Möglichkeiten, Potentiale, Hemnisse und

Transcription

UMWELTFORSCHUNGSPLAN DES BUNDESMINISTERIUMS
FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT
– Rationelle Energieerzeugung und -nutzung –
Förderkennzeichen 201 41 136
Möglichkeiten, Potenziale, Hemmnisse
und Instrumente zur Senkung des Energieverbrauchs branchenübergreifender
Techniken in den Bereichen Industrie und
Kleinverbrauch
Christiane Schmid
Anselm Brakhage
Dr. Peter Radgen
Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und
Innovationsforschung
Günter Layer
Ulli Arndt
James Carter
Andreas Duschl
Jörg Lilleike
Olaf Nebelung
Forschungsstelle für Energiewirtschaft
Karlsruhe/München, Juli 2003
Projektleitung:
Christiane Schmid
Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung (ISI)
Breslauer Str. 48
76139 Karlsruhe
Tel.: 0721 / 6809-257
Fax: 0721 / 6809-272
E-mail: [email protected]
in Zusammenarbeit mit
Günter Layer
Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE)
Wissenschaftlicher Leiter: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner
Geschäftsführer: Dr.-Ing. Wolfgang Mauch
Am Blütenanger 71
80995 München
Tel. 089 / 158 121-25
Fax. 089 / 158 121-10
E-Mail: [email protected]
Diese Vorhaben wurde im Auftrag des Umweltbundesamtes im Rahmen des Umweltforschungsplanes – Förderkennzeichen 201 41 136 – erstellt und mit Bundesmitteln finanziert.
Berichts-Kennblatt
1.
4.
5.
6.
Berichtsnummer
2.
3. Rationelle EnergieUBA-FB
erzeugung und –nutzung
Titel des Berichts
Möglichkeiten, Potenziale, Hemmnisse und Instrumente zur Senkung des Energieverbrauchs
branchenübergreifender Techniken in den Bereichen Industrie und Kleinverbrauch
Autor(en), Name(n), Vorname(n)
Schmid, Christiane; Dr. Radgen, Peter; Brakhage, Anselm
Layer, Günter; Arndt, Ulli; Carter, James; Duschl, Andreas;
Lilleike, Jörg; Nebelung, Olaf
Durchführende Institution (Name, Anschrift)
Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung
Breslauer Str. 48, 76139 Karlsruhe
7.
in Zusammenarbeit mit:
Forschungsstelle für Energiewirtschaft
Am Blütenanger 71, 80995 München
Fördernde Institution (Name, Anschrift)
8.
Abschlussdatum
31. Mai 2003
9.
Veröffentlichungsdatum
10.
UFOPLAN-Nr.
201 41 136
11.
Seitenzahl
278
12.
Literaturangaben
163
13.
Tabellen und Diagramme
71
14.
Abbildungen
63
Umweltbundesamt, Postfach 33 00 22, 14191 Berlin
15. Zusätzliche Angaben
16.
17.
18.
Zusammenfassung
Das Bestreben, die nationalen Klimaschutzziele zu erreichen, macht auch in den Sektoren Industrie
und Gewerbe, Handel, Dienstleistungen weitergehende Bemühungen unumgänglich. 70 % des Endenergiebedarfs in diesen Sektoren wird durch branchenübergreifende Techniken (Querschnittstechniken) benötigt. Die vorliegende Studie analysierte für 13 Technikfelder den Stand der Technik, sowie
das theoretische, technische und wirtschaftliche Einsparpotenzial. Das ermittelte kumulierte wirtschaftliche Potenzial liegt in der Größenordnung von 20 %, wobei absolut gesehen die größten Potenziale im Bereich der Gebäudetechnik (206 PJ) und bei den Industrieöfen (84 PJ) zu finden sind.
Auch bei elektrisch angetriebenen Systemen ergibt sich in der Summe ein beträchtliches Potenzial
von 141 PJ. Das technische Potenzial liegt in den meisten Bereichen um den Faktor zwei höher.
Die Studie analysierte weiterhin die Hemmnisse, die die Umsetzung der identifizierten Potenziale behindern, und politische Instrumente zur Überwindung dieser Hemmnisse. Viele der existierenden oder
geplanten Instrumente wirken auch auf die untersuchten Querschnittstechniken, allerdings fördern
nur wenige Maßnahmen gezielt die Energieeffizienz in diesen Bereichen. Als wesentliches Hemmnis
zeigt sich der Informationsmangel bei den Nutzern, hier sind feste Anlaufstellen und praktische Unterstützung wichtig. Bei der zukünftigen Gestaltung von Instrumenten sollte darauf geachtet werden,
dass Querschnittstechniken häufig in Systemen verbunden sind und sich durch diese Vernetzungen
in ihrem Energiebedarf gegenseitig beeinflussen.
Schlagwörter
rationelle Energienutzung, Energieeinsparung, Einsparpotenzial, Energieverbrauch, Industrie,
GHD-Sektor, Kleinverbrauch, Querschnittstechniken, Hemmnisse, politische Instrumente,
Klimaschutz, elektrische Antriebe, Industrieöfen, Gebäudetechnik, Wärmeerzeugung
Preis
19.
20.
Report Cover Sheet
1.
4.
5.
6.
Report
No. 2.
3. Efficient
Energy
UBA-FB
Production and Use
Report Title
Opportunities, potentials, barriers, and policies to reduce the energy demand of cross-cutting
technologies in industry and the tertiary sector
Autor(s), Family Name(s), First Name(s)
Schmid, Christiane; Dr. Radgen, Peter; Brakhage, Anselm
Layer, Günter; Arndt, Ulli; Carter, James; Duschl, Andreas;
Lilleike, Jörg; Nebelung, Olaf
Performing Organisation (Name, Address)
Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research
Breslauer Str. 48, 76139 Karlsruhe, Germany
7.
in cooperation with
Research Institute for Energy Technology
Am Blütenanger 71, 80995 München, Germany
Funding Agency (Name, Address)
8.
Report Date
st
31 May 2003
9.
Publication Date
10.
UFOPLAN-Ref. No.
201 41 136
11.
No. of Pages
278
12.
No. of Reference
163
13.
No. of Tables, Diagrams
71
14.
No. of Figures
63
Umweltbundesamt (Federal Environmental Agency)
Postfach 33 00 22, 14191 Berlin
15. Supplementary Notes
16.
Abstract
The objective to reduce greenhouse gas emissions by 8 % in 2018/2012 is challenging and still requires some effort. 70 % of the total final energy demand in the industrial and tertiary sector is consumed by cross-cutting technologies. For 13 technology areas, the study analysed the state of the
art, and the theoretical, technical, as well as the economic potential of energy efficiency. The study
identified a cumulated economic potential of about 20 %. Large potentials can be found in buildings
(206 PJ), industrial furnaces (84 PJ), and electric motors and motor-driven systems (141 PJ). The
technical potential for most technologies is about twice as high as the economic potential.
The study further investigated underlying barriers which impede the potentials to be realised, and assessed policy measures to overcome these barriers. Many of the existing or proposed measures
show an effect on cross-cutting technologies in both sectors, although there are only few which specifically address energy efficiency of these technologies. A main barrier was found to be imperfect
information, i. e. consumers get insufficient or no information on energy efficiency. Permanent contact
addresses and practical support can help in this regard. Crosslinking of energy demand and efficiency between technology areas is a major characteristic of the technologies investigated. This
should be taken into account when developing future measures.
17.
Keywords
rational use of energy, energy saving, saving potential, energy consumption, energy demand,
industry, tertiary sector, cross-cutting technologies, barriers, policies, climate protection,
electric drives, furnaces, building technology, heat generation
Price
19.
20.
18.
I
Inhaltsverzeichnis
1
2
Allgemeine Beschreibung des Forschungsvorhabens..................................... 1
1.1
Ausgangslage ............................................................................................. 1
1.2
Zielsetzung ................................................................................................. 2
1.3
Gegenwärtige Energienutzung in den Sektoren Industrie und
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) .............................................. 3
1.4
Methodisches Vorgehen ............................................................................. 6
Beschreibung der Einzeltechniken................................................................... 2
2.1
2.2
Konventionelle Wärmeerzeuger zur Raumheizung und
Warmwassererzeugung (FfE) .................................................................... 2
2.1.1
Bestand in Industrie und Kleinverbrauch .................................. 2
2.1.2
2.1.2.1
2.1.2.2
2.1.2.3
Technologischer Stand .............................................................. 3
Zentralheizungen ....................................................................... 7
Einzelheizungen ........................................................................ 9
Wassererwärmer ...................................................................... 10
2.1.3
2.1.3.1
2.1.3.2
2.1.3.3
2.1.3.4
Energiebedarf und Einsparpotenzial........................................ 10
Verbrauchsstruktur .................................................................. 11
Theoretisches Einsparpotenzial ............................................... 12
Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs ................ 13
Beispiele zur Energieverbrauchsreduktion.............................. 13
2.1.4
Literatur ................................................................................... 16
Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen (FfE) ..................................... 18
2.2.1
2.2.1.1
2.2.1.2
2.2.1.3
2.2.1.4
2.2.1.5
Beschreibung der Anlagentechnik........................................... 19
Grundlagen .............................................................................. 19
Unterteilung der KWK-Anlagen ............................................. 20
Verbrennungskraftmaschinen.................................................. 23
Brennstoffzellen ...................................................................... 24
Dampf- und Gasturbinen ......................................................... 26
2.2.2
Bestand in Industrie und Kleinverbrauch ................................ 28
2.2.3
Technologischer Stand ............................................................ 32
2.2.4
II
2.3
2.4
2.5
2.2.4.1
2.2.4.2
2.2.4.3
2.2.4.4
Theoretisches Potenzial ........................................................... 32
Technisches Potenzial ............................................................. 33
Wirtschaftliches Potenzial ....................................................... 33
Einsparpotenzial ...................................................................... 33
2.2.5
Hemmnisse .............................................................................. 35
2.2.6
Beispiele .................................................................................. 35
2.2.7
Literatur ................................................................................... 36
Wärmedämmung (FfE)............................................................................. 38
2.3.1
2.3.2
2.3.2.1
2.3.2.2
2.3.2.3
Gebäudebestand im Kleinverbrauch........................................ 39
Wärmebedarf im Ist-Zustand................................................... 42
Sanierungsmaßnahmen............................................................ 43
Einsparpotenzial ...................................................................... 45
2.3.3
Technisches und wirtschaftliches Einsparpotenzial ................ 47
2.3.4
Literatur ................................................................................... 48
Dampf- und Heißwassererzeuger (für Prozesswärme) (ISI).................... 57
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.3.1
2.4.3.2
2.4.3.3
2.4.3.4
2.4.3.5
Theoretischer Energiebedarf.................................................... 67
Abschätzung der Energieverluste beim Gesamtsystem........... 68
Weitere Verluste ...................................................................... 70
2.4.4
Literatur ................................................................................... 74
Industrieöfen (ISI) .................................................................................... 76
2.5.1
2.5.2
2.5.2.1
2.5.2.2
Brennertechnik ........................................................................ 79
Wärmedämmung ..................................................................... 80
2.5.3
2.5.3.1
2.5.3.2
2.5.3.3
Theoretischer Energiebedarf.................................................... 82
2.5.4
Literatur ................................................................................... 97
III
2.6
2.7
2.8
2.9
Trockner (ISI)........................................................................................... 99
2.6.1
Bestand in Industrie und Kleinverbrauch .............................. 101
2.6.2
