INDUSTRIELLER ABWÄRMENUTZUNG
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
PERSPEKTIVEN
I N D U S T R I E L L E R A B WÄ R M E N U T Z U N G
BMUB-Fachtagung “Klimaschutz durch Abwärmenutzung”
Dr. Simon Hirzel – Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung
Berlin, 4. März 2015
Abwärmenutzung
Prozess 1
Abwärme
Nicht nutzbare
Prozess 2
Nutzenergie 1 Abwärme 2
Nicht nutzbare
Abwärme 1
Nutzenergie 2
© Fraunhofer ISIL e i t f r a g e n d e s Vo r t r a g s 1. Warum überhaupt das Thema Abwärmenutzung in der Industrie? 2. Wo liegen Unterschiede zwischen Industrieunternehmen hinsichtlich des Themas? 3. Welche Potenziale für Energieeinsparungen gibt durch die Abwärmenutzung? 4. Was sind Beispiele für die industrielle Abwärmenutzung? 5. Welche Vor- und Nachteile hat die Abwärmenutzung und was ist zu beachten? 6. Welche Themen sind beim Voranbringen des Themas zu berücksichtigen? © Fraunhofer ISI Seite 2
Energieflüsse in Deutschland 2013
Nicht-energetischer Verbrauch in den
Verbrauch Energiesektoren
Export und Umwandlungs-
Bunkerung verluste
Gewerbe, Handel,
1 935 944 2 998 524 1 413 Dienstleistungen
Import 2 603 Haushalte
11 697
13 828
9 268
Gewinnung 2 612 Verkehr
4 038
im Inland
Bestands- 28 Primärenergie- Endenergie-
bedarf bedarf 2 640 Industrie
entnahme 94
Statistische Differenzen
Quelle: AGEB (2014); Einheit: PJ; vorläufige Zahlen.
© Fraunhofer ISI
Seite 3E n d e n e r g i e v e r b r a u c h n a c h S e k t o re n i n
Deutschland 2012
Gesamt
Gesamt Industrie Dienstleistungen Haushalte
Industrie Dienstleistungen
Raumwärme
Warmwasser
Sonstige Prozesswärme
Kälteanwendungen
Mechanische Energie
IKT
Beleuchtung
Haushalte Verkehr
Raumwärme
Warmwasser
Raumwärme Sonstige Prozesswärme
Warmwasser Kälteanwendungen
Sonstige Prozesswärme Mechanische Energie
Kälteanwendungen IKT
Mechanische Energie Beleuchtung
KT
Beleuchtung Haushalte Verkehr
Quelle: AGEB (2013).
© Fraunhofer ISI
Seite 4L e i t f r a g e n d e s Vo r t r a g s 1. Warum überhaupt das Thema Abwärmenutzung in der Industrie? 2. Wo liegen Unterschiede zwischen Industrieunternehmen hinsichtlich des Themas? 3. Welche Potenziale für Energieeinsparungen gibt durch die Abwärmenutzung? 4. Was sind Beispiele für die industrielle Abwärmenutzung? 5. Welche Vor- und Nachteile hat die Abwärmenutzung und was ist zu beachten? 6. Welche Themen sind beim Voranbringen des Themas zu berücksichtigen? © Fraunhofer ISI Seite 5
Wä r m e b e d a r f n a c h Te m p e r a t u r n i v e a u s u n d
Industriebranchen
Erzeugung von Roheisen
Glas & Keramik, Steine, Erden Raumwärme
Verlags-, Druckgewerbe
Brauchwasser
Gummi & Kunststoff
bis 100°C
Papiergewerbe
Herstellung von Metallerzeugnissen 100-500°C
Chemische Industrie
500-1000°C
Maschinenbau, Fahrzeuge, Sonstige
über 1000°C
Ernährung & Tabak
Leder, Textil & Bekleidung
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Quelle: Angaben für Deutschland (2001) zitiert nach Pehnt et al. (2010).
