Quelle:Dmitriy Shironosov/Hemera/thinkstock

 

Bei nahezu jedem industriellen Prozess entsteht Wärme. Das reicht von vergleichsweise niedrigen Temperaturen von rund 40 Grad Celsius, die in der Industrie bei technischen Anlagen wie etwa Kompressoren oder Pumpen entstehen, bis zu über 1.000 Grad Celsius bei Verbrennungsprozessen.

Mehreren Studien zufolge liegt das Abwärmepotential in Deutschland zwischen etwa 88 und 260 Terawattstunden pro Jahr. Diese Abwärme kann direkt als Wärme genutzt oder in den Prozess zurückgeführt werden. Wird sie in Strom gewandelt, könnten fünf bis zehn konventionelle Kohlekraftwerke durch eine CO₂-freie Stromquelle ersetzt werden. Das zeigt die energiewirtschaftliche Relevanz des Themas.

„Nicht nur bei reinen Industrieprozessen entsteht Abwärme, sondern zum Beispiel auch beim Auto: hier werden zwei Drittel der eingesetzten Energie als Wärme über den Auspuff und das Kühlwasser an die Umwelt abgegeben“, erklärt Kilian Bartholomé vom Fraunhofer-Institut für physikalische Messtechnik IPM und Kurator des vom BMWi initiierten Forschungsfelds Abwärme. So geht nicht nur in den Sektoren Industrie und Gewerbe, Handel und Dienstleistungen, sondern auch im Verkehrssektor viel thermische Energie ungenutzt verloren. „Hier schlummern weltweit enorme Energiemengen, die wir mit der Forschung für eine Weiternutzung erschließen wollen“, sagt Bartholomé.

„Nicht allen Unternehmen ist bewusst, dass und vor allem wie sie Ihre Abwärme effizient nutzen können“, sagt Bartholomé. Hier gebe es einen großen Bedarf, ein Bewusstsein dafür zu schaffen und allen beteiligten Akteuren die Möglichkeiten aufzuzeigen. Viele technische Prozesse nutzen die eingesetzte Energie nur zu 30 bis 40 Prozent – der Rest geht verloren. Vor allem bei hohen Abwärme-Temperaturen lohnt sich die Nutzung – wirtschaftlich und ökologisch. Schätzungen zufolge liegt das Einsparpotenzial durch energieeffiziente Abwärmenutzung für Unternehmen in Deutschland bei rund 5 Milliarden Euro pro Jahr; zwischen 50 und 60 Millionen Tonnen CO₂-Emissionen seien nach Informationen der Deutschen-Energie-Agentur (dena) jährlich vermeidbar.

Das BMWi hat alle Aktivitäten einer effektiven und effizienten Forschung zu diesem Schlüsselthema im Forschungsfeld Abwärme gebündelt und ermöglicht so einen wissenschaftlichen Austausch, langfristige Forschungskooperationen sowie programmatische Weiterentwicklungen unter dem Dach des Forschungsnetzwerks in Industrie und Gewerbe. Auf diese Art und Weise können Abwärmepotenziale, deren Nutzung im Prozess und eingesetzte Technologien systematisch und über die Grenzen von Einzelvorhaben hinweg mit Forschung und Entwicklung erschlossen werden. Das Forschungsfeld Abwärme beschleunigt den Transfer von Forschungsergebnissen in die Praxis und steigert damit die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands im Industriesektor.

Als Schnittstelle zwischen Forschung, Politik und Wirtschaft verbindet das Forschungsfeld Abwärme alle relevanten Akteure der Branche und ist Impulsgeber neuer Förderstrategien. Es schafft Synergien und ist mit energieeffizienten Lösungen ein wichtiger Baustein für Erfolg der Energieeffizienz und Einsparung von CO₂-Emissionen in den Sektoren Industrie und Gewerbe, Handel und Dienstleistungen in Deutschland.

Mit Hilfe eines Abwärmeatlas’ soll das enorme Potenzial der Abwärme in ausgewählten Branchen der Industrie aufgezeigt werden. Dies ist ein erster Schritt, um diese Energiequellen systematisch zu erschließen. Das bis heute vorhandene Datenmaterial reicht nicht für eine detaillierte Analyse der Abwärmequellen sowie der damit verbundenen Nutzungsmöglichkeiten aus. Wissenschaftler wollen im Verbundvorhaben Abwärmeatlas – Erhebung, Abschätzung und Evaluierung von industrieller Abwärme – eine bessere Basis für die effiziente Nutzung von Energie in der Industrie aufbauen. Sie tragen in dem auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekt Daten zu Art und Größe industrieller

Abwärmequellen sowie zu Technologien für die Abwärmenutzung aus Modellregionen in Deutschland zusammen, bewerten diese und stellen sie in einen Zusammenhang.Die Daten dieser repräsentativen Befragung dienenals Grundlage für eine national skalierbare Potenzialabschätzung.Das Fraunhofer-Institut für Physikalische MesstechnikIPM koordiniert das Vorhaben Abwärmeatlas.

