Energetische Modernisierung industrieller Wärmeversorgungssysteme - ISH Frankfurt
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Art.-Nr. 13891
Für alle Fragen zur effizienten Energienutzung
in Industrie und Gewerbe:
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Energetische Modernisierung
industrieller Wärmeversorgungssysteme.
Möglichkeiten der Effizienzsteigerung und der Energieeinsparung
an großen feuerungstechnischen Anlagen.
Inhalt. Vorworte.
Vorworte. 3 Vorwort dena. Vorwort BDH.
Vorwort dena. Der mit Abstand größte Energiebedarf in Industrie und produzie- Rund 80 Prozent der feuerungstechnischen Anlagen in
Vorwort BDH. rendem Gewerbe entfällt auf die Erzeugung von Wärme für tech- Deutschland sind älter als zehn Jahre und entsprechen nicht
1. Einführung in das Thema. 4 nische Prozesse. Fast jeder verarbeitende Betrieb ist zur Dampf- mehr dem heutigen Stand der Technik. Durch eine energe-
1.1 Energieverbrauch und Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe in Deutschland. und Heißwassererzeugung oder für den Betrieb von Brennöfen tische Modernisierung dieser 250.000 veralteten Anlagen
1.2 Wärmeversorgungssysteme: Anwendungen und Einsparpotenziale. und Trocknungsanlagen auf die Versorgung mit industrieller könnte die deutsche Wirtschaft beträchtliche Mengen Öl
2. Überblick zur Optimierung von Wärmeversorgungssystemen. 6 Wärme angewiesen. Prozesswärme ist daher längst für viele Un- und Gas und damit erhebliche Kosten einsparen.
3. Optimierung des Wärmebedarfs. 7 ternehmen ein bedeutender Kostenfaktor geworden.
3.1 Energetische Istanalyse. Rasches Handeln ist hier angesichts ambitionierter deutscher
3.2 Minimierung von Wärmeverlusten. Gerade in den Wärmeversorgungssystemen können viele Be- und europäischer Klimaschutzziele gefragt. Seit 2006 konn-
4. Energieeffiziente Wärmeerzeugung. 9 triebe noch hohe Energieeinsparungen erreichen. Investiti- te der CO2-Ausstoß in Deutschland durch die Förderung von
4.1 Energieeffiziente Auslegung einer Anlage. onen in energieeffizientere Systeme sind dabei nicht nur hoch Investitionen in die Energieeffizienz von Gebäuden bereits
4.2 Effizienzsteigerung bei Brenner- und Kesseltechniken. rentabel, sondern zahlen sich für Unternehmen gleich in um rund 3,2 Millionen Tonnen gesenkt werden. Wir schätzen,
4.3 Optimierung durch Messung, Steuerung und Regelung (MSR). mehrfacher Hinsicht aus: Energieeffizienz senkt die Produkti- dass allein im industriellen Sektor und bei Großgebäuden mit
4.4 Abgasregelung bei Dampf- und Heißwassererzeugung. onskosten, trägt zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei und 100 bis 36.000 kW Feuerungswärmeleistung mit energetisch
4.5 Energieerzeugungsmanagement bei der Wärmeversorgung. stärkt die Innovationskraft und damit die Wettbewerbsfähig- optimierten Wärmeversorgungsanlagen fünfmal so hohe
5. Wärmerückgewinnung. 16 keit des Unternehmens. Einsparungen erzielt werden können.
5.1 Funktionsweise der Wärmerückgewinnung.
5.2 Abgas-Wärmerückgewinnung. Die vorliegende Broschüre zeigt, wie alle Komponenten eines Welche Energieeffizienzpotenziale in Ihrem Unternehmen
6. Energieeffiziente Umwandlungs- und Erzeugungstechnologien. 19 Wärmeversorgungssystems optimal aufeinander abgestimmt schlummern, erfahren Sie in dieser Broschüre. Denn mit der
6.1 Kraft-Wärme-Kopplung. und so Energie- und Kosteneinsparpotenziale systematisch Modernisierung Ihrer Altanlage leisten Sie nicht nur einen
6.2 Wärmepumpen. erschlossen werden können. Projekte aus Unternehmen, die Beitrag zu Klima- und Umweltschutz, sondern können auch
6.3 Solarthermie. ihre Wärmeversorgungssysteme bereits mit Erfolg optimiert Ihre eigenen Energiekosten teilweise drastisch reduzieren.
6.4 Wärmespeicher. haben, runden die Publikation ab: damit diese Praxisbeispiele
7. Partner für mehr Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe. 21 in möglichst vielen Unternehmen Schule machen. Lassen Sie sich bei der Lektüre davon überzeugen, wie Unter-
8. Best-Practice-Beispiele. 22 nehmen von Investitionen in die Energieeffizienz ihrer feue-
Ich wünsche eine anregende Lektüre. rungstechnischen Anlagen profitieren.
Ihr Stephan Kohler Ihr Andreas Lücke
Vorsitzender der Geschäftsführung Hauptgeschäftsführer
Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und
Umwelttechnik e. V. (BDH)
2 EnergieEffizienz lohnt sich. 3
1. Einführung in das Thema.
1.1 Energieverbrauch und Energieeffizienz in Anwendungsfeld, vor Elektromotoren, Raumwärme2, Be- 1.2 Wärmeversorgungssysteme: Anwendungen liche Potenziale in Höhe von 17,5 TWh bestehen bei der Raum-
Industrie und Gewerbe in Deutschland. leuchtung und galvanischen Prozessen sowie Biotechnologie. und Einsparpotenziale. wärme. Zu den wichtigsten Energieeffizienzmaßnahmen
Rund 30 Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs in Beim Großteil der Maßnahmen zur Optimierung von Wärme- gehören der verstärkte Einsatz von Wärmerückgewinnung,
Deutschland entfällt auf Unternehmen aus Industrie und Prozesswärme wird aus diversen Energieträgern erzeugt versorgungssystemen, die hier vorgestellt werden, handelt es die Optimierung der Brenner- und Kesseltechnik, die bedarfs-
Gewerbe. Das entspricht etwa 700 TWh pro Jahr (Quelle: Pro- (z. B. Strom, Öl und Gas), durch verschiedene Medien trans- sich um Querschnittsanwendungen, d. h. sie können bran- gerechte Steuerung und die Verbesserung der Wärmedäm-
gnos1). Die damit verbundenen Ausgaben machen für Unter- portiert (z. B. Warm-/ Heißwasser, Dampf und Heißluft) und – chenübergreifend eingesetzt werden. Lediglich bei Trock- mung. Pro Anlage könnten so durchschnittlich 15 Prozent
nehmen zunehmend einen existenziellen Kosten- und damit je nach Anforderungen der spezifischen Prozesse – auf unter- nungsanlagen überwiegen Maßnahmen, die fast ausschließ- Energie eingespart werden. Wird das gesamte Wärmeversor-
Wettbewerbsfaktor aus: So entstanden dem verarbeitenden schiedlichen Temperaturniveaus benötigt. Wie auch in ande- lich produktionsspezifisch und damit auf einen bestimmten gungssystem ganzheitlich optimiert – durch die Anpassung
Gewerbe nach einer Statistik des Bundeswirtschaftsministeri- ren Anwendungsfeldern können Unternehmen aus Industrie Anwendungsbereich von Wärmeversorgungssystemen be- und bessere Abstimmung der Komponenten aufeinander –
ums im Jahr 2008 Energiekosten in Höhe von insgesamt rund und Gewerbe durch Energieeffizienz deutliche Einsparpo- schränkt sind. Sie finden daher im Weiteren keine Berücksich- können zusätzliche Energie- und Kostenreduktionen erzielt
36 Mrd. Euro. tenziale bei der Prozesswärmeversorgung erzielen: Betrach- tigung. Die Abbildung 3 zeigt den Energiebedarf und das Ein- werden. Im folgenden Kapitel erfahren Sie Schritt für Schritt,
tet man alle thermischen Prozesse, so lassen sich insgesamt sparpotenzial für die einzelnen Wärmeanwendungen. wie diese Einsparpotenziale realisiert werden können.
Etwa 400 TWh Endenergie wenden Unternehmen jährlich konservativ geschätzt 30 TWh pro Jahr Energie – und damit
auf, um Prozesswärme bereitzustellen. Mit einem Anteil von etwa 7,5 Prozent des industriellen Prozesswärmeenergiever- Durch prozess- und systemspezifische Optimierungsmaß- Brennöfen.
