Abwärmekataster Steiermark Endbericht

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1 Abwärmekataster Steiermark Endbericht Ein Projekt des Landes Steiermark 8010 Graz Projektauftraggeber: Land Steiermark Landesenergiebeauftragter Burggasse 9, 2. Stock 8010 Graz Projektbearbeitung: Hans Schnitzer Johannes Schmied Michaela Titz Paul Jägerhuber Claudia Enzi Paul Filzwieser Institut für Prozess und Partikeltechnik Graz im Dezember 2012 Seite 1

2 Inhaltsverzeichnis 1 Kurzfassung der Projektergebnisse Problemstellung und Zielsetzung Vorgangsweise Primärerhebung Auswahl der zu untersuchenden Branchen Auswahl der Betriebe Entwicklung der Untersuchungsmethodik Bereitschaft der Betriebe am Projekt teilzunehmen Best-Practise-Beispiel: Fernwärmeauskopplung aus der betrieblichen Abwärme eines steirischen Industriebetriebes Gründe für die Nichtteilnahme an der Erhebung Sekundärerhebung Literaturvergleich Abwärmepotenziale Interne Abwärmenutzungen Externe Abwärmenutzungen Potenzial industrieller Abwärme in der Steiermark Abwärmepotenzialanalyse Vorgangsweise zur Berechnung der Potenziale Branchenpotenziale Gesamtpotenziale Hindernisse für zusätzliche Abwärmenutzungen Technische und strukturelle Hemmnisse Wirtschaftliche Hemmnisse Rechtliche Hemmnisse Finanzielle Hemmnisse Sonstige Hemmnisse Haupthindernisse für Abwärmenutzungen der steirischen Industriebetriebe 51 5 Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen in der Industrie Allgemein Vorteile Technologieüberblick WKK-Anlagen Seite 2

3 5.3.1 Joule-Prozess Rankine-Prozess Verbrennung Wirtschaftlicher Betrieb einer WKK Betriebsweisen Papier- und Zellstoffindustrie Lebensmittelindustrie Metallverarbeitende Industrie Maschinenbauindustrie Steine-, Erden-, Glasindustrie Potenzial Erneuerbarer Energie in der Produktion Solare Nutzung Solarpotenzialflächenerhebung im Rahmen der Studie Technologien zur Nutzung von Solarthermie Einbindung thermischer Solaranlagen Sekundärerhebung Solarthermiepotenziale Kleinwasserkraft Energiebedarf der Produktionsgebäude Zusammenfassung & Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis ANHANG Einladung der Betriebe am Projekt teilzunehmen Fragebogenablauf Checkliste für die Befragung Screenshots des Onlinefragebogens Screenshots des Kurzfragebogens Berechnungsformeln Annuitätenmethode Worksheet der Berechnungsdatei Seite 3

4 1 Kurzfassung der Projektergebnisse Aus den fünf energieintensivsten steirischen Industrien, Papier und Zellstoffindustrie, Eisen- und Stahlindustrie, Steine Erden Glasindustrie, Maschinenbauindustrie und Lebensmittelindustrie, wurden über 40 Betriebe vor Ort besucht, nachdem vorher eine Primärerhebung über Fragebogen und Internet erfolgt war. Neben den vor Ort befragten Unternehmen gelang es Daten von circa 30 weiteren Unternehmen mittels Online-, bzw. Kurzfragebogen, oder telefonisch zu erheben. Im Rahmen des Projektes wurden beinahe alle großen, energieintensiven Betriebe der Steiermark vor Ort besucht. Die erreichten Betriebe repräsentieren über 95% des Gesamtenergiebedarfs der Papier- und Zellstoffindustrie. Auch die Betriebe der Eisen- und Stahlindustrie wurden sehr gut erfasst. Die befragten Industriebetriebe dieser Branche repräsentieren über 80% des Gesamtenergiebedarfs der Eisen- und Stahlindustrie in der Steiermark. Die Studie brachte folgende Ergebnisse: Die gesamten technischen Abwärmepotenziale belaufen sich auf 15 % des Gesamtenergiebedarfs der steirischen Industrie. Anhand der Branchenpotenzialanalyse wurde ersichtlich, dass die Papier- und Zellstoffindustrie gemeinsam mit der Eisen- und Stahlindustrie 75% der technischen und umsetzbaren Abwärmepotenziale aller steirischen Industriebetriebe aufweist. Im Rahmen der Studie wurden knapp über 200GWh bereits installierter Fernwärme aus industriellen Abwärmeströmen dokumentiert. Dies sind circa 2% des Raumwärmebedarfs der steirischen Wohngebäude. In der Steiermark gibt es zusätzliche Abwärmenutzungspotenziale im Fernwärmebereich von GWh. Das sind 3 % des Raumwärmebedarfes aller steirischer Wohngebäude Die größten Potenziale gibt es in Gratkorn, im Aichfeld, in Graz, Leoben, Kapfenberg, Bruck an der Mur und in Niklasdorf. Der Klimaschutzplan Steiermark aus dem Jahr 2008 stellte fest, dass, unter Nutzung aller Handlungsoptionen zur Energieverbrauchsreduktion in steirischen Wohngebäuden, der Raumwärmebedarf steirischer Wohngebäude bis 2050 halbiert werden kann. In einem solchen Szenario könnten die in dieser Studie dokumentieren Abwärmepotenziale voraussichtlich über 3 % des Raumwärmebedarfs abdecken. Dabei ist jedoch zu beachten, dass durch verbesserte Wärmedämmung des Häuserbestandes und energieeffizienterer Prozessführung die nutzbaren Abwärmepotenziale langfristig mengenmäßig sinken werden. Aus der Studie geht hervor, dass das vorhandene umsetzbare und wirtschaftliche Abwärmepotenzial steiermarkweit beinahe doppelt so groß ist wie die bisherigen Fernwärmeauskopplungen aus industriellen Abwärmeströmen. Um die Abwärmepotenziale umzusetzen ist es die Aufgabe aller Beteiligten die Hindernisse gemeinsam zu überwinden. Trotz erheblicher Anstrengungen, im speziellen in der steirischen Papier- und Zellstoffindustrie, wird steiermarkweit noch immer ein großer Teil der Abwärme ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Seite 4

5 In den kommenden Jahren sind vor allem in der Papier- und Zellstoffindustrie vermehrt externe Abwärmenutzungen in Form von zusätzlichen Fernwärmeauskopplungen zu erwarten. Die Analyse der Daten hat ergeben, dass die Nutzung von Abwärmeströmen aus Energieanlagen, wegen der höheren Temperaturniveaus, in Industriebetrieben in vielen Fällen interessanter und wirtschaftlicher erscheint als Verwertung von Abwärmeströmen aus Prozessen. Wärme-Kraft-Kopplungs-Potenziale ergaben sich, aufgrund der vorherrschenden Produktionsstrukturen, vor allem in der Lebensmittel- und Maschinenbauindustrie. Wobei in der Lebensmittelindustrie, im Gegensatz zum Maschinenbau, auch ohne Auskopplung der Überschusswärme, der Einsatz von Wärme-Kraft-Kopplungen wirtschaftlich sinnvoll erscheint. Die Motivation der Unternehmen, an der Befragung teilzunehmen war begrenzt, da die Unternehmen keinen direkten Nutzen in der Datenerhebung sahen. Die Datenlage innerhalb der Unternehmen ist oft unzureichend, daher erwies sich die Datenerhebung als sehr schwierig. Die untersuchten Industrien weisen im internationalen Vergleich erheblichen Aufholbedarf bei der Wärmedämmung der Produktionsgebäude auf. Im Rahmen dieser Studie wurden auch m² Potenzialflächen für Solarthermie- bzw. Photovoltaikanlagen auf steirischen Industriedächern dokumentiert. Die Hälfte der Betriebe gab an, dass Teile Ihrer Dächer für solare Nutzungen geeignet sind. Diese Studie zeigt, dass im produzierenden Sektor noch immer Abwärmepotenziale brachliegen und auch die technologischen Möglichkeiten zur Nutzung vorhanden sind. Da Unternehmen betriebswirtschaftliche Kriterien einhalten müssen liegt es an der Politik, den Unternehmen die Untersuchung Ihrer Abwärmeströme auf mögliche Nutzungspotenziale mittels Förderungen von konkreten Detailuntersuchungen und der Förderung von Abwärmenutzungsprojekten schmackhaft zu machen. Seite 5

6 2 Problemstellung und Zielsetzung Die Steiermark ist bemüht ihre Emissionen an Treibhausgasen zu vermindern und setzt hierzu Maßnahmen in verschiedenen Bereichen wurde der Klimaschutzplan Steiermark erstellt, indem die mangelhafte Datenlage im Bereich der betrieblichen Abwärme in der Steiermark augenscheinlich wurde. In der Energiestrategie der Steiermark für 2025 ist die Aktualisierung des steirischen Abwärmekatasters als strategische Maßnahme vorgesehen. Aus der Energiebilanz Steiermark geht hervor, dass der produzierende Bereich 40 % des steirischen Energiebedarfs verursacht. Der Bedarf besteht zum überwiegenden Teil nach thermischer Energie. Aufgrund der Anforderungen industrieller Produktionsprozesse geht ein beträchtlicher Teil dieser thermischen Energie als Abwärme verloren. Um innerbetriebliche Optimierungen und externe Nutzungsvarianten zu evaluieren, werden in dieser Studie die ungenutzten Abwärmeströme qualitativ und quantitativ erfasst. Aus diesem Grund ist es das vorrangige Ziel dieses Projektes, Daten über die Abwärmeströme energieintensiver steirischer Industriebetriebe zu sammeln um fundierte Aussagen über die Potenziale zur Nutzung der Industrieabwärme treffen zu können. Im Rahmen des Projektes werden unternehmensinterne sowie externe Nutzungsmöglichkeiten industrieller Abwärmeströme dargestellt. Dazu wird zunächst die Untersuchungsmethode festgelegt, mittels welcher die Primärerhebung und anschließend eine Sekundärerhebung durchgeführt. Zu Beginn der Primärerhebung werden die zu befragenden Betriebe anhand von, mit dem Auftraggeber abgestimmten, Kriterien ausgewählt, kontaktiert und zur Teilnahme an der Studie motiviert. Die Erhebung unternehmensspezifischer Abwärmeströme und weiterer relevanter Energiedaten stellt den Hauptaufwand dieses Projektes dar. Die Sekundärerhebung umfasst eine Analyse zum aktuellen Stand der Technik, bestehende Studien und Einsatzbereiche der Technologien zur Abwärmenutzung. Die erhobenen Daten aus der Primärerhebung werden mithilfe der Informationen aus der Sekundärerhebung ausgewertet. Das Resultat dieser Arbeit ist die Darstellung des industriellen Abwärmepotenzials in der Steiermark aufgesplittet in ein theoretisches, ein wirtschaftliches und ein realisierbares Potenzial. Zusätzlich wurde im Rahmen des Projektes bei den steirischen Betrieben Interesse an neuen Projekten zur Nutzung der Abwärme geweckt und deren umsetzbares Potenzial abgeschätzt. Seite 6

7 3 Vorgangsweise 3.1 Primärerhebung Im Rahmen der Primärerhebung wurden von den steirischen Industriebetrieben Daten in persönlichen Befragungen bzw. Befragungen via Fragebogen erhoben. 3.2 Auswahl der zu untersuchenden Branchen Aus den Daten der Energiebilanz der Statistik Austria wurden die energieintensivsten Branchen in der Steiermark ausgewählt. Die Bedeutung der Branchen ist in Abbildung 3-1 dargestellt. Energetischer Endverbrauch der steirischen Industrie 2010 Lebensmittel 4% Restliche Industrien 20% Papier&Druck 35% Maschinenbau 8% Steine Erden Glas 10% Eisen&Stahlerzeugu ng 23% Abbildung 3-1: Energetischer Endverbrauch in der steirischen Industrie kumuliert (nach Daten der Statistik Austria, 2012c) Tabelle 3-1 ersichtlich, repräsentieren die fünf energieintensivsten Branchen rund 80 % des gesamten energetischen Endverbrauches der steirischen Industrie im Jahr Zu den energieintensivsten Branchen zählen Papier und Druck, Eisen- und Stahlerzeugung, Steine, Erden und Glas, Maschinenbau sowie Nahrungs-, Genussmittel und Tabak. Tabelle 3-1: Nominaler und prozentueller Energieeinsatz je Industrie in der Steiermark (Eigene Tabelle nach Daten der Statistik Austria 2012) Industrie Steiermark 2010 Papier und Druckindustrie 35% TJ Eisen u- Stahlerzeugung 23% TJ Steine Erden Glas 10% TJ Maschinenbau 8% TJ Lebensmittel 4% TJ Restliche Industrien 21% TJ Energetischer Endverbrauch TJ Seite 7

8 Im Rahmen des Projektes wurden in erster Linie Betriebe dieser fünf Industrien befragt, da davon auszugehen ist, dass in diesen Sektoren aufgrund der benötigten Temperaturen in den branchenüblichen Prozessen die größten Abwärmepotenziale bestehen Auswahl der Betriebe Die zu befragenden Unternehmen wurden anhand folgender Kriterien ausgewählt: 1. Energieverbrauch: Auswahl der energieintensivsten Industrien in der Steiermark. 2. Wirtschaftspolitik: Festlegung der relevanten Industrien gemeinsam mit dem Land Steiermark 3. Betriebsgröße: Erstellung einer Firmenliste, die im Rahmen des Projektes kontaktiert werden sollten. Auswahlkriterien innerhalb der Branche: Umsatz, Mitarbeiterzahl Um alle relevanten Betriebe zu erfassen, wurde die Liste der ausgewählten Unternehmungen mit dem Landesenergiebeauftragten DI Wolfgang Jilek und dem Spartengeschäftsführer Industrie der steirischen Wirtschaftskammer Dr. Stefan Pilz diskutiert und abgeglichen. Die knapp 200 ausgewählten Betriebe wurden schriftlich bzw. telefonisch kontaktiert. Die Aussendung der schriftlichen Einladung erfolgte durch das Land Steiermark und dem, mit der Durchführung der Studie betrauten, Institut für Prozess- und Partikeltechnik der Technischen Universität Graz. Die direkte Kontaktaufnahme per Telefon bzw. per erfolgte ausschließlich durch das Projektteam. Daten über das Unternehmen und dessen Energiewirtschaft wurden von über einem Viertel der befragten Betriebe zur Verfügung gestellt. Alle Daten wurden anonymisiert in die Branchenauswertungen aufgenommen. Circa 90 % der Unternehmensdaten wurden mittels 40 persönlicher Besuche bei steirischen Betrieben vor Ort erhoben. Acht weitere Datensätze gelangten mittels Onlinefragebogen ein. Der vierseitige Kurzfragebogen ist von 15 Betrieben ausgefüllt worden. Ergänzende Daten wurden telefonisch oder per erhoben. Insgesamt flossen Daten von 70 Betrieben in die Berechnungen des Abwärmepotenzials im Kapitel 4 ein. Im Sommer wurde eine Zusammenarbeit mit der Kommunalkredit Public Consulting gestartet, da diese 2012 im Auftrag des Lebensministeriums österreichweit Abwärmeströme von Industriebetrieben erhob. Die Kooperation bestand im Wesentlichen im Austausch erhobener Daten, sofern die Betriebe der Weitergabe der Daten ausdrücklich zugestimmt hatten. Die Kommunalkredit Public Consulting plant die Veröffentlichung eines österreichweiten Onlineabwärmeatlas. Bei Fragen bezüglich des Onlineabwärmeatlas der Kommunalkredit kontaktieren Sie Entwicklung der Untersuchungsmethodik Das Projektteam hat sich in Absprache mit dem Auftraggeber in einem ersten Schritt für die Durchführung einer Onlinebefragung entschieden um möglichst viele Unternehmen erreichen zu können. Während des Projektes hat sich aber vor allem der persönliche Besuch von Unternehmen zur Datenakquise als unerlässlich Seite 8

9 erwiesen. Um vorhandene Abwärmepotenziale im Vorhinein eines zeitintensiven persönlichen Besuches besser abschätzen zu können wurde ein Kurzfragebogen entwickelt und an eine Reihe von Betrieben ausgesandt. Onlinefragebogen In den ersten Projektwochen entwickelte das Projektteam einen umfangreichen Fragebogen. Der Fragebogen wurde später verbessert und adaptiert um die Beantwortung der Fragen für die Unternehmen so einfach und verständlich wie möglich zu machen. Im Anhang 12.4 dieser Studie befinden sich einige Screenshots des Onlinefragebogens. Auswahl der Software Die Software Limesurvey hat sich nach einiger Recherche als praktikabel und wirtschaftlich sinnvollste Softwarelösung für die geplante Onlinebefragung herausgestellt. Für dieses Programm hat sich das Projektteam aufgrund der benutzerfreundlichen Oberfläche und der Stabilität des Programms entschieden. Entwicklung des Onlinefragebogens mit Limesurvey Nach einigen Testbefragungen wurde der Fragebogen online freigeschaltet und den Unternehmen zugänglich gemacht. Als Plattform wurde, wie schon erwähnt, die Software Limesurvey gewählt. Abbildung 3-2 gibt einen Überblick über die Fragengruppen, die im Rahmen der Online- bzw. persönlichen Befragung abgefragt wurden. Der Fragebogen umfasst neben der Erhebung allgemeiner Unternehmensdaten auch die Erhebung der Daten zur elektrischen und thermischen Energieversorgung des Unternehmens sowie Fragen über die energieintensivsten Prozesse, die Charakteristik der Gebäude und geplante und bereits umgesetzte Energieeffizienzmaßnahmen. Im Anhang 12.3 befindet sich eine Checkliste, mit der sich die Unternehmen auf die Onlinebefragung bzw. das persönliche Interview im Vorhinein vorbereiten konnten. Seite 9

10 Abbildung 3-2: Flowchart-Fragebogenablauf Für das Projekt wurde auf der Website des Landes Steiermark (http://www.energie.steiermark.at/cms/beitrag/ / ) eine eigene Projektkurzinformation online gestellt, in welcher auf den Onlinefragebogen hingewiesen wird. Auswertungsdesign Die erfassten Abwärmeströme wurden mittels einer Technologiematrix auf Ihre mögliche Nutzbarkeit analysiert. Nach abgeschlossener Erstbewertung wurde eine überschlägige Wirtschaftlichkeitsrechnung durchgeführt. Die Unternehmen, deren Abwärmeströme wirtschaftlich umsetzbare Potenziale besitzen, werden bei Interesse über konkrete Nutzungsmöglichkeiten informiert. Wie im Kapitel bzw gezeigt, gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Nutzung von Abwärme. Um einen allgemein gültigen Berechnungsansatz zu ermöglichen, beschränkt sich die Untersuchung auf die markterprobtesten Varianten. Abbildung 3-3 gibt einen Überblick über die Technologien, deren Wirtschaftlichkeit untersucht wurden. Seite 10

11 Abbildung 3-3: Technologien zur Abwärmenutzung (eigene Darstellung) Erstbewertung Zur Erstbewertung der Abwärme steht eine Bewertungsmatrix zur Verfügung (siehe Tabelle 3-2). Die Matrix wurde in Anlehnung an das, von der Sächsischen Energieagentur im Rahmen der Erstellung eines Wärmeatlas erarbeitete Bewertungsschema, entwickelt. [SAENA 2012] Um eine korrekte Beurteilung durchführen zu können, sind detaillierte Informationen über den Abwärmestrom, aber auch über Abwärmesenken, also potentielle Verbraucher nötig. Erforderliche Daten über den Wärmestrom sind das Temperaturniveau, die Leistung, der Aggregatzustand, die Verfügbarkeit sowie die Jahresvolllaststunden der Abwärmequelle. Weiter interessieren zusätzliche Erschwernisse, wie Verschmutzung, Korrosivität oder Giftigkeit. Von der Abwärmesenke müssen die benötigte Energieform (Kälte, Wärme, Strom) und deren Volllaststunden bekannt sein. Des Weiteren ist zu prüfen, ob die benötigte Leistung über, oder unter der vorhandenen Leistung der Abwärme liegt, da bei einer zu geringen Leistung der Abwärme eine zusätzliche Energieversorgung sicherzustellen ist. Tabelle 3-2 zeigt die Bewertungsmatrix am Beispiel Rauchgase. Rot markiert sind die für das gerade zu untersuchende Medium charakteristischen Eigenschaften. In dem Beispiel handelt es sich um ein Rauchgas mit geringer Leistung. Man sieht, dass die prozessinterne- und betriebsinterne Nutzung nach dieser Bewertung die günstigsten Möglichkeiten sind. Da jede Abwärmenutzung eine Investition ist, muss abgeklärt werden, ob diese auch wirtschaftlich ist. Aus diesem Grund wurde jeweils eine Investitionsrechnung auf Basis der Annuitätenmethode durchgeführt. Seite 11

12 Prozessintern Betriebsintern Extern Wärmepumpe ORC Dampfturbine Stirlingmotor Sorptionskältemaschine Tabelle 3-2: Bewertungsmatrix (Bsp: Rauchgas) Wärmenutzung Stromerzeugung Kälteerzeugung Kriterien Abwärmequelle Temperaturniveau bis 50 C C bis 150 C C bis 500 C über durchschnittliche Leistung bis 10 kw kw bis 100 kw kw bis 1 MW Mw bis 10 MW über 10 MW Aggregatzustand gasförmig flüssig Verfügbarkeit kontinuierlich diskontinuierlich Stunden bis bis bis über Abwärmesenke Bedarf an Kälte, Wärme, Strom Kälte Wärme Strom Stunden der Nutzenergie bis bis bis über spez. Investitionskosten Summe Seite 12

13 Wirtschaftlichkeitsrechnung Die Berechnung erfolgt mittels Annuitätenmethode auf Grundlage der VDI 2067 [2000, Blatt1, Blatt7] nach einem modifizierten Ansatz nach Jürgen Karl [2008]. Alle im Folgenden gemachten Berechnungen und Annahmen beruhen auf dieser Richtlinie. Mit Hilfe der Annuitätenmethode können einmalig getätigte Investitionszahlungen gleichmäßig auf die Nutzungsdauer verteilt und so mit den jährlich anfallenden Zahlungen wie Brennstoffkosten etc. verglichen werden [Däumler, 2003]. Dabei wird die Investition mit dem Annuitätenfaktor multipliziert und man erhält eine jährliche Auszahlung. Im Anhang befinden sich die für die Berechnung benötigten Formeln und eine Abbildung der Berechnungsdatei. Kostenberechnung Jährlich anfallenden Kosten ohne Steuern berechnen sich wie in Tabelle 3-3 dargestellt. In der VDI-Richtlinie werden Richtwerte für die verschiedenen Kosten angegeben, die für eine überschlägige Berechnung, wie sie hier angestellt werden ausreichen. Bei einer genaueren Machbarkeitsstudie sollten die Richtwerte jedoch durch konkrete Angebote ersetzt werden. Tabelle 3-3: Kosten Kapitalgebundene Kosten + Verbrauchsgebundene Kosten + Betriebsgebundene Kosten + Sonstige Kosten = Jahreskosten ohne Steuern Kapitalgebundene Kosten Die Kapitalgebundenen Kosten setzen sich aus den Investitionskosten für das Hauptmodul sowie allen dessen sekundären Kosten, die zu dessen Inbetriebnahme nötig sind, zusammen. Die Kosten des Hauptmoduls werden durch die spezifischen Investitionskosten pro Kilowatt und der betrachteten Abwärmeleistung berechnet Die sekundären Kosten werden mit einem prozentuellen Faktor an den Kosten des Hauptmoduls berücksichtigt. Typische Werte für die Faktoren können der VDI- Richtlinie entnommen werden. Die Tabelle 3-4 zeigt eine Aufstellung der kapitalgebundenen Kosten. Tabelle 3-4: Kapitalgebundene Kosten Kapitalgebundene Kosten Anmerkung Hauptmodul Wärmetauscher, Wärmepumpe, Strom Zusätzlicher Spitzenkessel Zur Abdeckung der Spitzenlasten Pufferspeicher Für eine Zeitversetzte Nutzung Heiznetz Rohrleitungen Seite 13

14 Finanzierungskosten Grundstück Instandsetzung und Erneuerung Planungskosten Mehrpreis Brenner Bauliche Anlagen/Installationskosten Sonstiges Kreditkosten Bei Neukauf Meist durch Serviceverträge gedeckt lt. HOAI Bei nötiger Umrüstung Kesselhäuser etc. Verbrauchsgebundene Kosten Diese bestehen aus Brennstoffkosten der jeweiligen Technologie sowie der für den Betrieb benötigten elektrischen Hilfsenergie und sonstigen Betriebsmitteln. Die Brennstoffkosten werden aus dem Energiebedarf ermittelt, der sich aus der Leistung und den prognostizierten Betriebsstunden ergibt. Zusätzlich werden auch noch Kosten für die Aschedeponierung, wenn benötigt, mit einem brennstoffspezifischen Faktor berücksichtigt. Mit der Annahme, dass die nutzbare Abwärme gratis zur Verfügung steht, fallen diese Kosten nur bei der Berechnung der Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen an. Tabelle 3-5: Verbrauchsgebundene Kosten Verbrauchsgebundene Kosten Anmerkung Brennstoff für Hauptmodul Bei KWK-Berechnung erforderlich Brennstoff für Spitzenkessels Bei Restenergiebedarf Elektrische Hilfsenergie Strom für Pumpen etc. Wasser, Betriebsmittel Öl, Kühlwasser Aschedeponierung Für den jeweiligen Brennstoff Betriebsgebundene Kosten Die betriebsgebundenen Kosten setzen sich aus Kosten für den Betrieb der Anlage, Instandhaltungskosten und sonstigen Kosten zusammen. Anhaltswerte für diese Kosten sind in der VDI-Richtlinie 2067 angeführt. Tabelle 3-6: Betriebsgebundene Kosten Betriebsgebundene Kosten Anmerkung Betätigung Personal Verwaltungskosten Kosten für Versicherungen sonstiges Seite 14

