Wärmerückgewinnung Energie aus heißer Luft wird nutzbar

Autor: Stéphane Itasse

Ob Heißwasser, Trocknung, Druckluft oder schlicht Elektromotoren: Viele Prozesse in der Industrie erzeugen Wärme, ganz gleich ob sie gebraucht wird oder nur als Nebeneffekt unvermeidbar ist. Oft genug wird diese Wärme einfach an die Umwelt abgegeben oder gar mit einer Kühlung beseitigt. Wer sie jedoch clever nutzt, kann sehr viel Geld sparen oder gar dazuverdienen.

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Am Wuppertaler Stammsitz der Schmersal-Gruppe wurde eine energetischen Optimierung durchgeführt. Die neuen Lüftungsanlagen nutzen die Abwärme aus der Produktion zur Beheizung.
Am Wuppertaler Stammsitz der Schmersal-Gruppe wurde eine energetischen Optimierung durchgeführt. Die neuen Lüftungsanlagen nutzen die Abwärme aus der Produktion zur Beheizung.
(Bild: Jörg Kastowsky)

Die Zahlen muten fast schon fantastisch an: BMW konnte beispielsweise allein im Werk Regensburg eine Heizleistung von 1270 kW im Winter einsparen, indem die Lüftungsanlage zur Wärmerückgewinnung genutzt wurde. 50.000 kWh Energie spart die Schmersal-Gruppe durch die Nutzung der Kondensationswärme aus Abgas und eine bessere Leistungsregelung des Brenners, das sind 10 bis 15 % des Primärenergieeinsatzes.

Investitionen in Wärmerückgewinnung amortisieren sich sehr schnell

Hinzu kommen im gleichen Unternehmen 60.000 kWh Energiegewinn, weil ein neuer Kompressor im Werk Wuppertal mit einerm Wärmerückgewinnungssystem für die Heizung ausgerüstet wurde – eine sehr einfache Maßnahme. Die Lüftungsanlage für einen Produktionsbereich wurde ebenfalls mit einer Wärmerückgewinnung ausgerüstet und auf Außenluftversorgung umgestellt, das macht eine Energieeinsparung von rund 90.000 kWh. Bei vielen Neuanlagen amortisiert sich die Investition in energiesparende Technik in kurzer Zeit. Die Nutzung der Kompressorabwärme rechnet sich zum Beispiel oft in weniger als einem Jahr.

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Dabei ist es nicht einmal unbedingt notwendig, auf Neuanlagen zu setzen, denn die Anbieter der Abwärmenutzungstechnik sind sich der Chancen durch Nachrüstung bewusst. So hat GEA Heat Exchangers den Hitec Economizer zur Aus- oder Nachrüstung von Gasturbinen oder Kesseln und weiteren Anwendungen vorgestellt. Mit dem Wärmerückgewinnungssystem lassen sich aus dem Abgas hohe Energieströme auskoppeln, wie der Hersteller mitteilt. Das Besondere an diesem Wärmerückgewinnungssystem sei sein Wärmetauscher mit einer korrosions- und temperaturbeständigen Beschichtung der Rippenrohre mit Polual HTCS (High Temperature Corrosion Shield). Die Rippenrohre ließen sich aus einem preiswerten Leichtmetall wie Aluminium fertigen, erlaubten aber dank der Beschichtung Einsatztemperaturen bis zu 200 °C.

Große Temperaturunterschiede machen Wärmerückgewinnung interessant

Am besten funktionieren Wärmerückgewinnungssysteme bei großen Temperaturdifferenzen. Bei Verwendung eines kühleren Fluids könne mehr Energie gewonnen werden, dadurch bilde sich jedoch Kondensat auf den Rippen, was zu Korrosion führe. Bisher handelsübliche Beschichtungen seien nicht so temperaturbeständig und in saurer Gasatmosphäre auch nicht korrosionsresistent.

Für niedrigere Temperaturen, wie sie zum Beispiel in der Zerspanung oder an Schweißarbeitsplätzen entstehen, hat der Absauganlagenhersteller Büchel GmbH in Niederstotzingen eine Wärmerückgewinnung für seine Be- und Entlüftungssysteme im Angebot. Grundsätzlich sollte das Raumluftvolumen einer Werkhalle drei bis sechs Mal pro Stunde ausgetauscht werden, wie das Unternehmen berichtet. Nur so ließen sich Gerüche und gasförmige Stoffe wirtschaftlich entfernen.

Im Sommer ist der Luftaustausch unproblematisch, in den kühleren Monaten kann die wesentlich kühlere Luft von außen allerdings nicht einfach ins Werksinnere geleitet werden. Denn durch das Temperaturgefälle entsteht ein Zug, der nicht nur schlecht für das Raumklima ist, sondern sich auch fatal auf die Produktion auswirken kann. So sollte die Frischluft die Temperaturgrenze von 16 bis 17 °C nicht unterschreiten. Hier kommt eine zentrale Absauganlage ins Spiel: Sie filtert nicht nur Verunreinigungen, sondern auch Wärme der Maschinen heraus. Mit den Ablufttemperaturen aus der Werkzeugmaschine kann die Außenluft bei Bedarf durch einen Wärmetauscher geheizt werden.

