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Ausgewählte Ausgabe: 4-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Grundsatzfragen der Abwärmenutzung

ENERGIEEFFIZIENZ | In der Diskussion zum Thema Energieeffizienz wird regelmäßig über Abwärmenutzungstechnologien (AbWT) wie Sorptionskältemaschinen, Organic-Rankine-Cycle (ORC)-Prozesse oder Wärmepumpen diskutiert. Diese sollen eine praktikable Nutzung von Abwärme ermöglichen. Im Sinne eines „Plug & Play“-Systems erfolgt die Ankopplung an eine Abwärmequelle, und eine andere Nutzenergieform wie Strom, Kälte oder Hochtemperaturwärme kann an geeigneter Stelle wieder in den Prozess integriert werden. Doch wie lassen sich Abwärmequellen und -senken identifizieren? Ist es möglich, diese mit Hilfe von Wärmerückgewinnungssystemen direkt zu verbinden, oder ist eine AbWT einzusetzen?


Das Zwiebelschalenmodell, das im Bereich der Energieeffizienz etabliert ist, beschreibt die grundlegende Herangehensweise an die Thematik. Energieeffizienzmaßnahmen werden dabei vom Prozess aus entwickelt, um negative Rückkopplungseffekte, die in der Energieversorgung entstehen können, zu vermeiden. Bild 1 verdeutlicht, dass mit sinkendem Prozessenergiebedarf auch die Größe der äußeren Schalen abnimmt.
Bild 1  Zwiebelschalenmodell [1 bis 3].

Bild 1
Zwiebelschalenmodell [1 bis 3].

Deshalb gilt es, bei der Anwendung von thermischer Energie so viel Wärme wie möglich zurückzugewinnen. Durch intelligente Verschaltung von Energieströmen lässt sich Wärme im System halten und muss nicht zusätzlich bereitgestellt oder weggekühlt werden.
Ein anschauliches Beispiel ist die Pasteurisierung von Milch. Der Prozess erfordert die Erhitzung von Lagerungstemperaturen um 4 bis 8 °C auf 72 bis 75 °C für 15 bis 20 Sekunden [4]. Danach erfolgt eine Abkühlung für einen weiteren Zwischenlagerungsschritt. Das Aufheizen sowie das Abkühlen können theoretisch ausschließlich durch externe Energie aus fossilen Energieträgern erfolgen. Logischerweise kann der aus der Lagerung kalt in den Pasteur eintretende Milchstrom vom bereits erwärmten Produkt vorgewärmt und gleichzeitig der austretende Strom gekühlt werden. Dieser Ansatz ermöglicht Wärmerückgewinnungsraten von über 90 %. Das vorgestellte einfache Beispiel zeigt den Nutzen von Wärmerückgewinnung. Weitaus schwieriger stellt sich die Bestimmung der Wärmerückgewinnungspotenziale bei einer großen Anzahl von Energieströmen dar. Es gibt grundsätzlich viele Möglichkeiten diese Wärmesenken und -quellen miteinander zu verschalten. Fraglich ist, mit welcher Verschaltung möglichst viel Wärme im System gehalten und wie verbleibende Abwärme sinnvoll integriert werden kann.

Pinch-Methodik

Mit der Pinch-Analyse [1; 5; 6] existiert eine methodische Vorgehensweise, die Antworten auf diese Frage liefert. Sie ordnet grafisch sämtliche thermischen Ströme als Quellen- beziehungsweise Senkenprofil in Form der Verbundkurven nach Leistung und Temperatur der Wärme. Mit Hilfe dieser können Wärmerückgewinnungssysteme, aber auch AbWT geplant und thermodynamisch korrekt eingebunden werden. In der Chemieindustrie wird sie seit den 1980er Jahren bereits erfolgreich angewendet. Beispielsweise konnte BASF am Standort Ludwigshafen eine installierte thermische Leistung von 490 MW einsparen [7]. In der milchverarbeitenden Industrie gibt es Untersuchungen, die auf dieser Methode aufbauen [8 bis 11] und ebenfalls sehr gute Energieeffizienzsteigerungen erzielen.
Diese Methode beinhaltet eine Reihe von Werkzeugen, die in Kombination miteinander anwendbar sind. Das in Bild 2 dargestellte Flussdiagramm zeigt das schrittweise Vorgehen für eine vollumfassende Analyse.

Bild 2  Vorgehensweise bei der Pinch-Analyse (Energy Research Center, University of Waikato, Neuseeland).

Bild 2
Vorgehensweise bei der Pinch-Analyse (Energy Research Center, University of Waikato, Neuseeland).

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Autoren

Dr.-Ing.  Matthias Philipp

Jahrgang 1984, Studium der Regenerativen Energietechnik und Energieeffizienz an der Universität Kassel. Promotion am Fachgebiet Umweltgerechte Produkte und Prozesse der Universität Kassel. Seit 2016 Technologiefeldleiter für Energiesystemtechnik am Institut für neue Energie-Systeme der Technischen Hochschule Ingolstadt.
matthias.philipp@thi.de

M. Sc. Gregor Schumm

Jahrgang 1985, Studium der Regenerativen Energietechnik und Energieeffizienz an der Universität Kassel. Seit 2012 Dissertant am Fachgebiet Umweltgerechte Produkte und Prozesse der Universität Kassel. Seit 2016 im technischen Vertrieb bei Piller Blowers & Compressors GmbH, Moringen.

M. Sc. Florian Schlosser

Jahrgang 1989, Studium der Regenerativen Energietechnik und Energieeffizienz an der Universität Kassel. Seit 2016 Dissertant am Fachbereich Umweltgerechte Produkte und Prozesse der Universität Kassel.

M. Sc.  Ron-Hendrik Peesel

Jahrgang 1990, Duales Bachelorstudium bei Bosch Thermotechnik, Masterstudium Regenerative Energien und Energieeffizienz an der Universität Kassel, Seit 2016 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Umweltgerechte Produkte und Prozesse der Universität Kassel.

Dipl.-Ing.  Uwe Holzhammer

Jahrgang 1975, Studium Umwelttechnik an der HTW Berlin, Promotion an der Universität Rostock, seit 2010 Wissenschaftler am Fraunhofer IWES in Kassel, Verantwortlich für das Thema Bedarfsorientierte Energiebereitstellung.
uwe.holzhammer@iwes.fraunhofer.de

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