Kleine Systeme, großer Nutzen

30. March 2022 von Corinna Barnstedt
Kleine Systeme, großer Nutzen

Steigende Gaspreise und höhere Kohlenstoffkosten erhöhen die Nachfrage nach Abwärmerückgewinnung. ETEKINA hat drei Wärmerohr-Abwärmetauscher entwickelt. Sie haben mehr als ein Megawatt Leistung installiert. Die Einheiten im Labormaßstab sind hochgradig skalierbar und werden bei der künftigen Entwicklung weiterer Wärmerückgewinnungsanlagen eine wichtige Rolle spielen. Außerdem können sie dazu dienen, sicherzustellen, dass das endgültige System die bestehenden Produktionsprozesse einer Einrichtung nicht beeinträchtigt. Diese Geräte bieten einen wirklich wichtigen Einblick in den Betrieb eines Systems und seine Kontrollierbarkeit. Erfreulicherweise stellten die Ingenieure fest, dass große Mengen an Kondenswasser anfallen, die zurückgewonnen werden können, um den Energieverbrauch weiter zu senken und die Energieeffizienz zu erhöhen.


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Wie die von den ETEKINA-Partnern entwickelten Wärmerohr-Wärmetauscher die Abwärmerückgewinnungssysteme der Zukunft prägen.

Anfang Februar dieses Jahres erreichten die Kosten für Kohlendioxid mit 95 € für eine Tonne Kohlendioxidemissionen ein Rekordhoch. Seitdem sind die im Rahmen des Emissionshandelssystems der Europäischen Union festgesetzten Strafzölle für Umweltverschmutzung zwar gesunken, aber die Kohlenstoffkosten liegen nach wie vor um Dutzende von Euro über den früheren Handelspreisen, und das zu einer Zeit, in der auch die Erdgaspreise erschreckend hoch sind.

Die Auswirkungen auf Abwärmenutzungsprojekte wie ETEKINA sind tiefgreifend. Wie Mark Boocock, Geschäftsführer von Econotherm, Großbritannien, betont: "Steigende Gaspreise und höhere Kohlenstoffkosten treiben die Nachfrage nach Abwärmerückgewinnung weltweit erheblich an".

 

"Energieprojekte, die in der Vergangenheit nur mit Mühe und Not genehmigt werden konnten, werden jetzt in Windeseile realisiert, und in vielen Unternehmen liegt der Schwerpunkt auf der Umweltpolitik", fügt er hinzu. "Wir haben gesehen, dass viele globale Unternehmen die Abwärmenutzung in bestehenden Anlagen einführen und sie auch für neue Anlagen vorschreiben - dies ist eine großartige Zeit für Projekte wie ETEKINA."

 

Boocock war von Anfang an an ETEKINA beteiligt und arbeitete eng mit dem wissenschaftlichen Koordinator des Projekts, Professor Hussam Jouhara von der Brunel University London, zusammen. Jouhara war federführend bei der Entwicklung der drei Abwärmerückgewinnungssysteme des Projekts. Boocock und seine Kollegen von Econotherm fertigten und installierten die Systeme in der Produktionslinie für Aluminiumlegierungen von Fagor Ederlan in Spanien, im Stahlwerk SIJ Metal Ravne in Slowenien und in der Keramikproduktionsanlage Atlas Concorde in Italien.

 

Sowohl Jouhara als auch Boocock sind von den Projektergebnissen begeistert. Das ursprüngliche Ziel von ETEKINA war die Rückgewinnung von 40 Prozent der Abwärme in den Abluftströmen der einzelnen Anlagen - vier Jahre später haben alle Standorte dieses Ziel übertroffen. "Mit allen drei Wärmerohrsystemen haben wir mehr als ein Megawatt Leistung installiert", betont Jouhara. "Aufgrund unseres Erfolges übergeben wir nun vollständig an Econotherm, das diese Systeme weltweit nachbauen kann."

Mit Geräten im Labormaßstab alles richtig machen

Ein entscheidender Teil des ETEKINA-Projekts war die Entwicklung von drei Wärmerohr-Wärmetauschern im Labormaßstab bei Brunel, um die Modelle der Wärmetauscher zu validieren und als Prüfstand für die großtechnischen Anlagen zu dienen, die an den drei Standorten in Spanien, Slowenien und Italien installiert werden sollten. Laut Jouhara entwickelten er und seine Kollegen allgemeine thermische Modelle für die Wärmetauscher und führten zusätzliche Modellierungen durch, um die komplexen Konstruktionen der Einheiten zu optimieren. Diese Modelle wurden an den Geräten im Labormaßstab getestet.

