Effiziente Nutzung von Abwärme: Eine Chance für die Region

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1 von Abwärme: Eine Chance für die Region Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann Dipl.-Ing. Markus Preißinger Wissenschaftstag, Metropolregion Nürnberg Nürnberg, 20. Juli 2012

2 Zentrum für Energietechnik (ZET) Bündelung von Aktivitäten der Universität Bayreuth 8 Lehrstühle mit ca. 40 Mitarbeitern auf dem Gebiet der Energietechnik Weiterer Ausbau durch die Technologie-Allianz Oberfranken von Abwärme Seite 2

3 Energietechnische Forschungszentren in der Metropolregion Ausgewählte Beispiele ZET Zentrum für Energietechnik an der Universität Bayreuth EnCN EnergieCampus Nürnberg CES Fraunhofer Centrum für Energiespeicherung des Fraunhofer UMSICHT-ATZ (ehemals ATZ Entwicklungszentrum), Sulzbach-Rosenberg KWK-Campus Kompetenzzentrum Kraft- Wärme-Kopplung der Hochschule Amberg-Weiden Quelle: Metropolregion Nürnberg von Abwärme Seite 3

4 relative Preisentwicklung (1991 = 100 %) Motivation für Betriebe: Kostensenkung Entwicklung der Energieträgerpreise Heizöl schwer Heizöl leicht Erdgas Strom Datenquelle: BMWI 2012 Jahr von Abwärme Seite 4

5 Endenergieverbrauch in PJ/a Energieverbrauch in Industrie und Gewerbe Aufteilung nach Anwendungen Beleuchtung IKT mech. Energie Kälte Prozesswärme Warmwasser Raumwärme Industrie GHD Datenquelle: BMWI 2012 GHD: Gewerbe, Handel, Dienstleistungen IKT: Informations- u. Kommunikationstechnologien von Abwärme Seite 5

6 Nutzung von Abwärme Verschiedene Optionen Nutzung innerhalb des Unternehmens Versorgung von Wohneinheiten Stromerzeugung aus Abwärme Transport von Abwärme von Abwärme Seite 6

7 Thermische Leistung der Wärmequelle (kw) Nutzung von Abwärme Temperatur- und Leistungsbereiche Stromerzeugung ORC Stromerzeugung Wasserdampfprozess 1000 Kraft-Wärme-Kopplung Wärmebedarf > 4000 h Wärmerückgewinnung thermische Speicher 100 Wärmerückgewinnung - Prozesswärme/Heizzwecke Temperatur der Wärmequelle ( C) von Abwärme Seite 7

8 Stromerzeugung aus Abwärme Der Organic Rankine Cycle (ORC) von Abwärme Seite 8

9 Stromerzeugung aus Abwärme Der Organic Rankine Cycle (ORC) Rekuperator Kondensator Vorwärmer Turbine Pumpe Verdampfer von Abwärme Seite 9

10 Stromerzeugung aus Abwärme Anlagenbeispiel Zementwerk Lengfurt Inbetriebnahme: 2001 Gesamtkosten: 4 Mio. Fördermittel (UBA): 1 Mio. Laufzeit: 300 d/a von Abwärme Seite 10

11 Stromerzeugung aus Abwärme Weitere Anlagenbeispiele St. Anthony (USA) RHI Radenthein (A) Gerresheimer Essen Gmbh Inbetriebnahme: Spezifische Investitionskosten: Elektrische Leistung: /kw el 5500 /kw el k.a. 5,5 MW 1 MW 0,57 MW Abwärme- Gasübergabe- Brennofen Schmelzwanne quelle: station Magnesitherstellung Glasherstellung von Abwärme Seite 11

12 Stromerzeugung aus Abwärme Rechtliche Rahmenbedingungen ORC ist in der Positivliste für Abwärmenutzungskonzepte im EEG Bei der industriellen Abwärme konkurriert der ORC mit den EEX-Preisen ORC konkurriert mit anderen Technologien, die nicht besser, aber bereits bekannter sind Gründung ORC-Fachverband von Abwärme Seite 12

13 Stromerzeugung aus Abwärme Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zum ORC-Prozess Auswahl optimaler Fluide und Fluidgemische Anpassung an Temperaturniveau der Wärmequelle Transkritische Fahrweise Anpassung der Temperaturprofile bei der Wärmeübertragung Direktverdampfung Vermeidung von Wärmeverlusten und Kosten des Thermoölkreislaufs Entspannungsaggregate niedriger Leistung Nutzung kleiner Abwärmeströme Prozessintegration mit Einbindung thermischer Zwischenspeicher Nutzung fluktuierender Abwärmeströme Modularisierung Senkung der leistungsbezogenen Anlagenkosten von Abwärme Seite 13

