Industrielle Abwärmenutzung durch thermische Energiespeicherung – Innovatives Wärmerecycling des ZAE unter den TOP 10 für die GreenTec Awards 2015

Gießereien gehören zu den energieintensivsten Industriebetrieben. Der größte Teil der eingesetzten Energie wird dazu benötigt, die Schmelzöfen mit den sich in ihnen befindenden Metallen zu erhitzen, um so die Metalle zu verflüssigen, damit sie anschließend in die gewünschten Formen gegossen werden können.

Schmelzöfen liefern während ihres Betriebs sowie in den Abkühlphasen Abwärme, die häufig ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird – so auch in der Gießerei Heunisch in Bad Windsheim. Daher stellte man sich in der Gießerei Heunisch die Frage, ob man diese Abwärme auf wirtschaftliche Weise nutzen kann – als Prozesswärme, zum Heizen oder gar zur Generierung von Kälte. Eine Nutzung der Abwärme wird außerdem dadurch erschwert, dass sie zu Zeiten anfällt, die nicht identisch mit den Phasen sind, in denen Wärme benötigt wird.

Im Rahmen einer Kooperation des ZAE Bayern mit der Gießerei Heunisch und dem Anlagenbauer Küttner wurde eine Antwort auf diese Frage gefunden:

Im Mittelpunkt der entwickelten Lösung steht ein Energiespeichersystem, das die Abwärme des Schmelzofens (Kupolofen) speichert, um diese während der Stillstandzeiten des Ofens zur Bereitstellung von Prozess- und Heizwärme sowie von Prozesskälte nutzen zu können. Erreicht wird dies durch den Einsatz innovativer Technologien im Bereich der Wärmespeicherung und Wärmetransformation sowie durch ein Energiemanagementsystem, das für eine effiziente Verknüpfung der Wärmequellen und -senken sorgt.

Auf dem Weg dahin muss eine Reihe von Problemen gelöst werden: Beispielsweise sind Systeme zur Speicherung größerer Mengen Wärme bei Temperaturen bis 300 °C noch nicht auf dem Markt verfügbar, so dass diese Hochtemperaturspeicher erst entwickelt werden müssen. Ebenso neu ist die Verknüpfung derartiger Speicher mit Absorptionswärmepumpen, die auch die von der Gießerei benötigte Kälte realisieren können.

Der in der Entwicklung befindliche Hochtemperaturwärmespeicher ist ein sogenannter Zweistoffspeicher. Er enthält eine Feststoffschüttung, die direkt von einer Wärmeträgerflüssigkeit umströmt wird. Zu seinem Betrieb sind keine hohen Drücke erforderlich. Dieses Konzept besitzt erhebliche Vorteile gegenüber alternativen Speicherkonzepten (z. B. Druckwasserspeichern oder Thermoölspeichern). Unter anderem lassen sich durch die Verwendung kostengünstiger Feststoffschüttungen – z. B. solche aus Gestein – relativ niedrige Herstellungskosten realisieren.

Zur Entwicklung des thermischen Speichers wird am ZAE Bayern unter anderem ein Teststand eingerichtet, mit dem geeignete Feststoffschüttungen als Speicherfüllmaterial identifiziert werden können und ihre chemische Beständigkeit und Zyklenfestigkeit untersucht werden kann. Mit diesem Teststand werden insbesondere die Auswirkungen unterschiedlicher Schüttungsarten, Schüttungsgrößen und -formen, Schüttungsdichten und Schüttungsoberflächen auf die Leistungsfähigkeit des Speichers analysiert, und auf Basis der Ergebnisse wird ein geeignetes Speicherfüllmaterial ermittelt.

Einen weiteren Arbeitsschwerpunkt bildet die benötigte Wärmepumpe. Während bei konventionellen Absorptionswärmepumpen die Antriebswärme durch Heißwasser, Dampf oder Rauchgas zugeführt wird, wird für das geplante System zum Wärmerecycling eine Absorptionswärmepumpe benötigt, die Thermoöl als Wärmeträger nutzt. Daher muss sowohl das Konzept der Wärmeübertragung in der Absorptionswärmepumpe als auch die Dimensionierung des benötigten Wärmeübertragers angepasst werden. Ferner ist es erforderlich, die Absorptionswärmepumpe an die geforderten Temperaturniveaus bei der Bereitstellung der Kälte (ca. 5 °C, Rückkühlung bei ca. 40 °C) und Wärme (ca. 85 °C, Niedertemperaturquelle bei ca. 30 °C) anzupassen.

Die gespeicherte Abwärme kann dadurch vielfältig zur Bereitstellung von Prozesskälte, zum Antrieb der Wärmepumpe, zum Heizen und zur Brauchwasserbereitung genutzt werden.

Nach der Inbetriebnahme des Energiespeichersystems beginnt die Erprobung unter realen Betriebsbedingungen. Während dieser Phase erfolgt eine kontinuierliche, intensive technische und wissenschaftliche Betreuung der Anlage. Basierend auf einem Monitoring wird das Energiespeichersystem unter technischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten analysiert. Die erhaltenen Daten werden dazu verwendet, weitere Optimierungspotentiale zu identifizieren und diese bei der errichteten Anlage sowie bei weiteren zukünftig zu realisierenden Systemen zu erschließen.

Durch die Anlage zum Abwärmerecycling sollen bei der Gießerei Heunisch jährlich etwa 3000 MWh Primärenergie und 600 t CO2 eingespart werden. Das entspricht dem Heizbedarf von rund 300 Niedrigenergiehäusern bzw. dem CO2-Ausstoß von 300 Fahrzeugen mit einer Fahrleistung von 10.000 km pro Jahr.

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Tel.: +49 89 329442-14

E-mail: Richard.Gurtner@zae-bayern.de

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