So wurde beispielsweise die Strömung der Abgase in der Keramikproduktionsanlage von Atlas Concorde in Italien mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik modelliert, um sicherzustellen, dass alle schweren Partikel im Gas suspendiert bleiben, während es durch das System strömt. "Wenn der Gasstrom im Wärmetauscher stagnieren würde, könnten sich diese schweren Partikel ablagern, ansammeln und schließlich das System blockieren", erklärt Jouhara. "Wir haben daher einige innovative Designs entwickelt [um die Ablagerung von Partikeln zu vermeiden] und diese im Labormaßstab getestet."

 

Bei den ersten Modellierungen und Tests stellten die Ingenieure außerdem fest, dass sich die Partikel, selbst wenn sie während des Gasflusses in der Schwebe blieben, an den Rohrwänden festsetzen würden, wenn die Abgastemperaturen unter ein bestimmtes Niveau sinken. Aus diesem Grund fügten sie dem endgültigen System leicht zugängliche Inspektionstüren hinzu, damit die Partikel bei der regelmäßigen Wartung entfernt werden können.

 

"Wir konnten dieses Design [mit den Türen] bei Atlas Concorde vor Ort validieren, was erstaunlich war", sagt Jouhara. "Die Einheiten im Labormaßstab stellten sicher, dass alle anfänglichen Probleme aufgespürt wurden.

 

Sowohl Jouhara als auch Boocock betonen, dass die Einheiten im Labormaßstab in hohem Maße skalierbar sind und für die künftige Entwicklung weiterer Wärmerückgewinnungsanlagen auf der ganzen Welt von entscheidender Bedeutung sein werden. Darüber hinaus kann mit ihrer Hilfe sichergestellt werden, dass das endgültige System keine Auswirkungen auf die bestehenden Produktionsprozesse einer Anlage hat.

 

"Die Einführung eines konventionellen Abwärmerückgewinnungssystems (ohne Wärmerohr) kann viele Vorteile mit sich bringen, aber es besteht immer das Risiko, dass die Produktion beeinträchtigt wird - jeder Gewinn ist schnell wieder verloren, wenn ein Ausfall des Wärmetauschers die Produktion unterbricht", sagt Boocock. "Aber wenn man sich unsere drei Installationen ansieht - sie sind für die Produktionsprozesse unsichtbar, haben aber einen enormen Einfluss auf den Energieverbrauch und die Effizienz."

Mehr Möglichkeiten mit Abwärme

Mit Blick auf die Zukunft werden die Einheiten im Labormaßstab für die künftige Gestaltung von HPHE-Systemen entscheidend sein. Wie Jouhara hervorhebt: "[Diese Einheiten] können uns wirklich wichtige Einblicke in den Betrieb eines Systems und seine Regelbarkeit geben."

 

Erfreulicherweise sind Jouhara und Boocock bereits dabei, diese Erkenntnisse und die vielen Lektionen, die sie während ETEKINA gelernt haben, in anderen Projekten umzusetzen. In der Keramikproduktionsanlage von Atlas Concorde stellten die Ingenieure fest, dass große Mengen an Kondenswasser anfallen, die zurückgewonnen werden könnten, um den Energieverbrauch weiter zu senken und die Energieeffizienz zu erhöhen. Das von der EU geförderte Projekt Innovative Water RecoveryY Solutions through recycling of heat, materials and water across multiple sectors - iWAYS - ist seither angelaufen, um auf Wärmerohren basierende Technologien für industrielle Prozesse zu entwickeln, mit denen Wasser und Wärme aus Abgasströmen zurückgewonnen werden können.

 

"Ich sehe ETEKINA als das Mutterprojekt von iWAYS, und wir treiben unsere Technologien nun weiter voran, um die latente Wärme zurückzugewinnen und das Wasser aus den Abgasströmen bei Atlas Concorde und anderen Anlagen zu recyceln", sagt Jouhara. "Sie sehen also, unsere Erfolgsgeschichte hört nicht mit den Produkten auf, die wir bei ETEKINA entwickelt haben - wir treiben diese jetzt auf die nächste Stufe und werden die Abwärmerückgewinnungssysteme der Zukunft drastisch verändern."