57 Prozent am industriellen Gesamtendenergieverbrauch ist brauchs – wirtschaftlich einsparen. Weitere 17,5 TWh Einspa- nahmen lassen sich in allen Anwendungsbereichen der Pro- Brennöfen werden für thermische Prozesse wie Brennen,
Prozesswärme damit das mit Abstand energieintensivste rungen lassen sich jährlich bei der Raumwärme erzielen. zess- und Raumwärme darüber hinaus weitere Einsparpoten- Schmelzen und Erwärmen, zu Guss- und Verformungszwecken,
ziale in Höhe von 13 TWh pro Jahr erschließen. zur Wärmebehandlung oder zum Sintern und Kalzinieren
benötigt. Etwa die Hälfte des industriellen Prozesswärme-
Dampf- und Heißwassererzeugung. und Raumwärmebedarfs – 240,1 TWh pro Jahr – werden für
Abbildung 1: Endenergieverbrauch pro Anwendungsfeld Abbildung 2: Wirtschaftliches Energieeinsparpotenzial in Rund 40 Prozent des industriellen Prozess- und Raumwärme- diese energieintensiven Prozesse aufgewendet. Ein Drittel
in Industrie und Gewerbe in Deutschland (in TWh/a). Industrieunternehmen nach Anwendungsfeldern (in TWh/a). bedarfs wird in Kesselanlagen zur Dampf- und Heißwasserer- davon entfällt auf Öfen, die branchenübergreifend zum Ein-
zeugung generiert. Etwa 92,9 TWh Energie werden pro Jahr in satz kommen. Hohe Energieeffizienzsteigerungen lassen
Deutschland für Prozesswärme aufgewendet – hauptsächlich in sich – wie im folgenden Kapitel näher beschrieben wird – vor
400 30,0 der chemischen, Papier-, Investitionsgüter- sowie Nahrungs- allem durch den Einbau energieeffizienter Brenner, Verbren-
und Genussmittelindustrie. Für die Erzeugung von Raumwärme nungsprozesse mit Sauerstoff, eine optimierte Steuerung, ver-
350 20,0 werden sogar 96,2 TWh Energie pro Jahr benötigt. besserte Dämmung sowie durch die Nutzung von Abwärme
erreichen. Insgesamt können in diesem energieintensiven
300 10,0
TWh/Jahr
Das wirtschaftliche jährliche Einsparpotenzial im Bereich der Anwendungsbereich 13,3 TWh pro Jahr wirtschaftlich einge-
Dampf- und Heißwassererzeugung beträgt 12 TWh, zusätz- spart werden.
250 0,0
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200
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Abbildung 3: Energiebedarf und das Einsparpotenzial für die einzelnen Wärmeanwendungen.
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150
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Anwendung Branchen Energiebedarf Einsparpotenzial
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in TWh/a in TWh/a
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100
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Dampf- / Heißwasser- Chemische und Papierindustrie, Herstellung 92,9 12,0
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erzeugung und sonstige von Investitionsgütern sowie Nahrungs- und
50
TWh/Jahr
Das Gesamteinsparpotenzial aller Anwendungsfelder be- thermische Prozesse Genussmitteln
trägt circa 98 TWh/Jahr. Die in Abbildung 2 dargestellten
0 branchenübergreifende Erzeugung von 96,2 17,5
Maßnahmen überschneiden sich, sodass die Potenziale
Raumwärme
nicht addiert werden können.
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Brennöfen und Prozesse Herstellung verschiedener Grundstoffe, Eisen-, 240,1 13,3
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von 200 bis über 500° C Nichteisen- und Stahlherstellung, Zement-,
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Keramik- und Glasherstellung, Investitionsgüter-
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andere Brennstoffe (TWh/a)
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industrie, industrielles Backen
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Strom (TWh/a)
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Trocknung und sonstige Prozesse der Nahrungsmittelindustrie sowie 65,6 5,3
1
Endbericht 18/06, Potenziale für Energieeinsparung und Energieeffizienz im Prozesse unter 200° C Trocknung von Holz, Kohle, Ziegeln, Papier,
Lichte aktueller Preisentwicklungen, Auftraggeber: Bundesministerium für Lacken und Farben, Feinkeramik u. a.
Wirtschaft und Technologie, Prognos AG, Basel und Berlin, 31. August 2007.
Alle Daten zum Energieverbrauch und zu Energieeffizienzpotenzialen in
diesem Kapitel stammen aus dieser Quelle.
2
Inklusive Warmwasserbereitung.
4 EnergieEffizienz lohnt sich. 5
2. Überblick zur Optimierung von 3. Optimierung des Wärmebedarfs.
Wärmeversorgungssystemen.
Maßnahmen zur energetischen Optimierung von Wärme- Gesamtsystem abgestimmt werden. Um ein optimales Der erste Schritt zur energetischen Optimierung der Zuerst sollten Maßnahmen zur Minimierung von Verlusten so-
versorgungssystemen sind stets als Teil einer Optimie- Ergebnis zu erzielen, empfiehlt sich folgendes systema- Wärmeversorgung ist eine detaillierte Analyse des wie Möglichkeiten zur Optimierung des Bedarfs in den Produk-
rung des Gesamtsystems zu betrachten. Denn: Die größten tisches Vorgehen, welches in den nächsten Kapiteln aktuellen Wärmeverbrauchs (Istzustand) sowie des tionsprozessen, z. B. durch effizientere Prozesstechnologien,
Energieeffizienzsteigerungen lassen sich nur dann er- Schritt für Schritt erläutert wird: tatsächlichen Wärmebedarfs (Sollzustand). Das Augen- geprüft werden. In einem zweiten Schritt kann die Optimierung
zielen, wenn alle Komponenten zu einem effizienten merk sollte dabei auf die Behebung von Energiever- der Wärmeversorgungsanlage vorgenommen werden.
lusten im Produktionsprozess gelegt werden.
3.2 Minimierung von Wärmeverlusten.
Optimierung des Wärmebedarfs. Energieeffiziente Wärmeerzeugung. 3.1 Energetische Istanalyse. Wärmeverluste können an unterschiedlichen Stellen des
Um eine Wärmeversorgungsanlage energetisch zu opti- Im zweiten Schritt werden alle Systemkomponenten und Einen Überblick über den Energieverbrauch, den Wärme- Wärmeversorgungssystems auftreten: beim Energieverbrau-
mieren, sollten in einem ersten Schritt zunächst eine die gesamte Anlage energieoptimiert: bedarf sowie die Wärmeversorgungsanlage und ihre Einzel- cher, beim Transport oder bei der Energieerzeugung.
detaillierte Istanalyse des Energieverbrauchs und eine Überprüfung der Komponenten und der gesamten komponenten bietet eine energetische Istanalyse. Auch die
Optimierung des Wärmebedarfs erfolgen. Wärmeversorgungsanlage auf ihre Energieeffizienz Leistungsparameter der Prozesse und Anlagen – Wärmemen- Im Prozess, also bei den Verbrauchern, lassen sich Energie-
Energetische Istanalyse des derzeitigen Energie- bzw. deren energieeffiziente Auslegung ge, Druck und Temperatur – sollten in einer solchen Bestands- verluste beispielsweise durch eine ausreichend dimensionierte
verbrauchs der Anlage und des tatsächlich erfor- Austausch bzw. Neuanschaffung von energieeffizi- aufnahme abgebildet werden. In vielen Betrieben ist lediglich Wärmedämmung von Behältern oder Öfen gering halten und
derlichen Wärmebedarfs enten Brenner- und Kesseltechniken der Gesamtenergieverbrauch aus den Kostenabrechnungen tragen so zur Verminderung des Bedarfs bei.
Energieoptimierung des Produktionsprozesses Kesselfolgesteuerung/Mehrkesselregelung der jeweiligen Energieträger bekannt, aber nicht, wie sich
Minimierung von Wärmeverlusten Drehzahlregelung von Brennern dieser auf die unterschiedlichen Prozesse und Anlagen ver- Um Wärmeverluste bei der Energieerzeugung einzugren-
Optimierung des Wärmebedarfs Abgasregelung bei Brennern teilt. Diese Aufteilung ist jedoch unbedingt erforderlich, will zen, sollte bereits bei der Konzeption der Anlage darauf ge-
man das temperatur- und zeitabhängige Wärmebedarfspro- achtet werden, dass die Kessel wenig Wärme abgeben und
fil der Prozesse und Anlagen bestimmen. Bei dieser Analyse über ein gutes Wärmespeichervermögen verfügen. Bei Anla-
kann ein Energieberater wertvolle Unterstützung leisten. gen im Bestand lassen sich Verluste durch Reinigen der Heiz-
Wer die Analyse selbst durchführen möchte, kann sich unter flächen und die Beseitigung undichter Stellen im Feuerraum
Abgasanlage
anderem am Einstein Audit Guide orientieren (Download auf reduzieren. Hohe Verluste entstehen bei der Energieerzeugung
der Internetseite: www.einstein-energy.net). Der gesamte durch hohe Abgastemperaturen von über 200 °C. Mithilfe von
Wärme- thermische Energiebedarf verfahrenstechnischer Prozesse Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung kann diese Energie
bedarf
oder eines ganzen Unternehmens lässt sich mit einer Pinch- genutzt werden.