© Fraunhofer ISI
Seite 6Ve r s c h i e d e n a r t i g k e i t d e r B r a n c h e n m i t B l i c k
auf den Energiebedarf
90
Fahrzeugbau
80 Energieintensität größer als 10 MJ/Euro
Energieintensität kleiner als 10 MJ/Euro
Bruttowertschöpfung [Mrd. € 2000]
70 Maschinenbau
Fläche der Kreise = Energieintensität
60
ro
50 J /Eu ro
Metallverarbeitung 0 M J/Eu
1
Gewinnung
v. Steinen
Ernährung
30 und Erden Grundstoffchemie
Sonstige Chemie
Gummi- und Kunststoffwaren
20 Metallerzeugung
Glas u. NE-
Keramik Metalle Papier
10
Verarbeitung v. Steinen und Erden
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Endenergieverbrauch [PJ]
Quelle: Fleiter et al. (2013).
© Fraunhofer ISI
Seite 7Te c h n o l o g i s c h e Ve r w e r t u n g s m ö g l i c h k e i t e n
für Abwärme
Wärme-
bereitstellung
Wärmetauscher
Wärmespeicher
Wärmepumpen
Dampf Abwärme-
nutzung
ORC Thermoelektrik
Adsorptionskälte
Piezoelektrik
Absorptionskälte
Thermophotovoltaik
Strom- Kälte-
bereitstellung bereitstellung
Kalina Stirling Thermomechanik
Mechanische
Umwandlung
Quelle: Hirzel et al. (2013).
© Fraunhofer ISI
Seite 8Ve r s t ro m u n g v o n A b w ä r m e :
T h e r m o d y n a m i s c h e G re n z e n
100%
Maximal erreichbarer Wirkungsgrad [%]
90%
Maximal erreichbarer Wirkungsgrad bei
80% einer Temperatur der Wärmesenke von …
70%
60%
50%
40%
30% … 20 °C
… 120 °C
20%
… 300 °C
10%
0%
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperatur des Abwärmestroms [°C]
Quelle: Hirzel et al. (2013).
© Fraunhofer ISI
Seite 9L e i t f r a g e n d e s Vo r t r a g s 1. Warum überhaupt das Thema Abwärmenutzung in der Industrie? 2. Wo liegen Unterschiede zwischen Industrieunternehmen hinsichtlich des Themas? 3. Welche Potenziale für Energieeinsparungen gibt durch die Abwärmenutzung? 4. Was sind Beispiele für die industrielle Abwärmenutzung? 5. Welche Vor- und Nachteile hat die Abwärmenutzung und was ist zu beachten? 6. Welche Themen sind beim Voranbringen des Themas zu berücksichtigen? © Fraunhofer ISI Seite 10
Abwärmepotenzial Industrie für Deutschland
Anteil Abwärme Abwärmemenge
Branche Energiebedarf [TJ]
über 140 °C über 140 °C [TJ]
Metallerzeugung 561.846 30 % 168.554
Grundstoffchemie 460.104 8% 36.808
Papiergewerbe 242.634
Verarbeitung v. Steine u. Erden 221.802 40 % 88.721
Ernährung und Tabak 204.328
Sonstige Wirtschaftszweige 215.970
Glas u. Keramik 92.501 3% 2.775
Metallbearbeitung 114.476 3% 3.434
NE-Metalle, -gießereien 133.674 3% 4.010
Fahrzeugbau 131.117 3% 3.993
Sonstige chemische Industrie 91.138 3% 2.734
Maschinenbau 84.435 3% 2.533
Gummi- u. Kunststoffwaren 81.298 3% 2.439
Gewinnung St. u. E., s. Bergbau 17.777
2.653.101 316.001
Quelle: Angaben für Deutschland zitiert nach Pehnt et al. (2010).
