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Beschreibung der industriellen Abwärmenutzung unter Berücksichtigung einer bestmöglichen Nachverstromung mittels ORC-Prozess

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz

Bei industriellen Prozessen fallen oft große Mengen an Abwärme an, die oft nicht weiter genutzt und über aufwendige Kühleinrichtungen oder direkt an die Umgebung abgegeben werden. Insbesondere in Zeiten ständig steigender Energiepreise können durch geeignete Maßnahmen zur Abwärmenutzung die Energiekosten von Industriebetrieben reduziert werden. Durch die sinnvolle Nutzung von Abwärme können fossile Energieträger eingespart und die CO2-Emissionen von Industriebetrieben deutlich gesenkt werden. Zudem kann durch eine Nachverstromung von Abwärme hochwertige elektrische Energie erzeugt werden.

Industrielle Abwärmeströme

Abwärme aus industriellen Prozessen kann in unterschiedlichen Formen und auf verschiedensten Temperaturniveaus anfallen. Typische Abwärmeströme aus Industriebetrieben sind beispielsweise:

  • Rauchgasströme aus Feuerungsanlagen, Gasmotoren und thermischen Nachverbrennungen (TNV)
  • Abluftströme / Heißluftströme
  • Heißwasser / Warmwasser / Abwasser
  • Dampf / Brüdendampf

Das Temperaturniveau der Abwärme reicht von heißen Abgasströmen mit mehreren hundert Grad bis hin zu Niedertemperatur-Abwärme im Bereich von 40 bis 60°C.
Neben dem Temperaturniveau weisen Abwärmeströme in Abhängigkeit der Abwärmequelle (z.B. des Industriebprozesses) sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Dementsprechend sind Abwärmeströme hinsichtlich der Eigenschaften des Übertragungsmediums (Rauchgaszusammensetzung, Staubbelastung, Verschmutzung von Wasser, Dampfqualität, Korrosionseigenschaften) zu charakterisieren.
Zudem sind Abwärmeströme hinsichtlich des Lastverlaufes von den davor geschalteten Industrieprozessen abhängig und können demnach starken kurzzeitigen aber auch langfristigen Schwankungen (Nacht, Wochenende, Jahreszeit) unterliegen.
Die Planung von optimierten Wärmerückgewinnungsanlagen erfordert eine detaillierte Evaluierung von vorhandenen Wärmequellen und Wärmesenken in einem Industriebetrieb sowie von möglichen externen Wärmeabnehmern (z.B. Fernwärmenetz) sowie die Charakterisierung der einzelnen Wärmequellen und Wärmesenken (Medium und deren Eigenschaften, Temperaturniveau, erzeugte/verbrauchte Energie).