Analyse abbilden. Kern dieses Analyseverfahrens ist die Erfas-
sung der thermischen Energieströme sämtlicher Prozessanla-
gen eines Unternehmens.
Blockheizkraftwerk
Kessel und
Brenner
Wärmerückgewinnung. Umwandlungs- und Erzeugungstechnologien.
Bei der industriellen Wärmeerzeugung und -nutzung Der letzte Schritt: die Auswahl von passenden Umwand-
fällt unvermeidbar sogenannte Abwärme an, durch- lungs- und Erzeugungstechnologien, die eine weitere
schnittlich 40 Prozent, die an die Umgebung abgegeben Senkung des Energieverbrauchs bewirken:
wird. Dieses große Potenzial kann durch Maßnahmen zur Kraft-Wärme-(Kälte-)Kopplung
Wärmerückgewinnung genutzt werden: Wärmepumpen
Economiser Solarthermie
Brennwerttechnik Wärmespeicher
Luftvorwärmer
Rekuperatorbrenner und Regenerativbrenner
6 EnergieEffizienz lohnt sich. 7
Um die Abstrahlungsverluste bei der Erzeugung und beim Dieser Vorgang führt ebenfalls zu Wärmeverlusten (siehe 4. Energieeffiziente Wärmeerzeugung.
Transport von Wärme zu minimieren, sollte eine W ärme- Abbildung 4). Eine gute Wasseraufbereitung reduziert die
dämmung an den Wärmeerzeugern, den Rohrleitungen Abschlammmenge.
und an gegebenenfalls vorhandenen Wärmespeichern an-
gebracht bzw. die vorhandene überprüft und bei Bedarf aus- Nicht zuletzt lassen sich der Energieverbrauch – und d
amit
gebessert werden. Kesselspeisewasser für Dampf- und Heiß- auch die Energiekosten – durch die kontinuierliche W
artung
wasserkessel enthält Salze, die sich infolge der Verdampfung von Brenner, Kessel und Dampf- bzw. Heißwasserverteiler- Bei einem Anlagenneubau ist von vornherein auf die ener- Bei der energieeffizienten Auslegung einer Anlage kommt
des Kesselwassers anreichern. Dies führt nicht nur zu korro- netz senken. gieeffiziente Auslegung aller Systemkomponenten und es im Wesentlichen darauf an, den Kessel richtig zu dimen-
siven Schäden am Kessel, sondern auch zu Energieverlusten. der gesamten Anlage zu achten. Bei vorhandenen Anlagen sionieren und den Betriebsdruck an die tatsächlichen tech-
Das Kesselspeisewasser muss deshalb entsalzt werden. Am Stillstands- oder Bereitschaftsverluste lassen sich mithilfe von sind die einzelnen Komponenten einer Wärmeversorgungs- nischen Erfordernisse anzupassen. Wärmeversorgungsanlagen
Boden eines Dampf- und Heißwasserkessels sammelt sich Regelungen, die überflüssiges An- und Abschalten von Bren- anlage auf ihre Energieeffizienz zu überprüfen und ggf. sind früher häufig stark überdimensioniert errichtet wor-
außerdem Schlamm an, der abgeführt werden muss. nern vermeiden, deutlich verringern (siehe Kapitel 4.3). ineffiziente Bestandteile gegen effiziente auszutauschen. den, sodass sie heute oft ineffizient, z. B. mit Druckminderern,
Mithilfe der Messung, Steuerung und Regelung (MSR- arbeiten.
Systeme) können Brennstoffeinsatz und Kosten weiter
minimiert werden. Bei Dampfkesseln ist es ratsam, sich für einen Kessel mit einem
Abbildung 4: Wärmeverluste bei Dampf- und Heißwasserkesseln. guten Speichervermögen zu entscheiden. Deshalb sind in
4.1 Energieeffiziente Auslegung einer Anlage. den meisten Anwendungsfällen Großwasserraumkessel ge-
Die Auswahl der Brennstoffe hat einen erheblichen Einfluss genüber Schnelldampferzeugern vorzuziehen. Durch den
Abstrahlverluste an der Kesseloberfläche
auf Energiekosten und CO2-Emissionen. Erdgas hat in dieser großen Wasserinhalt entsteht ein Energiepuffer, der Dampf-
Hinsicht zahlreiche Vorteile, da es unter den fossilen Energie- bedarfsschwankungen ausgleichen kann.
trägern die geringsten CO2-Emissionen verursacht und außer-
dem besonders effizient in Brennwertkesseln eingesetzt werden In vielen Betrieben werden Dampfdruck und -temperatur
kann. Heizöl hat nur einen geringfügig höheren CO2-Emis- über „gezielte“ Wärmeverluste in unisolierten Teilen des Lei-
sionsfaktor als Erdgas und steht überall in schwefelarmer tungssystems reduziert. Teilweise wird die gewünschte Tem-
Absalzverluste Qualität zur Verfügung. Biogene Brennstoffe wie Biogas und peraturabsenkung sogar durch äußere Berieselung der heißen
Bioöl schützen nicht nur die endlichen Ressourcen Öl und Rohre mit Wasser erzielt. Wesentlich effizienter ist es, die
Gas, sondern verbessern auch die CO2-Bilanz einer Anlage. Dampftemperatur durch das Einspritzen von Kondensaten
Viele Komponenten einer Wärmeversorgungsanlage sind zu senken. Ein Absenken des Temperaturniveaus kann im
auch schon für den Einsatz von biogenen Brennstoffen ausge- Übrigen die Wärmerückgewinnung oder andere energieeffi-
legt. Elektrischer Strom ist der teuerste und – bezogen auf den ziente Umwandlungs- und Erzeugungstechnologien wie Kraft-
aktuellen „Strommix“ in Deutschland – der CO2-intensivste Wärme-Kopplung (KWK) oder Wärmepumpen ermöglichen.
Energieträger zur Prozesswärmeerzeugung. Hier lassen sich
durch drehzahlgeregelte Brenner und energieeffiziente In einem System ist stets der Wärmeverbraucher mit dem
Motoren erhebliche Einsparungen erzielen.* höchsten Temperatur- bzw. Druckniveau ausschlaggebend
für den Auslegungsdruck des Wärmeerzeugers. Daher kann
Um die Energieeffizienz einer Anlage zu erhöhen, sollte – in es sinnvoll sein, für einen einzelnen Verbraucher mit sehr ho-
Abschlammverluste
Abhängigkeit von den spezifischen Anforderungen – für jeden hem Druck einen eigenen Dampferzeuger zu betreiben.
Prozessschritt ein energieeffizientes Versorgungsmedium
gewählt werden. Falls möglich sollte Heißwasser anstelle von
Dampf als Wärmeträger eingesetzt werden, da die Dampf-
erzeugung mit hohen Umwandlungsverlusten verbunden ist.
* Die EU-Verordnung Nr. 640/2009 der Kommission vom 22 . Juli 2009 zur
Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und
des Rates legt verbindliche Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung
von Elektromotoren fest.
8 EnergieEffizienz lohnt sich. 9
Beispiel Agrana Fruit Germany GmbH. In Dampf- und Heißwassersystemen kommen neben klas- gen mit größerer Leistung und für das Nachrüsten von Anla-
sischen Heizkesseln mit hohen Abgastemperaturen heute im- gen im Bestand interessant.
