Es qualmt, raucht und dampft. Viele industrieelle Prozesse benötigen hohe Temperaturen und anschließend wird die Wärme an die Umgebung abgegeben. Dabei gilt diese Wärme als CO2-frei und ohne zusätzlichen Brennstoff erzeugt, da prozessbedingt (also „eh da“). Könnte diese „eh-da“-Wärme nicht verstärkt zum Beheizen von Wohnungen oder öffentlichen Einrichtungen genutzt werden? Auf der Online-Veranstaltung „Warm, wärmer, heiß“ der EnergieAgentur.NRW wurden Möglichkeiten der Abwärmenutzung vorgestellt.
Eine Studie im Auftrag des Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) hat die industrielle Abwärme konkret von 105 Unternehmen im Rahmen einer Hot-Spot-Analyse ausgewertet. Von dem verfügbaren Abwärmepotenzial von 4,6 TWh pro Jahr könnten 2,3 TWh pro Jahr technisch verwendet werden und für 2,2 TWh pro Jahr wären sogar Wärmenetze verfügbar.
Online-Wärmekataster gibt Überblick
In der Abschätzung für das gesamte Bundesland kommt die Studie auf 7,2 TWh pro Jahr. Etwa die Hälfte dieser Abwärme stammt aus der Metallerzeugung und -bearbeitung, 11 Prozent aus der Chemieindustrie und 17 Prozent aus dem Bereich Glas, Keramik, Steine und Erden. Die ermittelten Daten wurden in einem Online-Wärmekataster dokumentiert. Unterschieden wird dabei zwischen Wärmequellen aus Abwärme und erneuerbaren Energien. Bei den Wärmesenken wird zwischen Wohngebäuden, Nichtwohngebäuden und Fern-/Nahwärmenetz differenziert. Auf diese Weise lässt sich prüfen, ob ein Wärmebedarf durch eine nahliegende Wärmequelle gedeckt werden kann. Die transparente Aufbereitung der Daten ist ein erster Schritt, um für Abwärme eine zusätzlichen Verwendung zu finden.
Bei einer Untersuchung von 105 Unternehmen wurde ein Potenzial von 4,6 TWh/a gefunden. (Quelle: LANUV)
Der Verband der Industriellen Kraftwirtschaft (VIK) hat sich weitergehend mit der Frage beschäftigt, wie Abwärme effizient genutzt werden kann: „Aus Gründen der Effizienz sollte Abwärme möglichst vermieden werden oder in den Prozess zurückgeführt werden,“ empfiehlt Markus Gebhardt, VIK. Dabei sei die Heizung der Betriebsgebäude ist eine besonders effiziente Variante, da dies vor Ort möglich ist. Die Abwärme könne auch in Strom oder Kälte umgewandelt werden.
Temperatur entscheidet über effizienten Einsatz
Wichtig sei es auch zu differenzieren: „Abwärme ist nicht gleich Abwärme. Der Einsatzbereich unterscheidet sich nach der Temperatur“, betont Gebhardt. Dampf von 250° bis 540 °C sei besonders für die Stromerzeugung geeignet. Temperaturen von 125° bis 400 °C eigneten sich für die Vorwärmung von Speisewasser und Verbrennungsluft. Trocknungsprozesse arbeiteten Temperaturen von 125° bis 275 °C. Die Kälteerzeugungen funktioniere mit 80° bis 160° C. Für Heizung und Warmwasser seien Temperaturen von 75 ° bis 125° C nötig.
Ganz anders ist der Wärmebedarf hingegen in Wohngebäuden. „Für die Erwärmung von Wasser, den Betrieb von Wärmepumpen oder die Heizung muss die Abwärme eine Temperatur von 30° bis 75°C haben. Dies zeigt, wie niedrig die Temperaturen für Wohnquartiere im Vergleich zu Industrieprozessen sind“, erläutert Gebhardt.
