Identifikation und Nutzung von Abwärme aus unterschiedlichen Prozessen

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1 Kühlung cool denken. Kosten senken. Münchner Unternehmen verbessern ihre Energieeffizienz Landeshauptstadt München Referat für Arbeit und Wirtschaft.. Identifikation und Nutzung von Abwärme aus unterschiedlichen Prozessen , München Jörn Schwarz, Ice-TeX Ingenieurbüro Rühlow, 1

2 Inhalt Abwärmenutzung Warum? Energie Wozu? Quellenangaben Abwärme in Deutschland Quantität und Qualität Beispiel für Abwärmenutzung mittels Wärmepumpe 2

3 Abwärmenutzung Warum? Aspekt 1 Verfügbarkeit der wichtigsten fossilen Energieträger 3

4 Internationale Energieagentur World Energy Outlook (WEO) Jährlicher Bericht mit Projektionen zukünftiger, globaler Energieverfügbarkeit (keine Prognosen!) 4

5 World Energy Outlook der IEA World oil production by type in 3 Scenarios, Tab Table 14.1 Oil production and supply by source and scenario (mb/d) New Policies Current Policies 450 Scenario OPEC Crude oil Natural gas liquids Unconventional Non-OPEC Crude oil Natural gas liquids Unconventional World oil production Crude oil Natural gas liquids Unconventional Processing gains World oil supply* World biofuels supply** World total liquids supply Darstellung für 3 Szenarien von nur tabellarisch! 5

6 World Energy Outlook der IEA World oil production by type in the New Policies Scenario, Tab Delta CAAGR* Conventional % Conventional crude oil % Existing fields % Yet-to-be-developed n.a. n.a n.a. Yet-to-be-found n.a. n.a n.a. Enhanced oil recovery % Natural gas liquids % Unconventional % of which light tight oil % Total % Processing Gains (Tab. 14.1) Note: The figures for production from existing fields are based on observed decline rates for conventional oil fields, i.e. it includes the effect of investment by operators to mitigate the decline in output. Darstellung nur tabellarisch! 6

7 Production that would be observed from all currently producing fields in the absence of investment (excl. NGLs) Mb/d LTO EHOB/kerogen Conventional: Europe Latin America Asia and Oceania Africa Russia andcaspian North America Note: EHOB = extra-heavy oil and bitumen. Middle East Fig des WEO 2013 Grafische Darstellung hauptsächlich konventioneller Förderung nach Regionen 7

8 World Energy Outlook der IEA 2013 World oil production by type in the New Policies Scenario, Tab Globale Ölförderung NPS [Mboe/d] Processing Gains Enhanced Oil Recovery 20 Natural Gas Liquids Unkonv. Ölförderung Konvent. Ölförderung, 0 existierende Felder

9 World Energy Outlook der IEA 2013 World oil production by type in the New Policies Scenario, Tab Globale Ölförderung NPS [Mboe/d] Processing Gains Enhanced Oil Recovery 20 Natural Gas Liquids Unkonv. Ölförderung Konvent. Ölförderung, 0 existierende Felder

10 World Energy Outlook der IEA 2013 World oil production by type in the New Policies Scenario, Tab Globale Ölförderung NPS [Mboe/d] Processing Gains Enhanced Oil Recovery 20 Natural Gas Liquids Unkonv. Ölförderung Konvent. Ölförderung, 0 existierende Felder Ohne Investitionen zur Verringerung des beobachteten Förderrückgangs existierender Felder 10

11 World Energy Outlook der IEA 2013 World oil production by type in the New Policies Scenario, Tab Globale Ölförderung NPS [Mboe/d] Processing Gains Enhanced Oil Recovery Natural Gas Liquids Light Tight Oil Unkonv. Ölförderung Konvent. Ölförderung, existierende Felder Mit weiteren Investitionen zur Verringerung des Förderrückgangs existierender Felder 11

12 World Energy Outlook der IEA 2013 World oil production by type in the New Policies Scenario, Tab Globale Ölförderung NPS [Mboe/d] Processing Gains Enhanced Oil Recovery Natural Gas Liquids Light Tight Oil Unkonv. Ölförderung Konvent. Ölförderung, existierende Felder Mit weiteren Investitionen zur Verringerung des Förderrückgangs existierender Felder 12

13 Zukunft der globalen Erdgas-Förderung Globale Gasförderung (10 ¹² m³/a) Energy Watch Group, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik 2013 Bedarf: WEO 2012 Mittlerer Osten Afrika Lateinamerika Südasien, Ostasien China Eurasien OECD Europa, Pazifik Nordamerika Die Erdgasförderung geht nach 2020 zurück 13