© Fraunhofer ISI
Seite 11Potenziale verschiedener
E n e r g i e e ff i z i e n z t e c h n o l o g i e n
Einsatz von Hocheffizienzpumpen 2% 8% 90%
Kraft-Wärme(-Kälte)-Kopplung 4% 11% 85%
Steuerungskonzept zur Abschaltung
6% 22% 73%
von Maschinen in Schwachlastzeiten
Rückgewinnung von Bewegungs- und
9% 23% 68%
Prozessenergie
Elektromotoren mit Drehzahlregelung 13% 35% 52%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Potenzial ausgeschöpft Nutzungspotenzial nicht ausgeschöpft Technologie nicht genutzt
Quelle: Schröter et al. (2009).
© Fraunhofer ISI
Seite 12M a ß n a h m e n v o r s c h l ä g e d u rc h E n e r g i e b e r a t e r
i n P ro g r a m m „ E n e r g i e b e r a t u n g M i t t e l s t a n d “
80%
Häufigkeit der Maßnahmenvorschläge
0
70% 75%
durch Energieberater für KMU
60% 66%
50%
40%
38%
30% 35% 34%
32% 31%
20% 27% 25%
24% 23% 23% 22%
10%
12% 9% 6%
0%
Quelle: Mai et al. (2014).
© Fraunhofer ISI
Seite 13L e i t f r a g e n d e s Vo r t r a g s 1. Warum überhaupt das Thema Abwärmenutzung in der Industrie? 2. Wo liegen Unterschiede zwischen Industrieunternehmen hinsichtlich des Themas? 3. Welche Potenziale für Energieeinsparungen gibt durch die Abwärmenutzung? 4. Was sind Beispiele für die industrielle Abwärmenutzung? 5. Welche Vor- und Nachteile hat die Abwärmenutzung und was ist zu beachten? 6. Welche Themen sind beim Voranbringen des Themas zu berücksichtigen? © Fraunhofer ISI Seite 14
A n s a t z p u n k t : P ro z e s s t e c h n o l o g i e n d e r
Eisen- und Stahlindustrie
Abwärmenutzung
Querschnittsanwendungen Prozessanwendungen
Abwärmestrom Medium Temperaturniveau
Kokereigas Gas 650 – 980 °C
Abgase des Kokereigasverbrennung Abgas 200 °C
Abgase der Sinteranlage Abgas 200 – 300 °C
Abgase der Winderhitzer ohne Wärmerückgewinnung Abgas 250 °C
Abgase der Winderhitzer bei Wärmerückgewinnung Abgas 130 °C
Gichtgas Gas 200 °C
Konvertergas Gas 1.700 °C
Abgase des Elektrolichtbogenofens ohne Schrottvorwärmung Abgas 1.200 °C
Abgase des Elektrolichtbogenofens mit Schrottvorwärmung Abgas 200 °C
Abwärmestrom Sensible Wärme Maximaltemperatur
Warmer Koks 0,24 GJ/t warmer Walzstahl 1100 °C
Hochofenschlacke 0,39 GJ/t warmer Walzstahl 1300 °C
Konverterschlacke 0,02 GJ/t warmer Walzstahl 1500 °C
Stahlguss 1,39 GJ/t warmer Walzstahl 1600 °C
Warmer Walzstahl 1,04 GJ/t warmer Walzstahl 900 °C
Quellen: Beer et al. (1998); U.S. DOE (2008); Fleiter et al. (2013).
© Fraunhofer ISI
Seite 15Ansatzpunkt: Querschnittstechnologie
Druckluft
Abwärmenutzung
Querschnittsanwendungen Prozessanwendungen
Verbrennungsanlagen
(Heißwasserkessel, Schmelzöfen, Brennöfen oder Dampferzeugern)
Trocknungsanlagen
(Trocknung von Milchpulver, Papier oder Lösungsmitteln)
Druckluftkompressoren
Kälteanlagen
Raumlufttechnische Anlagen
Abwasser
Quelle: Ruppelt (2003).