15 Für eine genaue Erfassung der Kosten empfiehlt es sich, wie schon erwähnt, mit Herstellern der einzelnen Module Kontakt aufzunehmen. Von der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V wurde eine Richtpreiserhebungen für BHKW`s mit Verbrennungsmotoren durchgeführt. Diese Richtpreise bieten eine gute Möglichkeit eine relativ genaue Berechnung für BHKW`s durchzuführen [ASUE 2011]. Erlöse Die Erlöse werden im Allgemeinen durch Brennstoffeinsparungen, Strom- oder Wärmeverkauf erwirtschaftet. Auf die Berechnung der Erlöse der unterschiedlichen Technologien wird in den jeweiligen Kapiteln eingegangen, da sich deren Berechnungen stark unterscheiden. Gewinn/Amortisation Karl [2006, S. 314] weist daraufhin, dass die Wirtschaftlichkeit von Energieanlagen Grundsätzlich über die Strom-/ bzw. Wärmegestehungskosten zu berechnen ist. Wegen fehlender Kenntnis über die Energiegestehungskosten der Unternehmen und somit fehlender Vergleichsmöglichkeit werden der Gewinn und die Amortisationsdauer als Kriterien ausgewählt um eine allgemein gültige Aussage treffen zu können. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Sinnhaftigkeit einer Investition von mehr Faktoren abhängt und diese bei einer genauen Betrachtung in die Bewertung einfließen müssen. Die Annuitäten der Einzahlungen (Erlöse) abzüglich der aufsummierten Annuitäten der Auszahlungen (Jahreskosten) bilden den Gewinn. Tabelle 3-7: Gewinn Erlöse - Kosten = Gewinn Die Amortisation zeigt nach wie vielen Jahren die Abwärmenutzungsmaßnahmen durch die Einsparungen an Brennstoff oder die Verkäufe an überschüssiger Energie, den Investitionsbetrag wieder erwirtschaften können. Sie ist im Allgemeinen ein Maß für das Risiko einer Investition, da die Unsicherheit bezüglich der getroffenen Annahmen steigt, je weiter die Prognose in die Zukunft reicht. Tabelle 3-8: Amortisation Investitionskosten (Gesamtanlage) / Jahreskosten = Amortisation in Jahren Zur Berechnung der einzelnen Nutzungsmöglichkeiten wurden folgende allgemeine Annahmen getroffen. Seite 15

16 Strom- und Gaskosten Die Kosten für Gas- und Strombezug werden auf 38 /MWh für Gas und 130 /MWh für Strom festgelegt, da von den meisten Firmen keine genauen Angaben über die Energiekosten vorliegen und diese Werte den durchschnittlich ermittelten Kosten entsprechen. Betrachtungszeitraum und Nutzungsdauer Betrachtungszeitraum und Nutzungsdauer können ebenfalls variiert werden, wobei für die Nutzungsdauer in der VDI 2067 Richtwerte angegeben sind. Kalkulatorischer Zinssatz Für den kalkulatorischen Zinssatz wird bei vollständiger Eigenfinanzierung der Habenzinssatz einer Kapitalanlage angesetzt, bei Fremdfinanzierung wird der Fremdkapitalzinssatz herangezogen. Leistungen und Bezugstemperaturen Um eine korrekte Aussage über die technische Nutzbarkeit eines Abwärmestromes treffen zu können, muss berücksichtigt werden auf welche Temperatur (siehe: Tabelle 3-9: Bezugstemperaturen) die Abwärme mit der gewählten Technologie abgekühlt werden kann, also wie viel Leistung tatsächlich zur Verfügung steht. Die Leistung eines Abwärmestroms ist definiert als: Formel 1 m c p T Ab T Bez Massenstrom [kg/s] spez. Wärmekapazität [kj/kgk] Temperatur der Abwärme [ C] Temperatur auf die Abwärme heruntergekühlt werden kann [ C] Tabelle 3-9: Bezugstemperaturen Wärmenutzung Beispiele Bezugstemperatur Technisches Potential Zur allgemeinen Beurteilung 20 C Prozessintern Luftvorwärmung, Rohstoffvorwärmung 80 C Betriebsintern Raumwärme, kaskadische Nutzung C Extern Fernwärme 90 C Indirekte Wärmepumpe 10 C Organic Rankine Cycle Verstromung: ORC-Turbine 80 C Rankine Cycle Verstromung: Dampfturbine 450 C Sorptionskältemaschine Antrieb einer Kältemaschine 75 C Seite 16

17 Luftvorwärmung Ein Wärmetauscher überträgt die sonst ungenutzte Wärme des Rauchgases auf die Verbrennungsluft, wodurch bei gleicher Leistung weniger Brennstoff benötigt wird. Der Vorteil bei der Verbrennungsluftvorwärmung liegt im gleichzeitigen Anfallen von Abwärme und Energiebedarf. Sie stellt dadurch eine der effizientesten Abwärmenutzungen dar. Für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit werden die Kosten eines Wärmetauschers den durch Brennstoffeinsparungen erzielten Erlösen gegenüber gestellt. Brennermodifikationen müssen ebenso berücksichtigt werden. Eingabedaten Zur Berechnung werden die Brennerleistung (kw), die Betriebsstunden (h) und die spezifischen Kosten ( /kw) des Wärmetauschers benötigt. Die übertragbare und somit eingesparte Wärmeleistung wird mit 12,5 % der Brennerleistung angenommen. Erlöse Luftvorwärmung Die Erlöse werden durch Brennstoffeinsparungen, der Anlage mit Luftvorwärmung gegenüber der ohne, erzielt. Tabelle 3-10: Erlöse bei Luftvorwärmung Brennerleistung x Mögliche Einsparung in Prozent = eingesparte Leistung x Betriebsstunden = Theor. Eingesparte Wärmemenge x Gleichzeitigkeitsfaktor/Volllastfaktor = Praktisch eingesparte Wärmemenge x Energiepreis = Erlöse Innerbetriebliche Wärmenutzung Mit innerbetrieblicher Wärmenutzung ist vorrangig eine kaskadische Wärmenutzung in verschiedenen, hintereinander geschalteten Prozessen gemeint (z.b.: Vorwärmen von Rohstoffen). Sie kann aber auch die Nutzung für Heizzwecke sein. Die Berechnung ist prinzipiell gleich wie bei der Verbrennungsluftvorwärmung, bis auf die Tatsache, dass die Abwärmeleistung mit ermittelt wird. Seite 17

18 Zu beachten ist, dass die Abwärme und der Energiebedarf, z.b.: Raumwärme, meist nicht zeitgleich auftreten und somit die Betriebsstunden gegebenenfalls angepasst werden müssen. Zusätzlich müssen noch Kosten für ein eventuell benötigtes innerbetriebliches Heiznetz berücksichtigt werden. Eingabedaten Für die Berechnung werden die Leistung der Abwärmequelle (kw), die Betriebsstunden (h) und die spezifischen Kosten ( /kw) für Wärmetauscher benötigt. Die nutzbare Abwärme wird über den Wirkungsgrad des Wärmetauschers und die Betriebsstunden der Anlage berechnet. Der Wärmetauscherwirkungsgrad kann grundsätzlich mit 75 % angenommen werden und ist nach Formel 2 definiert als: Formel 2 Q C min T h T c Erlöse innerbetriebliche Wärmenutzung: Übertragene Wärmemenge [kj/kg] Min. Wärmekapazität [kj/kgk] der Medien Temperatur der heißen Seite (am Eintritt) [ C] Temperatur der kalten Seite (am Eintritt) [ C] Die Erlöse werden wie bei der Vorwärmung von Verbrennungsluft aus der Energieeinsparung lukriert. Es wird davon ausgegangen, dass der Energieverbrauch um die genutzte Abwärmemenge (praktisch eingesparte Wärmemenge) sinkt. Tabelle 3-11: Erlöse bei der innerbetrieblichen Wärmenutzung Leistung des Abwärmestroms [kw] x Wirkungsgrad des Wärmetauschers [%] = eingesparte Leistung x Betriebsstunden = Theor. Eingesparte Wärmemenge x Gleichzeitigkeitsfaktor/Volllastfaktor = Praktisch eingesparte Wärmemenge x Energiepreis des Alternativheizsystems = Erlöse Externe Wärmenutzung Die externe Wärmenutzung bezieht sich auf die Auskopplung verfügbarer Wärme in Fernwärmenetze. Die Betriebsstunden werden für die Berechnung auf die Wintermonate begrenzt, da im Sommer meist zu wenig Bedarf besteht. Seite 18

19 Der Hauptteil der Kosten besteht aus den Investitionen in die Übergabestationen und in externe Heiznetze. Eingabedaten Für die Berechnung werden die Leistung der Abwärmequelle (kw), die Betriebsstunden (h) und die spezifischen Kosten ( /kw) für die Wärmeübergabestation benötigt. Darüber hinaus müssen noch die Netzlänge und der erzielbare Preis für den Wärmeverkauf angenommen werden. Die eingesparte Wärmeleistung wird über den Wirkungsgrad des Wärmetauschers berechnet. Erlöse externe Wärmenutzung Die Erlöse werden durch den Verkauf der Abwärme an Dritte erwirtschaftet. Tabelle 3-12: Erlöse externe Wärmenutzung Leistung des Abwärmestroms [kw] x Wirkungsgrad des Wärmetauschers [%] = für Fernwärme verfügbare Leistung x Betriebsstunden = Theor. verfügbare Wärmemenge x Gleichzeitigkeitsfaktor/Volllastfaktor = Praktisch verfügbare Wärmemenge x Fernwärmepreis = Erlöse Wärmepumpe Ein Großteil der anfallenden Wärme liegt auf einem Temperatur Niveau unter 40 C vor. Dieser kann oft nur mittels Wärmepumpe auf brauchbare Temperaturen gebracht werden. Zu beachten ist, dass beim Betrieb einer Wärmepumpe Stromkosten anfallen die unbedingt berücksichtigt werden müssen. Eingabedaten Für die Berechnung werden die Leistung der Abwärmequelle (kw), die Betriebsstunden (h) und die spezifischen Kosten ( /kw) für die Wärmepumpe, sowie deren Leistungszahl (COP) benötigt. Die eingesparte Wärmemenge wird gleich wie bei der innerbetrieblichen Wärmenutzung berechnet. Erlöse Wärmepumpe Seite 19

20 Die Erlöse der Wärmepumpe werden gleich wie die der direkten Wärmenutzung berechnet. Tabelle 3-13: Erlöse Wärmepumpe Leistung des Abwärmestroms [kw] x Wirkungsgrad des Wärmetauschers [%] = eingesparte Leistung x Betriebsstunden = Theor. Eingesparte Wärmemenge x Gleichzeitigkeitsfaktor/Volllastfaktor = Praktisch eingesparte Wärmemenge x Energiepreis des Alternativheizsystems = Erlöse Stromerzeugung aus Abwärme (ORC und Dampfturbine) Die Stromerzeugung aus Abwärme sollte dann angedacht werden, wenn deren innerbetriebliche Nutzung wegen fehlendem Bedarf nicht möglich ist. Die Aggregate, die hier untersucht werden sind ORC-/ und Dampfturbinen, da sie, im Gegensatz zu Stirlingmotor, Dampfschraubenmotor und den Exoten wie z.b.: Peltierelementen, marktreife Technologien mit langjährigen Betriebszeiten sind. Eingabedaten Benötigt werden wieder die Leistung der Abwärmequelle (kw), die prognostizierten Betriebsstunden (h) und die spezifischen Kosten ( /kw) für eine ORC-/ bzw. Dampfturbine sowie deren elektrische Wirkungsgrade. Erlös Stromerzeugung Die Erlöse werden durch vermiedene Strombezugskosten erzielt. Tabelle 3-14: Erlöse aus Stromerzeugung Leistung des Abwärmestroms [kw] x Wirkungsgrad des Wärmetauschers [%] x η el (Nettowirkungsgrad des Strommoduls) x Betriebsstunden = Theor. erzeugte Strommenge x Gleichzeitigkeitsfaktor/Volllastfaktor = Praktisch erzeugte Strommenge x Strompreis = Erlöse Seite 20

21 Sorptionskälteanlagen Sorptionskälteanlagen benötigen, zum Unterschied zu Kompressionskälteanlagen, Wärme als Antriebsenergie. Mit der Annahme, dass die Abwärme ohne Kosten bezogen werden kann stellt diese Form der Kältebereitstellung eine Alternative zu den konventionellen Kompressionsanlagen dar. Eingabedaten Für die Berechnung werden die Leistung der Abwärmequelle (kw), die voraussichtlichen Betriebsstunden (h) und die spezifischen Kosten ( /kw) der Sorptionskälteanlage benötigt. Die nutzbare Abwärme wird über den Wirkungsgrad des Wärmetauschers und die Betriebsstunden der Anlage berechnet. Erlös Kälteerzeugung Ein wirtschaftlicher Betrieb stellt sich dann ein wenn der vermiedene Strom, der bei einer Kompressionskälteanlage nötig wäre, die Jahreskosten deckt. Die vermiedenen Stromkosten stellen also auch hier die Erlöse dar. Tabelle 3-15: Erlöse Kälteerzeugung aus Abwärme Benötigte Kälteleistung x Leistungszahl (COP) = Benötigte Antriebsenergie (Pel) x Betriebsstunden x Strombezugskosten = Erlöse Neben den telefonischen Gesprächen mit steirischen Industriebetrieben hat das Projektteam auch in der Öffentlichkeit auf die laufende Studie aufmerksam gemacht. Am 20. April fand ein Treffen der Gruppe Energie der Wirtschaftskammer Steiermark statt, in dem das Projekt den anwesenden Unternehmensvertretern präsentiert wurde. Die Gruppe Energie enthält die energieintensivsten Betriebe der Steiermark. Im Rahmen dieses Projektes wurden steirische Industriebetriebe zur Teilnahme am Abwärmekataster eingeladen. In den Einladungen zur Teilnahme an dem Projekt werden die Unternehmen über die Ziele des Projektes informiert. 1. Die Einladungen wurden in Briefform über das Land Steiermark an steirische Unternehmen ausgeschickt. Im Anhang dieses Briefes befand sich die vom Projektteam entwickelte, und vom Auftraggeber bzw. Projektteam postalisch versandte Einladung zur Teilnahme am Abwärmekataster. Im Rahmen des Projektes wurden circa 200 Betriebe, vor allem aus den fünf Seite 21

22 energieintensivsten Branchen, aber auch energietechnisch interessante Betriebe aus anderen Industrien kontaktiert. 2. Energietechnisch besonders relevante Betriebe wurden in diesem Schreiben zu einem persönlichen Gespräch eingeladen. Die anderen Betriebe wurden dazu eingeladen den Onlinefragbogen, bzw. den Kurzfragebogen auszufüllen. 3. Nach der schriftlichen Einladung sandte das Projektteam den Unternehmen ein , mit folgenden Informationen: a. Link zur Projektbeschreibung auf b. Onlinefragebogenlink: c. Flowchart, Fragebogenablauf und d. eine Checkliste zur Vorbereitung auf den Besuch 4. Unternehmen bei denen ein Besuch geplant war, wurden telefonisch kontaktiert. Erinnerung zur Teilnahme am Projekt Unternehmen, die nach Ablauf einer Frist nicht reagiert hatten wurden telefonisch kontaktiert. Im Rahmen dieses Gespräches wurde nach den Gründen der Nichtteilnahme am Projekt gefragt bzw. noch einmal versucht, das Unternehmen von einer Mitarbeit am Projekt zu überzeugen. Eine Auflistung der häufigsten Gründe für die Nichtteilnahme von eingeladenen Betrieben befindet sich im Kapitel Die Primärerhebung fand in den Monaten April bis Oktober 2012 statt. Da die Rücklaufquote bei den Online- bzw. Kurzfragebögen teilweise gering war wurden die meisten Daten während persönlichen Besuchen bei den Betrieben vor Ort erhoben. Wie erwartet bestand bei den meisten Unternehmen eine merkbare Zurückhaltung bei der Herausgabe von betriebsspezifischen Daten. Gründe dafür werden im Folgenden genauer behandelt. Ansprechpartner finden In vielen Fällen konnten Ansprechpartner nur mittels einer telefonischen Kontaktaufnahme in den Betrieben herausgefunden werden. Als zuständige Kontaktpersonen wurden meist Mitarbeiter aus den Bereichen Energie, Umwelt, Technik und Instandhaltung ausfindig gemacht. Unvollständig ausgefüllte Fragebögen (geringe Rücklaufquote) Trotz mehrmaliger Erinnerung durch das Projektteams, per und telefonisch, haben die einige Unternehmen den Onlinefragebogen bzw. Kurzfragebögen nicht ausgefüllt. Die Gründe dafür sind vielfältig. Personalmangel in KMU s Fragebogen ausfüllen ist zu zeitaufwändig, weil zu umfangreich großer Aufwand für kleine Betriebe die geforderten Daten zu erheben Seite 22

23 dem Aufwand steht kein unmittelbarer Nutzen für die Unternehmen gegenüber im Unternehmen findet sich niemand, der sich für das Ausfüllen des Fragebogens zuständig fühlt Unternehmen haben, wegen zu geringem Energiekostenanteil an den Gesamtkosten, kein Interesse sich mit dem Thema zu beschäftigen Unternehmen, die den Onlinefragebogen lückenhaft ausgefüllt haben, wurden vom Projektteam telefonisch kontaktiert um einen Termin für ein persönliches Gespräch zu vereinbaren. 3.3 Bereitschaft der Betriebe am Projekt teilzunehmen Die Erfahrung dieser Studie lässt den Schluss zu, dass die Betriebe, die sich mit der Thematik der Abwärmenutzung schon eingehend beschäftigt haben gerne zu einer Zusammenarbeit bereit sind. Im Kapitel werden Begründungen von Betrieben angeführt, die nicht zur Zusammenarbeit im Rahmen dieses Projektes bereit waren, bzw. nicht zu einer Zusammenarbeit bewogen werden konnten. Zuvor wird im folgenden Unterkapitel ein aktuelles Vorzeigebeispiel von gelungener Abwärmenutzung in der Steiermark kurz vorgestellt Best-Practise-Beispiel: Fernwärmeauskopplung aus der betrieblichen Abwärme eines steirischen Industriebetriebes Die Heinzel Pulp Zellstoff Pöls AG produziert in Pöls Zellstoff und Papier und versorgt seit Dezember Haushalte im Aichfeld mit Fernwärme aus Abwärme. Die Investitionskosten des Projektes betrugen 18Mio. Dazu wurden 18km Fernwärmeleitungen in nur 6-monatiger Bauzeit verlegt. Die Leistung des Fernwärmenetzes beträgt 30MW, was einem Drittel der derzeitigen steirischen Fernwärme aus Abwärme entspricht, und ermöglicht eine jährliche CO2-Reduktionen von t. [Q2 der Wärmevorteil aus Pöls] Abbildung 3-4: Übersicht über das Aichfelder Fernwärmenetz [Q2 der Wärmevorteil aus Pöls] Seite 23

24 Aus Abbildung 3-4 ist ersichtlich, dass der Industriebetrieb neben einigen Betrieben in der Region Judenburg und Zeltweg in Zukunft auch Fohnsdorf mit Fernwärme versorgen wird. Das Biomassefernheizwerk wurde als Partner für das Projekt gewonnen und deckt Spitzenlasten im Winter ab. Für den Fall eines Produktionsausfalls in Pöls deckt die Kelag Wärme in Judenburg gemeinsam mit dem Biomassefernheizwerk in Zeltweg den Wärmebedarf ab. [Q2 der Wärmevorteil aus Pöls] Gründe für die Nichtteilnahme an der Erhebung Im Folgenden werden die am häufigsten genannten Gründe für die Verweigerung der Zusammenarbeit an dieser Studie angeführt. Betrieb zeigte keine Bereitschaft bzw. kein Interesse firmenspezifische (=sensible) Daten an Externe weiterzugeben. Der Energieeffizienzgesetzesentwurf des Bundes, der größeren Industriebetrieben eine verpflichtende Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen vorschreibt, wenn diese sich betriebswirtschaftlich innerhalb von 5 Jahren amortisieren. Die Unternehmen fürchten in diesem Zusammenhang, dass die übergebenen Daten für ein verpflichtendes Vorschreiben von Maßnahmen verwendet werden. Unzureichende Erfassung des Energieverbrauchs im Unternehmen veranlassen Betriebe vorsichtshalber nicht an der Studie teilzunehmen, damit Ihnen keine neuen Arbeiten auferlegt werden. Energiekosten stellen in den meisten steirischen Industriebetrieben heute nur einen einstelligen Prozentsatz Ihrer Gesamtkosten dar. Daher wird Abwärmenutzung und Energieeffizienz nicht notwendigerweise mit hoher Priorität verfolgt. Aufgrund der aktuell niedrigen Energiepreise zahlen sich Energieeffizienzmaßnahmen, wie die betriebsinterne Nutzung von Abwärmeströmen, oder der Wärmeverkauf, seltener aus als noch zu den wirtschaftlichen Boom-Zeiten im Jahr Man erwartet daher keinen betriebswirtschaftlichen Nutzen aus der Beschäftigung mit Energiefragen. Viele steirische Industriebetriebe gaben an, keine Zeit zu haben, sich mit dem Fragebogen auseinanderzusetzen, bzw. sich auf ein persönliches Gespräch vorzubereiten. 3.4 Sekundärerhebung Für die Sekundärerhebung werden bereits in der Literatur existierende Studien zur internen oder externen Nutzung von Abwärme analysiert Literaturvergleich Abwärmepotenziale Im Rahmen des Literaturvergleichs werden die Ergebnisse vorhandener Potenzialstudien zur Abwärmenutzung innerhalb und außerhalb Österreichs kurz beschrieben, um Vergleiche zu den Berechnungen im Rahmen des Projektes tätigen zu können und um Einblick in die Potenziale anderer Regionen bzw. Ländern zu erhalten. Seite 24

25 Im Zuge der Literaturrecherche wurden zahlreiche Studien gefunden, die sich jedoch weniger mit einer Potenzialabschätzung als vielmehr mit einer Beschreibung möglicher Abwärmenutzungstechnologien, der Erstellung von Checklisten zur Erstabschätzung von Potenzialen im Betrieb und der Beschreibung von Best-Practice-Beispielen befassen. Für Bayern [Energieatlas Bayern, 2012], und Sachsen [Abwärmeatlas-Sachsen, 2012] bestehen Abwärmeatlanten, wobei die Potenziale für Bayern und Sachsen online in eine interaktive Karte mit Detailinformationen vom Betrieb selbst eingetragen werden können. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Studien für die Stadt Graz und Umgebung, der Stadt Wien, des Landes Oberösterreich und von drei Studien außerhalb Österreichs (Norwegen, Deutschland, USA) kurz beschrieben. In der im Anschluss folgenden Tabelle 3-16 sind die Ergebnisse bestehender Studien zu Abwärmepotenzialen dargestellt. Das Abwärmepotenzial der Industriebetriebe der Stadt Wien wird auf MWh pro Jahr oder 3 % des Industriewärmebedarfes geschätzt. Die Studie wurde im Jahr 2008 im Auftrag der MA 27 durchgeführt und mittels Auswertung statistischer Daten zu Abwärmenutzungen und durch Firmenbesuche und interviews berechnet [MA 27, 2008, S. 1]. Graz und seine Umlandgemeinden weisen ein Abwärmepotenzial von circa 180 GWh pro Jahr auf, wobei das größte Potenzial auf einem Temperaturniveau unter 40 C vorhanden ist [Brunner et al., o.j.b, S. 5]. Die erforderlichen Daten wurden mittels Fragebogen erhoben, insgesamt wurden Daten von 44 Unternehmen verschiedenster Branchen zur Berechnung herangezogen. Anzumerken ist, dass das Ergebnis ungenutzte Abwärme der befragten Unternehmen darstellt, es wurde keine Hochrechnung durchgeführt. Die oberösterreichische Studie ist öffentlich nicht zugänglich. In einer Pressemitteilung wird bekannt gegeben, dass MW an Abwärme in oberösterreichischen Industrien verfügbar sind, der Großteil davon wird auf einem Temperaturniveau von rund 30 C als (Kühl-)Wasser an die Umgebung abgegeben [Anschober, 2008]. Die norwegische Studie aus dem Jahr 2009 stellt eine sehr umfangreiche Potenzialstudie dar. Der Großteil der Abwärme fällt auf einem Temperaturniveau größer 140 C in den in der Tabelle ersichtlichen Branchen an. Es wird auch das Abwärmepotenzial für die Lebensmittelindustrie mit 1 GWh, beziehungsweise einem Anteil von 0,2 % am Wärmebedarf der Lebensmittelbetriebe abgeschätzt [Enova, 2009]. Im Jahr 2004 wurde im Auftrag des U.S. Department of Energy ebenfalls eine sehr detaillierte Studie erstellt der die verschiedene Effizienztechnologien für die jeweiligen Branchen in Betracht zieht. Als Branchen, die für die Nutzung von Abwärme geeignet sind, wurden die chemische Industrie, die Holzindustrie und Erdölraffinerien ausgewählt [Energetics Inc. & E3M Inc., 2004, S. 140]. Die deutsche Studie aus dem Jahr 2010 folgt der Methodik der zuvor genannten amerikanischen und der norwegischen Studie. Daraus lässt sich ein Abwärmepotenzial über 140 C von GWh für ausgewählte Branchen der deutschen Industrie ableiten [Pehnt et al., 2010, S ]. Seite 25

26 Tabelle 3-16: Vergleich Abwärmepotenzial [nach Daten von Anschober, 2008; Brunner et al., o.j.b, S. 5; Energetics Inc. & E3M Inc., 2004, S. 140; Enova, 2009; MA 27, 2008, S ; Pehnt et al., 2010, S. 20] Abwärmepotenzial in GWh/a Wärmebedarf in GWh/a Anteil in % Studie Wien Gesamt % Studie Graz und Umgebung % % > % Gesamt % Studie Oberösterreich Gesamt k.a. Norwegische Studie (> 140 C) Zement ,9% Eisenlegierungen ,5% übrige Industrie ,7% Chemie ,0% Abfallverbrennung ,6% Holzveredelung ,5% Aluminium ,3% Nahrungsmittel ,2% Studie Deutschland (> 140 C) Gesamt ,9% DOE Studie Chemie ,9% Erdölraffinerien ,2% Holzprodukte ,9% Diese Übersicht über die Abwärmepotenziale bisheriger Studien wird in der Zusammenfassung in Kapitel 8 mit den Ergebnissen dieser Studie verglichen Interne Abwärmenutzungen In diesem Kapitel werden verschiedene Technologien angeführt mit denen Abwärme intern genutzt werden kann. Folgende Hauptfaktoren sind zu berücksichtigen, wenn ein Unternehmen plant seine Abwärme betriebsintern zu nutzen: die zeitliche Verfügbarkeit, das Medium des Abwärmestromes und die Temperaturniveaus. Da die Temperatur das entscheidende Kriterium der Abwärmenutzung ist, werden die Technologien der Abwärmenutzung kategorisiert nach Temperaturniveaus aufgezeigt. Dabei werden Technologien zur Nutzung im Prozess (oder in einem anderen Prozess) betrachtet (Wärmetauscher) und Technologien zur Kälte- und Stromerzeugung sowie Wärmepumpen. Seite 26

