Kälte aus Abwärme: Bei der Kälteerzeugung Geld sparen

Nutzung der Abwärme senkt den Energieverbrauch

Sehr viele Unternehmen nutzen Kälte – zum Beispiel bei der Klimatisierung von Gebäuden, der Kühlung in Rechenzentren, für Maschinen oder Werkstoffe, Prozesse oder die Herstellung und Lagerung von Lebensmitteln.

Gleichzeitig produziert fast jedes Unternehmen Abwärme, die häufig ungenutzt verpufft. Dabei bietet das scheinbare Abfallprodukt – gezielt eingesetzt – große Sparpotenziale, um den Energieverbrauch und die Kosten im Unternehmen zu senken. Zum Beispiel kann man sie bei der Produktion nutzen. Ebenso zum Heizen von Gebäuden, für die Erzeugung von Warmwasser oder zur Verstromung. Besonders interessant ist auch die Erzeugung von Kälte durch Abwärme. Das geschieht mit sogenannten Sorptionsanlagen.

Welche Abwärmequellen gibt es?

Einer der Vorteile bei der Nutzung von Abwärme: Sie fällt im Unternehmen meist dauerhaft an und kann deshalb kontinuierlich zur Kälteerzeugung eingesetzt werden. Und Abwärme entsteht in vielen verschiedenen Bereichen eines Unternehmens:

• Prozessabwärme bei der Produktion, Abgas-, Abluft- oder Rauchgasströme
• Wärmeverluste bei der Klimatisierung der Gebäude etwa durch raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen)
• Abwärme von Öfen und Trocknern (wie in der Metall- und Baustoffindustrie)
• In KWK-Anlagen und Blockheizkraftwerken
• In Abwässern aus Krankenhäusern oder anderen Einrichtungen

So funktioniert die Erzeugung von Kälte aus Abwärme

Wenn Flüssigkeiten verdunsten, entziehen sie ihrer Umgebung Wärme – und die Umgebungstemperatur sinkt. Dieses Prinzip machen sich thermische, also durch Abwärme angetriebene Kältemaschinen zunutze. 

Technisch gesehen wird bei thermischen Kältemaschinen ein Kältemittel in einer chemischen Lösung (Absorption) oder an der Oberfläche eines Festkörpers (Adsorption) gebunden. Führt man hier Abwärme zu, entweicht dieses Kältemittel aus der Verbindung. Das erhöht den Druck im Kühlkreislauf und Wasserdampf entsteht. Dieser wird von der Anlage in einem Kondensator wieder verflüssigt und einem Verdampfer zugeführt. Dabei entsteht die erwünschte Verdunstungskälte, die man für die verschiedensten Zwecke nutzen kann.

Sorptionsanlagen: Voraussetzungen für den Einsatz

Absorbtionsanlagen, die ein Kältemittel in einer chemischen Lösung binden, benötigen Abwärme-Temperaturen zwischen 80 und 160 Grad Celsius, um Temperaturen zwischen null und fünf Grad Celsius produzieren zu können.

Adsorptionsbasierte Kältemaschinen, bei denen Kältemittel an der Oberfläche eines Festkörpers gebunden werden, kommen hingegen bei Abwärme-Temperaturen zwischen 60 und 95 Grad Celsius zum Einsatz. Diese erzeugen Kaltwasser mit fünf bis zwölf Grad Celsius.

Generell gilt: Je höher die Abwärme-Temperaturen sind, desto effizienter arbeitet die Sorptionsanlage. In jedem Fall müssen die Temperaturen der Abwärme den Vorgaben der eingesetzten Sorptionsanlage entsprechen.

Sorptionskälteanlagen sind relativ teuer in der Anschaffung. Bei dauerhaft entstehender Abwärme kann der geringere Energieverbrauch die hohen Investitionskosten aber kompensieren. Zu beachten ist dabei, dass Sorptionsanlagen für einen konstanten Grundlastbetrieb ausgelegt sind, nicht zur Abdeckung von Lastspitzen. Entsprechend muss dies bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit einer Anlage kalkuliert werden.