Am Standort Konstanz werden bei der Agrana Fruit Germany die Kosten wurden um ca. 10.000 € gesenkt. Durch die Maß- mer mehr Brennwertkessel zum Einsatz. Diese Kessel gewin-
GmbH zwei gasbefeuerte Dampfkessel betrieben, die den nahmen Mehrstoffbrennersystem (siehe unten), Dreh- nen im Gegensatz zu herkömmlichen Heizkesseln die im Ab- Abhitzekessel nutzen die Wärme von Abgasen (oft auch als
Dampf für die Prozesswärme und für die Sterilisation der zahlregelung (S. 12) und Einbau einer O2- und CO-gesteuer- gas enthaltene Wärme über zusätzliche Wärmeübertrager- Rauchgase bezeichnet) aus Verbrennungsprozessen oder
Früchte erzeugen. In einem anaeroben Reaktor entstehen je ten Abgasregelung (S. 14) beim neuen Gasbrenner konnten flächen zurück. Die Wärme kann beispielsweise zur Vorwär- von heißen Abluftströmen zur Erzeugung von Heißwasser
nach Grundmaterial und Temperatur pro Stunde ca. 20–30 zusätzliche Einsparungen von rund 160.000 kWh erzielt mung von Brauch- oder Kesselspeisewasser genutzt werden. oder Dampf. Dabei wird das heiße Abgas durch ein Rohrbün-
Normkubikmeter (Nm3) Biogas mit einem Heizwert von werden. Die Umsetzung aller Maßnahmen bewirkt eine Bei den Brennwertkesseln liegt die Abgastemperatur deshalb del geführt, in dem es seine Wärme an das im Kesselkörper
ca. 6–7 kWh/Nm3. Durch den Einbau eines neuen Gasbren- jährliche Senkung des Brennstoffverbrauchs um 448.000 deutlich niedriger. Brennwertkessel sind vor allem für Anla- befindliche Wasser überträgt.
ners an einem der beiden Dampfkessel kann statt Erdgas kWh und der Kosten um 19.300 €. Vor allem durch den Weg-
jetzt ein Großteil des anfallenden Biogases für die Dampf- fall des Brennstoffs Erdgas konnten die CO2-Emissionen um
erzeugung genutzt werden, während das Gas vor der Mo- ca. 109 t reduziert werden. Die Kapitalrendite dieser Energie-
dernisierung über eine Fackel verbrannt wurde. Der jähr- sparinvestition beträgt 30 Prozent. Abbildung 5: Querschnitt durch einen Dreizug-Großwasserraumkessel als Beispiel für einen Dampf- bzw.
liche Brennstoffverbrauch wurde um 290.000 kWh und Heißwasserkessel mit Brenner.
Senkung Energieverbrauch 448.000 kWh/Jahr
Prozentuale Energieeinsparung 4,2 %
Abgasverschluss
CO2-Reduzierung* 109 t/Jahr zum Kamin
Flammrohr
Investitionen 65.000 € (1. Zug)
Kostensenkung 19.300 €/Jahr
Kapitalrendite 30 %
* Folgende Äquivalenzwerte liegen nach Gemis für alle Beispiele zugrunde: Brenner
2. Rauchrohrzug
Erdgas 244 g CO2 /kWh.
4.2 Effizienzsteigerung bei Brenner- und zusätzlich der Austrittsimpuls der in der Mündungszone aus-
Kesseltechniken. tretenden Luft- oder Luftgemischströmung so erhöht, dass im
Auch durch den Einbau energieeffizienter Brenner- und Kessel- Feuerraum eine interne Rauch- oder Verbrennungsgasrezirku-
techniken lassen sich Einsparpotenziale bei Wärmeversor- lation erfolgt. Dies hat eine optimierte und vergrößerte Flam-
Der Kesseldruckkörper ist ein liegendes, zylindrisches Rohr, beiderseits mit Böden
3. Rauchrohrzug
gungssystemen erzielen. Mit folgenden Brenner- bzw. Kessel- mengeometrie zur Folge, die für eine bessere Wärmeübertra- verschlossen und rundum isoliert. In diesem Druckkörper befinden sich ein Flamm-
typen kann die Energieeffizienz einer Anlage gesteigert werden: gung an den umgebenden Feuerraum führt und gleichzeitig rohr (1. Zug), welches durch einen Brenner befeuert wird, und eine innenliegende
Wendekammer, welche die Abgase umkehrt und im 2. Zug zurückführt. Auf der
die Flammentemperatur absenkt. Damit wird auch eine deut- Vorderseite des Kessels befindet sich eine außenliegende Wendekammer, welche
Mehrstoffbrennersysteme mit interner Abgasrezirkulation. liche Senkung der Stickoxidemissionen (NOx) bewirkt. In die- die Abgase wieder umlenkt und im 3. Zug zum Kesselende führt.
Bei modernen Mehrstoffbrennersystemen mit interner sen Systemen ist auch der Einsatz von biogenen Brennstoffen
Abgasrezirkulation für Warmwasser- und Dampferzeugungs- möglich. Mithilfe des drehzahlgeregelten Betriebs kann der
anlagen wird das Prinzip luft- und brennstoffgestufter Misch- Stromverbrauch für die Brennermotoren gesenkt werden.
systeme verwendet. Durch Erhöhung des Mischdrucks wird Die folgenden Brenner bzw. Verfahren sind vor allem für Durch die hohe Ausströmgeschwindigkeit der Verbren-
Brennöfen relevant: nungsgase wird bei den Hochgeschwindigkeits- bzw.
Rekuperative und regenerative Brenner sind hoch- Hochimpuls-Brennern eine interne Rückführung der
effiziente Brenner, die die Abgaswärme direkt zur Vorer- Feuerraumgase in den Brennkammern oder Feuerräumen
wärmung der Verbrennungsluft nutzen. Diese beiden und dadurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung
Brenner werden im Kapitel Wärmerückgewinnung (S. 16) gewährleistet, sodass diese Brenner einen besseren Wir-
näher erläutert. kungsgrad als herkömmliche Brenner haben.
Bei der flammenlosen Oxidation (FLOX®) handelt es Gegenüber einem Verbrennungsvorgang mit Luft hat
sich um eine hocheffiziente Brennertechnologie, die die eine Verbrennung mit reinem Sauerstoff bei Brennöfen
Einhaltung strenger NOX-Grenzwerte auch bei hohen einige Vorteile: So sind Verbrennungstemperatur und
Verbrennungsluft-Vorwärmtemperaturen ermöglicht. feuerungstechnischer Wirkungsgrad deutlich höher, da
bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff der Abgas-
volumenstrom reduziert wird und damit auch die Abgas
verluste deutlich geringer ausfallen.
10 EnergieEffizienz lohnt sich. 11
4.3 Optimierung durch Messung, Steuerung Laugenentspanner und Hochdruckkondensatsystem. Regelung des Brenners. Drehzahlregelung bei Pumpenantrieben.
und Regelung (MSR). Die durch das Absalzen entstehende Abwärme in der Kes- Brenner können durch einen modulierenden bzw. drehzahl- Generell ist es sinnvoll, die Drehzahlregelung von Pumpenan-
Kesselfolgesteuerung und Mehrkesselregelung. sellauge kann zum großen Teil durch Entspannen zurück- geregelten Betrieb gezielt in Teillastbereichen gefahren wer- trieben zu prüfen. Bei jeder Pumpengruppe, wie beispielswei-
Mithilfe einer Kesselfolgesteuerung lässt sich bei einer gewonnen und zum Vorwärmen des Speisewassers genutzt den, anstatt die Teillast jeweils durch An- und Abschalten se Kesselspeisepumpen oder Netzumwälzpumpen, muss indi-
Dampf- und Heißwassererzeugung kontinuierlich der exakt werden. Der Anlagenwirkungsgrad kann so um bis zu zwei des Brenners anzusteuern. Da der Feuerungsraum vor jedem viduell betrachtet werden, ob eine Drehzahlregelung sinnvoll
erforderliche Volumenstrom im System transportieren. Da- Prozent gesteigert werden. Zünden gespült werden muss, lassen sich auf diese Weise Still- ist oder nicht. Drehzahlgeregelte Netzumwälzpumpen lohnen
durch muss lediglich die für die Erzeugung erforderliche An- stands- und Anfahrverluste vermindern. Durch den Einsatz sich beispielsweise, wenn im Sommerbetrieb geringere Wasser-
zahl an Kesseln mit angepasster Leistung (drehzahlgeregelt) Entweicht der Entspannungsdampf, der sogenannte Brüden, drehzahlgeregelter Brennermotoren kann bei Lastschwan- massen umgewälzt werden als im Winterbetrieb. Bei Kessel-
betrieben werden. Das Regelsystem reduziert nicht nur Bren- ungenutzt in einem offenen Kondensatsystem, führt dies kungen außerdem ein deutlich niedrigerer Leistungsbereich speisepumpen zur Versorgung eines Dampferzeugers mit
nerlast und Brennstartvorgänge, sondern kann außerdem zu einem Wärmeverlust bei der Dampferzeugung. In der erreicht werden. Dies hat mehrere Vorteile: So werden nicht Speisewasser muss sichergestellt werden, dass die drehzahlge-
Instabilitäten und Störungen sofort kompensieren. Die Heiz- Regel ist es möglich, die Brüden beispielsweise zur Vorwär- nur unnötige Brennerabschaltungen vermieden, sondern regelte Pumpe den notwendigen konstanten Kesseldruck auf-
kessel können dadurch stets im optimalen Lastpunkt und mit mung von Kesselspeise- oder Reinigungswasser zu nutzen. auch Auskühlungen des Kessels durch Vorbelüftung mini- rechterhält. Die Höhe des Einsparpotenzials ist dann abhängig
optimalem Wirkungsgrad betrieben werden. Die geringsten Wärmeverluste treten auf, wenn das Konden- miert. Dadurch können Brennstoffverbrauch und -kosten zwi- davon, wie lange die Anlage in Teillast betrieben wurde.
