ENERGIEEFFIZIENZ in der Produktion

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1 ENERGIEEFFIZIENZ in der Produktion 1

2 Willkommen bei der FISCHER TechnologyConsulting Unsere Philosophie und unser Ziel ist die Stärkung kleiner und mittlerer Unternehmen durch den Einsatz innovativer, effizienter und ressourcenschonender Strategien und Technologien um Einsparpotenziale zu nutzen die Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern und die Zukunft der Unternehmen und ihrer Arbeitsplätze zu sichern 2

3 Unsere Kompetenz basiert auf der Erfahrung aus über 800 Projekten in über 30 Jahren Unser Leistungsspektrum umfasst Effiziente Lösungen zur Optimierung von Einzelsystemen und komplexer Gesamtsysteme Produktion Produktionstechnologien Produktionsstrategien Produktionsplanung und steuerung Logistik Supply Chain Management Intralogistik Informationslogistik Umwelttechnologien Ressourceneffizienz Energieeffizienz Produktionsintegrierter Umweltschutz Fabrikplanung Standortplanung Materialflussplanung Innovatives Fabrikdesign Finanzierungskonzepte 3 3

4 Produktionsintegrierter Umweltschutz PIUS PIUS umfasst technische und organisatorische Veränderungen von Produktionsprozessen und anlagen, durch die eine deutliche Verminderung von Umweltbelastungen erreicht wird Ziel ist der verringerte Einsatz von Roh,- Hilfs- und Betriebsstoffen und eine effizientere Nutzung von Energieträgern Ergebnisse sind Kostensenkung, Verminderung der Umweltbelastungen und Verbesserung der Arbeitsbedingungen 4

5 Wärmerückgewinnung Nutzung der Abwärme im Prozess; dadurch Erhöhung des Wirkungsgrades der Anlage, z. B. Brennwerttechnologie Nutzung der Abwärme in einem anderen Prozess; dafür Abstimmung der Abwärmequelle und Wärmeverbraucher Temperaturniveau Wärmemenge Wärmeangebot und bedarf Wärmeträger, Medium Nutzungsdauer Versorgungssicherheit Investitionskosten, Amortisation Abwärmenutzung 5

6 Temperaturniveau Abwärmequelle Die Temperatur der Abwärmequelle sollte über dem Temperaturbedarf der Wärmeverbraucher liegen. Bei zu geringer Temperaturdifferenz kann die Temperatur über Nacherhitzer oder Wärmepumpen angehoben werden. Die verfügbare Wärmemenge der Abwärmequelle ist abhängig von der nutzbaren Temperaturdifferenz (min K) dem Volumenstrom Wärmemenge der Abwärmequelle der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgers, z. B. Wasser:4,2 kj/(kgk), Luft: 1,005 kj/(kgk) der zeitlichen Verfügbarkeit Je näher Abwärmequelle und Wärmeverbraucher im zeitlichen Verlauf übereinstimmen, umso besser kann die Abwärme genutzt werden. Angebots- und Bedarfsprofil können über Thermospeicher abgeglichen werden. 6

7 Wärmebedarf der Wärmeverbraucher Der Wärmebedarf der Wärmeverbraucher weicht im zeitlichen Verlauf von der zur Verfügung gestellten Abwärme der Abwärmequellen erheblich ab. Je mehr Vollnutzungsstunden im Jahresverlauf erreicht werden, desto wirtschaftlicher arbeitet das Abwärmenutzungssystem. Wärmeverbraucher Raumheizungsanlage Nutzung der verfügbaren Wärmemenge nur in der Heizperiode, deshalb Deckung der Grundlast über Abwärmenutzung und Spitzenlastdeckung über konventionelle Wärmeerzeuger Wärmeverbraucher Prozesswärmeanlagen Nutzung der verfügbaren Wärmemenge, z. B. für Waschanlagen oder Spülbäder durch kontinuierliche Abnahme und damit hohe Ausschöpfung des Abwärmeangebots 7

