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Intelligente Abwärmenutzung in Unternehmen

Bremen 15.03.2017

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Dr.-Ing. Michael Kruse, prosys° GmbH


Bremen 15.03.2017

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• Grundsätzliches

• Zur Physik der Abwärme

• Definition der Abwärme

• Potenzial der Abwärmenutzung

• Temperaturniveaus für Abwärmenutzungen / Pinch-Technik

• Technische Möglichkeiten der Abwärmenutzung

• Vermeidung von Abwärme

• Anwendungsbereiche der Abwärmenutzung

• Kälteanlagen

• Produktionsanlagen

• Kosten der Abwärmenutzung

• Fazit

Agenda


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Die Summe aus Exergie und Anergie bleibt bei allen

Prozessen zur Energieumwandlung konstant.

Hierbei bedeutet

Exergie den nutzbaren Anteil der Energie, d.h. z.B.

mechanische oder elektrische Arbeit einer Maschine

und Anergie den nicht nutzbaren Anteil, d.h. z.B. die

Umgebungswärme.

1. Hauptsatz der

Thermodynamik


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Bei reversiblen Prozessen bleibt die Exergie konstant.

Bei irreversiblen Prozessen verwandelt sich Exergie in

Anergie.

Es ist unmöglich, Anergie in Exergie umzuwandeln.

2. Hauptsatz der

Thermodynamik


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Eine Legaldefinition des Begriffes Abwärme, die dem nie

in Kraft getretenen Entwurf der

Wärmenutzungsverordnung entstammt, lautet:

Entstehende Wärme / Abwärme, die eine Anlage jährlich

verlassende Wärme, ausgenommen die Wärme, deren

Erzeugung Haupt- oder Nebenzweck der Anlage ist.

Definition der Abwärme


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Die exergetische Nutzung der Anergie ist das Ziel der

Abwärmenutzung, obwohl dies der 2. HS der

Thermodynamik eigentlich ausschließt.

Möglich wird dies dadurch, dass es Energieformen, wie

z.B. Wärme und Enthalpie, gibt, die aus beiden Formen

bestehen.

So hat beispielweise 90 grädige Abluft bei einer

Umgebungstemperatur von 20° C noch einen

exergetischen Anteil infolge des Temperaturgradienten

zwischen beiden Medien.

Ziel der Abwärmenutzung


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Die Abwärmemenge Q wird beschrieben durch die Formel

Q = c ∙ m ∙ ∆ T + Qlatent

Hierbei ist c die spez. Wärmekapazität des Mediums, m

dessen Masse, ∆ T die Temperaturdifferenz zwischen

Medium und Umgebung und Qlatent ggf. vorhandene

latente Wärmen, die durch Phasenübergänge freigesetzt

werden.

Quantifizierung der

Abwärmenutzung


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Sankey-Diagramm der Abwärmenutzung


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Eine genaue Angabe über das in Deutschland vorhandene

Abwärmepotenzial existiert nicht. Dies ist auch nicht

verwunderlich, da Abwärme und deren Nutzung nicht klar

abgegrenzt sind. Das Potenzial hängt z.B. davon ab, ob

industrielle oder gewerbliche Prozesse betrachtet werden,

ob hoch-, mittel- oder niedergrädige Abwärme vorliegt.

Zudem ist für das nutzbare Potenzial von entscheidender

Bedeutung, wie effizient die betrachtete Anlage bzw.

Prozess bereits ist. Mit zunehmender Energieeffizienz wird

das Abwärmepotenzial immer geringer.

Potenzial der Abwärme


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Eine Abschätzung des IZES kommt zum Ergebnis, dass

im Bereich des Verarbeitenden Gewerbes in Deutschland

im Jahre 2008 ein nutzbares Abwärmepotenzial von

• ca. 226 TWh/a an Wärme - dies entspricht 36 % der in

diesen Sektoren eingesetzten Endenergie - und

• ca. 36 TWh/a an Strom zur Verfügung stand.

