Riesenpotenzial industrielle Abwärme

Wirtschaftsminister Habeck fordert Gewerbe und Industrie zum Energiesparen auf, angesichts der aktuellen Lage und der befürchtet angespannten Situation beim Gasspeicherstand im Winter. Eine Möglichkeit Energie zu sparen ist, die Wärme aus dem Abgas zu nutzen. Abgaswärmetauscher sind eine etablierte Technologie, werden aber bislang noch wenig eingesetzt. Das ist umso erstaunlicher, da sie sich recht schnell bezahlt machen – auch weil sie staatlich gefördert werden.

Derzeit sind viele In-Themen im Umlauf, wie über den Einsatz von erneuerbaren Energien im Betrieb Energiekosten gespart werden können. Dazu zählt etwa die Nutzung von Solarthermie oder das Peak-Shaving (Lastspitzenkappung) per eigener PV-Anlage in Kombination mit Batteriespeichern. Der Fokus liegt dabei auf der Energieerzeugung aus eigener Hand mit dem Ziel, fossile Brennstoffe zu substituieren. Aber Abwärme?

In vielen industriellen Produktionen wird Prozesswärme in erheblichem Umfang erzeugt und eingesetzt. Beispiele dafür sind die Wärmebehandlung von Metallen oder das Trocknen von Holz. Aber auch die Lebensmittel- und die Backindustrie sind auf Prozesswärme angewiesen, die kostenintensiv in Industrie- oder Backöfen erzeugt wird. In der Regel wird die Abwärme als Nebenprodukt über den Schornstein an die Atmosphäre abgegeben. Ein Großteil der im Industrie- oder Backofen erzeugten Energie verpufft ungenutzt über den Schlot.

Die im heißen Abgas enthaltene Energie lässt sich allerdings mithilfe von Abgaswärmetauschern (AWT) zurückgewinnen. Energiekostensenkungen von 5 bis 15 Prozent sind darüber möglich, außerdem Emissionsminderungen bei Kesselanlagen von circa 5 bis 10 Prozent. Bei Einzelraumfeuerungsanlagen werden rund 10 bis 15 Prozent erreicht.

Foto: Schräder

Das Potenzial, das es zu heben gilt, ist riesig. Laut aktuellsten Zahlen der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB) entfielen 2020 im Sektor Industrie fast 67 Prozent des Endenergieverbrauchs auf die Prozesswärme. Erst mit großem Abstand folgt mit 21,6 Prozent die mechanische Energie. Der drittgrößte Posten Raumwärme kommt auf 5,8 Prozent, die übrigen Bereiche wie Warmwasser, Klimakälte, Prozesskälte, Informations- und Kommunikationstechnik sowie Beleuchtung vereinen den Rest auf sich. Auch offenbart die AGEB-Statistik, dass Habeck mit seinem Appell nicht unrecht hat. 2020 war Gas mit 34,9 Prozent der wichtigste Energieträger für die Industrie, gefolgt von Strom. Mit großem Abstand erscheint die Kohle, in der Tendenz rückläufig. Auf erneuerbare Energien entfielen 2020 inzwischen 4,8 Prozent, zum Beispiel in Form von Pellets oder Hackschnitzeln.

Grundsätzlich lassen sich Abgaswärmetauscher, die mit hohen Abgastemperaturen arbeiten, in zahlreichen Fällen einsetzen. Das Potenzial für die Rückgewinnung ist dementsprechend hoch. Die Schräder Abgastechnologie GmbH aus Kamen hat den Bereich der Wärmerückgewinnung bei Abgasen kontinuierlich aufgebaut. Für die Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgas erweiterte Schräder zuletzt beispielsweise das „Turbu Flex S“-Produktprogramm um drei Varianten. Die Modelle Parallelbox, Condens und Therm Tube bieten eine Lösung für Wärmequellen aus Biomasse von 10 bis 1.000 Kilowatt (kW).

Das Unternehmen hat zudem in den letzten beiden Jahrzehnten eine rasante Entwicklung hingelegt und zählt heute zu den führenden Herstellern von Abgastechnik in Deutschland. Gefertigt wird am Hauptsitz Kamen und in Schönwölkau nördlich von Leipzig . Ein Marktvorteil des Unternehmens: Schräder bietet statt standardisierten Wärmetauschern passgenaue Bauteile an und fertigt diese außerdem nur in Edelstahl. So werden alle Anlagen im Hinblick auf die Anforderungen und Bedürfnisse des jeweiligen Projekts individuell geplant und hergestellt. Die Kamener können damit gewerbliche und industrielle Abgaswärmenutzer in einer Bandbreite von 15 bis 1.500 kW beliefern, von der kleinen Hallenheizung bis zum Industrieofen, für Öl-, Gas- und Biomassefeuerungen.

