Vier junge Wissenschaftler sprechen über die Zukunft der Abwärmenutzung

Am Scheideweg zur Nachhaltigkeit stehen energieintensive Industrien vor großen Herausforderungen - Abwärmenutzung ist eine der vielversprechendsten Optionen, um Energie zu sparen, eine Kreislaufwirtschaft zu speisen und grün zu werden. Seit über drei Jahren arbeitet eine Gruppe von Wissenschaftlern in vier europäischen Ländern an dem ETEKINA Projekt, um eine unglaublich effiziente Technologie zur Rückgewinnung und Wiederverwendung überschüssiger Wärme neu zu erfinden.

Im Rahmen des ETEKINA-Projekts haben die Forscher drei neue Wärmerohr-Wärmetauscher (HPHE) entwickelt, um den spezifischen Herausforderungen verschiedener energieintensiver Industrien zu begegnen. Jetzt, nur noch wenige Monate vom Abschluss des EU-Projekts entfernt, trafen sich vier der jüngsten Köpfe, die an diesem Projekt beteiligt waren, letzten Monat zu einem Videogespräch, um ihre Gedanken und Hoffnungen über die Auswirkungen mitzuteilen, die sie von den innovativen HPHEs in Sektoren erwarten, die einige der größten Kohlenstoff-Fußabdrücke der Welt verzeichnen.

Ihre Namen sind Matevz Pusnik, Nerea Nieto, Lujean Ahmad und Matteo Venturelli. Die vier sind sich einig, dass eines der wertvollsten Merkmale des Projekts die Schaffung eines revolutionären Werkzeugs ist, das energieintensiven Industrien mit einem ungenutzten Potenzial zur Wiederverwendung von Abwärme zugute kommen wird. "Der HPHE ist eine kompakte und robuste Lösung für energieintensive Industrien in einem Moment, in dem Abwärmenutzung weltweit ein heißes Thema ist", sagt Matevz. "Und er ist sehr innovativ."

Die HPHE von ETEKINA wurden mit dem Ziel entwickelt, zwischen 57 % und 70 % der Abwärmeströme in drei spezifischen Sektoren zurückzugewinnen : Stahl, Aluminium und Keramik. Die Forscher gehen davon aus, dass HPHE zu der Dynamik beitragen werden, die sich rund um Abwärmenutzungssysteme entwickelt - mit dem wachsenden Bewusstsein für den Klimawandel wächst auch der globale Markt für Abwärmerückgewinnungstechnologien. Laut dem Marktforschungsunternehmen Technavio soll diese Branche in den nächsten Jahren jährliche Zuwächse von 6 % verzeichnen, bis sie im Jahr 2023 16,8 Mrd. US$ erreicht. Matevz, Nerea, Lujean und Matteo glauben, dass in Zukunft alle energieintensiven Industrien irgendeine Art von Wärmerückgewinnungssystem verwenden müssen. "Das ist die Hoffnung und das Ziel", sagt Lujean.

Kräfte aus ganz Europa bündeln

Über drei Jahre lang haben die jungen Forscher ihre Kräfte aus vier verschiedenen Ländern gebündelt. In Slowenien ist der 39-jährige Matevz Pusnik der Verantwortliche für die Entwicklung eines Software-Management-Tools für die Wärmerückgewinnung , das in einer der Fallstudien von ETEKINA, einem Stahlproduktionsunternehmen in der Stadt Ravne na Koroškem, eingesetzt wird. "Das Tool ist ein maßgeschneidertes Werkzeug zur Kostenoptimierung und kann von anderen energieintensiven Industrien zur Prozessoptimierung und szenariobasierten Bewertung eingesetzt werden", erklärt er. Matevz ist Forscher am Jožef-Stefan-Institut, wo er sein Fachwissen im industriellen Energiemanagement auch bei der Erstellung von Modellen zur Unterstützung nationaler strategischer und politischer Dokumente einsetzt.

Von mehr als 1.600 Kilometern entfernt, im Norden Spaniens, ist die 34-jährige Ingenieurin Nerea Nieto in dieses Gespräch eingebunden. Sie ist Mitglied des Teams des Forschungsinstituts Ikerlan, das die Implementierung von HPHE in einer Aluminium-Druckgussanlage in Arrasate-Mondragón überwacht. Sie war von Anfang an aktiv an ETEKINA beteiligt, half bei der Ausarbeitung des Vorschlags und der Entwicklung eines Tools, mit dem festgestellt werden kann, ob HPHE für die Bedürfnisse des Kunden geeignet ist. "Wir arbeiten mit Industriepartnern zusammen, um herauszufinden, welcher Abwärmestrom das größte Potenzial für unsere Technologie hat, sowie den internen Prozess, in dem diese zurückgewonnene Wärme wiederverwendet werden kann", erklärt Nerea. Und das alles, während sie nach neuen Ideen sucht, die das Potenzial haben, ein EU-Projekt zu werden.

