Rohre in einem Industriebetrieb (Quelle: AP - Fotolia.com)

Technik

Es gibt verschiedene ausgereifte Techniken, die für die Abwärmenutzung zur Verfügung stehen. Hier finden Sie eine Übersicht.

Abwärme ist nicht gleich Abwärme

Wärme fließt immer vom Ort der höheren Temperatur (Abwärmequelle) zum Ort der niedrigeren Temperatur (Abwärmesenke). Je größer der Temperaturunterschied ist, desto größer ist die übertragene Leistung. Abwärme auf einem höheren Temperaturniveau besitzt einen höheren "Exergiegehalt" und ist damit wertvoller. Sie kann vielfältiger und wirtschaftlicher eingesetzt werden.
Bei der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) liegt ein besonderer Fall vor. Hier ist der primäre Grund des Prozesses die Produktion von Strom und Wärme. Daher wird nur diejenige Wärme aus KWK-Anlagen Abwärme genannt, die bisher nicht für Wärmeanwendungen genutzt wird.

Wie treten Abwärmeströme auf?

Gefasste Abwärmeströme sind an ein Medium gebunden, wie z. B. an Abluft, Wasser oder Thermoöl. Hierbei wird zwischen latenter und sensibler Wärme unterschieden. Gefasste Abwärmeströme können in der Regel gut genutzt werden.
Diffuse Abwärmeströme entstehen vorwiegend durch Strahlung sowie Konvektion, beispielsweise an den Oberflächen von erwärmten technischen Anlagen. Sie müssen zur Nutzung erst noch gefasst und abgeführt werden. Eine Ausnahme stellt die Verwendung der Abwärme zur unmittelbaren Raumlufterwärmung am Ort der Entstehung dar.

Bei der Abwärmenutzung wird die thermische Energie je nach Anwendungsfall direkt genutzt, auf andere Medien übertragen und transportiert, gespeichert, auf ein höheres Temperaturniveau angehoben oder in eine andere Energieform umgewandelt (Kälte, Strom, mechanische Energie). Folgende Techniken kommen zum Einsatz:

Wärmeübertrager, auch „Wärmetauscher“ genannt, machen Abwärme erst nutzbar. Sie übertragen die Abwärme von einem Medium (Heizmedium) auf ein anderes (Kühlmedium). Nur in speziellen Fällen, bspw. bei diffuser Abwärme, kann sie auch ohne Wärmeübertrager genutzt werden. Es lassen sich grundsätzlich zwei Wärmeübertragungsprinzipien unterscheiden: Rekuperatoren und Regeneratoren.

Rekuperatoren
Bei Rekuperatoren sind das Heizmedium und das Kühlmedium durch eine Fläche räumlich getrennt, die die Wärme überträgt. Beispiele für Bauarten sind Plattenwärmeübertrager, Rohrbündelwärmeübertrager und Rekuperatorbrenner.

Regeneratoren
Bei Regeneratoren wird ein thermischer Speicher abwechselnd von den beiden Medien durchströmt, der Speicher damit in kurzen Zyklen be- und entladen. Beispiele dafür sind Rotationswärmeübertrager und Regeneratorbrenner.

Welche Bauart zum Einsatz kommt, richtet sich hauptsächlich nach den Aggregatzuständen und Phasenübergängen des Heiz-, bzw. Kühlmediums (z. B. Kondensation), Druck und Druckverluste, Verunreinigungen sowie den Leistungsbereichen.

Wenn das Wärmeangebot und der Wärmebedarf zeitlich nicht deckungsgleich sind, können Wärmespeicher eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Wärme in der Regel auf ein separates Speichermedium übertragen und kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden. Die gängigsten Speicherprinzipien sind:

  • Sogenannte sensible Speicher erhöhen die Temperatur des Speichermediums beim Beladen (z.B. Wasser oder Thermoöl).
  • Sogenannte latente Speicher ändern den Aggregatzustand des Speichermediums (z.B. Paraffine oder Salzhydrate). Sie weisen häufig eine höhere Speicherdichte auf als sensible Speicher. Die Wärme wird beim Entladen zum Großteil auf einem konstanten Temperaturniveau abgegeben

Bei der Auswahl eines Wärmespeichers sind die Speicherkapazität, die Energiedichte, die Lade- und Entladeleistung, die Temperatur, die Verluste und die Effizienz sowie die Lebensdauer (Zyklenstabilität) ausschlaggebend.

