Auswirkungen auf die Energie:
12 % der weltweiten Energie wird als Nutzenergie verwendet, d. h. als Energie, die vom Endverbraucher tatsächlich genutzt werden kann. Dies liegt daran, dass jede Anlage während der Produktions-, Verteilungs-, Emissions- und Regulierungsphasen Energieverluste verursachen kann.
In Italien gibt es allein auf dem Industriemarkt eine Energieverschwendung von 27 TW/h pro Jahr, was dem durchschnittlichen Jahresverbrauch von 450.000 Familien mit 4 Personen entspricht2.
Heutzutage macht Abwärme zwischen 25 und 50 % des weltweiten Energieverbrauchs aus1.
Was ist Abwärme:
Überall dort, wo Materialien und Güter hergestellt werden, gibt es Anlagen, die beim Betrieb Abwärme produzieren, die durch Strahlung, Kühlflüssigkeiten, Abgase oder Luft freigesetzt wird.
Quellen von Abwärme in der Industrie können Öfen, Abwässer aus Wasch-, Trocknungs- oder Kühlprozessen, aber auch Kälteanlagen oder die Abluft von Produktionsanlagen sein.
Der industrielle Markt ist derjenige mit dem höchsten Anteil an rückgewinnbarer Wärme, obwohl er nicht durch die größte Verfügbarkeit von Abwärme gekennzeichnet ist.
Jeder Industriemarkt hat unterschiedliche Produktionsprozesse, die spezifische Mengen und Methoden der Abwärmeerzeugung bestimmen, daher ist auch das Abwärmepotenzial immer auf einen bestimmten Industriesektor bezogen.
Die größten Abwärmemengen fallen in der Lebensmittel- und Tabakindustrie an, gefolgt von der Zellstoff- und Papierverarbeitung, der Grundstoffindustrie, der chemischen Industrie und den nicht-metallischen Mineralien.
Industrielle Abwärme:
Die Temperatur ist eines der wichtigsten Kriterien, wenn es um die Frage geht, ob ein industrieller Prozess wertvolle Abwärme erzeugen kann, die in Energie umgewandelt werden kann. Im Allgemeinen hat Hochtemperaturabwärme, die bei Prozessen mit einer Temperatur von über 400 °C entsteht, bessere Chancen auf eine Wiederverwendung. Mitteltemperaturanwendungen liegen zwischen 100 und 400 °C, während niedrige Temperaturen unter 100 °C liegen.
Wie lassen sich die Umweltauswirkungen verringern:
Neben der verstärkten Erzeugung von Photovoltaik- und Windenergie ist die Nutzung zuverlässiger Wärmequellen bei niedrigen und mittleren Temperaturen ein grundlegendes Element, um die derzeit weltweit verfolgten Klimaziele zu erreichen.
Um die Umweltauswirkungen auf industrieller Ebene zu reduzieren, gibt es zwei mögliche Lösungen, die es erlauben, die Effizienz von Kühlsystemen zu erhöhen:
- Entwicklung von effizienteren Technologien
- Implementierung bestehender Technologien durch die Entwicklung von Werkzeugen und Methoden zur Optimierung und Effizienzsteigerung.
ORC (Organic Rankine-Kreislauf):
Der Organic Rankine Cycle (ORC) ist in diesem Zusammenhang eine Schlüsseltechnologie, die es mit Hilfe eines auf einem geschlossenen thermodynamischen Kreislauf basierenden Systems ermöglicht, einen Teil der bei industriellen Prozessen anfallenden Abwärme durch die Umwandlung von hohen Temperaturen in Elektrizität zurückzugewinnen, die dann am selben Produktionsstandort wiederverwendet wird.
Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass durch die Umwandlung von Abwärme, auch in Gebieten die nicht an Stromnetze angeschlossen sind (z. B. petrochemische Anlagen, Bergwerke usw.), lokal und dezentral Strom erzeugt werden kann.
Der wirtschaftliche Nutzen für Unternehmen, die in ORC-Anlagen investiert haben, ergibt sich aus der Verringerung des Stromverbrauchs ohne zusätzlichen Einsatz von Primärenergie.
Ende 2020 betrug die Gesamtkapazität der ORC-Anlagen 4,07 GW. Seit 2016 ist der ORC- Gesamtmarkt um 40 % (+1,18 GW) in Bezug auf die Kapazität und um 46 % (+851) in Bezug auf die installierten Anlagen gewachsen.
Auf europäischer Ebene wurde eine Bewertung des Potenzials der Stromerzeugung mit dieser Technologie durchgeführt. Dabei wurden folgende Industrieprozesse berücksichtigt: Klinkerherstellung in der Zementindustrie, Elektrolichtbogenöfen (EAF) und Zwischenüberhitzungsöfen für Warmwalzwerke in der Stahlindustrie, Öfen für Flachglas und Gasturbinen im Bereich der Gasübertragung und -speicherung.
Es wurde ein theoretisches Potenzial von etwa 2,5 GW an ORC-Bruttostromleistung geschätzt. Die Wärmequelle wird durch den industriellen Prozess bereitgestellt, dessen Betriebsstunden von den Marktschwankungen abhängen.
Unter Berücksichtigung von 8.000 Betriebsstunden pro Jahr können ORC-Anlagen fast 20 TWh Strom erzeugen. Dieser Wert entspricht 4,8 % des gesamten Stromverbrauchs der EU-Industrie im Jahr 2009 und bedeutet, dass fast 7,5 Millionen Tonnen Kohlendioxidemissionen vermieden wurden.
Die Entwicklung der Luftkondensations-ORC-Technologie:
Eine Weiterentwicklung dieser Technologie ist die ORC-Technologie mit Luftkondensation, bei der am Ende des ORC-Zyklus ein abgesetzter Kondensator vorgesehen ist, der die Wärmeabfuhr ermöglicht.
ThermoKey arbeitet genau an dieser spezifischen Technologie durch die Entwicklung neuer integrierter Lösungen mit Mikrokanaleinheiten, die effizienter sind als herkömmliche ORCs. Die bisher durchgeführten Installationen dieser Systeme haben gezeigt, dass die Lösungen von ThermoKey nicht nur modular und skalierbar sind, sondern auch kostengünstiger als herkömmliche Trockenkühler und ORCs, da sie auch geringere Installationskosten aufweisen.
Referenzen
Thermokey wurde für die Wärmeabfuhr der Kondensationswärme einer ORC-Anlage ausgewählt, die zur Stromerzeugung mit geothermischer Energie eingesetzt wird. Die Verflüssiger sind auf einem Container installiert, in dem sich Expander, Generator, Steuer- und Regelgeräte befinden.
Ein maßgeschneidertes V-Kondensatormodul wurde für ORC-Anwendungen entwickelt. Dank des geringen Druckabfalls im Kältemittelkreislauf und auf der Luftseite kann der Stromverbrauch der ORC-Anlage minimiert und die elektrische Effizienz maximiert werden. Microchannel-Einheiten ermöglichen eine kleine Grundfläche, ein geringes Gewicht und einen modularen Aufbau des Systems.
1) Quelle: A. Firth, B. Zhang e A. Yang; Quantification of global waste heat and its environmental effects ; Applied Energy, vol. 235; pp. 1314-1334; 2019.
2) https://www.vivienergia.it/casa/vivipedia/guida-energia/consumo-medio-energia-elettrica