Technologischer Stand .......................................................... 102
2.6.3
2.6.3.1
2.6.3.2
2.6.3.3
Energiebedarf und Einsparpotenzial...................................... 107
Theoretischer Energiebedarf.................................................. 107
Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs .............. 109
Technisches und wirtschaftliches Einsparpotenzial .............. 110
2.6.4
Literatur ................................................................................. 112
Wärmeübertrager (FfE) ......................................................................... 114
2.7.1
2.7.2
2.7.2.1
2.7.2.2
2.7.2.3
2.7.2.4
Bauarten................................................................................. 115
Werkstoffe ............................................................................. 122
Wärmetauscher-Systeme ....................................................... 126
Dimensionierungsbeispiel und Parameter-Variation............. 126
2.7.3
2.7.3.1
2.7.3.2
Weiterentwicklungen und Tendenzen ................................... 133
Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz.......................... 134
2.7.4
Literatur ................................................................................. 135
Elektrische Antriebe (FfE) ..................................................................... 136
2.8.1
2.8.2
2.8.2.1
2.8.2.2
2.8.2.3
2.8.2.4
2.8.2.5
Elektromotoren ...................................................................... 139
Stellglieder............................................................................. 140
Wichtige Kenngrößen von elektrischen Antrieben ............... 142
Normen und Richtlinien ........................................................ 143
Stand im Hinblick auf den Energieverbrauch........................ 144
2.8.3
2.8.4
Hemmnisse und Handlungsdefizite....................................... 148
2.8.5
Literatur ................................................................................. 149
Pumpen (FfE)......................................................................................... 151
2.9.1
2.9.2
2.9.2.1
2.9.2.2
2.9.2.3
Bauarten................................................................................. 153
Auswahlkriterien ................................................................... 155
Regelung von Pumpen........................................................... 158
IV
2.9.3
2.9.4
Weiterentwicklungen............................................................. 161
2.9.5
Literatur ................................................................................. 164
2.10 Druckluftbereitstellung (ISI) .................................................................. 165
2.10.1
2.10.2
2.10.2.1
2.10.2.2
2.10.2.3
2.10.2.4
Kompressoren........................................................................ 166
Antriebe und Regelung.......................................................... 169
Druckluftaufbereitung ........................................................... 171
Druckluftverteilung ............................................................... 174
2.10.3
2.10.3.1
2.10.3.2
2.10.3.3
Theoretischer Energieverbrauch............................................ 179
2.10.4
Literatur ................................................................................. 184
2.11 Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen (ISI).......................................... 186
2.11.1
2.11.2
2.11.3
2.11.3.1
2.11.3.2
2.11.3.3
2.11.4
Literatur ................................................................................. 203
2.12 Kälteerzeugung (ISI) .............................................................................. 204
2.12.1
2.12.2
2.12.2.1 Verfahren zur Kälteerzeugung............................................... 210
2.12.2.2 Bestandteile einer Kälteanlage .............................................. 212
2.12.3
2.12.3.1
2.12.3.2
2.12.3.3
2.12.5
Literatur ................................................................................. 226
2.13 Elektrische Beleuchtung (FfE) ............................................................... 228
2.13.1
Einführung in die Technik..................................................... 228
V
2.13.2
2.13.3
2.13.4
2.13.5
Weiterentwicklungen............................................................. 237
2.13.6
Literatur ................................................................................. 238
2.14 Zusammenfassung der identifizierten Einsparpotenziale ...................... 240
3
Hemmnisse bei der Umsetzung der identifizierten Maßnahmen.............. 243
4
Energiepolitische Instrumente zur Förderung der
Energieeffizienz branchenübergreifender Techniken................................ 247
4.1
Klassifikation und Übersicht über grundsätzlich mögliche
Maßnahmen............................................................................................ 247
4.2
Bestehende und geplante Maßnahmen................................................... 250
4.3
5
4.2.1
Ökonomische Instrumente..................................................... 250
4.2.2
Fiskalische Instrumente ......................................................... 253
4.2.3
Ordnungsrechtliche Instrumente............................................ 261
4.2.4
Freiwillige Vereinbarungen................................................... 263
4.2.5
Informationsprogramme ........................................................ 267
4.2.6
Aus-, Fort- und Weiterbildung .............................................. 268
4.2.7
Forschungs- und Entwicklung............................................... 269
4.2.8
Weitere Instrumente .............................................................. 270
Empfehlungen hinsichtlich der Ausschöpfung des Potenzials
branchenübergreifender Techniken ....................................................... 271
Literatur zu Kapitel 1, 3 und 4..................................................................... 275
VI
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:
Endenergieverbrauch in der Industrie und im GHD-Sektor
zwischen 1990 und 2000 .................................................................. 4
Abbildung 2:
Aufteilung des Endenergieverbrauchs auf
Verbrauchssektoren und Bedarfsarten 1999..................................... 4
Abbildung 3:
Aufteilung des Energieverbrauchs für industrielle Prozesse............ 5
Abbildung 4:
Aufteilung des Stromverbrauchs in Deutschland 1999 .................... 5
Abbildung 5:
Aufteilung des industriellen Stromverbrauchs ................................. 6
Abbildung 6:
Unterscheidung verschiedener Potenzialarten.................................. 7
Abbildung 7:
Matrix zentraler und dezentraler Wärmeerzeuger unterteilt
nach Energieträgern.......................................................................... 6
Abbildung 8:
Heizungstechnische Parameter eines mit einem
atmosphärischen Gaskessel beheizten Gebäudes ........................... 14
Abbildung 9:
Temperaturverläufe der Warmwasserbereitstellung und
gezapftes Volumen ......................................................................... 16
Abbildung 10: Schema einer BHKW-Heizungsanlage .......................................... 19
Abbildung 11: Verlauf von Wärme- und elektrischer Leistung für KWKAnlagen mit einem Freiheitsgrad ................................................... 22
Abbildung 12: Prinzipieller schematischer Aufbau einer PEMBrennstoffzelle................................................................................ 25
Abbildung 13: Schematische Darstellung einer Mikro-Gasturbine........................ 28
Abbildung 14: Verkaufszahlen von SenerTec-Heizkraftanlagen in den
Jahren 1998 bis 2002 (Prognose).................................................... 29
Abbildung 15: Einsatzbereiche von motorischen BHKW-Anlagen ....................... 30
Abbildung 16: Aufteilung des Endenergieverbrauchs für die
Raumheizwärme auf die Sektoren Industrie, Haushalte und
Kleinverbrauch für das Jahr 2000................................................... 38
Abbildung 17: Aufteilung und Gesamtflächen der Typgebäude 1 bis 21
(alte Bundesländer, ab 1995 Gesamtdeutschland) für das
Jahr 2000......................................................................................... 41
Abbildung 18: Aufteilung und Gesamtfläche der Typgebäude 22 bis 28
(neue Bundesländer) für das Jahr 2000 .......................................... 42
VII
Abbildung 19: Spezifischer Heizwärmebedarf, spezifische
Investitionskosten und spezifische Differenzkosten pro
Quadratmeter Gebäudefläche im Jahr 2000 bei Umsetzung
verschiedener Maßnahmenbündel zur wärmetechnischen
Sanierung ........................................................................................ 45
Abbildung 20: Spezifische Einsparungen aufgetragen über den
spezifischen Investitionskosten bzw. Differenzkosten, nach
Baualtersklassen ............................................................................. 47
Abbildung 21: Abschätzung des technischen Reduktionspotenzials beim
Endenergiebedarf für die Gebäudeheizung in den Sektoren
Industrie und Kleinverbrauch ......................................................... 48
Abbildung 22: Standarddampferzeugersystem mit offener
Kondensatsammlung ...................................................................... 60
Abbildung 23: Mittlerer Jahresnutzungsgrad, Vergleich einzelner Anlagen.......... 68
Abbildung 24: Brennstoffeinsatz für industrielle Prozesswärme nach
Temperaturniveau und Branche...................................................... 77
Abbildung 25: Wärmebilanz um die Ofenkammer................................................. 83
Abbildung 26: Wärmebilanz mit Wärmerückgewinnung....................................... 84
Abbildung 27: Abhängigkeit des Feuerungstechnischen Wirkungsgrades
von Abgastemperatur...................................................................... 85
Abbildung 28: Einfluss der Luftvorwärmung auf die Energieeinsparung.............. 86
Abbildung 29: Abhängigkeit der NOx-Emissionen von der
Luftvorwärmtemperatur.................................................................. 87
Abbildung 30: Relative Brennstoffeinsparung durch Einsatz von
sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft .................................... 90
Abbildung 31: Brennstoff-Einsparung in Abhängigkeit von Laufzeitfaktor
bzw. Ofenauslastung....................................................................... 94
Abbildung 32: Technische Möglichkeiten zur Energieeinsparung bei
Industrieöfen................................................................................... 96
Abbildung 33: Bandbreiten des spezifischen Endenergieverbrauches
unterschiedlicher Trockner bei der Verdampfung von
Wasser .......................................................................................... 108
Abbildung 34: Temperatur und Leistung in Abhängigkeit vom primären
Wärmekapazitätsstrom m1c1 ......................................................... 128
VIII
Abbildung 35: Wirkungsgrad und Leistung in Abhängigkeit vom
primären Wärmekapazitätsstrom m1c1 ......................................... 129
Abbildung 36: Temperatur und Leistung in Abhängigkeit vom sekundären
Wärmekapazitätsstrom m2c2 ......................................................... 130
Abbildung 37: Wirkungsgrad und Leistung in Abhängigkeit vom
sekundären Wärmekapazitätsstrom .............................................. 130
Abbildung 38: Temperatur und Leistung in Abhängigkeit vom der
primären Eintrittstemperatur t11 .................................................... 131
Abbildung 39: Temperatur und Leistung in Abhängigkeit von der
sekundären Eintrittstemperatur t21 ................................................ 132
Abbildung 40: Aufteilung des industriellen Abwärmeanfalls nach
Temperaturbereich und Art .......................................................... 133
Abbildung 41: Schema des Verbundes Antriebssystem + Arbeitsmaschine........ 138
Abbildung 42: Hauptbauarten von Pumpen.......................................................... 154
Abbildung 43: Rohrnetzkennlinie eines Systems mit und ohne
geodätischen Förderhöhenanteil ................................................... 157
Abbildung 44: Wirkungsgradverluste einer Kreiselpumpe .................................. 162
