Verstromung von Abwärme

Eine thermische Stromerzeugung bietet sich insbesondere an, wenn Abwärme mit hohen Temperaturen, hohen Laufzeiten und hoher Energiedichte anfällt und keine passenden Wärmesenken zur Verfügung stehen.

Für die Wirtschaftlichkeit einer Verstromung der Abwärme ist maßgeblich, dass der erzeugte Strom zur Eigennutzung verwendet oder gut vermarktet werden kann. Die betriebliche Eigenstromerzeugung führt zu einer Minderung der Netz- und Leistungskosten und leistet einen Beitrag zur Entlastung der Stromnetze. Eine wirtschaftliche Verstromung von Abwärme setzt ferner ein möglichst hohes Temperaturniveau, eine ausreichende Abwärmemenge und eine kontinuierliche Verfügbarkeit (hohe Vollbenutzungsstunden) voraus. 

Ein spezielles Einsatzgebiet ergibt sich, wenn der Druck (und das Temperaturniveau) einer Dampfversorgung für Teilprozesse auf ein geringeres Druckniveau abgesenkt werden muss. Hier ersetzt eine Dampfturbine oder ein Dampfmotor ein Reduzier- und Drosselventil.

Typische Abwärmequellen

Typische Abwärmequellen sind Verbrennungsabgase aus Stromerzeugung oder von Ofen- und Brennprozessen, wie z.B. Keramiköfen, Schmiedeöfen, Schmelzöfen oder Glühofenanlagen in der Metallverarbeitung. 

Praxisrelevante Technologien der Abwärmeverstromung

Eine Verstromung erfolgt in der Regel über thermodynamische Kreislaufprozesse mit  Strömungsmaschinen (Dampfturbinen) oder Dampfmotoren, welche die thermische Energie in mechanische Energie umwandeln, um elektrische Generatoren anzutreiben. Für die Nutzung der Abwärme in Abgasen muss diese in der Regel zunächst in Abgaswärmeübertragern auf ein nutzbares Arbeitsmedium (z.B. Wasser) übertragen werden. 

Die am Markt verfügbaren Technologien unterscheiden sich bezüglich der einsetzbaren Temperaturen und Leistungen in ihren Einsatzgebieten:

  • Dampfturbinen
  • ORC-Anlagen (Organic Rankine Cycle)
  • Dampfmotoren (Kolbendampfmaschine)

Während Dampfturbinen und –motoren Wasser als Arbeitsmedium verwenden, kommen in ORC-Anlagen organische Fluide zum Einsatz, die bei  geringeren Temperaturen verdampfen.

Dampfturbinen

In der Industrie kommen vorrangig Gegendruckdampfturbinen zum Einsatz, bei denen der Abdampf anschließend für weitere Prozesse zur Verfügung steht. Ihr Anwendungsbereich beträgt 75 kWel (Mikro-Dampfturbinen) bis zu 250 MWel. Dampfturbinen benötigen für einen wirtschaftlichen Einsatz eine Abwärmequelle mit einem Temperaturniveau von mindestens 300°C. Der elektrische Wirkungsgrad hängt von der Leistung sowie von den Temperaturen des Einsatzgebietes ab und liegt zwischen 15% und 25%. Die erzielbare Stromausbeute steigt, je größer die Leistung, je höher die zur Verfügung stehende Temperatur und je größer das nutzbare Temperaturgefälle ist. 

ORC-Anlagen

ORC-Anlagen kommen vor allem dort zum Einsatz, wo das Temperaturniveau der verfügbaren Wärmequelle oder die Wärmeströme für den Einsatz von Wasserdampf-Turbinen zu gering sind. Der Prozess entspricht thermodynamisch dem Dampfturbinen-Prozess. Als Arbeitsmittel kommen aber organische Flüssigkeiten mit niedrigen Siedetemperaturen zum Einsatz. ORC-Anlagen können bereits mit Abwärmetemperaturen ab 80°C arbeiten, der Wirkungsgrad schwankt zwischen 8% und 20%. Von einer wirtschaftlichen Abwärmeverstromung kann i. d. R. erst ab Temperaturen von rd. 120°C ausgegangen werden.  Der verfügbare Leistungsbereich dieser Technologie beträgt von 20 kWel bis 5 MWel. 

Dampfmotoren

Dampfmotoren werden eingesetzt in Anlagen mit kleineren bis mittleren Leistungen, z.B. in  Abhitzeverstromungsanlagen ab ca. 2,5 t/h Dampfmassenstrom. Sie sind in einem Leistungsspektrum von ca. 50 kWel bis 1,2 MWel verfügbar.

Vereinzelt kommen auch Stirling-Motoren zur Abwärmenutzung zum Einsatz. Stirlingmaschinen benötigen für einen sinnvollen Betrieb Temperaturen von mindestens 350°C, die Wirkungsgrade können etwa 20% erreichen. Diese Technologie hat sich jedoch zur Abwärmenutzung noch nicht durchgesetzt und zeigt noch Entwicklungspotenzial. 

Abgrenzung Kraft-Wärme-Kopplung

Das KWK-Gesetz (KWKG 2016) schließt eine Nutzung von Abwärme grundsätzlich ein. Eine Förderung über Zuschläge auf die Stromerzeugung setzt voraus, dass die verbleibende Abwärme des Verstromungsprozesses als Nutzwärme Verwendung findet. Die Förderung industrieller KWK zur Eigenstromversorgung wurde mit der Novelle des Gesetzes 2016 auf kleine Leistungen bis 100 kWel beschränkt. 

Förderhinweis

Anträge zur Förderung von Abwärmenutzung durch ORC-Anlagen können bei der KfW im Rahmen des Förderprogramms Energieeffizienzprogramm Abwärme gestellt werden.

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