Interesse ist vorhanden…
Auch wenn es technisch plausibel ist, die Wärme möglichst innerhalb der Industrie weiterzuverwenden, ist das Thema Wärmekooperation und die externe Abwärmenutzung für viele Unternehmen noch Neuland. Nach den Erhebungen von LANUV haben 35 Prozent der Unternehmen ein Interesse an einer Abwärmekooperation als Wärmequelle, 12 Prozent der Unternehmen würden externe Wärme aufnehmen. Als Hemmnis sehen die Befragten, dass Kapitalbindung und Finanzierung der Abwärmenutzung nicht zum Kerngeschäft der Unternehmen gehören.
…aber wirtschaftliche Anreize fehlen
Zudem sind die wirtschaftlichen Anreize eher gering, da zunächst einmal in einen Wärmetauscher und ein Nahwärmenetz investiert werden muss, um die Wärmequelle zu erschließen. Staatliche Unterstützung bietet das Bundesförderungsprogramm „Energieeffizienz und Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien in der Wirtschaft“ mit einem Investitionszuschuss oder zinsgünstigen Krediten über die KfW. Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) fördert die „Energiebezogene Optimierung von Anlagen und Prozessen“. Dazu zählt die energetische Optimierung in Industrie und Gewerbe und die Nutzung von Wärme aus erneuerbaren Energien für gewerbliche Prozesse. Die bestehende Förderprogramme reichen allerdings nach Einschätzung von 31 Prozent der Befragten aus der LANUV-Studie nicht aus.
Second Life in großem Maßstab: Fernwärmemodernisierung in Dortmund
Erst wenn die Möglichkeiten innerhalb der Industrie ausgeschöpft sind, wird eine externe Verwendung sinnvoll. Um Abwärme zum Heizen eines Quartiers zu nutzen, muss dieses an ein Fernwärmenetz angeschlossen werden. Dass dies auch in bereits vorhanden Siedlungsstrukturen möglich ist, zeigt ein Beispiel aus Dortmund. Mit dem Projekt IQ hat der Wärmeversorger DEW 21 das Fernwärmenetz erneuert und als Wärmelieferanten verschiedene Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) sowie das Unternehmen Deutsche Gasrusswerke integriert: „Durch die Kopplung industrieller Abwärme und KWK-Anlagen mit dem Fernwärmenetz können jährlich 45.000 Tonnen CO2 vermieden werden. Das entspricht dem Ausstoß von 30.000 PKW,“ erläutert Bastian Stegemann, DEW 21, den Erfolg für den Klimaschutz.
Vor dem Hintergrund eines industriellen Strukturwandels ist Verbindung zwischen Produktionsstätten und Wohneinheiten nicht risikolos. „Kommt es zu einer Schließung des wärmeliefernden Industriebetriebes, müsste eine andere Wärmequelle aufgebaut werden“, warnt Gebhardt und verweist insbesondere auf eine Neuausrichtung der Industrie im Zuge der Dekarbonisierung.
Eine weitere Herausforderung ist, rund um die Uhr zuverlässig Wärme zu liefern, unabhängig davon, ob der industrielle Prozess diese auch produziert. Für Wartungszeiten oder Phasen geringerer Auftragslage muss eine Backup-Lösung geschaffen werden. Innerhalb eines Wärmenetzes lassen sich dazu verschiedene Einspeiser kombinieren, die sich gegenseitig ausgleichen können. Dazu kommen Abfallverwertung, KWK-Anlagen, Power-to-Heat-Anlagen, Geothermie, Solarthermie, Biomasse und Groß-Wärmepumpen in Frage.
Industrielle Abwärme ist ein Aspekt einer Wärmelieferung. Aber ein Teil der “eh-da” ist. Bildquelle: EnergieAgentur.NRW
Der hohe Energiegehalt der Abwärme legt nahe in Größenordnungen zu denken, die Skaleneffekte ermöglichen. So können Fernwärmenetze sehr viele Nutzer gleichzeitig versorgen. Lohnt sich der Aufbau einer kompletten Netzinfrastruktur nicht, bedeutet das andererseits nicht, dass die Abwärme nicht weiterverwendet werden kann.