Abbildung 45: Aufbau eines Druckluftsystems.................................................... 166
Abbildung 46: Kompressorbauarten..................................................................... 167
Abbildung 47: Einsatzbereich von Luftverdichtern.............................................. 169
Abbildung 48: Funktionsdiagramm der Volllast-Leerlauf-AussetzRegelung....................................................................................... 170
Abbildung 49: Energiebedarf bei verschiedenen Regelungskonzepten ............... 171
Abbildung 50: Dimensionierung von Leitungsquerschnitten mit Hilfe
eines Nomogramms ...................................................................... 176
Abbildung 51: Energieflussbild einer ineffizienten Druckluftstation................... 178
Abbildung 52: Leistungsaufnahme bei der Luftverdichtung................................ 180
Abbildung 53: Leistungsaufnahme verschiedener Verdichterbauarten................ 181
Abbildung 54: Differenzdruckverlauf von Tiefenfiltern ...................................... 182
Abbildung 55: Gliederung der Lufttechnik nach DIN 1946................................. 190
Abbildung 56: Funktionsprinzip einer Klimaanlage ............................................ 191
IX
Abbildung 57: Schematische Darstellung einer Luft-Klimaanlage mit
Einkanalsystem ............................................................................. 192
Abbildung 58: Schematische Darstellung einer Luft-Klimaanlage mit
Zweikanalsystem .......................................................................... 193
Abbildung 59: Die wesentlichen energetischen Größen der
Raumluftkonditionierung.............................................................. 197
Abbildung 60: Schema eines linksläufigen Carnot-Prozesses.............................. 219
Abbildung 61: Carnot-Wirkungsgrad zwischen -200 und +1000 °C ................... 221
Abbildung 62: Lichtausbeute verschiedener Lampentypen einschließlich
Vorschaltgerät............................................................................... 235
Abbildung 63: Übersicht in Europa verkaufter Motoren und Grenzkurven
der Effizienzklassen EFF1–3........................................................ 264
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:
Altersstruktur für Gasfeuerungsanlagen für die
Bundesrepublik Deutschland 2000................................................... 3
Tabelle 2:
Altersstruktur für Ölfeuerungsanlagen für die
Bundesrepublik Deutschland 2000................................................... 3
Tabelle 3:
Wirkungsgrade von Wärmeerzeugern im Nennbetrieb .................... 7
Tabelle 4:
Verbrauchsstruktur für Strom und Brennstoffe im Bereich
Kleinverbrauch in 1998 .................................................................. 11
Tabelle 5:
Energieeinsparpotenzial durch konsequenten Ersatz der
bestehenden Wärmeerzeuger durch Gas-Brennwertgeräte,
normiert auf 1 kWh Heizwärmebedarf........................................... 12
Tabelle 6:
Energieeinsparpotenzial bei der Raumwärmebereitstellung
durch Kesselaustausch am Beispiel eines atmosphärischen
Gaskessels, normiert auf 1 kWh Heizwärmebedarf ....................... 15
Tabelle 7:
Aufteilung des Brennstoffeinsatzes in einem motorischen
BHKW mit Temperaturniveaus der Wärmequellen ....................... 24
Tabelle 8:
Spezifische Eigenschaften verschiedener
Brennstoffzellentypen..................................................................... 26
Tabelle 9:
Ende 1997 installierte BHKW-Leistung......................................... 29
X
Tabelle 10:
Aufteilung der installierten Gasturbinen-Anlagen und der
elektrischen Leistung auf verschiedene Branchen.......................... 31
Tabelle 11:
Wärmebedarf < 300 °C der gesamten Industrie nach
Temperaturniveaus 1994 ................................................................ 34
Tabelle 12:
Rechnerischer Wärmebedarf der Typgebäude nach
Baualtersklassen für das Jahr 2000................................................. 43
Tabelle 13:
Beschreibung der einzelnen wärmetechnischen
Sanierungsmaßnahmen an der Gebäudehülle, für das Jahr
2000 ................................................................................................ 44
Tabelle 14:
Wärmetechnische Zustände der Typgebäude,
Maßnahmenkurzbeschreibung, für das Jahr 2000 .......................... 44
Tabelle 15:
Dampf/Heißwassererzeugertypen................................................... 58
Tabelle 16:
Dampf- und Heißwasserbedarf bis 350 °C in der Industrie
1998 ................................................................................................ 59
Tabelle 17:
Verlustquellen im Dampferzeugersystem ...................................... 70
Tabelle 18:
Maßnahmen zur Verringerung der Staub, SO2-, und NOxEmissionen...................................................................................... 73
Tabelle 19:
Energieeinsparmaßnahmen bei Dampf-/
Heißwassererzeugern...................................................................... 74
Tabelle 20:
Industrieöfen nach Produktgruppen und Ofentyp .......................... 76
Tabelle 21:
Endenergiebedarf für ausgewählte Industrieöfen nach
Produktgruppen und Energieträgern in Deutschland, 1998............ 78
Tabelle 22:
Überblick über keramische und mineralische
Wärmedämmstoffe ......................................................................... 81
Tabelle 23:
Einsatzbereiche verschiedener Brennertypen ................................. 86
Tabelle 24:
Einsparpotenziale durch Einsatz von Brennern mit
integrierter Wärmerückgewinnung................................................. 88
Tabelle 25:
Energieeinsparmaßnahmen bei Industrieöfen ................................ 96
Tabelle 26:
Trocknereinsatz in Industrie nach Produkten und Branchen........ 100
Tabelle 27:
Endenergiebedarf für Trocknungsprozesse nach
Produktgruppen und Energieträgern in Deutschland, 1998.......... 101
Tabelle 28:
Verhältnis zwischen Konvektion und Strahlung bei
verschiedenen Typen von Wärmequellen..................................... 105
Tabelle 29:
Einsparmaßnahmen bei Trocknern, nach Produkten.................... 111
XI
Tabelle 30:
In Deutschland produzierte Anzahl von Wärmetauschern
in den Jahren 1995 bis 1999 aufgeteilt auf vier
Anwendungsbereiche.................................................................... 115
Tabelle 31:
Eigenschaften der verschiedenen Wärmetauscher-Bauarten........ 121
Tabelle 32:
Stromverbrauch in Industrie und Kleinverbrauch in 1999 ........... 136
Tabelle 33:
Anzahl und Leistung der Elektromotoren im Bestand im
Jahr 1992 in den alten Bundesländern.......................................... 137
Tabelle 34:
Gliederung und Einsatz von Elektromotoren für stationäre
Antriebe ........................................................................................ 139
Tabelle 35:
Normen und Richtlinien für elektromechanische
Energiewandler............................................................................. 144
Tabelle 36:
Relative technische und wirtschaftliche
Energieeinsparpotenziale in den Sektoren Industrie und
Kleinverbrauch in Bezug auf das Basisjahr 1998......................... 145
Tabelle 37:
Pumpenbauarten und deren Förderbereiche ................................. 152
Tabelle 38:
Gliederung der Einsatzbereiche von Pumpen und
ausgewählte Anwendungsbeispiele .............................................. 155
Tabelle 39:
Einsatzbereiche von Druckluft nach Wirtschaftssektoren............ 165
Tabelle 40:
Druckluftqualitätsklassen nach ISO 8573.1 ................................. 172
Tabelle 41:
Empfohlene Güteklassen und Aufbereitung nach
Verwendungszweck...................................................................... 174
Tabelle 42:
Leistungsverluste durch Leckagen ............................................... 177
Tabelle 43:
Energieeinsparmaßnahmen bei der Druckluftbereitstellung ........ 183
Tabelle 44:
Anwendungszeitpunkt der Energieeinsparmaßnahmen................ 184
Tabelle 45:
Klimatisierungsbedarf in der Industrie ........................................ 187
Tabelle 46:
Klimatisierungsgrad der einzelnen Industrie-Branchen ............... 189
Tabelle 47:
Kälteanwendung für stationäre Klimaanlagen ............................. 196
Tabelle 48:
Energieverbrauch von Ventilatoren in Deutschland nach
Bauart und Größe in GWh, 2000.................................................. 197
Tabelle 49:
Einsparpotenziale von Ventilatoren.............................................. 200
Tabelle 50:
Energieeinsparmaßnahmen bei Lüftungs- und
Klimatisierungsanlagen ................................................................ 202
XII
Tabelle 51:
Ökonomische Optimierung von Einsparmaßnahmen an
RLT-Anlagen................................................................................ 202
Tabelle 52:
Kälteeinsatzgebiete, Temperatur und Leistung ............................ 204
Tabelle 53:
Energiebedarf zur technischen Erzeugung von Kälte für
Nahrungsmittel ............................................................................. 206
Tabelle 54:
Energiebedarf zur technischen Erzeugung von
Industriekälte ................................................................................ 208
Tabelle 55:
Energiebedarf zur technischen Erzeugung von Kälte in den
Bereichen Medizin, Sport und Wehrtechnik ................................ 209
Tabelle 56:
Kennzahlen verschiedener Kältemittel ......................................... 217
Tabelle 57:
Übersicht über die wichtigsten Energiesparmaßnahmen in
der Kältetechnik............................................................................ 226
Tabelle 58:
Mittlere Lebensdauer verschiedener Lampentypen...................... 235
Tabelle 59:
Endenergieverbrauch und technische Einsparpotenziale bei
der Beleuchtung für alle Sektoren ................................................ 237
Tabelle 60:
Zusammenfassung des Energiebedarfs und der ermittelten
Einsparpotenziale.......................................................................... 241
Tabelle 61:
Überblick über Hemmnisse .......................................................... 243
Tabelle 62:
Interne Verzinsung von Energieeinspar-Investitionen in %
pro Jahr ......................................................................................... 245
Tabelle 63:
Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz in den
Sektoren Industrie und GHD und bei
branchenübergreifenden Techniken ............................................. 248
Tabelle 64:
Mögliche Ziele der Energiepolitik und Zieleffektivität
energiepolitischer Maßnahmen..................................................... 249
Tabelle 65:
Mineralöl- und Strombesteuerung im Rahmen der
ökologischen Steuerreform........................................................... 251
Tabelle 66:
Vom Emissionshandel betroffene Anlagen (nach Annex I
der Richtlinie zum Emissionshandel) ........................................... 252
Tabelle 67:
Zuschlagszahlungen nach dem KWK-Gesetz in Cent je
kWh .............................................................................................. 254
Tabelle 68:
Zuschlagszahlungen nach dem KWK-Gesetz in Cent je
kWh für BHKW-Anlagen............................................................. 255
XIII
Tabelle 69:
Zusagen der DtA im Förderbereich Umwelt:
Energieeinsparung (Industrie und Gewerbe): Anzahl der
Förderzusagen............................................................................... 256
Tabelle 70:
Zusagen der DtA im Förderbereich Umwelt:
Energieeinsparung (Industrie und Gewerbe): Angaben in
1000 Euro ..................................................................................... 257
Tabelle 71:
Übersicht über Förderprogramme der Länder zur
rationellen Energienutzung........................................................... 258
1
1
Allgemeine Beschreibung des Forschungsvorhabens
1.1
Ausgangslage
Deutschland ist im Rahmen des EU-burden-sharings verpflichtet, die Emissionen
klimarelevanter Gase bis 2008-2012 um 21 % zu mindern. Bis zum Jahr 2001 nahmen die deutschen CO2-Emissionen (temperaturbereinigt) um 15 % ab, wobei die
Emissionen der deutschen Industrie und Energiewirtschaft um 31,0 bzw. 16,1 %
(Stand 1999) zurückgingen. Die Emissionen der privaten Haushalte und des Verkehrs nahmen im gleichen Zeitraum um 6,0 bzw. 11,1 % (Stand 1999) zu (Ziesing
2002).
