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Grundlagen der Abwärmenutzung

Abwärme ist die Wärme, die in industriellen oder handwerklichen Prozessen als Nebenprodukt entsteht und meist ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, obwohl sie für andere Zwecke genutzt werden könnte. Die erste Priorität sollte jedoch immer die Vermeidung von Abwärme sein – durch den Einsatz energieeffizienter Komponenten, Prozessoptimierung und bessere thermische Dämmung. Wo Abwärme unvermeidbar ist, liegt jedoch ein großes Potenzial, diese Wärme sinnvoll zu nutzen und zur Effizienzsteigerung beizutragen.

Während die Abwärmenutzung in der Industrie bereits weit verbreitet ist, gibt es auch im Handwerk zunehmend Bemühungen, Abwärmeprojekte zu nutzen, besonders da die Energiepreise steigen. Dies bedeutet, dass selbst kleinere Betriebe Vorteile aus der Abwärmenutzung ziehen können, wenn sie ihre Prozesse entsprechend anpassen und optimieren.

Um festzustellen, ob sich die Nutzung von Abwärme in einem Betrieb lohnt, ist eine detaillierte Analyse der Energieverbräuche und Prozesse erforderlich. Dabei gilt es zu ermitteln, welche Abwärme vermeidbar ist, welche unvermeidbar bleibt und welche potenziellen Abnehmer für die Abwärme vorhanden sind. Die richtige Identifikation und Nutzung dieser Wärme kann den Energieverbrauch des Betriebs erheblich reduzieren.

Abwärmequellen

Der erste Schritt besteht in der Identifizierung aller Energieverbraucher im Betrieb. Diese Bestandsaufnahme ermöglicht es, gezielt zu entscheiden, wo und wie Abwärme genutzt werden kann:



  • Typische Quellen: Abwärme in Handwerksbetrieben entsteht beispielsweise bei Öfen, Trocknern, Kältetechnik (Kondensatoren/Kompressoren), Drucklufterzeugern, Rauchgasströmen aus Feuerungsanlagen, Lüftungsanlagen oder Abwässern. Diese Prozesse setzen erhebliche Mengen an Energie in Form von Wärme frei, die oft einfach ungenutzt bleibt.


  • Menge: Die Menge der verfügbaren Abwärme entspricht im Wesentlichen dem Energieverbrauch der jeweiligen Anlage, da die meisten Energieformen letztlich in Wärme umgewandelt werden. Allerdings sind Verluste unvermeidlich. Wie viel dieser Wärme effektiv genutzt werden kann, hängt von technischen Bedingungen ab und ist oft durch die Anlagenkonfiguration eingeschränkt. Eine gründliche Analyse der vorhandenen Energieströme hilft dabei, diese Verluste zu minimieren.


  • Zeitliches Profil: Die Abwärmemengen schwanken oft im Jahres-, Wochen- oder Tagesrhythmus, abhängig von den Produktionsprozessen. Pufferspeicher können helfen, zeitversetzte Wärmebedarfe zu decken, jedoch geht dies immer mit Speicherverlusten einher. Es ist entscheidend, das zeitliche Profil der Abwärmequelle und des Wärmebedarfs zu vergleichen, um die Effizienz zu maximieren.


  • Ort: Je kürzer der Abstand zwischen der Abwärmequelle und der Abnahmestelle, desto geringer die Transportverluste und die damit verbundenen Kosten. Daher sollte eine möglichst nahe Abwärmenutzung angestrebt werden. Neben den Transportverlusten erhöhen auch die Investitionskosten für Rohrleitungen und Pumpen die Gesamtkosten, wenn die Distanz groß ist.


  • Temperaturniveau: Die Temperatur der Abwärme ist entscheidend für ihre Nutzung: Niedertemperatur (< 150 °C), Mitteltemperatur (150 bis 500 °C), Hochtemperatur (> 500 °C). Je höher das Temperaturniveau, desto größer das Potenzial für die Nutzung, da höhere Temperaturen besser in weitere industrielle Prozesse integriert werden können.


  • Medium: Abwärme wird auf ein Trägermedium übertragen, häufig Wasser, das aufgrund seiner hohen Wärmekapazität, Verfügbarkeit und Sicherheit (nicht giftig, nicht brennbar) ideal ist. Auch Luft wird genutzt, hat jedoch eine deutlich geringere Wärmespeicherkapazität. Für besonders hohe Temperaturen kommen auch Flüssigmetalle oder Salzschmelzen zum Einsatz, die jedoch meist spezielle industrielle Anwendungen vorbehalten sind.



