Überblick über die Technologien zur Rückgewinnung von Abwärme in der Industrie unseres Landes

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Derzeit weist die Energienutzung in unserem Land weiterhin die Hauptprobleme niedriger Nutzungseffizienz, schlechter wirtschaftlicher Nutzen sowie erheblichen Drucks auf die Umwelt auf. Energieeinsparung und -effizienzsteigerung sowie eine höhere Gesamtnutzungseffizienz der Energie sind daher die grundlegenden Lösungswege für die Energieprobleme unseres Landes und haben höchste Priorität. 　　Die Verwirklichung der Ziele der Energieeinsparung und -effizienz sowie die Steigerung der Energieausnutzung hängen in erster Linie vom Industriebereich ab. Der Energieverbrauch in der Industrie unseres Landes macht etwa 70 Prozent des gesamten nationalen Energieverbrauchs aus. Der Energieverbrauch pro Einheit der wichtigsten Industrieprodukte liegt im Durchschnitt um 30 Prozent über dem internationalen Durchschnitt. Neben faktoren wie einem relativ rückständigen Produktionsprozess und einer unangemessenen Industriestruktur ist die geringe Nutzung von Abwärme in der Industrie ein wichtiger Grund für den hohen Energieverbrauch. In unserem Land liegt die Energieausnutzungsrate bei etwa 33 % – das sind etwa 10 % weniger als in den entwickelten Ländern. Mindestens 50 % des Energieverbrauchs in der Industrie gehen in Form von Abwärme verloren. Aus einer anderen Perspektive gesehen verfügt unser Land über reiche Ressourcen an Abwärme aus der Industrie. Diese Abwärme entsteht im Produktionsprozess verschiedener Industriezweige. Sie macht etwa 17 % bis 67 % des gesamten Brennstoffverbrauchs aus. Von dieser Abwärme kann zu 60 % wieder genutzt werden. Es gibt also viel Potenzial, die Nutzung der Abwärme zu steigern – somit besteht großes Einsparpotenzial. Die Wiederverwendung von Abwärme in der Industrie gilt als eine „neue Energiequelle“ und ist in den letzten Jahren zu einem wichtigen Bestandteil der Bemühungen unseres Landes um Energieeinsparung und Emissionsreduzierung geworden. 　　Eigenschaften der industriellen Abwärmequellen  Abwärmequellen zählen zu den sekundären Energiequellen. Es handelt sich dabei um Produkte, die aus Primärenergiequellen oder brennbaren Stoffen entstehen, bzw. um die Wärme, die bei der Verbrennung von Brennstoffen entsteht und nach Abschluss eines bestimmten Prozesses übrig bleibt. Nach der Temperatur wird die industrielle Abwärme in drei Kategorien eingeteilt: Hochtemperaturabwärme mit Temperaturen über 600 °C, Mitteltemperaturabwärme mit Temperaturen zwischen 300 und 600 °C sowie Niedertemperaturabwärme mit Temperaturen unter 300 °C. Nach ihrer Herkunft kann die industrielle Abwärme wiederum in Abwärme aus Rauchgasen, Abwärme aus Kühlmedien, Abwärme aus Abgasen und Abwässern, Wärme aus chemischen Reaktionen, Abwärme von hochtemperierten Produkten und Schlacke sowie Abwärme aus brennbaren Abgasen und Abfällen unterteilt werden. 　　Wärmerückgewinnungsressourcen haben vielfältige Quellen, ein weites Temperaturspektrum und treten in unterschiedlichen Formen auf. Aus Sicht der Nutzung weisen Wärmerückgewinnungsressourcen im Allgemeinen die folgenden Gemeinsamkeiten auf: Aufgrund von Periodizität, Unterbrechungen oder Schwankungen im Produktionsprozess ist die Menge an abgegebener Wärme unbeständig; die Eigenschaften des Wärmeträgers sind oft schlecht – beispielsweise enthält der Rauch viel Staub oder korrosive Stoffe; zudem sind die Anlagen zur Wärmerückgewinnung durch örtliche Bedingungen eingeschränkt. 　　Daher sind die Betriebsbedingungen für Systeme oder Geräte zur Nutzung von Abwärme aus der Industrie relativ schwierig. Es wird ein stabiler Betriebsbereich erforderlich, der sich an wechselnde Prozesse anpassen kann. Zudem müssen die Komponenten der Geräte zuverlässig sein. Die Anfangsinvestitionen sind außerdem hoch. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es notwendig, die gesamte Anlage systematisch zu planen und zu gestalten – unter Berücksichtigung der Herstellungsprozesse –, um die Effizienz der Geräte im Bereich der Nutzung von Abwärme zu erhöhen. 　　