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Dr. Wolfgang Kramer
Abwärmenutzung
Fraunhofer ISE
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg
Telefon +49 761 4588-5096
Das Fraunhofer ISE arbeitet an Schlüsseltechnologien, die den Weg zur klimaneutralen Industrie ebnen. Dies umfasst sowohl die Entwicklung und Erprobung klimaneutraler Technologien als auch die Systementwicklung und Anlagenoptimierung.
Zur Dekarbonisierung von Produktionsprozessen und Anlagen kommen verschiedene Technologien infrage. Die Auswahl der passenden Technologien hängt von den jeweiligen Anforderungen der Anwendung sowie den verfügbaren Ressourcen und der Infrastruktur ab. Eine optimale Auslegung und Integration dieser Technologien ist die Vorrausetzung für hohe Effizienz und Wirtschaftlichkeit.
Wärmepumpen werten Umwelt- oder Abwärme auf, indem sie die Temperatur anheben und die Energie so wieder nutzbar machen. Dabei beträgt die Nutzwärme ein Vielfaches der eingesetzten und idealerweise erneuerbar erzeugten elektrischen Energie. In der Industrie kommen Wärmepumpen in Leistungsklassen bis in den MW-Bereich und für Temperaturen bis etwa 250°C zum Einsatz und können an die Anforderungen der Industrie angepasst werden. Besonders ökonomisch sind Wärmepumpen, wenn in Prozessketten sowohl beheizt als auch gekühlt werden muss. In Verbindung mit Wärmespeichern können sie zusätzlich Flexibilisierungsoptionen beim Strombezug bereitstellen.
Für Temperaturen über 250°C oder in Anwendungen ohne Abwärmequellen kann (z.B. erneuerbar erzeugte) elektrische Energie mit verschiedenen Technologien direkt in Wärme gewandelt werden. Beispiele sind Heizstäbe zum Erhitzen von Wärmeträgern bzw. Prozessmedien oder Elektrodenkessel zur Erzeugung von Prozessdampf. In Verbindung mit Wärmespeichern können Elektro-Direktheizungen zusätzliche Flexibilisierungsoptionen beim Strombezug bereitstellen oder dazu beitragen, Lastspitzen zu kappen.
In thermischen Kollektoren wird Solarstrahlung direkt in Wärme gewandelt und an Prozesse oder Wärmespeicher abgegeben. Die Speicher ermöglichen eine zeitliche Entkopplung von Erzeugung und Nutzung der erneuerbaren Wärme. Mit verschiedenen Kollektortechnologien kann Prozesswärme von niederen Temperaturen bis etwa 200°C ökonomisch bereitgestellt werden. In der Regel ergänzt die Solarthermie eine weitere Wärmequelle, die die Versorgungssicherheit gewährleistet. Mit einer Investition in Solarthermie machen Sie sich unabhängig von schwankenden Energiepreisen, alternativ zur eigenen Investition werden von vielen Anbietern inzwischen Wärmelieferungsverträge angeboten.
Photovoltaik wandelt Solarstrahlung direkt in erneuerbare elektrische Energie. Mit einer eigenen Dach-, Fassaden- oder Freifeldanlage kann der Strombezug reduziert und mit Wärmepumpen oder Direktheizungen auch erneuerbare Prozesswärme oder -kälte erzeugt werden. Je nach Anwendung kann der Einsatz von Wärme- oder Batteriespeichern den erneuerbaren Anteil der verbrauchten Energie deutlich erhöhen.
Wärme- oder Kältespeicher ermöglichen eine zeitliche Entkopplung von Erzeugung und Nutzung von erneuerbar erzeugter Wärme bzw. Kälte, sowohl für erneuerbare Wärme (Solarthermie, Geothermie) oder über elektrischen Strom. In Zeiten geringer Bezugspreise kann mit elektrischer Energie Wärme (Power-to-Heat) oder Kälte günstig erzeugt werden und steht später für ihre Prozesse bedarfsgerecht zur Verfügung. Auch Abwärme kann gespeichert werden, um dann bedarfsgerecht wieder genutzt zu werden.
Elektrische Speicher (große Batteriesysteme) kommen sinnvoll dort zum Einsatz, wo große Mengen von erneuerbarem Strom nicht direkt genutzt oder eingespeist werden können oder Lastspitzen reduziert werden sollen (Peak Shaving).