Eine Wärmepumpe wird dann eingesetzt, wenn die Temperatur der Abwärme zu gering ist und auf ein höheres Temperaturniveau angehoben werden muss. Für den Betrieb einer Wärmepumpe wird ein Verdichtungsprozess notwendig, der zusätzliche Energie (meist Strom) benötigt. Bei hohen Temperaturanhebungen werden auch zweistufige Wärmepumpen verwendet.

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die Leistungszahl (häufig auch COP, „coefficient of performance“) ausgedrückt und hängt vor allem von der Temperaturanhebung und dem Temperaturniveau ab. Die Leistungszahl beschreibt das Verhältnis von abgegebener Heizwärme zu der für den Betrieb der Pumpe eingesetzten Energie. Je größer die Temperaturanhebung, desto kleiner ist die Leistungszahl. Die Leistungszahl elektrisch betriebener Wärmepumpen liegt in der Regel zwischen 3 und 5. Das bedeutet mit 1 kWh elektrischer Verdichterarbeit werden aus der Abwärme 3 bis 5 kWh Heizwärme auf dem benötigten Temperaturniveau erzeugt. Bei der Auswahl einer Wärmepumpe sind Leistungszahl, Temperaturanhebung sowie Abwärme- und Abgabetemperatur ausschlaggebend.

Aus Wärme kann mit Hilfe von Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen auch Kälte (z. B. Prozesskälte) erzeugt werden. Der wesentliche Unterschied dieser Anlagen zu herkömmlichen (Kompressions-)Kältemaschinen liegt darin, dass in Sorptionskältemaschinen der notwendige Verdichtungsprozess nicht mechanisch erfolgt, sondern durch einen thermischen Verdichter. Die Verdichterleistung kann durch Abwärme je nach Bauart ab einer Temperatur von etwa 60 °C (Adsorption) oder 75 °C (Absorption) erbracht werden. Der Ersatz des Hauptverbrauchers, des elektrischen Kompressors, reduziert den Strombedarf erheblich.

Die Effizienz dieser Anlagen wird mit dem Wärmeverhältnis angegeben, dem Quotient aus der zur Verfügung gestellten Kälte und der Antriebswärme. Je nach Anlagentyp und Leistungsklasse liegt der Quotient zwischen 0,5 und 0,8, d. h. aus 1 kWh Antriebswärme können 0,5 bis 0,8 kWh "Kälte erzeugt" werden.

Aus der Abwärme mittlerer Temperaturen (ab etwa 110 °C) kann mit Hilfe von ORC-Anlagen (Organic-Rankine-Cycle) oder bei höheren Temperaturen (ab etwa 150 °C) auch mit Hilfe von CRC-Anlagen (Clausius-Rankine-Cycle, dem konventionell eingesetzten Dampfkraftprozess) Strom erzeugt werden.

Der wesentliche Unterschied dieser beiden Anlagentypen besteht im Arbeitsmedium des zugrundeliegenden thermodynamischen Kreisprozesses. Während beim CRC-Prozess als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, kommen bei ORC-Prozessen verschiedene organische Arbeitsmedien zum Einsatz, die bei niedrigeren Temperaturen verdampfen. Die Wirkungsgrade liegen bei ORC-Anlagen im Bereich von 8 bis 20 %, während CRC-Anlagen in diesem Einsatzbereich bei ungefähr 10 % beginnen und über 20 % erreichen können. Höhere Temperaturen und Leistungsklassen steigern den Wirkungsgrad.

In beiden Prozessen wird das Arbeitsmedium verdampft (z. B. mit Hilfe von Abwärme) und treibt schließlich je nach Bauart und Leistungsklasse eine Turbine oder eine Kolbenmaschine an, die mechanische Energie zur Verfügung stellt. Diese Energie kann wiederum durch einen Generator in Strom umgewandelt, aber auch direkt genutzt werden.