27 Die im Rahmen der Primärerhebung aufgedeckten ungenutzten Abwärmeströme wurden im Rahmen der Studie mittels der eigens entwickelten Technologiematrix auf Ihre mögliche Nutzbarkeit analysiert. Anhand der Auswertung der Daten erfolgte die Ermittlung der wirtschaftlichen und umsetzbaren Potenziale. Einsatzmöglichkeiten von innerbetrieblichen Abwärmenutzungen Industrielle Abwärme kann für verschiedenste Verwendungszwecke eingesetzt werden, beispielsweise zur Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme, Brauchwarmwasser bzw. zur Erzeugung von Kälte und Erzeugung von Strom. Abbildung 3-5: Möglichkeiten zur internen Abwärmenutzung [beispielhaft in Anlehnung an LfU, 2012, S.14-26] Abbildung 3-5: zeigt interne Nutzungsmöglichkeiten industrieller Abwärme. Im folgenden Abschnitt werden die wesentlichen Technologien kurz beschrieben. Wärmetauscher Mit Hilfe von Wärmetauschern kann Wärme direkt übertragen werden. Wärmetauscher werden zur Erwärmung oder zur Kühlung von Prozessströmen verwendet. Dazu wird die Wärme aufgrund des Temperaturunterschiedes von einem Wärmeträgermedium (heißer Stoffstrom) auf ein wärmeaufnehmendes Medium Seite 27

28 (kalter Stoffstrom) übertragen [Pehnt, 2010, S. 294; Werschy, 2010, S. 19]]. Zur Wärmeübertragung werden vor allem Luft, Gase, Wasser, Dampf und Thermoöl verwendet [LfU, 2012, S ]]. Grundsätzlich wird zwischen zwei Bauformen unterschieden: rekuperativ und regenerativ. Bei rekuperativen Wärmetauschern werden das wärmeübertragende Medium und das zu erwärmende Medium baulich getrennt geführt. Der Wärmeübertrag kann mittels Gegenstrom-, Gleichstrom- und Kreuzstromwärmetauschern erfolgen. Wie in Abbildung 3-6 ersichtlich, fließen bei Gegenstromwärmetauschern die beiden Medien in entgegengesetzter Richtung wodurch hohe Wirkungsgrade erreicht werden können, bei Gleichstromwärmetauschern verlaufen sie parallel zu einander. Kreuzstromwärmetauscher stellen eine Mischung der beiden Konzepte dar, da hier die Stoffströme im rechten Winkel zueinander fließen. Abbildung 3-6: Prinzip des Gegen-, Gleich- und Kreuzstromwärmetauschers (in Anlehnung an Pehnt, 2010, S.295] Rekuperatoren lassen sich sowohl als Luft/Luft-, Luft/Wasser-, als auch Wasser/Wasser-Wärmetauscher realisieren. Es sind zudem zahlreiche Bauformen am Markt verfügbar. Klassifiziert werden die Baumformen nach Platten-, Rohrbündel- Doppelrohr- und Spiralwärmeübertrager [Christen, 2010, S. 253]]. In der Industrie werden als Luft/Wasser-Ausführung hauptsächlich Economiser verwendet [Ammar et al., 2012, S. 5]]. Damit das saure Kondensat, welches durch die Kühlung des Rauchgases entsteht, die Wärmetauscherflächen nicht angreift, werden meist die Materialien Edelstahl, Glas oder Teflon eingesetzt [BSC Inc., 2008, S. 19]]. Werden solche Wärmetauscher eingesetzt, ist zu beachten, dass auch der Kamin als Edelstahlkamin ausgeführt sein muss. Rekuperative Wärmetauscher sind in vielen Industriebereichen zu finden und werden seit Jahrzehnten verwendet [Berger et al., 2005, S. 21]. Bei regenerativen Wärmetauschern werden geringfügig auch Ströme vermischt bzw. Feuchtigkeit ausgetauscht. Der Wärmeübertrag kann mittels Speichermedien erfolgen, die feststehend periodisch be- und entladen werden oder periodisch zwischen den Medien in Bewegung sind [Pehnt, 2010, S. 296]. Zu den rekuperativen Wärmetauschern zählt der Rotationswärmetauscher. [Berger et al., 2005, S ; Brunner & Kyburz, 1993, S ] In Abbildung 3-7 ist das Prinzip eines Rotationswärmetauschers dargestellt. Der Rotationswärmetauscher stellt ein Wärmetauscherrad dar, welches aus einer Richtung von warmer Luft und aus der anderen Richtung von kalter Luft durchströmt wird. Durch die rotierende Speichermasse kann sowohl ein Wärme- als auch Seite 28

29 Stoffaustausch (Feuchtigkeitsaustausch) erfolgen, wodurch die latente Wärme genutzt wird. Dadurch ist eine hohe Wärmerückgewinnung möglich [Pehnt, 2010, S. 296; Brunner & Kyburz, 1993, S. 11; Berger et al., 2005, S ]. Anwendung findet der Rotationswärmetauscher vor allem zur Wärmerückgewinnung in raumlufttechnischen Anlagen, in prozesslufttechnischen Anlagen beispielsweise zur Verbrennungsluftvorwärmung und bei Hallenlüftungen [Brunner & Kyburz, 1993, S. 12; Berger et al., 2005, S. 22]. Abbildung 3-7: Prinzip des Rotationswärmetauschers [in Anlehnung an LfU, 2012, S.34] In Abbildung 3-8 ist das Prinzip eines Wärmerohres ersichtlich. Das Wärmerohr stellt einen hermetisch verschlossenen Behälter dar, der unter Unterdruck steht. Durch Wärmezufuhr wird ein Wärmeträger verdampft, entzieht der Umgebung somit Wärme und strömt durch freie Konvektion in den Bereich geringerer Temperatur. In dieser Kaltzone kondensiert der Dampf und gibt die zuvor aufgenommene Verdampfungswärme ab. Durch Gravitation oder Kapillarkräfte wird das Kondensat wieder in die Heizzone zurücktransportiert, womit sich der Wärmeübertragungskreislauf schließt. Als Wärmeträger können bis zu einem Temperaturbereich von 100 C Ammoniak, Pentane, Propan, Methanol, Ethanol, Heptan und Wasser eingesetzt werden [Christen, 2010, S ; Reay & Kew, 2007, S. 109]. Zu den Kryogenen zählen unter anderem Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Helium und Flüssigerdgas [Ammar et al., 2012, S. 7]. Anwendung finden Wärmerohre unter anderem zur Wärmerückgewinnung bei der Gebäudelüftung und in Kraftwerken und bei der Kühlung von elektronischen Komponenten [Christen, 2010, S. 257; Berger et al., 2005, S. 24]. Abbildung 3-8: Prinzip eines Wärmerohrs [in Anlehnung an Berger et al., 2005, S.23; Christen, 2010, S.256 Wärmepumpe Wärmepumpen stellen eine indirekte Form der Wärmenutzung dar [LfU, 2012, S. 29]. Mittels Wärmepumpen kann Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau durch Zufuhr Seite 29

30 von hochwertiger Energie auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden [Pehnt, 2010, S. 302]. Wärmepumpen spielen vor allem bei der Nutzung von Niedertemperatur eine Rolle, da Abwärme auf einem Temperaturniveau bis 50 C weder für die Kälte- und Stromerzeugung, noch für die Einspeisung in ein Fernwärmenetz verwendet werden kann [Brandstätter & Land Oberösterreich, 2008, S. 28]. Mittels Wärmepumpen ist es möglich, eine Abwärmequelle auf einem niedrigen Temperaturniveau auf 50 bis 90 C, in manchen Fällen bis 120 C zu erwärmen [Heppenstall, 1994, S. 100]. Trotzdem werden Wärmepumpen in der Industrie kaum eingesetzt, da die Abgabetemperatur meist zu gering ist, die Leistung stark von der Temperaturdifferenz der zugeführten und abgegebenen Wärmemenge abhängt und die Kapitalkosten hoch sind [Heppenstall, 1994, S ]. In Abbildung 3-9 ist das Funktionsprinzip einer Kompressionswärmepumpe dargestellt. Abbildung 3-9: Prinzip einer Wärmepumpe [in Anlehnung an European Commission, 2009, S. 168; LfU, 2012, S. 30] Der Abwärme wird im Verdampfer durch ein Kältemittel, das bereits bei geringem Druck und geringer Temperatur verdampft, Wärme entzogen. Das Kältemittel hat eine niedrigere Temperatur als die Abwärmequelle, wodurch die Wärme zum Kältemittel fließen kann. Der größte Teil der Wärme wird dabei als Verdampfungsenthalpie im Kältemittel gespeichert. Im Verdichter wird das nun gasförmige Kältemittel auf hohen Druck gebracht und dadurch stark erwärmt. Zum Antrieb des Verdichters kommen elektrische Motoren, Verbrennungsmotoren, Turbinen oder im Fall von Adsorptionswärmepumpen eine Wärmequelle in Frage [European Commission, 2009, S. 168]. Auch vom Verdichter geleistete Antriebsenergie wird vom Kältemittel aufgenommen und gespeichert. Im Verflüssiger gibt das Kältemittel die zuvor aufgenommene Wärme als Nutzwärme auf einem höheren Temperaturniveau wieder ab. Das Expansionsventil dient zur Entspannung und Abkühlung des Kältemittels. Mit geringem Druck und geringer Temperatur kann es anschließend erneut Wärme im Verdampfer aufnehmen [European Commission, 2009, S. 168; Pehnt, 2010, S. 302; Lambauer et al., 2008, S. 7]. Als Abwärmequellen werden im Industriebereich unter anderem Kühlwässer, Abwässer und Kondenswässer verwendet [IEA Heat Pump Centre, 2012]. Industrielle Einsatzbereiche von Wärmepumpen umfassen unter anderem die Bereitstellung von Raumwärme, Warmwasser, Dampf, die Erwärmung von Seite 30

31 Prozessströmen, Trocknungs-, Verdampfungs- und Entwässerungsprozesse und Destillation [European Commission, 2009, S. 172]. Neben der häufig verwendeten Kompressionswärmepumpe werden in der Industrie auch Absorptionswärmepumpen und thermische Brüdenverdichter eingesetzt. Sorptionswärmepumpen benötigen weniger elektrische Energie für den Betrieb der Pumpen als Kompressionswärmepumpen für den Antrieb des Verdichters, da die benötigte Energie um eine Flüssigkeit zu pumpen niedriger ist, als Gas zu verdichten und zu transportieren [European Commission, 2009, S. 169; Ammar et al., 2012, S. 12]. Die Absorptionswärmepumpe unterscheidet sich von der Kompressionswärmepumpe lediglich durch den Verdichter und damit durch die Form der Antriebsenergie. Der Verdichter der Absorptionswärmepumpe stellt einen Lösungsmittelkreislauf dar, der wiederum aus einem Absorber, Austreiber, Drosselventil und einer Pumpe besteht. Der Antrieb erfolgt hauptsächlich durch thermische Energie. Als Lösungsmittel werden vor allem die Arbeitsstoffpaare Ammoniak/Wasser und Wasser/Lithium-Bromid verwendet [Lambauer et al., 2008, S. 8; European Commission, 2009, S ]. Ein wirtschaftlicher Vorteil bei der Absorptionswärmepumpe ist, dass die für den Austreiber benötigte Wärme durch Abwärme bereitgestellt werden kann, wo hingegen Kompressionswärmepumpen Strom zum Antrieb des Verdichters benötigen [European Commission, 2009, S. 169; Ammar et al., 2012, S. 12]. Zur Optimierung von Wärmepumpen wurden verschiedene mehrstufige Prozesse entwickelt, da der Wirkungsgrad und die Leistung der Anlage stark vom Temperaturunterschied zwischen dem zugeführten und abgeführten Wärmestrom abhängen. Außerdem spielt die Wahl des Arbeitsmediums eine große Rolle. In Ammar et al. [2012, S. 12] wird CO 2 als vielversprechendes Arbeitsmedium für Wärmepumpen genannt. Kälteerzeugung Grundsätzlich bestehen zwei verschiedene Systeme, um mittels thermischen Antriebs (z.b. industrielle Abwärme) Kälte zu erzeugen. Man unterscheidet Kaltdampf- und Kaltgasprozesse. Ab- und Adsorptionskältemaschinen stellen gleich wie Kompressionskältemaschinen einen Kaltdampfprozess (Verdampfen des Kältemittels) dar. Bei sorptionsgestützten Anlagen zur Klimatisierung von Gebäuden (DEC, Desiccative and Evaporative Cooling) wird der Kühlungseffekt hingegen durch Verdunstung des Kältemittels erreicht [Wosnitza & Hilgers, 2012, S. 302]. Zu den Kaltgaskältemaschinen mit thermischem Antrieb wird der Vuillenmierprozess gezählt. Kaltsgaskältemaschinen verwenden Gase, vor allem Luft, als Kältemittel und unterschieden sich anlagentechnisch nur durch eine Expansionsmaschine (anstelle eines Drosselventils) von Kaltdampfmaschinen [Simader & Rakos, 2005, S. 2; Recknagel et al., 2008, S. 1531]. In diesem Kapitel wird die Funktionsweise von Abund Adsorptionsanlagen und dem Dampfstrahlprozess dargestellt. Vor allem im Sommer, wo üblicherweise ein Wärmeüberschuss und ein Kältebedarf bestehen, bieten sich Sorptionskältemaschinen als Wärmesenken an (Hesselbach, 2012, S. 248; Simader & Rakos, 2005, S. 15]. Die Antriebsenergie wird mittels Wärmeenergie bereitgestellt, wobei Absorptionsanlagen ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau mit 85 bis 180 C benötigen, bei Adsorptionsanlagen kann thermische Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 55 und 95 C und bei DEC-Anlagen Wärmeenergie in einem Temperaturbereich zwischen 50 und 100 C verwendet werden. Vor allem Adsorptionskältemaschinen und DEC-Anlagen eignen sich deshalb besonders für die Nutzung von Niedertemperaturabwärme [Wosnitza & Seite 31

32 Hilgers, 2012, S. 302; Hesselbach, 2012, S. 223; Saha et al., 2003, S. 750]. Allerdings ist anzumerken, dass Adsorptionsanlagen im Vergleich zu Absorptionsanlagen ein geringeres Wärmeverhältnis aufweisen [Hesselbach, 2012, S. 223]. Absorptionskältemaschinen funktionieren nach dem gleichen thermodynamischen Prinzip wie eine Absorptionswärmepumpe. Wie in Abbildung 3-10 dargestellt, stellen die Hauptkomponenten des Systems Verdampfer, Verflüssiger, Austreiber, Absorber, Drosselventil und Lösungsmittelpumpe dar. Abbildung 3-10: Prinzip einer Absorptionskältemaschine [in Anlehnung an Grote & Feldhusen, 2011, S. M2] Im Verflüssiger wird der Kältemitteldampf niedergeschlagen, wobei Kondensationswärme an Kühlwasser bzw. Kühlluft abgegeben wird. Das nun in flüssiger Form vorliegende Kältemittel wird über ein Drosselventil entspannt und in den Verdampfer geführt. Im Verdampfer wird das Kältemittel verdampft, wodurch dem zu kühlenden Medium Wärme entzogen wird. Danach gelangt das Kältemittel in den thermischen Verdichter. Das nun gasförmige Kältemittel wird im Absorber bei niedrigem Verdampfungsdruck vom Lösungsmittel absorbiert. Durch die Absorption entsteht Lösungswärme, die mittels Kühlwasser abgeführt werden muss. Das Kältemittel-Lösungsmittel-Gemisch wird anschließend über die Lösungsmittelpumpe auf die Hochdruckseite in den Austreiber (Generator) gepumpt, wo eine Desorption stattfindet, d.h. das Kältemittel wird aus dem Lösungsmittel durch Erwärmen mittels Dampf, Brenngas oder Warmwasser ausgetrieben. Anschließend gelangt der Kältemitteldampf wieder in den Verflüssiger, das Lösungsmittel wird über ein Drosselventil entspannt und in den Absorber zurückgeführt [Recknagel et al., 2008, S. 1532; Grote & Feldhusen, 2011, S. M2; Hesselbach, 2012, S. 222]. Als Arbeitsstoffpaar wird bei Absorptionskälteanlagen meist Ammoniak/Wasser (NH 3 /H 2 O) und in klimatechnischen Anlagen meist Wasser/Lithium-Bromid (H 2 O/LiBr) verwendet, wobei Lithium-Bromid ein Salz mit Eigenschaften ähnlich von Kochsalz ist. Im ersten Fall ist Ammoniak das Kältemittel und Wasser das Lösungsmittel, im zweiten Fall ist Wasser das Kältemittel und Lithium-Bromid das Lösungsmittel [Baumgarth et al., 2011, S ; Grote & Feldhusen, 2011, S. M2; Hörner & Schmidt, 2011, S. 396]. Seite 32

33 Adsorptionskältemaschinen funktionieren ähnlich wie Absorptionsmaschinen, allerdings wird hier der Kältemitteldampf an einen festen Stoff (Adsorbens) angelagert, der fest in den Wärmetauscher angebracht ist. Als Kältemittel wird Wasser oder Methanol verwendet, als Sorptionsmittel kommen unter anderem Aktivkohle, Kalziumchlorid oder Silicagel in Frage [Hörner & Schmidt, 2011, S. 398; Wosnitza & Hilgers, 2012, S ; Saha et al., 2003, S.750; Wu & Wang, 2006, S. 472]. Hauptkomponenten einer Adsorptionskältemaschine sind Verdampfer, Kondensator, Desorber (Austreiber) und Adsorber (Sammler). Die Komponenten befinden sich in einem unter Vakuum stehenden Behälter und sind über Ventile miteinander verbunden [Recknagel et al., 2008, S. 1535; Wosnitza & Hilgers, 2012, S. 309; Simader & Rakos, 2005, S. 14]. Abbildung 3-11: Prinzip einer Adsorptionskältemaschine [in Anlehnung an Simader & Rakos, 2005, S. 14] In Abbildung 3-11 ist der prinzipielle Aufbau einer Adsorptionskältemaschine dargestellt. Da im Gegensatz zur Absorptionskältemaschine nur das Kältemittel und nicht das Sorptionsmittel umgewälzt werden kann, stellt die Adsorptionskältemaschine ein diskontinuierliches System dar. Beim Betrieb der Kältemaschine laufen die zwei Prozesse Adsorption und Desorption getrennt voneinander ab. Bei der Adsorption verdampft das Kältemittel bei niedrigem Verdampfungsdruck durch Wärmezufuhr im Verdampfer und nimmt dabei Verdampfungswärme aus dem Kaltwasser, welches durch Kupferrohre fließt, auf. Wenn das Kältemittel schließlich einen bestimmten Überdruck erreicht hat, strömt es über das Drosselventil in die Adsorberkammer. Die Temperatur und der Druck im Sorptionsmittel werden abgesenkt, wodurch der Kältemitteldampf vom Sorptionsmittel an der Oberfläche adsorbiert werden kann. Die dabei entstehende Adsorptionswärme muss aus dem Sorptionsmedium abgeführt werden, d.h. es muss eine Kühlung des Sorptionsmittels mit Kühlwasser über den Wärmetauscher stattfinden. Parallel dazu wird bei der Desorption dem Sorptionsmittel über einen Wärmetauscher Heizwärme zugeführt, wodurch sich der Druck erhöht und das Kältemittel aus dem Sorptionsmittel ausgetrieben werden kann. Der ausgetriebene Kältemitteldampf strömt anschließend über ein Drosselventil in den Kondensator. In den Wärmetauscherrohren des Kondensators fließt Kühlwasser, dadurch wird der Kältemitteldampf verflüssigt und gibt Kondensationswärme ab, die abgeführt werden muss. Im Gegensatz zu Kompressionskältemaschinen sind prozessbedingte Schwankungen und instationäre Temperaturverläufe in Kauf zu nehmen [Hörner & Seite 33

34 Schmidt, 2011, S. 398; Recknagel et al., 2008, S ; Wosnitza & Hilgers, 2012, S ]. Ein Vorteil von Adsorptionskältemaschinen ist, dass die Möglichkeit zur Nutzung geringer Austreibertemperaturen besteht [Hörner & Schmidt, 2011, S. 398]. Bei dem Dampfstrahlkälteprozess wird anstelle des thermischen Verdichters ein Strahlverdichter eingesetzt. Der Prozess besteht aus einem Wärmekraft- und einem Kälteprozess mit einem Treibmittel- und einem Kältemittelkreislauf. Vorteil dieses Systems ist, dass sowohl für das Kälte- als auch das Treibmittel Wasser eingesetzt werden kann. Zu den Hauptkomponenten zählen Dampfstrahlverdichter, Mischkondensator und Diffusor (Verdampfer). In der nachfolgenden Abbildung 3-12 ist das Prinzip des Dampfstrahlkälteprozesses dargestellt [Fraunhofer Umsicht, 2004]. Abbildung 3-12: Prinzip einer Dampfstrahlkältemaschine [in Anlehnung an Fraunhofer Umsicht, 2004] Durch Treibdampf, der aus Düsen strömt, wird Dampf aus dem Verdampfer angesaugt. Der dabei entstehende Mischdampf wir im Dampfstrahlverdichter in potenzielle Energie (Druckhöhe) umgewandelt und in den Kondensator eingebracht. Das dabei anfallende Kondensat wird sowohl in den Verdampfer als auch in den Kessel eingebracht. Im Verdampfer wird Kaltwasser versprüht, wobei ein Teil durch Verdampfung auf Austrittstemperatur rückgekühlt wird. Auf Grund des hohen Vakuums müssen mehrstufige Ejektoren zur Entlüftung eingebaut werden. Die Dampfstrahlkältemaschine stellt eine Strömungsverdichtung mit Wärme als Antriebsenergie dar [Recknagel et al., 2008, S. 1539; Fraunhofer Umsicht, 2004]. Stromerzeugung Industrielle Abwärme kann auch in elektrische Energie umgewandelt werden. Zu den Technologien, die eine Stromerzeugung aus Abwärme auf einem niedrigen Temperaturniveau ermöglichen, zählen der ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle), Varianten des Rankine-Prozesses [Kalina, Maloney & Robertson und Goswami], Stirlingmotoren und Oszillatoren. ORC-Anlagen basieren auf dem Dampfturbinenprozess, jedoch wird anstelle von Wasserdampf ein organisches Arbeitsmittel mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur eingesetzt [Schmitz & Schaumann, 2005, S. 212; Watter, 2009, S.256; Seite 34

35 Vetter, 2011, S. 8]. Die nachfolgende Abbildung 3-13 stellt einen ORC-Prozess schematisch dar. Abbildung 3-13: Prinzip einer ORC-Anlage [Brandstätter & Land Oberösterreich, 2008, S. 23] Das organische Arbeitsmedium wird in einer Turbine entspannt, dabei wird ein Generator angetrieben und Strom erzeugt. Über einen Wärmetauscher gelangt das Arbeitsmedium in den Kondensator, wo es kondensiert und abkühlt. Danach wird der Druck über eine Pumpe erhöht. Bevor das Arbeitsmedium anschließend durch die Abwärmequelle erwärmt, verdampft und überhitzt wird, wird es über einen Wärmetauscher geführt und vorgewärmt [Brandstätter & Land Oberösterreich, 2008, S ; Crastan, 2009, S. 272]. Es ist anzumerken, dass die Abwärmequelle direkt zur Verdampfung des Arbeitsmediums genutzt oder über einen Thermoölkreislauf geschaltet werden kann [Tchanche et al., 2011, S. 3973; Quoilin et al., 2011, S. 2886]. Um eine möglichst effizienten Betrieb zu ermöglichen ist bei dem Einsatz einer ORC- Anlage zu beachten, dass die Restwärme durch Kaskadennutzung oder Rückkühlwerke auf möglichst niedrigem Temperaturniveau abgegeben, ein geeignetes Arbeitsmedium eingesetzt und das Temperaturprofil der Wärmequelle und senke optimiert wird. Zusätzlich hat das Temperaturniveau der Abwärme zur Verdampfung des Arbeitsmittels einen starken Einfluss auf den Wirkungsgrad der Anlage und auf das Design der Wärmetauscher [Tchanche et al., 2011, S. 3972; Brandstätter & Land Oberösterreich, 2008, S ; BCS Inc., 2008, S. 26; LfU, 2012, S. 31; Pehnt, 2010, S. 302; Markides, 2012, S. 11]. In Quoilin et al. [2011, S. 2887] werden verschiedene Arbeitsmedien für ORC- Anlagen anhand bestehender Literatur klassifiziert. Zu den Arbeitsmedien, die laut Literatur für die Abwärmenutzung geeignet sind, zählen vor allem folgende Kohlenwasserstoffe und Kältemittel: R11, R113, R114, R123, R134a, R236ea, R365mfc, R141b, R245ca, R245fa, R600a, HFE7100 Isopentan, n-pentan, Heptan, Butan, Isobutan, Ammoniak, Wasser, Alkane, Benzol, Toluol und p-xylol. Die Kondensationstemperatur variiert von 25 bis 50 C, die Verdampfungstemperatur reicht von 60 bis 220 C. In Saleh et al. [2005, S. 1220] werden R143a und R152a als geeignetste Arbeitsmittel empfohlen. Seite 35