8 Versorgungssicherheit Wird ein Prozess ausschließlich mit Abwärme betrieben, ist ein rendundantes System erforderlich, um den durchgängigen Anlagenbetrieb bei Ausfall der Abwärmequelle sicherzustellen. Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung Die Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung ist in der Regel die Voraussetzung für die Umsetzung dieser Maßnahme. Die Einflussgrößen sind: Höhe der Investitionskosten Betriebs- und Wartungskosten Energiekosteneinsparungen Inanspruchnahme von Fördermitteln (BAFA, KfW) 8

9 Methodik der Abwärmenutzung Abwärme tritt in industriellen Prozessen als Wärmeverluste auf, wenn aus einem Energieträger (Strom, Gas, ) Nutzwärme gewonnen wird wenn mechanische Arbeit verrichtet wird Die Abwärme aus diesen Prozessen kann meist über Wärmetauscher auf ein Transportmedium (Wasser, Thermoöl, Luft) übertragen und einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Diese direkte Nutzung ist die kostengünstigste Variante. Bei indirekter Abwärmenutzung wird das Temperaturniveau unter Einsatz weiterer Energien gesenkt (Kälte) oder die Abwärme wird in eine andere Energieform (z. B. Strom) umgewandelt. Folgende Medien sind als Träger industrieller Abwärme einsetzbar: Abgas, Abluft Dämpfe, Dunst Prozesswasser Kühlwasser und öl Die Abwärmenutzung aus flüssigen Medien ist meist mit geringerem Aufwand verbunden als die Abwärmenutzung aus gasförmigen Medien 9

10 Regeln zur Abwärmenutzung Reduzierung der Abwärmemengen durch Wärmedämmung, Prozessoptimierung, Strömungsführung Reintegration der Abwärme in den Prozess durch Wärmerückgewinnung Betriebsinterne Verwendung der Abwärme auf möglichst hohem Temperaturniveau durch Integration in andere Prozesse, Raumheizung, Warmwasserbereitung Transformation in andere Nutzerenergieformen wie elektrische Energie, Kälte Abgabe intern nicht nutzbarer Abwärme an Dritte 10

11 Abwärmequelle: Druckluftanlagen Abwärmenutzung von Drucklufterzeugern Nutzbare Abwärmemenge Wirtschaftlicher Einsatz Spezifischer Investitionsbedarf Verfahren Bis zu 90 % der elektrischen Antriebsleistung der Druckluftkompressoren Eine Abwärmenutzung rechnet sich ab ca. 5 kw elektrischer Antriebsleistung der Druckluftkompressoren und mehr als 2000 Betriebsstunden pro Jahr in der Heizperiode. Optimal sind Wärmenutzer mit ganzjährigen Wärmeabnahme 35 bis 460 je kw Abwärmenutzung: Niedrige Kosten ergeben sich bei einfachen Systemen mit direkter Abluftnutzung sowie bei werksseitig bereits für die Wärmenutzung vorbereiteten Kompressoren Höhere Kosten ergeben sich bei aufwändigen Systemen mit Wärmetauschern und Heizwasserkreisläufen sowie bei nachträglichem Einbau von Wärmerückgewinnungsanlagen Direkte Luftheizung durch Abluft des Druckluftverdichters Heiz- oder Brauchwassererwärmung 11

12 Abwärmequelle: raumlufttechnische Anlagen Wärmerückgewinnung in raumlufttechnischen Anlagen Nutzbare Abwärmemenge Wirtschaftlicher Einsatz Spezifischer Investitionsbedarf Verfahren 35 bis 90 % der Abluft-/Fortluftenergie können zur Vorwärmung der Frischluft zurückgewonnen werden Wärmerückgewinnung rechnet sich ab ca. 60 m³/h Frischluftmenge Bei allen raumlufttechnischen Systemen ist Wärmerückgewinnung Stand der Technik Bei raumlufttechnischen Systemen ab m³/h Frischluft ist Wärmerückgewinnung gesetzlich vorgeschrieben 300 bis je m³/h Frischluftmenge: Niedrige Werte ergeben sich bei Platten- oder Rotationswärmetauschern Höhere Werte ergeben sich bei Kreislaufverbundsystemen oder Wärmerohren Wärmetausch zwischen Ab- und Zuluft 12