Second Life dezentral: Wärme aus dem LKW
Denn es gibt auch kleinteiligere Lösungen, die mit unterschiedlichen Speichermedien arbeiten. Eine Antwort auf die Dezentralität bei der Verwendung von Abwärme hat das Beratungsunternehmen swilar gefunden und dazu das Tochterunternehmen swilar eetec gegründet. Die Wärme wird in mobilen Tanks gespeichert und über die Straße zum Verbraucher transportiert. Die LKW ähneln Tankwagen und verbinden in einem Umkreis von bis zu 15 km eine Wärmequelle mit einer Wärmesenke.
Der Speichertank auf der Basis von Natriumacetat-Trihydrat – auch als Pökelsalz bekannt – lässt sich innerhalb von 6 bis 8 Stunden aufheizen und ebenso lange für die Wärmelieferung nutzen. Das bedeutet einen Schichtbetrieb mit regelmäßigen Fuhren. Für eine Wärmeversorgung rund um die Uhr sind drei LKW-Ladungen mit 2,5 MWh Wärme pro Anlieferung innerhalb von 24 Stunden ausreichend.
Das spezielle Speichermedium ist gefahrlos transportierbar und ungiftig. Beim Aufladen fließt heißes Wasser aus einem Wärmetauscher in das Rohleitungssystem des Speichers. Die Leitungen sind von Natriumacetat-Trihydrat umgeben, das die Wärme aufnimmt. Der große Vorteil liegt in einer hohen Energiedichte, da das Speichermedium bei 58° Celsius vom festen in den flüssigen Zustand wechselt.
Wärme aus dem Tank kommt per LKW (Quelle: swilar)
Das junge Unternehmen swilar eetec hat die Technologie zum Patent angemeldet. Bisher gibt es eine Anwendung für ein Schwimmbad in Rothrist in der Schweiz, eine für einen Schulkomplex in der Region Hannover sowie für ein Schwimmbad im bayerischen Kreis Landsberg. Weitere Projekte sind in Planung. „Unser Fokus richtet sich auf dezentrale Nischen, von denen es allerdings über das Land verteilt, sehr viele gibt. Eine wichtige Voraussetzung für unsere Systeme ist, dass Wärmequelle und Wärmesenke mit einem 40-Tonner über eine überregionale Straße erreichbar sind. Zum anderen kommt der mobile Wärmespeicher vor allem für Neuinvestitionen in Frage, wenn noch keine andere Wärmeversorgung vorhanden ist“, erläutert Georg Schneider, Geschäftsführer, swilar.
Konkret bedeutet das: Der Wärmespeicher ist effizient einsetzbar bei Schwimmbädern, Hotels oder Wellnessanlagen, die in der Nähe von Müllverbrennungsanlagen, Biogasanlagen oder Blockheizkraftwerken liegen. Inklusive der Investitionskosten ist eine Wärmelieferung per Container für rund 5,5 Cent/kWh zu bekommen. Die schließt die Kosten für die Wärmetauscher an Lade- und Entladepunkt sowie für Tank und Transportfahrzeug ein. Die Abwärme selbst wird mit einem Preis von 0 Cent kalkuliert, da sie bisher ohnehin in die Luft abgegeben wird.
In Zukunft könnte die Wärmelieferung aus dem LKW auch für Betreiber von Kläranlagen interessant werden, wenn diese aufgrund einer gesetzlichen Vorgabe den anfallenden Klärschlamm trocknen müssen und nicht ein Fernwärmesystem angeschlossen sind. Die nahe der Kläranlage zu installierenden Trocknungsanlagen können mit einem mobilen Wärmetransportcontainer versorgt werden. Für Kommunen besteht die Chance, durch die Nutzung von Abwärme ihre CO2-Bilanz zu verbessern.
https://www.energieatlas.nrw.de/site/planungskarte_waerme