Die beiden Sektoren Industrie und Gewerbe, Handel, Dienstleistungen („Kleinverbrauch“, GHD) haben mit etwa 41 % einen erheblichen Anteil am Endenergieverbrauch in Deutschland. Um die Minderungsziele für 2008/2012 noch zu erreichen, müssen daher auch in diesen Sektoren trotz der dort bereits erzielten Erfolge
weitere Anstrengungen zur Absenkung der CO2-Emissionen unternommen werden.
Dies ist wegen der weiterhin vorhandenen, nicht unerheblichen Energie- und damit
CO2-Einsparpotenziale prinzipiell möglich.
Effizienzsteigerungen sind sowohl bei der Energiebereitstellung als auch beim
Energieverbrauch und hier insbesondere bei den sogenannten Querschnittstechniken
möglich. Da Querschnittstechniken nicht zum Kernbereich der Produktion in Unternehmen gehören und der Energieverbrauch der einzelnen Technikanwendungen
meist nur kleine Posten in der Kostenstruktur von Betrieben darstellen, werden
Verbesserungspotenziale sehr oft systematisch vernachlässigt.
Besonders der Stromverbrauch ist durch die Nutzung von typischen Querschnittstechniken wie Beleuchtungseinrichtungen, elektrischen Antrieben und motorbetriebenen Systemen wie Pumpen, Verdichter, Kompressoren und Lüftungsanlagen in
allen Branchen stark geprägt. Sowohl in der Industrie wie auch im Kleinverbrauch
entfallen circa drei Viertel des Stromverbrauchs auf die genannten Querschnittsanwendungen. Im Bereich des Wärmeverbrauchs dominiert in den Sektoren des
Kleinverbrauchs der Raumwärmebedarf, Prozesswärme wird sowohl in der Industrie wie auch im Kleinverbrauch in querschnittshaften Anwendungen wie Öfen und
Trocknern eingesetzt, die sich in verschiedenen Branchen in ähnlichen Ausführungen finden lassen bzw. bei denen sich Maßnahmen zur Energieeinsparung von
Branche zu Branche übertragen lassen. Darüber hinaus kommen branchenunabhängig Techniken zum Einsatz, deren Anwendung selbst wiederum die rationelle Energienutzung unterstützen. Dazu zählen Wärmeübertrager, Wärmedämmmaterialien,
Energiemanagementsysteme und Energiespeichersysteme.
2
Auch Techniken zur Bereitstellung von Nutzenergie wie Strom, Wärme und Kälte
werden branchenunabhängig eingesetzt und bergen Potenziale zur Wirkungsgradsteigerung. BHKW-Anlagen, Brennstoffzellen, Kälteanlagen und Wärmeerzeuger
zur Prozess- und Raumwärmebereitstellung stehen dabei teilweise als Alternativtechniken zur Verfügung.
Vor dem Hintergrund erforderlicher weiterer Energieeinsparungen fehlt eine umfassende Betrachtung der wichtigsten Energiequerschnittstechniken sowie konkrete
Handlungsempfehlungen, wie zumindest eine teilweise Ausschöpfung der in diesen
Bereichen vorhandenen Energieeinsparpotenziale erreicht werden kann.
1.2
Zielsetzung
Mit dem Vorhaben soll aufgezeigt werden, wie ein erheblicher Teil der im Bereich
der Energiequerschnittstechniken der Sektoren Industrie und Kleinverbrauch existierenden Energieeinsparpotenziale erschlossen werden kann, damit zusammen mit
anderen Maßnahmen das nationale Klimaschutzziel einer Minderung der sechs
Treibhausgase des Kyoto-Protokolls bis 2008/2012 um 21 % erreicht werden kann.
Dazu sollen im Projekt für die wichtigsten Querschnittstechniken im Bereich Energieumwandlung und -verbrauch der technologische Stand und zukünftige Weiterentwicklungen dokumentiert werden, daraus das technische und wirtschaftliche
Potenzial zur Energieeinsparung und damit die CO2-Minderung ermittelt werden.
Darüber hinaus werden Hemmnisse und Handlungsdefizite identifiziert, die einer
Umsetzung dieser Potenziale entgegenstehen. Als Fazit aus diesen Analysen sollen
Vorschläge erarbeitet werden, wie das ermittelte Potenzial kurz- und mittelfristig
mit wirkungsvollen Maßnahmen erschlossen werden kann.
Für nachfolgende Bereiche werden soweit möglich der Endenergieverbrauch für
Industrie und Kleinverbrauch ermittelt. Aufbauend auf einer Betrachtung des Bestandes und dem aktuellen Technikstand wird versucht, das technische Potenzial für
Einsparmaßnahmen zu ermitteln. Die Wirtschaftlichkeit wird an Hand von typisierten Anwendungsfällen diskutiert und daraus das wirtschaftliche Einsparpotenzial der einzelnen Anwendungsbereiche abgeschätzt. Außerdem werden die Hemmnisse für die Durchführung von Maßnahmen zur Energieeinsparung analysiert.
3
Für folgende Querschnittsanwendungen wird eine einzeltechnologische Betrachtung
durchgeführt:
•
Wärmeübertrager
•
Elektrische Antriebe
•
Konventionelle Wärmeerzeuger zur Raumheizung und Heißwassererzeugung
(einschl. Wärmepumpen)
•
Wärmedämmung
•
Elektrische Beleuchtung
•
BHKW und Brennstoffzellen (auch Mikrogasturbinen)
•
Pumpen
•
Druckluftanlagen
•
Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen
•
Dampf- und Heißwassererzeuger (für Prozesswärme) bis 50 MWth
•
Industrieöfen
•
Kälteerzeugung
•
Trockner.
1.3
Gegenwärtige Energienutzung in den Sektoren Industrie
und Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD)
Der Endenergieverbrauch der Industrie nahm in den 90er Jahren um 18,4 % ab und
lag 2000 bei 2430 PJ. Im Sektor Gewerbe, Handel, Dienstleistungen hingegen
schwankte der Endenergieverbrauch in den 90er Jahren zwischen 1414 und 1716 PJ
und lag mit 1449 PJ mit 7,3 % ebenfalls deutlich unter dem Wert von 1990
(Abbildung 1).
Etwa zwei Drittel des industriellen Endenergieverbrauchs wird für Prozesswärme
benötigt (Kleinverbrauch 25 %) (Abbildung 2), von dem etwa die Hälfte in Öfen
und etwa ein Fünftel in Trocknern benötigt wird (Abbildung 3). Ein Großteil dieses
Energiebedarfs ist wiederum in Querschnittsanwendungen zu finden. Die Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme schließlich ist ebenfalls als branchenübergreifend zu sehen, und wird in diesem Bericht abgedeckt.
3500
35%
3000
30%
2500
25%
2000
20%
1500
15%
1000
Endenergieverbrauch Industrie
Endenergieverbrauch GHD
Anteil Strom Industrie
Anteil Strom GHD
500
0
10%
5%
Anteil Strom am Endenergieverbrauch
Endenergieverbrauch in PJ
4
0%
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999* 2000*
Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 2001
Abbildung 1:
Endenergieverbrauch in der Industrie und im GHD-Sektor zwischen 1990 und 2000
Quelle: IfE 2000
Abbildung 2:
Aufteilung des Endenergieverbrauchs auf Verbrauchssektoren und
Bedarfsarten 1999
5
Prozessenergie in der Industrie
Sonstiges
24%
Trockner
21%
Abbildung 3:
Öfen
55%
Aufteilung des Energieverbrauchs für industrielle Prozesse
Ebenso ist die Verwendung von mechanischer Energie weitgehend in Querschnittsanwendungen zu finden: vom industriellen Stromverbrauch fließen ca. zwei Drittel
in elektrische Antriebe (Kleinverbrauch 39 %), die bei in diesem Bericht diskutierten Techniken Anwendung finden (Abbildung 5). Ca. ein Viertel entfällt auf Stromanwendungen für Prozesswärme, ein Großteil davon in branchenspezifischen Anwendungen (z. B. Elektrostahlerzeugung, Chlorelektrolyse), gefolgt von Beleuchtung – mit 20 % vor allem im Kleinverbrauch ein nennenswertes Anwendungsfeld
(Abbildung 4).
Quelle: IfE 2000
Abbildung 4:
Aufteilung des Stromverbrauchs in Deutschland 1999
6
S t rom bedar f I ndus tr ie
& GH D i n 1999: 1181 PJ
K ält eer z eugun g
23%
Dr uc kluf ter z eugu ng
11%
Elekt ri s c he
Ant ri ebe un d
Anw en dung en
54%
Pum pen
25 %
Abbildung 5:
1.4
L üft ung /
Kli m ati sier ung ,
V enti lato ren
24%
ander e:
Mis ch en,
Rühr en, etc .
17 %
Aufteilung des industriellen Stromverbrauchs
Methodisches Vorgehen
Für jede der genannten Technologien wird detailliert der derzeitige Stand der Technik und der Bestand in den betrachteten Sektoren bzw. der damit verbundene Energieverbrauch – soweit bezifferbar – dargestellt. Dazu erfolgt eine systematische
Auswertung bereits vorliegender Studien, Statistiken, Broschüren und Herstellerinformationen zum Technikbestand, der damit verbundene Energieverbrauch, zu erwartende Entwicklungen in den kommenden Jahren, sowie mögliche Einsparmaßnahmen.
Um das Einsparpotenzial, das mit jeder Technik verbunden ist, zu ermitteln, kann
zwischen verschiedenen Arten von Potenzialen unterschieden werden. Diese Arten
unterscheiden sich im betrachteten Zeithorizont und den Rahmenbedingungen
(UNDP 2000). Bei jeder Technik wird versucht, folgende Potenziale abzuschätzen:
•
Das theoretische Potenzial vermittelt erreichbare Energiesparungen unter den
theoretischen Gesichtspunkten der Thermodynamik. Das Konzept bei dieser Betrachtungsweise geht von den benötigten Energiedienstleistungen, d. h. die aus
dem Einsatz von Nutzenergie und anderer Produktionsfaktoren befriedigten Bedürfnisse bzw. erzeugten Güter, wie z. B. Beleuchten von Flächen, Klimatisierung Erwärmen von Stoffen und Gütern. Der Energiebedarf für Energiedienstleistungen ist prinzipiell nicht ohne weiteres zu beziffern. Neben theoretisch
vermeidbaren Wärmeverlusten können dabei auch Überlegungen zu Prozesssubstitution, Wärmerückgewinnung und Materialrecycling einfließen.
7
•
Das technische Potenzial repräsentiert die Energieeinsparungen, die durch die
derzeit effizientesten kommerziell und fast kommerziell verfügbaren Technologien zu erreichen sind, unabhängig von Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und
Re-Investitionszyklen.
