Nutzung von Abwärmepotentialen in Wien
1.) Einleitung
Die rationelle Nutzung von Energie ist ein Gebot der Stunde. Die Nutzung von Abwärme steigert die
Effizienz von Industriebetrieben, reduziert den Einsatz von Energieträgern sowie die damit
verbundenen Kosten und leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz.
Im Allgemeinen sind Abwärmenutzungen maßgeschneiderte Projekte, die in jedem einzelnen Fall
genauer untersucht werden müssen. Jedoch existieren für bestimmte Bereiche der Abwärmenutzung
Standardlösungen.
Diese Broschüre soll Möglichkeiten und Potentiale der Abwärmenutzung aufzeigen. Dazu werden im
Vorfeld Begriffsdefinitionen und Voraussetzungen angeführt. Im folgenden Teil werden die
verfügbaren Technologien mit deren Einsatzbereichen und finanziellen Aspekten dargestellt.
Für die Erhebung des Abwärmepotentials in Wien wurden zwei Ansätze verwendet:
Mittels Top Down Ansatz wurde anhand statistischer Daten und bereits durchgeführter, realisierbarer
Abwärmenutzungsmöglichkeiten das nutzbare Abwärme-potential in Wien errechnet.
Andererseits wurde mittels Bottom Up Ansatz, basierend auf Firmenbesuchen und Firmeninterviews,
ein Abwärmepotential erhoben. Um das tatsächlich vorhandene Abwärmepotential in verschiedenen
Branchen zu ermitteln, wurden diese beiden Ansätze miteinander verglichen.
Im abschließenden Kapitel werden Musterbeispiele für Abwärmenutzungen angeführt. Anhand dieser
bereits realisierten oder vorgeschlagenen Maßnahmen sollen Personen motiviert werden, ähnliche
Projekte in deren Zuständigkeitsbereich durchzuführen.
2.) Ziele der Stadt Wien
Mit 1. Juli 2004 wurde die Magistratsabteilung 27 mit der Erstellung eines Energiesparkonzepts für die
Stadt Wien beauftragt. Dieses Energiesparkonzept mit dem Titel "Städtisches Energieeffizienz
Programm" (SEP) gibt Leitlinien für die verbraucherseitige Energiepolitik bis zum Jahr 2015 vor.
Das SEP besteht aus zwei Teilen. Der Konzeptteil enthält einleitend eine Darstellung der Schwerpunkte
der Wiener Energiepolitik, widmet sich im Detail dem derzeitigen Diskussionstand, der geplanten EU-
Richtlinie zur Endenergieeffizienz und zu Energiedienstleistungen und beschreibt die Vorgangsweise
bei der Erstellung. Für die Erreichung der Effizienzszenarien wurde ein umfangreiches
Maßnahmenbündel erarbeitet. Der zweite Teil, der Datenteil des SEP, umfasst die Analyse der
aktuellen Energiesituation in Wien.
Anhand des Datenbandes wurden die Möglichkeiten und Potentiale für Abwärmenutzung im
industriellen und gewerblichen Sektor der Stadt Wien erhoben.
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Der von der Stadt Wien ins Leben gerufene "ÖkoBusinessPlan" weist bereits zahlreiche Maßnahmen im
Bereich der Abwärmenutzung auf.
In vielen industriellen und gewerblichen Betrieben sind hohe, nicht genutzte Abwärmepotentiale
vorhanden. Eine Nutzung dieser würde erhebliche finanzielle und ökologische Auswirkungen auf die
jeweiligen Betriebe mit sich ziehen.
Diese Broschüre soll als Leitfaden dienen, Abwärmepotentiale zu erkennen, zu erheben, die richtige
Technologie auszuwählen, Abwärme zu nutzen und abschließend die sich daraus ergebenden Vorteile
zu ziehen.
3.) Wärmerückgewinnung - das höchste Potential zur Effizienzsteigerung
Bei vielen Prozessen wird Wärme ungenutzt an die Umgebung abgegeben. So gelangen bei
Industriebetrieben und Haushalten warme Abgase von zum Beispiel Kesselanlagen in die
Umgebungsluft und warme Abwässer werden in das Kanalsystem eingeleitet.
Je höher die Temperatur, je größer der Volumen- bzw. Massenstrom und je mehr Betriebsstunden die
anfallende Abwärme aufweist, desto eher ist eine wirtschaftliche Nutzung der Abwärme möglich.
4.) Begriffsbestimmungen
Energie
Aus physikalischer Sicht ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Energie kann von einer
Energieform in eine andere Form umgewandelt werden, sie kann transportiert und gespeichert
werden. Die Energie kann in Form von mechanischer, thermischer, elektrischer, chemischer Energie,
Strahlungs- oder Kernenergie auftreten. Laut dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann
Energie weder erzeugt noch vernichtet werden.
Primärenergie
Als Primärenergie wird Energie von Energieträgern, die noch keiner Umwandlung unterworfen
wurden, bezeichnet. Beispiele für Primärenergieträger sind Kohle, Erdgas, Erdöl oder Biomasse.
Endenergie
Endenergie ist jene Energie, welche nach der Gewinnung, Aufbereitung, Umwandlung und Verteilung
von Primärenergieträgern vorliegt. Beispiele für Endenergieträger sind Kraftstoffe, elektrische Energie
und Fernwärme. Der Verbrauch von Endenergie wird in der vorliegenden Broschüre auch mit dem
Begriff "energetischer Endverbrauch" bezeichnet.
Nutzenergie
Als Nutzenergie wird jene Energie bezeichnet, welche dem Verbraucher nach der Umwandlung von
Endenergie für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung steht. Beispiele für Nutzenergie sind
Licht, Wärme oder mechanische Energie.
Wärme
Als Wärme wird jene Möglichkeit definiert, Energie, welche nicht Arbeit oder ein Materialstrom ist,
über Systemgrenzen zu transportieren.
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Abwärme
Als Abwärme wird jener Teil einer Wärmemenge bezeichnet, der in einer Wärmebilanz auf der Output-
Seite neben der Nutzwärme als Rest an die Umgebung abgegeben wird.
Spezifische Wärmekapazität
Die spezifische Wärmekapazität kennzeichnet die unterschiedliche Erwärmbarkeit von Stoffen. Sie gibt
die Energiemenge in Form von Wärme an, die notwendig ist, um eine Stoffmenge mit der Masse von 1
kg, unter Beibehaltung des jeweiligen Aggregatzustandes um 1 °C zu erwärmen.
5.) Energieverbrauchsstruktur Wien
Im Jahr 2006 betrug der energetische Endverbrauch der Stadt Wien 37.928 GWh. In Österreich
wurden im selben Jahr 303.546 GWh verbraucht. Der energetische Endverbrauch von Wien entspricht
einem prozentuellen Anteil von 12% Österreichs. Die größten Endverbraucher Wiens sind die Sektoren
Private Haushalte und Verkehr. Hohe Abwärmepotentiale sind im Produzierenden Bereich und im
Sektor Öffentliche und Private Dienstleistungen vorhanden.
Mineralöl ist der wichtigste Energieträger am energetischen Endverbrauch. Davon entfallen 80% auf
den Sektor Verkehr.
6.) Technologien zur Abwärmenutzung
Abwärmenutzungstechnologien haben das Ziel, bisher ungenutzte Energie von Abwärmeströmen zu
nutzen und somit den Energieeinsatz technischer Anlagen zu verringern bzw. den Wirkungsgrad zu
erhöhen. Dabei stehen neben energiewirtschaftlichen Bedürfnissen auch ökologische Aspekte im
Vordergrund. Bei der Abwärmenutzung ist hauptsächlich auf drei Parameter zu achten, damit die
effizienteste Variante der Abwärmenutzung ausgeführt werden kann.
Folgende Parameter sind von Bedeutung:
· Abwärme - Medium z.B. Wasser, Abluft, etc.
