Abwärme: Rückgewinnung einer wertvollen erneuerbaren Ressource

Die neue Wärmerückgewinnungsplattform, EMB3Rskann der Industrie helfen, die besten Wege zur Wiederverwendung von Abwärme zu finden, die normalerweise an die Umwelt abgegeben würde. Hier erfahren Sie, wie sie Wärmequellen und -senken zusammenbringt, um Kohlenstoffemissionen zu reduzieren.

Erst im vergangenen Jahr berichtete CORDIS - der Forschungs- und Entwicklungsinformationsdienst der Europäischen Kommission -, dass Energie bis zu 20 % der gesamten Produktionskosten vieler Branchen in Europa ausmacht. In einer Zeit, in der Unternehmen überall auf der Welt damit zu kämpfen haben, die explodierenden Energiepreise zu bezahlen, und der Kampf gegen den Klimawandel auf der politischen Tagesordnung steht, war es noch nie so wichtig, eine billige, saubere und zuverlässige Energiequelle zu finden.

Abwärme ist eine Option, die jetzt sehr ernst genommen wird, mit unzähligen von der Europäischen Union finanzierten Projekten, die herausfinden sollen, wie diese kohlenstofffreie Ressource am besten genutzt werden kann. Ein Beispiel dafür ist die Wärme- und Kälteabgleichsplattform EMB3Rs.

Im Jahr 2019 haben sich Forscher aus ganz Europa zusammengetan, um EMB3Rs zu entwickeln, eine quelloffene Plattform zum Abgleich von Wärme- und Kälteüberschüssen, die die Kosten und Vorteile der Wiederverwendung von industrieller Abwärme ermittelt, die andernfalls an die Umwelt abgegeben würde. Jüngste Versuche haben deutlich gezeigt, wie überschüssige Wärme/Kälte aus der Industrie, u. a. aus der Biomasse- und Stahlproduktion, aufgefangen und als kohlenstofffreie Energie in Prozessen und Dienstleistungen, z. B. in der Käseverpackung und in Supermärkten, wiederverwendet werden kann.

Darüber hinaus bestätigen Versuche, dass die zurückgewonnene Wärme und Kälte effizient in Fernwärmenetzen genutzt werden kann. Zu den Fallstudien aus der Praxis gehören das Fernwärme-Kälte-Netz von Climaespaço in Portugal und ein Fernwärmesystem in Landskrona, Schweden.

Open-Source-Plattform zur Förderung der Wärme-/Kälterückgewinnung auf industrieller Ebene

Shravan Kannan, Forscher an der schwedischen Königlichen Technischen Hochschule (KTH), freut sich auf die Zukunft der Plattform, während sich das Projekt seinem Ende nähert. Im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte Kannan das so genannte TEO-Modul (Technic Economic Optimization) der Plattform, das die kosteneffizienteste Art und Weise des Einsatzes verschiedener Technologien an Wärme-/Kältequellen und -senken ermittelt. Wie die anderen Module der Plattform ist auch dieses ein "Plug-and-Play"-Tool, das allein oder in anderen Plattformen verwendet werden kann.

"Eine meiner wichtigsten Erkenntnisse ist, dass wir sicherstellen müssen, dass die von uns entwickelten Tools für unsere industriellen Nutzer wirklich nützlich sind - sie müssen quelloffen und leicht erlernbar sein", sagt er. "Ich denke, das ist uns gelungen, und wenn wir diese Plattform vollständig fertiggestellt haben, können wir unsere Erfahrungen auf neue Plattformen übertragen. EMB3Rs bietet außerdem eine hervorragende Grundlage und kann sehr leicht modifiziert werden - man wird diese Plattform in der Zukunft erweitern können.

Kannan ist überzeugt, dass der Einsatz von EMB3Rs für jede Art von Wärmerückgewinnungsanalyse oder Machbarkeitsstudie - sowohl auf industrieller als auch auf kommunaler Ebene - sowohl für die Anbieter von überschüssiger Wärme und Kälte als auch für die Nutzer von Nutzen sein wird. "EMB3Rs ermöglicht die Entscheidungsfindung auf verschiedenen Ebenen - die Nutzer können zum Beispiel sehen, wie hoch die Gewinne für verschiedene Projekte sein könnten, und dann herausfinden, wo die Synergien und Kompromisse liegen", sagt er.

Alle Augen auf EMB3Rs gerichtet

Patrick Hoffmann von der Abteilung Energiemärkte am Institut für Zukunftsenergie- und Stoffstromsysteme (IZES) in Saarbrücken, Deutschland, hat die Entwicklung von EMB3Rs aufmerksam verfolgt und ist gespannt, wie es weitergeht. Er sagt: "Überschuss- oder Abwärme ist kohlenstofffrei... und ich denke, dass wir in den nächsten Jahren eine große Nachfrage nach Plattformen wie EMB3R sehen werden, die die Abwärmequellen mit den Wärmesenken zusammenbringen können."