sat in einem geschlossenen Kreis unter Druck dem Kessel schen zwei und zehn Prozent gesenkt werden. Auch Stromver-
Durch die Installation der Mehrkesselregelung lässt sich die wieder zugeführt wird. Das Hochdruckkondensatsystem brauch und -kosten lassen sich durch die Drehzahlregelung
Effizienz einer Anlage zusätzlich steigern. Hierbei werden bewirkt eine Brennstoffeinsparung von bis zu zwölf Prozent des Gebläses erheblich reduzieren. Bei Brennöfen ist eine
mittels einer hydraulischen Weiche alle Wärmeerzeuger des und verringert zudem die Absalz- und Abschlammverluste modellgestützte Ofenführung für praktisch alle Ofen-
Primärkreises (Erzeugungssystem) von den Verbrauchern im (siehe Kapitel 3.2). typen anwendbar, insbesondere für die weit verbreiteten
Sekundärkreis entkoppelt. Durch die Volumenstromregelung kleinen Wärmeöfen. Die Steuerung basiert hierbei auf
im Primärkreis ist ein hydraulisch optimierter Betrieb der Messungen und der Nutzung von prozessrelevanten empi-
Anlage möglich, der die notwendige Brenner- bzw. Kesselleis- rischen und analytischen Parametern. Die Betriebsführung
tung dem Bedarf im Sekundarkreis anpasst. des Ofens kann dadurch kontinuierlich an die konkreten
Produktionsbedingungen angepasst werden. Einsparpo-
tenzial: bis zu 15 Prozent der Energiekosten eines Ofens.
Abbildung 6: Messung, Steuerung und Regelung (MSR) bei modulierenden Brennern.
Beispiel Teutoburger Mineralbrunnen GmbH & Co. KG.
O2-Sonde
Im Jahr 2007 führte die Teutoburger Mineralbrunnen GmbH Weise verhindert. Allein mithilfe der Drehzahlregelung (S. 13)
& Co. KG eine Analyse ihrer Kesselanlagen zur Dampferzeu- konnten ca. 800.000 kWh bzw. ca. 48.000 € pro Jahr eingespart
gung durch und ließ ein Konzept zur Sanierung der Anla- werden. Darüber hinaus wurden auch Maßnahmen zur Sen-
ge erarbeiten. Vor der Anlagensanierung kam es trotz mo- kung des Bedarfs (S. 7) umgesetzt, wie eine Verbesserung der
O2-Modul
duliertem Betrieb regelmäßig zur Abschaltung der Kessel Isolierung, die Wochenendabsenkung und eine Reduzierung
und damit zu unnötigem Energieverbrauch. Durch Ver- des Dampfdrucks. Weitere Energieeinsparungen wurden
wendung drehzahlgeregelter Brennermotoren wird die durch den Einbau einer O2-Regelung (S. 14) erreicht. Alle Ener-
Motordrehzahl des Brenners nun den tatsächlichen Erfor- gieeffizienzmaßnahmen zusammen bewirken eine jährliche
dernissen angepasst. Bei Lastschwankungen kann die An- Senkung des Energieverbrauchs um ca. 2,4 Mio. kWh und der
lage somit einen deutlich niedrigeren Leistungsbereich an- Energiekosten um 142.700 €. Das Maßnahmenpaket ist mit
Gaszufuhr
steuern. Unnötige Brennerabschaltungen werden auf diese einer Kapitalrendite von 65 Prozent sehr wirtschaftlich.
Mischeinrichtung
Schritt
motoren
Ölzufuhr Senkung Energieverbrauch 2.378.800 kWh/Jahr
Luftzufuhr
Prozentuale Energieeinsparung 26 %
Visualisierung
CO2-Reduzierung* 718 t/Jahr
CAN-Bus Investitionen 219.000 €
Feuerungsmanager Anzeige- und Gebäude
Impuls
Bedien-Einheit leittechnik
Kostensenkung 142.700 €/Jahr
geber
Kapitalrendite 65 %
Frequenz CAN- Bus- * Folgende Äquivalenzwerte liegen nach Gemis für alle Beispiele zugrunde:
umrichter Bus System Heizöl 302 g CO2 /kWh.
12 EnergieEffizienz lohnt sich. 13
4.4 Abgasregelung bei Dampf- und Heißwas- so ein bis zu ein Prozent höherer Wirkungsgrad erzielt wer- 4.5 Energieerzeugungsmanagement bei der programme, bei denen zwischen vor- und nachrangigen
sererzeugung. den. Diese Regelung lässt sich sinnvoll nur bei gasförmigen Wärmeversorgung. Verbrauchern zeitlich differenziert wird. In diesem Fall ist es
Je nach Brennstoff und Alter einer Anlage werden Brenner Brennstoffen anwenden, da bei flüssigen Brennstoffen be- Eine Reihe wichtiger Betriebsdaten kann zur detaillierten möglich, den Wärmeerzeuger etwas leistungsschwächer zu
mit einem Sicherheitsluftüberschuss von fünf bis 20 Prozent reits vor der Messung Ruß entstehen kann, der die Messung Analyse von Brennstoffverbrauch oder Dampf- und Tempe- dimensionieren, als er allein durch die Summe der Bedarfe
betrieben. Wird dem Brennvorgang jedoch mehr Luft als beeinflusst. Im Betrieb wird die Luftmenge so weit reduziert, raturverläufen einer Anlage genutzt werden. Auf der Basis ermittelt wurde. Bei modernen Brennern werden sämtliche
nötig zugeführt, so nimmt der in der Luft enthaltene Sauer- bis die Sonde im Abgas enthaltene unverbrannte Brennstoff- dieser ermittelten Daten kann ein Energieerzeugungs- Funktionen von leistungsfähigen Mikroprozessoren gesteuert
stoff nicht mehr an der Verbrennung teil – die Luft wird mit Bestandteile im Abgas detektiert. Dann wird die Luftmenge management entwickelt werden, das durch die bedarfsge- und überwacht. Dieses digitale Feuerungsmanagement
aufgeheizt, sodass Wärmeverluste entstehen. Diese lassen wieder erhöht, bis keine unverbrannten Bestandteile mehr im rechte Anpassung Energieverbrauch und -kosten von Wär- bietet auch die Möglichkeit, über einen integrierten BUS-
sich durch eine O2-Regelung reduzieren, die kontinuier- Abgas nachgewiesen werden können. meversorgungssystemen senken kann. Eine mögliche An- Anschluss mit an-deren Systemen, z. B. Gebäudeleittechnik
lich den O2-Anteil im Abgas des Kessels misst und die Luft- wendung sind verbrauchsgesteuerte Aufheiz- und Anfahr- (GLT)-Systemen, zu kommunizieren.
zufuhr entsprechend regelt. Der Wirkungsgrad kann auf Durch Überwachung und Regelung weiterer Verbrennungs-
diese Weise um bis zu drei Prozent verbessert werden. Auch parameter wie Abgastemperatur, Rußziffer oder Feuerraum-
können dadurch die Auswirkungen ausgeglichen werden, druck und die Installation automatischer Abgas- oder Ver- Beispiel Albertinen-Krankenhaus Hamburg.