© Fraunhofer ISI
Seite 16L e i t f r a g e n d e s Vo r t r a g s 1. Warum überhaupt das Thema Abwärmenutzung in der Industrie? 2. Wo liegen Unterschiede zwischen Industrieunternehmen hinsichtlich des Themas? 3. Welche Potenziale für Energieeinsparungen gibt durch die Abwärmenutzung? 4. Was sind Beispiele für die industrielle Abwärmenutzung? 5. Welche Vor- und Nachteile hat die Abwärmenutzung und was ist zu beachten? 6. Welche Themen sind beim Voranbringen des Themas zu berücksichtigen? © Fraunhofer ISI Seite 17
P ro u n d K o n t r a d e r i n d u s t r i e l l e n
Abwärmenutzung
Vorteile Nachteile
Zusätzliche Aufwendungen und
Reduzierung von Energiebedarf
Kompetenzen für Beschaffung,
bzw. -kosten
Wartung und Betrieb
(Produktivitätssteigerung)
Gegenseitige Abhängigkeiten von
Verringerte Umweltbelastung
Anlagen und Prozessen
Geringere Abhängigkeit von
Reserveinfrastruktur falls Ausfall
externer Energieversorgung
von Teilen des Abwärmeverbunds
Geringere Aufwendungen für
Bauraum für zusätzliche
Heiz- und Rückkühlsysteme,
Anlagentechnik
(bei dauerhafter und
zuverlässiger Nutzung von Etwaige Genehmigungen und
Abwärme) Überprüfungen
Quelle: Hirzel et al. (2013).
© Fraunhofer ISI
Seite 18S o n d e r ro l l e d e r A b w ä r m e n u t z u n g a l s
E n e r g i e e ff i z i e n z m a ß n a h m e
z. B.: Stromerzeugung per Dampfturbine
Verwertung von Abwärme Einsatz thermische Adsorptionskältemaschine …
z. B.: Verbesserung Isolation
Minderung von Verlusten Absenkung des Temperaturniveaus …
z. B.: Anpassung der Dimensionierung
Änderung Einzelprozesse Optimierte Prozessplanung ...
z. B.: Endabmessungsnahes Gießen
Änderung Prozesskette Einsatz additive Fertigungsverfahren …
z. B.: Materialsubstitution
Änderung Produkt Leichtbau …
z. B.: Car sharing
Änderung Energiedienstleistung Dienstleistungsbasierte Geschäftsmodelle …
© Fraunhofer ISI
Seite 19S o n d e r ro l l e d e r A b w ä r m e n u t z u n g a l s
E n e r g i e e ff i z i e n z m a ß n a h m e
Abwärmenutzung erst nach Prüfung der Ursachen
für den Anfall von Abwärme!
Dimensionierung: Ist der zugrunde liegende Prozess richtig dimensioniert oder
sind unnötige Überkapazitäten vorhanden?
Steuerung: Wird die Anlage oder der Prozess richtig gesteuert? Sind
ineffiziente Betriebspunkte oder Leerläufe vorhanden und
vermeidbar?
Temperaturniveau: Ist das derzeit gewählte Temperatur- bzw. Intensitätsniveau
tatsächlich erforderlich?
Isolation: Kann eine bessere Isolation helfen, die Abwärmemengen
reduzieren?
Alternativen: Sind energetisch vorteilhaftere Alternativprozesse einsetzbar,
um das gleiche Resultat zu erzielen?
Quelle: Hirzel et al. (2013).