•
Das wirtschaftliche Potenzial beziffert das Potenzial, das sich ergibt, wenn innerhalb des betrachteten Zeitraums bei allen Ersatz-, Erweiterungs- und Neuinvestitionen die energieeffizienteste Technologien eingesetzt würden, die bei gegebenen Energiemarktpreisen kosteneffektiv sind. Dies umfasst auch alle organisatorischen Maßnahmen wie regelmäßige Wartung und angepasstes Nutzerverhalten. Das wirtschaftliche Potenzial setzt einen gut funktionierenden Markt voraus, in dem Hemmnisse durch politische Maßnahmen korrigiert sind. Insbesondere wird angenommen, dass alle Marktteilnehmer einfachen Zugang zu zuverlässigen Informationen über die Wirtschaftlichkeit und die technische Eigenschaften der bestehenden und zukünftigen Einsparoptionen haben. Es wird angenommen, dass die Transaktionskosten sowie die indirekten Kosten, die durch
Politikmaßnahmen entstehen, auf ein absolutes Mindestmaß reduziert sind.
•
Schließlich verdeutlicht das Marktpotenzial bzw. das erwartete Potenzial die
Effizienzsteigerung, die für den betrachteten Zeitraum und unter den gegebenen
Rahmenbedingungen (wie Energiepreise, Verbraucherpräferenzen und Energiepolitiken) wahrscheinlich ist. Insbesondere werden dabei Hemmnisse und
Marktunvollkommenheiten berücksichtigt, die verhindern, dass das wirtschaftliche Potenzial umgesetzt wird.
Einsparpotenzial
Hemmnisse,
Marktunvollkommenheiten
Abbildung 6:
Markt-
Ökonomisches
Technisches
Theoretisches
potenzial
Potenzial
Potenzial
Potenzial
Unterscheidung verschiedener Potenzialarten
9
2
Beschreibung der Einzeltechniken
2.1
Konventionelle Wärmeerzeuger zur Raumheizung und
Warmwassererzeugung (FfE)
Unter dem Begriff konventionelle Wärmeerzeuger sind verbreitete Techniken zur
Bereitstellung von Raumwärme (RW) und Warmwasser (WW) zu verstehen, die
durch Brennstoffe oder elektrische Energie versorgt werden und damit die Möglichkeit bieten, den anfallenden Wärmebedarf jederzeit und ohne Einschränkung zu
decken. Darunter fallen im weitesten Sinne die „klassischen“ WärmeerzeugerTechniken wie Zentralheizkessel, dezentrale Einzelöfen und unterschiedliche Einrichtungen für die Warmwasserbereitung.
Die Art der Energieumwandlung ist abhängig vom Energieträger und der Bauart des
Wärmeerzeugers. Die Systeme werden mit den Brennstoffen Heizöl, Erdgas und
Festbrennstoffen, wie Stein- und Braunkohle sowie Holz und Biomasse, beaufschlagt, die mittels Brennern bzw. Rosten unter Luftzufuhr verbrannt werden. Die
hierbei entstehenden Abgase enthalten Schadstoffe, deren Zusammensetzung und
Konzentration von den Brennstoffeigenschaften und der eingesetzten Technik bestimmt werden. Des Weiteren kommt elektrische Energie zum Einsatz. Hierbei treten keine Abgasemissionen am Ort der Wärmeabnahme auf. Die Emissionen hängen von der Struktur der Energieerzeugung im vorgelagerten Umwandlungsbereich
ab (Pfitzner 1994).
2.1.1
Bestand in Industrie und Kleinverbrauch
In einer Analyse des Bundesverbands des Schornsteinfegerhandwerks wurde eine
Kesselstatistik mit Bestandszahlen und der Altersstruktur von Feuerungsanlagen für
die Bundesrepublik Deutschland 2000 erstellt. In Tabelle 1 und Tabelle 2 ist die
Verteilung der Öl- und Gasfeuerungen in absoluten Zahlen und in Prozent angegeben. Diese Aufstellungen enthalten jedoch keine Unterteilung nach dem
Verbrauchssektor, so dass die angegebenen Zahlen Industrie, Kleinverbrauch und
Haushalte umfassen. Darüber hinaus sind Elektro-, Festbrennstoff- und Fernwärmeheizungen nicht enthalten.
Über den Bestand an Wärmeerzeugern in der Industrie bzw. im Kleinverbrauch gibt
es keine belastbaren Informationen. Aus diesem Grund lassen sich auch keine Energieeinsparpotenziale quantifizieren. Generell besteht jedoch kein Unterschied bei
der in den verschiedenen Branchen eingesetzten Wärmeerzeugertechnologie, so
dass mit einem Anteil des Kesselbestands der Endenergieverbrauchs für Raumwär-
10
me und Warmwasser in Industrie und Kleinverbrauch in Kapitel 2.1.3 errechnet
werden kann.
Tabelle 1:
Altersstruktur für Gasfeuerungsanlagen für die Bundesrepublik
Deutschland 2000
Leistungsbis
1.1.79 bis
bereich
31.12.78 31.12.82
4 – 11 kW
391.584 382.403
11 – 25 kW
218.491 247.430
25 – 50 kW
57.059
54.498
50 – 100 kW
45.308
36.447
> 100 kW
Summe
712.442 720.778
1.1.83 bis
30.9.88
1.073.317
240.262
71.994
54.442
1.440.015
1.10.88 bis 1.1.98 bis 1.1.00 bis
31.12.97 31.12.99 31.12.00
22.981
3.564.077 596.337 192.206
666.410
91.439
30.456
176.800
29.829
9.230
145.308
24.286
8.619
4.552.595 741.891 263.492
Summe
22.981
6.199.924
1.494.488
399.410
314.410
8.431.213
Anteil
in %
0,3
73,5
17,7
4,7
3,7
100
Quelle: BVS 2001
Tabelle 2:
Altersstruktur für Ölfeuerungsanlagen für die Bundesrepublik
Deutschland 2000
Leistungsbis
1.1.79 bis 1.1.83 bis
bereich
31.12.78 31.12.82 30.9.88
4 – 11 kW
92.800
86.200 422.290
11 – 25 kW
916.689 420.717 583.882
25 – 50 kW
54.601
78.700
50 – 100 kW 211.046
93.668
30.112
47.902
> 100 kW
Summe
1.314.203 591.630 1.132.774
1.10.88 bis 1.1.98 bis 1.1.00 bis Summe Anteil
31.12.97 31.12.99 31.12.00
in %
952
952 0,0
1.470.669 256.985
80.536 2.409.480 38,0
1.057.581 135.374
47.936 3.162.179 49,8
120.608
16.232
5.915 487.102 7,7
98.447
14.153
4.757 289.039 4,6
2.747.305 422.744 140.096 6.348.752 100
Quelle: BVS 2001
2.1.2
Technologischer Stand
Die wesentlichen Grundlagen, energetische Kenngrößen sowie physikalischen Größen werden im Folgenden erläutert.
•
Heizwert: Der Heizwert stellt die bei vollständiger Verbrennung eines Brennstoffs freigesetzte Wärmemenge dar, wenn:
− die Temperatur aller teilnehmenden Komponenten vor der Verbrennung und
die Temperatur der Reaktionsprodukte nach der Verbrennung 25 °C beträgt,
− eine Oxidation von Stickstoff nicht stattgefunden hat,
− als Verbrennungsprodukte von Kohlenstoff und Schwefel Kohlendioxid und
Schwefeldioxid in gasförmigem Zustand vorliegen, und
11
−
das vor dem Verbrennen im Brennstoff vorliegende Wasser und das beim
Verbrennen der wasserstoffhaltigen Verbindungen des Brennstoffs gebildete
Wasser nach der Verbrennung in gasförmigem Zustand (Wasserdampf) vorliegen.
•
Brennwert: Der Brennwert stellt die bei vollständiger Verbrennung eines
Brennstoffs freigesetzte Wärmemenge dar, wenn – bei sonst gleichen Bedingungen – im Gegensatz zum Heizwert das vor dem Verbrennen im Brennstoff vorliegende Wasser und das beim Verbrennen der wasserstoffhaltigen Verbindungen des Brennstoffs gebildete Wasser nach der Verbrennung in flüssigem Zustand (Kondensat) vorliegen.
•
Nennleistung: Die Nennleistung ist die vom Hersteller nach einschlägigen Anforderungen und Prüfungen festgelegte Dauerleistung. Bei handbeschickten Feuerungen ist die Nenn-Wärmeleistung die mittlere Leistung über eine Abbrandperiode (DIN 4702).
•
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad: Der feuerungstechnische Wirkungsgrad
kennzeichnet bei Feuerungsanlagen das Verhältnis zwischen der durch Verbrennung verfügbar gemachten Wärmeleistung und der Summe aus Feuerungswärmeleistung und den Abgasverlusten. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad
kennzeichnet die Güte der Verbrennung.
•
Nennwirkungsgrad: Der Nennwirkungsgrad ist das Verhältnis der abgegebenen
nutzbaren Nennwärmeleistung zur zugeführten Wärmeleistung bzw. Feuerungswärmeleistung. Bei elektrisch beheizten Kesseln ist analog die elektrische Leistung als zugeführte Wärmeleistung einzusetzen (DIN 4702). Der Nennwirkungsgrad kennzeichnet die Effizienz der Energieumwandlung und -bereitstellung.
•
Abgastemperatur: Temperatur der Abgase bei Nennleistung, die in der Abgasmessstrecke gemessen werden (DIN 4702). Die Abgasverluste hängen von der
Abgastemperatur ab, da im Abgasstrom ungenutzte Wärme enthalten ist.
•
Warmwassertemperatur: Für die Berechnungen zur kombinierten Raumheizung und Warmwasserbereitung zu Grunde gelegte Temperatur des Heizkessels
während der Phasen der Wassererwärmung, bei Warmwasserbereitern die typische Temperatur des Warmwassers am Wärmeerzeuger.
•
Speicherverlust: Durchschnittliche Wärmeabgabe an die Umgebung bei voll
aufgeladenem Warmwasserspeicher mit einer Temperatur von 60 °C.
•
Abgasverluste: Die (bei Nennleistung) im Abgasstrom enthaltene fühlbare
Wärme und durch unvollständige Verbrennung nicht genutzte chemisch gebundene Energie pro Zeiteinheit.
12
•
Strahlungsverluste: Die über die Oberfläche des Wärmeerzeugers durch Strahlung und Konvektion abgegebene ungenutzte Wärmeleistung.
•
Bereitschaftsverluste: Die während der Stillstandsphasen des Wärmeerzeugers
durch Strahlung und Konvektion abgegebene Wärmeleistung.
•
Hilfsenergie für Regelung: Elektrische Anschlussleistung der Steuer- und Regeleinrichtung des Wärmeerzeuger. Sie kommt während der gesamten Bereitschaftszeit und der Betriebsdauer des Wärmeerzeugers zum Tragen.
•
Hilfsenergie für Brenner: Elektrische Anschlussleistung des Brenners oder
sonstiger Hilfseinrichtungen des Wärmeerzeugers. Sie kommt während der Betriebsdauer des Wärmeerzeugers zum Tragen.