36 Zu weiteren Möglichkeiten, Abwärme zur Stromerzeugung zu nutzen, zählen der Kalina-Prozess, der Maloney & Robertson-Prozess und der Goswami-Prozess. Alle drei Prozesse basieren auf dem Rankine-Kreislauf, im Gegensatz zu ORC-Anlagen wird als Arbeitsmedium jedoch kein einzelnes Arbeitsmedium, sondern ein Wasser- Ammoniakgemisch verwendet [BCS Inc., 2008, S. 27; Ammar et al. 2012, S. 10; Galanis et al. 2009, S. 59]. Den bekanntesten Prozess stellt der Kalina-Prozess dar, für den im Vergleich zum ORC- oder Dampfturbinenprozess höhere Wirkungsgrade angegeben werden. Dies kann durch Temperaturveränderungen bei der Verdampfung des Wasser-Ammoniakgemisches erklärt werden [Ammar et al., 2012, S. 11]. In Galanis et al. [2009, S. 59] wird eine Studie zitiert, wonach bei einem festgelegten Verhältnis der Wärmekapazität der Wärmequelle und senke bei Einsatz von großen Verdampfern der Kalina-Prozess zu bevorzugen ist und bei kleinen Verdampfern der Maloney & Robertson-Prozess mehr Strom erzeugt. Der Goswami-Prozess wiederum stellt eine Kombination aus dem Rankine-Kreislauf und dem Absorptionskälteprozess dar. Vorteil dieses Prozesses ist, dass das Temperaturniveau der Abwärme des Prozesses durch den Kühlkreislauf sehr niedrig ist, somit kann der Wirkungsgrad zusätzlich erhöht werden [Galanis et al., 2009, S. 60]. Sowohl bei (ORC)-Rankine-Prozessen als auch beim Kalina-Prozess wird an Optimierungsmöglichkeiten geforscht, um den Wirkungsgrad der Anlagen zu erhöhen. Eine Möglichkeit, die Effizienz des Prozesses zu erhöhen liegt in der Wahl des Arbeitsmediums, wie bereits zuvor besprochen. Heberle et al. [2009, S. 4] stellten jedoch fest, dass bei einer Wärmequellentemperatur unter 120 C das Arbeitsmedium einen geringen Einfluss auf den elektrischen Wirkungsgrad hat. Eine weitere Möglichkeit zur Effizienzsteigerung bietet die zweistufige Entspannung, wobei eine Effizienzsteigerung bis zu 27 % möglich ist [Heberle et al., 2009, S. 6]. Auch bei einer trans- bzw. überkritischen Fahrweise können Effizienzsteigerungen realisiert werden. Bei dem transkritischen Prozess wird das Arbeitsmittel bei unterkritischem Druck verflüssigt und bei überkritischem Druck verdampft [Vélez et al., 2011, S. 5499; Ammar et al. 2012, S. 11; Galanis et al. 2009, S. 57]. Im Gegensatz zu organischen Arbeitsmitteln, deren Verdampfungstemperatur konstant ist, weisen Arbeitsmedien bei Zufuhr von Wärme in überkritischen Zuständen veränderbare Temperaturen bei gleichem Druck auf (temperature glide). Dadurch erreicht man eine bessere Annäherung der Temperatur zwischen Wärmequelle und Arbeitsmedium und verringert somit die Exergieverluste [Walnum et al., 2010, S. 2; Vélez et al., 2011, S. 5497]. Zudem ist zu beachten, dass bei Rankine-Prozessen oft giftige und entzündbaren Arbeitsmedien, sowie Arbeitsmedien mit einem hohen Treibhausgaspotenzial eingesetzt werden. Über- und transkritische Niedertemperaturprozesse mit beispielsweise Propan, Kohlenwasserstoffe, und CO 2 als Arbeitsmittel stellen daher eine umweltschonendere Alternative dar [Vélez et al., 2011, S ; Walnum et al., 2010, S. 2]. Bei dem Einsatz von CO 2 als Arbeitsmedium sind noch einige technische Herausforderungen zu bewältigen, da der kritische Punkt bei CO 2 bei 31 C und 73 bar liegt, wodurch Wärme in einem transkritischen Prozess auf einem Druckniveau von rund 100 bar aufgenommen wird und der Prozess größere Wärmetauscherflächen benötigt [Ammar et al., 2012, S. 7; Galanis et al., 2009, S. 66]. Stirling-Motoren wurden in den letzten Jahren als Möglichkeit zur Nutzbarmachung von Niedertemperaturabwärme mit einem Temperaturniveau unter 100 C genannt Vorteil der Technologie ist die günstige und einfache Bauweise, Nachteil ist jedoch der geringe Wirkungsgrad und die geringe Leistung [Kongtragool & Wongwises, Seite 36

37 2003, S ]. Schleder und Zoppke [2005, S. 42] kommen in ihrer Studie zu dem Schluss, dass ein wirtschaftlicher Betrieb von Stirlingmotoren aufgrund des geringen Wirkungsgrades (durch die niedrige Temperatur) und der geringen Leistungsdichte pro Maschinenvolumen in Mitteleuropa nicht möglich ist. Thermoelektrische Generatoren (TEG) nutzen den Seebeck-Effekt um thermische Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Vorteile der Technologie sind das kompakte und einfache Design und eine lange Nutzungsdauer. Nachteilig ist, dass sie geringe Wirkungsgrade und im größeren Leistungsbereich hohe Kosten aufweisen [Markides, 2012, S. 9]. Zudem ist ein Temperaturniveau der Abwärmequelle von 200 bis 1000 C notwendig, daher wird auf diese Technologie in der Arbeit nicht näher eingegangen [Hendricks & Choate, 2006, S. 15; Rowe, 1994]. Eine Alternative zu thermoelektrischen Generatoren bieten piezo- bzw. pyroelektrische Generatoren. Beide Technologien befinden sich in Bezug auf eine industrielle Anwendung noch in Entwicklung. Mittels piezoelektrischen Generatoren ist es möglich, Umgebungsschwingungen (mechanische Energie) über piezoelektrische Dünnschichtmembrane direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Optimale Abwärmetemperaturen für den Einsatz von piezoelektrischen Generatoren liegen im Bereich von 100 bis 150 C [Hendricks & Choate, 2006, S ; BSC Inc., 2008, S. 28]. Mit Hilfe des pyroelektrischen Effekts wird eine zeitabhängige Schwingung in elektrische Energie umgewandelt [Lee et al., 2012, S. 2]. Da sich die Technologien noch in Entwicklung befinden, müssen sehr viele Forschungsfragen erst beantwortet werden unter anderem weist die Piezotechnologie zurzeit einen sehr geringen Wirkungsgrad, sehr hohe Kosten und zu geringe Schwingungsfrequenzen auf [Hendricks & Choate, 2006, S. 16]. In der aktuellen Literatur wird als vielversprechende Technologie zur Nutzung von Niedertemperaturabwärme eine neue Wärmekraftmaschine (thermofluidic oscillators, TFOs) beschrieben. TFOs stellen einen Verbund aus Rohren dar, in denen Flüssigkeitsmedien fließen. Temperaturunterschiede und Wärmeströme verursachen dabei Dauerschwingungen beziehungsweise werden von Dauerschwingungen hervorgerufen [Smith & Markides, 2002]. Es wird sowohl an Ein-, als auch an Zweiphasenanlagen geforscht, wobei bei der Zweiphasentechnologie der Vorteil im Einsatz kleinerer Wärmetauscher liegt [Markides, 2012, S. 11]. TFOs können mit Abwärmetemperaturen im Bereich von 30 bis 150 C betrieben werden und weisen mit 1-5 % noch einen sehr geringen thermischen Wirkungsgrad auf. Vorteil der Technologie ist die einfache und kostengünstige Bauweise, als Nachteil kann die schwierige Betriebsführung genannt werden [Markides, 2012, S. 11]. Die Technologie hat noch keine Marktreife erlangt, jedoch ist eine Anlage (NIFTE, Non- Inertive-Feedback Thermofluidic Engine) für verschiedene Anwendungen - wie zum Beispiel solarbetriebene Wasserpumpen, thermisch angetriebene Kühlung und gleichzeitige Warmwasserbereitung und Druckregelung - bereits am Markt erhältlich [Thermofluidics Ltd., 2011]. Speicher Um zeitlichen Schwankungen von Abwärmeangebot und Wärmenachfrage entgegenzuwirken, bietet sich der Einsatz von Speichertechnologien an. Die verschiedenen Speichertechnologien für Wärme können wie folgt eingeteilt werden [Hofmann et al., 2008, S. 16]: sensible, latente und chemische Speicher Seite 37

38 Hoch- und Niedertemperaturspeicher Kurz- und Langzeitwärmespeicher direkte und indirekte Wärmespeicher Bei der Speicherung von sensibler oder fühlbarer Wärme wird der Wärmeträger erhitzt und in einem isolierten Speicher durch die Aufrechterhaltung eines Temperaturunterschiedes T gespeichert [Zahoransky et al., 2010, S. 361; LEG Thüringen mbh, 2010, S. 2]. Wie groß die gespeicherte Wärmemenge ist, hängt von der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgers, der Temperaturdifferenz und der Menge an Speichermaterial ab [Sharma et al., 2009, S. 320]. Als Wärmeträger kommen sowohl Feststoffe wie Beton, Ziegelstein und Felsgestein, als auch Flüssigkeiten (Wasser, Öle, organische Flüssigkeiten) in Frage. Zur Speicherung von Niedertemperaturwärme können unter anderem Beton, Ziegelstein, Felsgestein, Wasser, Ethanol und Propanol verwendet werden [Sharma et al., 2009, S. 321]. Charakteristisch für sensible Wärmespeicher ist, dass sich der Aggregatszustand des Speichermaterials bei der Be- und Entladung nicht verändert [LEG Thürigen mbh, 2010, S. 2]. Bei Latentwärmespeichern wird neben der fühlbaren vor allem die latente Wärme durch den Einsatz von Materialen, die einen Phasenwechsel flüssig-gasförmig oder fest-flüssig ermöglichen, gespeichert [Zahroansky et al., 2010, S. 362]. Latentwärmespeicher können fünf bis 14-mal so viel Wärme speichern wie sensible Wärmespeicher, ohne dabei die Temperatur wesentlich zu verändern [Sharma et al., 2009, S. 321]. Als Wärmeträger eignen sich im Niedertemperaturbereich vor allem Paraffine, Salzhydrate und deren Mischungen, Wasser, Gashydrate und Zuckeralkohole [Hofmann et al., 2008, S. 17]. In Steinmann et al. [2010] werden drei Grundkonzepte zum Einsatz von Energiespeichern in der Industrie genannt. Abbildung 3-14: Konzepte zur Integration von Energiespeichern in der Industrie [Steinmann et al., 2010, S. 7] Wie in Abbildung 3-14 ersichtlich, können Speichertechnologien in Batch-Prozessen zur Zwischenspeicherung der Abwärme und späteren Einkopplung in den Prozess verwendet werden. Zudem ist ein flexiblerer Einsatz von Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen in der Industrie möglich, da die Strom- und Wärmeversorgung besser an das Bedarfsprofil der Industrie angepasst werden kann. Wenn die anfallende Abwärme nicht im selben oder einem anderen Industrieprozess genutzt werden kann, wird sie zwischengespeichert und kann in weiterer Folge zur Erzeugung von Kälte oder zur Bereitstellung von Raumwärme eingesetzt werden Seite 38

39 [Steinmann et al., 2010, S. 7]. Durch den Einsatz von Speichertechnologien kann zudem die Energieeffizienz erhöht werden, da Lastspitzen durch Speicher bereitgestellt werden können und Anlagenkomponenten für Spitzenlasten ersetzt werden können [Tamme & Hengsberger, 2012, S. 8]. Wie wichtig das Thema Energiespeicherung ist, zeigen laufende Forschungsprojekte im Rahmen des Annex 25 Surplus heat management using advanced TES (thermal energy storage) for CO 2 mitigation und des IEA Task 42 Compact Thermal Energy Storage der International Energy Agency. Im Rahmen dieser Projekte wird das Einsatzpotenzial von verbesserten Speichertechnologien in verschiedenen industriellen Bereichen erforscht. Unter anderem sollen dadurch die Abwärmenutzung zur Stromerzeugung und zur Bereitstellung von Raumwärme und Kälte durch bessere Prozessintegration ermöglicht werden [ECES IA IEA, o.j., SHC, o.j.] Externe Abwärmenutzungen In diesem Kapitel werden bereits umgesetzte externe Abwärmenutzungen in der Steiermark und mögliche zusätzliche weitere Nutzungspotenziale dargestellt. Die Nutzungspotenziale der Abwärmeströme ergeben sich aus der potenziell vorhandenen Abwärmemenge nach Ausnutzung interner Verwertung, und der Nähe zu potenziellen Abwärmesenken. Die Schwierigkeit nutzbare Abwärmeströme mit Abwärmesenken zusammenzuführen soll in diesem Teil dokumentiert werden. Abwärmeströme die nur unternehmensextern genutzt werden können sind - im Vergleich zu innerbetrieblichen Abwärmenutzungen - einer ungleich höheren Anzahl von Hemmnissen bei der Umsetzung ausgesetzt. Bei externen Abwärmenutzungen haben Fernwärmeauskopplungen für die Bereitstellung von Raumwärme das größte Potenzial. Unternehmensexterne Nutzung der Abwärme in geographisch naheliegenden Betrieben mit hohem Wärmebedarf z.b. Gärtnereien (Glashäuser) sind wo wirtschaftliche sinnvoll und technisch einfach lösbar meist schon umgesetzt. Bereits extern umgesetzte Abwärmenutzungen Anteile an industrieller Abwärme in steirischen Fernwärmenetzen gibt es derzeit in Graz, Voitsberg, Aichfeld, Hartberg, Leoben, Kapfenberg, Bruck an der Mur, Weisskirchen, Gamlitz und voraussichtlich ab Ende 2013 auch im Murauer Fernwärmenetz. Die im Rahmen dieses Projektes erhobenen Gesamtvolumen an industrieller Abwärme in Fernwärmeauskopplungen betragen knapp über 200 GWh pro Jahr. Fernwärmepotenzial industrieller Abwärme Das Fernwärmepotenzial industrieller Abwärme ist abhängig von den Charakteristika des Abwärmestroms (Temperaturniveau, zeitlicher Verlauf, ), der Entfernung zu Fernwärmenetzen oder anderen Abnehmern, Seite 39

40 des Vorhandenseins von Kapazität im Fernwärmenetz bzw. der Bereitschaft ein neues Netz zu errichten, der Bereitschaft des bestehenden Fernwärmenetzbetreibers betriebliche Abwärme in sein Fernwärmenetz zu integrieren und dem politischen Willen Widerstände gegen umweltpolitisch sinnvolle Abwärmenutzungen zu überwinden. Auf Basis der bereits zahlreich umgesetzten Abwärmenutzungen in und aus steirischen Industriebetrieben stellt sich das Potential zur Abwärmenutzung, wie in Kapitel 4 beschrieben dar. Seite 40

41 4 Potenzial industrieller Abwärme in der Steiermark Industrielle Abwärme kann betriebsinternen genutzt werden, wie schon in Kapitel beschrieben, aber auch externen Nutzungen, wie in Kapitel gezeigt, zugeführt werden. In diesem Kapitel werden die erhobenen Abwärmepotenziale und Hindernisse, die deren Nutzung entgegenstehen, dargestellt. 4.1 Abwärmepotenzialanalyse Im Rahmen der Studie wurden die in einzelnen Betrieben erhobenen Abwärmeströme auf Ihre Verwendbarkeit hin analysiert und auf die jeweilige Branche hochgerechnet. Hinsichtlich der Verwendbarkeit wurden die Abwärmeströme in drei Kategorien gegliedert. In das technische, wirtschaftliche bzw. das umsetzbare Abwärmepotenzial. Im folgenden Unterkapitel wird die Methode zur Berechnung der Abwärmepotenziale dargelegt Vorgangsweise zur Berechnung der Potenziale Die Potenziale wurden folgendermaßen definiert: Das technische Potenzial ist jener Energieinhalt in GWh pro Jahr der bei produzierenden Betrieben als Abwärme (Abwärme in Gasströmen oder. Abwässern) anfällt und nach dem heutigen Stand der Technik zur direkten (Wärmerückgewinnung im selben oder in einem anderen Prozess, Einspeisung ins Fernwärmenetz) oder indirekten Wärmenutzung (Wärmequelle für Wärmepumpen, Kälte-, Stromproduktion) weiterverwendet werden kann. Die Berechnung der Abwärmemenge in GWh/a erfolgt je Abwärmestrom nach Formel 1. (Bezugstemperatur ist 20 C) Das wirtschaftliche Potenzial ist jene Wärmemenge in GWh pro Jahr die bei produzierenden Betrieben als Abwärme (Abwärme in Gasströmen oder Abwässern) anfällt und nach dem heutigen Stand der Technik zur direkten (Wärmerückgewinnung im selben oder in einem anderen Prozess, Einspeisung ins Fernwärmenetz) oder indirekten Wärmenutzung (Wärmequelle für Wärmepumpen, Kälte-, Stromproduktion) weiterverwendet werden kann. Zusätzlich müssen zumindest eine der beiden folgenden Voraussetzungen erfüllt sein: o Voraussetzung für wirtschaftliche Nutzbarkeit der Abwärme im Betrieb: Amortisation innerhalb von maximal 5 Jahren (berechnet mittels VDI 2067 siehe Kapitel Wirtschaftlichkeitsrechnung) o Die Voraussetzungen für die wirtschaftliche Nutzbarkeit außerhalb des Betriebes wurden in Kapitel 0 Fernwärmepotenzial industrieller Abwärme dargelegt. Die Berechnung der Wärmemenge erfolgt ebenfalls nach =, jedoch mit den in Tabelle 3-9 angeführten Bezugstemperaturen der eingesetzten Technologien. Das umsetzbare Potenzial ist das wirtschaftliche Potenzial abzüglich der, wegen der im Kapitel 4.2 angeführten Hindernisse, nicht realisierbaren Abwärmemenge. Seite 41

42 4.1.2 Branchenpotenziale Im Folgenden werden die energieintensivsten Branchen auf ihr Abwärmepotenzial hin analysiert. Mithilfe von Firmendaten, wie z.b. der Produktionsmenge sowie den Daten aus der Energiebilanz Steiermark, wurden die ermittelten Abwärmepotenziale der einzelnen Betriebe auf die restliche Branche hochgerechnet. Die Befragungen haben ergeben, dass bei einigen steirischen Betrieben in den nächsten Jahren zusätzliche Auskopplungen von Fernwärme bzw. Kapazitätserweiterungen von bereits ausgekoppelter Prozesswärme geplant und/oder in Umsetzung sind. Die Nutzungspotenziale der Branchen werden im Folgenden beschrieben. Branchenanalyse Papier- und Zellstoffindustrie Aus Tabelle 3-1, die sich auf Daten der steirischen Energiebilanz 2010 stützt, geht hervor, dass die Papier- und Zellstoffindustrie mit 35 % des Gesamtenergieeinsatzes die energieintensivste Industrie in der Steiermark ist. Neben den Papier und Zellstofferzeugern fallen auch Druckereien und Verpackungserzeuger in diese Sparte. Die großen steirischen Papier- und Zellstoffhersteller waren mit einer Ausnahme alle zu einer Zusammenarbeit im Rahmen des Abwärmekatasterprojektes bereit. Da interne Abwärmenutzungspotenziale zumeist fast vollkommen ausgeschöpft sind, waren die meisten Großbetriebe gerne bereit Ihre verbleibenden Abwärmeströme bekannt zu geben. Die großen Papier- und Zellstoffwerke der Steiermark benötigen für ihre Prozesse große Energiemengen. Die Abwärmetemperaturen in der steirischen Papier- und Zellstoffindustrie aus Kraftwärmekopplungsanlagen bzw. Rauchgasströmen betragen C; die Abwassertemperaturen bewegen sich auf einem Temperaturniveau von C. Seit den 1980er Jahren wurde aufgrund der kontinuierlich steigenden Kosten der benötigten Energie schon ein hoher Anteil an Energie durch Abwärmenutzungen eingespart. In einigen Betrieben der Branche konnte der spezifische Energieverbrauch laut eigenen Angaben seit 2000 um über 20 % reduziert werden. Das noch vorhandene technische Potential ist aufgrund der bereits realisierten internen Abwärmenutzungen relativ gering. Potenziale zur externen Abwärmenutzung gibt es in allen größeren Werken der Papier- und Zellstoffindustrie, da die kontinuierliche Produktion einen gleichmäßigen Wärmeanfall mit sich bringt, der für die Verwendung in Fernwärmenetzen notwendig ist. Aktuell speisen die steirischen Papier- und Zellstoffwerke jährlich circa 100 GWh pro Jahr an den Orten Pöls, Frohnleiten, Bruck an der Mur und Gratkorn in Fernwärmenetze ein. Die Studie ergibt ein zusätzliches Fernwärmeauskopplungspotenzial dieser Branche von bis zu 300 GWh pro Jahr in Gratkorn, im Aichfeld, und in Niklasdorf. Abwärmepotenzial Technisch Wirtschaftlich Umsetzbar Papier- und Zellstoffindustrie GWh 300 GWh 250 GWh Tabelle 4-1: Abwärmepotenzial der steirischen Papier- und Zellstoffindustrie Seite 42

43 Die Untersuchungen haben ergeben, dass das technische Abwärmepotenzial ein Fünftel des Gesamtenergieeinsatzes der Industrie (vgl. mit Tabelle 3-1) darstellt. Aus der Tabelle 4-1 geht hervor, dass das wirtschaftliche Abwärmepotenzial in dieser Industrie noch sehr hoch ist. Die Studie ergab, dass trotz bereits umgesetzter Abwärmenutzungen aufgrund der kontinuierlichen Produktion und des hohen Prozesswärmeanteils der Industrie noch Abwärmepotenziale vorhanden sind, welche noch nicht genutzt werden. Im Rahmen der Studie wurden vor allem im oberen Murtal und im Raum Graz weitere umsetzbare Abwärmepotenziale dokumentiert. Da die Prozesse zur Papier- und Zellstoffherstellung sehr wärmeintensiv sind ist der eigene Raumwärmeanteil mit circa 1 % des Gesamtwärmebedarfs, vernachlässigbar gering und stellt somit keine potentielle Möglichkeit zur Abwärmenutzung dar. Die geforderte Amortisationsdauer für interne Energieeffizienzprojekte in der Branche beträgt bei den Papier- und Zellstoffherstellern durchschnittlich 2 Jahre. Die papierverarbeitenden Betriebe, die auch in die Branche fallen, lassen in der Regel längere Amortisationszeiten von 5-8 Jahren zu. Branchenanalyse Eisen- und Stahlindustrie Die Eisen- und Stahlindustrie benötigt laut Tabelle 3-1 knapp ein Viertel der Energie der steirischen Industrie. In diese Sparte fallen alle Metallerzeugenden und Metallverarbeitenden Unternehmen. Im Vergleich zu anderen Industrien war die Bereitschaft der Unternehmen zur Datenweitergabe nicht groß. Die Abwärmemengenerhebung ergab, dass die steirischen Betriebe der Eisen- und Stahlindustrie jährlich circa 100 GWh in Graz, Leoben und Kapfenberg in steirische Fernwärmenetze einspeisen. Aufgrund unvollständiger Unternehmensangaben ist das zusätzliche Fernwärmeauskopplungspotenzial nicht definitiv festlegbar und wird in Graz, Leoben, Kapfenberg und im Aichfeld mit GWh pro Jahr abgeschätzt. Es ist damit ähnlich hoch wie in der Papier- und Zellstoffindustrie. Für die Eisen- und Stahlindustrie wurden folgende Abwärmepotenziale ermittelt: Abwärmepotenzial Technisch Wirtschaftlich Umsetzbar Eisen- und Stahlindustrie GWh 130 GWh 50 GWh Tabelle 4-2: Abwärmepotenzial der steirischen Eisen- und Stahlindustrie Aktuell führen einige der größten steirischen eisen- und stahlerzeugenden Betriebe eigene Studien durch, um Ihre Abwärmepotenziale zu erheben. Da die Ergebnisse dieser Studien erst nach Projektende vorliegen werden, kann das Abwärmepotenzial aus diesem Grund für diese Branche im Rahmen dieses Projektes nicht endgültig bestimmt werden. 1 Da einige der Stahlerzeuger nicht bereit, bzw. nicht in der Lage waren Ihr konkretes Abwärmepotenzial abzuschätzen wurden die Abwärmepotenziale in dieser Branche mithilfe vorhandener Daten hochgerechnet. Seite 43

44 Die Branchenhochrechnung (Tabelle 4-2) ergab, dass die technischen Abwärmepotenziale in der Eisen- und Stahlindustrie circa ein Viertel des Gesamtenergieeinsatzes dieser Industrie darstellen. Das technische Abwärmepotenzial an den großen Eisen- und Stahlerzeugerstandorten der Steiermark ist zumeist größer als der inner- und außerbetriebliche Bedarf an Abwärme. Speziell in der Mur- Mürz-Furche gibt es viele Betriebe mit potenziell extern nutzbaren Abwärmeströmen, aber meist zu wenige Wärmeabnehmer, da Fernwärmenetze nicht vorhanden bzw. nicht groß genug ausgebaut sind. Aufgrund der historisch gewachsenen Struktur in dieser Industrie ist die Verminderung der Abwärme in erster Linie durch Prozessoptimierungen in den Betrieben und Maßnahmen zur Effizienzsteigerung in den Energieversorgungssystemen möglich. Parallel dazu unterstützt der Ausbau von regionalen Fernwärmenetzen die Nutzung von vorhandenen Abwärmeströmen und trägt zur CO 2 -Emissionsreduktion bei. Hindernisse aller Art, wie sie in Kapitel ausgeführt sind, müssen dafür überwunden werden. In der Eisen- und Stahlindustrie werden die Produkte bei Temperaturen von über 1000 C erzeugt und dementsprechend hoch sind die Abwärmetemperaturen, die in dieser Industrie zum Beispiel bei der Abkühlung der Stahlteile anfallen. Technologische Hemmnisse, wie das in der gesamten Stahlindustrie bis heute nicht gelöste Problem des Einfangens der freigesetzten/abgestrahlten Wärme beim Abkühlen von Stahlteilen, erklären die vergleichbar hohen ungenutzten Abwärmeströme dieser Industriesparte. Zusätzlich hängt der Abwärmeanfall stark von der Auftragslage und damit den Produktionsmengen ab. Demzufolge sind Abwärmestromvolumina schwer voraussagbar, was eine Umsetzung von Abwärmenutzungen wirtschaftlich riskant macht. Dazu kommt, dass die Energiekosten in der Branche in aller Regel einen einstelligen Prozentsatz der Gesamtkosten darstellen. Damit tragen Investitionen zur Verbesserung der Energieeffizienz in den jährlichen Gesamtkosten kaum zu spürbaren Kostenreduktionen bei. Da die Prozesse zur Eisen- und Stahlherstellung sehr hoher Wärmemengen bedürfen, beträgt der Prozesswärmeanteil meist circa % des Gesamtwärmebedarfs. In den anderen Betrieben der metallverarbeitenden Industrie (Nichteisenmetalle) beträgt der Prozesswärmeanteil durchschnittlich 80 %. Die durchschnittlich geforderte Amortisationsdauer für Energieeffizienzprojekte in der Eisen- und Stahlindustrie beträgt 4 Jahre. In dieser Branche waren überdurchschnittlich viele Betriebe nicht bereit Ihre Abwärmepotenziale offenzulegen. Dies lässt sich mit der historischen gewachsenen Struktur der Industrie erklären, aber auch mit der Angst, durch zu viel Offenheit zusätzlichen Verpflichtungen nachkommen zu müssen. Gründe, die Betriebe für Ihre Nichtteilnahme an der Studie angeführt haben wurden im Kapitel angeführt. Branchenanalyse Steine, Erden & Glas Die Branche stellt, laut Tabelle 3-1, ein Zehntel des Gesamtenergiebedarfs der steirischen Industrie und beinhaltet Betriebe der Zement-, Glas- und Feuerfestindustrie. Seite 44