Hoffmann selbst arbeitet seit vielen Jahren mit Abwärme und war an mehreren Abwärmeprojekten beteiligt, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wurden. Dazu gehört zum Beispiel das Projekt KoWa - Wärmewende in der kommunalen Energieversorgung -, in dem untersucht wird, wie kommunale Wärmenetze in Deutschland im Rahmen der bundesweiten Wärmewende umgesetzt bzw. ausgebaut werden können.

Seit 2015 organisiert Hoffmann im Auftrag des BMWK den jährlich stattfindenden Abwärmekongress. Wie er betont, ist das Interesse an der Abwärmenutzung in den letzten Jahren stark gestiegen, was vor allem auf die ambitionierten Klimavorgaben zurückzuführen ist. Nach Angaben des Forschers liegt der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung in Deutschland bei 41 %, der Anteil der erneuerbaren Energien an der Wärmeversorgung jedoch nur bei 17 %. Angesichts der Absicht der Bundesregierung, die Treibhausgasemissionen gemäß dem Klimaschutzgesetz bis 2030 um 65 Prozent gegenüber 1990 zu reduzieren und bis 2045 Klimaneutralität zu erreichen, muss diese Diskrepanz schnell behoben werden.

"In naher Zukunft wird es eine flächendeckende Wärmeplanung für deutsche Kommunen geben - in einigen Bundesländern haben wir bereits eine verbindliche Wärmeplanung", sagt Hoffmann. "Abwärme ist kohlendioxidneutral - genau wie erneuerbare Energien -, daher sehen wir jetzt einen großen Trend zu Wärmenetzen, die viel erneuerbare Energie enthalten, aber auch Abwärme nutzen. In Deutschland gibt es viele Förderprogramme, so dass viele in der Industrie jetzt versuchen, die Abwärmequellen zu finden".

Vor diesem Hintergrund hat sich Hoffmann kürzlich die EMB3Rs-Plattform genauer angesehen. Er fand das Design der Plattform insgesamt "sehr ansprechend" und stellte fest, dass das Hinzufügen von Daten zu neuen Senken und Quellen sehr einfach ist - die Benutzerfreundlichkeit ist für den Erfolg jeder Plattform entscheidend.

"Sobald die Daten ausgewählt und in EMB3Rs eingegeben worden sind, bietet die Plattform in jedem Modul eine breite Palette von Optionen", betont er. "Im Marktmodul kann man zum Beispiel den Zeitraum einer Simulation festlegen... und auch dezentrale Märkte werden angesprochen - das ist alles großartig."

Hoffman war auch von dem TEO-Modul, das von Kannan entwickelt wurde, fasziniert. Ihm gefiel besonders die Tatsache, dass dieses Tool Marktbeschränkungen aufgrund von Regulierung, Verfügbarkeit von Wärme und Lastprofilen sowie die technisch-wirtschaftlichen Merkmale der Technologien und Investitionspläne berücksichtigt.

Hoffnungen für die Zukunft

Mit Blick auf die künftige Nutzung von Plattformen wie EMB3Rs betonen sowohl Kannan als auch Hoffman, wie wichtig es ist, genaue Daten zu verwenden, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Wie Hoffman es ausdrückt: "Es kommt immer auf die Daten an."

In diesem Zusammenhang weist Kannan darauf hin, dass er und seine Kollegen über die Entwicklung eines Moduls zur Vertrauensanalyse nachdenken, das den Benutzern helfen könnte, die Genauigkeit der eingegebenen Daten zu beurteilen. Eine weitere interessante Option ist die Entwicklung eines "Pinch-Analyse"-Moduls, das den Wärmefluss durch einen industriellen Prozess analysiert, um den Energieverbrauch zu minimieren.

Hoffmann fragt sich jedoch, wie sich die Verfügbarkeit von Echtdaten auf die Nutzung der Plattform auswirken wird. "Meiner Meinung nach wird die Verfügbarkeit von realen Daten oder alternativ von realistischen Erfahrungswerten darüber entscheiden, ob oder wie intensiv EMB3R genutzt wird", sagt er. "Auf jeden Fall sieht die Plattform auf den ersten Blick sehr vielversprechend aus. Aus funktionaler Sicht sieht alles toll aus und es scheint an alles gedacht worden zu sein."

"Ich bin nun gespannt, wie sich die Plattform letztendlich bewährt und wie sie von Unternehmen und Kommunen angenommen wird", fügt er hinzu. Die Plattform wird kurz nach Abschluss ihrer Entwicklung im Februar 2023 für die breite Öffentlichkeit zum Testen zur Verfügung stehen.

Ein Plattformtest für interessierte Akteure fand am 29. März 2023 statt. Weitere Informationen finden Sie hier.