Die konventionellen Wärmeerzeuger lassen sich folgendermaßen einteilen:
•
Wärmeerzeuger für zentrale Heizungssysteme (gebäude-, wohnungszentral),
welche die benötigte Heizwärme über einen Warmwasserkreislauf an den Ort des
Wärmebedarfs verteilen;
•
Einzelheizungen, welche die erforderliche Heizwärme am Ort ihrer Aufstellung
unmittelbar an die Luft des zu beheizenden Raumes abgeben (inkl. Beheizung
von Industriehallen);
•
Warmwasserbereiter, die sowohl dezentral in der Nähe von Zapfstellen als
auch zentral zur Versorgung über ein Verteilungsnetz installiert sein können.
Außerdem ist nach den eingesetzten Energieträgern zu unterscheiden, welche sowohl die konstruktiven als auch die betrieblichen Merkmale der Wärmeerzeuger
bestimmen.
Abbildung 7 zeigt einen Überblick über gängige Bauarten zentraler und dezentraler
Wärmeerzeuger für verschiedene Energieträger. In kombinierten zentralen Heizungsanlagen wird der Heizkessel sowohl für die Raumwärme- als auch für die
Warmwasserbereitstellung genutzt. Meist sind diese Anlagen mit einem Warmwasserspeicher ausgerüstet, der je nach Warmwasserbedarf mehrmals täglich vom
Heizkessel geladen wird. In der Praxis lassen sich sämtliche Varianten aus zentraler
und dezentraler Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung finden.
13
Wärmeerzeuger
zentral
Heizung
Warmwasser
Heizöl
Standard-Heizkessel
dezentral
Heizung
Warmwasser
Einzelofen
Niedertemperatur-Heizkessel
Brennwert-Heizkessel
Speichererwärmer
Einzelofen
Durchlauferwärmer
Erdgas
Standard-Heizkessel
Niedertemperatur-Heizkessel
Brennwert-Heizkessel
feste Brennstoffe
Energieträger
Durchlauferwärmer
Kohle-Heizkessel
Einzelofen
Stückgut-Heizkessel
Einzelofen
Hackschnitzel/Pellets-Heizkessel
Elektro
Speichererwärmer
Einzelspeicherofen
Speichererwärmer
Durchlauferwärmer
Speichererwärmer
mit Wärmepumpe
Wärmepumpenheizung
Abbildung 7:
Matrix zentraler und dezentraler Wärmeerzeuger unterteilt nach
Energieträgern
Eine Übersicht der Nennwirkungsgrade von Wärmeerzeugern für unterschiedliche
Leistungsklassen zeigt Tabelle 3. Nicht enthalten sind die Bereitschaftsverluste, die
für Öl- und Gaskessel etwa 0,8 bis 3,5 %, bei Festbrennstoffkessel rund 4 bis 7 %
betragen.
14
Tabelle 3:
Wirkungsgrade von Wärmeerzeugern im Nennbetrieb
Wärmeerzeuger
Ölkessel
Spezial mit Ölzerstäubungsbrenner (bis Bj. 1982)
Niedertemperaturkessel (ab Bj. 1983)
Stand der Technik
Gaskessel
Spezial mit Gebläsebrenner (bis Bj. 1982)
Niedertemperaturkessel (ab Bj. 1983)
Stand der Technik
Brennwertkessel
Wechselbrandkessel
Festbrennstoffkessel
Leistungsklasse
10 bis 80 kW
Leistungsklasse
>80 bis 1400 kW
85 %
89-91,5 %
93 %
87 %
91-92,5 %
93 %
87 %
91 %
93 %
95,5-97 %
83 %
90 %
94,5 %
95 %
94,5 %
86 %
77-79 %
80-82 %
Quelle: IKARUS Datenbank
Die Nutzungsgrade von Wärmeerzeugern über ein ganzes Jahr betrachtet liegen
wesentlich niedriger, da hier Stillstandszeiten, Takthäufigkeit, Regelung u. dgl. Berücksichtigung finden. Aktuelle Untersuchungen hierzu wurden von FfE und IfE
durchgeführt (Mühlbacher et al. 2002).
2.1.2.1
Zentralheizungen
Die Entwicklung der Wärmeerzeuger-Technologie hat im Laufe der Zeit eine stetige Weiterentwicklung erfahren. Der Standard-Heizkessel mit fester Kesselwassertemperatur zeigt Verbesserungen gegenüber veralteten so genannten Wechsel- oder
Umstellbrandkesseln durch die Vergrößerung der Kesselheizfläche, welche eine
Reduzierung der Abgastemperatur und damit der Abgasverluste zur Folge hat.
Bei den zentralen Wärmeerzeugern sind heute Niedertemperatur- und Brennwert-Heizkessel aktueller Stand der Technik. Sie verfügen über gleitende (stufenlos
absenkbare) Kesselwassertemperatur, d. h. in Abhängigkeit von der Außentemperatur kann gemäß einer vorgegebenen Heizkurve die Vorlauftemperatur reduziert
werden, so dass Abstrahlungs- und Bereitschaftsverluste verringert werden. Des
Weiteren verfügen moderne Heizkessel über eine modulierende Betriebsweise, d. h.
die Leistung des Kessels kann über einen großen Bereich variiert und dem aktuellen
Wärmebedarf angepasst werden, so dass häufiges Kesseltakten vermieden wird.
Brennwertkessel verfügen darüber hinaus noch über größere Wärmeaustauschflächen oder einen zusätzlichen Abgaswärmetauscher, der den im Abgas enthaltenen
Wasserdampf kondensieren lässt und dessen Verdampfungsenthalpie nutzbar
macht. Dadurch können die Abgasverluste wesentlich verringert werden. Die
15
Brennwertnutzung verspricht bei Gasfeuerung einen Nutzungsgradsteigerung bis zu
14 %, bei Ölfeuerung auf Grund des geringeren Wasserstoffgehalts bis zu 7 %
(Recknagel et al. 2001).
Als Sonderform der Heizkessel haben sich Umlauf- und Kombi-Gasheizthermen in
Wohnungen und Einfamilienhäusern als besonders wirtschaftliche Wärmeerzeuger
bewährt und werden häufig als wohnungszentrale Wärmeerzeuger bei AltbauModernisierungen eingesetzt.
Bei den Heizkesseln für Festbrennstoffe sind größtenteils Holzfeuerungen anzutreffen, in geringem Umfang auch Koks-, Braun- und Steinkohlekessel. Bei den Holzfeuerungen wird nach Stückgut-, Hackschnitzel- und Pelletheizungen unterschieden. Stückholz bezeichnet im Wald geschlagenes und zu handlichen Scheiten weiterverarbeitetes Holz. Die Handbeschickung der Kessel ist arbeitsintensiv, eine automatische Beschickung ist nicht üblich. Wesentlich einfacher ist die Handhabung
von Hackschnitzel- und Pelletheizungen, die in der Regel über eine automatische
Brennstoffbeschickung verfügen. Unter Hackschnitzeln versteht man Resthölzer aus
dem Wald, die zerhäckselt in Silos gelagert werden. Pellets sind Holzwürstchen mit
einem Durchmesser von ca. 1 cm und einer Länge von 2 bis 4 cm. Sie werden aus
Sägemehl gepresst, welches aus Sägewerken stammt, teilweise auch aus Restholz
hergestellt wird.
Mit Wärmepumpen ist es möglich, in einem Kreisprozess der Umgebung Wärme
zu entziehen, um sie dann durch Verdichtung des verdampften Kältemittels auf ein
höheres Temperaturniveau zu bringen und zu Heizzwecken zu verwenden. Übliche
Wärmequellen sind Grund- und Oberflächenwasser, Außenluft, Erdreich und die
Umwelt (Kombination aus Außenluft, Sonnenstrahlung, Regen und Wasserdampf).
Der apparative Aufwand rechtfertigt nur den Einsatz in zentralen Heizungsanlagen.
Für die verschiedenen Wärmepumpensysteme liegen die aktuellen Arbeitszahlen
bezogen auf den Nennpunkt in einem Bereiche von 3,2 bis 6,1. Im Einzelnen betragen sie für
Luft-Luft-WP (L-L):
• Sole-Wasser-WP (S-W):
• Wasser-Wasser-WP (W-W):
•
ca. 3,2 bis 3,7
ca. 4,8 bis 5,2
ca. 5,7 bis 6,1.
Da es sich nicht um Anlagenarbeitszahlen handelt, ist der Stromverbrauch der
Grundwasserpumpe und anderer Systemkomponenten nicht berücksichtigt. Die Angaben wurden der IKARUS-Datenbank entnommen, wobei eine Vorlauftemperatur
von 35 °C und eine Quellentemperatur von 13 °C angesetzt sind. Nach dem Carnot’schen Prinzip liegt die theoretische Leistungszahl bei 14, dieser Wert ist jedoch
in der Praxis nicht realisierbar.
16
Die Wasser/Wasser-Wärmepumpen wurden in der Vergangenheit erheblich verbessert, die Arbeitszahlen konnten von 4 auf über 6 gesteigert werden. Eigene Messungen zeigen jedoch, dass die von den Herstellern angegebenen Nenndaten nur selten
erreicht werden können. Die Arbeitszahlen sind deutlich schlechter, wenn höhere
Temperaturniveaus erreicht werden sollen, z. B. bei Warmwasserbereitung. Darüber
hinaus kann es durch falsche Auslegung wie z. B. überdimensionierte Grundwasserpumpe und schlechter Anpassung des Systems, zu Effizienzverschlechterungen
kommen. Hohe Hilfsenergieverbräuche können die Jahresanlagenarbeitszahlen auf
50 bis 60 % der oben genannten Werte reduzieren. Die an verschiedenen technischen Sachverhalten und Herstelleraussagen orientierten Prognosen weisen nur ein
geringes Verbesserungspotential aus. Da die Anzahl an bewegten Teilen kaum reduzierbar ist, wird von einer nur noch mäßigen Verbesserung des Preis-/Leistungsverhältnisses ausgegangen.
Um eine weitere Marktdurchdringung der Wärmepumpentechnologie zu erreichen,
sind die Kosten bei der Installation weiter zu senken und eine fachlich noch qualifiziertere Planung, sowie eine Steigerung der Fachkenntnisse der Planer und Heizungsbauer nötig.
Im eigentlichen Sinn gehören Fernwärme-Hausstationen nicht zu den Wärmeerzeugern, weil es sich nur um Wärmeübergabeeinrichtungen handelt. Da sie aber
innerhalb des Gebäudes die gleiche Funktion besitzen, Wärme für das Gebäude
bereitzustellen, werden sie in diesem Abschnitt mit aufgeführt. In der Hausstation
werden die Heizungsanlagen der Kunden an das Nah- bzw. Fernwärmenetz des
Wärmelieferanten angeschlossen. Je nach Vorlauftemperatur im Fernwärmenetz,
Druck, Art der Regelung, Betriebsweise und Abrechnungsverfahren existieren viele
Ausführungsarten. Ein direkter Anschluss der Hausanlage ist häufig die wirtschaftliche Lösung. Ein indirekter Anschluss dagegen erfordert höhere Investitionen und
führt zu Nachteilen bei der Rücklauftemperatur im Heiznetz. Vorteil ist jedoch die
vollständige Trennung der Hausanlage vom Netz, weshalb diese Ausführung bevorzugt eingesetzt wird. Für Hausstationen werden heute relativ preiswerte vorgefertigte Kompaktstationen angeboten (Recknagel et al. 2001).