· Massenstrom des Abwärme - Mediums z.B. in kg/h, m3/h
· Temperatur des Abwärme - Mediums z.B. in °C
Anhand dieser Parameter lässt sich die Abwärmeleistung
mit folgender Formel bestimmen:
Q m * c * T (Formel 1)
Q… Wärmeleistung [kW]
m… Massenstrom [kg/s]
c… Spezifische Wärmekapazität [kJ/kgK]
T … Temperaturdifferenz [°C, K]
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Mit der berechneten Wärmeleistung kann anhand folgender
Formel die jährliche Wärmemenge ermittelt werden:
Q Q *t (Formel 2)
Q … Wärmemenge [kWh/a]
Q … Wärmeleistung [kW]
t … Betriebsstunden [h/a]
Durch diese Informationen kann die Wärmeabgabe der Abwärmequelle ermittelt werden.
In einem weiteren Schritt ist die Nutzbarkeit der Abwärmequelle zu klären. Dazu muss ermittelt
werden, für welche Bereiche die Abwärme verwendet werden kann. Typische Einsatzmöglichkeiten für
Abwärme sind
· Heizung/Heizungsunterstützung
· Brauchwassererwärmung
· Prozesse
Bei Prozesseinbindungen ist zu klären, ob es durch eine Abwärmenutzung zu Auswirkungen auf den
Produktionsablauf kommen kann. Sind diese Punkte berücksichtigt, kann die entsprechende
Abwärmenutzungstechnologie ausgewählt werden.
Nach Auswahl der Technologie und Ermittlung der erwarteten Einsparungen von elektrischer Energie
oder Brennstoffen kann die Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung berechnet werden.
Großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von Abwärmenutzungen haben Parameter wie Betriebszeiten
pro Jahr, Kontinuität der Abwärmeleistung, aktuelle Energiepreise, Energieabnehmer, Marktreife der
Technologie usw.
6.1 Wärmenutzung aus Abwärme
Für die Nutzung von Abwärme zur Wärmerückgewinnung sind Wärmetauscher unumgänglich. Diese
werden zur Erwärmung eintretender Massenströme verwendet, wobei dem austretenden Massenstrom
(z.B. Abwärme) Wärmeenergie entzogen wird.
In Wärmespeichern kommen Wärmetauscher zum Einsatz, um Abwärme auf ein Speichermedium zu
übertragen. Wird die gespeicherte Wärmeenergie wieder genutzt, gibt das Speichermedium diese über
Wärmetauscher ab.
Wärmepumpen sind in der Lage, die Temperatur eines Eingangswärmestromes (z.B. Abwärme) unter
Einsatz höherwertiger Energie (Elektrizität oder Wärme mit hoher Temperatur) auf ein höheres
Temperaturniveau zu transformieren. Der Ausgangswärmestrom kann anschließend zur
Wärmebereitstellung in anderen Bereichen herangezogen werden. Kältemaschinen arbeiten mit einem
ähnlichen Verfahren, jedoch in entgegengesetzter Richtung.
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6.1.1 Wärmetauscher
Rekuperative Wärmetauscher
Rekuperative Wärmetauscher besitzen meist starre Wärmeübertragungsflächen, wobei meist nur
sensible Wärme übertragen wird. Sie gehören zu den Standardanwendungen. Es gibt zahlreiche
Bauformen, angepasst an die jeweiligen Anforderungen und optimiert für den Einsatzzweck.
Grundsätzlich lassen sich drei Wärmetauscherkonzepte unterscheiden:
· Gegenstromwärmetauscher
· Gleichstromwärmetauscher
· Kreuzstromwärmetauscher
Bei Gegenstromwärmetauschern werden die beiden Stoffströme in entgegengesetzter Fließrichtung
geführt, was hohe Wirkungsgrade dieser Systeme ermöglicht.
Bei Gleichstromwärmetauschern haben die beiden Stoffströme die gleiche Fließrichtung, wobei sich die
Temperaturen immer weiter annähern.
Kreuzstromwärmetauscher stellen eine Mischvariante dar, wobei die Ströme im rechten Winkel
zueinander fließen.
Bei Wärmetauschern sind viele Formen von Medienkombinationen realisierbar. Dazu zählen Luft/Luft
(Abgas/Luft) Wärmetauscher, wie auch Luft/Wasser (Abgas/Wasser) und Wasser/Wasser
(Wasser/Sonstige Flüssigkeit) Wärmeübertrager.
Regenerative Wärmetauscher
Regenerative Wärmetauscher erlauben neben dem Austausch von Wärme auch geringfügige
Vermischungen der Ströme, sowie Feuchtigkeitsaustausch. Die am häufigsten verwendete Technologie
sind Rotationswärmetauscher. Dabei rotiert ein Wärmetauscherrad mit langsamer Drehzahl, während
es von zwei Medien durchströmt wird. Die Wärme eines Stoffstroms wird auf das Rad übertragen und
gelangt durch die Drehung in den anderen Stoffstrom, wo Sie wieder abgegeben wird. Oft wird die
Oberfläche des Rades zusätzlich absorbtiv beschichtet, um einen Feuchtigkeitstransport ermöglichen
zu können. Dieses System findet vor allem bei Luft/Luft Wärmetauschern Anwendung.
Einsatzbereiche
Rekuperativ Regenerativ
Temperaturbereich Bis zu 800°C Bis zu 650°C
Leistungsbereich Bis ca. 20 MW Bis ca. 20 MW
Investititonskosten
Wärmetauscherausführung Leistungsbereich Spez. Investitionskosten
Luft / Wasser - Rippenrohr 30 - 200 kWth 100 - 200 €/kWth
> 500 kWth 30 €/kWth
Wasser / Wasser - Rohrbündel > 500 kWth 10 €/kWth
Abgas / Wasser 500 - 600 kWth 30 - 50 €/kWth
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Luft/Luft - Wärmetauscherkosten bezogen auf den Volumenstrom [m³/h] :
Plattenwärmetauscher Rotationswärmetauscher Rotationswärmetauscher
ohne Beschichtung mit Sorptionsbeschichtung
Gesamtkosten 0,35 -0,65 € pro m³/h 0,5 -0,8 € pro m³/h 0,6 -0,9 € pro m³/h
inkl. Installation
6.1.2 Wärmespeichersysteme
Eine zeitliche Verschiebung von Wärmeangebot und Wärmebedarf macht es notwendig,
Wärmespeichersysteme einzusetzen. Grundsätzlich unterscheidet man drei Systeme zur
Wärmespeicherung:
Speicherung als fühlbare bzw. sensible Wärme: Wärme wird einem Speichermedium zugeführt, das in
der Folge seine Temperatur verändert. Dies ist das am häufigsten verwendete Prinzip für die
Wärmeversorgung von Gebäuden.
Speicherung als latente Wärme: Die Wärmezufuhr zum Speichermedium führt zu einer Änderung des
Aggregatzustandes, meist "fest zu flüssig", ohne Temperaturänderung des Speichermediums.
Speicherung als chemische Energie: Die fossilen Energieträger (Kohle, Erdgas und Erdöl) sind die
bedeutendsten chemischen Energiespeicher. Chemische Energiespeicherung mit geschlossenen
Kreisläufen gibt es jedoch auch in technischen Anwendungen. Beispielsweise wird einem
Sorptionsmedium abwechselnd Wasser entzogen bzw. zugeführt, wobei die dabei ablaufende
chemische Reaktion nutzbare Wärme bzw. Kälte frei setzt.
Die oben beschriebenen Speichersysteme weisen folgende Einsatzeigenschaften auf:
Speicherart Energiedichte [kWh/m³] Speichermedien Arbeitstemperatur
Sensibel ca. 60 bis zu 30 Wasser < 100°C
Beton 0 - 500°C
Latent bis zu 120 Salzhydrate ca. 30 - 80°C
Paraffine ca. 10 - 60°C
Thermochemisch ca. 200 - 500 Metallhydride ca. 280 - 500°C
Silicagel ca. 40 - 100°C
Zeolithe ca. 100 - 300°C
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Großwärmespeicher
Zur Speicherung von großen Wärmemengen werden folgende Speicherarten eingesetzt:
Heißwasser- Wärmesp. Kies- Wasser- Wärmesp. Erdsonden- Wärmesp. Aquifer-Wärmesp.