67 Prozent des Endenergieverbrauchs entfielen 2020 auf Prozesswärme. Deren Abwärme zu nutzen, bietet enormes Potenzial.

Wärmetauscher – Das Prinzip

Das technische Prinzip des Wärmetauschers ist dabei grundsätzlich immer dasselbe, aber im Detail dann natürlich ausgefeilt. Wärmetauscher ermöglichen die Übertragung von Wärme von einem warmen auf ein kälteres Medium. Im Schräder-Modell Turbu Flex wird das heiße Abgas an einer Rohrschlange vorbeigeführt und erhitzt dabei das in der Rohrschlange fließende Wasser. Das heiße Wasser kann anschließend in den Ausgangsprozess zurückgeführt oder betriebsintern genutzt werden, etwa zur Warmwasserversorgung oder zur Kälte- und auch zur Strom-
erzeugung. Möglich ist auch die Abgabe an Dritte, zum Beispiel an ein Nahwärmenetz.

Die Anlagen zur Wärmerückgewinnung sollten aus Gründen der Anlagen- oder Produktionssicherheit mit einem Bypass ausgestattet sein, damit der Wärmetauscher bei Bedarf umgangen werden kann. So lässt sich eine Überhitzung im Wärmetauscher ausschließen und im Störfall werden die heißen Abgase ohne den Widerstand des Wärmetauschers abgeleitet. Positiv ist zudem, wenn die Bauteile schnell und einfach zu reinigen sind. Der Rippenrohr-AWT beispielsweise ist mit einem Register ausgestattet. Die Wärmetauscher-Einheit lässt sich so ganz einfach aus der Anlage wie ein Schubfach herausziehen. Sie kann außerdem automatisch mit Wasser oder Druckluft gereinigt werden.

Auch eine technisch ausgereifte Anlage muss sich am Ende immer bezahlt machen. Mit den steigenden Energiepreisen für Gas und Strom, aber aktuell auch für Holzpellets und Hackschnitzel, verschiebt sich der Amortisationszeitpunkt (ROI) einer solchen Investition nur weiter nach unten. Unabhängig von derzeitigen Verknappungen mit den sprunghaften Preisanstiegen dürfte sich perspektivisch an der Energiepreisentwicklung nach oben nichts ändern, jedenfalls zeigt das die Entwicklung der vergangenen 20 Jahre.

Eine Beispielrechnung aus dem Hause Schräder zeigt den ROI auf: Ein Invest von 15.000 Euro bei einer Gas-Feuerungsanlage von 200 kW amortisiert sich bei einer mittleren Effizienzsteigerung von 5 Prozent in 2,1 Jahren. Mit höheren Effizienzen verschiebt sich der ROI weiter nach unten und auch, je höher die Nennleistung der Feuerungsanlage ist. Die spezifischen Kosten der Investition sinken dann im Vergleich zu den jährlichen Einsparungen. Nicht eingerechnet sind darin staatliche Förderungen, die es über die KfW als Kredit und bei der Bundesbehörde Bafa als Zuschuss gibt (Infokasten). Sie können den ROI noch weiter nach unten verschieben.

Künftig können innovative Abgastechnologien einen signifikanten Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Erweiterte Perspektive

Aber der ROI ist es nicht allein. Andere Werte kommen hinzu. Künftig können innovative Abgastechnologien einen signifikanten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Ihr Einsatz lohnt sich aus wirtschaftlichen und umwelttechnischen Aspekten. Dabei ist eine saubere und ressourcenschonende Verbrennungstechnik der Wärmeerzeuger die Grundlage. Es gilt, diese modernen Geräte intelligent zu unterstützen, um Emissionen deutlich zu verringern. Dazu gehört, bereits entstandene Energie und die Wärme zu nutzen. Das Thema Energieeffizienz ist über die aktuellen Entwicklungen hinaus ein grundsätzliches.

Autor:

Karl-Hein Schräder, Schräder Abgastechnologie

Schräder

Foto: Schräder

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Förderung für Abwärme

Thematisch greift hier das Förderprogramm 295 der KfW beziehungsweise die Prozesswärmeförderung des BAFA. Es sind Zuschüsse von bis zu 55 Prozent möglich. Relevant sind die Module 2 und 4:

Modul-2 des Programms „Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien“ sieht vor, dass der Ersatz oder die Neuanschaffung unter anderem von Biomasseanlagen zur Bereitstellung von Wärme, deren Wärme zu über 50 Prozent für Prozesse zur Herstellung, Weiterverarbeitung oder Veredelung von Produkten genutzt wird, oder zur Erbringung von Dienstleistungen, mit bis zu 45 Prozent gefördert werden kann. KMU erhalten einen Bonus von zehn Prozent.

Modul-4 „Energie- und Ressourcenbezogene Optimierung von Anlagen und Prozessen“. Dazu gehören Maßnahmen zur Nutzung von Prozessabwärme, zum Beispiel die Einbindung der Abwärme zur Bereitstellung von Wärme inklusive erforderlicher Maßnahmen an der Anlagen- oder Gebäudetechnik, Einspeisung in Wärmenetze inklusive der Verbindungsleitungen, sowie Maßnahmen zur Verstromung von Abwärme (zum Beispiel ORC). Die Förderung beträgt bis zu 30 Prozent (bei außerbetrieblicher Abwärmenutzung 40 Prozent), maximal jedoch 500 Euro pro eingesparter Tonne CO2. Einen Bonus von zehn Prozent gibt es für KMU begrenzt auf 900 Euro pro Tonne an eingespartem CO2.

Weitere Informationen: www.kfw.de