Wasserstoff kann sowohl als chemischer Grundstoff als auch als Energieträger verwendet werden. Wird er z.B. mittels Elektrolyse aus erneuerbarem Strom hergestellt, dient er als erneuerbarer Energieträger und auch Ausgangsstoff für synthetische Kraftstoffe. Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoff oder „grünen“ synthetischen Kraftstoffen sind dort sinnvoll und können Prozesse dekarbonisieren, wo Wasserstoff bzw. Kraftstoffe nicht durch andere erneuerbare Quellen ersetzbar sind.
Technologien, die CO2 abscheiden und so der Atmosphäre oder Kohlenstoffkreisläufen dauerhaft entziehen, werden unter dem engl. Begriff der „Negative Emission Technologies“ zusammengefasst. Durch eine Kompensation ermöglichen sie eine vollständige Klimaneutralität auch dann, wenn ansonsten unvermeidliche Rest-Emissionen vorliegen.
Neben der Prozesswärmeversorgung ist die Bereitstellung von industrieller Kälte ein Bereich mit hohem Energiebedarf. Beim Einsatz von elektrisch getriebener Kompressionskälte gelingt eine Dekarbonisierung durch die Verwendung von erneuerbarem Strom. Sind geeignete (Ab-)Wärmequellen vorhanden, können auch thermisch angetriebene Kälteprozesse eine attraktive Lösung darstellen. Ist in Ihren Prozessketten gleichzeitig auch ein Heizbedarf vorhanden, kann eine Wärmepumpe möglicherweise sowohl den Heiz- wie auch den Kühlbedarf gewinnbringend abdecken.
Energieeffiziente und ressourcenschonende Produktionsanalagen sind der Schlüssel zu einer klimaneutralen Industrie. Hierfür entwickeln wir Systeme für die industrielle Anwendung und optimieren bestehende Anlagen. Dabei setzen wir auf innovative Technologien, um den Einsatz erneuerbarer Energien zu maximieren und Emissionen zu reduzieren.
Die Bereitstellung von Prozesswärme auf verschiedenen Temperaturniveaus stellt den größten Energiebedarf in der Industrie dar. Um sie klimaneutral zu gestalten, kommen oft Kombinationen unterschiedlicher Technologien zum Einsatz. In hybriden Versorgungssystemen erleichtert der Einsatz von Wärme- und Kältespeichern die Sektorenkopplung und Dekarbonisierung, birgt aber auch Herausforderungen für Regelung und Betrieb der Anlagen. Bei vorhandenen Dampfnetzen gilt es zu klären, ob der Dampf erneuerbar bereitgestellt werden soll oder ob eine Umstellung auf alternative Wärmeversorgungen („de-steaming“) möglich und ökonomisch sinnvoll ist.
Abwärme kann mit Hilfe von Wärmespeichern nutzbar gemacht werden. Wärmepumpen oder andere Heiztechnologien „veredeln“ Abwärme und machen sie bei höheren Temperaturen wieder nutzbar. Welche technische Lösung sinnvoll ist, hängt stark von den Temperaturniveaus der Abwärme und Wärmebedarfe ab. Aus Abwärme bei hohen Temperaturen kann mit ORC Anlagen (Organic Rankine Cycle) auch Strom erzeugt werden.
Abwässer sind oft nicht nur eine Abwärmequelle, sondern können auch wertvolle Reststoffe wie Metalle, Mineralien oder Säuren enthalten, die mit Membran-basierten Anlagen zurückgewonnen und wieder genutzt werden können. Eine Aufbereitung von Abwässern kann bis zur vollständigen Trocknung („zero liquid discharge“) sinnvoll sein.
In der Industrie liegt meist ein komplexes Geflecht verschiedener Bedarfe an elektrischer und thermischer Energie vor. Zur Erreichung der Klimaneutralität gilt es, diese Bedarfe zu einem möglichst hohen Anteil erneuerbar zu decken. Solarthermie und Photovoltaik sind naheliegende Optionen, aber auch Abwärme oder Geothermie oder Windstrom können sinnvolle Beiträge liefern. Die richtige Integration dieser erneuerbaren Quellen z.B. mittels Speichertechnologien ist entscheidend dafür, ob eine Lösung ökonomisch sinnvoll sein kann.
Wir unterstützen Sie nicht nur beim Erarbeiten technischer Lösungen, sondern bewerten und optimieren diese auch ökonomisch. Versorgungssicherheit und die Reduktion von Abhängigkeiten sind weitere Randbedingungen, die es zu berücksichtigen gilt. In einer Optimierung berücksichtigen wir die spezifischen Ziele, Randbedingungen, Bedürfnisse und Anforderungen Ihrer Prozesses und ihrer Firma als Ganzes.