Speichermedium Wasser Kies- Wasser Formation Wassergesättigte
-Gemisch im Untergrund Formation im Untergrund
Speicherkapazität 60 - 80 30 - 50 15 - 30 30 - 40
[kWh/m³]
Speichervolumen 1,0 1,3 - 2,0 3,0 - 5,0 2,0 - 6,0
[m³ WÄ]
WÄ = Wasseräquivalent
Diese Speicherarten können auch zur saisonalen Speicherung (Langzeitspeicherung) verwendet
werden.
Mobile Abwärmenutzung
Überschusswärme von Kraftwerken oder Produktionsanlagen kann, für eine wirtschaftlich sinnvolle
Nutzung, in mobilen Latentwärmespeichern gespeichert und an unterschiedliche Orte transportiert
werden. Dieses System kann als nicht leitungsgebundene Fernwärmeversorgung betrachtet werden.
Wichtige Voraussetzungen für den Einsatz des Systems sind ein ausreichender Wärmebedarf des
Wärmebeziehers und eine maximale Entfernung von 20 - 30 km.
6.2 Kälteanlagen / Wärmepumpen
Je nach Nutzung wird höherwertige Energie verwendet, um einem Medium Wärme zu entziehen oder
um Niedertemperaturwärme auf höheres Temperaturniveau zu heben. Dazu wird ein
thermodynamischer Kreisprozess eingesetzt, wobei die Materialeigenschaften eines Kältemittels bei
unterschiedlichen Drücken und Temperaturen genutzt werden.
Es lassen sich im Wesentlichen drei Prinzipien von Kälteanlagen unterscheiden. Das sind
Kompressions-, Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen.
6.2.1 Einsatz abwärmebetriebener Kälteanlagen
Absorptionsmaschinen
Absorptionskältemaschinen verwenden zwei Stoffpaare, wobei eine Flüssigkeit eine andere Flüssigkeit
absorbiert und danach die Flüssigkeiten wieder voneinander getrennt werden. Für diesen
Trennprozess wird Wärme benötigt.
Derzeit werden diese Anlagen meist in Kombination mit Fernwärme oder Kraft-Wärme-Kälte-
Kopplungen eingesetzt. Es sind Produkte im Bereich von 200 - 5.000 kW Kälteleistung verfügbar,
jedoch nur sehr wenige in kleinen Leistungsbereichen (<100 kW). Die spezifischen Kosten dieser
Anlagen belaufen sich auf rund 250 €/kW (ohne Rückkühlsytem).
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Es werden vorwiegend 2 Stoffpaare in Absorptionskältemaschinen eingesetzt:
· Wasser / Lithiumbromid: Temperaturbereiche über 5°C
· Ammoniak / Wasser: Temperaturbereiche bis -60°C
Für die Anwendung von Absorptionsmaschinen sind Antriebstemperaturen von mindestens 70°C
gefordert.
Adsorptionsmaschinen
Adsorptionskälteanlagen arbeiten mit festen Sorptionsmedien.
Meist wird Silikagel als Adsorptionsmittel und Wasser als Arbeitsstoff eingesetzt. Am Markt sind derzeit
Kälteleistungen von 50 - 400 kW verfügbar, die spezifische Investitionskosten von 500 - 700 €/kW
(ohne Rückkühlung) aufweisen. Für einen sinnvollen Betrieb ist eine Antriebstemperatur von
mindestens 55°C erforderlich. Es sind Kaltwassertemperaturen von 3°C erreichbar.
6.2.2 Einsatz von Wärmepumpen zur Abwärmenutzung
Eine Wärmepumpe kann Wärmeenergie niedrigen Temperaturniveaus (z.B. Abwärme) durch Zufuhr
höherwertiger Energie auf ein nutzbares Temperaturniveau bringen. In Industrie und Gewerbe fallen
oft große Mengen an Abwärme an, die als Wärmequelle, sowohl betriebsintern, als auch extern (z.B.
in Fernwärmenetzen) genutzt werden können.
Für unterschiedliche Temperaturen bzw. für geforderte Temperaturdifferenzen müssen
Wärmepumpen individuell für die jeweiligen Einsatzgebiete ausgelegt werden. Für einen
wirtschaftlichen Betrieb bei vertretbaren Leistungszahlen wird eine maximale Temperaturdifferenz von
55 °C als Obergrenze festgelegt.
Eine Absenkung der Abwassertemperaturen zur Nutzung in einer Wärmepumpe stellt keine sinnvolle
Lösung dar. Vorteilhafter ist eine stufenweise, den jeweiligen Abwassertemperaturen angepasste
Wärmenutzung für unterschiedliche Prozesse. Weiters ist zu beachten, dass eine direkte Kombination
von Wärmequelle und Wärmesenke eine sehr effiziente Lösung darstellen kann. Beispiele dafür sind
z.B. gleichzeitige Kühl- und Heizprozesse oder Kühl- und Trockenprozesse.
Am Markt werden derzeit Anlagen mit thermischen Leistungen im Bereich von 100 kWth bis ca. 1.500
kWth (ein Hersteller bis ca. 34 MWth) angeboten. Das erreichbare Temperaturniveau, derzeit
verfügbarer industrieller Wärmepumpen, liegt im einstufigen Betrieb bei ca. 65°C bis 75°C und bei ca.
80 °C im zweistufigen Betrieb (Reihenschaltung von 2 Wärmepumpenanlagen). Es sind
Beispielanlagen verfügbar, die in der Lage sind, bis ca. 90 °C bei thermischen Leistungen von bis zu
300 kWth zu produzieren. Diese Anlagen sind jedoch Sonderanfertigungen mit sehr hohen
Investitionskosten.
6.3 Stromerzeugung aus Abwärme
Bei Vorliegen von Abwärme mit großen Massenströmen und hohen Temperaturen kann eine
Stromerzeugung eine ökologisch und wirtschaftlich attraktive Lösung darstellen. Zur Generierung von
Elektrizität aus Abwärme wird meist der Rankine - Kreisprozess, Grundlage für
Dampfturbinenprozesse, herangezogen. Da der Dampfturbinenprozess (Arbeitsmittel Wasser) nur
unter bestimmten Bedingungen einsetzbar ist, wurde ein ähnlicher Prozess mit organischen
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Arbeitsmitteln entwickelt. Dieser sogenannte Organic Rankine Cycle (ORC - Prozess) lässt sich, bei
Vorliegen von Abwärme als Wärmequelle, in der Regel besser anwenden.
Eine weitere Technologie zur Stromerzeugung aus Abwärme ist der Stirlingmotor, der in bestimmten
Anwendungsbereichen Vorteile aufweist.
6.3.1 ORC (Organic Rankine Cycle)
Diese Technologie basiert auf dem Dampfturbinenprozess. An Stelle von Wasser wird beim ORC-
Prozess eine organische Flüssigkeit (Kohlenwasserstoffe wie Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol, oder
Silikonöl) eingesetzt. Aufgrund der Stoffeigenschaften der verwendeten Medien ist es möglich, diesen
Prozess niedrigeren Temperaturen anzupassen.
Funktionsprinzip
Die in einem industriellen Prozess anfallende Abwärme wird an den ORC - Prozess übertragen. Dies
erfolgt mittels Wärmeüberträger (Verdampfer), in dem das eingesetzte organische Arbeitsmedium
verdampft. Der Dampf gelangt in eine langsam rotierende Axialturbine, in der er unter Entspannung
mechanische Arbeit leistet.