Technologien zur Nutzung von Abwärme in der Industrie: Die Temperaturbereiche der Abwärme sind vielfältig, und es gibt verschiedene Formen von Energieträgern. Aufgrund unterschiedlicher Umgebungsbedingungen sowie Prozessabläufe sowie aufgrund der besonderen Eigenschaften des Standorts gibt es auch verschiedene Arten von Anlagen – wie z.B. Luftvorheizer, Wärmespeicherkammern in Öfen, Abwärmeturbinen usw. Es gibt verschiedene Klassifizierungsmöglichkeiten für die Wiederverwendung von Abwärme in der Industrie. Je nach den Eigenschaften der Energieübertragung oder -umwandlung bei der Nutzung dieser Abwärmequellen kann man die derzeit verwendeten Technologien zur Nutzung von Abwärme in der Industrie in Wärmetauschtechnologien, Technologien zur Umwandlung von Wärme in Arbeit sowie Technologien zur Kälte- und Heizungsproduktion mit Hilfe von Abwärme einteilen. 　　1. Wärmetauschtechnologie: Die Rückgewinnung von Abwärme sollte in erster Linie für die Geräte dieses Systems oder den jeweiligen Produktionsprozess genutzt werden, um die Anzahl der Energieumwandlungen so weit wie möglich zu verringern. Die Nutzung von Abwärme ändert nicht die Form der Abwärmeenergie. Stattdessen wird die Abwärmeenergie mithilfe von Wärmetauschgeräten direkt an die energieverbrauchenden Prozesse in der eigenen Anlage übertragen. Dabei wird der Verbrauch an Primärenergie verringert. Solche technischen Geräte können als Wärmetauschtechnologien bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um die direkteste und effizienteste Methode zur Rückgewinnung von Industriabwärme. Zu den entsprechenden Geräten gehören verschiedene Arten von Wärmetauschern – sowohl herkömmliche Wärmetauscher mit unterschiedlichen Strukturen als auch Wärmeträgerrohr-Wärmetauscher sowie Abwärme-Dampferzeuger (Abwärme-Kessel). 　　(1) Wärmeübertrager mit Trennwand – Industrielle Wärmeübertrager lassen sich nach dem Prinzip des Wärmetransfers im Grunde in Wärmeübertrager mit Trennwand, gemischte Wärmeübertrager sowie Wärmespeicher-Wärmeübertrager einteilen. Davon sind die Zwischenwand- und Wärmespeichertypen gängige Geräte zur Rückgewinnung von Abwärme in der Industrie. Mischwärmetauscher nutzen den direkten Kontakt oder die Vermischung von kalten und heißen Fluiden, um Wärme zu übertragen – beispielsweise Kühltürme, Waschtürme oder Druckkondensatoren in der industriellen Produktion. Solche Mischwärmetauscher kommen bei der Rückgewinnung von Abwärme hingegen nicht häufig zum Einsatz. 　　Wandwärmeübertrager gibt es hauptsächlich in Form von Rohr-Wärmeübertragern, Platten-Wärmeübertragern sowie Gegenstrom-Wärmeübertragern. Obwohl Rohr-Wärmeübertrager eine geringere Wärmeeffizienz aufweisen – im Durchschnitt nur 26 % bis 30 % – und in Bezug auf Kompaktheit sowie den Verbrauch an Metallmaterialien den anderen Typen nachstehen, zeichnen sie sich durch eine robuste Konstruktion, große Anpassungsfähigkeit sowie eine breite Auswahl an Materialien aus. Deshalb werden sie am häufigsten bei der Rückgewinnung von Abwärme in der Industrie eingesetzt. 40 % der Wärmetauscheranlagen in Metallverarbeitungsbetrieben sind Rohr-Wärmetauscher. Dabei darf die Temperatur der einströmenden Abgase über 1.000 °C liegen, während die Temperatur der ausströmenden Abgase bei etwa 600 °C liegt. Die durchschnittliche Temperaturdifferenz beträgt somit etwa 300 °C. 　　Plattenwärmeübertrager umfassen Flügelplatten-Wärmeübertrager, Spirallamellen-Wärmeübertrager sowie Plattengehäuse-Wärmeübertrager usw. Im Vergleich zu Rohr-Wärmeübertragern beträgt ihr Wärmeübergangskoeffizient etwa das Doppelte desjenigen von Plattengehäuse-Wärmeübertragern. Sie weisen eine hohe Wärmeübertragungseffizienz auf, sind kompakt gebaut und sparen Material. In der Metallverarbeitungsindustrie verwenden kleine und mittlere Unternehmen häufig Plattenwärmeübertrager zur Vorwärmung der Brennluft. Die durchschnittliche Wärmerückgewinnungsrate liegt bei 28 % bis 35 %. Die Temperatur der Einlassgase beträgt etwa 700 °C, während die Temperatur der Auslassgase bei 360 °C liegt. Doch aufgrund der größeren Einschränkungen hinsichtlich der Betriebstemperatur und des Druckverhältnisses bei Plattenwärmeübertrager im Vergleich zu Rohrwellenwärmeübertragern, ist ihr Anwendungsbereich eingeschränkt. 　　Für die Rückgewinnung der hohen Temperaturen aus den Abgasen verschiedener Industriekessel werden häufig Gleichstrom-Wärmeaustauscher eingesetzt. Es gibt dabei vor allem zwei Arten: Strahlungs- und Konvektionswärmeaustauscher. Sie werden weit verbreitet in Geräten wie Ausgleichsöfen und Heizöfen eingesetzt, um die Restwärme der Abgase zurückzugewinnen, die Luft oder das Brennstoff zur Verbrennung vorzuheizen sowie die Menge an Abgasen sowie die Temperatur der Abgase zu senken. Bei herkömmlichen Strahlungswärmeaustauschern kann die Temperatur der Einlassgase bei über 1.100 °C liegen, während die Temperatur der Auslassgase bis zu 600 °C beträgt. Die Zündluft kann auf 400 °C erhitzt werden, wodurch eine gute Verbrennungsleistung erzielt wird. Die Temperatureffizienz liegt bei über 40 %, doch die Wärmerückgewinnungsrate ist gering – im Durchschnitt zwischen 26 % und 35 %. 　　