Wie die Abwärmenutzung die Landschaften verändern wird

Jedes Jahr lassen Industrien in ganz Europa eine wertvolle Quelle von Wärmeenergie einfach aus ihren Schornsteinen entweichen. Ein von der EU finanziertes Projekt namens ETEKINA hat eine jahrzehntealte Technologie, die so genannten Wärmerohr-Wärmetauscher, neu konzipiert, die es Unternehmen ermöglicht, die von ihnen erzeugte Wärme wiederzuverwenden. Bislang haben drei Standorte, die den Prototyp der Technologie installiert haben, ihre Brennstoffkosten um 40 % gesenkt - eine Aluminiumgießerei in Spanien (Fagor Ederlan), ein Stahlwerk in Slowenien (SIJ Metall Ravne) und ein Keramikhersteller in Italien (Atlas Concorde).

Hussam Jouhara, Professor für Wärmetechnik an der Brunel University London, ist der technische Koordinator des Projekts und teilte seine Gedanken über das Projekt mit ESCI.

Interviewer: Professor Jouhara, Sie und das Team des ETEKINA-Projekts haben einen Weg gefunden, einen neuartigen Wärmetauscher einzusetzen, um Wärme aus einem industriellen Prozess zurückzugewinnen und in einem anderen Teil der Fabrik wiederzuverwenden. Was ist der Kern dieser Technologie?

Hussam Jouhara: Ein Wärmerohr ist ein thermischer Supraleiter. Der Schlüssel dazu ist, dass man keine Flüssigkeit mit Hilfe von Pumpen oder Flüssigkeitsleitungen zwischen den heißen und den kalten Bereichen bewegen muss, um den Wärmeübertragungsprozess zu erleichtern. Das Wärmerohr selbst kann dies auf passive Weise tun, solange man ihm unter den richtigen Wärmeübertragungsbedingungen Zugang zu dem heißen und dem kalten Strom gewährt.

Wenn man das System von außen betrachtet, sieht es recht einfach aus. Zwischen zwei Kammern befinden sich Rohre, die lediglich die Wärme aufnehmen und an den Ort des Bedarfs weiterleiten. Schaut man jedoch tiefer ins Innere der Rohre, findet man eine sehr komplexe Wissenschaft. Man hat es mit einer zweiphasigen Wärmeübertragung zu tun - die Flüssigkeit wechselt ihre Phase von Flüssigkeit zu Dampf und transportiert dabei die latente Wärme, um sie an den Kondensatorteil abzugeben, wo dieser Dampf kondensiert, der dann die Heizflüssigkeit erwärmt.

Können Sie einige Beispiele für die verschiedenen Flüssigkeiten, die Sie verwenden, oder die verschiedenen Materialien nennen?

Im Rahmen des ETEKINA-Projekts haben wir zwei Flüssigkeiten in diesen Wärmerohrsystemen verwendet. Die eine Flüssigkeit ist ultrareines Wasser. Aber bei Hochtemperaturanwendungen haben wir auch Flüssigkeiten, die im Wärmetauscher selbst effektiv eingesetzt werden können, damit die Wärmerohre sicher funktionieren. Da diese Flüssigkeiten im Inneren des Systems eingeschlossen sind, wird nur eine kleine Menge davon verwendet.

Das ETEKINA-Projekt begann vor vier Jahren. Was war Ihre Absicht mit dem Projekt? Wie sind Sie auf diese Idee gekommen?

Die Idee, das ETEKINA-Projekt auf die Beine zu stellen, bestand eigentlich nur darin, die Bedeutung und das Potenzial der Wärmerohrtechnologie zu demonstrieren und zu zeigen, wie sie zur Rückgewinnung von Abwärme aus sehr anspruchsvollen Strömen eingesetzt werden kann, die mit anderen konventionellen Systemen nicht zurückgewonnen werden können, und wie die zurückgewonnene Wärme in der Anlage selbst wiederverwendet werden kann. Dies führt dann zu einer Verringerung der CO2-Bilanz der Anlage, zu einer Senkung des Energiebedarfs und zu einer Verbesserung der Energieeffizienz der Anlage im Allgemeinen.