Durch eine direkte Kopplung der Turbine an den Generator (kein Zwischengetriebe erforderlich) wird
elektrische Energie erzeugt. Die bei der anschließenden Kondensation entstehende Wärme kann (bei
Vorhandensein des notwendigen Temperaturniveaus) als Prozess- bzw. Fernwärme genutzt werden.
Über eine Speisepumpe wird das Kondensat schließlich wieder auf Betriebsdruck gebracht und dem
Verdampfer zugeführt.
Einsatzgebiete und Einsatzgrenzen
Der ORC - Prozess wird derzeit überwiegend für die Stromerzeugung aus Festbrennstoffen und
Geothermie genutzt.
Zur Nutzung von Abwärme in einem ORC - Prozess sind folgende Temperatur - Untergrenzen zu
beachten:
· Kondensierende Medien: 120°C
· Flüssige Medien: 100°C
· Gasförmige Medien: 300°C
Für die Abwärmenutzung sind Anlagen zwischen ca. 50 kW und 2 - 3 MW elektrischer Leistung als
Obergrenze verfügbar. Die elektrischen Wirkungsgrade dieser Anlagen befinden sich im Bereich von
10 - 20 % (abhängig von den Temperaturdifferenzen).
Kosten
Investitionskosten: Die spezifischen Investitionskosten von ORC - Anlagen steigen mit sinkender
Anlagengröße deutlich. Die Wärmetauscherflächen von Verdampfer und Kondensator sind bei
gegebener elektrischer Leistung stark von der Abwärmetemperatur abhängig. Die vorliegende
Temperaturdifferenz steht somit im Verhältnis zu den Wärmetauscherkosten und zum Wirkungsgrad
der Anlage.
Betriebskosten: Aufgrund eines geschlossenen Kreislaufs mit geringen Verlusten des Arbeitsmediums
treten geringe Betriebskosten auf. Weiters fallen nur moderate Kosten für Verbrauchsmittel
(Schmiermittel, etc.) und Instandhaltung an.
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6.3.2 Stirlingmotor
Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, welche mechanische Arbeit verrichtet, indem Wärme
mit höherer Temperatur zugeführt wird und an einer anderen Stelle Wärme mit tieferer Temperatur
abgeführt wird. Die abgegebene mechanische Arbeit kann entweder direkt verwendet (Pumpen oder
andere mechanische Antriebe) oder mittels Generator in elektrische Energie umgewandelt werden.
Funktionsprinzip
Das Arbeitsgas wird in einem abgeschlossenen Bereich durch äußere Wärmezufuhr erwärmt, wodurch
eine Ausdehnung auftritt. In einem anderen Bereich wird das Arbeitsgas durch äußere Wärmeabfuhr
gekühlt, was zu einer Verringerung des Volumens führt.
Der in einem Stirlingmotor verwendete Verdrängerkolben (Regenerator) hat die Aufgabe, je nach
Arbeitstakt in den unterschiedlichen Bereichen dem Arbeitsgas Wärme zu entziehen bzw. abzugeben,
was eine Volumenänderung des Arbeitsgases bewirkt. Diese Abfolge von Kühlung und Erhitzung des
Arbeitsgases führt zur Bewegung des Kolbens, der somit mechanische Arbeit leistet.
Einsatz des Stirlingmotors
Die Schwerpunkte der Entwicklungsarbeiten liegen derzeit in den USA, Japan und Deutschland.
Anwendungsbereiche mit bereits vorhandenen Serienmodellen, sind Schiffsantriebe mit Leistungen bis
250 kW und Raumfahrt mit Leistungen bis 5 kW. Für den Generatorbetrieb liegen bereits
Vorserienmodelle vor, welche vor allem im militärischen Bereich Einsatz finden. Diese Anwendungen
arbeiten in Temperaturbereichen von 650 - 1.000°C bei Wärmezufuhr und 35 - 50°C bei
Wärmeabfuhr. Hier ist zu erwähnen, dass die Wärmezufuhrtemperatur bei der Abwärmenutzung weit
unter den oben angegebenen Temperaturen liegt und somit der thermische Wirkungsgrad erheblich
sinkt. Dies ist der Grund, dass die Abwärmenutzung mittels Stirlingmotor aus technischer Sicht sinnvoll
wäre, jedoch aus ökonomischer Sicht meist nicht durchgeführt werden kann.
7.) Checkliste zur Abwärmenutzung
Die Entwicklung von Abwärmenutzungsprojekten bedarf einer klaren Struktur, um Abwärmequellen
und Verbraucher möglichst effizient miteinander kombinieren zu können.
Folgende Punkte sollen einen Überblick über die Vorgangsweise geben. Die Verwendung eines
Lageplanes über den betrachteten Standort ermöglicht es, die identifizierten Abwärmequellen/Senken
örtlich zu erfassen und die Entfernungen ermitteln zu können.
1. Identifizierung von Abwärmequellen
Um alle relevanten Abwärmequellen eines Unternehmens zu erfassen, ist es notwendig, die einzelnen
Produktionsverfahren genauer zu betrachten. Nutzbare Abwärmequellen sind u.a.: Abluft aus
Prozessen oder Fertigungsbereichen; Abwasser aus Prozessen; Abgase aus Kesselanlagen und
anderen Verbrennungsvorgängen; Kühlwasser aus Produktionsverfahren, Kälteanlagen oder
Druckluftkompressoren
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Folgende Kenngrößen sind für jede identifizierte Abwärmequelle zu erheben:
· Abwärmemedium (gasförmiges, flüssiges oder festes Medium)
· Temperaturen [°C]
· Massenstrom bzw. Volumenstrom [kg/h] bzw. [Nm³/h]
· Mechanische und chemische Verunreinigungen
· Spezifische Wärmekapazität [kJ/(kgK)]
· Betriebszeiten [h/a]
· Leistungen laut Typenschild [kW]
2. Identifizierung von geeigneten Verbrauchern
Typische firmeninterne Wärmesenken sind: Raumheizung, Warmwasserbereitung, Prozesswärme-
bereitung, Trocknungsprozesse.
Zu Wärmesenken können im weiteren Sinne auch Kälteversorgungen oder eine Stromerzeugung
gezählt werden. Technologien wie die Adsorptions- bzw. Absorptionskältemaschine ermöglichen es,
aus Abwärme Kälte bereit zu stellen. Es ist daher auch wichtig, Kennzahlen über die bereits
vorliegende Kältebereitstellung zu erheben.
Eine Stromerzeugung aus Abwärme kann z.B. mit der ORC-Technologie erfolgen. Wärmepumpen
können zur Erreichung des von einer Wärmesenke geforderten Temperaturniveaus herangezogen
werden. Ist eine firmeninterne Nutzung von Abwärme nicht möglich, kann eine Ausspeisung der
Wärmeenergie in ein Nah- bzw. Fernwärmenetz angedacht werden. Für ein solches Projekt müssen
jedoch eine Reihe von Voraussetzungen (z.B. entsprechende Abnehmerstruktur, Finanzierung, usw.)
erfüllt werden.
Folgende Kenngrößen sind für jede identifizierte Wärmesenke zu erheben:
· Wärmesenkenmedium (gasförmiges, flüssiges oder festes Medium)
· Temperaturen [°C]
· Massenstrom bzw. Volumenstrom [kg/h][Nm³/h]
· Verunreinigungen beachten
· Spezifische Wärmekapazität des Mediums [kJ/(kgK)]
· Betriebszeiten [h/a]
· Bedarfsprofil
· Leistungen laut Typenschild [kW]
3. Ermittlung der Wärmeleistungen bzw. jährlichen Wärmemengen
Anhand der erhobenen Kenngrößen lassen sich Wärmeleistungen [z.B. kW] für die relevanten
Abwärmequellen und Wärmesenken ermitteln. Mit den Betriebszeiten pro Jahr [h/a] und den
Kontinuitätseigenschaften einer Abwärmequelle können Abwärmemengen [z.B. kWh/a] ermittelt
werden. Für die Erfassung der benötigten Wärmemengen von Wärmesenken können entweder
Brennstoff- bzw. Stromabrechnungen der letzten Perioden herangezogen werden oder über jährliche
Betriebsstunden [h/a] und den jeweiligen Bedarfsprofilen bestimmt werden.
