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Prozesswärme verursacht rund 60 Prozent der Endenergiekosten bei energieintensiven Betrieben. Anwendungen zur Vermeidung oder Verwertung von Abwärme sind bislang jedoch kaum verbreitet.
Industrielle Abwärme entsteht vor allem da, wo bedingt durch den industriellen Prozess eine große Menge thermischer Energie eingesetzt werden muss. Solche Prozesse sind unter anderem in der Verarbeitung von Steinen und Erden (Glas-, Zement- und Keramikindustrie) und der Metallverarbeitung zu finden. Die Kupolöfen in der Gießereibranche beispielsweise verlieren 25 bis 40 Prozent der eingesetzten Wärmeenergie über das Abgas. In Deutschland gelangt so jährlich etwa eine Terawattstunde Wärme ungenutzt in die Atmosphäre.
Über ein Nah- oder Fernwärmenetz könnte ein Industriebetrieb Wohnhäuser mit Wärme versorgen. Doch einerseits ist die Distanz zwischen Industrie- und Wohngebieten meist zu groß, andererseits benötigen Haushalte im Sommer keine Heizung, aber im Winter eine bedarfsgerechte Wärmeversorgung, während in einem Industriebetrieb zu jeder Jahreszeit Abwärme entsteht.
Sind alle Möglichkeiten der Abwärmevermeidung erschöpft, ist allgemein die betriebsinterne Nutzung die erste Option, etwa zur Warmwasserbereitstellung. Allerdings wird das nutzbare Potenzial bislang stark limitiert, sobald Abwärme - etwa bei An- und Abfahrvorgängen im Chargenbetrieb - in unregelmäßigen Abständen und nicht auf einem konstanten Temperaturniveau anfällt.
Fraunhofer Umsicht hat zwei Speicherkonzepte für eine ökologisch und ökonomisch effiziente Nutzung der Abwärme umgesetzt.
Mobile Latentwärmespeicher
Auf dem Gebiet der mobilen Wärmespeicherung konnten die Ingenieure erste Demonstrationsprojekte realisieren. Dabei heizt die Abwärme einer Biogasanlage mehrere Häuser sowie eine Fabrikhalle, obwohl Wärmeerzeuger und -abnehmer etwa sieben Kilometer voneinander entfernt sind. Dazwischen transportiert ein Lkw die Wärme in einem Latentwärmespeicher.
Bei latenten Speichermaterialien erfolgt die Aufnahme und Abgabe von Wärme während des Phasenwechsels von fest zu flüssig auf einem konstanten Temperaturniveau. Im Vergleich zu sensiblen Speichern besitzen sie aufgrund der Schmelzenergie beim Phasenübergang eine höhere spezifische Wärmekapazität, können also mehr Energie pro Volumen speichern und abgeben.
Der mobile Pilotspeicher besteht aus zwei parallel verschalteten Teilspeichern, die in einem isolierten 20-Fuß-Container eingebaut sind. Das Speichersystem verfügt über einen Latentwärmeanteil von rund 1,3 MWh und eine Speicherkapazität von maximal 2 MWh. Eine umfangreiche Messtechnik in beiden Teilspeichern untersucht das Verhalten des Latentspeichermaterials bei den Be- und Entladevorgängen.
Das Speichermaterial (Salzhydrat Natriumacetat-Trihydrat) gibt bei der Kristallisation freiwerdende Schmelzenthalpie ab und hat so während des Phasenwechsels konstant etwa 58 °C. Bei einer kontinuierlichen Wärmeabnahme lässt sich ein ganzjähriger Speicherbetrieb realisieren, der circa 400 MWh Primärenergie spart.
Um für weitere Anwendungsfälle einen ökonomischen Betrieb mit diesem System zu erzielen, sind stets die Anzahl der Be- und Entladungen (Zyklen) im Jahresverlauf und die Beständigkeit des Speichermaterials vorab zu berücksichtigen.
Zukünftige Forschungsschwerpunkte liegen daher in der Untersuchung der Zyklenstabilität und in der Identifikation alternativer Phasenwechselmaterialen. Ziele sind auch die Verbesserung der Wärmeübertragung im Speicher, die Anpassung auf alternative logistische Systeme sowie auf die Abstimmung mit dem Anwenderverhalten.