die entstehen, wenn der Kessel an Orten mit großen Tempe- brennungsklappen lässt sich der Energieverbrauch zusätz-
raturschwankungen zwischen Sommer und Winter sowie lich senken. Letztere verhindern das Auskühlen des Kessels Im Rahmen der umfangreichen Neu- und Ausbaumaß- eliminiert und die V erbrennung optimiert, d. h. eine Ver-
bei unterschiedlichen geodätischen Höhen aufgestellt wird. bei regelmäßigen längeren Stillständen des Kessels (z. B. an nahmen wurde im Albertinen-Krankenhaus Hamburg brennung mit einem optimierten Verhältnis von zuge-
Mit einer CO-Regelung kann der Restsauerstoffgehalt noch- Wochenenden). im Jahr 2010 auch die Heiz- und Lüftungsanlage der Klinik führter und benötigter Luft (Verbrennungsluftverhältnis)
mals auf Werte unter einem Volumenprozent gesenkt und auf den aktuellen Stand der Technik gebracht. Ein Kes- ist möglich, und der Luftüberschuss wird minimiert. Diese
sel wurde mit einem Low-NOX-Zweistoffbrenner für den Brennereinstellung und die Verbrennungsluftvorwärmung
Betrieb mit Heizöl und Erdgas ausgestattet. Die beiden an- (S. 18) reduzieren den Verlust durch die mit dem Abgas ab-
deren Kessel wurden modernisiert und mit der neusten geführte Energie: So kann ein feuerungstechnischer
Abbildung 7: Verbesserung des feuerungstechnischen Wirkungsgrads. Gasbrenner-Generation ausgerüstet, die z. B. strömungs- Wirkungsgrad im unteren und mittleren Leis- tungsbe-
technisch optimiert ist. Die erzeugte Wärmemenge wird reich von 97 Prozent erreicht werden. Mithilfe dieses um-
an den tatsächlichen Bedarf angepasst, indem sowohl die fangreichen Maßnahmenpakets sinkt der jährliche Energie-
98 Brenner (modulierender Betrieb, S. 13) als auch die G
ebläse verbrauch um insgesamt mehr als 19 Mio. kWh, und rund
(Drehzahlregelung, S. 13) energieoptimiert betrieben wer- 337.000 € Kosten werden pro Jahr eingespart. Die Kapital-
den. Durch den Einsatz einer O2-Regelung (S. 14) wird der rendite der Energiesparinvestition ist mit 69 Prozent hoch.
96 Einfluss von Störgrößen wie Witterung oder Hysterese
94 Senkung Energieverbrauch 19.150.000 kWh/Jahr
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad [%]
O2-Gehalt [%] Prozentuale Energieeinsparung 24 %
92 CO2-Reduzierung* 4.673 t/Jahr
0
Investitionen 490.000 €
90 Kostensenkung 337.000 €/Jahr
Kapitalrendite 69 %
5
88
* Folgende Äquivalenzwerte liegen nach Gemis für alle Beispiele zugrunde:
Erdgas 244 g CO2 /kWh.
86
110 130 150 170 190 210
Abgastemperatur – Zulufttemperatur [° C]
14 EnergieEffizienz lohnt sich. 15
5. Wärmerückgewinnung.
Die Abwärme aus der Wärmeerzeugung und -nutzung Um Verluste durch Transport und Speicherung zu minimieren, Economiser und Brennwertwärmeübertrager. Wasserdampfs genutzt werden kann (siehe Brennwerttechnik).
kann mithilfe von Maßnahmen zur Wärmerückgewin- empfiehlt es sich, Wärmepotenziale stets ortsnah und mög- Bei einem Economiser handelt es sich um einen Abgas-Wärme- In einem nachgeschalteten Brennwertwärmeübertrager (siehe
nung genutzt werden. Aus den Abgasen von Dampfkes- lichst direkt weiterzunutzen. Ist dies nicht möglich, muss die übertrager, der das Kesselabgas zur Erwärmung von Kessel- Abbildung 8) kann die Abgaswärme jedoch weiter ausgenutzt
seln und Öfen können beispielsweise erhebliche Abwär- Verwendung von Speichertechnologien geprüft werden, um speise-, Heizungs- oder Brauchwasser nutzen kann. Wird dem werden, um das kalte Zusatzwasser aus der chemischen Wasser-
memengen zur weiteren Verwendung zurückgewonnen die anfallende Abwärme zwischenzeitlich zu speichern. Dabei Economiser ein Brennwertwärmeübertrager (auch Abgas- aufbereitung (etwa 10–12 °C) vorzuwärmen, bevor es in den Ent-
werden. ist es wichtig, dass alle Leitungen eine gute Wärmedämmung kondensator genannt) nachgeschaltet, können die Abgase gaser geleitet wird. Eine Wärmerückgewinnung mittels Econo-
erhalten. unter die Kondensationstemperatur von Wasser abgesenkt miser und Brennwertwärmeübertrager kann eine Wirkungs-
5.1 Funktionsweise der Wärmerückgewinnung. werden, sodass auch die Kondensationswärme des enthaltenen gradsteigerung zwischen fünf und zwölf Prozent bewirken.
Durch Wärmeübertrager kann Abwärme direkt oder indi- Steht das geringe Temperaturniveau der Abwärme einer
rekt (über ein Zwischenmedium) auf einen anderen Prozess direkten Wärmerückgewinnung entgegen, kann eine Wär-
übertragen werden, solange die Temperatur der (Ab-)Wärme- mepumpe eine sinnvolle Lösung darstellen. Wärmepum-
quelle über der Verbrauchertemperatur liegt. Grundsätzlich pen (siehe Kapitel 6) sind in der Lage, Wärme von einem nied- Abbildung 8: Schaltbild einer Hochdruck-Dampfkesselanlage mit zwei Abgas-Wärmeübertragerstufen
ist eine Wärmerückgewinnung daher umso lohnender, je hö- rigen auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben. (Economiser/Brennwertwärmeübertrager).
her die Temperatur der zur Verfügung stehenden Abwärme ist.
Beispiel Textilveredlung an der Wiese GmbH.
Im Jahr 2007 hat die Textilveredlung an der Wiese GmbH Abgastemperatur von lediglich 130 °C erreicht (vormals 230 °C).
einen Dampferzeuger in der Textilveredlung e nergetisch Die Abgasverluste lassen sich durch d
iese Maßnahme bei Mi-
Speisepumpenmodule
modernisiert. Nachdem die Energieeffizienz der Wärme- nimallast um 20 Prozent, bei Volllast um rund 45 Prozent
erzeugung bereits durch Implementierung einer O2- Rege- reduzieren. Durch die Nachrüstung des Dampfkessels mit
lungerhöht wurde, konnte der Systemwirkungsgrad durch einem Economiser konnte der Jahresbrennstoffverbrauch um
Wasserservicemodul
den Einbau eines Economisers noch einmal deutlich ge- drei Prozent gesenkt werden. Dadurch lassen sich 850.000 kWh
steigert werden. Im optimierten Betrieb mit Speisewasser- Energie und 34.000 € Betriebskosten pro Jahr bei einer hohen Abgas-
vorwärmung durch den Economiser wird nunmehr eine Kapitalrendite von 44 Prozent einsparen. kondensator
Dampf
Senkung Energieverbrauch 850.000 kWh/Jahr
Prozentuale Energieeinsparung 3%
CO2-Reduzierung* 207 t/Jahr Pumpen-
Economiser module
Investitionen 78.000 €
Kostensenkung 34.000 €/Jahr
Kapitalrendite 44 %
Dampfkessel Zusatzwasser
* Folgende Äquivalenzwerte liegen nach Gemis für alle Beispiele zugrunde:
Erdgas 244 g CO2 /kWh.
Brennwerttechnik. Die Brennwerttechnik wird vor allem bei Warmwasserkesseln
Der „Brennwert eines Energieträgers“ beinhaltet nicht nur verwendet. Für Hochdruck-Heißwassererzeuger ist die Abgas-
5.2 Abgas-Wärmerückgewinnung. und überträgt sie an einen Wärmeträger wie Wasser oder Luft. die bei der Verbrennung freigesetzte thermische Energie, kondensation hingegen nur anwendbar, wenn ein Niedertem-
Abgas-Wärmerückgewinnung kann die Energieeffizienz von Dadurch kann die Wärme dem Prozess an anderer Stelle wieder sondern auch die durch Kondensation des im Abgas ent- peraturkreislauf zur Verfügung steht.
