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Wärmerückgewinnung

Fast jedes Unternehmen produziert – vor allem bei industriellen Prozessen – Abwärme, die ein bislang meist ungenutztes Potenzial zur Energieeffizienz bietet. Dabei kann die Nutzung der Abwärme im Sommer die Warmwasseraufbereitung, im Winter die Heizung unterstützen. Die Einsparmöglichkeiten der Heizkosten liegen durch eine Wärmerückgewinnung so durchschnittlich zwischen 40 und 90 Prozent, wodurch sich die Investition schon nach wenigen Jahren amortisiert.

Was bedeutet Wärmerückgewinnung?

Der Begriff ist ein Sammelbegriff für verschiedene Verfahren zur Wiedernutzbarmachung von thermischer Energie eines Prozesses. Das Ziel dieser Rückgewinnung ist die Reduzierung des Primärenergiebedarfs. Der Einsatz ist bei Gasen, Flüssigkeiten oder festen Stoffen für Wärme- oder Kälteprozesse möglich. Eine Klassifizierung der Geräte erfolgt anhand der Art des Wärmeübertragers:

  • Rekuperative Systeme (Plattenwärmeübertrager, Rohrbündelwärmeübertrager)
  • Regenerative Systeme (Kompakt-Wärmeübertrager, Gegenstrom-Schichtwärmetauscher, Schwerkraftwärmerohr, Kapillarwärmerohr)
  • Regeneratoren (Rotoren mit oder ohne Sorption, Kapillargebläse, Umschaltspeicher)
  • Wärmepumpen (Kompressor- oder Adsorptions-Wärmepumpen)

Faktoren des Einsparpotenzials

Je mehr Wärme bei der Produktion entsteht, desto größer ist das Einsparpotenzial – eine Metallgießerei erzeugt mehr ungenutzte Wärme als eine Autowerkstatt. Doch auch weitere Faktoren entscheiden darüber, wie viel Wärme zurückgewonnen werden kann: Neben der Raumgröße sind dies die Unternehmensprozesse sowie die Art der Heizungsanlage, die in der Halle installiert ist.

Um zu ermitteln, wann sich der Einbau einer Wärmerückgewinnungsanlage tatsächlich lohnt, bedarf es einer genauen Untersuchung der einzelnen Faktoren. Wichtig sind dabei benötigte und anfallenden Wärme- und Abwärmemengen, ihre Temperaturniveaus und Ganglinien. Dazu gibt es spezielle Energieeffizienzberater. Einen ersten Überblick gibt folgende Tabelle:

Maßnahme Lohnenswert? Beispiele Anmerkungen
Kontinuierliche Prozesswärme Immer Druckerei, Fabrik Auch bei geringen Temperaturen sinnvoll
Gelegentliche Prozesswärme Sehr oft Metallbau, Wäscherei, Reinigung Kompressoren, Waschmaschinen
Lüftungsanlage vorhanden Häufig Büro, Seniorenheim Hotel Kühlhaus, Küche, Heizungsluft

Quelle: Energieagentur NRW

Bereits bei einer nur geringen Menge anfallender Abwärme kann sich eine entsprechende Anlage lohnen.

Kennzahlen zur Berechnung der Wärmerückgewinnung

Zur Bewertung von Wärmerückgewinnungssystemen existieren verschiedene Kennzahlen. Um relevante Berechnungsergebnisse zu erhalten, ist es wichtig, auch den Hilfsenergieaufwand in die Berechnung einfließen zu lassen. Auch muss zwischen den Marktteilnehmern eine eindeutige Kennzahl vereinbart werden, um eine Vergleichbarkeit der Wärmerückgewinnungsanlagen zu ermöglichen.