14 exergetischer Wirkungsgrad (%) Stromerzeugung aus Abwärme Identifizierung besonders effizienter ORC-Fluide: Fluidgemische Molanteil Isobutan (%) Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Abwärmenutzung auf einem geringen Temperaturniveau (bis 150 C) kann durch den Einsatz von Fluidgemischen erhöht werden von Abwärme Seite 14

15 Stromerzeugung aus Abwärme Entspannungsaggregate niedriger Leistung: ORC-Minikraftwerk Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes zur Abwärmenutzung Erster Prototyp Mitte 2013 von Abwärme Seite 15

16 Transport von Abwärme Hemmnisse des leitungsgebundenen Transports langer Transportweg keine geeignete Leitungs-Trasse Zeitlich nicht passender Wärmebedarf hoher Investitionsaufwand feste Bindung von Lieferant und Abnehmer von Abwärme Seite 16

17 Transport von Abwärme Mobile thermische Speicher von Abwärme Seite 17

18 Transport von Abwärme Mobile thermische Speicher + Transportwege bis ca. 25 km + als Pufferspeicher nutzbar + Lieferant und/oder Abnehmer austauschbar + geringe Investition bei Einbindung eines Dienstleisters übertragbare Wärmeleistung limitiert bislang Einschränkung im Temperaturniveau von Abwärme Seite 18

19 Transport von Abwärme Optionen zur Speicherung thermischer Energie Sensible Speicher Aufheizung eines Speichermaterials Thermochemische Desorption von Wasser aus Speicher porösem Speichermaterial Latente Speicher Phasenwechsel eines Speichermaterials (PCM) von Abwärme Seite 19

20 Temperatur Transport von Abwärme Sensible und latente Wärme Schmelzenthalpie sensibel latent T max T min Q sensibel T Schmelz Q latent Energie (Enthalpie) von Abwärme Seite 20

21 Transport von Abwärme Projekt EFRE Pilotprojekt zum Ausbau der Nutzung industrieller Abwärme in Oberfranken mittels mobiler thermischer Speichersysteme EU-Kofinanzierung durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) Programm Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung Projektträger: Regierung von Oberfranken von Abwärme Seite 21

22 Transport von Abwärme Beispiel für Speicher-Container Container-Maße: 6 m 2,4 m 2,4 m Container-Gewicht: ca. 26 t PCM: Natriumacetat-Trihydrat Schmelztemperatur: 58 C Wärmeträgerfluid: Wasser Kapazität: ca. 2 2,5 MWh Beladeleistung: ca kw Entladeleistung: ca kw Wärmeverlust: ca. 0,5 %/Tag von Abwärme Seite 22

23 Transport von Abwärme Forschungsaktivitäten Entwicklung und Erprobung neuer PCM Erweiterung des Kreises potenzieller Wärmeabnehmer mit Bedarf an höheren oder tiefen Temperaturen Optimierung von Speicherkonzepten und Wärmeübertragung Erhöhung der Wärmeleistung bei der Speicherbe- und -entladung, Senkung der Fertigungskosten Erschließung weiterer Anwendungsgebiete für PCM z.b. stationäre Anwendungen in Wärmepumpen, als Pufferspeicher für Prozesswärme etc. von Abwärme Seite 23

24 Transport von Abwärme Optimierung von Wärmeübertragung und Phasenwechsel PCM flüssig PCM fest von Abwärme Seite 24

25 Transport von Abwärme Entwicklung und Erprobung von Speichern mit makroverkapseltem PCM von Abwärme Seite 25

26 Fazit Eine umfassendere und effizientere Nutzung von Abwärme senkt unmittelbar Energieverbrauch und Energiekosten von Unternehmen. Die Abwärmenutzung hilft somit, die Wettbewerbsfähigkeit der Region zu sichern und zu steigern. Forschungseinrichtungen in der Region entwickeln unter anderem Technologien zur Abwärmenutzung weiter und passen sie an individuelle Rahmenbedingungen an. Unternehmen können auf kurzem Wege vom energietechnischen Know-how und der Zusammenarbeit der energietechnischen Zentren profitieren. von Abwärme Seite 26

27 Vielen Dank Prof. Dr.-Ing. D. Brüggemann, Dipl.-Ing. Markus Preißinger