Optimale Nutzung mit Pinch-Analyse
Abwärme entsteht in nahezu allen industriellen und gewerblichen Prozessen und bietet ein enormes Potenzial für mehr Energieeffizienz. Die Nutzung von Energie aus Abwärme steht im Zentrum aktueller Klimaschutz- und Effizienzstrategien. Das Energieeffizienzgesetz (EnEfG) verpflichtet Unternehmen mit hohem Energieverbrauch, Abwärme zu vermeiden, zu nutzen und gegebenenfalls Dritten bereitzustellen. Eine systematische Vorgehensweise und innovative Methoden wie die Pinch-Analyse helfen, dieses Potenzial voll auszuschöpfen.
Gesetzliche Vorgaben und Ziele
Das EnEfG fordert von Unternehmen mit einem jährlichen Gesamtendenergieverbrauch über 2,5 GWh, Abwärme zu vermeiden und nicht vermeidbare Abwärme zu nutzen oder extern bereitzustellen. Ziel ist die Senkung des Primär- und Endenergieverbrauchs, die Stärkung der Versorgungssicherheit und die Reduktion von Treibhausgasemissionen. Unternehmen müssen dabei eine klare Hierarchie beachten: Zuerst steht die Vermeidung, dann die Nutzung der verbleibenden Abwärme.
Schrittweise Erfassung von Abwärmequellen und Wärmesenken
Der erste Schritt zur Nutzung von Energie aus Abwärme ist eine detaillierte Bestandsaufnahme. Unternehmen erfassen alle Abwärmequellen wie Prozessabluft, Kälteanlagen, Druckluftkompressoren und Trocknungsanlagen. Für jede Anlage werden Medium, Temperatur, Betriebszeiten, Anschlussleistung und nutzbare Abwärmeleistung dokumentiert. Parallel dazu werden alle Wärmesenken – also Orte mit Wärmebedarf wie Produktionsprozesse oder Gebäudeheizung – mit ihren Eckdaten erfasst.
Maßnahmen zur Vermeidung und Reduzierung von Abwärme
Die Vermeidung von Abwärme steht an erster Stelle. Unternehmen prüfen, ob Prozesse mit niedrigeren Temperaturen möglich sind, ob Anlagen effizient gesteuert werden und ob Wärmeverluste durch bessere Isolierung sinken. Auch Prozessoptimierung und der Einsatz alternativer Technologien helfen, Abwärme zu minimieren. Die Wirtschaftlichkeit dieser Maßnahmen wird sorgfältig bewertet.
Nutzung von Energie aus Abwärme: Interne und externe Optionen
Nicht vermeidbare Abwärme lässt sich direkt im Prozess nutzen, etwa durch Wärmerückgewinnung mit Wärmetauschern. Ein bekanntes Beispiel ist der Economiser bei Dampfkesseln, der Restwärme zur Vorwärmung nutzt. Die Wirtschaftlichkeit hängt von der Menge der wiederverwendeten Abwärme und dem Wirkungsgrad ab. Je geringer der Abstand zwischen Quelle und Senke, desto effizienter gelingt die Nutzung der Energie aus Abwärme.
Wenn eine interne Nutzung nicht möglich ist, ist es möglich, Abwärme extern bereit zu stellen – etwa für benachbarte Betriebe oder Wärmenetze. Die Kaskadennutzung sieht vor, Abwärme auf abfallenden Temperaturniveaus schrittweise einzusetzen, um das Potenzial optimal auszuschöpfen.
Technische Möglichkeiten: Strom- und Kälteerzeugung
Ab einer Abwärmetemperatur von etwa 80 °C kann Energie aus Abwärme auch zur Stromerzeugung genutzt werden, beispielsweise mittels Organic Rankine Cycle (ORC). Auch Kälteerzeugung ist möglich: Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen nutzen Abwärme, um Kälte für Klimatisierung oder industrielle Prozesse bereitzustellen.
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Auskunfts- und Meldepflichten
Unternehmen mit einem Gesamtendenergieverbrauch über 2,5 GWh pro Jahr müssen auf Anfrage detaillierte Auskünfte über ihre Abwärmequellen geben. Dazu zählen Standort, jährliche Wärmemenge, maximale thermische Leistung, zeitliche Verfügbarkeit und Regelungsmöglichkeiten. Diese Daten werden regelmäßig aktualisiert und an die Bundesstelle für Energieeffizienz gemeldet.