(2) Wärmespeichernde Wärmeaustauscher – Das Prinzip dieser Wärmeaustauschgeräte besteht darin, dass kalte und heiße Flüssigkeiten abwechselnd durch die Wärmespeicherelemente fließen, wodurch ein Wärmetausch stattfindet. Es handelt sich um Geräte für den intermittierenden Betrieb; sie eignen sich zur Nutzung von überschüssiger Wärme, die in Intervallen freigesetzt wird. Sie werden häufig zum Wärmetausch zwischen hochtemperierten Gasen verwendet, beispielsweise zur Erwärmung von Luft oder Materialien. 　　Je nach Art des Wärmespeichermittels und der Form der Wärmespeicherung lassen sich Wärmespeichertauschsysteme in Wärmespeicherung durch sensible Wärme und Wärmespeicherung durch latente Schmelzwärme einteilen. Die Speicherung von Wärmeenergie durch sensible Wärme wird bereits seit langer Zeit eingesetzt – sei es mit einfachen Wärmetauschgeräten wie den üblichen Rotationswärmetauschern, sei es mit komplexeren Geräten wie den Wärmespeicherkesseln in Hochofenanlagen zur Stahlherstellung. Aufgrund von Nachteilen wie der geringen Energiespeicherdichte, dem großen Volumen sowie der Unfähigkeit, die gespeicherte Wärme bei konstanter Temperatur zu halten, haben Wärmetauschgeräte für den Speicherung von spezifischer Wärme in der industriellen Wärmerückgewinnung ihre Grenzen. Speichersysteme zur Speicherung von Latentwärme nutzen die inhärente Wärmekapazität von Speichermaterialien sowie die Latentwärme bei Phasenübergängen, um Energie zu speichern. Dadurch erreichen sie eine Speicherdichte, die mindestens um einen Größenordnung höher ist als bei herkömmlichen Speichersystemen. Somit kann bei der Speicherung derselben Menge an Wärme das Volumen dieser Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Speichersystemen um 30 % bis 50 % reduziert werden. 　　Außerdem ist eine stabile Wärmestromabgabe, eine im Wesentlichen konstante Temperatur des Wärmeträgers sowie ein stabiler Betriebszustand des Wärmeaustauschsystems weitere Vorteile von Geräten zur Speicherung von Schmelz- und Gefriepotentialenergie. Materialien zur Speicherung von Energie durch Phasenwechsel werden je nach ihrer Phasenwechselfrequenz in Hochtemperatur-Phasenwechselmaterialien und Niedrig- bis Mitteltemperatur-Phasenwechselmaterialien eingeteilt. Die erstgenannten weisen eine hohe Phasenwechselfrequenz sowie einen hohen Phasenwechselwärmeschlag auf. Sie bestehen in der Regel aus anorganischen Salzen und ihren Mischungen, Basen, Metallen und Legierungen sowie keramischen oder metallischen Substraten. Sie eignen sich zur Rückgewinnung von Abwärme bei Temperaturen von 450 bis 1.100 °C und darüber – daher werden sie häufig eingesetzt. Die zweiten Materialien bestehen hauptsächlich aus kristallinen Hydratsalzen oder organischen Stoffen und eignen sich zur Rückgewinnung von Abwärme bei niedrigeren Temperaturen. 　　(3) Wärmeaustauschgeräte auf Basis von Wärmeträgern
Wärmeträger sind effiziente Wärmeleitkomponenten, die Wärme durch den Phasenwechsel von Verdampfung und Kondensation des Arbeitsstoffs in einem vollständig abgeschlossenen Vakuumrohr sowie durch sekundären Wandwärmeaustausch übertragen. Es handelt sich dabei um Geräte, bei denen Speicherung von Wärme und Wärmeaustausch in einem einzigen System kombiniert werden. Wärmeträgerrohre weisen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf. Ihr Wärmeübergangskoeffizient ist fast um einen Größenordnung höher als bei herkömmlichen Metallwärmetauschern. Zudem besitzen sie gute Isotropie, es ist möglich, die Temperatur zu steuern, ihre Fähigkeit zur Wärmeübertragung ist hoch. Die Wärmeübertragungsflächen auf der kalten und warmen Seite können beliebig angepasst werden. Zudem ermöglichen sie die Wärmeübertragung über große Entfernungen – ohne dass zusätzliche Antriebseinrichtungen erforderlich sind. Das sind nur einige der Vorteile von Wärmeträgerrohren. Für den Betrieb von Wärmeträgern muss je nach Einsatztemperatur das geeignete Rohrmaterial sowie die passende Flüssigkeit ausgewählt werden. Dabei ist die Struktur der Kohlenstahl-Wasser-Gravitationswärmeträger einfach, der Preis niedrig, die Herstellung unkompliziert und sie lassen sich leicht verbreiten – wodurch diese Art von Wärmeträgern weit verbreitet wird. In der Praxis werden Wärmeträgerrohre bei Temperaturen zwischen 50 und 400 °C eingesetzt, um die Wärmerückgewinnung in Trockenöfen, Assimilationsöfen und Backöfen sowie zur Rückgewinnung von Abgasdampf zu gewährleisten. Zudem dienen sie als Luftvorwärmer in Kesseln oder Öfen. 　　