ENERGIEEFFIZIENZ
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Mittelstand Energiewende

LEITFADEN ENERGIEEFFIZIENZ IM HANDWERK


Finden Sie hilfreiche Hinweise zum Thema Energie und Effizienz in unserem umfangreichen Nachschlagewerk

Querschnittsthemen / Abwärmenutzung / Einführung & Grundlagen

Um die Energieeffizienz im Betrieb zu steigern und Energie zu sparen, wird häufig die Anlage optimiert, um den Energieeinsatz zu verringern. Doch was ist dort, wo der Energieeinsatz nicht weiter reduziert werden kann? Gerade in Betrieben mit vielen Prozessen kommt man daher nicht mehr umher, sich mit dem Thema Abwärmenutzung und Wärmerückgewinnung zu beschäftigen. Die eingesetzte  Energie wurde bereits für bestimmte Prozesse (Backen, Kühlen, …) verwendet und wird nun, anstatt ungenutzt den Betrieb zu verlassen oder unter Einsatz weiterer Energie abgelüftet, heruntergekühlt etc. zu werden, erneut verwendet.

Unterschieden wird dabei zwischen Abwärmenutzung und Wärmerückgewinnung (WRG). Bei anfallender Abwärme, welche im gleichen Prozess genutzt wird, wie z.B. bei Wärmetauschern in Lüftungsanlagen, spricht man von Wärmerückgewinnung. Bei Abwärmeströmen, gleich welcher Art, die in anderen Prozessen genutzt oder an externe Einrichtungen / Abnehmer / Verbraucher weitergegeben werden, spricht man dagegen von Abwärmenutzung (als Kaskadennutzung).

Besonders in Betrieben mit gleichzeitigem Bedarf an Kälte & Wärme (z.B. Kühlhaus & Warmwasser) besteht großes Einsparpotential. Bei Nutzung der Abwärme von Backöfen und Kühlanlagen können durch Systemoptimierung & Abwärmenutzung häufig die komplette Warmwasserversorgung oder die Gebäudeheizung abgedeckt werden.


Wenn die interne Abwärmenutzung im Prozess ausgeschöpft ist, sollte die verbleibende Abwärme an anderer Stelle im Betrieb genutzt werden. Ist das nicht möglich, gilt es, eine externe Nutzung der Abwärme anzustreben. [1]


Abwärme sollte im Betrieb genutzt werden. Falls kein Bedarf besteht oder zu viel Abwärme anfällt, kann diese an externe Einrichtungen / Abnehmer / Verbraucher weitergegeben werden.



Bei der effizienten Abwärmenutzung ist häufig die Wirtschaftlichkeit und eine kurze Amortisationszeit gegeben.

Abwärmequellen im Betrieb

In den Betrieben entsteht bei vielen Prozessen unvermeidbare Abwärme.

Mögliche Abwärmequellen können sein:


Abwärmequellen in Betrieben
Copyright: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)


Weitere Informationen zu den einzelnen Themen finden Sie hier.

Wärmesenken und Bestandsaufnahme im Betrieb

Wärmesenken sind die Bereiche, in denen die Abwärme für Anlagen & Prozesse eingesetzt werden kann. Typische Wärmesenken in Handwerksbetrieben sind:


  • Betrieb der Heizung bzw. Heizungsunterstützung

  • Prozessunterstützung (Trocknung, Lackierung,…)

  • Kälteerzeugung aus Abwärme (v.a. bei Bäckern & Fleischern)



Zur Identifizierung der Wärmesenken im Betrieb sollte eine umfassende Bestandsaufnahme erfolgen. Um das wirtschaftlichste und auf die Betriebsabläufe perfekt abgestimmte System zu finden, müssen alle Prozesse und Betriebsabläufe zusammenhängend betrachtet werden.