Wärmerückgewinnung bei Druckluftanlagen sehr schnell lohnend

Kaum weniger als Produktionsmaschinen sind in der Industrie auch Druckluftanlagen verbreitet – und auch sie bieten ein enormes Potenzial für die Wärmerückgewinnung. „94 % der im Verdichtungsprozess entstehenden Energie fällt in Form von Wärme an, die sinnvoll genutzt werden kann. Und Wärmerückgewinnungssysteme sind relativ einfach zu implementieren“, erläutert Matthias Eichler, Leiter Branding and Marketing Services bei Boge Kompressoren in Bielefeld. „Die Wärmeenergie lässt sich hervorragend nutzen, um zum Beispiel Heizungs- und Brauchwasser zu erhitzen beziehungsweise um Prozesse in der Produktion, bei denen Wärme benötigt wird, zu unterstützen. 30 % Kostenersparnis sind jährlich durchaus möglich.“ Kein Wunder, dass Kompressorenhersteller Anlagen zur Wärmerückgewinnung nicht nur in die Druckluftstationen integrieren, sondern auch getrennt anbieten: Boge hat beispielsweise schon seit 2011 mit Duotherm ein externes Wärmerückgewinnungssystem im Einsatz, mit dem ältere Kompressoren auch anderer Hersteller einfach nachgerüstet werden können. Die Verdichter liefern neben Druckluft dann auch Warmwasser. „Die Investition für die Nachrüstung amortisiert sich in den meisten Fällen innerhalb weniger Monate“, sagt Eichler.

Was sich damit konkret einsparen lässt, zeigt das Beispiel der Ferdinand Täfler GmbH & Co KG in Dransfeld. Mit einem neuen Konzept zur Wärmerückgewinnung und -speicherung hat das Unternehmen den Gasverbrauch um mehr als ein Viertel reduziert, wie die Leipold-Gruppe als Muttergesellschaft berichtet. Dazu wird die Abluft der Kompressoren abgesaugt und über einen Wärmetauscher einem Pufferspeicher im Keller zugeführt. Insgesamt gewinne man 70 % der elektrischen Energie zurück.

Wärmespeicher erlaubt zeitliche Verschiebungen dank 10.000 l Volumen

Der Speicher mit einem Volumen von 10.000 l sei notwendig, da es produktionsbedingt zu zeitlichen Verschiebungen zwischen der Abwärme und den Versorgungsspitzen zur Beheizung der Gebäude komme. Der Clou sei die Einbindung des Systems in die regeltechnische Umgebung der Fabrik. „Hierdurch ermöglichen wir ein optimiertes Be- und Entladen des Speichers“, sagt Rüdiger Heine, stellvertretender technischer Leiter im Werk Dransfeld. Die Temperaturen in der Fertigung würden automatisch auf einem vorgegebenen Wert gehalten.

Die Investition in die Wärmerückgewinnung summierte sich laut Unternehmen auf 45.000 Euro. Hinzu kam ein Brennwertkessel für 25.000 Euro. Die Ersparnis zur Amortisierung der Investitionen sei nicht nur auf den Minderverbrauch zurückzuführen. Die Gasbezugsspitze, die für die Berechnung des Leistungspreises bei den Versorgern maßgeblich ist, konnte laut Heine um bis zu 150 kWh gesenkt werden: „Unter dem Strich sparen wir über 20.000 Euro durch den geringeren Verbrauch.“

Ein anderer Bereich, in dem relativ viel Wärmeenergie gebraucht wird, ist die Oberflächentechnik – und auch hier lässt sich einiges zurückgewinnen. Konkret dargestellt hat dies die BVL Oberflächentechnik in einem Projekt zusammen mit der Hochschule Osnabrück. Dabei wurde deutlich, dass der Großteil der Energie bei Reinigungsanlagen (fast 90 %) für die Wärmeenergie aufgebracht wird.

Wärmerückgewinnung auch für die Teilereinigung interessant

Auch für die Teilereinigung werden häufig Systeme zur Wärme- und Wasserrückgewinnung aus der Abluft diskutiert. Im Fokus stehen dabei meist Kondensatoren, die der Abluft die Wärme und Feuchtigkeit entziehen. Allerdings treiben sie die Anschaffungskosten für eine Wärmerückgewinnung in die Höhe. Die Investition rentiert sich laut BVL häufig erst nach 15.000 Betriebsstunden. Bei Anlagen mit weniger Betriebsstunden im Amortisationszeitraum lohne sich eher eine Kombination aus Rohr- und Tankisolierung sowie Abluftmanagement.

Ein ähnliches Potenzial ergibt sich beim Lackieren, wie das das Lackiercenter Schulte im Emsland zeigt. Energie gespart wird über einen Rotationswärmetauscher, der die Wärme aus der Abluft wieder in die Zuluft einspeist. „Wir sparen circa 20 % durch die Wärmerückgewinnung“, freut sich der Geschäftsführer Herbert Schulte.