(4) Abwärme-Kessel: Durch den Einsatz von Dampferzeugern kann die Abwärme zurückgewonnen werden. Dies ist eine wichtige Methode, um die Energieeffizienz zu steigern. In der Metallindustrie wird fast 80 Prozent der Abwärme aus dem Rauchgas mithilfe von Abwärme-Kesseln zurückgewonnen – mit erheblichen Einsparungen als Ergebnis. 　　In Dampfkesseln findet kein Verbrennungsprozess statt. Stattdessen wird die Wärme aus den heißen Abgasen, chemischen Reaktionen, brennbaren Gasen sowie aus heißen Produkten genutzt, um Dampf oder Warmwasser zu erzeugen. Dieses wird anschließend in den Produktionsprozessen verwendet oder in das Heiznetz eingespeist. Gleichzeitig ist der Abwärmeturbinenkessel ein wichtiges Gerät in Systemen zur Erzeugung von Strom mit Niedertemperaturturbinen, da er die Dampfmasse liefert, die für die Antriebsmaschinen wie Turbinen benötigt wird. 　　In der Praxis werden hauptsächlich Wärmekraftwerke eingesetzt, die die Abwärme von Rauchgasen bei Temperaturen von 350–1.000 °C nutzen. Im Vergleich zu den Betriebstemperaturen von Kohlekraftwerken handelt es sich dabei um Niedertemperaturkraftwerke mit geringerer Effizienz. Da der Abgasstrom mit Abwärme einen hohen Staubgehalt aufweist und viele korrosive Stoffe enthält, kann dies zu Problemen wie Ablagerungen, Korrosion und Abnutzung im Kessel führen. Daher ist es bei der Konstruktion von Kesseln zur Nutzung von Abwärme entscheidend, Ablagerungen und Abnutzung zu verhindern. Der durchgehende Ofentyp, der große Behälter zur Strahlungskühlung, die abgedichteten Ofenwände sowie die Staubentfernungsräume und zahlreichen Bürstvorrichtungen sind alle strukturelle Lösungen, die Dampfkessel anwenden, um Probleme wie Ablagerungen von Staub und Abnutzung zu bewältigen. Außerdem werden aufgrund von Platzbeschränkungen am Produktionsort die Wärmetauscherkomponenten der Abwärmeboiler an verschiedenen Stellen des Prozessablaufs verteilt installiert, anstatt wie bei herkömmlichen Kesseln zu einem einzigen Ganzen zusammengefügt zu werden. 　　In den letzten zehn Jahren hat sich mit der Förderung von Maßnahmen zur Energieeinsparung und -reduzierung die Entwicklung der wichtigsten inländischen Hersteller von Wärmerückgewinnungsöfen beschleunigt. Diese Öfen entwickeln sich zunehmend in Richtung größerer Größe und höherer Leistungswerte. Beispiele hierfür sind Wärmerückgewinnungsöfen für die Farbmetallindustrie, bei denen eine Evaporation von 50 Tonnen pro Stunde bei einem Betriebsdruck von 4,2 Megapascal möglich ist. In der Stahlindustrie werden wiederum Wärmerückgewinnungsöfen eingesetzt, bei denen eine Evaporation von 100 Tonnen pro Stunde bei einem Betriebsdruck von 12,5 Megapascal erreicht wird. Darüber hinaus gehört die weitere Verbesserung der Wärmeübertragungseffizienz der Kessel sowie der Wärmeausnutzung, sowie die Verringerung von Problemen wie Ascheansammlung und Abnutzung, zu den wichtigsten Aspekten der technologischen Weiterentwicklung von Abwärmenutzungskesseln. Dazu sind Änderungen und Innovationen in Bezug auf den Kesselbetriebsablauf, die Struktur der Wärmeeinleitflächen, die Luftströmungswege im Kessel sowie die Methoden zur Entfernung von Asche notwendig. 　　2. Technologien zur Umwandlung von Wärme in Arbeit: Die Wärmetauschtechnologien ermöglichen es, überschüssige Wärmeressourcen in Form von Wärmeenergie zurückzugewinnen – und zwar durch die Senkung der Temperatur. Es handelt sich dabei um eine Art „niedrigwertige“ Nutzung dieser Energiequellen. Diese Methode kann die Anforderungen bezüglich des Stromverbrauchs in den Produktionsprozessen oder innerhalb des Unternehmens nicht erfüllen. Außerdem bringt die Nutzung der in großen Mengen vorhandenen Wärmequellen bei mittleren und niedrigen Temperaturen durch Wärmetauschtechnologien keine nennenswerten Vorteile. Daher ist die Nutzung von Wärme- in Arbeitsenergie-Umwandlungstechnologien zur Steigerung der Qualität der Abwärme eine weitere wichtige Technologie zur Rückgewinnung von industrieller Abwärme. 　　