13 Abwärmequelle: Trocknungsanlagen Abwärmenutzung bei Trockungsanlagen Nutzbare Abwärmemenge Wirtschaftlicher Einsatz Spezifischer Investitionsbedarf Verfahren 35 bis 85 % der Abluft-/Fortluftenergie können zur Vorwärmung der Frischluft zoder zur Brauchwarmwasser-/Heiz-/Prozesswärmeerzeugung zurückgewonnen werden Das Temperaturniveau der Abluft liegt meist zwischen 30 und 250 C Abwärmenutzung rechnet sich ab ca. 50 m³/h Abluftmenge Die Betriebszeit sollte mehr als Stunden in der Heizperiode betragen, optimal ist eine ganzjährige Prozesswärmenutzung 70 bis 450 /kwh Abwärmeleistung (ohne Wärmenutzungssystem): Bei großen Anlagenleistungen ergeben sich niedrigere Werte Bei kleineren Anlageleistungen bzw. bei belasteten Abluftströmen ergeben sich höhere Werte Wärmetausch zwischen Ab- und Zuluft Gegebenenfalls auch Wärmepumpensystem kombinierbar 13

14 Abwärmequelle: Kälteanlagen und Kühlsysteme Abwärmenutzung bei Kälteanlagen und Kühlsystemen Nutzbare Abwärmemenge Wirtschaftlicher Einsatz Spezifischer Investitionsbedarf Verfahren 35 bis 95 % der abzuführenden Kühlenergie können zur Brauchwarmwasser-/Heiz-/Prozesswärmeerzeugung zurückgewonnen werden Das Temperaturniveau der Abluft liegt meist zwischen 25 und 100 C. Abhängig von der Art der Abwärmenutzung rechnet sich die Wärmerückgewinnung schon ab 1 kw bei direkter Einbindung der Wärmeverbraucher in das Abwärmesystem. Die Betriebszeit sollte mehr als Stunden in der Heizperiode betragen, optimal ist eine ganzjährige Prozesswärmenutzung 90 bis 560 /kwh Abwärmeleistung (ohne Wärmenutzungssystem) je nach Größe der Anlagen Direkte Einbindung der Wärmeverbraucher in den Kühlkreislauf Wärmetauscher im Kühlkreislauf bei Trennung von Kühl- und Wärmenutzungssystem Gegebenenfalls auch mit Wärmepumpensystem kombinierbar (je nach Temperaturniveaus von Abwärmequelle und Wärmesenke) 14

15 Abwärmequelle: Abgase von Verbrennungsanlagen Abgaswärmenutzung Nutzbare Abwärmemenge Wirtschaftlicher Einsatz Spezifischer Investitionsbedarf Verfahren Bis zu 95 % der Abgasenergie können zur Brauchwarmwasser-/Heiz-/Prozesswärmeerzeugung zurückgewonnen werden. Das Temperaturniveau der Abgassysteme liegt meist zwischen 130 und 300 C Abhängig von der Abgaswärmenutzungsart rechnet sich die Wärmerückgewinnung üblicherweise schon ab 8 kw bei Brennwertnutzung von Heizkesseln. Die Betriebszeit sollte mehr als Stunden in der Heizperiode betragen, optimal ist eine ganzjährige Prozesswärmenutzung. 70 bis 450 /kwh Abwärmeleistung (ohne Wärmenutzungssystem): geringere Kosten gelten für große Anlagenleistungen höhere Kosten gelten bei kleinen Anlagenleistungen Wärmetausch im Abgassystem 15