14 Zukunft der Erdgas-Förderung in den USA Gasförderung USA (10¹² m³/a) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Energy Watch Group, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik 2013 Kohleflözgas konventionelles Erdgas Schiefergas Schiefer- und Kohleflözförderungen können den Rückgang in den USA nur kurzfristig aufhalten 14

15 Weltbevölkerungswachstum Weltbevölkerung [Mrd.] Uno-World Population Prospects (2008 Revision), Statistisches Bundesamt Weltbevölkerung steigt Öl- und Gasangebot sinken Preise? 15

16 Erkenntnisse Ölförderung aus existierenden Feldern geht zurück starker Rückgang: trotz weiterer Investitionen in Förderanlagen sehr starker Rückgang: ohne weitere Investitionen in Förderanlagen Prinzip Hoffnung: noch zu entwickelnde/findende Felder Erdgasförderung geht nach 2020 zurück Schiefergas-Förderung: nur kurzzeitige Erfolge Die Szenarien belegen außerordentliche Probleme bei Ölförderung Auf erster Seite der internationalen Präsentation des WEO prognostiziert die IEA Nachhaltige Periode hoher Ölpreise ohne Parallele in Ölmarktgeschichte 16

17 Abwärmenutzung Warum? Aspekt 2 Klimaschutz global- und national 17

18 Konsequenz aus Zielverfehlung Sachstandsbericht des Weltklimarats 2007 Aufforderung an die Industrieländer Senkung der CO₂-Emissionen gegenüber 1990: um % bis 2020 um % bis 2050 Begrenzung des globalen Temperaturanstiegs auf 2 C Meinungsverschiedenheiten um Beitrag der Entwicklungsländer sowie USA 18

19 Nationale Maßnahme 2010 Übernahme der Emissionsminderungsziele des IPCC durch die Bundesregierung 19

20 Energiekonzept-Ziele: Treibhausgase-Emissionen Minderung der Emissionen im Vergleich zu 1990 um % bis 2050 Daten: Zweiter Monitoring-Bericht Energie der Zukunft, BMWi, 2014 Treibhausgase-Emissionen (Mt CO₂-äq) CO₂ 200 N₂O CH₄

21 Energiekonzept-Ziele: Treibhausgase-Emissionen Minderung der Emissionen im Vergleich zu 1990 um % bis 2050 Daten: Zweiter Monitoring-Bericht Energie der Zukunft, BMWi, 2014 Treibhausgase-Emissionen (Mt CO₂-äq) CO₂ -40 % -55 % -70 % % N₂O CH₄ -95 % Umwälzende Änderungen in Energieversorgung und -verbrauch 21

22 Detail-Ziele des Energiekonzepts der Bundesregierung A. Jung, Vorsitzender des Beirats für Nachhaltige Entwicklung des Deutschen Bundestags, Treibhausgase-Emissionen 2050 Verkehr: keine Emissionen Gebäude : keine Emissionen EnergieVersorgungsUnternehmen: keine Emissionen produzierende Industrie: Rest-Emissionen 22

23 Wissenschaftlicher Beirat d. Bundesregierung Globale Umweltveränderungen Globale Minderung der Emissionen aus fossilen Energieträgern 2070 auf Null (hier nur D) Daten: Zweiter Monitoring-Bericht Energie der Zukunft, BMWi, 2014 Treibhausgase-Emissionen (Mt CO₂-äq) CO₂ -40 % -55 % -70 % -80 % 200 N₂O CO₂ 0 CH₄ -95 % Presseerklärung : zur Vermeidung unakzeptabler Klimafolgen 23

24 Abwärmenutzung Warum? Antworten 1. Verfügbarkeit der wichtigsten fossilen Energieträger geht zurück 2. Klimaschutz erzwingt Verzicht auf fossile Energieträger Grundlegende Änderungen im Umgang mit Energie: Privatverbraucher Industrie Gewerbe, Handel, Dienstleistung Verkehr 24

25 Energie Wozu? 25

26 Endenergieverbrauch Deutschland 2012 nach Anwendungen Endenergieverbrauch Deutschland, 2012 Daten: BMWi 2014, DKV 2014 (Kälte) 2499 TWh 3,5 % 7,3 % 28,2 % 2,3 % 3,4 21,4 % 5,2 % 28,6 % Warmwasser Prozesswärme Raumwärme Kälte mech. Energie Verkehr IuK-Technik Beleuchtung Wärme (55 %) Knapp 59 % der Endenergie für die Bereitstellung von Wärme und Kälte 26