© Fraunhofer ISI
Seite 20L e i t f r a g e n d e s Vo r t r a g s 1. Warum überhaupt das Thema Abwärmenutzung in der Industrie? 2. Wo liegen Unterschiede zwischen Industrieunternehmen hinsichtlich des Themas? 3. Welche Potenziale für Energieeinsparungen gibt durch die Abwärmenutzung? 4. Was sind Beispiele für die industrielle Abwärmenutzung? 5. Welche Vor- und Nachteile hat die Abwärmenutzung und was ist zu beachten? 6. Welche Themen sind beim Voranbringen des Themas zu berücksichtigen? © Fraunhofer ISI Seite 21
T h e m e n : Te c h n o l o g i e e n t w i c k l u n g
Wie können Technologien zur Nutzung von Abwärme verbessert und ihre
Kosten durch technologische Entwicklungen gesenkt werden?
Technologieentwicklung
Ausweitung von Effizienz und Anwendungsbereichen
bestehender Technologien
Themenbereiche
Verwertung Wärme aus Haupt- und
Nebenerzeugnissen
Abwärme aus Abwasser und Abluft
im Gebäudebereich
Nutzung vorhandener Infrastrukturen
Sensorik und Simulationstechnik
Reduzierung der Technologiekosten …
Quelle: Mit Änderungen nach Hirzel et al. (2014); Schall et al. (2012).
© Fraunhofer ISI
Seite 22Themen: Potenzialermittlung
Welche Minderungen bei Energiebedarf und Treibhausgas-Emissionen sind
durch eine stärkere Nutzung von Abwärme realisierbar?
Technologieentwicklung Potenzialermittlung
Empirische Untersuchung und Charakterisierung von Wärmebedarf und
Themenbereiche
Abwärmeanfall in unterschiedlichen Prozessen
Abschätzungen gesamtwirtschaftlicher Einsparpotenziale
Kosten-Potenzial-Analysen der inner- und überbetrieblichen Wärmeintegration
Analysen und Szenarien zur Verbreitung bestimmter Technologien der
Abwärmenutzung
Modellierung von Potenzialen für bestimmte Unternehmensgruppen
(u. a. KMU, Branchen)
…
Quelle: Mit Änderungen nach Hirzel et al. (2014).
© Fraunhofer ISI
Seite 23Themen: Hemmnisforschung
Welche Einflussfaktoren behindern und welche Faktoren
begünstigen die Nutzung von Abwärme?
Technologieentwicklung Potenzialermittlung
Hemmnisforschung
Erfolgsfaktoren für die Nutzung von Abwärme
Themenbereiche
Versteckte Unvollständige
Bedeutung von Vor- und Nachteilen der Kosten Informationen
Abwärmenutzung für Nutzer
Relevanz von Risiken für Anwender und Anbieter
Zugang zu
Voraussetzungen für die Verwertung von Risiken Hemmnisse Kapital
Abwärme über Betriebsgrenzen hinweg
Einfluss rechtlicher Rahmenbedingungen
Begrenzte Geteilte
Rolle von Ausbildungsinhalte für die Abwärmenutzung Rationalität Anreize
…
Quelle: Mit Änderungen nach Hirzel et al. (2014).
© Fraunhofer ISI
Seite 24Themen: Instrumentengestaltung
Welche Instrumente können für eine Verbreitung der
Abwärmenutzung wie sinnvoll eingesetzt und ausgestaltet werden?
Technologieentwicklung Potenzialermittlung
Hemmnisforschung Instrumentengestaltung
Treibhausgasemissionen in der EU [1990=100%]
100%
Ausgestaltung von Förder-, Verpflichtungs-,
Themenbereiche
Informationsprogrammen/-vorhaben 80%
Energie
Derzeitige
Hilfsmittel zur Vertragsgestaltung für Haushalte, Politiken
Dienstleistungen
Unternehmen 60%
Auswahlhilfen und Bewertungsinstrumente 40%
Industrie
für Berater und Anlagenplaner Transport
Sensibilisierung und Fortbildung von 20%
Anwendern und Anlagenbauern 0%
Sonstige (Andere Gase)
… 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
Quelle: Mit Änderungen nach Hirzel et al. (2014).