Mit Abwärme im Niedertemperaturbereich aus Industrieprozessen können beispielsweise Räume beheizt oder Warmwasser bereitgestellt werden – dafür genügen schon Temperaturen ab 40 Grad Celsius. Weiter kann die Abwärme auch in Fernwärmenetze außerhalb des Betriebes eingespeist werden.Aus 80 bis 150 Grad heißer Abwärme können Absorptionskältemaschinen Kälte erzeugen. Abwärme mit höhen Temperaturen kann darüber hinaus genutzt werden, um in den Produktionsprozess zurückgeführt zu werden.

Der Organic-Rankine-Cycle (ORC) eignet sich insbesondere dafür, Abwärme im Mitteltemperaturbereich nutzbar zu machen und in elektrische Energie umzuwandeln. Die Technologie entspricht in etwa dem Dampfturbinenprozess. Anstelle von Wasser wird jedoch eine organische Flüssigkeit mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur verwendet – etwa Silikonöle, Kohlenwasserstoffe wie Butan oder Pentan. „Wenn organische Arbeitsmedien verwendet werden, kann bereits bei Temperaturen um 100 Grad Celsius Strom erzeugt werden. Die elektrische Energie kann somit dem ursprünglichen Prozess wieder zur Verfügung gestellt oder sogar ins Stromnetz eingespeist werden“, erklärt Kilian Bartholomé.

ORC-Anlagen decken einen Bereich ab, der für konventionelle Wasserdampfkreisläufe aufgrund der niedrigen Temperaturen und Leistungen nicht wirtschaftlich ist. Derzeit werden sie in Geothermie- und Biomassekraftwerken eingesetzt, vereinzelt auch in industriellen KWK-Anlagen und in solarthermischen Kraftwerken. Ihr Prozesswirkungsgrad schwankt zwischen 10 und 18 Prozent.Aus dem Forschungsfeld Abwärme ist hier exemplarisch das BMWi-geförderte Vorhaben WORC – Wirtschaftliche ORC-Systeme zu nennen. Forscher wollen mit dem Projekt zeigen, dass wirtschaftliche ORC-Systeme mit unter 1.000 Euro Materialkosten pro Kilowatt installierter Leistung technisch möglich und damit auch umsetzbar sind. Andere Projekte innerhalb des Forschungsfelds Abwärme wollen den Wirkungsgrad der ORC-Technologie steigern oder zuverlässige Herstellungsverfahren zur Verfügung stellen, um ORC-Anlagen wirtschaftlich einsetzen zu können.

Auch Thermoelektrik wandelt Abwärme in elektrische Energie. Im Vergleich zur ORC-Technologie kommt sie vibrationsfrei, geräuschlos und ohne bewegliche Teile daher, sie ist sehr wartungsarm sowie langzeitstabil. „Mittlerweile gibt es auch thermoelektrische Module für den Einsatz bei hohen Temperaturen bis 600 Grad Celsius“, erklärt Kilian Bartholomé. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei der Restwärmeverwertung niedrige Temperaturdifferenzen genutzt werden können, die für andere Arten der Umwandlung von Wärme in nutzbare Energieformen nicht in Frage kommen. Da thermoelektrische Module sehr klein und kompakt sind, lassen sie sich sehr gut in bereits bestehende Anlagen integrieren. Ihre industrielle Verbreitung scheiterte bislang jedoch an der aufwändigen und daher teuren Herstellung.