Potenzial der Abwärme


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Die Möglichkeiten der Abwärmenutzung hängt von folgenden

Parametern ab:

• Zur Verfügung stehendes Temperaturniveau der Abwärme

• Größenordnung der zur Verfügung stehenden Wärmemenge

• Dargebot der Wärmemenge, d.h. steht sie

• kontinuierlich,

• batchweise oder

• unregelmäßig

zur Verfügung

• Medium, das die Abwärme abgibt, z.B. Wasser, Abluft, Gase,

Dampf

Parameter der

Abwärmenutzung


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Ganglinien für

Abwärmenutzung


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Ganglinien für

Abwärmenutzung


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Ganglinien für

Abwärmenutzung


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Wärmebedarf nach Temperaturniveaus


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Pinch-Technik


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• Energiesparende Gestaltung des Prozessablaufes in der Anlage

• Verwirklichung hoher energetischer Wirkungs- und

Nutzungsgrade der Anlage

• Einschränkung von Wärmeverlusten

• Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung

• Energiesparende Gestaltung der Betriebsführung der Anlage

Maßnahmen zur

Minimierung der Abwärme


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• Nutzung der Abwärme in anderen Anlagen

• Erzeugung von mechanischer Arbeit, elektrischer Energie und

Kälte aus Abwärme

• Einspeisung von Abwärme in vorhandene oder zu errichtende

Wärmenetze auch Dritter

• Erreichung einer hohen Gleichzeitigkeit zwischen

Abwärmequellen und -senken

Maßnahmen der

Abwärmenutzung


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Übersicht zu Möglichkeiten

der Abwärmenutzung

Wärmerückgewinnungsverfahren

Verfahren ohne äußerer

Energiezufuhr

Verfahren mit äußerer Energiezufuhr

rekuperative

Verfahren

regenerative

Verfahren

Wärmepumpen sonstige

Verfahren


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Übersicht zu den Rückwärmezahlen und

Rückfeuchtzahlen verschiedener Wärmetauscher

Wärmetauscher Rückwärmezahl Rückfeuchtzahl

Regenerator mit beweglicher

Speichermasse, Sorptionsrotor

0,7 - 0,8 0,7 - 0,8

Regenerator mit beweglicher

Speichermasse,

Kondensationsrotor

0,7 - 0,8 0 - 0,2

Regenerator mit feststehender

Speichermasse,

Umschaltspeicher

0,6 - 0,8 0,5 - 0,7

Rekuperator,

Plattenwärmetauscher

0,4 - 0,6 -

Thermosyphon 0,3 - 0,7 -


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Führung

der Stoffströme


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• Kälteanlagen



• Fazit

Agenda


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Abwärmenutzung aus Kälteanlagen

Die Abwärme der Kältemaschine kann bei den üblichen

Verflüssigertemperaturen (45° C) direkt nur in

Niedertemperatur-Heizsysteme eingebunden werden.

Für die Einbindung in Wärmesysteme mit höherem Temperatur-

niveau ist die Anhebung der Verflüssigertemperatur, z.B. auf

65° C, erforderlich. Diese Anhebung ist durch die max.

Verflüssigertemperatur des Kältemittels begrenzt. Die

Leistungszahl der Kältemaschine wird dadurch reduziert.


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Abwärmenutzung in der Produktion


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Spezifische Kosten der Abwärmenutzung

aus einer Kälteanlage

Mit K 3,1;

KR 2.0 sowie

P Q

0

K

1

3,1 0,32

PWRG

Q

0

K ,WRG

1

2,0 0,50

PH

PRP

Q

C

0,500,32

1 0,9 0,5 0,12 und

H

1

0,12 8,3 sowie

einemStrompreisvon 22ct

kWhergebensich

WŠrmegestehungskostenvon 2,7ct

kWh


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• Kälteanlagen



• Fazit

Agenda


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• Der Anfall von Abwärme sollte minimiert werden

durch den Einsatz von energieeffizienter Technik.

• Anfallende Abwärme sollte genutzt werden.

• Für die Nutzung der Abwärme nutzen Sie das KfW-

Förderprogramm.

Fazit


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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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