Wissenschaftler wie sie und Matevz sind es gewohnt, Multitasking zu betreiben und ihre Zeit zwischen verschiedenen Projekten aufzuteilen. Matteo, ein 29-jähriger Doktorand an der Universität von Modena und Reggio Emilia, nimmt derzeit an zwei EU-Projekten teil, darunter ETEKINA. "Ich stehe in direktem Kontakt mit dem KeramikfliesenherstellerAtlas Concorde, einem der drei Endverbraucher, bei dem HPHE installiert und getestet wird", sagt er. Zu seinen Aufgaben gehört die Validierung der HPHE-Einheit, die in der Fabrik des Unternehmens in der italienischen Stadt Fiorano Modenese installiert werden wird.

In Großbritannien werden die Erkenntnisse dieser drei Forscher und ihrer Teams der 31-jährigen Lujean helfen, die beste Strategie zu entwickeln, um den HPHE von ETEKINA auf den Markt zu bringen. Sie ist Business Development Manager der Heat Pipe and Thermal Management Research Group der Brunel University London. "Wir analysieren den Markt, identifizieren die Trends und heben den Wert und den Wettbewerbsvorteil hervor, den ETEKINAs HPHE bringen kann. Außerdem entwickeln wir das Wertversprechen, den Kundenlebenszyklus und die Geschäftsmodelle", erklärt sie. Lujean ist an sechs Horizon 2020-Projekten beteiligt, die sich mit Heatpipe-Technologien befassen, wo sie einen geschäftlichen Schwerpunkt setzt und an der Verbreitung der Ergebnisse mitwirkt.

Die Forscher erkennen die wirtschaftlichen Vorteile an, die ihr Projekt energieintensiven Industrien bringen kann, aber es sind die grünen Vorteile, die sie enthusiastisch hervorheben. "Die HPHE von ETEKINA zielen darauf ab, die Energiekosten aufgrund des geringeren Verbrauchs zu senken, da die Unternehmen nun die zurückgewonnene Abwärmeenergie wiederverwenden werden. In Ländern mit Fernwärmesystemen, wie Slowenien, können diese Vorteile auf die Gemeinschaft ausgeweitet werden, wie ihr Kollege Matevz Pusnik hinzufügt: "In unserer Fallstudie integrieren wir die Technologie in das Gerät, um Wärme zu erzeugen, die an das lokale Fernwärmenetz übertragen werden kann. Das ist derzeit ein heißes Thema in Europa."

Lujean sagt, dass das Feedback von Partnern und Experten sehr positiv war, vor allem, wenn man HPHE mit Rohrbündelwärmetauschern, der Standardtechnologie in diesem Sektor, vergleicht. "Es gibt so viele verschiedene Elemente, die Rohrbündelwärmetauscher nicht bewältigen können, aber dieser HPHE kann es, wie z. B. die Rückgewinnung von Abwärme, selbst bei schwierigen Aspekten in den Wärmeströmen wie Verschmutzungsmanagement, hohe Betriebstemperaturen und Multi-Sink-Fähigkeit, um nur einige zu nennen. Ich sehe, dass Matteo mir in diesem Punkt zustimmt... Darüber hinaus ist unser entwickeltes Tool zur Analyse der Replizierbarkeit großartig, weil der Kunde in ein Forschungszentrum kommen und Daten wie z. B. Temperaturen und Durchflussraten eingeben kann, und das Tool liefert einen Vergleich: "Das erhalten Sie mit einem PWT und das erhalten Sie mit einem Rohrbündelwärmetauscher". Und es wird auch einen groben Vergleich der Wirtschaftlichkeit durchführen", erklärt sie.

"HPHE ermöglichen die Rückgewinnung von Abwärme aus sehr anspruchsvollen Strömen", fügt Matteo hinzu. "In Italien gewinnen wir zum Beispiel Wärme aus Abgasen zurück, die Partikel enthalten... Wie Lujean sagt, kann ein herkömmlicher Wärmetauscher Probleme wie Fouling oder saure Kondensate haben. Aber die HPHE-Technologie verhindert dies, weil die Temperatur im System gleichmäßig ist, so dass es keine kalten Stellen gibt, an denen das Abgas kondensieren könnte. HPHE eignet sich für die Wärmerückgewinnung aus sehr schwierigen Strömen, während Wärme aus Industrieabgasen aufgrund der rauen Umgebung normalerweise nicht zurückgewonnen wird".