45 In dieser Branche waren nur wenige der Großbetriebe zur Zusammenarbeit bereit. Speziell bei Betrieben, die Ihre Abwärme nicht nutzen, ist es meist nicht gelungen Interesse an einer Zusammenarbeit aufzubauen. Die Erhebung ergab in der Steine-, Erden- & Glasindustrie in der Süd bzw. Südweststeiermark eine jährliche Einspeisung von einigen wenigen GWh industrieller Abwärme in Fernwärmenetze. Im Rahmen dieser Studie konnte das zusätzliche Potential für die Auskopplung von Fernwärme aufgrund unvollständiger Rückmeldungen für diese Industrie nicht hinreichend genau hochgerechnet werden. Für die Steine Erden Glas Industrie wurden auf Basis der vorhandenen Daten folgende, mit hoher Varianz behaftete, Abwärmepotenziale errechnet: Abwärmepotenzial Technisch Wirtschaftlich Umsetzbar Steine Erden Glas GWh 50 GWh 20 GWh Tabelle 4-3: Abwärmepotenzial der steirischen Steine-, Erden- und Glasindustrie Aus Tabelle 4-3 geht hervor, dass das wirtschaftliche und umsetzbare Abwärmepotenzial in der Steine Erden Glas Industrie, im Vergleich zu den beiden energieintensivsten Industrien verhältnismäßig klein ist. Die Studie hat ergeben, dass das technische Abwärmepotenzial zumindest 12 % des Gesamtenergieeinsatzes der Industrie(vgl. mit Tabelle 3-1) beträgt. Diese Aussagen stehen unter dem Vorbehalt der geringen Rückmeldequote in dieser Industrie. Die Abwärmetemperaturen in der Steine-, Erden- Glasindustrie bewegen sich in der Regel auf einem Temperaturniveau von über 100 C. Einige Prozesse in dieser Branche, wie zum Beispiel die Klinkerproduktion, sind sehr empfindlich auf Änderungen in der Prozessführung. Dementsprechend sind die Betriebe meist nicht daran interessiert neue Abwärmenutzungen zwischen Produktionsschritten zu implementieren. Damit würde aktiv in den Prozess eingegriffen werden, und sich die Temperaturen während des Prozesses verändern, was ungewünschte Auswirkungen auf das Endprodukt hätte. Die Auswertung der Daten dieser Industrie hat ergeben, dass der Prozesswärmeanteil % des Gesamtwärmebedarfs beträgt. Die erhobene geforderte Amortisationsdauer für Energieeffizienzprojekte von Unternehmen in dieser Industrie war, mit 2-6 Jahren, sehr unterschiedlich. Branchenanalyse Maschinenbauindustrie Die Branche Maschinenbau stellt, laut Tabelle 3-1, 8 % des Energiebedarfs der steirischen Industrie. In dieser Branche waren viele Betriebe zur Zusammenarbeit im Rahmen der Studie bereit. Die Erhebungen ergaben für die Branche hohe Solarpotenziale, aber nur wenige nutzbare Abwärmeströme. 2 Aufgrund der geringen Anzahl an Unternehmensrückmeldungen können die Potenziale dieser Industrie nur als sehr grobe Abschätzung angesehen werden. Seite 45

46 Im Vergleich zu den vorangegangenen Industrien sind die Abwärmetemperaturen in der Maschinenbauindustrie niedrig. Aus diesem Grund besteht kein wesentliches Fernwärmeauskopplungspotenzial. Die anfallenden Abwärmeströme werden zumeist schon intern als Raumwärme genutzt bzw. fließen als noch ungenutzte Abwärmepotenziale in die folgende Branchenpotenzialanalyse ein: Abwärmepotenzial Technisch Wirtschaftlich Umsetzbar Maschinenbau 3 50 GWh 30 GWh 13 GWh Tabelle 4-4: Abwärmepotenzial der steirischen Maschinenbauindustrie Tabelle 4-4 veranschaulicht das geringe Abwärmepotenzial. Dies liegt vor allem daran, dass der Prozesswärmeanteil in der Industrie bei den befragten Unternehmen nur circa 30 % vom Gesamtenergiebedarf der Branche beträgt. Die Studie hat für die Maschinenbauindustrie ein technisches Abwärmepotenzial von 3 % des Gesamtenergieeinsatzes ergeben. Die geforderte Amortisationsdauer für Energieeffizienzprojekte in dieser Industrie beträgt bei den kontaktierten Betrieben durchschnittlich 5 Jahre. Aufgrund des großen Raumwärmebedarfs, sind interne Abwärmenutzungen in jedem Fall vor möglichen externen Abwärmenutzungen umzusetzen. Branchenanalyse Nahrungs- und Genussmittelindustrie Die Lebensmittel- und Tabakindustrie stellt, laut Tabelle 3-1, 4 % des Energiebedarfs der steirischen Industrie dar. Für die Lebensmittel- und Tabakindustrie wurden folgende Abwärmepotenziale ermittelt: Abwärmepotenzial Technisch Wirtschaftlich Umsetzbar Lebensmittel- und Tabakindustrie 4 50 GWh 10 GWh 2 GWh Tabelle 4-5: Abwärmepotenzial der steirischen Lebensmittel- und Tabakindustrie Die Untersuchungen im Rahmen das Abwärmekatasters haben ergeben, dass das technische Abwärmepotenzial circa 6 % des Gesamtenergieeinsatzes der Industrie darstellt. Die Abwärmetemperaturen in der Lebensmittelindustrie liegen meist auf niedrigem Niveau, da die Temperaturen der Produktionsprozesse meist nur C betragen. Der Prozesswärmeanteil der befragten Betriebe beträgt circa 80 %. Die geforderte Amortisationsdauer für Energieeffizienzprojekte in dieser Industrie beträgt aufgrund ihrer verhältnismäßig geringen Konjunkturabhängigkeit durchschnittlich über 6 Jahre. 3 wirtschaftliche und umsetzbare Abwärmepotenziale wurden in dieser Industrie bei einem Betrieb (Austriamicrosystems) dokumentiert, dieser plant die Potenziale langfristig umzusetzen. 4 Aufgrund der geringen Anzahl der Unternehmensrückmeldungen, der Vielzahl an Betrieben und der heterogenen Prozesse in dieser Industrie können die Potenziale dieser Industrie nur als sehr grobe Abschätzung angesehen werden. Seite 46

47 Das Potential zur Auskopplung von Fernwärme in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie ist geringer als in anderen Industrien. Aufgrund der hohen benötigten Temperaturen in Fernwärmenetzen sind innerbetriebliche Abwärmenutzung, wie in Kapitel 0 angesprochen in dieser Industrie die am häufigsten wirtschaftlich umsetzbare Form der Abwärmenutzung. Analyse verbleibende Industrien Die Betriebe in den verbleibenden Industrien: Bau-, Holzverarbeitung-, Bergbau-, Chemie- und Petrochemie-, Fahrzeugbau-, Nichteisenmetalle-, Textil- und Lederindustrie, bzw. sonst. produzierende Industrie. Diese Industrien stellen gemeinsam circa ein Fünftel des Gesamtenergiebedarfs der steirischen Industrien dar. Die Daten dieser Branchen wurden aufgrund ihrer Heterogenität, Vielzahl und geringen Energieintensität nicht erhoben. Die folgende Abbildung 4-1 veranschaulicht dies. Sonst. Prodzierender Bereich 7% Nicht Eisen Metalle 8% Energetischer Endverbrauch nicht energieintensive steirische Industrien 2010 Textil und Leder 8% Bau 19% Fahrzeugbau 12% Chemie & Petrochemie 13% Bergbau 16% Holzverarbeitung 17% Abbildung 4-1: Aufteilung von 20 % des Gesamtenergieverbrauchs der Steirischen Industrie - nichtenergieintensive Branchen Gesamtpotenziale Die Gesamtpotenziale teilen sich auf die energieintensivsten Branchen der Steiermark wie folgt auf: Seite 47

48 Abwärmepotenzial Technisch Wirtschaftlich Umsetzbar Papier&Zellstoffindustrie GWh 300 GWh 250 GWh Eisen- und Stahlindustrie GWh 130 GWh 50 GWh Steine, Erden Glas 225 GWh 50 GWh 20 GWh Maschinenbauindustrie 50 GWh 30 GWH 13 GWH Nahrungs- und Genussmittelindustrie 50 GWh 10 GWh 2 GWh SUMME: GWh 520 GWh 335 GWh Tabelle 4-6: Gesamtabwärmepotenziale der 5 energieintensivsten Industrien der Steiermark Bereits extern genutzte Abwärmeströme 2 % des Raumwärmebedarfs steirischer Wohngebäude (=200 GWh) Der Gesamtenergieeinsatz der steirischen Industrie beträgt laut der Energiebilanz Steiermark GWh. Aus der Tabelle 4-6 geht damit hervor, dass circa 15 % des Gesamtenergieeinsatzes der steirischen Industrie als technische nutzbare Abwärme bisher ungenutzt an die Umwelt abgegeben werden. Zur besseren Einschätzbarkeit der davon extern nutzbaren Potenziale werden in der folgenden Tabelle die erhobenen Abwärmemengen mit dem Raumwärmebedarf steirischer Wohngebäude verglichen. Zusätzliche extern wirtschaftliche Potenziale circa 4 % des Raumwärmebedarfs steirischer Wohngebäude (circa 400GWh) Extern Potenziale umsetzbare 3 % des Raumwärmebedarfs steirischer Wohngebäude Tabelle 4-7: Verhältnis von bereits extern genutzter bzw. zusätzlich umsetzbarer Abwärmepotenziale Der jährliche Wärmebedarf steirischer Wohngebäude beträgt laut dem Klimaschutzplan Steiermark aktuell zwischen und GWh. Aus Tabelle 4-7 ist ersichtlich, dass sich die zusätzlichen wirtschaftlichen Potenziale auf circa 4 % des Raumwärmebedarfs der steirischen Wohngebäude belaufen. Im Vergleich dazu stehen die bisher bereits umgesetzten Fernwärmeauskopplungen in der Papier und Zellstoffindustrie, sowie der Eisen- und Stahlindustrie, die nur 2 % des aktuellen Raumwärmebedarfs der steirischen Wohngebäude abdecken. Tabelle 4-7 zeigt, dass in der steirischen Industrie noch Abwärmepotenzial zur Fernwärmeauskopplung vorhanden ist. Die umsetzbaren Potenziale betragen, unter Annahme konstant bleibenden Raumwärmebedarfs, circa 3 % des Raumwärmebedarfs der steirischen Wohngebäude. Wirtschaftlich nutzbare Abwärmepotenziale sind vor allem in der Papier und Zellstoffindustrie, sowie in der Eisen- und Stahlindustrie vorhanden. Der Klimaschutzplan Steiermark aus dem Jahr 2008 stellte fest, dass, unter Nutzung aller Handlungsoptionen zur Energieverbrauchsreduktion in steirischen Wohngebäuden, der Raumwärmebedarf für steirische Wohngebäude bis 2050 halbiert werden kann. In diesem Szenario könnten die zusätzlich extern umsetzbaren Potenziale 6 % des Raumwärmebedarfs steirischer Wohngebäude abdecken. Seite 48

49 4.2 Hindernisse für zusätzliche Abwärmenutzungen Abwärmenutzungen können durch technische und strukturelle, wirtschaftliche, rechtliche und sonstige Hemmnisse erschwert werden. Im Rahmen der Primärerhebung dieser Studie wurden die Haupthindernisse für Abwärmenutzungen von steirischen Industriebetrieben abgefragt Technische und strukturelle Hemmnisse Eine Grundvoraussetzung für die Nutzung von Abwärme ist, dass ein Wärmeabnehmer verfügbar ist. Die Abwärme kann sowohl innerbetrieblich als auch extern an andere Betriebe oder über ein Fernwärmenetz an Privatkunden abgegeben werden. Vor allem auf einem niedrigen Temperaturniveau ist es schwierig, geeignete Wärmeabnehmer innerhalb des Betriebes zu finden. Außerbetrieblich wird die Situation dadurch erschwert, dass zur Einspeisung der Abwärme in ein Fernwärmenetz Mindesttemperaturen eingehalten werden müssen. Zudem liegen Betriebsstandorte oft nicht unmittelbar neben Wohngebieten, Schwimmbädern, Glashäusern oder sonstigen potenziellen Wärmeabnehmern. Im Rahmen des Projektes wurde auch die Erfahrung gemacht, dass - auch wenn eine externe Nutzung seitens des Betriebes vorstellbar wäre - die umliegenden Haushalte oftmals schon über eine Erdgasleitung versorgt werden. Dies macht Investitionen in Fernwärmenetze oft unrentabel. Speziell von den Betrieben der Papier- und Zellstoffindustrie und den Betrieben der Eisen- und Stahlindustrie wurde darauf hingewiesen, dass existierende Fernwärmenetze oft nicht genug Bedarf bzw. Interesse an industrieller Abwärme haben. Aufgrund des in den vergangenen Jahrzehnten stark forcierten Ausbaus der steirischen Gasnetze haben es Fernwärmebetreibergesellschaften heute schwer neue Kunden zu finden, da Erdgas für den Endkunden ähnliche Vorteile bringt wie Fernwärme. Ist ein Wärmeabnehmer verfügbar, muss zudem sowohl das Temperaturniveau als auch die Wärmeleistung der Abwärmequelle mit dem geforderten Temperaturniveau und der geforderten Leistung der Wärmesenke übereinstimmen. Auch müssen Wärmeangebot und Wärmebedarf zeitgleich auftreten. Werden diese Kriterien nicht erfüllt, wird die Abwärmenutzung erschwert: Vielfach sind Temperaturniveau oder Massenstrom der Abwärme für eine wirtschaftliche Nutzung zu gering. Ein Großteil der Abwärme fällt auf einem Temperaturniveau von 20 bis 80 C an, wodurch sehr viele Nutzungsmöglichkeiten ausscheiden. Ein weiterer Grund, warum die industrielle Abwärme nicht genutzt wird, ist ihre diskontinuierliche Verfügbarkeit. In vielen Fällen kann wegen (saisonbedingten) Produktionsschwankungen, produktionsfreien Wochenenden und Feiertagen, Stillstandszeiten auf Grund von Revision und Wartungsarbeiten oder Betriebsurlauben keine kontinuierliche Bereitstellung der Abwärme gewährleistet werden. Abhängig von der Situation können Pufferspeicher und/oder Backup Systeme erforderlich sein, wodurch weitere Kosten entstehen. Ein weiteres Hindernis stellt eine Verschmutzung des Abwärmestroms dar. Ist die Abwärmequelle stark verschmutzt, müssen beispielsweise teure korrosionsbeständige Wärmetauscher und Leitungen installiert oder Reinigungssysteme vorgesehen werden. Abwärme, die in festen Produkten vorliegt ist schwieriger rückzugewinnen als Abwärme aus flüssigen und gasförmigen Medien. Besonders in den Sektoren Eisen/Stahl und Steine/Erden fehlen Seite 49

50 daher oft die technischen oder räumlichen Voraussetzungen für Rückgewinnungsanlagen. Das Fehlen eines Fernwärmenetzes erschwert die externe Nutzung von Abwärme, da die Errichtung eines Fernwärmenetzes hohe Investitionen erfordert. Unternehmen sind grundsätzlich bereit ihre Abwärme zu verkaufen, jedoch die Kosten für Bau und Betrieb des Leitungsnetzes wollen Sie nicht tragen. Dies ist auch verständlich, da die Energieversorgung in der Nähe befindlicher Haushalte nicht zum Kerngeschäft des Unternehmens zählt Wirtschaftliche Hemmnisse Im Rahmen des Projektes wurde festgestellt, dass Betriebe Investitionen in Energieeffizienzmaßnahmen, zu denen Abwärmnutzungsprojekte zählen, nur tätigen, wenn sich diese innerhalb von sehr kurzer Zeit amortisieren. Je nach befragter Industrie müssen sich derartige Investitionen innerhalb von 1-7 Jahren rechnen. Seit 2008 sind Strom- und Gaspreise für Großabnehmer gefallen und machen damit Energieeffizienzmaßnahmen wirtschaftlich weniger interessant, da die notwendigen Investitionskosten durch laufende Einsparungen bei den Energiekosten nicht so schnell wieder ins Unternehmen zurückfließen. Daher ist die strenge Vorgabe für kurze Amortisationszeiten in den Betrieben ein wesentliches Hemmnis für die Umsetzung von Abwärmenutzungen. Ein Hindernis zur Realisierung von Projekten zur Abwärmenutzung für den Niedertemperaturbereich ist, dass Technologien für Niedertemperaturanwendungen sehr oft noch nicht marktreif, nicht bekannt bzw. kostenintensiv sind Rechtliche Hemmnisse Rechtliche Hemmnisse bei Abwärmenutzungsprojekten können auftreten, wenn ein Industriebetrieb Schwierigkeiten hat die vertraglich garantierte Wärmebereitstellung aufrechtzuhalten. Mögliche Problemsituationen, wie wenn das Unternehmen der Abwärmelieferung nicht nachkommt (z.b. ungeplanter Betriebsstillstand) oder was passiert wenn ein Betrieb in Konkurs geht, müssen im Vorfeld abgeklärt werden Finanzielle Hemmnisse Die aktuelle Budgetsituation von Bund, Ländern und Gemeinden stellen Initiativen zum Fernwärmenetzausbau vor finanzielle Herausforderungen da auch bei Förderungen gekürzt werden muss. Aktuelle Entwicklungen in der steirischen Landeshauptstadt lassen darauf hoffen, dass die bestehenden finanziellen Hindernisse überwunden werden können, um die industriellen Abwärmenutzungspotenziale im Norden der Stadt auszuschöpfen Sonstige Hemmnisse Viele mögliche Abwärmenutzungsprojekte scheitern bereits im Vorhinein durch den Mangel an Information über die verschiedenen technologischen Möglichkeiten, aber Seite 50

51 auch über die aktuelle Fördersituation. Für die Realisierung von Abwärmenutzungsprojekten in Betrieben, die einem Konzern angehören, fehlt zuweilen die notwendige Zustimmung der Konzernführung Haupthindernisse für Abwärmenutzungen der steirischen Industriebetriebe Im Zuge der Datenerhebung wurden Haupthindernisse für industrielle Abwärmenutzungen bei den Betrieben vor Ort erhoben. Haupthindernisse für Abwärmenutzungen Technische Machbarkeit 6% Schwierige Vorbereitung 10% Diskontinuierlicher Abwärmeanfall 10% Produktionssicherhe it Kerngeschäft 13% Sonstige 13% finanzieller Aufwand 33% Kein Abwärmeabnehmer in der Umgebung 15% Abbildung 4-2: Haupthindernisse für Abwärmenutzungen steirischer Industriebetriebe (eigene Darstellung) Wegen der aktuellen wirtschaftlichen Situation verschieben viele Unternehmen Abwärmenutzungsprojekte, aufgrund des hohen finanziellen Aufwandes. Sehr oft scheitern die Projekte am Fehlen von externen Abnehmern. Da die umfassende Nutzung aller Abwärmeströme prozesstechnische Risiken mit sich bringt, sind die Unternehmen nicht bereit Ihre Produktionssicherheit aufs Spiel zu setzen und lassen deswegen Abwärmenutzungspotenziale ungenutzt. Einige Industriebetriebe gaben an, dass ein diskontinuierlicher Abwärmeanfall Abwärmenutzungen unwirtschaftlich macht. Dieses Hindernis könnte unter Zuhilfenahme von Pufferspeichern, wie in Kapitel 0 auf Seite 37 dargelegt, überwunden werden. Vor allem Klein- und Mittelbetriebe geben an, nicht das nötige Know-How bzw. die nötigen Zeitressourcen zu haben um Abwärmenutzungsprojekte in Angriff zu nehmen. Diesbezüglich können erfahrene externe Berater, welche die Unternehmen bei der Nutzung Ihrer Abwärmeströme beraten, Potenziale nutzbar machen. Die technische Machbarkeit ist, wie in Kapitel 0 angesprochen, bei einigen Abwärmeströmen nicht gegeben. Als sonstige Hindernisse wurden von den Betrieben geringe Energiekosten, lange Amortisationsdauern und zu hohe Seite 51

52 Temperaturen des Fernwärmenetzes genannt. Um selbst als Kunde in einem Netz aufzutreten sind meist die Netztemperaturen zu gering. Seite 52

53 5 Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen in der Industrie Dieses Kapitel gibt einen Technologieüberblick über Möglichkeiten der gemeinsamen Produktion von Wärme und Strom. Darüber hinaus sollen die energieintensivsten Industrien der Steiermark auf Ihr WKK - Nutzungspotenzial untersucht werden. 5.1 Allgemein Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen oder Blockheizkraftwerke (kompakte WKK) sind Anlagen zur Erzeugung von Strom und Wärme. Technisch gesehen heißt das, dass der ungenutzte Teil der Wärme, der aus der Stromproduktion in Turbinen, von Verbrennungskraftmaschinen und Brennstoffzellen stammt für die Raumheizung oder als Prozesswärme eingesetzt wird. Wegen der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme, wird der Brennstoff zu rund % [B.KWK.e.v. 2011] ausgenutzt, was den Brennstoffbedarf bei geeigneter Prozessführung wesentlich reduzieren kann. Für eine wirtschaftliche Betriebsführung ist meist ein über das ganze Jahr konstanter Wärmebedarf und hohe Volllaststunden Voraussetzung. Abbildung 5-1: Energiefluss bei getrennter und gekoppelter Wärme- und Stromerzeugung [Krawinkler 2006] 5.2 Vorteile Steigerung der Effizienz der Energiewandlung durch gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme Reduzieren des Brennstoffbedarfs Geringere Emissionen, speziell Verringerung der CO2 Emissionen, aber auch SO4 und NOx Seite 53

54 bei Verwendung von Biomasse, Abfall aus Prozessen und Landwirtschaft, Biogas erhöht sich die Kosteneffizienz der Anlage und verringert Probleme bei der Entsorgung von Reststoffen Möglichkeit zum Ausbau dezentraler Energieerzeugung, die auf die Kundenbedürfnisse in der Umgebung abgestimmt ist und so die Effizienz steigern und Transmissionsverluste senken kann. [Schulz 2006] 5.3 Technologieüberblick WKK-Anlagen Die folgende Abbildung 5-2 gibt einen Überblick über Wärme-Kraft- Kopplungstechnologien. Abbildung 5-2: Einteilung der Wärmekraftkopplungsanlagen nach Prozessen [eigene Darstellung] Joule-Prozess Gasturbinen Die Gasturbine gehört technisch gesehen zu den Verbrennungskraftmaschinen und wandelt, wie die Dampfturbine, die im heißen Gas enthaltene Energie in eine Seite 54

55 drehende Bewegung des Rotors und in weiterer Folge in einem Generator zu Strom um. Nach der Expansion in der Turbine kann das noch heiße Abgasen zu Heizzwecken verwendet werden. Abbildung 5-3: Gasturbinenprozess [TTM 2002] Tabelle 5-1: Einsatzmöglichkeit des Gasturbinenprozesses [B.KWK.e.v. 2011] Einsatzmöglichkeit Nutztemperatur [ C] Leistungsbereich [MW] Spez. Investitionskosten [ /kw el ] Prozesswärme , Mikrogasturbine mit Rekuperator Mikrogasturbinen beruhen auf dem gleichen Funktionsprinzip wie die großen Gasturbinenvarianten. Der Unterschied liegt in der Größe und der kompakteren Bauweise der Mikroturbinen, wodurch sich aber auch der Wirkungsgrad (15 20 %) verschlechtert. Abbildung 5-4 zeigt das Funktionsprinzip einer Mikrogasturbine mit Rekuperator. Der Rekuperator wärmt die Verbrennungsluft vor und steigert so den Wirkungsgrad der Turbine. Wenn mehr Wärme benötigt wird, kann der Rekuperator über einen Bypass umgangen werden und der elektrische Wirkungsgrad der Turbine verringert sich. Dies erhöht die für Heizzwecke zur Verfügung stehende Wärmemenge. Seite 55

56 Abbildung 5-4: Mikrogasturbine [TTM 2002] Einsatzmöglichkeit Tabelle 5-2: Einsatzmöglichkeit der Mikrogasturbine [B.KWK.e.v. 2011] Nutztemperatur [ C] Leistungsbereich [MW] Spez. Investitionskosten [ /kw el ] Prozesswärme , Rankine-Prozess Dampfturbinenprozess Der Dampfprozess (Rankine-Cycle) ist grundsätzlich für die Feuerung der meisten Brennstoffe geeignet. So kann der Prozess mit relativ kostengünstigen Brennstoffen wie holzartige Biomasse, Braunkohlestaub oder Reststoffen aus der Produktion betrieben werden. In einem Kessel wird Wasser verdampft und anschließend in einer Turbine wieder entspannt. Dabei treibt der Dampf den Turbinenrotor an der wiederum den Generator antreibt. Abbildung 5-5: Schema Dampfprozess [TTM 2002] Im Prinzip kann der Dampfturbinenprozess auf zwei Arten geführt werden. Seite 56

57 Gegendruckdampfturbine Bei dieser Variante wird der Heißdampf auf einen Druck entspannt der sich noch nicht im Kondensationsgebiet befindet. So ist es möglich die Wärme auf einem Temperaturniveau auszukoppeln, welches für Heizzwecke geeignet ist. Diese Prozessführung wird dort angewendet wo ein konstanter Wärmebedarf vorhanden ist, da die Stromkennzahl konstant ist Abbildung 5-6: Gegendruckdampfturbine [TTM 2002] Entnahmekondensationsturbine Hier wird ein Teil des Heißdampfes, der zur Stromproduktion verwendet wird, im Mittelteil der Turbine entnommen und steht für Heizzwecke zur Verfügung. Bei erhöhtem Wärmebedarf wird mehr Dampf entnommen und dadurch auch weniger Strom erzeugt. Wenn jedoch der Wärmebedarf sinkt wird der Dampf in der Turbine bis ins Kondensationsgebiet entspannt und die produzierte Strommenge steigt. Dies ermöglicht flexible Stromkennzahlen und erlaubt einen flexibleren Betrieb der Anlage. Abbildung 5-7: Entnahmekondensationsturbine [TTM 2002] Seite 57