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4. Kombination von Abwärmequellen mit Wärmesenken
Die Auswahl einer optimalen Abwärmenutzungstechnologie ist Voraussetzung für eine zweckmäßige
Wärmerückgewinnung. Entsprechend der erhobenen Energiekenngrößen der Abwärmequellen und der
Wärmesenken lässt sich eine mögliche Kombination feststellen. Weiters müssen die örtlichen
Entfernungen bzw. Gegebenheiten eines so genannten Wärmerückgewinnungssystems beurteilt
werden. Um eine Aussage über die Gleichzeitigkeit einer Wärmerückgewinnungskombination zu
erhalten, sind die Betriebsstunden, die Kontinuität der Abwärmequelle und das Bedarfsprofil der
Wärmesenke zu betrachten.
Wurde eine mögliche Kombination identifiziert, müssen folgende Punkte überprüft werden:
Abwärmequelle Wärmesenke Ergebnis
· Temperaturniveau … [°C] … [°C] OK
· Wärmeleistung … [kW] … [kW] OK
· Energiemenge … [kWh/a] … [kWh/a] OK
· Gleichzeitigkeit OK
· Entfernung [m] OK
8.) Best Practice Beispiele
Die hier angeführten Beispiele sollen zeigen, wie Abwärme in konkreten Projekten bereits genutzt wird
bzw. genutzt werden kann.
Nahrungsmittel- und Genussmittelproduktion
Der Betrieb:
Ein Unternehmen aus der Branche Nahrungs- und Genussmittelproduktion gibt derzeit am Standort
Wien ungenutzte Wärme in Form von Abgasen an die Umgebung ab. Der Betrieb läuft im Durchschnitt
5 Tage pro Woche im 2- bzw. teilweise im 3- Schichtbetrieb.
Ausgangsituation:
Die Abgase eines Produktionsprozesses gelangen in eine thermische Nachverbren-nung, in der
unverbrannter Kohlenstoff und Luftschadstoffe verbrannt werden. Die Abgase dieser
Nachverbrennung gelangen in einen Kamin und werden in die Umgebung nahezu ungenutzt
abgegeben. Ein geringer Teil des Abgases wird zur Vorwärmung des Rohproduktes verwendet.
Maßnahme(n):
Die Abwärme des Unternehmens könnte per Nahwärmenetz zu umliegenden Verbrauchern
transportiert und dort zur Deckung des Heizwärmebedarfs bzw. zur Bereitstellung von Warmwasser
genutzt werden. Dieses Nahwärmenetz müsste jedoch erst verwirklicht werden. Das Unternehmen
kann für das Nahwärmenetz als Hauptwärmequelle dienen, indem die Abwärmenutzung während den
Betriebszeiten für Wärmebereitstellung sorgt.
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Einbau von Abgas/Wasser - Wärmetauschern in die Abgasstränge der einzelnen Prozesse.
Das Abgas der einzelnen Prozesse wird dadurch auf 120°C abgekühlt.
Anschließend erfolgt eine Zusammenführung der Wasserströme, um die Wärme an einem
zentralen Wärmetauscher in das Nahwärmenetz auszukoppeln.
Potential / Ergebnis:
Volumenstrom Abgastemperatur Wärmeleistung Wärmemenge
Prozess 1 6.000 Nm³/h 320 °C 460 kW 478.400 kWh/a
Prozess 2 4.000 Nm³/h 300 °C 276 kW 287.040 kWh/a
Prozess 3 4.000 Nm³/h 300 °C 276 kW 287.040 kWh/a
Summe: 1.012 kW 1.052.480 kWh/a
Abzüglich des bereits installierten Wärmetauschers zur Vorwärmung des Rohproduktes mit einer
Leistung von 100 kW ergibt sich ein verfügbares Abwärmepotential von rund 900 kW bzw. 936.000
kWh/a.
Für die Auskopplung dieser Wärmeenergie in ein Nahwärmenetz können folgende wirtschaftliche
Aspekte angeführt werden:
Bei einem üblichen Einspeisetarif von 18 €/MWh ergibt sich eine Einsparung von rund 16.800 €/a.
Somit würde sich die Investition in der Höhe von ca. 135.000 €, welche das firmeninterne
Wärmetauschersystem bis zur Übergabe an das Nahwärmenetz beinhaltet, in <8 Jahren amortisieren.
Henkel Austria
Der Betrieb:
Die Henkel Central Eastern Europe (CEE) mit Sitz in Wien ist in Österreich Marktführer bei Wasch-
/Reinigungsmitteln, den Produkten für Haarkosmetik und im Bereich Adhesive Technologies. Die
Produktion läuft an 5 Tagen pro Woche im 3 - Schichtbetrieb. Dieses Unternehmen beschäftigt rund
1.000 Mitarbeiter in Österreich.
Ausgangsituation:
Bei der Herstellung von pulverförmigen Waschmitteln fällt Abwärme an. Dabei wird eine flüssige
Lösung in den Dampftrocknungsturm eingebracht. Als Produkt dieses Trocknungsprozesses ergibt sich
Waschmittel-Grundpulver. Ein Teilstrom des gesättigten Dampfes wird nach Verlassen des Turmes
über eine Kondensationskolonne geführt und abkondensiert. Die Kondensationswärme wird über
Wärmetauscher internen Verbrauchern (Gebäudeheizung, Rohstoffheizung) zugeführt. Weiters
befinden sich am Standort 3 Druckluftnetze, deren Kompressorabwärme der Warmwasserbereitung
dient. Dieses Warmwasser wird firmenintern verwendet.
Maßnahme(n):
Der Großteil der Kondensationswärme des Trocknungsprozesses (entspricht jener Energiemenge, die
nicht für interne Vorwärmungen und Warmwasser benötigt wird) wird über einen Wärmetauscher an
die Fernwärme Wien abgegeben.
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Potential / Ergebnis:
Die Firma Henkel speist somit etwa 19.400 MWh pro Jahr in das Rücklaufsystem des vorliegenden
Fernwärmenetzes ein. Der Wärmetauscher hat eine maximale Leistung von 4.000 kW bei einer
Temperaturspreizung von 94°C im Vorlauf und 75°C im Rücklauf.
Die mit diesem Projekt erzielten CO2 -Emissionseinsparungen belaufen sich auf ca. 2.600 t pro Jahr.
Dies gilt für die Annahme, dass die ausgekoppelte Wärmeenergie nicht durch den Wiener
Fernwärmepark bereitgestellt werden muss.
Vereinigte Eisfabriken
Der Betrieb:
Die Fa. Vereinigte Eisfabriken in 1220 Wien bietet 2 Kühldienstleistungen an:
1. Der Betrieb bietet Leistungen als Kühl- und Tiefkühllagerhalter dem einschlägigen Gewerbe
und der Industrie an, wobei insgesamt ca. 15.000 Palettenplätze zur Verfügung stehen. Die
Lagerung wird im Bereich von - 30°C bis + 8°C angeboten.
2. Eisproduktion: Der Betrieb produziert Wassereis unterschiedlicher Formen.
Der Standort umfasst inkl. der Führungspersonen 20 Mitarbeiter.
Ausgangssituation:
Der Standort besteht aus 3 Kühlhallen mit zwei Temperaturniveaus (-21°C und -28°C).
Die Kältebereitstellung erfolgt mittels einer Ammoniak - Kältemaschine (Kälteleistung: max 1.600 kW)
und einer Freon - Kältemaschine (Kälteleistung: max 200 kW). Die Kälteversorgung erfolgt ganzjährig,
wobei es nur einen sehr geringen Einfluss der Außentemperaturen auf die Leistung der
Kältemaschinen gibt.
