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Ökologisch effiziente Industrieöfen mit Wärmerückgewinnung und -speicherung für den Bedarfsfall

Im Rahmen EU-finanzierter Forschung konnte eine fortgeschrittene Technik zur Wärmeenergiespeicherung für Industrieöfen demonstriert werden, bei der Phasenwechselmaterialien zum Einsatz kommen, die beim Schmelzen Wärme aufnehmen und diese beim Erstarren wieder abgeben. Die Rückgewinnung von Abwärme und deren Nutzung zum Vorwärmen von Öfen kann die Effizienz von Prozessen in der Industrie um 10 % steigern.

Industrielle Technologien

Energieintensive Industrien verbrauchen gewaltige Mengen an Energie, um chemische, physikalische oder mechanische Prozesse in Gang zu halten. Verschwenderische Mengen der eingesetzten Gesamtenergie gehen als Abwärme in die Umgebung verloren und nur ein relativ kleiner Teil davon wird tatsächlich direkt für Heizzwecke oder zur Stromerzeugung genutzt. Aber warum sollte die vorhandene Energie nicht zur weiteren Steigerung der Effizienz industrieller Prozesse zum Einsatz kommen?

Wie mit Wärmerückgewinnung 300 TWh jährlich einzusparen sind

Kaum irgendwo anders könnte die Wärmerückgewinnung relevanter sein, als bei den mit fossilen Brennstoffen befeuerten Heiz- und Schmelzöfen, die in der Industrie, insbesondere in Metallurgie-, Glas- und Keramikanwendungen, im Einsatz sind. Die größten Wärmeverluste treten bei den Ofenabgasen auf, deren Temperaturen sogar 1 600 °C erreichen können. Auch wenn es sich hier um praktisch verfügbare Wärme handelt, die zurückgewonnen und wiederverwendet werden kann, nutzen die energieintensiven Industrien diese Hochtemperaturwärme kaum zu ihrem Vorteil, was hauptsächlich auf technische oder wirtschaftliche Barrieren zurückzuführen ist. „Die Industrieanlagen Europas könnten etwa 300 TWh Abwärme jährlich einsparen“, erklärt Patricia Royo, Projektmanagerin bei der CIRCE Foundation. Dieser Wert entspricht einer Einsparung von mehr als 250 Millionen Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr. Das in Spanien ansässige Technologiezentrum leitete zusammen mit Projektpartnern aus Deutschland, Spanien, Frankreich, Italien, Polen, Slowenien, dem Vereinigten Königreich und der Türkei das EU-finanzierte Projekt VULKANO. Die vielversprechenden Arbeiten konzentrierten sich auf Technik zur Wärmeenergiespeicherung auf der Grundlage von Phasenwechselmaterialien, die Hochtemperaturwärme aus Quellen über 1 000 °C zurückgewinnen und speichern können. Mit dieser nachgerüsteten Lösung zur Speicherung von Wärmeenergie könnten die energieintensiven europäischen Industrien die Energieeffizienz ihrer Heiz- und Schmelzöfen um 10 % steigern.

Alles hängt von der Phase ab

„Dank integrierter Wärmespeicherung mittels Phasenwechselmaterialien kann Abwärme aus Verbrennungsgasen oder anderen Quellen überschüssiger Wärme zurückgewonnen und gespeichert werden, um damit die in den Ofen eintretende Luft vorzuwärmen“, erklärt Royo. Schmilzt oder erstarrt ein Phasenwechselmaterial, wird eine große Menge an Energie absorbiert oder freigesetzt. Im Bedarfsfall kann diese latente Wärme dann genutzt werden. „Im Vergleich zu Systemen, die auf fühlbarer Wärme beruhen, haben Phasenwechselmaterialien eine hohe Energiespeicherdichte, was sie für eine kompaktere Designvariante prädestiniert. Zudem tragen sie zur Aufrechterhaltung einer nahezu isothermen Speicherung bei und erhöhen auf diese Weise die Flexibilität des Systems. Die gespeicherte Wärme könnte vielen Zwecken dienen, etwa der Vorwärmung der zum Ofeneinlass strömenden Verbrennungsluft oder der Erhöhung der Beschickungstemperatur. Die Projektpartner erprobten ihre Technik in einem Stahlwerk in Slowenien und hatten über spannende Ergebnisse zu berichten. Allein das System kann 351 MWh Wärmeenergie jährlich einsparen. In den Projektdemonstrationen ergab wiederverwendete zurückgewonnene Wärmeenergie um 200-300 °C wärmere Verbrennungsluft. Phasenwechselmaterialien könnten die Energieeffizienz des Ofens während der Auslaufphase um 5-12 % steigern. Die Technik zur Speicherung und Rückgewinnung von Abwärme bildete nur einen Teil der modernen integrierten Nachrüstlösung von VULKANO für ökologisch effiziente und wettbewerbsfähige Öfen. Zu den weiteren Innovationen gehören feuerfeste Materialien, zur Mitverbrennung geeignete Brenner, Überwachungs- und Steuerungssysteme sowie ein ganzheitliches internes Vorhersageinstrument. „Die integrierten Nachrüstlösungen von VULKANO weisen den Weg, wie existierende Industrieöfen modernisiert werden können“, so Royo abschließend. „Die jährlichen Energieeinsparungen könnten sich auf 100 000 EUR summieren.“

Schlüsselbegriffe

VULKANO, Abwärme, Phasenwechselmaterial, Industrieöfen, Wärmespeicherung, energieintensive Industrien, Energieeffizienz, energetischer Wirkungsgrad

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