58 Tabelle 5-3: Einsatzmöglichkeit der Entnahmekondensationsturbine [B.KWK.e.v. 2011] Einsatzmöglichkeit Nutztemperatur [ C] Leistungsbereich [MW] Spez. Investitionskosten [ /kw el ] Prozesswärme , ORC OrganicRankineCycle Der OrganicRankineCycle ist im Wesentlichen dem Dampfprozess nachempfunden. Der Unterschied besteht darin, dass anstatt von Wasser andere organische Flüssigkeiten (z.b.: Thermoöle wie Siloxan) verwendet werden. Diese verdampfen bereits bei wesentlich niedrigeren Temperaturen und machen somit die Nutzung von Wärme bzw. Abwärme auf relativ niedrigen Temperaturniveaus möglich. Das Arbeitsmittel wird meist indirekt, wie in ersichtlich, über einen weiteren Thermoölkreislauf verdampft, wodurch die Kosten für den Kesselwärter entfallen. Abbildung 5-8: ORC-Prozess [TTM 2002] Tabelle 5-4: Einsatzmöglichkeit des ORC-Prozesses [B.KWK.e.v. 2011] Einsatzmöglichkeit Nutztemperatur [ C] Leistungsbereich [MW] Spez. Investitionskosten [ /kw el ] Prozesswärme <300 0, Gas- und Dampfturbinen Heiz-Kraftwerk In einem GUD-HKW werden Gas und Dampfturbine kombiniert. Mit den Abgasen der Gasturbine wird im Abhitzedampferzeuger Hochdruckdampf erzeugt, der entweder direkt als Prozessdampf, oder zur Stromerzeugung in einer nachgeschalteten Dampfturbine verwendet werden. Der in der Dampfturbine entspannte Dampf wird üblicherweise noch weiter zur Versorgung von innerbetrieblichen oder externen Abnehmern verwendet. Seite 58

59 Abbildung 5-9: Gas- und Dampfprozess (GuD) [TTM 2002] Tabelle 5-5: Einsatzmöglichkeit von GuD-Prozess [B.KWK.e.v. 2011] Einsatzmöglichkeit Nutztemperatur [ C] Leistungsbereich [MW] Spez. Investitionskosten [ /kw el ] Prozesswärme Verbrennung Motor-Blockheizkraftwerke In einem Blockheizkraftwerk wird mittels Motor (Diesel- oder Ottomotor), der einen Generator antreibt, Strom erzeugt. Die heißen Abgasen des Motors und die Abwärme des Motoröls werden weiter zur Nutzwärmegewinnung verwendet. Modular eingesetzt (d.h.: zwei kleinere Module statt einem größeren Modul mit gleicher Gesamtleistung) können die Motoren annähernd unter Volllast betrieben werden. Abbildung 5-10: Motor-Blockheizkraftwerke [TTM 2002] Seite 59

60 Tabelle 5-6: Einsatzmöglichkeit von Motor-Blockheizkraftwerken [B.KWK.e.v. 2011] Einsatzmöglichkeit Nutztemperatur [ C] Leistungsbereich [MW] Spez. Investitionskosten [ /kw el ] Prozesswärme <140 0, Brennstoffzelle Die Umkehrung der Reaktion der Elektrolyse bildet das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle. Bei der Elektrolyse wird an zwei mit Wasser umspülte Elektroden eine Spannung angelegt. Diese bewirkt, dass sich das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet. Führt man den Wasserstoff und den Sauerstoff wieder zusammen, kehrt sich der Prozess um und es ist an den Elektroden eine Spannung messbar. Diese Reaktion heißt Knallgasreaktion. Sie setzt außerdem noch Wärme frei, die weiter genutzt werden kann. Abbildung 5-11: Brennstoffzelle [TTM 2002] Tabelle 5-7: Einsatzmöglichkeit der Brennstoffzelle [B.KWK.e.v. 2011] Einsatzmöglichkeit Nutztemperatur [ C] Leistungsbereich [MW] Spez. Investitionskosten [ /kw el ] Prozesswärme <500 0, Stirlingmotor Anders als beim Verbrennungsmotor beruht die Wärmezufuhr beim Stirlingmotor auf einer äußeren Verbrennung. Das heiße Rauchgas überträgt seine Energie über den Arbeitszylinder an das Arbeitsgas, welches sich ausdehnt und über einen Kolben das Schwungrad antreibt. Das Schwungrad wiederum treibt den Kompressionskolben an, dessen Hubbewegung gegengleich der des Arbeitskolben verläuft. Um die dadurch Seite 60

61 auftretende Kompression im Kompressionszylinder zu vereinfachen muss Wärme abgeführt werden. Diese steht als Nutzwärme zur Verfügung. Da das System abgeschlossen ist, kann das Arbeitsmedium nur vom Arbeitszylinder in den Kompressionszylinder und umgekehrt verschoben werden. Dabei durchströmt es einen Regenerator (siehe Kap. Wärmetauscher), der einen Grossteil der Energie speichert und an das kalte, verdichtete Arbeitsmedium abgibt. Abbildung 5-12: Stirlingmotor [TTM 2002] Tabelle 5-8: Einsatzmöglichkeit des Stirlingmotors [B.KWK.e.v. 2011] Einsatzmöglichkeit Nutztemperatur [ C] Leistungsbereich [MW] Spez. Investitionskosten [ /kw el ] Prozesswärme <85 0, Abbildung 5-13 veranschaulicht die Leistungsbereiche marktreifer WKK- Technologien. Seite 61

62 Abbildung 5-13: Typische Leistungsbereiche von in WKK eingesetzten Technologien [B.KWK 2011] 5.4 Wirtschaftlicher Betrieb einer WKK Allgemein Da die Investitionskosten der Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen meist deutlich höher sind als die konventioneller Wärmeerzeuger sollte ein KWK nahe dem Auslegungspunkt betrieben werden, weil im Teillastbereich oft erhebliche Wirkungsgradeinbußen auftreten. Deswegen ist ein gleichzeitiger Strom- und Wärmebedarf des Abnehmers, bzw. der Abnehmer für einen wirtschaftlichen Betrieb einer WKK - Anlage unbedingt notwendig. Es ist dabei unerheblich ob die Wärme im Betrieb, oder von einem externen Verbraucher verbraucht wird, solange die Mehrkosten für Fernwärmeübergabestationen die Erlöse durch Stromeinsparung nicht soweit aufzehren, dass keine annehmbaren Amortisationszeiten erreicht werden können. Zu hoher Raumwärmeanteil am Gesamtwärmebedarf wird bei den meisten Technologien als Negativpunkt angesehen, weil der Raumwärmebedarf über das Jahr stark schwankt (Abbildung 5-15) und somit kein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet werden kann. Bei genügend hohem Prozesswärmebedarf fallen diese Schwankungen geringer aus (Abbildung 5-16). Jedoch kann der verringerte Bedarf an Heizwärme im Sommer durch den Einsatz der überschüssigen Wärme als Antriebsenergie für Sorptionskältemaschinen ausgeglichen werden. So könnte die Anlage auch im Sommer wirtschaftlich betrieben werden. Dies hängt jedoch stark vom unternehmensspezifischen Kältebedarf ab. Der benötigte Wärmebedarf und damit die Auslegungsleistung der Anlage muss ausreichend hoch sein, da sonst die Anlage in der Anschaffung und gelegentlich auch in der Instandhaltung unwirtschaftlich ist. Es gilt der Grundsatz Je Größer desto ökonomischer. Abbildung 5-14 veranschaulicht diese Tatsache anhand von gasgefeuerten BHKW`s [ASUE 2011]. Seite 62

63 Die Anzahl der Betriebsstunden ist ein Knock Out - Kriterium. Durch höhere Investitions- und Betriebskosten ist eine Mindestbetriebsstundenzahl von Volllaststunden festgelegt worden, damit ein wirtschaftlicher Betrieb gewährleistet werden kann. Der Strombedarf des Unternehmens sollte groß genug sein um annähernd 80 % des selbst produzierten Stroms auch selbst nutzen zu können, da es in Österreich wenig profitabel ist den Strom ins öffentliche Netz einzuspeisen. Abbildung 5-14: Preisdegression bei gasgefeuerten BHKW s [ASUE 2011] Typische Verbraucher Nicht Produzierende Betriebe Wie schon erwähnt ergibt sich der Wärmebedarf bei nicht produzierenden Betrieben nur aus der Heizlast und dem Warmwasserbedarf eines Objektes, was zu starken Schwankungen im Jahresmittel führt. Sehr oft ist in diesem Fall der wirtschaftliche Betrieb nicht möglich Summe [MWh] Heizung [MWh] Warmwasser 0 Abbildung 5-15: Jahreswärmebedarf [eigene Darstellung, keine Prozesswärme: z.b: Hotel] Produzierende Betriebe Seite 63

64 In produzierenden Betrieben sorgt die, über das ganze Jahr nahezu konstant, benötigte Prozesswärme dafür, dass der Wärmebedarf geringeren Schwankungen unterliegt. Außerdem werden Module mit höheren Wärmeleistungen benötigt, die wegen den mit steigender Nennleistung fallenden Investitionskosten, eher wirtschaftlich betrieben werden können Summe [MWh] Prozesswärme [MWh] Heizung + Warmwasser [MWh] Abbildung 5-16: Jahreswärmebedarf [eigene Darstellung, mit Prozesswärme: z.b.: Metallverarbeitender Betrieb] Betriebsweisen Prinzipiell gibt es zwei Betriebsweisen, wobei auch Mischformen möglich sind auf die hier nicht näher eingegangen wird. Stromgeführt Diese Betriebsweise orientiert sich am Strombedarf des zu versorgenden Objektes, das heißt, dass die Anlage auf die erforderliche elektrische Leistung ausgelegt wird. Strombedarfsspitzen werden durch Netzstrom ausgeglichen. Eine Überproduktion von Wärme, die bei fehlendem Bedarf weggekühlt werden muss, ist eine negative Auswirkung dieser Betriebsweise. Aus ökologischer Sicht ist dies nicht anzustreben, da es nicht mehr dem Grundgedanken der gleichzeitigen Strom und Nutzwärmeerzeugung entspricht und dadurch der Brennstoffausnutzungsgrad erheblich verschlechtert wird. Einen Spezialfall stellt die stromgeführte Betriebsweise mit Auskopplung der überschüssigen Wärme in Nah-/ oder Fernwärmenetze dar. Dies entspricht einer dezentralen Energiebereitstellung, die die Wirtschaftlichkeit und den Ökologischen Nutzen (Brennstoffausnutzungsgrad) der Anlage erheblich steigern kann. Im Rahmen der WKK - Potentialauswertung wird nur Augenmerk auf die stromgeführte Variante gelegt, wenn ein externer Abnehmer für die überschüssige Wärme vorhanden ist. Wärmegeführt Die Wärmegeführte Betriebsweise orientiert sich am Wärmebedarf. Das KWK - Modul fährt seine maximale thermische Leistung und erzeugt einen Teil des Seite 64

65 benötigten Stroms. Die Bedarfsspitzen an Strom werden wiederum mit Netzstrom abgefangen. Um die Auslastung der Anlage zu steigern, empfiehlt es sich geeignete Pu7fferspeicher vorzusehen die in Zeiten geringen Wärmebedarfs geladen werden und die Volllaststunden der Anlage erhöhen. Fällt der Wärmebedarf unter einen gewissen Wert wird die Anlage abgeschaltet, weil das schlechte Teillastverhalten der meisten Module den Betrieb unwirtschaftlich macht. Die nötige Wärme kann aus den Pufferspeichern bezogen werden. Abbildung 5-17: Tageslastgang (wärmegeführt) [Krawinkler 2006] Auslegung Auf die richtige Dimensionierung der Anlage muss größtes Augenmerk gelegt werden, da nur Anlagen, die ausreichend viele Volllaststunden aufweisen die prognostizierten Amortisationszeiten erreichen können. Eine genaue zeitliche Aufzeichnung der Verbrauchswerte ist dafür unumgänglich. Auslegung mit Hilfe einer Jahresdauerlinie Misst man die stündlichen Leistungen und trägt sie geordnet über den Jahresstunden auf erhält man die Jahresdauerlinie Abbildung Mit ihrer Hilfe kann man bestimmen welche Leistung geeignet ist, um genügend Betriebsstunden zu erreichen. In Abbildung 5-18 ist die Anlage auf etwa 30 % der benötigten Wärmeleistung ausgelegt um die Volllaststundenzahl ausreichend hoch zu halten. Außerdem kann durch einen Pufferspeicher die Auslastung um annähernd 1500 S7tunden gesteigert werden. Seite 65

66 Abbildung 5-18: Jahresdauerlinie der Heizlast Auslegung auf Auslegungsleistung des bestehenden Heizsystems Über ein bestehendes Heizsystem kann nur dann auf die erforderliche Leistung zurückgerechnet werden wenn die Kessel nicht überdimensioniert wurden. Auslegung auf Basis der durchschnittlichen Wärmeleistung Die Durchschnittliche Leistung ergibt sich aus dem angegebenen Wärmebedarf, den Betriebsstunden und dem Prozesswärmeanteil. Um die Anlage nicht zu groß auszulegen wird ein Abschlagsfaktor festgelegt. Dieser Faktor soll die Unsicherheit der Berechnung, die durch die Mittelung der Leistung entsteht, ausgleichen. Tabelle 5-9: Leistungsberechnung Benötigte Wärme x Prozesswärmeanteil (%) / Betriebsstunden = Durchschnittliche Leistung X Abschlagsfaktor (%) = Auslegungsleistung Seite 66

67 Bei der durchgeführten Studie stehen detaillierte Informationen wie die Jahresdauerlinien nicht zur Verfügung. Für die weiteren Berechnungen wird mit dem Ansatz auf Basis der durchschnittlichen Leistung gearbeitet, da die meisten Unternehmen angegeben haben, dass sie ihre Kessel vorwiegend im Teillastbereich fahren und somit die Auslegung auf die bisherige Kesselleistung zu Überdimensionierung führen würde. Benötigte Daten Aus den vorhandenen und marktreifen Technologien kann abgeleitet werden welche energiespezifischen und wirtschaftlich relevanten Daten abgefragt werden müssen um einen Vorschlag für eine geeignete Technologie machen zu können. Diese sind: Zeitliche Auflösung des mengenmäßigen Bedarfs an Strom und Wärme Verwendungszweck der Wärme und des Stroms Betriebsstunden der Betriebe/Anlagen Benötigte Temperaturniveaus für Prozesse und Raumheizungen etc. Potentielle Abnehmer der erzeugten Energie Spezifikationen der internen Energieanlagen wie z.b.: Art der Energieanlage Brennstoffart, Brennstoffbedarf, Jahr der Investition etc. Nutzungspotenziale Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Mithilfe der erhobenen Daten kann für die teilnehmenden Betriebe das WKK - Potential beurteilt werden. Da durch unvollständige Datensätze ein verzerrtes Bild von der realen Situation entstehen kann sind die ermittelten Potentiale als Richtwerte für genauere Untersuchungen zu verstehen. Ein wirtschaftlicher Betrieb von Gas-, Dampfturbinen, Stirlingmotoren und Brennstoffzellen konnten wegen zu geringer Betriebsstunden in den meisten Unternehmen ausgeschlossen werden. Wegen der geringeren spezifischen Investitionskosten von Kolbenmaschinen, im Speziellen von Gasmotoren, gegenüber den meisten anderen Aggregate (siehe Kap 5.3) beschränkt sich die Berechnung vorwiegend auf diese Variante der gekoppelten Kraft-Wärme-Erzeugung. Ein weiterer Vorteil der Gasmotoren ist die Möglichkeit zur Feuerung alternativer Brennstoffe. Diese Brennstoffe, wie zum Beispiel Gase aus Biomassevergasung, können die variablen, also die verbrauchsbezogenen Kosten wesentlich senken und damit einen wirtschaftlichen Betrieb erleichtern. Die Auslegung der WKKs wurde nur für jene Betriebe gemacht bei denen es energetisch und wirtschaftlich sinnvoll ist. Der im Unternehmen benötigte Wärmebedarf muss über einen Zeitraum von 4000 Stunden relativ konstant vorhanden sein und das benötigte Temperaturniveau darf die erreichbaren Temperaturen der Gasmotoren nicht übersteigen. Seite 67

68 Für Betriebe mit potentiellen Wärmeabnehmern (Industriebetriebe, Hotels, Fernwärme etc.) in der Nähe wurde zusätzlich noch untersucht, ob ein stromgeführter Betrieb mit Auskopplung überschüssiger Wärme möglich ist. Abbildung 5-19: Wärme und Abbildung 5-20: Strom zeigen die Ergebnisse der Untersuchung. Abbildung 5-19: Wärmebedarf und durch WKK abgedeckter Anteil Abbildung 5-20: Strombedarf und durch WKK abgedeckter Anteil Es ist deutlich erkennbar, dass bei stromgeführter Betriebsweise mit Wärmeauskopplung der Deckungsbeitrag der Anlagen am Gesamtstrombedarf um einiges höher ist als der bei wärmegeführter Betriebsweise. Wie schon erwähnt muss die Differenzwärme von wärmegeführter Auslegung zu Stromgeführter Auslegung von Verbrauchern in der Nähe abgenommen werden. Seite 68

69 Auf die Potentiale der untersuchten Industrien wird in den folgenden Kapiteln näher eingegangen Papier- und Zellstoffindustrie Die befragten Unternehmen der Papier- und Zellstoffindustrie, in denen wegen der vorherrschenden Prozesse hoher Wärmebedarf zu ausreichenden Betriebsstunden und damit Wärme-Kraft-Kopplungspotential vorhanden wäre, haben dieses bereits großteils umgesetzt. Die übrigen Betriebe benötigen vor allem Strom für die Produktion und haben keine potentiellen Abnehmer in der Umgebung. Dadurch kann das geringe Wärme-Kraft-Kopplungspotential erklärt werden. Tabelle 5-10: WKK-Potential Papier- und Zellstoffindustrie Wärmebedarf WKK WKK mit Auskopplung 2800 GWh 4,4 GWh 15 GWh Anteil am Wärmebedarf 0,16 % 0,54 % Strombedarf WKK WKK mit Auskopplung 1525 GWh 4 GWh 13 GWh Anteil am Strombedarf 0,26 % 0,85 % Lebensmittelindustrie In der Lebensmittelindustrie benötigen die typischen Prozesse wie Kochen und Trocknen einen konstanten Energiebedarf bei relativ geringen Temperaturen von meist unter 140 C. Daher kann durch Auskopplung von Wärme der Deckungsbeitrag am gesamt Bedarf nur wenig gesteigert werden. Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen sind also in jedem Fall eine vielversprechende Möglichkeit zur Energiebereitstellung in der Lebensmittelindustrie. Tabelle 5-11: WKK-Potential Lebensmittelindustrie Wärmebedarf WKK WKK mit Auskopplung 166 GWh 59 GWh 60 GWh Anteil am Wärmebedarf 35,5% 36% Strombedarf WKK WKK mit Auskopplung 53 GWh 49 GWh 51 GWh Anteil am Strombedarf 92% 96% Seite 69

70 5.4.4 Metallverarbeitende Industrie Die Prozesse mit dem größten Energiebedarf bei metallverarbeitenden Betrieben sind Schmelz- und Glühprozesse, die bei Temperaturen jenseits der erreichbaren Nutztemperaturen aller WKK-Module arbeiten. Eine Substitution dieser ist somit ausgeschlossen. Jedoch benötigt die metallverarbeitende Industrie viel Strom, der bei einer stromgeführten Betriebsweise des Gasmotors und vorhandenem Bedarf an Wärme in benachbarten Betrieben oder Fernwärmenetzen kostengünstig im eigenen Unternehmen erzeugt werden kann. Tabelle 5-12: WKK-Potential Metallverarbeitende Industrie Wärmebedarf WKK WKK mit Auskopplung 2269 GWh 34 GWh 171 GWh Anteil am Wärmebedarf 1,5% 7,5% Strombedarf WKK WKK mit Auskopplung 1062 GWh 25 GWh 139 GWh Anteil am Strombedarf 2,3% 13% Maschinenbauindustrie Noch eindeutiger fällt dieser Effekt bei den untersuchten Betrieben der Maschinenbauindustrie aus. Dies ist damit zu erklären, dass die Maschinen, die zur Produktion benötigt werden und mit Strom betrieben werden, den größten Anteil am Energiebedarf stellen. Der Wärmeverbrauch ergibt sich in dieser Branche hauptsächlich aus dem Warmwasser- und Heizwärmebedarf und spielt somit eine untergeordnete Rolle. Tabelle 5-13: WKK-Potential Maschinenbauindustrie Wärmebedarf WKK WKK mit Auskopplung 212 GWh 17 GWh 120 GWh Anteil am Wärmebedarf 8% 57% Strombedarf WKK WKK mit Auskopplung 309 GWh 14 GWh 102 GWh Anteil am Strombedarf 4,5% 33% Seite 70

71 5.4.6 Steine-, Erden-, Glasindustrie Die direkt gefeuerten Prozesse der Steine-, Erden- und Glasindustrie, wie zum Beispiel das Brennen von Keramik oder das Schmelzen von Glas können ebenso wenig ersetzt werden. Hier ist der substituierbare Energieanteil durch wärmegeführte Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen praktisch null. Bei stromgeführtem Betrieb liegt der Deckungsbeitrag, wie man aus Tabelle 5-14 entnehmen kann höher. Tabelle 5-14: WKK-Potential Steine, Erden, Glas Wärmebedarf WKK WKK mit Auskopplung 456 GWh 0 GWh 53 GWh Anteil am Wärmebedarf 0 % 11,6% Strombedarf WKK WKK mit Auskoppelung 136 GWh 0 GWh 45 GWh Anteil am Strombedarf 0% 33% Seite 71

72 6 Potenzial Erneuerbarer Energie in der Produktion Die erneuerbaren Energien Solarpotenzial (Solarthermie, Photovoltaik) und Zusätzliches Wasserkraftpotenzial sowie deren Nutzungspotenziale werden in diesem Kapitel besprochen. 6.1 Solare Nutzung Dieses Kapitel behandelt die Potenziale für die solare Nutzung, im speziellen den Einsatz von solarthermischen Anlagen, in der Industrie. Zu Beginn wurden Solarpotenzialflächen erhoben. Abschließend wird auf die Thematik der Einbindung von Solaranlagen zur Bereitstellung von Prozesswärme eingegangen und es werden kurz die Möglichkeiten zur Beheizung von Industriehallen beschrieben Solarpotenzialflächenerhebung im Rahmen der Studie Im Rahmen der Primärerhebung wurden die Potenzialflächen für solare Nutzung (Solarthermie- und Photovoltaikanlagen) erhoben. Zudem werden gebäudetechnische Daten erhoben, um abzuschätzen, ob die Installation von Paneelen auf Industriehallendächern überhaupt möglich ist. Im Rahmen der Abwärmestromerhebung wurden m² Potenzialflächen für Solarthermie- bzw. Photovoltaikanlagen auf steirischen Industriedächern dokumentiert. Circa die Hälfte der befragten Betriebe gab an, dass Teile Ihrer Dächer für solare Nutzungen geeignet sind Abbildung 6-1: Erhobene Solarpotenzialflächen in steirischen Industriebetrieben in m² Wie man aus Abbildung 6-1 entnehmen kann wurden in der Maschinenbauindustrie mit über m² die größte Solarpotenzialfläche erhoben. In der Papier- und Zellstoffindustrie wurden ebenfalls viele m² Solarpotenzial erhoben. Aufgrund der hohen benötigten Prozesstemperaturen sind diese Potenziale in aller Regel nicht wirtschaftlich nutzbar. Ähnliches gilt für die Umsetzung von Solarpotenzialen in der Eisen- und Stahlindustrie, sowie im Bereich Steine Erden Glas. In der Lebensmittelindustrie wurden in der Steiermark in den vergangenen Jahren schon einige Solarthermieprojekte umgesetzt, daher sind in dieser Industrie die noch verfügbaren Solardachflächen geringer. Seite 72

73 Da, bezüglich des Solarpotenzials nur von einem Teil der steirischen Industriebetriebe Informationen vorliegen, kann davon ausgegangen werden, dass das wirkliche Potenzial signifikant höher ist. Die restlichen Industrien wurden im Rahmen dieser Studie nicht empirisch erhoben, die auf Abbildung 6-1 ausgewiesenen Solarpotenzialflächen stammen von Betrieben, die zu Referenzzwecken stichprobenartig erhoben wurden und nicht den fünf energieintensivsten zuzurechnen sind Technologien zur Nutzung von Solarthermie Solarthermische Anlagen wandeln die einfallende Sonnenstrahlung über Kollektoren in Wärmeenergie um, d.h. sie wandeln kurzwellige Solarstrahlung in langwellige Wärmestrahlung mittels Absorption um. Über ein Wärmeträgermedium kann diese Wärme direkt im Prozess genutzt oder einem Speicher für die spätere Nutzung zugeführt werden [Kaltschmitt & Streicher, 2009, S. 120]. Wichtigstes Element einer Solaranlage ist der Kollektor, der im Fall nicht konzentrierender Flüssigkeitskollektoren die in Österreich am häufigsten verwendet werden - aus den Systemkomponenten Absorber, Gehäuse, Abdeckung, Isolierung und Wärmeträgermedium besteht. Neben dem Kollektor sind unter anderem auch noch Speicher, Pumpen, Leitungen und Mess- und Regeleinrichtungen für den Betrieb einer Solaranlage notwendig [Kaltschmitt & Streicher, 2009, S. 121]. Generell wird zwischen stationären und konzentrierenden Kollektoren unterschieden. Im Gegensatz zu stationären Kollektoren müssen konzentrierende Kollektoren einoder zweiachsig nachgeführt werden, wobei Letztere meist zur Erzeugung von Solarstrom und nicht zur Bereitstellung von Prozesswärme eingesetzt werden. Zu den stationären Kollektoren zählen Flach-, Vakuumröhren- und CPC (Compound Parabolic Collector)- Kollektoren. Fresnel-, Parabolrinnen- und CTC-Kollektoren stellen konzentrierende Kollektoren dar [Kalogirou, 2003, S. 348]. In Tabelle 6-1 sind verschiedene Kollektorbauarten, die sich für den industriellen Einsatz zur Bereitstellung von Prozesswärme eignen, dargestellt. Tabelle 6-1: verschiedene Kollektorbauarten für den industriellen Einsatz [nach Daten von (1) DSTTP, 2010, S. 36; (2) Rommel, 2011, S. 3; (3) Kalogirou, 2003, S. 3; (4) Weiss, 2007, S. 11] Arbeitstemperatur Kollektorbauart Referenz 0-40 Unabgedeckte Kollektoren Flachkollektoren Verbesserte Flachkollektoren (doppelt verglast, Antireflex-Beschichtung) Vakuumröhrenkollektoren CPC-Kollektoren (stationär) CPC-Kollektoren (evakuiert) Parabolrinnenkollektoren Fresnelkollektoren CTC-Kollektoren (cylindrical through collector) 3 Es ist ersichtlich, dass sowohl für Niedertemperatur- als auch für Mitteltemperaturanwendungen Technologien zur Verfügung stehen. Im Niedrigsttemperaturbereich werden unabgedeckte Kollektoren mit einer Arbeitstemperatur von 0-40 C verwendet. Für den Niedertemperaturbereich reichen meist einfache Flachkollektoren aus. Mit zunehmendem Temperaturniveau steigen Seite 73