Nach der Klassifizierung nach dem Arbeitsmedium lässt sich die Technologie zur Umwandlung von Wärme in Arbeit in traditionelle Dampfturbinen-Technologien, bei denen Wasser als Arbeitsmedium verwendet wird, sowie in Technologien einordnen, bei denen organische Stoffe mit niedrigem Siedepunkt als Arbeitsmedium dienen. Aufgrund der erheblich unterschiedlichen Eigenschaften des Arbeitsstoffs weisen auch die entsprechenden Systeme und Anlagen zur Wärmerückgewinnung jeweils eigene Besonderheiten auf. Die derzeit wichtigste Anwendung besteht darin, Wasser als Arbeitsmedium zu verwenden und ein Kraftwerksystem mit Niedertemperatur-Dampfturbinen zu schaffen, das aus Abwärme-Kesseln sowie Dampfturbinen oder Expansoren besteht. 　　Die zur Stromerzeugung in Kälteturbinen nutzbaren Restwärmequellen sind hauptsächlich Abgase mit einer Temperatur von über 350 °C, wie sie in den Öfen der Baustoffindustrie für Glas und Zement entstehen, oder Abgase, die nach erster Nutzung auf 400–600 °C abgekühlt wurden. Die Leistung einer solchen Turbine liegt zwischen einigen Megawatt und mehreren Dutzend Megawatt. Zu den verschiedenen Formen der Restwärmeerzeugung gehören die Nutzung der Restwärme aus Oxydationsöfen in der Stahlindustrie, aus Sinteröfen, aus Prozessen zur Trockenabschaltung von Kohle in der Kokereiindustrie sowie aus Prozessen in der Zementindustrie. Aber wenn man den Temperaturbereich der Abwärmequellen betrachtet, gehört diese Technologie zur Kategorie der Technologien zur Erzeugung von Energie aus mittleren bis hohen Temperaturen. 　　Außerdem wird der große Mengen an Dampf, die über Wärmekraftwerke oder Wärmetauscher aus dem Prozessablauf gewonnen werden, größtenteils wieder abgegeben. Dabei handelt es sich meist um niedrigdruckigen gesättigten Dampf oder Warmwasser mit einem Druck von etwa 1 Megapascal. Derzeit wird bei der Erzeugung von Strom aus solchem niedrigdruckigen gesättigten Dampf hauptsächlich die Technologie der Schraubenexpander verwendet. Diese Technologie weist folgende Eigenschaften auf: Es können verschiedene Wärmequellen als Antriebsquelle verwendet werden. Sie eignet sich für überhitzten Dampf, gesättigten Dampf sowie Gemische aus Dampf und Flüssigkeit. Zudem ist sie auch für Rauchgase, verschmutztes Warmwasser sowie heiße Flüssigkeiten geeignet. Die Konstruktion ist einfach und kompakt; die Drehzahl kann automatisch reguliert werden. Die Lebensdauer ist lang und es kommt zu geringen Vibrationen. Die Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Geräts ist niedrig – dadurch gibt es außer den Verlusten durch Lecks kaum weitere Energieverluste, was eine hohe Effizienz ermöglicht. Durch die kontaktlose Bauweise mit zwei Rotoren entsteht ein Scher-Effekt, wodurch das Gerät selbstreinigend und selbstentkalkend wirkt. 　　Schraubenexpansionsmaschinen gehören zu den Volumenexpansionsmaschinen. Aufgrund ihrer begrenzten Expansionsfähigkeit eignen sich als Antriebsquelle für solche Maschinen Dämpfe mit einem Druck von 0,15 bis 3,0 Megapascal und einer Temperatur unter 300 °C, oder heißes Wasser mit einem Druck von über 0,8 Megapascal und einer Temperatur über 170 °C. Aufgrund ihrer Konstruktion ist die Leistung einer einzelnen Schraubenexpansionsmaschine begrenzt – in der Regel liegt sie unter 1.000 Kilowatt. Solche Maschinen werden hauptsächlich in Fällen eingesetzt, in denen nur geringe Mengen an Abwärme vorhanden sind. 　　3. Kühl- und Heiztechnologien (1) Technologie zur Nutzung von Abwärme zur Kühlung Im Vergleich zu herkömmlichen Kompressor-Kühlanlagen können Absorptions- oder Adsorptionskühlsysteme kostengünstige Energiequellen sowie Wärme mit niedrigem Energiewert nutzen. Dadurch wird der Stromverbrauch reduziert, was das Problem des unzureichenden Stromangebots löst. Zudem werden natürliche Kältemittel verwendet, die keine chlorhaltigen Stoffe enthalten, die die Ozonschicht schädigen könnten. Dadurch wird eine erhebliche Energieeinsparung erreicht – außerdem sind diese Systeme umweltfreundlich. Ende des 20. Jahrhunderts wurden sie weit verbreitet eingesetzt. 　　