Bevor sich ein Betrieb entscheidet, die eigene Abwär­me zu nutzen, sollten zunächst auch andere Effizienzmaß­nahmen geprüft werden, zum Beispiel indem der Betriebsablauf optimiert wird oder neue effizien­tere Maschinen angeschafft werden. Durch die Einführung einer Abwärmenutzung sollten auf kei­nen Fall ineffiziente Betriebsabläufe konserviert und betriebliche Innovationen verhindert werden.[2]

Vor Installation einer Anlage muss daher zwingend eine Bestandsaufnahme durchgeführt werden. Jeder Betriebsinhaber kann selbst damit beginnen, die ersten Daten zu Wärmequellen und –senken zu sammeln.

Beginnen Sie damit, Wärmequellen und -senken im Betrieb zu identifizieren, wichtige Angaben und Daten können Sie z.T. den Typenschildern der Maschinen & Geräte entnehmen.



Dabei sollten folgende Daten zur grundlegenden Orientierung festgehalten werden:


  • Wo fällt Abwärme an?

  • Wie hoch ist in etwa die Temperatur?

  • Wann fällt die Abwärme an?

  • Wo benötige ich Wärme?

  • Wann benötige ich Wärme?

  • Wo benötige ich Kälte?

  • Wann benötige ich Kälte?



Umfassende Bestandsaufnahmen können Sie von Energieberatern für das Programm „Energieberatung im Mittelstand“ des BAFA durchführen lassen. Diese Beratung wird vom Bund gefördert.

Nutzung von Abwärme intern und/oder extern

Die ermittelten Potenziale müssen im nächsten Schritt geordnet werden.

Die interne Nutzung sollte immer zuerst betrachtet und priorisiert werden, denn aufgrund von kurzen Wegen, direkter Nutzung oder kurzer Zwischenspeicherung können Verluste minimiert werden. Zudem bleiben alle Abläufe vollständig in der Kontrolle des Betriebes. Externe Weitergabe wurde bisher häufig als Hemmnis gesehen.

Die Nutzungsmöglichkeiten von Abwärme sind davon abhängig, wann, wo, in welcher Quantität, Qualität und Form die Abwärme auftritt.


Abwärmenutzungsoptionen
Copyright: Sächsische Energieagentur (SAENA)


In Handwerksbetrieben fällt Abwärme sehr selten in hohen Gradbereichen an. Somit entfallen Nutzungsmöglichkeiten wie Dampfturbine und ORC-Anlage, die auf industrielle Prozesse ausgelegt sind, vollständig.

Eine Checkliste zur Bewertung von Abwärmenutzungstechnologien ist hier (Seite 12) zu finden.

Ein Abwärmerechner – auch für Raumlufttechnische Anlagen – ist hier zu finden.

Das vorhandene Einsparpotenzial im Bereich Raumlufttechnische Anlagen, also der Belüftung von Gebäuden, ist recht einfach zu heben, da durch den Einbau von Wärmetauschern in Lüftungsanlagen der Bedarf zur Beheizung der Raumluft stark minimiert werden kann.

Intern nicht nutzbare oder zu hohe Energieströme können in ein Nah- oder Fernwärmenetz eingespeist werden.

Die Wärme­verteilung in einem Nahwärmenetz erfolgt im Vergleich zur Fernwärme nur über verhältnismäßig kurze Strecken. Sogenannte Nahwärmenetze oder kleine Wärmenet­ze können auch Teil eines großen Wärmenetzes sein. Auch ein Nahwärmenetz besteht aus drei Kompo­nenten: Aus der Erzeugung, der Verteilung und der Übergabe.

Im Unterschied zur Fernwärme wird Nahwärme in kleinen, dezentralen Einheiten realisiert und bei re­lativ niedrigen Temperaturen übertragen. Der Wir­kungsgrad ist wegen der kurzen Verteilungswege und der geringeren Temperaturen sowie den damit gerin­geren Wärmeverlusten meist höher als bei einem großen Wärmenetz. Für konventionelle Nahwärme­leitungen wird im Winter eine Vorlauftemperatur von ca. 90°C benötigt. Daneben gibt es aber auch zunehmend sogenannte Niedertemperaturnetze mit einer noch geringeren Vorlauftemperatur von ca. 40°C bis 50°C.[3]

Für Handwerksbetriebe, die in einem Gewerbegebiet angesiedelt sind, bietet es sich an die umgebenden Betriebe auf Abwärmequellen- oder – senken in ihrem Betrieb anzusprechen. Daraus kann ein kleines Nahwärmenetz entstehen.