74 jedoch die Anforderungen an die Kollektoren. Für den Mitteltemperaturbereich stehen verbesserte Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und konzentrierende Kollektoren, die entweder stationär oder einfach nachgeführt sind, zur Verfügung [Rommel, 2011, S. 3). Kollektoren bis zu einem Temperaturniveau von 80 C stellen eine ausgereifte Technologie dar. Im Mitteltemperaturbereich von 80 bis 250 C, der für die Bereitstellung von Prozesswärme besonders interessant ist, werden Forschungsanstrengungen unternommen, um die Kollektoren zu optimieren und weiterzuentwickeln, damit ein vermehrter Einsatz in der Industrie ermöglicht werden kann. Nachfolgend soll auf Flach-, Vakuumröhren-, CPC-, Parabolrinnen- und Fresnelkollektoren näher eingegangen werden. Im nachfolgenden Wirkungsgradkennliniendiagramm können die verschiedenen Kollektorbauarten miteinander verglichen werden, somit kann für den jeweiligen Einsatz der passende Kollektor ausgewählt werden. In der Abbildung 6-2 sind die Wirkungsgradkennlinien für Flach-, Vakuumröhren- und Parabolrinnenkollektoren ersichtlich. Es ist erkennbar, dass Flachkollektoren auf einem niedrigen Temperaturniveau den höchsten Wirkungsgrad aufweisen, mit steigendem Temperaturunterschied jedoch zunehmend ungeeignet sind. Einerseits kann der höhere Wirkungsgrad der Flachkollektoren bei geringen Temperaturen durch die höheren optischen Verluste von Vakuumröhren- und Parabolrinnenkollektoren erklärt werden, andererseits kann der höhere Wirkungsgrad der Vakuumröhren- und Parabolrinnenkollektoren durch die höheren thermischen Verluste der Flachkollektoren bei steigender Temperatur erklärt werden [Müller et al., 2004, S. 45). Abbildung 6-2: Wirkungsgradkennlinien Kollektorbauarten [Müller et al.,2004, S. 45) Einbindung thermischer Solaranlagen Solarthermische Anlagen können sowohl in das Energieversorgungssystem, in das Kühlsystem als auch direkt in den Prozess selbst integriert werden [Kalogirou, 2003, S. 343; Schnitzer et al., 2007, S. 1272). Zur Integration von Solarthermie in den Seite 74

75 Industriebetrieb bestehen unter anderem folgende Anwendungsmöglichkeiten [Schnitzer et al., 2007, S ; Mekhilef et al., 2011, S. 1779): Warmwasserbereitstellung (Brauchwasser) Dampferzeugung Vorwärmung von Speisewasser, Einsatz- und Rohstoffen Prozesse (Trocknung, Entwässerung, Pasteurisieren, Sterilisieren, Kochen, etc.) Beheizung und Kühlung von Industriegebäuden Bereitstellung von Kälte Solare Entsalzung Prozesswärmebereitstellung In Abbildung 6-3 sind verschiedene Möglichkeiten zur Einbindung einer Solaranlage eines wasser- bzw. dampfgeführten Prozesses ersichtlich. Neben Wasser und Dampf kommt auch noch Luft als Wärmeträger in Frage [Müller et al., 2004, S. 47]. Abbildung 6-3: Möglichkeiten zur Integration von Solarthermie [in Anlehung an Müller et al., 2004, S. 48; Kalogirou, 2003, S. 343; Marty & Frank, 2011, S. 1-2] In Abbildung 6-3 sind sowohl Möglichkeiten zur Einbindung einer solarthermischen Anlage auf Versorgungsebene, als auch auf Prozessebene dargestellt. Zudem besteht die Möglichkeit, dass es in einem Betrieb ein oder mehrere Subnetze gibt, die ein anderes Temperaturniveau als das Versorgungsnetz aufweisen. Auf Versorgungsebene kann die Solaranlage im Falle eines Heizkessels zur Warmwasserbereitstellung direkt nach dem konventionellen Heizsystem, zur Vorwärmung des Kaltwasserzulaufes, des Prozessrücklaufes und der Vorwärmung Seite 75

76 sowohl des Prozessrück- als auch des Kaltwasserzulaufes eingesetzt werden. Im Falle eines Dampfkessels kommt zudem die Vorwärmung des Kesselspeisewassers oder die Parallelschaltung einer Solaranlage zur Dampferzeugung in Frage. Vorteil der Einbindung von Solarthermieanlagen auf Versorgungsebene ist die meist einfache Einbindung in das bestehende Energieversorgungssystem [Schmitt et al., 2011, o.s.]. Im Falle der Erwärmung des Kaltwasserzulaufes und/oder des Prozessrücklaufes handelt es sich meist um geringe bis mittlere Temperaturen, wodurch der Einsatz von Flachkollektoren möglich ist. Wird die Solaranlage in das Warmwassersystem nach dem konventionellen Heizsystem eingekoppelt (vgl. Möglichkeit 1a) müssen meist höhere Temperaturen bereitgestellt werden, wodurch meist kostenintensivere Kollektoren eingesetzt werden müssen. Zudem müssen der Prozesstemperatur entsprechende Kollektoren ausgewählt werden beziehungsweise verfügbar sein. Wird die Solaranlage zur Dampferzeugung eingesetzt, ist das sehr hohe Temperaturniveau zu beachten, wodurch der Einsatz von konzentrierenden Kollektoren erforderlich wird [Müller et al., 2004, S. 49]. Bei der Einbindung der Solaranlage auf Prozessebene (z.b. Erwärmen von industriellen Bädern) liegt das zu bereitstellende Temperaturniveau der Prozesswärme meist unter dem Temperaturniveau auf Versorgungsebene, wodurch kostengünstigere Flachkollektoren eingesetzt und eine größere Temperaturspanne erreicht werden können. Dadurch kann der Solarertrag und die Wirtschaftlichkeit deutlich erhöht werden [Schmitt et al., 2011, o.s.]. Solare Industriegebäudeheizungen Industriehallen weisen im Vergleich zu anderen Gebäudetypen meist sehr hohe Raumhöhen von fünf bis zehn Metern und eine niedrige geforderte Raumtemperatur von 15 bis 18 C auf, weshalb sie für eine solarthermische Beheizung sehr geeignet sind [Jähnig & Weiss, 2007, S. 3]. Wenn eine Solaranlage zur Hallenheizung integriert werden soll, sind der Dämmstandard und die Nutzung des Industriegebäudes zu beachten, da beispielsweise hohe interne Wärmelasten und ein häufiges Öffnen der Tore die Beheizung der Gebäude stark beeinflussen. Zusätzlich kann angenommen werden, dass Industriehallen mit Ausnahme des Betonfußbodens kaum Speichermasse aufweisen [Jähnig & Weiss, 2007, S. 5]. Wie in Abbildung 6-4 ersichtlich, stehen zur Beheizung von Industriehallen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Abbildung 6-4: geeignete Heizungssysteme für Industriehallen [in Anlehnung an Schwank, 2010] Seite 76

77 Man unterscheidet direkt und indirekte Warmlufterzeuger, Strahlungsheizungen und Flächenheizungen. Hell- und Dunkelstrahler werden direkt über einen Gasbrenner befeuert und weisen Temperaturen bis 650 C (Dunkelstrahler) bzw. 900 C (Hellstrahler) auf, womit sie zur solarthermischen Nutzung ausscheiden [ASUE, o.j., S. 6-8]. Deckenstrahler hingegen werden über ein Warmwassersystem betrieben, jedoch werden hohe Temperaturen im Bereich von 50 bis 70 C und höher benötigt [Jähnig & Weiss, 2007, S. 3]. Die vielversprechendste Möglichkeit zur Nutzung von solarthermischen Anlagen zur Industriegebäudebeheizung stellen Flächenheizungen dar, da sie sehr geringe Vorlauftemperaturen aufweisen. Hierbei wird zwischen Fußboden- und Wandflächenheizungen und Bauteilaktivierungen unterschieden. In Abbildung 6-5 sind mögliche Systemkonzepte zur Integration von solarthermischen Anlagen zur Industriegebäudebeheizung dargestellt. Abbildung 6-5: Systemkonzepte zur Industriegebäudeheizung [in Anlehnung an Müller et al., 2004, S. 58] Solarthermische Anlagen zur Industriegebäudebeheizung können sowohl auf dem Dach angeordnet als auch in der Fassade integriert sein. Zudem sind sie sowohl bei Neubauten als auch bei der Sanierung von Gebäuden einsetzbar [Müller et al., 2004, S ]. In der Abbildung sind drei verschiedene Möglichkeiten dargestellt, solarthermische Anlagen in die Raumheizung zu integrieren. Die drei Konzepte gelten sowohl für Fußboden- und Wandflächenheizungssysteme als auch für Betonkernaktivierungssysteme. Als Raumheizung für Industriehallen kommt vor allem Konzept Nummer 1 in Frage, wobei ein Solarkollektor einen Speicher erwärmt, der wiederum ein Flächenheizungssystem speist. Wird die solarthermische Anlage neben der Flächenheizung auch noch zur Brauchwassererwärmung, Prozesswärme oder Heizung von Bürogebäuden genutzt, ist dieses Konzept besonders sinnvoll. Eine weitere Variante ist, die Betonmasse als Speichermedium zu verwenden, um den Speichertank zu ersetzen. Dieses Konzept erscheint sinnvoll, da Industriehallen meist eine ausreichende Konstruktionshöhe des Bodens und niedrige geforderte Seite 77

78 Raumtemperaturen aufweisen. Um das System weiter zu vereinfachen, kann zusätzlich auf den Wärmetauscher verzichtet werden. Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die durch den Solarkollektor vom Wärmeträger aufgenommene Wärme direkt im Heizungssystem verwendet werden kann und die Kosten und Wärmeverluste durch den Wärmetauscher entfallen. Nachteilig ist, dass als Wärmeträgermedium ein Frostschutzmittel eingesetzt werden muss, das kostenintensiv ist und zeitweise ausgetauscht werden muss [Jaehnig & Weiss, 2007, S. 8-9] Sekundärerhebung Solarthermiepotenziale Promise Die Potenzialstudie Promise Produzieren mit Sonnenenergie aus dem Jahr 2004 hat die Ermittlung von Potenzialen zur thermischen Solarenergienutzung in Gewerbe- und Industriebetrieben in Österreich zum Ziel. Zu den ausgewählten Branchen, die weder große Abwärmemengen, Hochtemperaturprozesse noch einen geringen Endenergieverbrauch für Niedertemperaturanwendungen aufweisen - und somit für solarthermische Anwendungen geeignet sind - zählen die Nahrungs- und Genussmittel-, Getränke-, Textil- und Gummi- und Kunststoffbranche, die chemische Industrie und ausgewählte Verfahren anderer Wirtschaftszweige. In dieser Studie werden das kurzfristige Potenzial (bis 100 C) und das mittelfristige Potenzial (bis 250 C) für die ausgewählten Branchen in Österreich berechnet. Zur Abschätzung des solarthermischen Potenzials werden im ersten Schritt der Prozesswärmebedarf der Branchen bis 100 C und bis 250 C und der Raumwärme- und Kühlbedarf anhand von Energiestatistiken und Branchenauswertungen abgeschätzt. Um das solarthermische Potenzial berechnen zu können werden folgende Annahmen getroffen [Brunner et al., o.j.a, S ]: fossiler Anteil des Wärmebedarfes von 85 % 40 % solarthermisch erschließbar solarer Deckungsgrad von 40 % für Prozesswärme und 20 % für Raumheizung/Kühlung Mit diesen Annahmen kann ein kurzfristiges solarthermisches Potenzial für die ausgewählten Branchen von 3,3 PJ/a bzw. ein mittelfristiges Potenzial von 5,4 PJ/a berechnet werden. Zur Deckung des Potenzials sind im ersten Fall 2,6 Millionen m 2 Kollektorfläche und im zweiten Fall 4,3 Millionen m 2 Kollektorfläche notwendig. Mit dieser Abschätzung könnten kurzfristig 1,3 % und langfristig 2 % des gesamten Energiebedarfes der österreichischen Industrie (264 PJ/a) solarthermisch gedeckt werden [Brunner et al., o.j.a, S ]. Seite 78

79 Tabelle 6-2: Solarpotenzial Promise [nach Daten von Müller et al., 2004, S ] Wärmebedarf Industrie in PJ/a solarthermisches Potenzial in PJ/a bis 100 C bis 250 C ,3 5,4 nötige Kollektorfläche in Mio. m 2 2,6 4,3 Anteil am Wärmebedarf 1,3% 2,0% In Ergänzung des Promise-Projektes wird im Projekt Styrian Promise zudem eine solarthermische Potenzialabschätzung für Gewerbe- und Industrieunternehmen in der Steiermark durchgeführt. Zu den ausgewählten Branchen zählen die Lebensmittel-, Metall, Chemie-, Textil- und Papier- und Pappeindustrie. Aufgrund der unzureichenden Datenlage konnte für die Chemieindustrie kein Potenzial abgeschätzt werden. Die Potenzialberechnung erfolgt auf Grundlage des thermischen Energiebedarfes der jeweiligen Branche, der mittels statistischer Auswertung aus den Daten der Unternehmensfragebögen hochgerechnet wird. Das prozesstechnische Potenzial wird berechnet indem der Anteil von Niedertemperaturprozessen am gesamten Wärmebedarf abgeschätzt wird. Es wird angenommen, dass 100 % der Prozesse in der Lebensmittelindustrie, 20 % der Prozesse in der Metallindustrie und 31 % der Prozesse der Papierindustrie Niedertemperaturprozesse darstellen. Unter der Annahme, dass das solartechnische Potenzial 20 % beträgt, wird das solare Potenzial je Branche berechnet [Brunner et al, o.j.a, S ]. In Abbildung 6-6 ist das Solarpotenzial der Studie Styrian Promise dargestellt. PJ/a Solarpotenzial Promise Styria gesamter thermischer Energiebedarf prozesstechnisches Potenzial solares Potenzial 0 Abbildung 6-6: Solarpotenzial Styrian Promise [in Anlehnung an Brunner et al., o.j.a, S. 52] Seite 79

80 6.2 Kleinwasserkraft Im Rahmen der Erhebung wurde bei den Betrieben das Potenzial für zusätzliche Wasserkraftwerke ermittelt. Ziel der Erhebung ist es bereits realisierte Projekte sowie ehemalige Kleinwasserkraftstandorte zu lokalisieren. Die Erhebung ergab, dass bisher vor allem im Papier und Zellstoffsektor Kleinwasserkraftnutzungen vorhanden sind. In zumindest fünf steirischen Industriebetrieben sind Potenziale zur intensivierten Wasserkraftnutzung dokumentiert bzw. Vorprojekte zur Umsetzung dieser zum Teil im Gange. Zusätzlich verfügen einige steirische Industriebetriebe über historische Werkskanäle bzw. über Zugänge zu fließenden Gewässern, deren Durchfluss jedoch oft zu gering ist als dass eine Nutzung vom Betrieb als wirtschaftlich sinnvoll erachtet wird. Ein der größten Barrieren sind die hohen Amortistationszeiten von Wasserkraftanlagen. Wie sich anhand der bereits realisierten Projekte sehen lässt, ist lediglich in den Branchen, welche aufgrund ihres Produktionsablaufs Investitionen mit langen Rückzahlungsdauern tätigen müssen, die Bereitschaft vorhanden Wasserkraftanlagen zu bauen. Im Zuge der Erhebung wurde eine Leistung von 21 MW Kleinwasserkraft im Produktionsbereich ermittelt, des Weiteren wurde ein durch Vorprojektierungen errechnetes Potential von max. 53 GWh erhoben. Eine Hochrechnung des Potentials ist aufgrund der geringen Informationen nicht möglich. Seite 80

81 7 Energiebedarf der Produktionsgebäude Österreichweit wurden im Jahr ,19 % des gesamten Energieverbrauchs der Produktion zur Raumwärmebereitstellung verwendet [Statistik Austria, 2007]. Nach einer Abschätzung, welcher die Systematik der Einteilung des Endenergieverbrauchs nach Nutzenergieklassen [Statistik Austria] zu Grunde liegt, wurden in der Steiermark TJ zur Beheizung von Räumen im produzierenden Sektor verwendet. Im Rahmen der Studie wurde in den fünf energieintensivsten Industrien, in denen ein Großteil der Energie für Prozesse verwendet wird, 7 % des Gesamtenergieeinsatzes Raumwärme zugeordnet. In den drei energieintensivsten Industrien ist der relative Raumwärmeanteil vernachlässigbar gering. Während in den Branchen Papier- u. Zellstoffindustrie, Eisen- und Stahlindustrie sowie Steine, Erden, Glas der Raumwärmeanteil unter 2 % des thermischen Energiebedarfs liegt, werden in der Maschinenbauindustrie, welche Platz 4 (Abbildung 3-1) bezogen auf den Gesamtenergiebedarf belegt, bereits 70 % des Gesamtenergieeinsatzes zur Konditionierung der Gebäude verwendet. Ebenfalls erhoben wurde der Raumwärmebedarf der Lebensmittelindustrie, welcher 20 % beträgt, in diesem Sektor kann jedoch davon ausgegangen werden, dass es prozessbedingt zu hohen internen Wärmegewinnen kommt. Besonders bei älteren Produktionshallen und Werkstätten liegt aufgrund der zumeist niedrigeren Baustandards sowie der geringen, geforderten Raumtemperaturen ein durchaus bemerkenswertes Energiereduktionspotenzial vor. Durch thermische Sanierungen sowie die Einführung von Passivhausstandards im Neubau sind deutliche Reduktionen des spezifischen Heizwärmebedarfs möglich. Zur Veranschaulichung, in welchem Rahmen sich der Raumwärmebedarf bewegt, können die Kennwerte der Design Guidelines - Solar Space Heating of Factory Buildings [Jähnig u. Weiss, 2007] herangezogen werden, siehe Abbildung 7-1. Abbildung 7-1: Heizwärmebedarf von Produktionsgebäuden laut der Studie Guidelines for Solar Space Heating of factory buildings [Jähnig u. Weiss, 2007] Der Heizwärmebedarf in kwh, bezogen auf das Jahr sowie den m 2 Fläche, ist im Bereich der Gebäudebewertung eine geläufige Kennzahl. Aus diesem Grund wurde dieser aus den erhobenen Daten für die Nutzungsklassen Produktionsbereich und Lager berechnet. Um diesen berechnen zu können, musste ebenfalls der absolute Wärmebedarf zur Beheizung der Büroflächen ermittelt werden. Für diese Seite 81

82 Kalkulationen wurde ein gemittelter Wert aus der OIB-Richtlinie 6 für die Nichtwohngebäude Kategorie 1 herangezogen. [OIB, 2011] Heizwärmebedarf für Lager und Produktionsflächen in kwh/m 2 a Maschinenbauindustrie max Raumwärmebedarf Ø Raumwärmebdarf Eisen und Stahlverarbeitung max Raumwärmebedarf Ø Raumwärmebdarf Lebensmittelindustrie max Raumwärmebedarf Ø Raumwärmebdarf Abbildung 7-2: Heizwärmebedarf für Produktions- und Lagerflächen In der Erhebung wurde der Sektor Eisen und Stahl in die Bereiche Eisen u. Stahlerzeugung und Eisen u. Stahlverarbeitung unterteilt. Die Sektoren Papier u. Zellstoff sowie Eisen und Stahlerzeugung sind in den Berechnungen nicht berücksichtigt worden, da zu einen der Raumwärmebedarf einen minimalen Einfluss auf die Energiesituation hat und zum anderen die prozessbedingte Abwärme in den Hallen die Heizlast deckt. In Abbildung 7-2 sind die berechneten Werte der drei relevanten erhobenen Sektoren angeführt. Es sind jeweils die Durchschnittswerte über den Sektoren und der jeweilige Maximalwert angeführt. Wie sich in einem direkten Vergleich des Case 2 5 Studie solar space heating of factory buildings (siehe Abbildung 7-1) und erhobenen Werte erkennen lässt, weichen die gemittelten Werte in Sektoren Eisen u. Stahlverarbeitung und sowie Maschinenbau deutlich ab. Im Sektor Lebensmittelindustrie ist, wie bereits zu Beginn des Kapitels erwähnt, der Raumwärmebedarf produktionsbedingt geringer. Es wurde davon abgesehen das Potential für diese Bereiche hochzurechnen, da keine eindeutige Korrelation der konditionierten Flächen innerhalb der Sektoren vorhanden ist. Produktionsgebäude sowie Lagerflächen fallen laut OIB-Richtlinie in die Kategorie sonstige konditionierte Gebäude, für diese wurden bis dato noch keine Energieeffizienzklassen definiert. Dies trägt dazu bei, dass potentielle Investoren oft keine gesetzlichen Rahmenbedingungen vorfinden, aufgrund welcher sie argumentieren können. 5 Fall 2 = ein schlecht gedämmtes Produktionsgebäude; diese Variante wurde gewählt, da nicht in allen Bereichen eine, wie im Fall 1 angenommen, hohe Luftwechselrate vorliegen kann Seite 82

83 8 Zusammenfassung & Ausblick Aus den fünf energieintensivsten steirischen Industrien, Papier- und Zellstoffindustrie, Eisen- und Stahlindustrie, Steine Erden Glasindustrie, Maschinenbauindustrie und Lebensmittelindustrie wurden über 40 Betriebe vor Ort besucht, nachdem vorher eine Primärerhebung über Fragebogen und Internet erfolgte. Neben den persönlich vor Ort befragten Unternehmen gelang es Daten von circa 30 weiteren Unternehmen mittels Onlinefragebogen bzw. Kurzfragebogen, telefonische Datenerhebung zu erheben. Im Rahmen des Projektes wurden beinahe alle großen energieintensiven Betriebe der Steiermark vor Ort besucht. Die erreichten Betriebe repräsentieren über 95% des Gesamtenergiebedarfs der Papier- und Zellstoffindustrie. Die Betriebe der Eisen- und Stahlindustrie wurden ebenfalls sehr gut erfasst. Die befragten Industriebetriebe repräsentieren über 80% des Gesamtenergiebedarfs der Eisen- und Stahlindustrie in der Steiermark. Die Betriebe wurden im Rahmen der Datenanalyse auf wirtschaftlich nutzbare Potenziale untersucht. Diesbezüglich wurden die erhobenen Daten mit der im Kapitel 0 beschrieben Methode ausgewertet. Zu der größten Herausforderung bei der Befragung zählte die mangelnde Bereitschaft von Betrieben an der Studie teilzunehmen. Gründe hierfür wurden im Kapitel gesammelt dargestellt. Im Rahmen der Sekundärerhebung wurde im Kapitel ein Literaturvergleich durchgeführt. Die im Rahmen der Studie erhobenen gesamten technischen Abwärmepotenziale belaufen sich auf 15 % des Gesamtenergiebedarfs der steirischen Industrie. Im Vergleich zu Abwärmepotenzialstudien liegt dieser Prozentsatz im mittleren Bereich, da vergleichbare Studien im In- und Ausland Abwärmepotenziale zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen kamen (vgl. Tabelle 3-16). Im Rahmen der Sekundärerhebung wurden verschiedenste interne Abwärmenutzungsmöglichkeiten diskutiert bzw. die bisher in der Steiermark extern umgesetzten Abwärmenutzungen aufsummiert. Abschließend wurde eine Liste von Vorraussetzung für die wirtschaftliche Verwendbarkeit von Abwärmeströmen in Fernwärmenetzen erstellt. Die Branchenauswertung Kapitel 4 Potenzial industrieller Abwärme in der Steiermark ergab, dass in der Papier- und Zellstoffindustrie bzw. in der Eisen- und Stahlindustrie jeweils schon circa 100 GWh in externe Fernwärmenetze ausgekoppelt werden. Tabelle 4-7 veranschaulicht, dass die dokumentierten 200 GWh circa 2 % des Raumwärmebedarfs alle steirischer Wohngebäude abdecken. Diese beiden Industrien sind aufgrund Ihrer hohen Prozesstemperaturen auch für ¾ der noch verfügbaren technischen und der umsetzbaren Abwärmepotenziale aller steirischen Industriebetriebe verantwortlich. Die zukünftig noch extern wirtschaftlich nutzbaren Abwärmepotenziale belaufen sich laut Tabelle 4-7 auf circa 4 % des Raumwärmebedarfs aller steirischen Wohngebäude. Die umsetzbaren Abwärmepotenziale stellen die wirtschaftlichen Abwärmepotenziale abzüglich der erwähnten Hindernisse dar. In den kommenden Jahren sind vor allem in der Papier- und Zellstoffindustrie substanzielle externe Abwärmenutzungen in Form von zusätzlichen Fernwärmeauskopplungen zu erwarten. Gemeinsam mit zusätzlichen bzw. neuen Fernwärmeauskopplungen in der Eisen- und Stahlindustrie ergibt sich ein umsetzbares Abwärmenutzungspotenzial im Fernwärmebereich von GWh, das sind 3 % des Raumwärmebedarfes aller steirischer Wohngebäude, innerhalb der kommenden Jahre. Die substanziellsten Potenziale gibt es in Gratkorn, im Aichfeld, in Graz, Leoben, Kapfenberg, Bruck an der Mur und in Niklasdorf. Der Klimaschutzplan Steiermark aus dem Jahr 2008 stellte Seite 83