2.1.2.2
Einzelheizungen
Bei Einzelheizungen befinden sich die Wärmeerzeuger in den zu beheizenden
Räumen selbst und geben die Wärme über Strahlung und Konvektion an den umgebenden Raum ab. Einzelheizungen mit Gas, Öl oder festen Brennstoffen sind in
Altbauten noch vereinzelt anzutreffen, beim Neubau oder der Altbausanierung haben sie jedoch keine Bedeutung mehr. Auch die elektrische Direktheizung, bei der
die elektrische Energie unmittelbar in Nutzwärme umgesetzt wird, wird in
Deutschland wegen hoher Strompreise und Begrenzung des Anschlusswertes meist
nur als Zusatz- oder Übergangsheizung eingesetzt und hat für diese Arbeit ebenfalls
keine Relevanz.
17
Elektrische Speicherheizungen hatten in den letzten Jahrzehnten für die Wohnraumheizung große Bedeutung, insbesondere bei der Modernisierung von Altbauten, da ihre Verwendung von zahlreichen Energieversorgungsunternehmen (EVU)
wegen der besseren Ausnutzung der Kraftwerke in der Nacht gefördert wurde. Bei
der elektrischen Einzelspeicherheizung nimmt eine Speichermasse durch preiswerten Nachtstrom Wärme auf, die am Tage langsam abgegeben wird. Der Nachtstrom
wird von den EVU verbilligt abgegeben, da er die nachts geringe Netzauslastung
erhöht.
Eine weitere Verbreitung von Einzelspeicherheizungen ist nur in beschränktem
Maß zu erwarten.
2.1.2.3
Wassererwärmer
Wärmeerzeuger zur Warmwasserbereitung werden als Durchfluss- oder Speicherwassererwärmer ausgeführt. Durchfluss-Wassererwärmer erwärmen das Trinkwasser im Augenblick des Bedarfs und benötigen deshalb hohe Heizleistungen. Speicher-Wassererwärmer bevorraten eine gewisse Menge an Warmwasser und kommen deshalb mit kleineren Leistungen aus; jedoch entstehen an der Speicheroberfläche kontinuierlich Wärmeverluste, die durch taktenden Betrieb des Wärmeerzeugers gedeckt werden müssen. Je nach Eignung der unterschiedlichen Geräte und den
jeweiligen Anforderungen können die Wassererwärmer zentral oder dezentral angeordnet sein. Grundsätzlich eignen sich Durchflussgeräte für die Wassererwärmung
nahe der Zapfstelle; für die zentrale Versorgung über ausgedehnte Verteilungsnetze
sind Speichergeräte geeigneter.
Elektrische Wassererwärmer sind durch die einfache Beheizungseinrichtung, die
nur einen Stromanschluss erfordert, in der Anschaffung preisgünstig. Die guten
Umwandlungswirkungsgrade von Strom bei der Wärmeerzeugung und die Möglichkeit der Nutzung von Niedertarifstrom erschließen den ElektroWassererwärmern trotz der im Vergleich zu Brennstoffen höheren Preise für elektrische Energie breite Einsatzgebiete.
2.1.3
Energiebedarf und Einsparpotenzial
Planungsmängel bei der Auswahl und der Auslegung von Wärmeerzeugern zur
Raumwärmebedarfsdeckung und zur Warmwasserbereitung führen dazu, dass in
vielen Gebäuden überdimensionierte, schlecht angepasste und unzulänglich betriebene Kessel anzutreffen sind. Insbesondere bei der kombinierten Versorgung mit
Heizwärme und Warmwasser durch Heizkessel mit Warmwasserspeicher findet
man in der Praxis Betriebsparameter, die oftmals einen rationellen Anlagenbetrieb
nicht gewährleisten. Auch ursprünglich optimale Auslegungen und auf den ur-
18
sprünglichen Versorgungsfall zutreffende Betriebsparameter sind zu überprüfen und
gegebenenfalls anzupassen, wenn bei anstehender Sanierung Wärmeschutzmaßnahmen durchgeführt werden. Schließlich wird durch eine bau- und wärmetechnische Sanierung (z. B. verbesserte Wärmedämmung der Gebäudehülle, Ausbau weiterer Räume, etc.) auch der Wärmebedarf des Gebäudes verändert. Für die Anpassung der Wärmeerzeugung und der Wärmelieferung an den veränderten Wärmebedarf stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Dazu zählen Änderung der
Vorlauftemperaturen und Umlaufwassermengen, Reduzierung und ggf. Stufung der
Brennerleistung, Anpassung der Kesselleistung und des Warmwasserspeichers bei
Austausch der Kesselanlage, sowie eine Modifizierung der Anlagenbetriebsführung.
2.1.3.1
Verbrauchsstruktur
Für die Wärmebereitstellung muss dem Wärmeerzeuger Energie zugeführt werden.
In Deutschland lag 1999 der Anteil am Gesamt-Endenergieverbrauch (9.288 PJ) für
Raumwärme (RW) bei 31,7 %, der Anteil für Warmwasser (WW) und Prozesswärme (PW) zusammen bei 25,6 % (FfE 2000). Diese Endenergieverbräuche teilen sich
im Bereich Industrie in 231 PJ für RW und 1.603 PJ für WW und PW auf. Im Bereich Kleinverbrauch ist die Aufteilung 685 PJ für RW zu 366 PJ für WW und PW.
Die Anteile von Warmwasser und Prozesswärme werden aus statistischen Gründen
generell zusammen ausgewiesen. In industriellen Wärmeanwendungen dominiert
die Prozesswärme, der Anteil des Warmwassers beschränkt sich im Wesentlichen
auf hygienische Anwendungen. Nach dem Statistischen Jahrbuch 2000 sind im Jahr
1999 in der Industrie ca. 12,2 Mio. Personen beschäftigt, von denen ca. 2/3 im produzierenden Bereich tätig sind. Nach Recknagel et al. (2001) verbraucht jede dieser
Personen 50 l/d Warmwasser. Dies entspricht einem Nutzenergiebedarf von 2,5 bis
3,3 TWh/a.
Tabelle 4:
Verbrauchsstruktur für Strom und Brennstoffe im Bereich Kleinverbrauch in 1998
Energieträger
Strom
Brennstoffe
gesamt
86,5
310,3
396,8
Raumheizung in %
2
85
66,9
Warmwasser in %
2
6
4,8
Prozesswärme in %
10
9
9,2
Sonstige in %
86
0
18,8
Energieverbrauch in TWh/a
Quelle: Geiger et al. 1999
Im Bereich Kleinverbrauch liegt nach Geiger et al. (1999) der Anteil der Raumwärme bei 66,9 % des Endenergieverbrauchs (vgl. Tabelle 4). Der Warmwasseran-
19
teil am Endenergieverbrauch liegt bei 4,8 %, Prozesswärme hat einen Anteil von
9,5 %. Einsparpotenziale resultieren aus der Effizienzsteigerung bei der Energieumwandlung der Wärmeerzeuger und der wärmetechnische Verbesserung der zu
beheizenden Gebäude.
2.1.3.2
Theoretisches Einsparpotenzial
Auf Grund der spärlichen Datenlage erfolgt an dieser Stelle eine stark vereinfachte
Überschlagsrechnung des Einsparpotenzials am Beispiel der derzeit effizientesten
Gas-Brennwerttechnik.
Die rechnerische Nutzungsdauer für konventionelle Wärmeerzeuger beträgt laut der
VDI Richtlinie 2067 15 bis 20 Jahre, die technische Nutzungsdauer liegt bei 20 Jahren. Berücksichtigt man die Bestandszahlen der Wärmeerzeuger aus Tabelle 1 und
Tabelle 2 und setzt die dazugehörigen Nutzungsgrade ein, so erhält man einen gewichteten Nennnutzungsgrad der in Deutschland verbauten Wärmeerzeuger von
83,8 %.
Die Nutzungsgradverbesserung durch konsequente Nutzung der Brennwerttechnik
liefert die Grundlage dieses Rechenbeispiels zum theoretischen Potenzial und ist in
Tabelle 5 dargestellt. Brennwertgeräte mit kombinierter Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung verfügen über einen Nutzungsgrad von ca. 95,8 %. Unter den
angenommenen Rahmenbedingungen ließen sich 12,5 % einsparen. Natürlich kann
diese Überschlagsrechnung eine erforderliche differenziertere Analyse nicht ersetzen, sondern nur eine Größenordnung abschätzen helfen.
Tabelle 5:
Energieeinsparpotenzial durch konsequenten Ersatz der bestehenden
Wärmeerzeuger durch Gas-Brennwertgeräte, normiert auf 1 kWh
Heizwärmebedarf
Einheit
Endenergieverbrauch
Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers
Wärmeerzeugung
Nutzungsgrad der Verteilung
Heizwärmebedarf
Einsparpotenzial bezogen auf den Endenergieverbrauch
Quelle: Gemis 2002, eigene Berechnungen
BundesGas-Brennwertdurchschnitt
technik
kWh
1,248
1,092
%
83,8
95,8
kWh
1,046
1,046
%
95,6
95,6
kWh
1
1
%
0
12,5
20
2.1.3.3
Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs
Bei den Möglichkeiten, den Energieverbrauch zu senken, unterscheidet man zwischen direkten und indirekten Maßnahmen, welche auf eine Verbesserung der Bauphysik der zu beheizenden Gebäude abzielt.
Die direkten Maßnahmen beziehen sich auf die Anlagentechnik der konventionellen
Wärmeerzeuger. Einerseits kann eine Steigerung der Energieeffizienz durch den
Austausch älterer, meist überdimensionierter Wärmeerzeuger gegen moderne und
leistungsoptimierte Systeme erreicht werden. Durch die Wärmedämmung von Flanschen, Pumpen und Verschraubungen im Rohrnetz lassen sich Verluste vermeiden,
die in etwa das Doppelte der Abstrahlverluste des Kessels betragen. Andererseits
lässt sich durch Optimierung der Heizungsanlagensteuerung der Betrieb der Heizungsanlagen effizienter gestalten. Eine moderne Regelung lässt sich flexibel an
wechselnde Bedürfnisse in Abhängigkeit von Außentemperatur, Sonneneinstrahlung, Wind usw. anpassen.
Darüber hinaus ist insbesondere im Gebäudebestand bei der Raumheizung und der
Warmwasserbereitung ein großes Energieeinsparpotenzial vorhanden. Viele Altbauten haben einen Heizenergieverbrauch von weit über 150 kWh/m² pro Jahr. Die
technischen Möglichkeiten, diesen Verbrauch durch Sanierungsmaßnahmen auf 80
kWh/m² und weniger zu reduzieren ist längst vorhanden, sie müssen nur realisiert
werden.
2.1.3.4
Beispiele zur Energieverbrauchsreduktion
Anhand der folgenden Beispiele wird verdeutlicht, welche Anlagenkonfigurationen
konventioneller Wärmeerzeuger anzutreffen sind und welche Rahmenbedingungen,
Probleme und Unzulänglichkeiten zu verzeichnen sind.
