Energie­effizienz durch Abwärme­nutzung

Wie kann die Abwärme sinnvoll genutzt werden?

Diese Frage stellen sich wohl viele Unternehmen. Und sie ist oft nicht einfach zu beantworten. Für die industrielle Abwärmenutzung stehen viele Technologien zur Verfügung, hier eine exemplarische Auswahl:

• Wärmeübertrager
• Wärmepumpen
• ORC-Prozesse

Ganz konkret ging es im vorliegenden Projekt um die direkte Wärmerückgewinnung mittels Wärmeübertragern. Obwohl technisch gesehen der einfachste Fall, entpuppt sich die Fragestellung in der Praxis doch oftmals als äußert komplex.

Gewachsene Strukturen erschweren Analyse

In den meisten Fällen erfolgt die Optimierung der Abwärmenutzung in der Industrie für einen bestehenden Betrieb. So auch in diesem Fall. Man trifft also auf vorhandene Wärmeübertrager-Netzwerke, festgelegte Prozessabläufe, verschiedenste Anlagentypen und meist unvollständige Datenerfassung.

In der ersten Projekt-Phase ist es daher enorm wichtig sich einen Überblick zu verschaffen und den Wärme- und Kühlbedarf aller Prozesse zu erfassen. Wichtigstes Werkzeug hierbei ist die Pinch-Analyse, die den Gesamtbedarf des Betriebs in sogenannten Verbundkurven zusammenfasst.

Hierbei ist es unerheblich, ob die verschiedenen Prozesse bereits miteinander verschaltet sind oder woher die Wärme oder Kälte bereitgestellt wird. Die vorhandenen Strukturen werden sozusagen ausgeblendet.

Planung eines neuen Wärmeübertrager-Netzwerkes

Im nächsten Schritt erfolgt dann das eigentliche Engineering. Auf Basis der Pinch-Analyse wird ein neues Wärmeübertrager-Netzwerk geplant, um eine möglichst sinnvolle und kostengünstige Abwärmenutzung zu realisieren. Dabei müssen natürlich die vorhandenen Wärmeübertrager, Leitungen und Speicher berücksichtigt werden.

Zwar gibt es Heuristiken zur Planung, letztendlich erfordern die lokalen Gegebenheiten aber immer wieder individuelle Anpassungen, sodass viel Erfahrung und Knowhow gefordert sind. Als Ergebnis entstehen meist mehrere Varianten zur Abwärmenutzung. Hier ist es letztendliche eine unternehmerische Entscheidung bis zu welchen Grad die Wärmerückgewinnung erfolgen soll. Technisch ist meist mehr möglich, als sich wirtschaftlich lohnt.

Simulation schafft Vertrauen

Ist das Konzept zur Abwärmenutzung auch wirklich ausgereift? Und können alle Betriebsbedingungen mit dem geplanten Wärmeübertrager-Netzwerk abgedeckt werden?

Solche Fragestellungen lassen sich am besten mit einer Simulation beantworten. Insbesondere bei dynamischen Lastwechseln, der Speichereinbindung und zum Entwurf von Reglern kommt man in der letzten Projektphase kaum an einer Systemsimulation vorbei.

Wir nutzen normalweise Modelica und unsere hauseigene TIL Suite zur Simulation. Standard-Komponenten wie Wärmeübertrager, Warmwasser-Speicher, Rohrleitungen, Ventile und Regler können so schnell zu einem vollständigen System zusammengefügt werden.

Mittels Simulation können dann beliebige Betriebssituationen durchgerechnet und die Effizienz der Abwärmenutzung analysiert werden.