Stromerzeugung aus Abwärme und andere Nutzungsmöglichkeiten

Die Stromerzeugung kann je nach verfügbarer Abwärmeleistung und des vorliegenden Temperaturniveaus auf Basis des Dampfturbinenprozesses, des Dampfschraubenmotors oder des ORC-Prozesses erfolgen. Der Dampfturbinenprozess ist zumeist nur in einem Leistungsbereich > 2 MW elektrisch und für Hochtemperatur-Abwärme einsetzbar. Dampfschraubenmotoren sind zwar auch im kleineren Leistungsbereich einsetzbar, benötigen jedoch ebenfalls Hochtemperatur-Abwärme. Die Dampferzeugung für den Dampfturbinenprozess oder für Dampfschraubenmotoren erfolgt mittels Abhitzekessel. Der dort produzierte Dampf wird in einem herkömmlichen Wasser-Dampf-Kreislauf und einer Dampfturbine oder einem Dampfschraubenmotor zur Produktion von elektrischer Energie genutzt.
Die ORC-Technologie, welche speziell für Niedertemperaturanwendungen im Bereich Geothermie, Abwärmenutzung und dezentrale Biomasse-KWK-Anlagen entwickelt wurde, eignet sich besonders für die Nachverstromung von industrieller Abwärme. Zum Zweck der Nachverstromung wird die anfallende Abwärme über Wärmetauscher und einen Thermoölkreislauf auf die ORC-Anlage übertragen. Mittels der ORC-Anlage wird elektrische Energie, welche zur Eigenbedarfsabdeckung des Industriebetriebs oder zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz genutzt werden kann, erzeugt. Zusätzlich fällt Niedertemperatur-Abwärme an, die je nach Rahmenbedingungen, noch als Niedertemperatur-Prozesswärme (z.B. Trocknung) oder für die Raumwärmeversorgung genutzt werden kann.
Andere Nutzungsmöglichkeiten von Abwärme umfassen die Wärmeauskopplung von Abwärmeströmen für die betriebsinterne Raum- und Prozesswärmeabdeckung oder für eine externe Raum- und Prozesswärmeversorgung beispielsweise über ein Fernwärmenetz.
Neben Abwärme aus Rauchgas-, Heiß- und Warmwasserströmen sind noch weitere Abwärmequellen wie z.B. Energie aus Abdampf oder Nachverdampfung (Brüdendämpfe), Abluft aus Heißluft- und Trocknungsanlagen, Wärme aus Motor- und Kompressorkühlungen u.a. für eine Wärmeauskopplung nutzbar.
Auch Niedertemperatur-Abwärme kann im Rahmen von intelligenten Gesamtenergiekonzepten (Energiekonzepte+Energieeffizienz) oft noch sinnvoll eingesetzt werden. Die Wärmerückgewinnung und Nutzung kann dabei z.B. über eine Mehrfachnutzung (Kaskadennutzung) von Wärme, Wärmepufferung und Vorwärmprozesse (Frischwasservorwärmung mittels Abwasser) erfolgen. Eine weitere Möglichkeit stellt die Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme zur Kälteerzeugung mittels Absorptionskältemaschinen dar.
Weiters kann Niedertemperatur-Abwärme in Absorptionswärmetrafos effizient genutzt werden, indem ein Teil der Wärme auf ein höheres Temperaturniveau gehoben wird und somit wieder für die Prozess- und Raumwärmeversorgung genutzt werden kann. Die restliche Wärme muss jedoch bei niedriger Temperatur (Kühlung) abgeführt werden.

Anwendungsgebiete

Die industrielle Abwärmenutzung ist insbesondere bei allen Industrieprozessen mit hohem Wärmebedarf von hoher Relevanz. Dazu gehören unter anderem die Bereiche

  • Eisen- und Stahlindustrie
  • Zement- und Baustoffindustrie
  • Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie
  • Papier- und Zellstoffindustrie
  • Chemische Industrie
  • Mineralölindustrie

Realisierte bzw. in Realisierung befindliche Projekte

  • Abwärmeauskopplung aus der Biochemie Kundl und optimierte Netzauslegung zur Fernwärmenutzung, Kundl (Tirol, Österreich)
  • Abwärmeauskopplung mittels Rauchgaskondensation aus der Holzindustrie Kaindl (Salzburg, Österreich)
  • Wärmeauskopplung aus einer bestehenden Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in Domat (Graubünden, Schweiz)
  • Stromerzeugung mittels Wärmerückgewinnung aus industriellen Abgasströmen auf Basis des ORC-Prozesses – RHI AG, Radenthein (Kärnten, Österreich)
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  • Stromerzeugung und Wärmeauskopplung mittels Wärmerückgewinnung aus industriellen Abgasströmen auf Basis des ORC-Prozesses, Wietersdorf (Kärnten, Österreich)
  • Stromerzeugung und Wärmeauskopplung mittels Wärmerückgewinnung aus industrieller Abwärme auf Basis des ORC-Prozesses, Secunda (Mpumalanga, Südafrika)
  • Dampferzeugung mittels Abwärme aus einer bestehenden Biogasanlage mit Gasmotor Holsworthy (Devon, England)