Die thermodynamischen Eigenschaften der Absorptions- und Adsorptionskühlungstechnologien sind sehr ähnlich. Beide Verfahren folgen dem gleichen Zyklusprozess: „Erzeugung (Trennung) – Kondensation – Verdampfung – Absorption (Adsorption)“. Bei der Absorptionskühlung handelt es sich um eine Flüssigkeit, die eine gute Fließfähigkeit aufweist. Als Kühlmittel werden Ammoniak-Wasser-Lösungen oder Lithiumbromid-Wasser-Lösungen verwendet. Die Prozesse der Erzeugung und Absorption finden in einem Generator bzw. einem Absorber statt. Bei der Adsorptionskühlung handelt es sich um feste Stoffe, die zur Adsorption verwendet werden. Es gibt zwei Arten der Adsorption: physikalische und chemische Adsorption. Häufig werden Molekularsiebe in Kombination mit Wasser oder Calciumchlorid in Kombination mit Ammoniak verwendet. Die Prozesse der Trennung und Adsorption finden in einem Adsorber statt. 　　Absorptionskühlsysteme, bei denen eine Lithiumbromlösung als Kältemittel verwendet wird, sind am weitesten verbreitet. In der Regel kann man dabei Wärmequellen mit Temperaturen im Bereich von 80 bis 250 °C nutzen. Da jedoch Wasser als Kältemittel verwendet wird, kann nur eine Kühltemperatur von 0 °C oder höher erreicht werden. Solche Systeme werden hauptsächlich für die Klimaregulierung oder zur Erzeugung von Kühlmittelwasser in der Industrie eingesetzt. Der Energieverbrauch hängt stark von den thermischen Eigenschaften des Kältemittels sowie vom Funktionsprinzip des thermischen Systems ab. In der Praxis liegt der Energieverbrauch dieser Systeme meist unter 2 – das ist deutlich weniger als bei kompressorbasierten Kühlsystemen. Doch solche Anlagen können niedrigwertige Wärmequellen wie Abwärme aus der Industrie, Sonnenenergie oder Geothermie nutzen, ohne hochwertigen Strom verbrauchen zu müssen. Dadurch haben sie einen Vorteil bei der Nutzung von Abwärme aus der Industrie. Kältemaschinen mit Absorptionskühlung weisen eine hohe Kühlleistung auf und eignen sich zur Rückgewinnung von Wärme in großem Umfang. Die Kühlleistung kann bei niedrigen Werten im Bereich von mehreren Dutzend Kilowatt liegen, während sie bei hohen Werten bis zu mehreren Megawatt erreichen kann. In China werden diese Maschinen bereits in großem Maße eingesetzt. Die Technologie ist ausgereift, und es gibt eine breite Palette an Produkten in verschiedenen Ausführungen. 　　Es gibt viele Arten von Kältemitteln für Adsorptionskühlanlagen – darunter physikalische Adsorptionspaare, chemische Adsorptionspaare sowie gemischte Adsorptionspaare. Sie eignen sich für einen weiten Temperaturbereich der Wärmequelle. Zudem sind keine Lösungspumpen oder Destillationsanlagen erforderlich. Es treten auch keine Probleme wie Verschmutzung der Kühlanlage, Kristallbildung von Salzlösungen oder Korrosion von Metallen auf. Kältesysteme mit Adsorptionskälteerzeugung weisen eine einfache Konstruktion auf, erzeugen keinen Lärm und verursachen keine Umweltbelastung. Sie eignen sich für Umgebungen mit starken Vibrationen, wie z. B. in Autos oder Schiffen. Allerdings ist die Kälteerzeugungseffizienz relativ gering – der Leistungskoeffizient solcher Systeme liegt in der Regel unter 0,7. Aufgrund der Herstellungsprozesse ist die erzeugte Källemenge begrenzt; sie beträgt in der Regel weniger als einige hundert Kilowatt. Solche Systeme eignen sich daher besser zur Wiederverwendung von Abwärme oder für Kombinationssysteme zur Erzeugung von Kälte, Wärme und Strom. 　　(2) Wärmepumpentechnologie In der Industrieproduktion entsteht eine große Menge an Abwärme, deren Temperatur etwas über der Umgebungstemperatur liegt (30–60 °C). Beispiele hierfür sind Abwasser aus der Industrie oder Ölfeldabwässer. Die Temperatur dieser Abwärme ist zwar niedrig, doch die Menge an nutzbare Wärme ist groß. Deshalb wird die Wärmepumpentechnologie häufig eingesetzt, um solche Abwärmequellen zu nutzen. 　　Eine Wärmepumpe nutzt einen Teil hochwertiger Energiequellen – wie elektrische Energie, mechanische Energie oder Wärme bei hohen Temperaturen – als Ausgleich dafür, dass sie durch den thermischen Kreisprozess des Kühlsystems die Wärme aus Quellen mit niedrigen Temperaturen in ein Medium mit höheren Temperaturen „pumpt“. Dabei handelt es sich um Wasser mit einer Temperatur von über 50 °C. Dadurch können die Bedürfnisse von Industrie, Landwirtschaft und Handel nach heißem Wasser für Prozesse wie Destillation, Konzentration, Trocknung oder Heizung in Gebäuden gedeckt werden. Der Wärmespeicherkoeffizient von Wärmepumpenanlagen liegt derzeit zwischen 3 und 5. Das bedeutet, dass für den Verbrauch von 1 Kilowatt Strom 3 bis 5 Kilowatt an Wärme erzeugt werden können. Unter bestimmten Bedingungen handelt es sich dabei um eine wirtschaftlich sinnvolle Technologie zur Nutzung der Abwärme aus Wasser, deren Temperatur etwas höher ist als die Umgebungstemperatur. 　　