeübertrager: Diese bestehen aus einer Vielzahl paralleler, meist dünnwandiger Rohre, auf die sich die Strömung des einen Mediums aufteilt. Das Rohrbündel ist in einem Behälter angeordnet, der vom zweiten Medium durchströmt wird. Umlenkbleche sorgen dabei für eine Verlängerung des Strömungsweges und eine wärmetechnisch optimale Queranströmung der Rohre. Aufgrund des komplexen Aufbaus und der vielen zu verschweißenden Rohre sind Rohrbündelwärmeübertrager in der Anschaffung meist teurer als andere Wärmetauscher.
  


• 
  Rotationswärmeübertrager (Wärmerad): In diesem Wärmetauscher rotiert eine zylindrische Speichermasse innerhalb zweier Strömungskanäle. Die Speichermasse nimmt 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 auch 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.
  

Die interne Nutzung der Abwärme sollte immer an erster Stelle stehen, um Verluste zu minimieren und die Kontrolle über alle Prozesse im Betrieb zu behalten. Fällt der Prozess aus, der die Abwärme liefert, muss die Abwärmesenke eine alternative Quelle haben. Neue Abhängigkeiten können eine Herausforderung darstellen.

Typische Abwärmenutzungspotentiale:

• 
  Rückführung in den gleichen Prozess: Wird Abwärme direkt im gleichen Prozess genutzt, zum Beispiel zum Vorwärmen von Produkten oder der Verbrennungsluft, reduziert dies den Energiebedarf unmittelbar.
  


• 
  Warmwassererzeugung: Viele Handwerksbetriebe, etwa Bäckereien oder Metzgereien, benötigen ständig heißes Brauchwasser. Hier kann Abwärme den Energiebedarf stark reduzieren. Die Gebäudeheizung ist jedoch nur während der Heizperiode relevant, was zu niedrigeren Nutzungsgraden im Sommer führen kann.
  


• 
  Wärme-Kälte-Umwandlung oder Stromerzeugung: Die Umwandlung von Wärme in Kälte (Sorptionskältemaschine) oder Strom (ORC) ist wirtschaftlich erst bei hohen Temperaturniveaus und größeren Wärmemengen sinnvoll, da die Anlagen komplex und teuer sind.
  

Häufig benötigen die Abnehmerprozesse höhere Temperaturen als die Abwärmequelle liefern kann. Hier kann die Abwärme zum Vorwärmen verwendet werden, um den Energiebedarf zur Erreichung der Zieltemperatur zu senken. Alternativ kann eine Wärmepumpe den notwendigen Temperaturhub leisten.

Eine optimale Abwärmenutzung erfordert eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen dem zeitlichen Profil der Quelle und der Senke. Ein zeitlicher Versatz kann jedoch durch Pufferspeicher ausgeglichen werden.

Da das Anfallen der Abwärme häufig nicht mit dem gegenübergestellten Bedarf deckungsgleich ist, werden Zwischenspeicher eingesetzt, um die Zeiträume zwischen Angebot und Nutzung 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.