84 fest, dass - unter Nutzung aller Handlungsoptionen zur Energieverbrauchsreduktion in steirischen Wohngebäuden - der Raumwärmebedarf für steirische Wohngebäude bis 2050 halbiert werden kann. In einem solchen Szenario könnten die in dieser Studie dokumentieren Abwärmepotenziale voraussichtlich über 3 % des Raumwärmebedarfs steirischer Wohngebäude abdecken. Dabei ist jedoch zu beachten, dass durch verbesserte Wärmedämmung des Häuserbestandes und energieeffizienter Prozessführung die nutzbaren Abwärmepotenziale langfristig mengenmäßig sinken werden. Neubausiedlungen mit sehr effizienten Gebäuden benötigen zwar geringere Temperaturen in den Fernwärmenetzen, was einer Abwärmenutzung entgegen kommt, haben aber gleichzeitig sehr geringe Anschlussleistungen, wodurch die Wirtschaftlichkeit einer Fernwärmeversorgung leidet. In Summe muss davon ausgegangen werden, dass netzgebundene Wärmeversorgungen hauptsächlich im dicht besiedelten Bestand auch nach Sanierungen wirtschaftlich sein können, in Neubausiedlungen aber zunehmend schwerer zu realisieren sein werden. Im Kapitel wurde dargelegt, dass steirische Industriebetriebe noch ein substanzielles industrielles Fernwärmeauskopplungspotenzial aufweisen. Das noch vorhandene wirtschaftliche Abwärmepotenzial ist steiermarkweit beinahe doppelt so groß wie die bisherigen Fernwärmeauskopplungen aus industriellen Abwärmeströmen(vgl. Tabelle 4-7). Um das Ziel der umfassenden Ausschöpfung industrieller Abwärmeströme, wo wirtschaftlich sinnvoll, umzusetzen müssen alle beteiligten Stakeholder gemeinsam die Hindernisse überwinden. In Kapitel 4.2 "Hindernisse für zusätzliche Abwärmenutzungen wurden die Hindernisse, die einer Nutzung wirtschaftlich sinnvoller Abwärmeströme entgegenstehen aufgelistet. Aktuell verhindern in der Eisen- und Stahlindustrie, sowie in der Steine Erden Glasindustrie vor allem technische und strukturelle Hindernisse die substanzielle Nutzung von hochwertigen Abwärmeströme. Im Rahmen der Analyse der Daten hat sich ergeben, dass die Nutzung von Abwärmeströmen aus Energieanlagen in Industriebetrieben in vielen Fällen interessanter und wirtschaftlicher scheint als Verwertung von Abwärmeströmen aus Prozessen. Externe Nutzungspotenziale sind, außer in den drei energieintensivsten Industrien Papier- und Zellstoffindustrie, Eisen- und Stahlindustrie und Steine, Erden Glasindustrie, rar. In Kapitel 0 werden daher verschiedenste interne Abwärmenutzungsmöglichkeiten dargestellt. Die Befragung ergab, dass sehr viele Unternehmen die Amortisationsdauer als Entscheidungsgrundlage für Investitionsentscheidungen und keine Lebenszykluskostenbetrachtung wie beispielsweise die interne Kapitalverzinsung verwenden. Da der Großteil der befragten Betriebe mit Amortisationsdauern von zwei bis drei Jahren rechnet, ist die Höhe des noch ungenutzten Abwärmepotenzials verständlich. Abwärmenutzungsprojekte rentieren sich meist erst in längeren Zeiträumen daher sollte die Beurteilung von energietechnische Projekten mittels Amortisationsdauern hinterfragt werden. Die Studie hat gezeigt, dass in der steirischen Industrie ein Großteil des Energiebedarfes zur Bereitstellung thermischer Energie benötigt wird. Trotz erheblicher Anstrengungen, im speziellen in der steirischen Papier- und Zellstoffindustrie, wird steiermarkweit noch immer ein substanzieller Teil der Abwärme ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Mittelständische Unternehmen, die keinem Konzern zuzuordnen sind, bzw. Betriebe die Ihre Abwärme schon nutzen waren am ehesten zur Zusammenarbeit im Rahmen Seite 84

85 des Projektes bereit. Außerdem wurde im Rahmen dieser Studie festgestellt, dass die Datenlage zu Abwärmeströmen innerhalb der Unternehmen oft unzureichend ist und die Datenerhebung sich daher als sehr schwierig erweist. Neben dem Finden einer geeigneten Kontaktperson und des sehr großen Aufwandes vor allem bei KMUs- die Daten im Betrieb zu erheben, stellten vor allem die Angst vor der Weitergabe der Informationen durch das Projektteam und den Auftraggeber große Herausforderungen dar. In Kapitel 5 zeigte die Untersuchung, dass in den steirischen Betrieben der produzierenden Industrie Potentiale zur Nutzung von Wärme-Kraft- Kopplungsanlagen vorhanden sind. Diese sind stark von der Branche und den Produktionsprozessen in den Branchen abhängig. Die Lebensmittel- und Maschinenbauindustrie besitzen, wegen der vorherrschenden Produktionsstruktur die höchsten Potentiale, wobei in der Lebensmittelindustrie, im Gegensatz zum Maschinenbau, auch ohne Auskopplung der Überschusswärme, der Einsatz von Wärme-Kraft-Kopplungen betriebswirtschaftlich sinnvoll erscheint. Vor allem in der stromgeführten Betriebsweise mit Auskopplung des Wärmeüberschusses an externe Abnehmer liegt eine sehr vielversprechende Möglichkeit einen Teil der benötigten Energie mit hohen Wirkungsgraden und somit geringerem Brennstoffverbrauch bereitzustellen. In Kapitel 6 wurde das Potenzial für Erneuerbare Energien in der Produktion evaluiert. Im Rahmen des Projektes wurden m² Potenzialflächen für Solarthermie- bzw. Photovoltaikanlagen auf steirischen Industriedächern dokumentiert. Circa die Hälfte der befragten Betriebe gab an, dass Teile Ihrer Dächer für solare Nutzungen geeignet sind. Außerdem wurden in Kapitel Technologien zur Nutzung von Solarthermie vorgestellt und in Kapitel Möglichkeiten zur Einbindung thermischer Solaranlagen dargelegt. Abschließend wurden die Ergebnisse der Solarthermiepotenzialstudie Promise dargestellt. In Kapitel 7 wurde der Energiebedarf steirischer Produktionsgebäude analysiert. Die Studie ergab, dass die energieintensivsten Industrien, aufgrund Ihrer hohen Prozesstemperaturen, kaum Raumwärme benötigen. Aus den Untersuchungen der Maschinenbauindustrie, der Eisen- und Stahlverarbeitende Industrie und der Lebensmittelindustrie geht jedoch hervor, dass viele steirische Produktionshallen veraltet sind, bzw. ein beträchtliches Energiereduktionspotenzial im Raumwärmebereich aufweisen. Abbildung 7-2 Heizwärmebedarf für Produktionsund Lagerflächen veranschaulicht dies. Aus Abbildung 7-1 geht hervor, dass Steirische Industriebetriebe im internationalen Vergleich bei der Wärmedämmung ihrer Industriehallen substanziellen Aufholbedarf aufweisen. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass Produktionsgebäude sowie Lagerflächen laut OIB- Richtlinie in die Kategorie sonstige konditionierte Gebäude fallen, für diese bis dato noch keine Energieeffizienzklassen definiert wurden. Dies trägt dazu bei, dass potentielle Investoren oft keine gesetzlichen Rahmenbedingungen vorfinden, aufgrund welcher sie argumentieren können. Im Rahmen der Studie wurden, neben der Erhebung der Abwärmepotenziale, vorhandene Potenziale zur dezentralen Energiebereitstellung, durch Wärme-Kraft- Kopplungs-, Solar- bzw. Kleinwasserkraftanlagen dargelegt. Diese Möglichkeiten zur dezentralen Energiebereitstellung und die dadurch erzielten Einsparungen fossiler Brennstoff und vermiedenen Verteilungsverluste wirken sich positiv auf die Betriebswirtschaftlichkeit aus. Darüber hinaus ergeben sich dadurch volkswirtschaftliche, bzw. umweltschonende Vorteile, da mit jeder eingesparter Seite 85

86 Kilowattstunde Brennstoff, weniger CO 2 und andere Schadstoffe ausgestoßen werden. Dies trägt aktiv zum Klimaschutz bei. Langfristig kann die gesamte Energiebereitstellung durch vermehrten Einsatz solcher Energiesysteme umweltschonender bewerkstelligt werden. Außerdem werden die Unternehmen bei Verwendung von alternativen und regenerativen Energieträger unabhängiger gegenüber Unsicherheiten am Energiemarkt. Zu diesen Unsicherheiten zählen unvorhersehbare Preissteigerungen, Lieferunsicherheiten und andere nichteinschätzbare Entwicklungen. Diese Studie veranschaulicht, dass im produzierenden Sektor noch immer substanzielle Abwärmepotenziale brachliegen und auch die technologischen Möglichkeiten zur Nutzung vorhanden sind. Um die aufgelisteten Hindernisse von zusätzlichen Abwärmenutzungen zu überwinden bedarf es dem Willen der Unternehmen etwas für die Umwelt zu tun. Da Betriebe betriebswirtschaftliche Kriterien einhalten müssen, liegt es an der Politik, den Unternehmen die Untersuchung Ihrer Abwärmeströme auf mögliche Nutzungspotenziale mittels Förderungen von konkreten Detailuntersuchungen und der Förderung von Projekten schmackhaft zu machen. Seite 86

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95 10 Abbildungsverzeichnis Seite 95 Seite Abbildung 3-2: Flowchart-Fragebogenablauf Abbildung 3-3: Technologien zur Abwärmenutzung (eigene Darstellung) Abbildung 3-4: Übersicht über das Aichfelder Fernwärmenetz [Q2 der Wärmevorteil aus Pöls] Abbildung 3-5: Möglichkeiten zur internen Abwärmenutzung [beispielhaft in Anlehnung an LfU, 2012, S.14-26] Abbildung 3-6: Prinzip des Gegen-, Gleich- und Kreuzstromwärmetauschers (in Anlehnung an Pehnt, 2010, S.295] Abbildung 3-7: Prinzip des Rotationswärmetauschers [in Anlehnung an LfU, 2012, S.34] Abbildung 3-8: Prinzip eines Wärmerohrs [in Anlehnung an Berger et al., 2005, S.23; Christen, 2010, S Abbildung 3-9: Prinzip einer Wärmepumpe [in Anlehnung an European Commission, 2009, S. 168; LfU, 2012, S. 30] Abbildung 3-10: Prinzip einer Absorptionskältemaschine [in Anlehnung an Grote & Feldhusen, 2011, S. M2] Abbildung 3-11: Prinzip einer Adsorptionskältemaschine [in Anlehnung an Simader & Rakos, 2005, S. 14] Abbildung 3-12: Prinzip einer Dampfstrahlkältemaschine [in Anlehnung an Fraunhofer Umsicht, 2004] Abbildung 3-13: Prinzip einer ORC-Anlage [Brandstätter & Land Oberösterreich, 2008, S. 23] Abbildung 3-14: Konzepte zur Integration von Energiespeichern in der Industrie [Steinmann et al., 2010, S. 7] Abbildung 4-1: Aufteilung von 20 % des Gesamtenergieverbrauchs der Steirischen Industrie - nichtenergieintensive Branchen Abbildung 4-2: Haupthindernisse für Abwärmenutzungen steirischer Industriebetriebe Abbildung 5-1: Energiefluss bei getrennter und gekoppelter Wärme- und Stromerzeugung Abbildung 5-2: Einteilung der Wärmekraftkopplungsanlagen nach Prozessen Abbildung 5-3: Gasturbinenprozess [TTM 2002] Abbildung 5-4: Mikrogasturbine [TTM 2002] Abbildung 5-5: Schema Dampfprozess [TTM 2002] Abbildung 5-6: Gegendruckdampfturbine [TTM 2002] Abbildung 5-7: Entnahmekondensationsturbine [TTM 2002] Abbildung 5-8: ORC-Prozess [TTM 2002] Abbildung 5-9: Gas- und Dampfprozess (GuD) [TTM 2002]... 59

96 Abbildung 5-10: Motor-Blockheizkraftwerke [TTM 2002] Abbildung 5-11: Brennstoffzelle [TTM 2002] Abbildung 5-12: Stirlingmotor [TTM 2002] Abbildung 5-13: Typische Leistungsbereiche von in WKK eingesetzten Technologien [B.KWK 2011] Abbildung 5-14: Preisdegression bei gasgefeuerten BHKW s [ASUE 2011] Abbildung 5-15: Jahreswärmebedarf [eigene Darstellung, keine Prozesswärme: z.b: Hotel] Abbildung 5-16: Jahreswärmebedarf [eigene Darstellung, mit Prozesswärme: z.b.: Metallverarbeitender Betrieb] Abbildung 5-17: Tageslastgang (wärmegeführt) [Krawinkler 2006] Abbildung 5-18: Jahresdauerlinie der Heizlast Abbildung 5-19: Wärmebedarf und durch WKK abgedeckter Anteil Abbildung 5-20: Strombedarf und durch WKK abgedeckter Anteil Abbildung 6-1: Erhobene Solarpotenzialflächen in steirischen Industriebetrieben in m² Abbildung 6-2: Wirkungsgradkennlinien Kollektorbauarten [Müller et al.,2004, S. 45) Abbildung 6-3: Möglichkeiten zur Integration von Solarthermie [in Anlehung an Müller et al., 2004, S. 48; Kalogirou, 2003, S. 343; Marty & Frank, 2011, S. 1-2] Abbildung 6-4: geeignete Heizungssysteme für Industriehallen [in Anlehnung an Schwank, 2010] Abbildung 6-5: Systemkonzepte zur Industriegebäudeheizung [in Anlehnung an Müller et al., 2004, S. 58] Abbildung 6-6: Solarpotenzial Styrian Promise [in Anlehnung an Brunner et al., o.j.a, S. 52] Abbildung 7-1: Heizwärmebedarf von Produktionsgebäuden laut der Studie Guidelines for Solar Space Heating of factory buildings [Jähnig u. Weiss, 2007] Abbildung 7-2: Heizwärmebedarf für Produktions- und Lagerflächen Seite 96

97 11 Tabellenverzeichnis Seite 97 Seite Tabelle 3-1: Nominaler und prozentueller Energieeinsatz je Industrie in der Steiermark (Eigene Tabelle nach Daten der Statistik Austria 2012)... 7 Tabelle 3-2: Bewertungsmatrix (Bsp: Rauchgas) Tabelle 3-3: Kosten Tabelle 3-4: Kapitalgebundene Kosten Tabelle 3-5: Verbrauchsgebundene Kosten Tabelle 3-6: Betriebsgebundene Kosten Tabelle 3-7: Gewinn Tabelle 3-8: Amortisation Tabelle 3-9: Bezugstemperaturen Tabelle 3-10: Erlöse bei Luftvorwärmung Tabelle 3-11: Erlöse bei der innerbetrieblichen Wärmenutzung Tabelle 3-12: Erlöse externe Wärmenutzung Tabelle 3-13: Erlöse Wärmepumpe Tabelle 3-14: Erlöse aus Stromerzeugung Tabelle 3-15: Erlöse Kälteerzeugung aus Abwärme Tabelle 3-16: Vergleich Abwärmepotenzial [nach Daten von Anschober, 2008; Brunner et al., o.j.b, S. 5; Energetics Inc. & E3M Inc., 2004, S. 140; Enova, 2009; MA 27, 2008, S ; Pehnt et al., 2010, S. 20] Tabelle 4-1: Abwärmepotenzial der steirischen Papier- und Zellstoffindustrie Tabelle 4-2: Abwärmepotenzial der steirischen Eisen- und Stahlindustrie Tabelle 4-3: Abwärmepotenzial der steirischen Steine-, Erden- und Glasindustrie.. 45 Tabelle 4-4: Abwärmepotenzial der steirischen Maschinenbauindustrie Tabelle 4-5: Abwärmepotenzial der steirischen Lebensmittel- und Tabakindustrie.. 46 Tabelle 4-6: Gesamtabwärmepotenziale der 5 energieintensivsten Industrien der Steiermark Tabelle 4-7: Verhältnis von bereits extern genutzter bzw. zusätzlich umsetzbarer Abwärmepotenziale Tabelle 5-1: Einsatzmöglichkeit des Gasturbinenprozesses [B.KWK.e.v. 2011] Tabelle 5-2: Einsatzmöglichkeit der Mikrogasturbine [B.KWK.e.v. 2011] Tabelle 5-3: Einsatzmöglichkeit der Entnahmekondensationsturbine [B.KWK.e.v. 2011] Tabelle 5-4: Einsatzmöglichkeit des ORC-Prozesses [B.KWK.e.v. 2011] Tabelle 5-5: Einsatzmöglichkeit von GuD-Prozess [B.KWK.e.v. 2011] Tabelle 5-6: Einsatzmöglichkeit von Motor-Blockheizkraftwerken [B.KWK.e.v. 2011]... 60

98 Tabelle 5-7: Einsatzmöglichkeit der Brennstoffzelle [B.KWK.e.v. 2011] Tabelle 5-8: Einsatzmöglichkeit des Stirlingmotors [B.KWK.e.v. 2011] Tabelle 5-9: Leistungsberechnung Tabelle 5-10: WKK-Potential Papier- und Zellstoffindustrie Tabelle 5-11: WKK-Potential Lebensmittelindustrie Tabelle 5-12: WKK-Potential Metallverarbeitende Industrie Tabelle 5-13: WKK-Potential Maschinenbauindustrie Tabelle 5-14: WKK-Potential Steine, Erden, Glas Tabelle 6-1: verschiedene Kollektorbauarten für den industriellen Einsatz [nach Daten von (1) DSTTP, 2010, S. 36; (2) Rommel, 2011, S. 3; (3) Kalogirou, 2003, S. 3; (4) Weiss, 2007, S. 11] Tabelle 6-2: Solarpotenzial Promise [nach Daten von Müller et al., 2004, S ] Seite 98

99 12 ANHANG 12.1 Einladung der Betriebe am Projekt teilzunehmen AMT DER STEIERMÄRKISCHEN LANDESREGIERUNG Fachabteilung 17A Energiewirtschaft und allgemeine technische Angelegenheiten Stabsstelle Energiebeauftragter Unternehmen XY Anschrift Bearbeiter : Jilek Tel.: 0316/ Fax: 0316/ GZ : FA17A / Graz, am Ggst : Abwärmekataster Bei Antwortschreiben bitte Geschäftszeichen (GZ) anführen Sehr geehrter Herr «Ansprechpartner», Das Institut für Prozesstechnik der TU Graz führt im Auftrag des Landes Steiermark und in enger Kooperation mit der Sparte Industrie der Wirtschaftskammer Steiermark (Spartengeschäftsführer: Dr. Stefan Pilz) eine Erhebung von Abwärmepotenzialen in steirischen Produktionsbetrieben durch. Das Projekt steht unter der Leitung von Prof. Dr. Hans Schnitzer. Neben der Abwärmenutzung sind auch der mögliche Einsatz von erneuerbaren Energien, die energetische Nutzung von Abfällen und Abwässern und das Potenzial an Kraft-Wärme-Kopplungen von großem Interesse. Was spricht für eine optimale Abwärmenutzung in/aus Ihrem Betrieb? Innerbetriebliche Abwärmenutzung erspart Ihnen Geld durch geringeren Primärenergieeinsatz Innerbetriebliche Abwärmenutzung erhöht die Energieeffizienz Ihres Betriebes Außerbetriebliche Abwärmenutzung ermöglicht Ihnen ein neues Geschäftsfeld durch den Verkauf Ihrer Abwärme Außerbetriebliche Abwärmenutzung schont die Umwelt und verbessert Ihr Image in der Region Seite 99

100 Inner- u. außerbetriebliche Abwärmenutzungen erhöhen Ihre Wettbewerbsfähigkeit Es würde uns sehr helfen, Ihre Abwärmedaten im Rahmen eines persönlichen Gesprächs zu erfassen. Im Zuge der Projektarbeit wird die TU Sie in den nächsten Wochen telefonisch kontaktieren um mit Ihnen einen Besuchstermin zu vereinbaren. Kontaktieren Sie den Projektmanager Mag. Johannes Schmied an der TUG bzw gerne schon heute, wenn Sie uns mitteilen können, an welchen Mitarbeiter Ihres Unternehmens das Team der TU Ihr Mail adressieren soll oder wenn Sie bereits jetzt weiterführende Fragen oder Anregungen haben. Je genauer Ihre Angaben während des Interviews sind, desto können die Analysen und Vorschläge Ihrer betrieblichen Abwärmesituation sein. Beiliegend finden Sie zwei Dokumente mit denen Sie sich auf das Gespräch mit der TU vorbereiten können. Wenn die Auswertung Ihrer Angaben ergibt, dass Ihr Unternehmen ein nutzbares Abwärmepotential besitzt, werden Ihnen Experten der TU Graz in einem weiteren persönlichen Gespräch konkrete Vorschläge unterbreiten, wie Sie Ihre Abwärme am Besten nutzen können. Wir hoffen, mit diesem Projekt nicht nur dazu beizutragen, dass die Steiermark einen weiteren Schritt in Richtung einer nachhaltigen Energiezukunft geht, sondern auch, dass für Ihr Unternehmen neue innovative Optionen zu einer verbesserten Energienutzung gefunden werden. Mit freundlichen Grüßen Der Fachabteilungsleiter: i.v. (Dipl.-Ing. Wolfgang Jilek) Landesenergiebeauftragter Seite 100

101 12.2 Fragebogenablauf Seite 101

102 12.3 Checkliste für die Befragung Erforderliche Daten zur Analyse des Abwärmepotenzials Ihres Betriebes Bitte bereiten Sie diese Daten vor! Allgemeine Daten Namen der Firma, Ansprechpartner, , Telefonnummer, Adresse, Webpage Industriezweig, Unternehmensumsatz, Anzahl vollzeitäquivalenter Mitarbeiter, wichtigste Produkte (inkl. geschätzter jährlicher Produktionsmengen) Betriebsstunden pro Arbeitstag, Produktionstage pro Woche, Stillstandszeiten z.b.: Betriebsurlaub Stromversorgung Daten zu Ihrem Stromverbrauch (Monats- bzw. Jahresverbrauch) z.b. monatliche/jährliche Stromrechnung Hat es an Ihrem Standort jemals Wasserkraftnutzung gegeben? Falls Sie selbst Strom produzieren: Daten zu Kraft-Wärme-Kopplungsanlage: Technologie, Brennstoff, Strom- bzw. Wärmemenge pro Jahr Daten zu Photovoltaikanlage: Nennleistung in kw p, jährlich produzierte Strommenge Daten zu Kleinwasserkraft: Nennleistung in kw, durchschnittlich jährlich produzierte Strommenge Seite 102

103 Wärmeversorgung Daten zu Ihrem Wärmebedarf (Monats- bzw. Jahresverbrauch) z.b. monatliche/jährliche Gasrechnung prozentuelle Verteilung (Prozesswärme, Raumwärme, Warmwasser) prozentuelle Deckung des Wärmebedarfs mit Fernwärme, Kessel, Solarthermie, Wärmepumpe Fernwärme: Fernwärmebedarf pro Jahr Fernwärmeanschluss vorhanden (ja/nein) wenn nein: Distanz zu nächstem Fernwärmenetz (falls bekannt) prozentuelle Verteilung (Prozesswärme, Raumwärme, Warmwasser) Kessel: jährlicher Brennstoffbedarf je Kessel, Art des Energieträgers Kesselart (Dampf- oder Warmwasserkessel), Brennwertnutzung (ja/nein) Baujahr, Nennleistung in kw, erzeugte Wärmemenge pro Jahr prozentuelle Verteilung (Prozesswärme, Raumwärme, Warmwasser) Betrieb unter Volllast, Betriebsstunden, Ausfallsreserve vorhanden (ja/nein) Solarthermie: Flach- oder Röhrenkollektoren prozentuelle Verteilung (Prozesswärme, Raumwärme, Warmwasser) Fläche in m 2 Wärmepumpe: Heiznennleistung in kw Wärmequelle effektive Leistungszahl abzulesen z.b. am Typenschild oder Datenblatt Kälteerzeugung: Kühltechnik Kälteleistung in kw Kühltemperatur in C Verwendung der Kälteerzeugungsanlage (Prozesskühlung, Kühlhaus, Tiefkühllager) Fläche des Kühlhauses/Tiefkühllagers in m 2 Seite 103

104 Druckluftnetze Nennleistung der Kompressoren in kw Länge der Verteilleitungen in m Wärmerückgewinnung vorhanden (ja/nein) Medium der Wärmeverteilung Vorlauf- und Rücklauftemperatur in C Massenstrom Prozesse: Daten zu den 5 energieintensivsten Prozessen und den wichtigsten Abwärme- Abwasser- u. Abfallströmen Art des Prozesses (bzw. der Prozesse) Temperaturniveau in C prozentueller Anteil pro Prozess am betrieblichen Energieverbrauch Daten zu Abwärmeströmen: Medium, Temperaturniveau in C, Menge pro Jahr, Jahresverteilung Daten zu Abwasserströmen: Temperaturniveau in C, Menge pro Jahr, Jahresverteilung, CSB, BSB, Verschmutzungen, Abwasseraufbereitungsanlage vorhanden (ja/nein) Daten zu Abfallströmen: Art des Abfallstroms, Menge pro Jahr, Wassergehalt in % Gebäude Größe der Produktions- Büro- und Lagerfläche separat in m² Raumtemperatur separat nach Produktions- Büro- und Lagerfläche während der Heizperiode Heizwärmebedarf separat nach Produktions- Büro- und Lagerfläche in kwh/m 2 Anzahl der Klimatisierungstage pro Jahr separat nach Produktions- Büro- und Lagerfläche Dachfläche in m 2 (nach Süden ausgerichtet bzw. Flachdächer) Energietechnische Vorhaben Ihres Betriebes/Wirtschaftlichkeit interner kwh-verrechnungspreis in /kwh thermisch Sind absehbare Veränderung Ihrer Abwärme- und Abfallmengen zu erwarten? Bereits realisierte Maßnahmen im Bereich der Abwärmenutzung Bereits realisierte Maßnahmen im Bereich erneuerbarer Energien Seite 104

105 12.4 Screenshots des Onlinefragebogens Seite 105

106 Seite 106

107 12.5 Screenshots des Kurzfragebogens Seite 107

108 Seite 108

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