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Intelligente Abwärmenutzung in Unternehmen
Bremen 15.03.2017
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Intelligente Abwärmenutzung in Unternehmen
Dr.-Ing. Michael Kruse, prosys° GmbH
Intelligente Abwärmenutzung in Unternehmen
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
Intelligente Abwärmenutzung in Unternehmen
Bremen 15.03.2017
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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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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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• 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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• 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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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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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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• 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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• 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