Im Verbundvorhaben Highly efficientmanufacturing of ThermoElectric Generators, kurz High-TEG, haben Forschende aus Forschungseinrichtungen und Industrie daran gearbeitet, leistungsfähige und haltbare thermoelektrische Generatoren günstig herzustellen und für den Massenmarkt vorzubereiten. Über das Forschungsfeld Abwärme wurde eine Kooperation mit dem Forschungsprojekt ThermoHEUSLER angestoßen: Dort sind thermoelektrische Materialien entwickelt worden, diesehr gute Effizienzwerte erreichen, großen Temperaturunterschieden standhalten und in technisch relevanten Mengen hergestellt werden können. Die Herstellungskosten für die thermoelektrischen Generatoren könnten mit dem entwickelten vollautomatischen Verfahren um 70 Prozent reduziert werden, sodass ein breiter Einsatz wirtschaftlich wird. „Wir halten es für möglich, dass sowohl beim Auto als auch in der Industrie bis zu fünf Prozent der Abwärme in Strom umgewandelt werden können“, sagt Bartholomé. Beim Auto könnte der erzeugte Strom dann die Lichtmaschine entlasten und so den Spritverbrauch senken. Bei Industrieprozessen haben die Unternehmen die Option, den zusätzlichen Strom entweder für den Eigenbedarf zu nutzen oder ins Stromnetz einzuspeisen. Das BMWi-geförderte Forschungsvorhaben High-TEG aus dem Forschungsfeld Abwärme ist im November 2016 mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis ausgezeichnet worden.

Mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren arbeiten Wissenschaftler im Forschungsvorhaben INTEGA daran, ein kompaktes, robustes und wirtschaftliches Großmodul für den Einsatz im rauen Industrieumfeld eines Hochofens zur dezentralen Erzeugung von Strom aus Abwärme zu entwickeln. Die bisher nur einzeln eingesetzten Thermogeneratoren sollen im Forschungsprojekt zu effizienten Blöcken zusammengeschaltet werden. Weiter bewerten die Forscher die Wirkung von Einbauort, Kühlung und Umwelt – wie zum Beispiel staubige Atmosphären durch den Langzeiteinsatz – auf die elektrische Energiegewinnung und wollen diese negativen Einflüsse möglichst minimieren. Die gleichzeitige Forschung und Entwicklung an verbesserten Werkstoffen für Thermogeneratoren ermöglichen im Forschungsfeld Abwärme neue Kooperationen. Die Akteure vernetzen sich und arbeiten über das Einzelvorhaben hinweg zusammen. So können Verbesserungen und neue Ideen ohne Umwege in laufende Vorhaben integriert oder neue Projekte angestoßen werden. Der Rahmen mit der notwendigen Planungssicherheit wird durch das langfristig orientierte Forschungsfeld gewährleistet.

Ein weiteres Vorhaben im Forschungsfeld Abwärme ist das Projekt iAST – industrielle Abwärmenutzung einer Gießerei durch thermische Energiespeicherung in Kombination mit einem Absorptionsprozess. Die Abwärme eines Schmelzofens wird hier gespeichert und während der Stillstandzeiten des Ofens für Lackierungsarbeiten genutzt. Auf diese Weise kann auf das Verbrennen von Erdgas zum Trocknen der Lacke in der Gießerei verzichtet werden. Durch die Abwärmenutzung lässt sich der Energieeinsatz für den Lackierungsprozess erheblich senken und der Verbrauch an Primärenergie sowie der damit verbundene Ausstoß von Treibhausgasen reduzieren. Die Wissenschaftler entwickeln zudem in iAST einen Hochtemperaturspeicher. Größte Herausforderung an das Speichersystem sind dabei die großen Wärmemengen bei Temperaturen bis 300 Grad Celsius.

Die genannten Vorhaben stehen exemplarisch für die übergreifende Forschung unterschiedlicher Teilgebiete im Forschungsfeld Abwärme. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag, die Energieeffizienz in den Sektoren Industrie und Gewerbe, Handel und Dienstleistungen zu verbessern, und sichern damit die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands. Künftig können eine Vielzahl von industriellen Anwendungen mit den Erkenntnissen aus dem Forschungsfeld Abwärme optimiert werden.

Trotz vieler Aktivitäten in Forschung und Entwicklung zur Effizienzsteigerung geht in der Industrie immer noch ein großer Teil der Abwärme verloren, weil deren Nutzung aufwändig und bisher unwirtschaftlich ist. Gründe hierfür sind häufig ein niedriges Temperaturniveau, der dezentrale oder unregelmäßige Anfall der Abwärme, stark verschmutzte Abwärmeströme sowie ein raues betriebliches Umfeld. Hier gilt es für das Forschungsfeld Abwärme, die Potenziale weiter zu erschließen und mit allen beteiligten Akteuren auszubauen. Wenn es für Unternehmen wirtschaftlich ist, wird aus Abwärme bereits Wärmeenergie rückgewonnen und im gleichen Prozess beziehungsweise in anderen Prozessstufen verwendet. Beispiele hierfür sind die regenerative Luftvorwärmung für Verbrennungsvorgänge oder die Nutzung von Wärmeübertragern in chemischen Anlagen.