Abwärmesenken

Die Nutzung von Abwärme sollte, wenn möglich, zunächst intern erfolgen, da dies die Verluste minimiert und die Kontrolle über alle Prozesse im Betrieb beibehält. Eine externe Nutzung der Abwärme kann neue Abhängigkeiten schaffen, insbesondere wenn alternative Wärmequellen erforderlich werden, falls der Abwärmeprozess ausfällt.

Typische Nutzungsmöglichkeiten für Abwärme



  • Interne Prozessnutzung: Die Abwärme kann direkt im Prozess genutzt werden, zum Beispiel zum Vorwärmen von Produkten oder der Verbrennungsluft. Dies führt zu einer direkten Reduzierung des Energiebedarfs und sorgt dafür, dass die Effizienz des gesamten Prozesses gesteigert wird.


  • Warmwassererzeugung: Viele Handwerksbetriebe, wie Bäckereien oder Metzgereien, haben einen kontinuierlichen Bedarf an heißem Wasser. Hier kann Abwärme einen großen Teil der sonst benötigten Energie ersetzen. Diese Nutzung ist besonders in der Lebensmittelverarbeitung von Vorteil, da oft große Mengen heißes Wasser zur Reinigung und Produktion benötigt werden. Die Nutzung zur Gebäudeheizung ist jedoch nur während der Heizperiode sinnvoll, wodurch die Abwärmenutzung in den Sommermonaten eingeschränkt ist.


  • Wärme-Kälte-Umwandlung und Stromerzeugung: Die Umwandlung von Wärme in Kälte (Sorptionskältemaschine) oder Strom (ORC) ist wirtschaftlich erst bei hohen Temperaturniveaus und größeren Wärmemengen sinnvoll, da die Anlagen komplex und teuer sind. In größeren Industrieanwendungen können solche Anlagen dennoch einen beträchtlichen Nutzen bieten, besonders wenn überschüssige Wärme in der Produktion genutzt werden kann.



Wärmeübertrager

Wärmeübertrager sind Geräte zur Übertragung von Wärme von einem Medium auf ein anderes. Man unterscheidet zwei Typen: In Rekuperator-Wärmetauschern sind die beiden Medien räumlich voneinander durch eine wärmeübertragende Fläche getrennt. Die einzelnen Ströme haben dabei keinen direkten Kontakt, sondern werden aneinander vorbeigeleitet, sodass ein Wärmeübertrag stattfinden kann. Regeneratoren hingegen verfügen über eine thermische Speichermasse, die abwechselnd vom Heiz- und vom Kühlmedium durchströmt wird. Diese beiden Systeme sind die grundlegenden Technologien zur effizienten Nutzung von Abwärme in verschiedenen Prozessen.

Typische Wärmetauscherarten



  • Plattenwärmeübertrager: Diese bestehen aus einer Reihe von parallelen Platten, die die Wärme zwischen zwei flüssigen Medien übertragen und eine kompakte Bauweise ermöglichen. Ihre hohe Leistungsfähigkeit macht sie ideal für Anwendungen mit Flüssigkeiten, wo eine effektive Trennung und Übertragung der Wärme nötig ist.


  • Rippenrohrwärmeübertrager: Diese Art von Wärmetauscher vergrößert die Oberfläche der Rohre durch das Anbringen von Rippen, was die Wärmeübertragung an ein gasförmiges Medium verbessert. Die Rippen sorgen dafür, dass das gasförmige Medium eine größere Fläche zur Verfügung hat, wodurch die Wärme effizienter übertragen werden kann.


  • Lamellenwärmeübertrager: Diese bestehen aus Rohren, die mit Lamellen verlötet sind, was eine große Übertragungsfläche schafft. Sie sind kostengünstig und in vielen Anwendungen effizient, allerdings anfällig für Verschmutzungen oder Ablagerungen. Eine regelmäßige Reinigung ist erforderlich, um ihre Leistung aufrechtzuerhalten.