Ein geringer Anteil der Abwärme der Freon Kältemaschine wird für eine Fußbodenheizung und die
Warmwasserversorgung am Standort eingesetzt. Die restliche Abwärme (ca. 60°C) wird über Dach
durch das Rückkühlsystem abgeführt.
In der Zufahrtsstraße des Standortes befindet sich ein Sekundärnetz der Fernwärme Wien, wodurch
eine Einspeisung ins Fernwärmenetz baulich möglich ist.
Maßnahme(n):
Eine Temperaturanhebung auf 90°C (Mindesttemperatur im Winter) kann mittels Wärmepumpe
erfolgen, die zugleich die Übergabestation in das Fernwärmenetz darstellt.
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Potential / Ergebnis:
Abwärme der Kältemaschinen mittels Wärmepumpe auf höhere Temperatur transformiert.
Abgegebene Wärmeleistung max 1.565 kW
Abgegebene Wärmemenge ca. 13.412.000 kWh/a
Eine Wärmepumpe mit einem COP von 3,56 würde eine Wärmeleistung von maximal 1.565 MWth
abgeben und in das Fernwärmesystem einspeisen. Für die Berechnung der jährlichen Einsparungen
muss die aufgewendete Elektrizitätsmenge berücksichtigt werden.
Bei derzeitigen Energiepreisen ergeben sich folgende wirtschaftliche Ausblicke:
Wärmeauskopplung + 241.400 €/a
Strombedarf - 207.400 €/a
Einsparung + 34.000 €/a
Die Amortisationszeit beträgt < 18 Jahre
bei einer Nettoinvestition von ca. € 600.000,-.
Es ist zu erwähnen, dass sich bei Änderung der Energiepreise die wirtschaftlichen Bedingungen sehr
rasch ändern können. Weiters ist festzuhalten, dass diese Art der Wärmepumpe aufgrund der hohen
Temperaturen von max. 90°C eine individuell geplante Anlage ist. Dies führt unweigerlich zu hohen
Investitionskosten und somit zu relativ langen Amortisationszeiten. Aufgrund intensiver
Forschungstätigkeiten in diesem Bereich dürften sich jedoch die Kosten in einigen Jahren verringern.
Ein Vorteil dieses Projektes läge darin, dass das gesamte Jahr über eine sehr konstante
Wärmeleistung an das Fernwärmenetz abgeben werden würde.
Es würden sich bei einer Umsetzung dieses Projektes CO2 - Emissionseinsparungen von rund 1.150
Tonnen pro Jahr ergeben. Dies gilt für die Annahme, dass die eingespeiste Wärmemenge nicht durch
den Wiener Fernwärmepark bereitgestellt werden muss und die von der Wärmepumpe aufgewendete
Elektrizität berücksichtigt wird.
SWR
Der Betrieb:
Die Fa. Serviceeinheit Wäsche und Reinigung ist eine Wäscherei, die dem Wiener
Krankenanstaltenverbund angehört. Es sind derzeit 200 Mitarbeiter angestellt. Die Betriebszeiten sind
von 06:30 - 14:30 Uhr 5 Tage die Woche.
Insgesamt fallen im Krankenanstaltenverbund rund 55 Tonnen Wäsche pro Tag an. An diesem
Standort wird davon im Schnitt eine Wäschemenge von etwa 28 Tonnen pro Tag gereinigt.
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Ausgangssituation:
Es wird Dampf mit der Temperatur von 220°C vom Kraftwerk Flötzersteig bezogen. Dieser Dampf wird
bis zur Kondensation genutzt. Das von der Serviceeinheit Wäsche und Reinigung ungenutzte
Kondensat wird zum Kraftwerk rückgeführt und finanziell rückvergütet.
Potential / Ergebnis:
In einem Sammelbecken werden alle warmen Abwässer der Wäscherei (Ø 60°C) zusammengeführt,
welche zur Erwärmung des enthärteten Frischwassers durch einen speziellen Abwasserwärmetauscher
genutzt werden. Dieser Wärmetauscher wird wechselseitig betrieben, um einer Verstopfung durch
Flusen entgegen zu wirken. Die Temperatur des Frischwassers für die Waschstrassen (rund 35m³/h)
beträgt nach dem Wärmetauscher bis zu 40°C. Das als Wärmequelle dienende Abwasser weist nach
dem Wärmetauscher ca. 33°C auf. Das Abwasser wird anschließend in das Kanalsystem abgegeben.
Durch den Einbau des Wärmetauschers ergibt sich eine Einsparung von 1.700 MWh Dampf pro Jahr.
Dies entspricht einer jährlichen Einsparung von 24.000 €. Die Investitionskosten dieser Anlage
beliefen sich auf etwa 10.000 €. Somit können jährlich 226 t CO2 eingespart werden.
Der Abwasseranfall beträgt derzeit ca. 70.000 m³ pro Jahr. Durch interne Einsparmaßnahmen im
Wassermanagement konnte dieser in den vergangenen Jahren erheblich reduziert werden (zum
Vergleich: 104.000 m³ im Jahr 2002).
Abwärme, welche durch Trockner-, Mangel- und Finisherabluft und Kompressoren entsteht, wird
derzeit nicht genutzt.
Eine zusätzliche firmeninterne Nutzung von Abwärme ist nicht möglich, da das nötige
Temperaturniveau für die Reinigungsprozesse nur mit Dampf erreicht werden kann.
Trünkel
Der Betrieb:
Die Firma Trünkel ist Hersteller von verschiedensten Arten von Wurst. Am Standort 1030 Wien werden
wöchentlich 50 t Fleisch verarbeitet. Dabei sind derzeit etwa 90 Personen beschäftigt. Der Betrieb
läuft 5 Tage pro Woche im Schichtbetrieb.
Ausgangssituation:
Aufgrund der Fleischverarbeitung im Betrieb müssen alle Bereiche, in denen Fleisch verarbeitet wird,
gekühlt werden. Die Temperatur in diesen Bereichen beträgt 12°C. Lagerbereiche für Fleisch und
Wurst werden auf 0°C gekühlt. Für die längerfristige Lagerung von Fleisch und Wurst sind Kühlräume
mit Temperaturen von -18°C vorhanden. Die dafür notwendige Kälte wird von einer
Verbundkälteanlage bereit gestellt. Am Standort ist eine Kälteanlage mit 375 kW Kälteleistung
installiert.
Maßnahme(n):
Nutzung der Abwärme der Verbundkälteanlage
Potential / Ergebnis:
Ein Teil der dabei anfallenden Abwärme wird über einen Wärmetauscher geführt. Dieser
Wärmetauscher wärmt das benötigte Warmwasser auf 40°C auf. Der restliche Anteil der Abwärme der
Kältemaschinen wird über Kondensationskühler abgegeben.
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Die Leistung des Wärmetauschers und die eingesparte Wärmemenge sind in folgender Tabelle
angeführt:
Leistung Wärmemenge
Wärmetauscher 40 kW 217.700 kWh/a
Durch dieses Projekt können rund 21.770 m3 Erdgas eingespart werden. Dies entspricht bei einem
Erdgaspreis von 40 € / MWh einer jährlichen Einsparung von
8.500 €. Die dafür erforderlichen Investitionen beliefen sich auf 12.000 €. Damit amortisierte sich
diese Investition innerhalb von 2 Jahren. Durch dieses Projekt können jährlich 44 t CO2 eingespart
werden.
General Motors
Der Betrieb:
General Motors produziert im Betrieb in Aspern Motoren und Getriebe. Im Betrieb werden pro Minute
4 Getriebe und 2 Motoren produziert. Der Betrieb läuft 5 Tage pro Woche im Drei- schichtbetrieb. Am
Standort Wien-Aspern sind derzeit 1.800 Mitarbeiter beschäftigt.