Das Forschungsprojekt „Heatloop“ untersuchte die praktische Umsetzbarkeit am Beispiel zweier Gewerbegebiete in Bochum. Die bisherigen Projekterfahrungen wurden in einem technischen und einem Akteurs-Leitfaden zur Erschließung von Abwärme-Potenzialen zusammengefasst.

Sofern vorhanden, ist ein regionaler Abwärmeatlas hervorragend dazu geeignet Wärmequellen und Wärmesenken dauerhaft zu identifizieren. Aktuell ist eine solche webbasierte Plattform für zwei Bundesländer verfügbar:



           Erstinformationen zur Abwärmeinformationsbörse des Energieatlas Bayern sind hier zu finden.



 

Technologien zur Wärmeübertragung

Zur Wärmeübertragung werden sogenannte Wärmetauscher eingesetzt. Sie haben die Aufgabe, die Wärme eines Mediums auf ein anderes, kälteres zu übertragen. Die einzelnen Ströme haben dabei keinen direkten Kontakt, sondern werden aneinander vorbeigeleitet, so dass ein Wärmeübertrag stattfinden kann.


Übersicht Wärmetauscher
Copyright: Sächsische Energieagentur (SAENA)


Abwärme kann auch für weitere Nutzungen gewandelt werden. Falls Abwärme auf niedrigem Niveau anfällt, kann sie durch den Einsatz von Wärmepumpen auf das höhere, gewünschte Niveau gebracht werden.

Zur Nutzung für Kälteanlagen (z.B. für Bäcker und Fleischer), kann sie gewandelt werden.


Wärmepumpen-Kältemaschinen
Copyright: Sächsische Energieagentur (SAENA)


Speicher

Da das Anfallen der Abwärme häufig nicht mit dem gegenübergestellten Bedarf deckungsgleich ist, werden Zwischenspeicher eingesetzt, um die Zeiträume zu überbrücken. So kann anfallende Abwärme kurzzeitig zwischengespeichert werden und bei Bedarf an weitere interne Produktionprozesse (z.B. aus Abwärme der Kälteanlage zur Vorerwärmung von Warmwasser) abgegeben werden. Durch den durch Speichereinsatz ermöglichten zeitlichen Versatz, können vorhandene Potenziale deutlich besser ausgenutzt werden.

Als typischer Wärmespeicher zur Bereitstellung von Wärme bis 100 °C gilt der Pufferspeicher. Er gehört zur Gruppe der sensiblen Speicher, ist kostengünstig und vielseitig einsetzbar. Kleinere Ausführungen sind oft in Heizsystemen von Ein- und Mehrfamilienhäusern zu finden, insbesondere um Solarenergie einzubinden. Der Pufferspeicher ist ein wärmegedämmter Behälter, in dem sich eine Speicherflüssigkeit befindet, welche durch Änderung ihrer Temperatur Wärme (oder auch Kälte) speichert.

Bei den häufigsten Anwendungen des Pufferspeichers ist das Speichermedium Wasser, welches aufgrund seiner hohen Wärmekapazität viel Energie aufnehmen und speichern kann. Daher wird der Pufferspeicher üblicherweise für Temperaturen bis 95 °C verwendet, kann aber auch unter Druck oder mit Thermoöl befüllt bei höheren Temperaturen eingesetzt werden.[4]


Übersicht Wärmespeicher
Copyright: Sächsische Energieagentur (SAENA)


Eine Übersicht weiterer Speichertechnologien finden sie hier (Seiten 20-34) und hier (Seiten 35-36).