  • Rohrbündelwärmeübertrager: Diese Wärmetauscher bestehen aus einer Vielzahl paralleler, dünnwandiger Rohre, die von einem zweiten Medium durchströmt werden. Umlenkbleche verlängern den Strömungsweg und sorgen für eine optimale Queranströmung der Rohre. Diese Bauweise bietet eine hohe Wärmeübertragungsleistung und wird in der Industrie oft in größeren Anlagen verwendet.


  • Rotationswärmeübertrager (Wärmerad): Ein Wärmerad nimmt die Wärme eines Mediums auf und gibt sie an ein anderes Medium ab. Diese Technologie ist besonders bei Gasströmungen mit niedrigen Temperaturunterschieden effektiv und findet Anwendung in der Lüftungstechnik, wo Frischluft erwärmt wird, ohne dass die Abwärme ungenutzt bleibt.



Wärmespeicher

Da Abwärme oft nicht dann anfällt, wenn sie benötigt wird, sind Wärmespeicher wichtig, um die Nutzung zeitlich zu entkoppeln:



  • Sensible Wärmespeicher: Diese ändern ihre Temperatur je nach Beladungszustand. Die Speicherkapazität ist abhängig von der Wärmekapazität des Mediums, wie Wasser, und der maximalen Temperaturdifferenz. Sensible Wärmespeicher sind kostengünstig und einfach zu implementieren.


  • Latentwärmespeicher: Diese Speicher nutzen den Phasenwechsel (fest-flüssig oder flüssig-gasförmig) und haben eine hohe Energiedichte. Die beim Phasenwechsel freigesetzte Energie ermöglicht eine kompakte Speicherung, was besonders in Platzsituationen von Vorteil ist, wo eine hohe Energiedichte gefordert ist.


  • Sorptive Wärmespeicher: Sorptionsspeicher nutzen chemische Bindungsenergien, um Wärme zu speichern. Diese Technologie findet seltener Anwendung im Handwerk, da sie technisch anspruchsvoller ist. Sie eignet sich jedoch gut für spezielle Anwendungen, bei denen eine langfristige Speicherung der Wärme erforderlich ist.



Wirtschaftlichkeit

Abwärmenutzung ist meist eine langfristige Investition mit Amortisationszeiten zwischen 8 und 20 Jahren. Die Amortisation hängt von den Investitionskosten, dem Temperaturniveau der Abwärme, der Technologieeffizienz und den Einsparungen bei den Energiekosten ab. Projekte mit einem höheren Temperaturniveau amortisieren sich in der Regel schneller, da sie eine größere Menge an nutzbarer Energie liefern können.

Im Rahmen der Kampagne "klimaaktiv" der Österreichischen Energieagentur wurden Amortisationszeiten von 3 bis 10 Jahren für 28 Abwärmeprojekte kalkuliert. Besonders vorteilhaft sind Projekte, die direkt in bestehende Prozesse integriert werden können, da so zusätzliche Installationskosten vermieden werden.

Staatliche Förderprogramme tragen ebenfalls zur Wirtschaftlichkeit bei, da sie einen Teil der Investitionskosten abdecken. Besonders für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sind diese Programme entscheidend, um die Amortisationszeit zu verkürzen. Diese Programme reduzieren die finanziellen Risiken und fördern den Umstieg auf energieeffizientere Prozesse.

Die Norm DIN EN 17463 (VALERI) beschreibt eine umfassende Bewertung der Wirtschaftlichkeit, indem sowohl monetäre als auch nicht-monetäre Aspekte (wie Risiken und Marktchancen) berücksichtigt werden. Die Kapitalwertmethode wird verwendet, um den heutigen Wert einer Investition zu berechnen, indem zukünftige Zahlungen auf den heutigen Wert abgezinst werden. Dies ermöglicht eine präzise Bewertung der langfristigen Rentabilität eines Abwärmeprojekts.