Zurückgewonnene Wärme kann zur Stromerzeugung genutzt werden

Die zurückgewonnene Wärme muss dabei nicht unbedingt in Wärmeprozesse eingespeist werden, man kann sie auch verstromen. Möglich ist dies zum Beispiel über eine Organic-Rankine-Cycle-Anlage (ORC), wie Projekte bei Franken Guss Kitzingen oder Elbe-Stahlwerke Feralpi (ESF) zeigen: Bei Franken Guss wurde mit Förderung des Bundesumweltministeriums eine neuartige Anlagenkombination zur Abwärmenutzung von Rauchgas umgesetzt. Bei ESF hat Turboden, ein Hersteller von ORC-Turbogeneratoren und Tochter der Mitsubishi Heavy Industries Ltd. (MHI), das weltweit erste ORC-basierte Wärmerückgewinnungssystem in einen Elektrolichtbogenofen integriert. Die neue ORC-Einheit mit einer Ausgangsleistung von 3 MWel verwertet einen Teil der Sattdämpfe aus den Abgasen eines Lichtbogenofens.

„Abwärmenutzung in der Industrie ist heute mehr als die Rückführung von Wärmeenergie und deren Nutzung in den Haupt- oder Nebenprozessen eines Unternehmens“, sagte denn auch Jürgen Berger, Geschäftsführer der Steamdrive GmbH in Heidenheim, bei der Podiumsdiskussion „Optimierungskonzepte für industrielle Abwärmenutzung“ auf der Hannover-Messe 2015. Vielmehr gehe es vermehrt um die Erzeugung von „edlem“ Strom aus der Abwärme.

Dabei müsse man nach Temperaturniveaus differenzieren, da die verschiedenen Techniken jeweils optimale Anwendungsbereiche haben. „Für die Hochtemperaturnutzung, zum Beispiel aus dem Abgas von Motoren oder Industrieprozessen, ist ein Wasserdampfkreisprozess optimal geeignet, da dieser einen guten Kreisprozesswirkungsgrad aufweist. Im kleineren Leistungsbereich, zum Beispiel bei Blockheizkraftwerken mit 400 kW elektrischer Leistung, nutzen wir die heißen Abgase zur Erhöhung der elektrischen Leistung um 30 kW. ORC-Systeme (Organic Rankine Cycle) für die Niedertemperaturnutzung bieten sich in der Geothermie an, wo typischerweise das Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig ist, um eine Turbine mit Wasserdampf zu betreiben“, erläutert Berger.

Politik bremst Abwärmenutzung in Deutschland aus

„Natürlich muss bei jeder Form der Abwärmenutzung für den Investor die Wirtschaftlichkeit der Anlage gegeben sein“, ergänzt Barbara Minderjahn, Geschäftsführerin des Verbands der Industriellen Energie- und Kraftwirtschaft (VIK). Mögliche Wirtschaftlichkeitsfaktoren könnten zum Beispiel passende Wärme- oder Kältesenken in räumlicher Nähe sein. Die Höhe der Investitionskosten spiele naturgemäß ebenfalls eine signifikante Rolle und nicht zuletzt die Frage, ob es Anreize für die verstärkte Abwärmenutzung durch Förderungen gebe.

Doch diese Frage ist hochpolitisch. „Im Kontext der aktuellen Diskussion um den Nationalen Aktionsplan Energieeffizienz wird deutlich, dass die Politik den Stellenwert der Abwärmenutzung als Mittel zur Steigerung von Energieeffizienz noch stark unterschätzt“, kritisiert Minderjahn. „Während wir in Deutschland politische Förderinstrumente wie ein EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) und ein KWKG (Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz) haben, fehlt ein Wärme-Kraft-Kopplungs-Gesetz“, sagt auch Berger. Für die verstärkte Nutzung der industriellen Abwärme gebe es keine praxisgerechten Investitionsanreize durch entsprechende politische Rahmenbedingungen. Dadurch blieben gigantische Energiemengen in der Industrie ungenutzt, weil sich die Abwärmenutzung unter den gegebenen Rahmenbedingungen nur schwer wirtschaftlich darstellen lasse. „Die Nutzung der Abwärme zur Stromproduktion könnte bei richtiger Allokation von Fördermitteln ein signifikanter Beitrag zur Erreichung der deutschen Klimaschutzziele sein“, erläutert der Steamdrive-Geschäftsführer weiter.

Unternehmen wollen verlässliche Rahmenbedingungen – auch für Abwärmenutzung

Doch hier hat die Politik zuletzt viel Porzellan zerschlagen. „Die Unternehmen brauchen verlässliche politische Rahmenbedingungen, um in Effizienztechnologie zu investieren. Ein Beispiel für ,fluktuierende' gesetzliche Vorgaben war die Einbeziehung der Eigenstromerzeugung in die EEG-Umlage im letzten Jahr“, sagt Minderjahn. Aktuell werde das Vertrauen in die Konstanz und Durchgängigkeit energiepolitischer Weichenstellungen gerade hinsichtlich der Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung infrage gestellt durch die geplanten Änderungen des Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetzes (KWKG).

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