Feuerungsanlagen, die prozessbedingt mit hohen Abgastem- zugeführt werden. Eine Wärmeübertragung findet so lange haltenen Wasserdampfs frei werdende Energie, die Kon-
peraturen betrieben werden und hohe Laufzeiten aufweisen, statt, wie die Temperatur der (Ab-)Wärmequelle über der densationswärme. In der Industrie wird bei Kesselanlagen Bei der Wahl der geeigneten Brennstoffe bietet Erdgas
deutlich steigern. Ihre Anwendung empfiehlt sich daher Temperatur des Verbrauchers liegt. Nutzen lässt sich die Ab- meist nur die fühlbare Wärme der Abgase (> 100 °C) genutzt. das höchste Nutzungspotenzial für die Brennwerttechnik.
besonders bei Dampf- und Heißwassererzeugern, Öfen, wärme z. B. für die Vorwärmung von Verbrennungsluft, zur Die Kondensationswärme, die bei der weiteren Abkühlung Erdgas zeichnet sich im Gegensatz zu allen anderen Brenn-
Trocknern oder Gasturbinen. In diesem Verfahren entzieht Brauchwasser- oder Prozesswassererwärmung oder zur Wär- der Abgase unter die Kondensationstemperatur des enthal- stoffen nicht nur durch den höchsten Wasserdampfgehalt
ein Abgaswärmeübertrager dem Abgas einen Teil der Wärme meeinspeisung in den Heizungsrücklauf. tenen Wasserdampfs anfällt, geht in der Regel als Abgas- im Abgas und den höchsten Abgastaupunkt aus, sondern
verlust über den Kamin verloren. Die Nutzung der Konden- auch durch nahezu ruß- und schwefelfreie Abgase. Aber
sationswärme ist bei Neuanlagen in der Regel problemlos auch für den Brennstoff Heizöl kann die Brennwerttechnik
möglich, da korrosionsbeständige Werkstoffe in Wärmeüber- empfohlen werden, da das heute angebotene schwefelarme
trägern sowie feuchteunempfindliche Abgassysteme und Heizöl einen störungsfreien und effektiven Kesselbetrieb er-
Kamine dies ohne Schäden am Material ermöglichen. möglicht.
16 EnergieEffizienz lohnt sich. 176. Energieeffiziente Umwandlungs- und
Erzeugungstechnologien.
Beispiel Westfalenhallen. Im letzten wichtigen Schritt folgt die Auswahl von pas- Grundsätzlich empfiehlt es sich aus wirtschaftlicher und an-
senden Umwandlungs- und Erzeugungstechnologien, lagentechnischer Sicht, KWK-Anlagen als Grundlastversor-
Im Zuge der Modernisierung wurde 2008 die alte Heiz- sierung von 83 Prozent auf 92 Prozent gesteigert werden. die den Energieverbrauch noch weiter senken. gungssysteme zu konzipieren.
zentrale des Veranstaltungszentrums Westfalenhallen Das intelligente Zusammenspiel des neuen Heizsystems
in Dortmund durch ein neues Heizsystem ersetzt, das mit einer modernen Gebäudeleittechnik und insgesamt 6.1 Kraft-Wärme-Kopplung. Anlagen zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) können
einen Gas-Brennwertkessel (970 kW) sowie drei Stahl- 40 über das Gelände verteilten Wärmezählern erlaubt zu- Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bezeichnet die Erzeugung die Schwankungen des Heizwärmebedarfs im Jahresverlauf
kessel in unterschiedlichen Leistungsgrößen (1.900, 3.050 dem eine flexible und bedarfsbezogene Wärmeversorgung. von Strom bei gleichzeitiger Nutzung der dabei anfallen- kompensieren, wenn sie die überschüssige Wärme im Som-
und 5.200 kW) umfasst. Durch die Leistungsabstufung Mithilfe des Brennwertkessels und der bedarfsgerechten den Wärme. Bis zu 90 Prozent des Energiegehalts von Brenn- mer für die Erzeugung von Kälte (z. B. zur Gebäudeklimatisie-
der eingesetzten Kessel kommt der energieeffiziente Steuerung konnte der Jahresbrennstoffverbrauch um zwei stoffen können auf diese Weise genutzt werden. Die bei der rung) nutzen. Eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung kann durch
Gas-Brennwertkessel als Führungskessel auf sehr lange Mio. kWh gesenkt werden, sodass der Betreiber Energie- Erzeugung von Strom entstehende Abwärme kann als Pro- die Kombination einer beliebigen KWK-Technologie mit einer
Laufzeiten, während die drei nachgeschalteten Kessel kosten in Höhe von 100.000 € pro Jahr einsparen kann. Die zesswärme, zur Raumheizung oder zur Wassererwärmung thermischen Kältemaschine – meist eine Ab- oder Adsorp-
bedarfsangepasst betrieben werden. Der Wirkungsgrad Kapitalrendite der Energiesparinvestition liegt bei 20 Prozent. genutzt werden. Voraussetzung für den wirtschaftlichen tionskältemaschine – erreicht werden. Durch die zusätzliche
des kompletten Heizsystems konnte durch die Moderni- Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist ein ganz- Kälteerzeugung können dann der KWK-Grundlastanteil sowie
jähriger Wärmebedarf, der eine hohe Laufzeit von mindes- die Jahresarbeitsstunden gesteigert werden, was sich positiv
tens 5.000 Betriebsstunden pro Jahr ermöglicht. auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage auswirkt.
Senkung Energieverbrauch 2.000.000 kWh/Jahr
Prozentuale Energieeinsparung 11 %
Beispiel Rittal International GmbH & Co. KG.
CO2-Reduzierung* 488 t/Jahr
Investitionen 500.000 € Bei der Rittal International GmbH & Co. KG wird im Werk selregelung (S. 12) am Standort umgesetzt. Im Zuge dessen
Rittershausen ein mit Bioöl betriebenes BHKW mit einer wurden auch die Primär- und Sekundärkreispumpen gegen
Kostensenkung 100.000 €/Jahr Leistung von 420 kW für die Wärmegrundlast des Werkes drehzahlgeregelte Pumpen (S. 13) ausgetauscht. Die für die
Kapitalrendite 20 % betrieben. Außerdem stehen zwei katalytische Abgasrei- Mehrkesselregelung erforderliche Volumenstrommessung
nigungsanlagen (KNV) aus der Produktion als Wärmelie- wurde im Primärkreis (Heizungssystem) eingesetzt, der
* Folgende Äquivalenzwerte liegen nach Gemis für alle Beispiele zugrunde:
feranten zur Verfügung. Hauptwärmeabnehmer ist die Sekundärkreis (Sekundärverbraucher) wurde durch eine
Erdgas 244 g CO2 /kWh. Lackieranlage, deren Vorbehandlungsbecken sowohl im hydraulische Weiche (S. 12) entkoppelt. Alle Energieeffizienz-
Sommer als auch im Winter auf konstanter Temperatur maßnahmen zusammen bewirken eine Senkung des Ener-
gehalten werden müssen. Im Winter kommt die Gebäu- gieverbrauchs um ca. 1,3 Mio. kWh und der Energiekosten
deheizung als größter Energieverbraucher dazu. Um die um ca. 270.000 € pro Jahr. Das Maßnahmenpaket ist mit
Luftvorwärmung. Beim Regenerativbrenner kommen zwei Brenner alternie- Anlage zu optimieren, wurde im Jahr 2007 eine Mehrkes- einer Kapitalrendite von 44 Prozent sehr wirtschaftlich.
Ein Luftvorwärmer (LUVO) wärmt die Verbrennungsluft mit- rend zum Einsatz. Während der erste Brenner in Betrieb ist,
hilfe des heißen Abgases vor. Die Wärmerückgewinnung mit- wird das heiße Abgas durch den zweiten Brenner abgesaugt
tels LUVO kann den feuerungstechnischen Wirkungsgrad und über ein Wärmespeichermedium geführt. Das Abgas gibt Senkung Gasverbrauch 8.056.000 kWh/Jahr
um fünf Prozent erhöhen. Die Vorwärmung der Verbrennungs- dabei etwa 85 bis 90 Prozent der Wärme an den Regenerator
Bioölverbrauch für Wärme 6.720.000 kWh/Jahr
luft kann auch mithilfe von Abwärme aus Drucklufterzeu- ab. Nach einer bestimmten Brenndauer schaltet das System
gungsanlagen oder aus dem Kesselhaus erfolgen. auf den zweiten Brenner. Die Verbrennungsluft strömt dabei Absolute Energieeinsparung 1.336.000 kWh/Jahr
über den Regenerator und wird auf eine Temperatur aufge-
Prozentuale Energieeinsparung 9%
Rekuperatorbrenner und Regenerativbrenner bei heizt, die 100 bis 150 °C unter der Brennraumtemperatur liegt.