Derzeit werden hauptsächlich kompakte Wärmepumpen entwickelt und hergestellt. Mittelgroße Wärmepumpen sind in der Entwicklung, während große Wärmepumpen noch nicht existieren. In kompressiven Wärmepumpen wird die Wasserkraft-Wärmepumpe am häufigsten eingesetzt. Sie kann zur Rückgewinnung von Abwärme aus Kühlsystemen in Kraftwerken oder Kernkraftwerken sowie aus der Abwärme in Branchen wie der Textilindustrie und der Pharmaindustrie genutzt werden. Zum Beispiel verwenden Kraftwerke Kühlwasser als Wärmequelle. Mit Hilfe von Wärmepumpen wird die Temperatur des Wassers, das in den Kessel gelangt, erhöht – von 15 °C auf 50 °C. Dadurch wird der Bedarf des Kessels an Kohle verringert, was zu einer Energieeinsparung führt. 　　Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es eine Vielzahl an technischen Geräten zur Nutzung von Abwärme gibt. Doch alle diese Geräte haben bestimmte Anwendungsvoraussetzungen. Es ist daher notwendig, je nach Temperatur und Menge der industriellen Abwärme sowie unter Berücksichtigung der Produktionsbedingungen, des Herstellungsprozesses sowie der inneren und äußeren Energieanforderungen, die geeignete Methode zur Nutzung der Abwärme auszuwählen. 　　Technologie zur Erzeugung von Strom aus Industrieabwärme bei niedrigen Temperaturen auf Basis organischer Medien 1. Niedertemperatur-Organische Rankine-Zyklen Für große Mengen an Abwärme mit Temperaturen unter 200 °C lässt sich derzeit keine effektive Wiederverwertung durch Dampf- oder Warmwasservaporisierungssysteme erreichen. In solchen Fällen ist es sinnvoller, die wirtschaftlich rentablen Organischen Rankine-Zyklen zur Erzeugung von Strom aus Abwärme einzusetzen. 　　Die Technologie zur Erzeugung von Strom aus industriellen Abwärmequellen bei niedrigen Temperaturen auf Basis organischer Medien gehört zu den Technologien zur Umwandlung von Wärme in Arbeit. Der organische Rankine-Zyklus ist ein Rankine-Zyklus, bei dem organische Stoffe mit niedrigem Siedepunkt als Arbeitsmedium verwendet werden. Er folgt denselben thermodynamischen Prinzipien wie die herkömmlichen Dampfkraftwerke – nur das Arbeitsmedium unterscheidet sich. Dadurch ist das System einfacher und kompakter. Diese Art der Energieerzeugung weist erhebliche Vorteile bei der Nutzung von Abwärme in niedrigen Temperaturen auf. Die Abwärmeströme kommen nicht in direkten Kontakt mit dem Arbeitsmedium. Das Dampfvolumen des organischen Arbeitsmittels ist gering, die Rohrdimensionen sind klein sowie die Durchflussfläche der Turbine ebenfalls klein. Dadurch ergibt sich eine hohe Leistung pro Volumeneinheit – was diese Methode besonders geeignet macht für die Rückgewinnung von Abwärme bei niedrigen Temperaturen. 　　Die Auswahl des organischen Arbeitsstoffs ist ein wichtiger Bestandteil der Technologie zur Erzeugung von Strom aus Abwärme im organischen Rankine-Zyklus. In der Regel müssen die Arbeitsstoffe folgende Eigenschaften aufweisen: gute Leistung bei der Energieerzeugung; gute Wärmeübertragungseigenschaften; geeignete thermophysikalische Eigenschaften wie kritische Parameter sowie Siedepunkt bei Normaldruck; gute chemische Stabilität, keine Zersetzung, geringe Korrosionsneigung, geringe Toxizität, umweltfreundlich sowie nicht brennbar und explosionsgefährdet; zudem sollten sie wirtschaftlich vorteilhaft sein, in großen Mengen verfügbar und preisgünstig sein. In der Praxis ist es jedoch schwierig, dass ein Arbeitsmedium alle oben genannten Bedingungen gleichzeitig erfüllt. Zudem ändern sich aufgrund der zunehmenden Umweltanforderungen an organische Arbeitsmittel auf internationaler Ebene ständig die verfügbaren Alternativen. Daher muss man unter Berücksichtigung des Typs der Wärmequelle sowie der Temperaturbedingungen eine umfassende Abwägung vornehmen. 　　