[1] = Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Energieeffizienz – die intelligente Energiequelle 07/2009
[2] = IZES et al., Klimaschutzteilkonzept Regionalverband Saarbrücken, Los 4: Integrierte Wärmenutzung in Kommunen 05/2014
[3] = Karla Müller, Hafencity Universität Hamburg, Bacheloarbeit Nutzung von Abwärme im Gewerbe 02/2013
[4] = Sächsische Energieagentur (SAENA), Technologien der Abwärmenutzung 06/2012

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Abwärmepotenziale können grundsätzlich nur effizient und wirtschaftlich abgeschätzt und genutzt werden, wenn sie strukturiert erfasst und klassifiziert werden.

Entscheidend für die langfristige, effektive Nutzung der Abwärme ist jedoch, an den potenziellen Quellen die Einsparpotenziale zur Reduzierung der Abwärme zu betrachten, um so die auch langfristig permanent verfügbaren Mengen und Ströme darzustellen. Bei der Abwärmenutzung handelt es sich meist um langfristige Investitionen über 8 - 20 Jahre.[1]

In der folgenden Grafik wird die Amortisationszeit für 28 Projekte zur Abwärmenutzung dargestellt, welche im Rahmen der Kampagne "klimaaktiv" der Österreichischen Energieagentur ausgezeichnet wurden.


Statische Amortisationszeiten
Copyright: klimaaktiv, Österreichisches Bundesministerium für Land/Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft


Abwärmenutzung wird ab Januar 2019 in unterschiedlichen Programmen gefördert. Das Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) fördert mit reinem Zuschuss, die KfW als Kreditvariante mit Tilgungszuschuss. Die Konditionen werden Anfang 2019 verfügbar sein. Erste Informationen finden Sie hier.

Kapitel Querschnittstechnologie Fördermittel

[1] = Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Erarbeitung einer Integrierten Wärme- und Kältestrategie, Arbeitspaket 1 - Bestandsaufnahme und Strukturierung des Wärme- und Kältebereichs, 2012

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Abwärmenutzung setzt sich immer mehr als Technik im Bereich Erneuerbare Energien durch und ist bereits im Nationalen Aktionsplan Energieeffizienz (NAPE) verankert.


Maßnahmen-Prozesse, NAPE
Copyright: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)


Gesetzliche Vorgaben können bzw. müssen durch Abwärmenutzung erfüllt werden.

Beim Erneuerbare- Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), gelten die Anforderungen als erfüllt, wenn der Wärmeenergiebedarf zu mindestens 50 Prozent aus Anlagen zur Nutzung von Abwärme gedeckt wird. Die Anforderungen an diese Anlage sind ebenfalls definiert und können der Online Publikation des Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) entnommen werden (Seite 63).

Laut §7, Absatz 1, 1a EEWärmeG gilt Abwärmenutzung somit als Ersatzmaßnahme, wenn „Wärme- und Kälteenergiebedarf zu mindestens 50 Prozent aus Anlagen zur Nutzung von Abwärme…stammt“



Die Energieeinsparverordnung (EnEV2014 §15) gibt vor, dass beim Einbau von Klimaanlagen mit einer Nennleistung für den Kältebedarf von mehr als zwölf Kilowatt und raumlufttechnischen Anlagen, die für einen Volumenstrom der Zuluft von wenigstens 4.000 Kubikmeter je Stunde ausgelegt sind, beim Einbau in Gebäude, sowie bei der Erneuerung von Zentralgeräten oder Luftkanalsystemen so ausgeführt werden müssen, dass diese mit einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung ausgestattet sein müssen. Die Anforderungen an diese Anlagen sind ebenfalls in § 15 EnEV beschrieben.

Abwärmenutzung hat eine direkte Auswirkung auf den laut EnEV zu berechnenden Primärenergieeinsatz, denn Abwärmenutzung führt zu einem geringeren Primärenergiefaktor als, z.B. fossile Brennstoffe wie Öl oder Gas. Der Primärenergieeinsatz gibt an, wieviel Energie zur Beheizung, Kühlung und Beleuchtung von Gebäuden eingesetzt wird. Er ist Grundlage zur Bewertung von Gebäuden und wird in Energieausweisen ausgewiesen.

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