Hochtemperaturwärme
Für viele Prozesse ist Hochtemperaturwärmespeicherung relevant. Dazu zählen auch die Nutzung von Abwärme in metallverarbeitenden Betrieben sowie die Entkopplung der Strom- und Wärmeproduktion in dezentralen Kraftwerken.
Bei der Beladung eines sensiblen Speichers bringt Wärmezufuhr das Speichermedium auf ein höheres Temperaturniveau. Die Kapazität des Speichers bestimmen Masse, spezifische Wärmekapazität und realisierter Temperaturunterschied. Sensible Speicher sind häufig Warmwasserspeicher, deren Einsatz jedoch nur bei Temperaturen unter 100 °C möglich ist. Darüber eignen sich eher Speichersysteme auf Basis von Feststoffen wie Beton oder Schüttgut.
Schüttgut zeichnet sich als Feststoffwärmespeicher speziell durch seine große Wärmeübertragungsfläche aus. Das Abwärmemedium strömt durch ein natürliches Labyrinth von Kanälen innerhalb der Schüttung. Der ständige Wechsel der Strömungsrichtung und die Fluktuation der Geschwindigkeit ermöglicht eine intensive Wärmeübertragung.
Zur Speicherung der Wärme von gasförmigen Medien wie Abluft oder Rauchgas hat Fraunhofer Umsicht einen zylindrischen Schüttgutregenerator (Pebble-Heater) entwickelt. Seine poröse Struktur reinigt das Rauchgas während des Wärmespeichervorgangs zusätzlich von Grob- und Feinstäuben. So bleiben in der Abluft nur noch fünf Prozent des ursprünglichen Staubgehaltes übrig.
Durch seinen Aufbau hat der Pebble-Heater nur einen geringen Druckverlust. Er besteht aus zwei zylindrischen, gasdurchlässigen Rosten, die koaxial angeordnet sind. Der innere Rost, der sogenannte Heißrost, hält ebenso wie die Schüttung Temperaturen bis zu 1400 °C stand. Zwischen den beiden Rosten befindet sich das Schüttgut. Zum kontinuierlichen Betrieb eines Systems werden zwei Pebble-Heater integriert. Während sich der erste Speicher in der Aufheizphase befindet, kann das zweite Aggregat nutzbare Wärme abgegeben.
In der Heizphase tritt das heiße Fluid in die zentrale Kammer des Pebble-Heaters ein und strömt radial nach außen durch die Schüttung, wobei die Gase ihre thermische Energie an die Schüttung abgeben. Die Temperatur der zugeführten Verbrennungsgase sinkt dabei auf ein niedriges Niveau ab, wodurch der äußere Rost, der sogenannte Kaltrost, und die Außenhülle thermisch kaum beansprucht werden.
Der Pebble-Heater ist ausgereift und einfach handhabbar für die flexible Speicherung von Wärme.
Bedarfsgerechte Speicherung
Neben der mobilen Wärmespeicherung und der prozessinternen Nutzung und Zwischenspeicherung von Hochtemperaturwärme fokussieren weitere Fraunhofer-Forschungsarbeiten auf die zeitliche und qualitative Anpassung von Abwärme an den Wärmebedarf von Kreisprozessen zur Erzeugung elektrischen Stromes (etwa Kraft-Wärme-Kopplung) und zur Kälteerzeugung (beispielsweise Adsorptionskälteanlage).
Ziel ist es, die durch Temperaturschwankungen auftretenden technischen Probleme im Kreisprozess zu vermeiden und Lebensdauer sowie Wirkungsgrad der Anlagen zu erhöhen. Da der Kreislauf durch den Wärmespeicher mit einer konstanten Wärmeleistung mit geringeren Temperaturspitzen beaufschlagt wird, lassen sich Anlagen bei gleichbleibend hoher Stromproduktion einfacher und kostensparender auslegen.
Zur Steigerung der Energieeffizienz wird die Nutzung von Abwärme einen wichtigen Beitrag leisten. Thermische Speicher stellen dabei eine wirtschaftliche und ökologisch sinnvolle Ergänzung zu vorhandenen Anlagen dar.
