Produktionsvorgang in der Stahlindustrie, bei dem viel Wärme freigesetzt wird (Quelle: MIRACLE MOMENTS - Fotolia.com)

Arten der Nutzung

Abgase aus Verbrennungs- und Verfahrensprozessen mit Temperaturen von bis über 400 Grad Celsius können ebenso genutzt werden, wie die Abluft aus Büroräumen mit Temperaturen von lediglich 20 Grad.

Primärer Zweck von Betrieben ist die Herstellung von Produkten und die Bereitstellung von Dienstleistungen. Dabei entsteht Abwärme, die einen Verlust darstellt. Daher sollten Sie zunächst Ihre Produktionsprozesse analysieren und optimieren, um Abwärme zu vermeiden. Erst im nächsten Schritt sollten Sie prüfen, ob Wärme innerhalb des gleichen Prozesses zurückgewonnen werden kann. Beide Ansätze sind meistens ökonomisch und ökologisch am sinnvollsten.

So können Sie Abwärme nutzen

Sind die Möglichkeiten der Vermeidung und Wärmerückgewinnung ausgeschöpft, kann Abwärme direkt oder indirekt in anderen betriebsinternen Prozessen oder außerbetrieblich eingesetzt werden.

  • Bei der direkten Abwärmenutzung wird die Abwärme in anderen Prozessen auf einem niedrigeren Temperaturniveau als Wärme genutzt. Damit muss für diese Prozesse keine oder weniger Wärme extra erzeugt werden.
  • Bei der indirekten Abwärmenutzung wird Abwärme umgewandelt in Kälte, in Strom oder in Wärme auf einem höheren Temperaturniveau.

Möglichkeiten der Abwärmenutzung

Welche inner- oder außerbetrieblichen Abwärmequellen und -senken kombiniert werden können, ist von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedlich. Dennoch gibt es Standardkombinationen. Typische Anwendungsfelder sind bei der Abwärmenutzung als Wärme:

  • Heizung (oder Heizungsunterstützung)
  • Warmwasserbereitung
  • Prozesse mit Wärmebedarf (z. B. Trocknungsprozesse, Vorerwärmungen)

Häufig finden sich diese Anwendungsgebiete im eigenen Betrieb. Der Abwärmerechner des Bayerischen Landesamtes für Umwelt hilft Ihnen bei einer ersten Abschätzung des Abwärmepotenzials zur innerbetrieblichen Nutzung.

Betriebsexterne Wärmeabnehmer
Zumeist wird Niedertemperaturwärme (< 100 °C) in Heizsystemen und zur Erwärmung von Brauchwasser eingesetzt. Mögliche Abnehmer sind:

  • Wohn- und Verwaltungsgebäude
  • Hotelanlagen
  • Kurhäuser
  • Schwimmbäder
  • Einzelhandel

Wärmetransport und Wärmenetze
Wärme kann mittels eigener Leitungen, Einspeisung in ein bestehendes Wärmenetz oder in Spezialfällen über mobile Systeme (Wärmespeicher und LKW) befördert werden.
Für den wirtschaftlichen Betrieb von Leitungssystemen sind in der Regel Vorlauf-Temperaturen im Leitungsnetz von 70 °C bis 90 °C notwendig. Bei niedrigeren Vorlauftemperaturen (30 °C bis 40 °C) sind die Leitungsverluste geringer und es kann auch Abwärme mit niedrigem Temperaturniveau genutzt werden. Dafür müssen am Ort des Verbrauchs Wärmepumpen installiert werden, die die benötigte Temperatur der Nutzwärme hocheffizient erzeugen. Für die Planung, Umsetzung und den Betrieb sollten Sie Experten hinzuziehen.

Um Abwärme in ein bestehendes (Fern-)Wärmenetz einzuspeisen, werden häufig höhere Temperaturen (über 100 °C) benötigt. Die genauen technischen Rahmenbedingungen müssen mit dem Wärmenetzbetreiber besprochen und im Falle einer Einspeisung bilateral vertraglich ausgehandelt werden.

Kälte wird für viele industrielle Prozesse, für Kühlhäuser und zur Raumklimatisierung benötigt. Sie wird überwiegend mit strombetriebenen Kompressionskältemaschinen erzeugt. Mit wärmebetriebenen Sorptionskältemaschinen kann Kälte aus Abwärme erzeugt werden. Die Voraussetzung ist in der Regel für Absorptionskältemaschinen eine Temperatur von mindestens 75 °C und für Adsorptionskältemaschinen mindestens 60 °C. Dies hängt jedoch vom Anlagentyp, vom Abwärmemedium und der Kältevorlauftemperatur ab.

Wärmebetriebene Sorptionskältemaschinen werden in der Regel auf die Grundlast ausgelegt und sollten hohe Betriebsstundenzahlen aufweisen. Kältespeicher und (elektrisch betriebene) Kompressionskältemaschinen können kälteseitige Lastwechsel und Spitzenlasten abdecken.

KWK-Anlagen zu KWKK-Anlagen ausweiten
Eine bereits bestehende KWK-Anlage kann mit einer Sorptionskältemaschine zu einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage (KWKK-Anlage) aufgerüstet werden. Dabei kann überschüssige Wärme aus der KWK-Anlage, die zum Beispiel im Sommer aufgrund eines fehlenden Heizwärmebedarfs nicht benötigt wird, zur Kälteerzeugung verwendet werden.

Bei höheren Temperaturen ab etwa 110 °C kann aus Abwärme Strom erzeugt werden. Typische Abwärmequellen sind Verbrennungsabgase und Prozessabluft aus Produktions- und Energiewandlungsprozessen. Sollte die Leistung der Abwärmequelle nicht kontinuierlich in konstanter Höhe zur Verfügung stehen, sind im Teillastbetrieb Kolbenmaschinen besser geeignet als Turbinen.

Wie bei der Kälteerzeugung sind auch bei der Stromumwandlung eine ausreichend hohe Betriebsstundenzahlen und ein möglichst konstanter Betrieb unter Volllast für den wirtschaftlichen Betrieb wesentlich. Der erzeugte elektrische Strom kann entweder im eigenen Betrieb verwendet oder vermarktet werden.

Die Umwandlung kann in Organic-Rankine-Cycle-Anlagen (ORC-Anlage) ab etwa 110 °C oder Clausius-Rankine-Cycle-Anlagen (CRC-Anlage), den Dampfmaschinen, ab etwa 150 °C erfolgen. Sowohl bei ORC- als auch CRC-Anlagen muss nach einer Expansion das Arbeitsmedium kondensiert werden. Hierbei entsteht wiederum gefasste Abwärme, die weiter genutzt werden kann, z. B. zur Heizungsunterstützung.

Abwärme mit höheren Temperaturen eignet sich besonders gut zur Kaskadennutzung. Dabei sind verschiedene Prozesse hintereinander geschaltet, die die Abwärme mit einem abnehmenden Temperaturniveau durchläuft.

Beispiel: Kaskadennutzung in ORC-Anlagen
Im ersten Schritt erzeugt eine ORC-Anlage aus Feuerungsabwärme Strom. Dabei entsteht wiederum Abwärme, allerdings auf einem niedrigeren Temperaturniveau. Diese Abwärme kann je nach Temperatur zu Heizzwecken oder sogar zur Kälteerzeugung in einer Sorptionskältemaschine eingesetzt werden.