Brennöfen. Bei einem Einsatz im Temperaturbereich von 800 bis 1.500 °C CO2-Reduzierung* 1.095 t/Jahr
Beim Rekuperatorbrenner wird ein Wärmeübertrager ermöglicht diese Technologie Brennstoffeinsparungen von Investitionen 620.000 €
eingesetzt, um die Verbrennungsluft mithilfe des heißen bis zu 60 Prozent gegenüber Brennern ohne Wärmerückge-
Kostensenkung 270.670 €/Jahr
Abgases auf eine Temperatur von 550 bis 600 °C vorzuwär- winnung.
men. Brenner und Luftvorwärmer werden zu einer Bauein- Kapitalrendite 44 %
heit zusammengefasst.
* Folgende Äquivalenzwerte liegen nach Gemis für alle Beispiele zugrunde:
Erdgas 244 g CO2 /kWh, Rapsöl 129,6 g CO2 /kWh (BioSt-NachV).
18 EnergieEffizienz lohnt sich. 197. Partner für mehr Energieeffizienz
in Industrie und Gewerbe.
Die Initiative EnergieEffizienz der Deutschen Energie-Agentur Diese Broschüre wurde gemeinsam von der Initiative
GmbH (dena) ist eine bundesweite Informations- und Moti- EnergieEffizienz der Deutschen Energie-Agentur GmbH
vationskampagne für effiziente Stromnutzung in allen Ver- (dena) und dem Bundesindustrieverband Deutschland
brauchssektoren. Haus-, Energie- und Umwelttechnik e. V. (BDH) mit Unter-
stützung durch die Interessengemeinschaft Energie
Mit zielgruppenspezifischen Angeboten werden Endver- Umwelt Feuerungen GmbH (IG) erarbeitet.
braucher in privaten Haushalten, in Industrie und Gewerbe
sowie im Dienstleistungssektor und in öffentlichen Einrich- Der Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie-
tungen über die Möglichkeiten des effizienten Stromein- und Umwelttechnik e. V. (BDH)/Interessengemeinschaft
satzes informiert und zum energieeffizienten Handeln moti- Energie Umwelt Feuerungen GmbH (IG) vertritt die wirt-
viert. Die Kampagne wird gefördert durch das Bundesminis- schaftlichen, technischen und politischen Interessen seiner
terium für Wirtschaft und Technologie (BMWi). Mitglieder gegenüber Politik, Verwaltung und Öffentlich-
6.2 Wärmepumpen. Ein guter Parameter zur Messung des Wirkungsgrads einer keit. Die im BDH organisierten Unternehmen stellen inno-
Eine Wärmepumpe bringt Wärmeströme (aus Boden, Was- elektrischen Wärmepumpenanlage ist die Jahresarbeitszahl. Die Initiative EnergieEffizienz bietet für Unternehmen auch vative energieeffiziente Systeme der Versorgungstechnik
ser oder Luft) mit relativ niedriger Temperatur auf eine höhere Sie bezeichnet über ein Jahr hinweg das Verhältnis zwischen zu zahlreichen weiteren Themen – von Energiemanagement auf Basis von Gas, Öl, Strom und besonders erneuerbaren
Temperatur. Dadurch lässt sich Umweltwärme oder Abwär- abgegebener Wärmemenge (Heizwärme) und zugeführter bis Finanzierung – Informationen und praxisnahe Unterstüt- Energien mit dem Schwerpunkt Wärmeerzeugung für die
me zur Beheizung nutzen. Energie (Antriebsenergie). Dabei fließen die unterschiedlichen zung, um Strom effizienter zu nutzen und Kosten einzuspa- Bereiche Haushalt, kommerzieller Gebäudebereich und
Betriebszustände und damit die vielen unterschiedlichen ren. Näheres zu den Angeboten unter: Industrie her.
Für die Gebäudeheizung bei privaten Haushalten sowie Indus- guten und schlechten Leistungszahlen über das Jahr hin- www.industrie-energieeffizienz.de www.bdh-koeln.de
trie und Gewerbe kommen Niedertemperaturwärmepumpen weg ein. Damit die Energiebilanz einer elektrischen Wärme-
zum Einsatz, die Wärme aus Luft, Grundwasser oder Erdboden pumpe positiv wird, sollte die Jahresarbeitszahl für elektrische
nutzen können, um Temperaturen bis maximal 65 °C zur Ver- Wärmepumpen mindestens einen Wert von 3,0 erreichen, Herausgeber. Redaktion.
fügung zu stellen. Hochtemperaturwärmepumpen bieten die da die Stromerzeugung in Deutschland mit einem hohem Pri- Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)
Möglichkeit, nicht nutzbare industrielle Abwärme auf ein hö- märenergieverbrauch verbunden ist. Energiesysteme und Energiedienstleistungen
herwertiges Temperaturniveau zu heben, sodass sie für Raum- Chausseestraße 128 a
heizung, die Bereitstellung von Prozesswasser oder Dampf bis 6.3 Solarthermie. 10115 Berlin Druck: trigger.medien gmbh, Berlin
hin zu Trocknungs- und Destillationsanwendungen genutzt Thermische Solaranlagen bieten sich in Deutschland vor Tel.: + 49(0) 30 72 61 65-677 Stand: Dezember 2011
werden können. Hochtemperatursysteme, die auf Basis von allem dafür an, Prozesswärme auf einem Temperaturniveau Fax: + 49(0) 30 72 61 65-699 Layout: Müller Möller Bruss Werbeagentur GmbH, Berlin
Kaltdampfkompressionsprozessen arbeiten, können nach bis zu maximal ca. 120 °C bereitzustellen. Solarthermie sollte E-Mail: info@industrie-energieeffizienz.de
dem derzeitigen Stand der am Markt verfügbaren Technik immer bei der geringstmöglichen Temperatur an das beste- info@dena.de Alle Rechte sind vorbehalten. Die Nutzung steht unter dem
Temperaturen von 80 °C bis maximal 95 °C erreichen. Einige hende Wärmeversorgungssystem angeschlossen werden, Internet: www.industrie-energieeffizienz.de Zustimmungsvorbehalt der dena.
Hersteller bieten zwar ein zweistufiges System an, mit dem da der Wirkungsgrad bei allen Kollektortechnologien mit www.dena.de
auch Dampf bei höheren Temperaturen erzeugt werden kann, zunehmender Temperatur abnimmt. Eine Kopplung der So-
jedoch reduziert diese zusätzliche Wärmepumpenstufe den larthermie direkt an den Prozess ist geeignet für: Reinigen,
Gesamtwirkungsgrad. Mithilfe einer Industriewärmepumpe Trocknen, Verdampfen und Destillieren, Bleichen, Pasteuri- Mit freundlicher Unterstützung des Bundesindustriever-
lassen sich bis zu 80 Prozent der Energiekosten einsparen. sieren, Sterilisieren, Kochen, Lackieren, Entfetten und Küh- bands Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik
len sowie die Bereitstellung von Raumwärme. e. V. (BDH) und der Interessengemeinschaft Energie
Bei offenen oder semi-offenen Wärmepumpensystemen Umwelt Feuerungen GmbH (IG)
(thermische und mechanische Brüdenverdichter) kann Pro- 6.4 Wärmespeicher.
zessdampf direkt als Arbeitsmedium verwendet und auf ein Mithilfe von Speichertechnologien lässt sich die Spitzenlast
höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht werden. verringern und der Anteil der Grundlast erhöhen. Bei Pro- Bildnachweis.
Diese Wärmepumpen können bei Quelltemperaturen von zessen mit ausgeprägten zeitlichen Lastspitzen können Ver- Seite 1 und 6: © Viessmann Werke GmbH & Co. KG Zertifikatsnummer:
142-10794-1111-1005
70 bis 80 °C Prozessdampf bzw. Prozesswärme mit einem sorgungssysteme und Systemkomponenten für ein mittleres Seite 7, 8/9, 11 und 17: © Bosch Industriekessel GmbH www.climatepartner.com
Temperaturniveau von bis zu 200 °C erzeugen. Leistungsniveau dimensioniert werden. Der Speicher wird in sowie Bosch Thermotechnik GmbH
Phasen mit hohem Leistungsbedarf entladen, während bei Seite 10: © Walter Dreizler GmbH
Unterschreitung der durchschnittlichen Leistung Energie Seite 12, 13, 14, 19 und 20: © Max Weishaupt GmbH
zwischengespeichert wird. Seite 15: © ELCO GmbH
Seite 16: © SAAKE GmbH
Seite 18: © Westfalenhallen Dortmund GmbH
20 EnergieEffizienz lohnt sich. 21Sie können auch lesen
