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Industrielle Abwärme - Sorptionswärmespeicher als Lösung
Autor: Eberhard Lävemann, ZAE Bayern (Stand: Dezember 2016) Abwärme aus industriellen Prozessen wird nicht selten bei Temperaturen über 100 °C, z.B. als Abgasstrom, an die Umgebung abgegeben, weil sie sich vor Ort zum aktuellen Zeitpunkt nicht nutzen lässt. Mobile Sorptionsspeicher können mit Abwärme geladen werden und diese später an einem anderen Ort einem industriellen Prozess, idealer Weise einem Trockenprozess, zur Verfügung stellen. Mit dem Ziel zu prüfen, ob mobile Sorptionswärmespeicher eine technische und wirtschaftliche Alternative sind um CO2-Emissionen zu reduzieren, führte das ZAE Bayern im Verbund mit den Partnern Hoffmeier Industrieanlagen in Hamm und der Müllverbrennungsanlage Hamm Betreibergesellschaft ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördertes Projekt durch, das im Dezember 2009 begann und im Juni 2014 abgeschlossen wurde [1].
Sorptionswärmespeicher
Zeolithe sind in der Lage, Wasserdampf aus einem Luftstrom zu adsorbieren und dabei Wärme freizusetzen. Basierend auf diesem Prinzip wurde ein mobiler Sorptionswärmespeicher entwickelt. In einem wärmegedämmten zylindrischen Stahlbehälter mit einer Länge von 7,5 m und einem Durchmesser von 2,5 m wurden 14.000 kg Zeolith (Köstrolith 13X) so untergebracht, dass sie mit bis zu 12.000 m³/h Luft durchströmt werden können.
Demonstrationsanlage
Vom Projektpartner Hoffmeier Industrieanlagen wurde eine Demonstrationsanlage aufgebaut, bestehend aus zwei mobilen Sorptionswärmespeichern (Abb.1), einer Ladestation bei der Müllverbrennungsanlage Hamm (Abb. 2) sowie einer Entladestation bei der Fa. Jäckering Mühlen und Nährmittelwerke, siehe Abb. 3. An der Ladestation wird Umgebungsluft mittels Wärmerückgewinnung und Anzapfdampf aus der Mitteldruckschiene des Dampfkreislaufs der Müllverbrennungsanlage auf ca. 135 °C erhitzt und in den Wärmespeicher geblasen. Dort wird Wasserdampf aus dem Zeolith ausgetrieben, wobei sich die Luft abkühlt. An der Entladestation wird feuchte Luft (Temperatur ca. 60 °C, Taupunkt ca. 40 °C) aus dem Abluftstrom eines Trockenprozesses entnommen und in den Wärmespeicher geblasen. Der Wasserdampf aus der Luft wird dort adsorbiert. Die freiwerdende Adsorptionswärme heizt die Luft auf ca. 160 °C auf. Die trockene heiße Luft wird dem Zuluft-Strom des Trockenprozesses zugeführt und unterstützt einen Gasbrenner, der die restliche Wärme zum Betrieb der Trocknung liefert.



Thermische Leistungen
Die Lade- und Entladeleistungen hängen von den Betriebsbedingungen und dem Ladezustand des Speichers ab. Für die Speicher #1 und #2 wurden 60 bzw. 27 Lade- und Entladezyklen gemessen und ausgewertet. Die über den Ladeprozess und alle Zyklen gemittelte Ladeleistung betrug 225 kW bzw. 220 kW. Die maximalen Ladeleistungen erreichten ca. 500 kW. Die über den Entladeprozess und alle Zyklen gemittelte Entladeleistung betrug 154 kW bzw. 157 kW. Die maximalen Entladeleistungen erreichten ca. 300 kW. Der thermische Gesamtwirkungsgrad betrug im Mittel 78 %.
Energieumsatz
Die vom Speicher an den Prozessluftstrom bei etwa 160 °C gelieferte Wärme betrug für Speicher #1 im Mittel über alle Zyklen 2384 kWh. Die Gaseinsparung lag gemittelt bei 3800 kWh bzw. 3560 kWh pro Zyklus. Der Hilfsenergiebedarf für den Betrieb der Anlage beträgt im Mittel bezogen auf die Gaseinsparung 6,2 %, wobei 5,4 % als Strom für Lade- und Entladestation verbraucht werden, der im Wesentlichen von den Ventilatoren benötigt wird. Der Rest von 0,8 % wird als Kraftstoff für den Transport benötigt.
Der Dampf für die Regeneration des Sorbens wird aus einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage entnommen. Deren Stromproduktion wird dadurch verringert. Energetisch besser wäre die Nutzung des Abgasstromes gewesen. Der Anschluss des Abgases an die Ladestation ließ sich jedoch baulich nicht lösen. Der Verlust bei der Stromproduktion beträgt knapp 13% bezogen auf die durchschnittliche Gaseinsparung. Die CO2-Emissionen werden entsprechend der Gaseinsparung im Mittel um 0,7 t pro Zyklus reduziert.
Wirtschaftlichkeit
Die Wärmegestehungskosten für die Demonstrationsanlage und ihren Betrieb wurden in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2067 in Höhe von 154 €/MWh ermittelt. Aus den Erfahrungen mit der Demonstrationsanlage lassen sich Maßnahmen zur Kostenoptimierung einer Anlage gleichen Typs ableiten, mit denen sich die Wärmegestehungskosten auf ca. 73 €/MWh senken lassen. Die Verteilung der Kosten ist in Abb. 4 dargestellt. Wenn die Ladewärme als Abwärme kostenlos bezogen werden kann, entfallen die Kosten für Dampf und die spezifischen Wärmegestehungskosten reduzieren sich auf ca. 67 €/MWh.

Fazit
Die Demonstrationsanlage funktionierte nach der Inbetriebnahme einwandfrei, insbesondere die Einkopplung der Wärme in den Trocknungsprozess funktioniert, ohne diesen zu stören. Es traten im Laufe des einjährigen Regelbetriebes nur kleinere Störungen auf. Die Anlage lieferte unter den gegebenen Bedingungen die geplanten Leistungen. Das Logistikkonzept wurde erprobt und Optimierungspotenziale sind erkannt. Eine Anlage dieses Typs kann allerdings auch optimiert in Konkurrenz zu aktuellen Gaspreisen nicht wirtschaftlich betrieben werden. Der Wärmeabnehmer der Demonstrationsanlage bezog sein Gas für ca. 38 €/MWh. Der Betrieb der Anlage wurde daher eingestellt. Um bei den derzeitigen Gaspreisen in den Bereich der Konkurrenzfähigkeit zu kommen, müssten die Kosten für Anlagenbau und Betrieb halbiert werden. Dafür sehen die Projektpartner derzeit keine Option.
LITERATUR [1] Lävemann, E., Mobile Sorptionsspeicher zur industriellen Abwärmenutzung, Grundlagen und Demonstrationsanlage, Schlussbericht zum BMWI Forschungsvorhaben, FKZ 0327383B&C, 2015, TIB Hannover |