Bei den Geräten für Systeme zur Erzeugung von Energie mittels des organischen Rankine-Zyklus kann bei der Konstruktion und Herstellung von Wärmeaustauschern, Pumpen sowie Rohrventilen auf die Technologien aus der Chemie- und Kältetechnik zurückgegriffen werden. Die Generatoren gehören zu einer Serienproduktion; lediglich bei der Auswahl und Konstruktion der Turbinen sowie bei den Dichtungstechniken muss eine individuelle Lösung gefunden werden, wodurch eine nicht-standardisierte Konstruktion erforderlich ist. Häufig verwendete Turbinen zur Expansion sind mehrstufige Axialturbinen. Sie eignen sich für Situationen mit hohen Temperaturen, großem Stofffluss, großer Gesamtenthalpieabnahme sowie hoher Leistungskapazität. Allerdings ist ihre innere Effizienz relativ gering und die Herstellung ist kompliziert. Radialturbinen hingegen weisen eine höhere innere Effizienz auf, sind kompakt gebaut und einfach in der Herstellung. Ihre Leistungskapazität ist jedoch geringer. Im Ausland gibt es viele Anwendungsbeispiele für deren Nutzung bei der Wiederverwertung von Abwärme – insbesondere in Fällen, in denen nur geringe Mengen an Abwärme recycelt werden müssen. 　　2. Kalina-Zyklus – Ein reiner organischer Rankine-Zyklus. Aufgrund des isothermen Verdampfungsprozesses des Arbeitsstoffs passt dieser Prozess nicht gut zu einer tatsächlichen, temperaturabhängigen Kältemittelform. Dadurch entsteht eine große durchschnittliche Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung, was wiederum zu erheblichen irreversiblen Verlusten führt. Der Kalina-Zyklus ist ein Kreislaufsystem, bei dem eine Ammoniaklösung als Arbeitsmedium verwendet wird. Der einfachste thermische Zyklus ist der Einstufendestillationszyklus: Dabei wird eine Ammoniaklösung einer bestimmten Konzentration durch einen Wasserpumpe unter Druck gesetzt und im Vorheizer erhitzt. Anschließend gelangt die Lösung in den Abwärme-Kessel, wo sie verdampft und zu überhitztem Ammoniakdampf wird. Dieser Dampf wird anschließend in einer Turbine genutzt, um Arbeit zu erzeugen. Um das Problem der Kondensation der Ammoniaklösung zu lösen, wird ein komplexes Destillationssystem eingesetzt. Dadurch kann der Dampf aus der Turbine wieder in eine Lösung mit bestimmter Konzentration umgewandelt werden. Diese Lösung gelangt schließlich zurück zur Wasserpumpe – so ist ein Zyklus abgeschlossen. 　　Im Kalina-Zyklus verdampft die Arbeitsflüssigkeit unter konstantem Druck und bei wechselnder Temperatur, wodurch die Irreversibilität des Wärmeaufnahmeprozesses der Arbeitsflüssigkeit verringert wird. Zudem weist die Arbeitsflüssigkeit im Kondensationsprozess einen geringen Ammoniagehalt auf, wodurch die Schwäche des gemischten Arbeitsstoffs im organischen Rankine-Zyklus – nämlich die hohen Kondensationsverluste – überwunden wird. Theoretische Analysen deuten darauf hin, dass der Kalina-Zyklus eine Leistung aufweist, die um mehr als 15 % höher ist als die eines herkömmlichen organischen Rankine-Zyklus-Systems. In der Praxis zeigt der Kalina-Zyklus jedoch aufgrund von Faktoren wie der Komplexität des Verdampfungsprozesses des Ammoniakwasser-Gemischs keine besonders hohe Leistung. 　　Studien zeigen, dass bei der Rückgewinnung von Abwärme bei mittleren und niedrigen Temperaturen der Kalina-Zyklus sowie der Rankine-Zyklus jeweils Vorteile aufweisen, je nach Art der Abwärme. Bei konstanten Temperaturen und Durchflussmengen sowie bei einer Abgabe der zurückgewonnenen Abwärme zu einer bestimmten Temperatur für den Produktionsprozess hat das organische Rankine-System mit seiner Fähigkeit zur Rückgewinnung von Abwärme bei niedrigen Temperaturen klare Vorteile. 　　Fazit: Der Einsatz von Wärme aus mittleren und hohen Temperaturen ist in unserem Land derzeit noch nicht weit verbreitet. Der Einsatz von Wärme aus niedrigen Temperaturen wird aufgrund unzureichender Technologien im Grunde genommen nicht mehr angewandt. Daher erfordert die Förderung von Energieeinsparungen und -effizienz in der Industrie einerseits eine weitere Verbreitung von Technologien zur Nutzung von Abwärme bei mittleren und hohen Temperaturen – insbesondere um die Effizienz bei der Nutzung von Abwärme in kleinen und mittleren Unternehmen zu steigern – sowie eine Optimierung des gesamten Prozesssystems sowie der dazugehörigen Abwärmenutzungstechnologien. Andererseits ist die Technologie des kryogenen organischen Rankine-Zyklus aus technologischer Sicht eine wirtschaftlich effektive Lösung zur Nutzung von Abwärme aus der Industrie, aus geothermischen Quellen sowie Solarenergie bei niedrigen Temperaturen. In unserem Land wird diese Technologie jedoch noch nicht beherrscht. Daher ist es wichtig, die Forschung zu Technologien zur Erzeugung von Energie aus Abwärme bei niedrigen Temperaturen wie dem organischen Rankine-Zyklus zu intensivieren und deren praktische Anwendung aktiv voranzutreiben. Dies wird dazu beitragen, die Nutzung von Abwärme niedriger Qualität zu verbessern.