Ausgangssituation:
Der Betrieb weist einen hohen Verbrauch an Druckluft auf. Im durchschnittlichen Betrieb werden etwa
19.000 Nm3/h Druckluft benötigt. Derzeit befinden sich am Standort 8 Kompressoren. Diese
Kompressoren werden mittels Kühlkreislauf gekühlt. Für den Testbetrieb der Motoren werden jährlich
durchschnittlich 6.250 MWh an Wärme benötigt. Derzeit ist keine Abwärmenutzung der Kompressoren
vorgesehen. Aufgrund fortgeschrittenen Alters der derzeit verwendeten Kompressoren ist die
Nachrüstung einer Wärmerückgewinnung nicht möglich.
Maßnahme(n):
Austausch von zwei bestehenden Kompressoren durch neue Kompressoren mit Wärmerückgewinnung
Potential / Ergebnis:
Die Abwärme der Kompressoren wird firmenintern für die Motorenvorwärmung genutzt.
Die Kompressoren weisen Abwärmetemperaturen von 85°C auf. Zusätzlich zur Nutzung der Abwärme
von den Kompressoren ergibt sich, durch eine Verbesserung des Wirkungsgrades, eine Einsparung an
elektrischer Energie. Diese Einsparung beträgt jährlich etwa 42.000 €. Die Abwärmeleistung und die
jährliche eingesparte Wärmemenge ist in folgender Tabelle dargestellt:
Leistung Wärmemenge
Abwärme Kompressoren 812 kW 4.457.880 kWh/a
Es würden durch dieses Projekt rund 592 t CO2 pro Jahr für Wärmeenergie eingespart werden.
Weiters ergeben sich Einsparungen von etwa 108 t CO2 für die Stromeinsparung.
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Diese Maßnahme würde bei Berücksichtigung der elektrischen und thermischen Energie Einsparungen
von rund 200.000 € pro Jahr bewirken. Die Investitionskosten dieser Maßnahme belaufen sich auf
etwa 800.000 €.
Die statische Amortisationszeit dieser Maßnahme beträgt etwa 4 Jahre.
Kläranlage Blumental
Ausgangssituation:
Die anfallenden Abwassermengen des Liesingtal Sammelkanals werden seit 2006 in die
Hauptkläranlage Wien in Simmering abgeleitet und dort gereinigt. Ein neues Gebäude wurde direkt
über diesem Sammelkanal errichtet. Dies sind gute Voraussetzungen für die Nutzung der
Wärmeenergie des Abwassers zur Beheizung und Kühlung des Gebäudes.
Maßnahme(n):
Es wurde ein neuer Kanal gebaut, in dem ein Abwasserwärmetauscher integriert wurde. Dieser
Wärmetauscher entzieht dem Abwasserstrom Wärme, die mittels Wärmepumpe zur Wärmeversorgung
des Betriebsgebäudes verwendet wird. Damit können etwa 75-90% des jährlichen Wärmebedarfs
dieses Gebäudes (Nettonutzfläche: 4.900 m²) gedeckt werden. Die Beheizung des Gebäudes erfolgt
auf Basis eines Niedertemperatursystems (Decken- und Fußbodenheizungen). Aufgrund schwankender
Abwassermengen und Temperaturen ist am Standort eine zusätzliche Wärmeversorgung mittels
Fernwärme integriert.
Potential / Ergebnis:
Der verwendete Wärmetauscher garantiert eine Abwärmeleistung von 95 kW bei einer ausgeführten
Länge von 30 Metern. Die durchschnittliche Abwassermenge des Kanals beträgt 600 l/s Die dafür
verwendete Wärmepumpe liefert im Heizbetrieb eine Leistung von 150 kW und im Kühlbetrieb eine
Leistung von 160 kW.
Die Inbetriebnahme dieses Systems erfolgte im Jahr 2005.
Es ergibt sich eine jährliche Energieeinsparung
von etwa 267.000 kWh/a.
Anhand dieses Projektes können jährlich etwa 47.000 kg CO2 eingespart werden.
Derzeit befindet sich diese Anlage noch im Versuchsstadium.
Weitere Projekte für eine Nutzung des Abwassers aus Abwasserkanälen sind derzeit nicht geplant. Ein
weiteres Objekt würde sich nach Angaben der MA30 für ein ähnliches System eignen, jedoch ist eine
Umsetzung derzeit nicht angedacht.
Es muss berücksichtigt werden, dass die Implementierung lediglich bei Umbaumaßnahmen erfolgen
kann und ausschließlich bei abwasserreichen Sammelkanälen sinnvoll anwendbar ist. Weiters muss für
die Realisierung eines solchen Systems ein Wärmeabnehmer am Standort verfügbar sein.
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Herz-Armaturen GmbH
Der Betrieb:
Die HERZ Armaturen Ges.m.b.H. mit fast 1.500 Mitarbeitern im In- und Ausland ist der einzige
österreichische und einer der bedeutendsten europäischen Hersteller von Heizungs- und
Rohrarmaturen. Jahrzehntelange Erfahrung sowie Spezialisierung auf dem Gebiet der Heiz- und
Regeltechnik bieten die Basis für die Entwicklung innovativer Produkte mit gelungenen Lösungen in
Form und Ästhetik. Durch ständige Expansion und Akquisitionen wurde HERZ Armaturen in den letzten
Jahren zu einem Systemanbieter und entwickelt maßgeschneiderte Konzepte für den energie- und
heizkostensparenden Einsatz von Regelarmaturen.
Das Werk in 1230 Wien ist der kleinste Standort in Österreich mit etwa 50 Mitarbeitern und etwa 12
ha Betriebsgebiet. International existieren 7 Fertigungswerke, davon 4 in Österreich. Der Standort ist
sehr flexibel gestaltet, wodurch sowohl eine Serienfertigung als auch eine Einzelfertigung von Teilen
durchgeführt werden kann. Die Arbeitszeiten sind in einem 2-Schichtsystem 5 Tage/Woche geregelt.
Ausgangssituation:
Die Gießerei besteht aus einem Hauptschmelzofen und drei Prozessöfen. Diese Öfen werden mit
Schmelztemperaturen von 900 - 1.050°C betrieben. Die Abluft dieser Öfen wird über Essen in einen
Hauptkanal abgesaugt, gefiltert und über Dach abgeblasen.
Der Abluftvolumenstrom beträgt rund 30.000 Nm³/h bei etwa 60°C, welcher während der
Produktionszeiten (4.160 h/a) anfällt.
Der interne Wärmebedarf des Standortes wird durch 4 Gaskessel bzw. 2 Pelletskessel bereitgestellt.
Diese können jedoch nicht durch Wärmerückgewinnung substituiert werden, da diese als
Versuchsöfen betrieben werden.
Für die Druckluftbereitstellung sorgen 2 Kompressoren mit der Leistung von jeweils 75 kW, die derzeit
keiner Abwärmenutzung unterliegen.
Maßnahme(n):
Einbau eines Abgas/Wasser - Wärmetauschers in den Hauptkanal (nach dem Filter).
Das Abgas wird dadurch auf ca. 50°C abgekühlt.
Das Heizwasser kann durch einen Nahwärmekreislauf zu einem benachbarten Produktionsbetrieb
transportiert und dort zur Warmwasser- und Raumwärmebereitstellung verwendet werden. Die
Heizlast des Wärmeabnehmers beträgt 100kW.
Potential / Ergebnis:
Die rückgewinnbare Wärmemenge entspricht 10% des Gesamtenergieverbrauches dieses Standortes.
Wärmeleistung Wärmemenge
Abluftstrom 88,1 kW 366.700 kWh/a
Während der Stillstandzeit der Produktion und für eventuelle Spitzenlastabdeckungen könnten die
vorhandenen Heizkessel des firmeninternen Heizsystems der Fa. Herz die Versorgungssicherheit des
Wärmeabnehmers gewährleisten. Unter Berücksichtigung des zusätzlich aufzuwendenden Brennstoffes
ergibt sich eine Einsparung von rund 12.600 €/a. Diese Einsparung berechnet sich unter der
Annahme, dass die abgegebene Wärmeenergie aus 88% Abwärme und 12% Erdgas bereitgestellt
wird. Die Vergütung durch den Wärmeabnehmer wurde mit 35 €/MWh festgelegt.