Energiemanagementsysteme als Basis
Ein zertifiziertes Energiemanagementsystem nach ISO 50001 bildet die Grundlage für eine kontinuierliche Verbesserung der Energieeffizienz. Es hilft, Energieflüsse sichtbar zu machen, relevante Kennzahlen zu ermitteln und Ziele zu setzen. Die Einführung eines solchen Systems ist für Unternehmen mit hohem Energieverbrauch unbedingt notwendig und unterstützt die Nutzung von Energie aus Abwärme.
Wirtschaftlichkeit und Investitionen
Die Wirtschaftlichkeit von Maßnahmen zur Nutzung von Energie aus Abwärme wird nach der Kapitalwertmethode bewertet. Unternehmen vergleichen Investitions- und Betriebskosten mit den erwarteten Einsparungen. Förderprogramme und gesetzliche Anreize können die Investitionsbereitschaft zusätzlich steigern.
Pinch-Analyse: Das Werkzeug für maximale Energieeffizienz
Die Pinch-Analyse ist eine zentrale Methode, um die Nutzung von Abwärme und die Integration von Energie aus Abwärme in industrielle Prozesse zu optimieren. Sie basiert auf thermodynamischen Prinzipien und ermöglicht es, den minimalen Bedarf an externer Energie für einen Prozess zu bestimmen.
Ablauf der Pinch-Analyse:
- Alle Heiz- und Kühlbedarfe sowie die zugehörigen Energieströme werden mit Parametern wie Massenstrom, spezifischer Wärmekapazität, Anfangs- und Endtemperatur erfasst.
- Anschließend werden die Kurven der kalten und warmen Ströme im T-H-Diagramm (Temperatur-Enthalpie-Diagramm) aufgetragen. Die Kurve für den kalten Strom wird so weit an die Kurve für den warmen Strom herangeschoben, dass an der Stelle, wo die beiden Kurven sich am nächsten kommen, die verfahrenstechnisch notwendige Temperaturdifferenz erhalten bleibt. Der „Pinch“ (englisch für „Einschnürung“) bezeichnet diesen minimalen Abstand der Kurven.
- Oberhalb des Pinches besteht ein Wärmebedarf, unterhalb ein Wärmeüberschuss. Die Analyse zeigt exakt, wo und wie viel Energie aus Abwärme intern genutzt werden kann und wie externe Energiezufuhr minimiert wird.
Vorteile der Pinch-Analyse:
- Maximale interne Nutzung von Energie aus Abwärme
- Reduktion des externen Energiebedarfs und der Energiekosten
- Identifikation optimaler Wärmetauscher-Netzwerke und effizienter Prozessverknüpfungen
- Klare Entscheidungsgrundlage für Investitionen in Wärmerückgewinnung
Die Pinch-Analyse eignet sich besonders für Unternehmen mit mehreren Abwärmequellen und Wärmeverbrauchern auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Sie lässt sich sowohl bei Neuanlagen als auch bei Altanlagen einsetzen und liefert ein ganzheitliches Bild der Energieflüsse im Betrieb.
Energie aus Abwärme und Pinch-Analyse als Schlüssel zur Energiewende
Die Nutzung von Energie aus Abwärme bietet Unternehmen große Chancen, Kosten zu senken, gesetzliche Vorgaben zu erfüllen und einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Mit einer systematischen Erfassung, gezielten Maßnahmen zur Vermeidung und effizienten Nutzung der verbleibenden Abwärme sowie dem Einsatz der Pinch-Analyse lassen sich erhebliche Effizienzpotenziale erschließen. Wer diese Methoden konsequent anwendet, stärkt die eigene Wettbewerbsfähigkeit und unterstützt aktiv die Energiewende.
Oft verwenden wir die PINCH-Analyse im Rahmen von geförderten Transformationsplänen. So profitieren unsere Kunden schon bei dem Erstellen der Planung (Transformationsplan) von umfangreicher Förderung und später bei der Projektverwirklichung unter Nutzung der Förderung im BAFA Modul 2.