16 Abwärmequelle: Prozessabluft Abwärmenutzung Prozessabluft Nutzbare Abwärmemenge Wirtschaftlicher Einsatz Spezifischer Investitionsbedarf Verfahren 30 bis 95 % der Abluftenergie können zur Vorwärmung der Frischluft oder zur Brauchwarmwasser-/Heiz- /Prozesswärmeerzeugung zurückgewonnen werden. Das Temperaturniveau der Abluft liegt meist zwischen 40 und 500 C Die Wärmerückgewinnung rechnet sich ab einer Abluftmenge von etwa 50 m³/h. Die Betriebszeit sollte mehr als Stunden in der Heizperiode betragen, optimal ist eine ganzjährige Prozesswärmenutzung. 80 bis 350 /kwh Abgaswärmeleistung große Anlagenleistungen und ein hohes Abwärmetemperaturniveau erfordern geringere Investitionen kleinere Anlagenleistungen und/oder belastete Abluftströme und/oder niedriges Abwärmetemperaturniveau führen zu höheren Kosten Wärmetauscher in Abluftanlagen Gegebenenfalls auch mit Wärmepumpensystemen kombinierbar

17 Abwärmequelle Dampf und Schwadendampf Abwärmenutzung bei Dampf/Brüdendampf Nutzbare Abwärmemenge Wirtschaftlicher Einsatz Spezifischer Investitionsbedarf Verfahren 30 bis 90 % der Dampf-/Brüdendampf können zur Brauchwarmwasser-/Heiz- oder Prozesswärmeerzeugung zurückgewonnen werden. Das Temperaturniveau der Dampf-/Brüdendampfenergie liegt meist über 60 C Die Wärmerückgewinnung ist schon bei einer Dampf- /Brüdendampfmenge von unter 25 kg/h wirtschaftlich einsetzbar.. Die Betriebszeit sollte mehr als Stunden in der Heizperiode betragen, optimal ist eine ganzjährige Prozesswärmenutzung. Die Investitionskosten müssen für jeden Einzelfall kalkuliert werden. Standardsysteme kosten ca. 25 /kwh Abwärmeleistung niedrigere Werte ergeben sich bei großen Anlagenleistungen und hohem Abwärmetemperaturniveau höhere Werte ergeben sich bei kleinen Anlagenleistungen und/oder bei belasteten Abluftströmen und/oder niedrigem Abwärmetemperaturniveau Wärmetauscher in Abdampf/Brüdendampfsystem Gegebenenfalls auch mit Wärmepumpensystemen kombinierbar 17

18 Abwärmequelle: KWK-Anlagen, Blockheizkraftwerk Nutzbare Abwärmemenge Wirtschaftlicher Einsatz Spezifischer Investitionsbedarf Verfahren Abwärmenutzung bei Stromerzeugungsanlagen (Kraft-Wärme-Kopplung oder Blockheizkraftwerk Es sind Gesamtwirkungsgrade für Strom- und Wärmeerzeugung von 95 % erreichbar. Anhaltswert für die nutzbare Wärmemenge ist das ca. 1,0- bis 1,4-fache der elektrischen Leistung. Das Temperaturniveau der Wärmenutzung beträgt 80 bis 110 C Die Wirtschaftlichkeit hängt von der Abwärmenutzungsart ab, BHKW-Anlagen sind schon ab 5 kw elektrischer Leistung erhältlich. Die Betriebszeit sollte mehr als h/a betragen, d. h. es sollte eine ganzjährige Wärmenutzung angestrebt werden. 700 bis /kw bezogen auf die elektrische Anlagenleistung für das komplette Aggregat einschließlich Abgassystem (ohne Wärmenutzungssystem): Die Abwärme des Kühlwasser- oder des Abgassystems wird über Wärmetauscher üblicherweise in Heizungsanlagen oder zur Beheizung von Absorptionskälteanlagen genutzt.

19 Abwärmenutzung zur Heizung, Heizungsunterstützung Gebäudekategorie Vergleichswerte für den Gebäudebestand nach EnEV 2009 in kwh/(m²*a) Verwaltungsgebäude 85 Rechenzentren 90 Gebäude für Produktion, Werkstätten, Lagergebäude 110 Geschlossene Lagerhäuser, Speditionen 30 Bürogebäude, nur beheizt 105 Bürogebäude mit Vollklimaanlage, Konditionierung 135 Als Abluft zur direkten Raumbeheizung (abhängig von Temperatur und Luftqualität) Über Wärmetauscher als Warmwasser ins Heizsystem eingespeist Einspeisung abhängig vom Temperaturniveau bei niedriger Abwärmetemperatur, Einspeisung in den Rücklauf bei hoher Temperatur Einspeisung in den Vorlauf des Heizsystems 19