Die wichtigsten Zahlen sind die Rückwärmzahl (Temperaturänderungsgrad) und die Rückfeuchtezahl (Enthalpieübertragungsgrad). Erstgenannte gibt das Verhältnis der übertragenen Temperatur zu dem Temperaturunterschied der Eintrittsmedien an, ist identisch mit Temperaturaustauschgrad und -wirkungsgrad und lässt sich sowohl auf die Warm- als auch Kaltseite beziehen. Er trifft eine Aussage über die maximal mögliche Temperaturänderung. Analog dazu gibt die Rückfeuchtzahl die übertragene absolute Feuchte zu der maximal übertragbaren absoluten Feuchte an.
Zusätzlich sind die Druckverluste auf den Medienseien entscheidend für die Effizienz der Wärmerückgewinnung, sodass die medienseitigen Widerstände ebenfalls eine Rolle spielen. Die Druckverluste bestimmen die zum Betrieb erforderlichen Hilfsenergien. Eine umfassende Dokumentation mit den Formeln zur Berechnung findet sich hier: https://www.umwelt-campus.de/ucb/fileadmin/users/156_c.kaup/dokumente/TGA_Waermeeffizienz.pdf

Optionen der Wärmerückgewinnung

Um Abwärme nutzbar zu machen, bieten sich mehrere Möglichkeiten:

  • der Einbau von Wärmetauschern in Lüftungsanlagen
  • das „Anzapfen“ von Kühlkreisläufen von Maschinen
  • der Umbau von Luft- auf Wasserkühlung (z. B. Kompressoren)
  • das Absaugen der Luft stark aufgeheizter Räume (z. B. Serverräume)

Ist ein Temperaturgefälle vorhanden, kann Abwärme über einen Wärmetauscher entweder direkt oder über einen Zwischenprozess auf ein anderes Medium übertragen werden. Durch die ortsnahe direkte Nutzung von Wärmepotenzialen lassen sich Abluft- oder Abgasströme zur Raum- oder Verbrennungsluftvorwärmung verwenden. Ist dies nicht möglich, bedarf es eines Wärmespeichers oder es eines regenerativen Wärmetauschers. Ist das Temperaturgefälle nur gering, hilft eine Wärmepumpe dabei, mithilfe mechanischer Energie ein niedriges in ein hohes Temperaturniveau anzuheben.

Einsatzmöglichkeiten der Abwärme-Energie

Bereits durch eine Wassertemperatur von 35°C lassen sich Fußboden- oder Wandheizungen betreiben oder die Beheizung der Raumluft vornehmen. Die bei industriellen Prozessen entstehende Wärme lässt sich dabei bei niedrigen Temperaturen rekuperativ in den Prozess einbringen, zu Heizzwecken verwenden oder mithilfe eines ORC-Prozesses in elektrische Energie umwandeln:

  1. Verstromen von Hochtemperatur-Abwärme: Hochtemperaturdampf aus Prozessabwärme treibt über eine Dampfturbine einen Stromgenerator an.
  2. Nutzung der Abwärme aus elektrischen Prozessen: Abwärme aus einem Großtransformator wird für Raumheizungszwecke eingesetzt.
  3. Substitution elektrothermischer Anwendungen durch Abwärmenutzung: Ersatz des Elektroheizstabes im Wassererwärmer durch einen Wärmetauscher, der mit Abwärme gespeist ist.
  4. Rationeller Einsatz der Elektrizität als Hilfsenergie in Wärmerückgewinnungs-Anlagen: Motoren, Pumpen und Ventilatoren mit optimalem Wirkungsgrad kommen zum Einsatz.

Entstehen bei den Prozessen neben der Wärme zusätzlich Gase, ist durch deren Verbrennung ein weiterer Energiegewinn möglich.

Fazit

Durch Wärmerückgewinnungs-Anlagen lassen sich Primärenergiekosten verringern und die Investitionskosten für Wärmeerzeugungsanlagen reduzieren. Gleichzeitig verringern sich Temperaturdifferenz sowie Schadstoffemissionen. Mit steigenden Energiekosten wird der Einbau einer Wärmerückgewinnungs-Anlage nicht nur in energieintensiven Betrieben immer attraktiver.