© Fraunhofer ISI
Seite 25Zusammenfassung
Abwärme in vielen Bereichen und Anwendungen der Industrie
Vielfältige Möglichkeiten zur Verwertung von Abwärme (Wärme, Kälte, Strom)
Nutzung der Potenziale (etwa 3-10 % des Energiebedarfs) wichtiges Thema
Abwärmenutzung muss im jeweiligen Kontext betrachtet werden
Abwärmenutzung ist eine vielschichtige Thematik
(Zusammenspiel Technologie, Organisation, Mensch und Politik)
© Fraunhofer ISI
Seite 26Dr. Simon Hirzel
Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung
Breslauer Straße 48
76139 Karlsruhe
simon.hirzel@isi.fraunhofer.de
0721/6809-405
© Fraunhofer ISI
Seite 27Quellen
AGEB (2014): Energieflussbild 2013 für die Bundesrepublik Deutschland in Petajoule. Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen.
AGEB (2013): Anwendungsbilanzen für die Endenergiesektoren in Deutschland in den Jahren 2011 und 2012 mit Zeitreihen von 2008 bis 2012. Studie
beauftragt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. Projektnummer: 23/11.
Beer, J. de; Worrell, E.; Blok, K. (1998): Future Technologies For Energy-Efficient Iron and Steel Making. Annual Review of Energy and the Environment,
23, S. 123–205.
Fleiter, T.; Schlomann, B.; Eichhammer, W. (Hrsg.) (2013): Energieverbrauch und CO2-Emissionen industrieller Prozesstechnologien -
Einsparpotenziale, Hemmnisse und Instrumente. Stuttgart: Fraunhofer.
Hirzel, S.; Sontag, B.; Rohde, C. (2013): Industrielle Abwärmenutzung. Kurzstudie. Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI,
Karlsruhe.
Hirzel, S.; Aydemir, A. (2014): Forschung zur Abwärmenutzung. Poster im Rahmen der Veranstaltung „Ressource 2.0. Intelligente Abwärmenutzung und
Gebäudetechnik. Innovative Effizienz- und Geschäftsstrategien.“ 24. Oktober 2014, Forum Gebäudetechnik, VDMA Frankfurt.
Mai, M.; Gruber, E.; Holländer, E. et al. (2014): Evaluation des Förderprogramms „Energieberatung im Mittelstand“. Schlussbericht im Auftrag des
Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Projekt-Nr. 56/13.
Pehnt, M.; Bödeker, J.; Arens, M.; Jochem, E.; Idrissova, F. (2010): Die Nutzung industrieller Abwärme – technisch-wirtschaftliche Potenziale und
energiepolitische Umsetzung. Bericht im Rahmen des Vorhabens „Wissenschaftliche Begleitforschung zu übergreifenden technischen, ökologischen,
ökonomischen und strategischen Aspekten des nationalen Teils der Klimaschutzinitiative“. Heidelberg: Institut für Energie- und Umweltforschung (ifeu).
Ruppelt, E. (2003): Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer Drucklufterzeugung. In: Ruppelt, E. (Hrsg.): Druckluft-Handbuch. Essen: Vulkan, S. 477-500.
Schall, D.; Hirzel, S. (2012): Thermal cooling using low-temperature waste heat: a cost-effective way for industrial companies to improve energy
efficiency? Energy Efficiency, 5, S. 547-569.
Schröter, M.; Weißfloch, U.; Buschak, D. (2009): Energieeffizienz in der Produktion: Wunsch oder Wirklichkeit? Energieeinsparpotenziale und
Verbreitungsgrad energieeffizienter Techniken. Mitteilung aus der ISI-Erhebung Modernisierung der Produktion 51. Fraunhofer ISI.
U.S. Department of Energy (U.S. DOE) (Hrsg.) (2008): Waste Heat Recovery: Technology and Opportunties in the U.S. Industry.
© Fraunhofer ISI
Seite 28Sie können auch lesen
