Intelligente Abwärmenutzung in Unternehmen Dr.-Ing. Michael Kruse, prosys GmbH

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1 Dr.-Ing. Michael Kruse, prosys GmbH 1

2 Agenda Grundsätzliches Zur Physik der Abwärme Definition der Abwärme Potenzial der Abwärmenutzung Temperaturniveaus für Abwärmenutzungen / Pinch-Technik Technische Möglichkeiten der Abwärmenutzung Vermeidung von Abwärme Anwendungsbereiche der Abwärmenutzung Kälteanlagen Produktionsanlagen Kosten der Abwärmenutzung Fazit 2

3 1. Hauptsatz der Thermodynamik Die Summe aus Exergie und Anergie bleibt bei allen Prozessen zur Energieumwandlung konstant. Hierbei bedeutet Exergie den nutzbaren Anteil der Energie, d.h. z.b. mechanische oder elektrische Arbeit einer Maschine und Anergie den nicht nutzbaren Anteil, d.h. z.b. die Umgebungswärme. 3

4 2. Hauptsatz der Thermodynamik Bei reversiblen Prozessen bleibt die Exergie konstant. Bei irreversiblen Prozessen verwandelt sich Exergie in Anergie. Es ist unmöglich, Anergie in Exergie umzuwandeln. 4

5 Definition der Abwärme Eine Legaldefinition des Begriffes Abwärme, die dem nie in Kraft getretenen Entwurf der Wärmenutzungsverordnung entstammt, lautet: Entstehende Wärme / Abwärme, die eine Anlage jährlich verlassende Wärme, ausgenommen die Wärme, deren Erzeugung Haupt- oder Nebenzweck der Anlage ist. 5

6 Ziel der Abwärmenutzung Die exergetische Nutzung der Anergie ist das Ziel der Abwärmenutzung, obwohl dies der 2. HS der Thermodynamik eigentlich ausschließt. Möglich wird dies dadurch, dass es Energieformen, wie z.b. Wärme und Enthalpie, gibt, die aus beiden Formen bestehen. So hat beispielweise 90 grädige Abluft bei einer Umgebungstemperatur von 20 C noch einen exergetischen Anteil infolge des Temperaturgradienten zwischen beiden Medien. 6

7 Quantifizierung der Abwärmenutzung Die Abwärmemenge Q wird beschrieben durch die Formel Q = c m T + Q latent Hierbei ist c die spez. Wärmekapazität des Mediums, m dessen Masse, T die Temperaturdifferenz zwischen Medium und Umgebung und Q latent ggf. vorhandene latente Wärmen, die durch Phasenübergänge freigesetzt werden. 7

8 Sankey-Diagramm der Abwärmenutzung 8

9 Potenzial der Abwärme Eine genaue Angabe über das in Deutschland vorhandene Abwärmepotenzial existiert nicht. Dies ist auch nicht verwunderlich, da Abwärme und deren Nutzung nicht klar abgegrenzt sind. Das Potenzial hängt z.b. davon ab, ob industrielle oder gewerbliche Prozesse betrachtet werden, ob hoch-, mittel- oder niedergrädige Abwärme vorliegt. Zudem ist für das nutzbare Potenzial von entscheidender Bedeutung, wie effizient die betrachtete Anlage bzw. Prozess bereits ist. Mit zunehmender Energieeffizienz wird das Abwärmepotenzial immer geringer. 9

10 Potenzial der Abwärme Eine Abschätzung des IZES kommt zum Ergebnis, dass im Bereich des Verarbeitenden Gewerbes in Deutschland im Jahre 2008 ein nutzbares Abwärmepotenzial von ca. 226 TWh/a an Wärme - dies entspricht 36 % der in diesen Sektoren eingesetzten Endenergie - und ca. 36 TWh/a an Strom zur Verfügung stand. 10

11 Die Möglichkeiten der Abwärmenutzung hängt von folgenden Parametern ab: Zur Verfügung stehendes Temperaturniveau der Abwärme Größenordnung der zur Verfügung stehenden Wärmemenge Dargebot der Wärmemenge, d.h. steht sie kontinuierlich, batchweise oder unregelmäßig zur Verfügung Parameter der Abwärmenutzung Medium, das die Abwärme abgibt, z.b. Wasser, Abluft, Gase, Dampf 11