Vorhandene Technologien – wie zum Beispiel ORC-Anlagen – sind aufgrund ihres Platzes, Kostenaufwands und des diskontinuierlichen Aufkommens der nutzbaren Wärme bisher kaum wirtschaftlich. Das BMWi fördert im Forschungsfeld Abwärme die Weiterentwicklung sowie energieeffiziente und kostengünstige  Verbesserung dieser Technologie. Auch die Thermoelektrik ist im Zusammenhang mit der Energiewende im Bereich Industrie und Gewerbe, Handel und Dienstleistungen ein wichtiger Baustein. Hier geht es darum, Abwärme in eine exergetisch höherwertige Form zu wandeln: Forscher arbeiten daran, den Systemwirkungsgrad der Energiewandlung von thermischer zu elektrischer Energie zu verbessern. Dieser beträgt aktuell zwischen 2 und 7 Prozent, sodass die Energierückgewinnung mit thermoelektrischen Generatoren bisher hauptsächlich in Nischenanwendungen eingesetzt wird.

Die Herausforderung der Forschung: „Die thermoelektrischen Module kosten- und energieeffizienter zu produzieren, um dadurch ihre Nutzung für die Industrie attraktiv zu machen“, sagt Bartholomé. Noch seien die Module sehr teuer, was auch an dem hohen Personalaufwand liegt. „Die Module werden momentan zum größten Teil per Hand hergestellt.“ In Zukunft geht es darum, geeignete Herstellungsverfahren für die Massenproduktion von Thermogeneratoren zu entwickeln. Die Wissenschaft sucht nach optimalen Materialien mit hoher elektrischer und niedriger thermischer Leitfähigkeit sowie einer hohen Stromausbeute. Welches thermoelektrische Material sich am besten eignet, ergibt sich aus der Betrachtung aller technologischen Aspekte sowie der ökonomischen, ökologischen und toxikologischen Eigenschaften.

„Es gibt aus Sicht der Forschung drei thermoelektrische Materialklassen: Die HalbHeusler-Verbindungen, sehr stabil, robust und umweltverträglicher als bisher eingesetzte Materialien, die Skutterudite mit einem hohen Wirkungsgrad bis zu 11 Prozent und schließlich die Silizide. Letztere sind interessant, da sie sehr kostengünstig und enorm leicht sind", sagt Kilian Bartholomé. In einzelnen Applikationen könnten sich Thermogeneratoren eine Marktlücke erobern, zum Beispiel bei autarken Sensoren. Sie versorgen sich selbständig mit Strom und kommen ohne Batterien und Wartung aus. Speziell angepasste Thermogeneratoren erzeugen die erforderliche Energie aus dem Temperaturunterschied zwischen Umgebung und Innenraum. Erste Prototypen thermoelektrischer, autarker Sensoren könnten etwa bald am Flugzeug eingesetzt werden. Für einen breiteren Einsatz der Thermoelektrik könnte aber auch der Automobilsektor eine größere Rolle übernehmen.

Auch Wärmespeicher sind für das Forschungsfeld Abwärme ein wichtiges Thema der Zukunft: Geeignete Wärmespeicher müssen erprobt und kommerziell verfügbar sein, um zeitlich und örtlich fluktuierende Abwärmeströme für eine nachgelagerte, kontinuierliche Nutzung zur Verfügung zu stellen. Robuste Hochtemperatur-Wärmeübertrager erlauben dann, die Wärme aus heißen, verschmutzten Abgasen zu entnehmen.Eine Wärmetransformation mittels thermochemischer Reaktionen kann die Temperatur der Abwärme anheben und auf ein im Prozess nutzbares Niveau bringen.

Ziel des Forschungsfelds Abwärme ist es, die bestehenden Potenziale der Abwärme – auch auf niedrigen Temperaturniveaus – im vollen Umfang wirtschaftlich nutzbar zu machen. Dazu arbeiten die Forschenden im Forschungsfeld Abwärme weiterhin daran, bisherige Technologien zu optimieren sowie neue, innovative Technologien zu entwickeln.

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Dr. Kilian Bartholomé 
kilian.bartholome@ipm.fraunhofer.de

Projektträger Jülich
Dr. Claus Börner
c.boerner@fz-juelich.de