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Die Investitionskosten belaufen sich auf ca. 136.000 €, wobei das firmeninterne
Abwärmenutzungssystem und der Nahwärmekreislauf inkl. Wärmetauscher beim Abnehmer
berücksichtigt ist. Dies ergibt eine Amortisationszeit von <11 Jahren.
Diese Abwärmenutzung würde eine CO2 - Einsparung von rund 74.000 t pro Jahr bewirken.
MAN Nutzfahrzeuge Österreich AG
Der Betrieb:
Die Fa. MAN Nutzfahrzeuge Österreich AG stellt am Standort Wien-Liesing Spezialfahrzeuge auf Basis
von Großserien-Bauteilen, z.B. Schwerlastzugmaschinen mit bis zu 250 Tonnen Gesamtzuggewicht
und Fahrgestelle für den Militäreinsatz mit bis zu 4 Achsen und 600 PS Leistung her. Die
Betriebszeiten laufen üblicherweise 5 Tage die Woche im 2-Schichtsystem.
Ausgangssituation:
Es gibt 2 Lackieranlagen die hauptsächlich im Betrieb sind (2-Schicht-Betrieb), wobei in einer
Spritzkabine mit und in einer ohne wasserlösliche Lacke gearbeitet wird. Die Abluft der beiden
Spritzkabinen wird gleich behandelt.
Die Trocknung in den Hauptlackieranlagen erfolgt in Trockenkabinen bei ca. 90°C, welche
ausschließlich durch Fernwärme gewährleistet wird.
Ein Abwärmepotential liegt bei der thermischen Nachverbrennung vor:
Mit der thermischen Nachverbrennung werden Lösemitteldämpfe, welche aus den Lackieranlagen bzw.
Trocknungsräumen abgesaugt werden, verbrannt. Das Abgas der Nachverbrennung wird anschließend
durch einen Wärmetauscher, der auf der Sekundärseite die Zuluft zu den Adsorptionsrotoren (für die
Austreibung der Lösemitteldämpfe) erwärmt, geringfügig abgekühlt. Nach diesem Wärmetauscher
wird das Abgas über Dach an die Umgebung abgeblasen. Laut einer Prüfmessung wurden am Auslass
ins Freie 336°C bei einem Volumenstrom von 7.100 Nm³/h gemessen.
Die Abluft aus den Spritzkabinen und jene aus den Adsorptionsrotoren wird zur Vorwärmung der
zugeführten Frischluft für die Lackierkabinen (22°C) durch ein Wärmerad genutzt.
Maßnahme(n):
Das Abgas der thermischen Nachverbrennung kann per Abgas/Wasser - Wärmetauscher auf 120°C
abgekühlt werden
Die Abwärme kann direkt über die am Rande des Werkgeländes gelegene Fernwärmeheizzentrale in
das Fernwärmenetz eingespeist werden
Würde nur ein Teil des Abgasstromes zur Erwärmung der Adsorptionsrotoren - Zuluft verwendet
werden, so wäre ein restlicher Teilstrom mit höherer Temperatur (rund 420°C) zur Verfügung, der für
spezielle Anwendungen im Unternehmen herangezogen werden könnte
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Potential / Ergebnis:
Es wird hier die Variante der Auskopplung von Wärme in das Fernwärmenetz betrachtet, bei der das
Abgas eine Temperatur von 336°C aufweist und vor Abgabe in die Umgebung auf 120°C abgekühlt
wird.
Wärmeleistung Wärmemenge
Abwärme Thermische
Nachverbrennung 588 kW 2.353.872 kWh/a
Bei einem aktuellen Einspeisetarif würde die eingespeiste Wärme mit einem Betrag von 42.300 € pro
Jahr vergütet werden. Dies würde die Investitionskosten von rund 300.000 € in <7 Jahren
amortisieren.
Es würden sich bei einer Umsetzung dieses Projektes CO2 - Emissionseinsparungen von rund 313.000
t pro Jahr ergeben.
Die Wirtschaftlichkeit dieser Abwärmenutzung könnte mit einer firmeninternen Nutzung wesentlich
gesteigert werden. Es wird jedoch aus strategischen Gründen des Unternehmens eine Auskopplung
der Wärmeenergie in das Fernwärmenetz bevorzugt.
9.) Schlussfolgerungen
Abwärme ist ungenutzte Wärme, welche an die Umgebung abgegeben wird. Diese Wärme kann
mittels geeigneter Technologien wieder rückgewonnen werden.
Technische Lösungen für die Wärmerückgewinnung sind seit Jahrzehnten am Markt vorhanden und
reichen von konventionellen Wärmerückgewinnungen mittels Wärmetauscher bis hin zu
Wärmerückgewinnungen zur Kälte- und Stromproduktion.
Abwärmepotentiale sind in allen Bereichen der Industrie und des Gewerbes vorhanden und werden
nur teilweise genutzt. Eine Nutzung dieses Potentials ist in vielen Fällen wirtschaftlich möglich.
Für diese Studie wurden zwei Ansätze zur Bestimmung des Abwärmepotentials in Wiener Betrieben
verwendet. Einerseits wurde mittels Top Down Ansatz, anhand statistischer Daten und wirtschaftlicher
Nutzungsmöglichkeiten das Abwärmepotential ermittelt. Im zweiten Schritt wurde eine
Betriebserhebung durchgeführt. Es wurden 20 Betriebe, die 16% des Erdgasverbrauchs der
Sachgütererzeugung aufweisen, analysiert und deren Abwärmepotentiale erhoben.
Durch Anwendung dieser beiden Methoden wurde, in der Sachgütererzeugung ein nutzbares
Abwärmepotential zwischen 2 und 5% erhoben.
Dabei sind hohe Abwärmepotentiale in den Branchen Nahrungs- und Genussmittel, Fahrzeugbau,
Chemie und Petrochemie sowie Papier und Druck vorhanden.
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Zur Erreichung des ermittelten Potentials von 2 bis 5% (52-119 GWh) können die Betriebe anhand der
Checkliste zur Abwärmenutzung vorgehen. Dabei sind folgende Schritte von Bedeutung:
· Identifizierung von Abwärmequellen
· Identifizierung von Abwärmesenken
· Ermittlung von Wärmeleistungen bzw. jährlichen Wärmemengen
· Kombination von Abwärmequellen mit Wärmesenken
Weiters besteht die Möglichkeit der Überprüfung und Umsetzung von Abwärmenutzungsmöglichkeiten
durch Experten. Dabei können wertvolle Erkenntnisse über die aktuelle Situation und
Verbesserungsmöglichkeiten im Betrieb gewonnen werden. Für diese Überprüfungen bzw. Beratungen
stehen finanzielle Förderungsmöglichkeiten für die Betriebe zur Verfügung.
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Abkürzungsverzeichnis
/a pro Jahr
GWh Gigawattstunde(n) (109 Wattstunden)
H Enthalpie (engl. heat content)
kW Kilowatt
kWth Kilowatt thermisch
kWh Kilowattstunde(n) (103 Wattstunden)
l/s Liter pro Sekunde
MA Mitarbeiter
MWh Megawattstunde(n) (106 Wattstunden)
ÖNACE Österreichische Implementierung Nomenclature statistique des activités économiques
dans la Communauté européenne
SEP Städtisches Energieeffizienz Programm
TNV Thermische Nachverbrennung
IMPRESSUM
Erstellt durch Allplan GmbH
im Auftrag der MA27
Dezember 2008
Eigentümer, Herausgeber
MA27, EU-Strategie- und Wirtschaftsentwicklung
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