Eine unerwartete Herausforderung

In diesen drei Jahren hat das Team Herausforderungen gemeistert, wie z. B. die Überzeugung von Industriepartnern, sich an dem Projekt zu beteiligen. "Das war nicht einfach", gibt Nerea Nieto zu, "ihr Geschäft ist es, zu produzieren, das ist ihr Hauptziel. Auch wenn Energieeffizienz ein heißes Thema ist, ist es nicht ihre Priorität, und die Beteiligung an EU-Projekten geht über den technischen Teil hinaus - man muss wirtschaftliche Berichte erstellen und es gibt viele andere Aufgaben."

"Ich möchte hinzufügen, dass energieintensive Industrien dazu neigen, ziemlich traditionell zu sein, wenn es um neue Technologien geht", sagt Matevz Pusnik. "Sie ziehen es vor, Dinge zu implementieren, die schon seit ein paar Jahren oder sogar Jahrzehnten funktionieren, und, wie Nerea erwähnte, gibt es den administrativen Teil, bei dem sie Unterstützung brauchen."

"Aber ich glaube, die größte Herausforderung liegt auf der Hand", sagt er und verweist auf die Covid-19-Pandemie, "es ist eine wirklich unglückliche Zeit für den Besuch von Orten und, wie Nerea sagte, ist das Timing für die Industrie entscheidend. Für unsere Partner kann sich jeder Ausfall in Geld niederschlagen. Es ist eine Menge Koordination nötig ... aber wir sind auf einem guten Weg."

Matteo stimmt zu: "Es gab einige Verzögerungen aufgrund der Pandemie, aber wir konnten zwei von drei Geräten in den Anlagen unserer Industriepartner (Spanien und Slowenien) installieren. Ich denke, das ist ein großer Erfolg."

Die HPHE-Einheiten wurden von Professor Hussam Jouhara von der Brunel University London entwickelt, und sein Team muss während der heißen Inbetriebnahmen anwesend sein, was sich aufgrund internationaler Reisebeschränkungen zur Verhinderung der Ausbreitung von Covid-19 als kompliziert erwiesen hat. "Das Reisen zur Installation und Inbetriebnahme dieser Geräte ist ein entscheidender Punkt in unserem Projekt, um sicherzustellen, dass die korrekten Verfahren eingehalten werden", erklärt Lujean. "Trotz der Herausforderungen sind wir im Dezember 2020 zweimal gereist und haben die Extrameile gegangen, um sicherzustellen, dass wir in Spanien anwesend waren, als es einige technische Probleme gab. Für die Mitarbeiter von Brunel war das eine Menge Quarantäne, um es mal so zu sagen."

Im Moment haben einige europäische Unternehmen, wie diese drei Fallbeispiele, ihren ersten Kontakt mit Technologien zur Wärmerückgewinnung, aber viele andere müssen erst noch lernen, welche wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile sie bieten können. Die vier Forscher sind jedoch überzeugt, dass dies ein Markttrend ist, der bleiben wird.

"Ich würde sagen, dass jedes energieintensive Unternehmen seine Abwärme auf irgendeine Weise nutzen muss. Das ist eine Tatsache, denn die Preise für Energie und CO2-Gutscheine steigen", sagt Matevz. "Viele europäische Länder haben die Abwärmenutzung bereits in ihre nationalen Energie- und Klimapläne aufgenommen. Es wird also gemacht werden, es kommt nur darauf an, welche Technologie konkret eingesetzt wird. HPHE geht eine bestimmte Nische an, und ich glaube, dass Abwärmenutzungstechnologien in den nächsten 10 Jahren einen wichtigen Schub erfahren werden... Es ist also eine glänzende Zukunft für Abwärmenutzung."

Nerea, Matevz, Lujean und Matteo haben noch sieben Monate Zeit, um ETEKINAs HPHE-Einheiten für die Stahl-, Aluminium- und Keramikindustrie zu testen und zu optimieren, und sie freuen sich darauf, die Ergebnisse eines Projekts zu sehen, das sie 2017 begonnen haben. "Die Motivation junger Forscher ist normalerweise sehr hoch. Wenn man am Anfang seiner Karriere steht, möchte man diese Art von Herausforderungen annehmen, neue Dinge beweisen und viel lernen", sagt Nerea.

"Ich denke, das liegt daran, dass man Teil eines so großen innovativen Forschungsprojekts ist, das hoffentlich auf den Markt kommt", stimmt Lujean zu. "Man ist motiviert, dies zu erreichen und weiter zu gehen."

Für Matevz bieten Projekte wie ETEKINA jungen Wissenschaftlern eine seltene Gelegenheit, in einem industriellen Umfeld zu arbeiten, das sie sonst nicht bekommen würden: "Man kann in deren Anlagen gehen, die Maschinen und alles sehen. Das hinterlässt Spuren und man lernt viel von den Leuten, die dort arbeiten - sie stehen vor Problemen, die ganz anders sind, als man denkt. Es ist wichtig, dass junge Forscher einen Einblick in das reale industrielle Umfeld bekommen."

Autorin: Stefania Gozzer