Ich glaube auch, dass ETEKINA dazu beiträgt, die Effizienz dieser Systeme zu verbessern, indem die richtige Technologie eingesetzt wird, um dies zu ermöglichen. Das Ziel für ETEKINA war eine 40-prozentige Rückgewinnung der verfügbaren Wärme, die aus den Abluftströmen verloren geht. Ich freue mich, sagen zu können, dass es dem Konsortium nach vier Jahren und der Installation der drei Anlagen gelungen ist, die 40 Prozent als Mindestziel zu erreichen.

Tatsächlich liegen wir in allen drei Demonstrationsanlagen darüber. Das ist eine erfreuliche Tatsache und ein Erfolg für das gesamte Konsortium.

Ein weiteres Ziel war es, einen Wärmerohr-Wärmetauscher mit hoher TRL zu entwickeln, der direkt an die Industrie geliefert werden kann. Darüber hinaus haben die an diesem Projekt beteiligten FTEs Fähigkeiten zur Systemmodellierung entwickelt, die jeder interessierten Industrie bei der Modellierung verschiedener Abwärmerückgewinnungsoptionen helfen können, um den höchstmöglichen thermischen Wirkungsgrad zu erreichen.

Ich denke, es ist eine kritische Frage - warum sind wir erst jetzt in der Lage, diese Wärmerohrtechnologie zu entwerfen, zu bauen und umzusetzen? Das Prinzip ist etwa vierzig Jahre alt .

Man muss die Chemie richtig verstehen. Man muss die Materialwissenschaft verstehen. Man muss den Business Case richtig verstehen, um sicherzustellen, dass es für jedes Unternehmen, das diese Technologie einsetzt, auch wirklich Sinn macht. Sie müssen auch sehr komplexe Wärmeübertragungsphänomene verstehen; vor allem Zweiphasenübertragung, Zweiphasenströmung, komplexe Begriffe. Man muss all diese Kenntnisse kombinieren, um die Anforderungen an die Konstruktion zu verstehen.

Und es war ein echtes Vergnügen, eng mit unserem Fertigungsunternehmen in Wales im Vereinigten Königreich zusammenzuarbeiten, um die Fähigkeiten zur Herstellung dieser Wärmerohre zu entwickeln. Wir entwickeln den Herstellungsprozess und die Installation gemeinsam.

Können Sie einige Beispiele für die von Ihnen erwähnte Wärmerohrtechnologie nennen, z. B. für das Stahlgehäuse? Wissen Sie, mit welcher Art von Temperaturen wir es zu tun haben? Wie ist die Situation in einem Stahlofen?

Wir haben ein Beispiel in Italien - der Keramikhersteller Atlas Concorde - und die Anforderung besteht darin, Hochdruck-Heißwasser mit einer Temperatur von bis zu siebzig Grad für den Einsatz im Prozess selbst in verschiedenen Bereichen bereitzustellen. Und dieses Wasser wird mit der Abwärme erhitzt, die wir aus unserem Wärmetauscher zurückgewonnen haben.

Das Einzigartige an dem von uns gebauten Wärmetauscher ist, dass der Abgasstrom durch einen Abschnitt läuft, in dem nahezu atmosphärischer Druck herrscht. Es sind also keine wirklichen Investitionen in Hochdruckanlagen für den Abgasstrom erforderlich, was das System kosteneffizient macht. Außerdem haben wir die Verschmutzung in den Griff bekommen, die aufgrund der Partikelbelastung in diesem Abgas zu erwarten ist.

Das Stahlwerk SIJ Metal Ravne in Slowenien hat Bedarf an mehreren Kühlkörpern. Bei den Wärmesenken handelt es sich um die Flüssigkeiten, die durch die zurückgewonnene Wärme erwärmt werden. Die Anlage in Slowenien hatte also zwei Kühlkörper. Die erste gewinnt die Wärme aus den einströmenden Hochtemperaturabgasen zurück, und diese Wärme wird direkt zur Vorwärmung der Luft in der Verbrennungskammer verwendet, was direkt zu einer Reduzierung des Brennstoffs führt, der verwendet wird, um die für den Prozess erforderliche Temperatur zu erreichen.

Diese Abgase hinterlassen in diesem Bereich auch genügend Energie, die zurückgewonnen werden kann, um Wasser auf 90 Grad zu erhitzen. Das Unternehmen nutzt nicht nur die zurückgewonnene Wärme wieder. Es exportiert auch Energie in die nähere Umgebung, wodurch es stärker in die Gemeinschaft integriert wird.