20 Abwärmenutzung zur Brauchwasserbereitung Bäckereien Branche Bedarf Temperatur in C l je Tag und Beschäftigter l je Tag für Reinigung l je 100 kg Mehl Brauereien, einschl. Produktion l je 100 l Bier 60 Wäschereien l je 100 kg Wäsche Molkereien 1-1,5 l je l Milch 75 Metzgerei mit Produktion 2-3 m³ je t Fleisch 45 Die Nutzung von Brauchwasser ist vergleichbar mit der Nutzung für die Raumbeheizung Abwärme über Wärmetauscher ins Brauchwassersystem eingespeist. 20

21 Abwärmenutzung für Warmwasser für Wasch- und Duschanlagen Verbrauchsstelle Wärmeverbrauch je Benutzung in kwh Temperatur in C Einzelwaschbecken 0,9 35 Reihenwaschbecken mit Auslaufventil 0,5-0,9 35 Dusche mit Zelle 2,3 35 Mittelwert, einschl. Küchenbedarf 1,75 kwh je Tag und Kopf 40 Abb.: Warmwasserbedarf Nutzungszeiten hauptsächlich zum Schichtwechsel Einsatz von Thermospeicher 21

22 Abwärmenutzung zur Deckung des Prozesswärmebedarfs Textilindustrie Papierindustrie Branche Prozess Temperatur in C Produktion und Verarbeitung von Steinen und Erden Lebensmittelindustrie, z. B. Molkereien, Zuckerindustrie, Brauereien, Saftherstellung, etc. Waschen Bleichen Trocknen Zellstofftrocknung Papiertrocknung Trocknen von Steinen, Ziegeln, Betonblöcken, Sand und anderen Mineralien Trocknen Waschen Pasteurisieren Kochen Wärmebehandlungg Entwässerung Gewächshäuser Heizen Alle Sektoren Vorwärmung von Wasser Kälte Typische Prozesse: Trocknung, Reinigung, Waschen, usw. Nutzung als Warmwasser über Wärmetauscher 22

23 Abwärmenutzung mit Wärmepumpe Mit Wärmepumpen lässt sich Abwärme indirekt nutzen. Sie wird von einem niedrigen Temperaturniveau mit Hilfe zugeführter Antriebsenergie auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und somit nutzbar gemacht. Arbeitsmittel verdampft bereits bei niedriger Temperatur und geringen Druck Im Verdampfer wird einem Medium (Luft, Wasser) die Wärme entzogen Nach der Verdichtung und Abgabe der Energie mit höherer Temperatur am Verflüssiger 23

24 Abwärmenutzung zur Kälteerzeugung Mit Wärme als Energiequelle kann mit Absorptions-und Adsorptionsanlagen Kälte erzeugt werden. Kälte entsteht, wenn Kühlflüssigkeit verdampft. Dieser Vorgang entzieht der Umgebung Wärme und senkt so die Temperatur. 24

25 Abwärmenutzung zur Stromerzeugung mit ORC-Anlage ORC-Anlage (Organic-Ranking-Cycle-Prozess) Der ORC-Prozess ist ein Dampf-Kraft-Prozess mit einem leicht siedenden organischen Arbeitsmedium. Zur Verdampfung wird Abwärme mit einer Temperatur ab 95 C genutzt. Das verdampfte Arbeitsmedium wird über eine Turbine entspannt, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 20 %. ORC-Prozesse sollten mit hoher Volllaststundenzahl betrieben werden. 25

26 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Fischer TechnologyConsulting GmbH Agricolaweg Friedrichsdorf Tel.: 06172/ Fax: 06172/ Mobil: 0172/ Dipl.-Ing. Gert A. Fischer bei der KfW zugelassener Energieberater bei der BAFA zugelassener Energieberater Energieauditor nach 8b EDL-G 26