12 Ganglinien für Abwärmenutzung 12

13 Ganglinien für Abwärmenutzung 13

14 Ganglinien für Abwärmenutzung 14

15 Wärmebedarf nach Temperaturniveaus 15

16 Pinch-Technik

17 Maßnahmen zur Minimierung der Abwärme Energiesparende Gestaltung des Prozessablaufes in der Anlage Verwirklichung hoher energetischer Wirkungs- und Nutzungsgrade der Anlage Einschränkung von Wärmeverlusten Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung Energiesparende Gestaltung der Betriebsführung der Anlage 17

18 Maßnahmen der Abwärmenutzung Nutzung der Abwärme in anderen Anlagen Erzeugung von mechanischer Arbeit, elektrischer Energie und Kälte aus Abwärme Einspeisung von Abwärme in vorhandene oder zu errichtende Wärmenetze auch Dritter Erreichung einer hohen Gleichzeitigkeit zwischen Abwärmequellen und -senken 18

19 Übersicht zu Möglichkeiten der Abwärmenutzung Wärmerückgewinnungsverfahren Verfahren ohne äußerer Energiezufuhr Verfahren mit äußerer Energiezufuhr rekuperative Verfahren regenerative Verfahren Wärmepumpen sonstige Verfahren

20 Übersicht zu den Rückwärmezahlen und Rückfeuchtzahlen verschiedener Wärmetauscher Wärmetauscher Rückwärmezahl Rückfeuchtzahl Regenerator mit beweglicher Speichermasse, Sorptionsrotor Regenerator mit beweglicher Speichermasse, Kondensationsrotor Regenerator mit feststehender Speichermasse, Umschaltspeicher 0,7-0,8 0,7-0,8 0,7-0,8 0-0,2 0,6-0,8 0,5-0,7 Rekuperator, Plattenwärmetauscher 0,4-0,6 - Thermosyphon 0,3-0,7 -

21 Führung der Stoffströme

22 Agenda Grundsätzliches Zur Physik der Abwärme Definition der Abwärme Potenzial der Abwärmenutzung Temperaturniveaus für Abwärmenutzungen / Pinch-Technik Technische Möglichkeiten der Abwärmenutzung Vermeidung von Abwärme Anwendungsbereiche der Abwärmenutzung Kälteanlagen Produktionsanlagen Kosten der Abwärmenutzung Fazit 22

23 Abwärmenutzung aus Kälteanlagen Die Abwärme der Kältemaschine kann bei den üblichen Verflüssigertemperaturen (45 C) direkt nur in Niedertemperatur-Heizsysteme eingebunden werden. Für die Einbindung in Wärmesysteme mit höherem Temperaturniveau ist die Anhebung der Verflüssigertemperatur, z.b. auf 65 C, erforderlich. Diese Anhebung ist durch die max. Verflüssigertemperatur des Kältemittels begrenzt. Die Leistungszahl der Kältemaschine wird dadurch reduziert. 23

24 Abwärmenutzung in der Produktion 24

25 Mit K 3,1; KR 2.0 sowie P Q 0 1 K 3,1 0,32 P WRG Q P H P R P 0 1 K,WRG Q C 2,0 0,50 Spezifische Kosten der Abwärmenutzung aus einer Kälteanlage 0,50 0,32 1 0,9 0,5 0,12 und H 1 0,12 einemstrompreisvon 22 ct kwh ergebensich WŠrmegestehungskostenvon 2,7 ct kwh 8,3 sowie 25

26 Agenda Grundsätzliches Zur Physik der Abwärme Definition der Abwärme Potenzial der Abwärmenutzung Temperaturniveaus für Abwärmenutzungen / Pinch-Technik Technische Möglichkeiten der Abwärmenutzung Vermeidung von Abwärme Anwendungsbereiche der Abwärmenutzung Kälteanlagen Produktionsanlagen Kosten der Abwärmenutzung Fazit 26

27 Fazit Der Anfall von Abwärme sollte minimiert werden durch den Einsatz von energieeffizienter Technik. Anfallende Abwärme sollte genutzt werden. Für die Nutzung der Abwärme nutzen Sie das KfW- Förderprogramm. 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 28