27 Endenergieverbrauch Deutschland 2012 nach Energieträgern Endenergieverbrauch Deutschland, 2012 Daten: BMWi 2014, DKV 2014 (Kälte) 2499 TWh 6,5 % 1,3 20,8 % 4,7 % 24,2 % 4,9 % 37,6 % Erneuerbare Sonstige Elektroenergie Fernwärme Gas Kohle Öl therm., elektr. fossil / fissil* fossil fossil fossil fossil * fissil = spaltbar Über 93 % aus fossilen/fissilen Quellen 27

28 Konsequenzen für 2050 aus den Energiekonzept-Zielen der Bundesregierung Keine Verwendung fossiler Energieträger Die Energiewelt wird elektrisch und erneuerbar Abwärmeströme dürfen zukünftig nicht ungenutzt bleiben 28

29 Abwärme 29

30 Branchen mit nutzbaren Abwärmen in Gewerbe/Industrie Maschinenbau; Metallindustrie/-gewerbe Kraftfahrzeuge, sonstige Fahrzeuge, Erzeugung von Roheisen, Herstellung von Metallerzeugnissen, allg. Maschinenbau Elektro-, Messtechnik etc. Funk- u. Nachrichtentechnik, Büromaschinen, DV-Geräte, Medizin, Messen- Steuern-Regeln, Optik Nichtmetall-Technik Glas, Keramik, Steine, Erden, Papier, Leder, Bekleidung, Textilien Ernährung, Genussmittel Sonstiges Lebensmittelindustrie, -handel, Tabak, Getränke (Abwärme Kältemaschinen) Verlags-, Druckgewerbe, chemische Industrie, Brauchwasser 30

31 Verteilung des Wärmebedarfs nach Temperaturniveau und Industriebranchen, Deutschland 2001 Die Nutzung industrieller Abwärme technisch wirtschaftliche Potenziale und energiepolitische Umsetzung; Ruhr Universität Bochum, % 31

32 Abwärmeströme nach Temperaturniveaus Die Nutzung industrieller Abwärme technisch wirtschaftliche Potenziale und energiepolitische Umsetzung; Ruhr Universität Bochum, 2002 Technisches Abwärmepotenzial, D (TWh) Σ = 737 TWh Sonstige + Glas, Keramik Σ E Ab (t > 140 C) = 88 TWh Ernährung, Tabak Papiergewerbe Chemische-, Gummi-Industrie " mit t > 140 C Fahrzeug-, Maschinenbau Steine/Erden: Verarbeitung, Gewinnung " mit t > 140 C Metallerzeugung, -bearb., -Gießereien " mit t > 140 C Das größte Abwärmepotenzial wird bisher kaum genutzt: Abwärmen unter 60 C 32

33 Abwärmenutzung nach Temperaturniveaus Beispiele Hochtemperatur (t > 140 C) Wärmeübertrager Fluid weitere energetische Entwertung Organic Rankine Cycle (Wandlung in elektr. Energie) Mitteltemperatur (60 C < t < 140 C) Wärmeübertrager Fluid weitere energetische Entwertung Antrieb von Sorptionskältemaschinen Niedertemperatur (t < 60 C) bisher nur geringe Erträge möglich kaum wirtschaftlich Wärmepumpenprozess 33

34 Energieflüsse einer Kaltdampf-Kompressionsmaschine (vereinfachte Darstellung) 'Kälte' ist entzogene Wärme (z. B. Abwärme) Kaltdampfkompressionsmaschine Wärme-Energie = 'Kälte'- + Antriebs-Energie Bezeichnungen Kältemaschine, wenn Nutzen ist 'Kälte' Wärmepumpe, wenn Nutzen ist Wärme Kälte -Energie Bei der Mehrzahl von Kältemaschinen wird die Abwärme ungenutzt 'entsorgt' 34

35 Energie-Effizienz einer Kaltdampf-Kompressionsmaschine (vereinfachte Darstellung) Jahresarbeitszahlen Kaltdampfkompressionsmaschine JAZ K = JAZ H = Nutzen Aufwand = Nutzen Aufwand = Kälte - Energie [kwh/a] Antriebs - Energie [kwh/a] Heiz - Energie [kwh/a] Antriebs - Energie [kwh/a] Kälte -Energie 35

36 Energie-Effizienz einer Kaltdampf-Sorptions-Kältemaschine (vereinfachte Darstellung) Sorptionsmaschine (-aggregat) JAZ K = JAZ H = Nutzen Aufwand = Nutzen Aufwand = Kälte - Energie [kwh/a] Antriebs - Energie [kwh/a] Heiz - Energie [kwh/a] Antriebs - Energie [kwh/a] 36