Die Produktionsanlage für Aluminiumlegierungen von Fagor Ederlan in Spanien, die sich in einer unserer Partnereinrichtungen befindet, ist mit sehr hohen Temperaturen konfrontiert. Hohe Temperaturen, die in der Regel sehr komplexe Konstruktionen und einen sehr iterativen Ansatz erfordern, um sicherzustellen, dass es unter keinen Umständen zu einer Kreuzkontamination zwischen den beiden Strömen kommt, und um die hohen Temperaturen so zu handhaben, dass der Prozess mit Hochtemperaturwärme und -flüssigkeit versorgt wird, die im Prozess verwendet werden kann. Das haben wir in ETEKINA auf kosteneffiziente Weise geschafft und die Anlage erfolgreich installiert.

Jede der von uns im Rahmen dieses Projekts gelieferten Anlagen bewältigte einen komplexen und anspruchsvollen Abgasstrom auf spezifische Weise. Das ist das Einzigartige an der Heatpipe-Technologie. Sie kann Lösungen für komplexe Szenarien liefern.

Auch aus der Sicht des Investors haben Sie erstaunliche Zahlen.

Bei diesem Projekt handelt es sich nicht nur um eine akademische Herausforderung. Es ist ein angewandtes Projekt. Wir mussten drei Systeme liefern, die sich innerhalb von 24 Monaten oder weniger amortisieren. Andernfalls können wir die Industrie nicht davon überzeugen, sie zu übernehmen.

Wie Sie schon sagten, war der Business Case für die Geräte ziemlich erstaunlich, und die Validierung erfolgte durch die Daten, die wir bisher gesammelt haben. Wir haben unser Ziel erreicht, wenn diese Geräte irgendwo in Europa oder weltweit installiert oder für einen ähnlichen Prozess entwickelt werden sollen.

Und was kommt als nächstes? Werden wir mit dieser Technologie die Welt retten?

Nun, ich hoffe es. Heutzutage ist es so, dass in Europa, wenn man an unseren Kontinent denkt, die Kosten für Emissionen extrem hoch sind. Das Interessante an diesem Projekt ist, dass wir nach der Hälfte der Laufzeit von ETEKINA und der Durchführung einiger Experimente an einem der Standorte festgestellt haben, dass wir mit dieser Technologie noch mehr erreichen können.

Während der Arbeit an diesem Projekt und in Zusammenarbeit mit sehr fähigen Partnern kamen wir auf eine weitere Idee, die wir jetzt im Rahmen eines anderen Projekts erforschen. Und dieses Projekt wird hoffentlich wieder die Welt retten, denn es wird nicht nur die verschwendete Wärme zurückgewinnen, sondern auch das Abwasser.

Und welche Art der Nutzung sehen Sie für ETEKINA auf kommerzieller Ebene?

Wir haben jetzt eine Technologie, die die richtige technologische Bereitschaftsstufe (TRL) erreicht hat, die es dem Hersteller, in diesem Fall Econotherm, ermöglichen wird, einen viel größeren Markt zu erschließen, um diese Einheiten an die Industrie zu liefern, und zwar auf der richtigen Geschäftsebene.

Sie können immer noch Schornsteine sehen, die Dämpfe ausstoßen. Das zeigt Ihnen, dass wir noch etwas anderes tun können, nämlich diese Schornsteine zu beseitigen und alles in der Anlage selbst zu recyceln, was kein Traum ist. Das ist kein Traum, sondern kann mit dem richtigen Ansatz Realität werden.

Welchen Einfluss hat ETEKINA auf die akademische Welt?

Wir hatten das Ziel, neue Lösungen für etablierte, in ihren Bereichen führende Industrien zu entwickeln. Aber parallel dazu arbeiten wir als Universitäten und Forschungsinstitute zusammen.

Wir haben zum Beispiel neue Modellierungsfähigkeiten erreicht. Normalerweise sind diese Modellierungsfähigkeiten eine sehr teure Forschung. Das heißt, wenn sie im Labor durchgeführt werden soll, wäre es extrem teuer, diese Forschung mit Hilfe von IT-Ausrüstung durchzuführen. Und wir haben sie veröffentlicht.

Sie sind nun für die breitere Forschungsgemeinschaft überall auf der Welt verfügbar, die Zugang zu diesen Artikeln hat. Damit ist ETEKINA für die akademische Welt genauso nützlich wie für den industriellen Sektor.