Gesetzliche Rahmenbedingungen

Abwärmenutzung setzt sich immer mehr als Technik im Bereich Erneuerbare Energien durch und ist bereits im Nationalen Aktionsplan Energieeffizienz (NAPE) verankert. Im Gesetz zur Steigerung der Energieeffizienz in Deutschland (Energieeffizienzgesetz - EnEfG) regelt der § 16 „Vermeidung und Verwendung von Abwärme“: Unternehmen mit einem Gesamt-Endenergieverbrauch von mehr als 2,5 GWh/a sind dazu verpflichtet, Abwärme nach dem Stand der Technik zu vermeiden, auf den Anteil technisch unvermeidbarer Abwärme zu reduzieren und nach Möglichkeit durch Abwärmenutzung – auch durch Dritte – kaskadenförmig wiederzuverwenden, soweit dies möglich und zumutbar ist. Unternehmen sind auch dazu verpflichtet, Informationen über die bei ihnen anfallende Abwärme, unter anderem zur Leistung, Wärmemenge und Temperaturniveau, auf Anfrage herauszugeben.

Angesichts der Klimaziele ist zu erwarten, dass der Staat die Abwärmenutzung zukünftig weiter fördert und auch fordert, wenn es wirtschaftlich und technisch darstellbar ist.

Typische Potentiale im Handwerk

Bei der Herstellung von Druckluft entsteht oft ein hohes Abwärmeaufkommen, das ungenutzt bleibt oder mit zusätzlichem Energieaufwand abgeführt wird. Durch die Nutzung dieser Abwärme lässt sich Energie sparen und die Betriebstemperatur des Kompressors senken, was den Energieverbrauch reduziert. Bei Abwärmenutzung aus Druckluftanlagen können Wassertemperaturen von 70-80°C erreicht werden. Für neue Druckluftanlagen ab 5 kW Leistung sind Wärmerückgewinnungssysteme verfügbar, ältere Kompressoren können nachgerüstet werden, allerdings mit etwa 30 % höheren Kosten.

Sehr effektiv, einfach und kostengünstig ist die Wärmerückgewinnungbei Lüftungsanlagen. In einem Wärmetauschern werden Abluft und Zuluft gegenläufig aneinander vorbeigeführt - dabei entzieht man der Abluft die enthaltene Wärme, um die kältere Zuluft vorzuwärmen.

Im folgenden Auszug aus dem Leitfaden des LfU ist eine Wärmerückgewinnung schematisch dargestellt. Dabei wird die Aussenluft durch die warme Abluft (23,8°C) auf 15,6°C erwärmt.

Schema WRG, Copyright: Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU)

Auch bei der Kälteerzeugung fallen große Mengen an Abwärme an. Durch die Verdichtung des Kältemittels hat dieses meist eine Temperatur von über 80°C. Eine Nutzung dieser Abwärme zur Vorheizung des Brauchwassers auf ungefähr 35°C und für Niedertemperaturheizungen ist sinnvoll. Wärmerückgewinnung ist meist erst ab einer Kälteleistung von 5-6 kW sinnvoll.

Da in den Produktionsprozessen des Bäckerhandwerks einerseits Wärme abgeführt wird (z.B. aus Ofenanlagen) und andererseits Wärme zugeführt werden muss (z.B. für die Erwärmung des Backwassers, für Gäranlagen, Reinigung der Geräte, Beheizung) ergeben sich in diesem Gewerk große Potenziale zur internen Nutzung von Abwärme. Somit kann eine Wärmerückgewinnung aus Öfen – bezogen auf die Brennerleistung – theoretisch zu 40%-45% erfolgen. Wirtschaftlich betrachtet liegt das Potenzial bei 20%-30%.[1]

Textilreiniger und Wäschereien haben einen sehr hohen Bedarf an Warmwasser für Waschprozesse und an Dampf für die weiteren Prozesse. Bei allen Prozessen fällt Abwärme in Form von Abgasen, Abluft oder Abwasser an und kann intern weiter genutzt werden. Die Wärme aus dem Abwasser bei Waschprozessen kann kaskadenartig weitergenutzt werden.

Im fleischverarbeitenden Handwerk werden größere Mengen an Warmwasser benötigt. Zugleich muss Abwärme aus dem Bereich der Kältemaschinen abgeführt werden, um deren Effizienz zu verbessern. Gute Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Wärmerückgewinnung sind:



  • ein Warmwasserverbrauch von mindestens 750 Liter pro Tag


  • mindestens 8–10 kW installierte Kälteleistung


  • möglichst kurze Kältemittelleitungen zum Aufstellort des Warmwasserspeichers


  • ein Warmwasserspeicher, da die Abwärme aus den Kälteanlagen kontinuierlich anfällt, Warmwasser aber schubweise, z. B. zur Reinigung, benötigt wird.



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