37 Potenziale des Wärmepumpenprozesses Nutzung von Niedertemperatur-Abwärmen möglich hohe Jahresarbeitszahlen > 7 bei Temperaturanhebung von 10 auf 35 C (Fußbodenheizung) > 4 bei Temperaturanhebung von 10 auf 55 C (Brauchwasser) > 3 bei Temperaturanhebung von 10 auf 65 C (Brauchwasser) Energiespeicherung für zeitversetzte Nutzung Weiterverwendung der anfallenden Abwärme 37

38 Beispiel Abwärmenutzung in einer Fleischerei 38

39 Wasserverbrauch in 18 Stunden pro Tag an 210 Arbeitstagen pro Jahr Wasserverbrauch: m³/a Warmwasserverbrauch: 50 m³/d bei 90 C (Nutztemperatur 60 C) Kaltwasserverbrauch: 70 m³/d bei 10 C Abwasser: 120 m³/d bei 25 C (gemessen) Warmwasserbereitung mit Gas spez. Energiepreis = 6 ct /kwh Jahreskosten

40 Alternative Warmwasserbereitung Wärmepumpe Heizleistung = 160 kw Jahresarbeitszahl Wärme = 3,5 Standard-Ausführung Jahresarbeitszahl Wärme = 4,0 Effizienz-Ausführung (+ 15 %) Energiepreise Elektroenergie: 16 ct/kwh Steigerungsrate = 3,5 %/a Gas: 6 ct/kwh Steigerungsrate = 2,5 %/a 40

41 Preissteigerungen von Elektroenergie Deutschland spez. Elektroenergiepreis, D (ct/kwh) Privathaushalte 17,1 8,3 17,9 18,5 19,5 Industrie/Gewerbe 9 9,9 10, MWh/a 22 22, ,8 13,2 13,5 25,3 26,4 14,5 14, MWh/a Steigerungsrate, Durchschnitt + 4,6 %/a + 3,8 %/a 41

42 Investkosten Gasbrenner / Wärmepumpe, Standard / Wärmepumpe EnEff Investkosten Warmwasserbereiter ( ) Jahre Investkosten der energieeffizienten Wärmepumpe = + 30 % 42

43 Invest- und Betriebskosten Gasbrenner / Wärmepumpe, Standard Invest- + Betriebskosten Warmwasser ( ) Jahre Kostenersparnis durch Wärmepumpe in 15 Jahren:

44 Invest- und Betriebskosten Gasbrenner / Wärmepumpe, Standard / Wärmepumpe EnEff Invest- + Betriebskosten Warmwasser ( ) Jahre Zusätzliche Kostenersparnis durch Energieeffizienz-Wärmepumpe in 15 Jahren:

45 Rentabilität mittels interner Verzinsung (vereinfachte Betrachtung) Herangehensweise Kosten für Energieeffizienzsysteme := investiertes Kapital Berücksichtigung von Lebensdauer und Energiepreis-Steigerung Fragestellung Wie hoch ist die Verzinsung des investierten Kapitals? Antwort: Verzinsung des investierten Kapitals in 15 Jahren Zinssatz bei Standard-Wärmepumpe = 5,8 %/a Zinssatz bei Effizienz-Wärmepumpe = 7,7 %/a Zinssatz nur für Effizienz-Komponenten = 11,6 %/a 45

46 Hinweise Amortisation und interne Verzinsung hängen ab von Energiepreisen und deren Steigerungsraten Kältemittel Jahresarbeitszahl Größe der Wärmeübertrager Temperaturniveaus von Verdampfung und Verflüssigung eventuellen Zusatzkosten (gebäude-, anlagenspezifisch) jede Anlage erfordert eine Auslegungsrechnung allgemeingültige Aussagen sind nicht möglich 46

47 Zusammenfassung Randbedingungen der Energienutzung Abwärme Verringerung der Verfügbarkeit der wichtigsten Energieträger nationale und europäische Klimaschutzmaßnahmen Energiepreise steigen höchstwahrscheinlich, Energieverbrauch wird reduziert große Abwärmeströme: industriell, gewerblich, privat Nutzung der Abwärme wird im Zuge der Energiewende immer wichtiger Abwärmenutzung bisherige Prozesse: effizient bei hohen Temperaturen, Wärmeangebot gering Wärmepumpe: effizient bei niedrigen Nutztemperaturen, Wärmeangebot ist sehr groß, Speicherung thermischer Energie (Wärme und Kälte), Speicherung erneuerbarer Energien als Wärme und Kälte 47

48 Vielen Dank! 48