Wichtig ist auch, den Kältebedarf im Unternehmen und die verfügbaren Abwärme-Temperaturen genau zu ermitteln. Mit dem Einsatz von Kältespeichern oder zusätzlichen Kompressionskälteanlagen können Nachfragespitzen abgedeckt und eine Überdimensionierung der Sorptionsanlage verhindert werden. Wärmepumpen können helfen, die Abwärme-Temperatur auf das gewünschte Niveau zu bringen. Denn durch höhere Abwärmetemperaturen verbessert sich die Effizienz der Sorptionskälteanlage, da weniger Erzeugungskapazität installiert werden muss. Als Energiequelle nutzen Wärmepumpen dabei überwiegend Wärme aus der Umgebung oder auch die im jeweiligen Betrieb anfallende Abwärme.

Beispielrechnung:

Quelle: Initiative EnergieEffizienz der Deutschen Energie-Agentur

* Einstufige Absorptionsanlagen haben in der Regel eine Arbeitszahl von 0,6 bis 0,75. Das heißt, dass 60 bis 75 Prozent der eingebrachten Wärmeenergie, in Kühlleistung umgewandelt werden und 25 bis 40 Prozent verloren gehen. Der Abwärmebedarf liegt dann entsprechend über dem Kühlbedarf.

Quick-Check: Lohnt sich die Nutzung Ihrer Abwärme?

Das Bayrische Landesamt für Umwelt hat einen interaktiven Abwärmerechner für verschiedene Abwärmenutzungsarten entwickelt: https://www.umweltpakt.bayern.de/abwaermerechner/.

Hier können Sie schnell überprüfen, ob sich eine Nutzung der Abwärme in Ihrem Betrieb rechnet. Zudem erhalten Sie eine erste Schätzung der voraussichtlichen Investitionskosten.

Welche Fördermöglichkeiten können Sie nutzen?

Bund sowie Länder bieten verschiedene Förderprogramme für die Nutzung von Abwärme und für Maßnahmen an Kälte- und Klimaanlagen. So unterstützt das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) die Errichtung neuer oder die (Teil-) Sanierung bestehender Kälte- oder Klimaanlagen mit verschiedenen Programmen, die beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) beantragt werden können.

• Das gilt für Kälte- und Klimaanlagen: Werden die in den Richtlinien vorgegebene Effizienzkriterien der Anlagen erreicht, liegen die Zuschüsse bei bis zu 50 Prozent der förderfähigen Kosten, maximal 150.000 Euro je Maßnahme
• Eine Option ist auch die Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW): Hier werden die Konzepterstellung mit 50 Prozent und Gesamt- bzw. Teilanlagen mit bis zu 40 Prozent der förderfähigen Kosten bezuschusst. (Verteilt über vier Module.) Voraussetzung ist hierbei allerdings, dass die Netze über mindestens 75 Prozent regenerativer Energie oder Abwärme gespeist werden und dass mindestens 17 Gebäude oder 101 Wohneinheiten angeschlossen werden.

Fazit

Abwärme entsteht in fast jedem Unternehmen. Ob zur Kühlung von Gebäuden, Rechenzentren, Maschinen oder Lebensmitteln: Vielen Betrieben in Industrie und Gewerbe bietet sich die Möglichkeit, durch die Erzeugung von Kälte aus Abwärme die Energiekosten zu senken. Denn bei dauerhaft entstehender Abwärme kann der geringere Energieverbrauch die Investitionskosten für die erforderliche Sorptionskälteanlage kompensieren. Vor der Anschaffung der Anlage sind jedoch der Kältebedarf im Unternehmen und die verfügbaren Abwärme-Temperaturen genau zu kalkulieren – und nicht zuletzt die möglichen Fördergelder zu berücksichtigen, die der Staat für die Nutzung von Abwärme zur Kälteerzeugung bereithält.

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