Anpassung der Kesselleistung
Das erste Beispiel zeigt den Fall, dass nach einer erfolgten wärmetechnischen Sanierung der Gebäudehülle der nicht ausgetauschte Heizkessel überdimensioniert ist
und die Heizungstechnik an die veränderten Rahmenbedingungen nicht angepasst
wurde.
In Abbildung 8 ist ein häufiger Anstieg der Heizungsvorlauftemperatur beim Brennerstart auf Temperaturen knapp unter 90 °C zu beobachten. Für die Deckung des
Heizwärmebedarfs ist die Heizkesselleistung doppelt so groß wie erforderlich. Bei
gleicher Temperaturspreizung ist nun also ein geringerer Durchfluss im Heizkreis
notwendig. Auf Grund des geringen Kesselwasserinhalts des Heizkessels von 8 l
wird das Kesselwasser sehr schnell erhitzt. Als Folge schaltet der Heizkessel – ohne
21
den Heizkreis homogen bis zum Rücklauf erwärmt zu haben – ab, weil die maximale Kesselwassertemperatur erreicht wurde.
Die Überdimensionierung führt zu verbrennungstechnisch ungünstigen Betriebszuständen mit häufigen Start- und Abschaltvorgängen, die Mehremissionen zur Folge
haben. Der während der Messperiode mit Wechsel vom Winter zur Übergangszeit
ermittelte Nutzungsgrad liegt bei 52,3 %.
Wäre das Gebäude mit einem leistungsangepassten Heizsystem ausgerüstet, welches dem heutigen existierenden Durchschnitt bundesdeutscher Heizungsanlagen
mit einem Nutzungsgrad von 83,8 % entspricht (vgl. Tabelle 6), ließen sich allein
schon 37,6 % des Erdgaseinsatzes einsparen. Falls die vorhandenen Radiatorflächen
für eine entsprechende Absenkung der Vorlauftemperaturen ausreichen, können
durch den Einsatz eines Wärmeerzeugers mit Gas-Brennwerttechnik und einem
Nutzungsgrad von 95,8 % 45,4 % des Energieverbrauchs einspart werden.
100
25
80
20
60
15
40
10
20
5
0
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
0
0:00
Uhrzeit in h
Heizkreisvorlauftemp.
Abbildung 8:
Heizkreisrücklauftemp.
Außentemp.
Heizleistung
Heizungstechnische Parameter eines mit einem atmosphärischen
Gaskessel beheizten Gebäudes
Außentempertur in °C, Heizlleistung in kW
Heizkreistemperaturen in °C
Daten vom 27.03.2000
22
Tabelle 6:
Energieeinsparpotenzial bei der Raumwärmebereitstellung durch Kesselaustausch am Beispiel eines atmosphärischen Gaskessels, normiert
auf 1 kWh Heizwärmebedarf
Endenergieverbrauch
Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers
Wärmeerzeugung
Nutzungsgrad der Verteilung
Einheit
jetziger
Zustand
Bundesdurchschnitt
1,248
Brennwerttechnik
kWh
2,000
%
52,3
83,8
95,8
kWh
1,046
1,046
1,046
%
95,6
95,6
95,6
1,092
Heizwärmebedarf
kWh
1
1
1
Einsparpotenzial
%
0
37,6
45,4
Überdimensionierte Warmwasserbereitung
Nach Traub, Tzscheutschler (1998) wird in einem Industriebetrieb für die Duschen
im Sozialgebäude Warmwasser auf einem Temperaturniveau von ca. 40 °C benötigt. Dazu werden zwei je 2000 l große Warmwasserspeicher über zwei Wärmetauscher von einem mit Erdgas befeuerten Kessel mit einer Feuerungsnennleistung von
900 kW gespeist, der wahrscheinlich für weitere Nutzungen ausgelegt war. Die Duschen selbst werden von einer nicht isolierten Zirkulationsleitung von etwa 100 m
Länge versorgt. Eine Analyse ergab Zirkulationsverluste in Höhe von 50-100 W/m,
die zumindest in den Sommermonaten ungenutzt bleiben.
Abbildung 9 zeigt das Ergebnis einer Messung während einer Nacht. Eine Hochrechnung der Messung des gezapften Volumens ergab eine angeforderte Warmwassermenge von täglich 4,5 m3. Selbst wenn man davon ausgeht, dass an manchen
Tagen die doppelte Menge gefordert wird, ist zur Warmwasserbereitung einschließlich der Deckung der Zirkulationsverluste eine Kesselleistung von nicht mehr als
20 kW erforderlich. Der installierte Kessel ist also in den Sommermonaten um den
Faktor 50 überdimensioniert. Das erklärt die sehr kurzen Einschaltdauern, erkennbar an der Abgastemperatur des Kessels. Die durchschnittliche Einschaltdauer des
Kessels beträgt nicht mehr als 2,5 min. Davon ist zur Spülung des Brennraums das
Brennergebläse ohne Brennstoffzufuhr etwa 30 sec in Betrieb. Der Warmwasserbereitstellungsnutzungsgrad wurde in der vorgefundenen Betriebsweise zu ca. 20 %
ermittelt. Abhilfe würde die Installation eines Kessels mit angepasster Leistung in
der Nähe des Warmwasserbedarfs schaffen.
23
45
°C, m3/h
40
Speichertemperatur
140
35
120
30
Abgastemperatur
100
25
80
20
60
15
Kesseltemperatur
gezapftes Warmwasser, ges 4,5 m3/Tag
40
20
10
Speichertemperatur,
Warmwasservolumenstrom
Abgas-, Kesseltemperatur
180
°C
160
5
0
23.06.98
16:00
23.06.98
18:00
23.06.98
20:00
23.06.98
22:00
24.06.98
00:00
24.06.98
02:00
24.06.98
04:00
0
24.06.98
06:00
Quelle: Traub, Tzscheutschler 1998
Abbildung 9:
2.1.4
Temperaturverläufe der Warmwasserbereitstellung und gezapftes
Volumen
Literatur
BVS (2001): Altersstruktur von Feuerungsanlagen für die Bundesrepublik
Deutschland 2000. Sankt Augustin: Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks (BVS)
DIN 4702, Teil 1 (1990): Heizkessel, Begriffe, Anforderungen, Prüfung, Kennzeichnung. Berlin: Beuth-Verlag
Geiger, B.; Gruber, E.; Megele, W. (1999): Energieverbrauch und Einsparung in
Gewerbe, Handel und Dienstleistung. Heidelberg: Physica-Verlag
Gemis (1998): Datenbank Gesamt-Emissions-Modell integrierter Systeme
(GEMIS), VDEW-Stammdatensatz 3.0, Teil 2: Energie- und Emissionsmodul
erstellt von FDE-Fichtner, Frankfurt: VWEW
IfE (2000): Aufteilung des Endenergieverbrauchs und des Stromverbrauchs auf
Verbrauchersektoren und Bedarfsarten in Deutschland 1999. TUM/Lehrstuhl
für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (IfE)
24
Mühlbacher, H.; Arndt, U.; Schwärzer, M. (2002): Wärmeerzeuger für die Raumheizung und Warmwasserbereitung, Verbundprojekt ISOTEG. Untersuchung
von FfE und IfE im Auftrag der Bayerischen Forschungsstiftung. München
Pfitzner, G. (1994): Konventionelle Wärmeerzeuger – IKARUS-Teilprojekt 8.
München: Forschungsstelle für Energiewirtschaft
Recknagel, H.; Sprenger, E.; Schramek, E.-R. (2001): Taschenbuch für Heizungund Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag
Traub, F.; Tzscheutschler P. (1998): Energetische Grobanalyse der Fa. Claas in Paderborn. München: Forschungsstelle für Energiewirtschaft
VDI-Richtlinie 2067, Teil 1 (2000): Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen
– Grundlagen der Kostenberechnung. Berlin: Beuth-Verlag
Weiterführende Literatur
Deutscher, P.; Elsberger, M.; Rouvel, L. (1999): Daten zum Heizwärme- und
Warmwasserbedarf im Freistaat Bayern, TU München
Geiger, B.; Fleißner, T.; Tzscheutschler, P. (1999): Minderung der klimarelevanten
Emissionen in Bayern, TU München
IKARUS (Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien) (2003): Datenbank Version 2.1. Karlsruhe/Jülich: Fraunhofer ISI, Forschungszentrum Jülich
Lilleike, J. (2001): Untersuchungen und Berechnungen zum ISOTEG-Teilprojekt
„Potenzialabschätzung“, München: FfE
25
2.2
Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen (FfE)
Eine in der energiepolitischen Diskussion herausragende Rolle spielen Blockheizkraftwerke (BHKW) für den Einsatz in Gewerbe, öffentlichen Einrichtungen und
Wohngebäuden. Unter geeigneten Rahmenbedingungen und bei richtiger Auslegung der Anlagentechnik stellt die gekoppelte Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie (KWK) in BHKW eine technisch interessante Möglichkeit zur Minderung des fossilen Primärenergieeinsatzes und der Emissionen dar. KWK kann
durch viele Technologien realisiert werden. Hauptprinzip ist dabei die dezentrale
Nutzung der (gleichzeitig) bereitgestellten Elektrizität und Wärme. Als konventionelle Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung stehen die Dampfturbine, der
Verbrennungsmotor sowie die Gasturbine zur Verfügung. Neuere Technologien wie
die Brennstoffzelle sowie neuere Entwicklungen der Stirlingmaschine erweitern die
bestehenden KWK-Technologien.
Die KWK muss sich in einem Spannungsfeld behaupten, das gekennzeichnet ist
durch:
•
die energiewirtschaftlich und ökologisch erforderliche gleichzeitige Verwendung
von Strom und Wärme;
•
einen auf Grund verbesserter Wärmedämmung stetig sinkenden Wärmebedarf;
•
die Konkurrenz mit zunehmend effektiveren Technologien zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme.
Ein grundsätzliches Problem der Kraft-Wärme-Kopplung zur Gebäudeversorgung
stellt der nicht vorhandene Raumwärmebedarf in den Sommermonaten dar. Durch
Nutzung der Wärme in wärmegetriebenen Kältemaschinen kann die Jahresnutzungsdauer erheblich erweitert und dadurch die Wirtschaftlichkeit eines BHKW
verbessert werden.
Um die Planung einer BHKW-Anlage zu vereinfachen, wurde vom Verein Deutscher Ingenieure im Fachausschuss Verbrennungskraftmaschinen eine Richtlinie
erarbeitet, in der die Erkenntnisse und Erfahrungen aus den bisherigen BHKWPlanungen festgehalten und formalisiert wurden. In der VDI-Richtlinie 3985 werden die drei Phasen Planung, Ausführung und Inbetriebnahme definiert, ausführlich
beschrieben und Anweisungen für deren Ausführung und Verlauf gegeben. Um
Fehlauslegungen zu vermeiden, schreibt diese Richtlinie neben der Erstellung von
Tagesganglinien auch die Berücksichtigung zukünftiger energiewirtschaftlicher
Änderungen, wie z. B. die verstärkte Nutzung rationeller Energietechniken, im Umfeld der Anlage vor. Wesentliches zur Wirtschaftlichkeitsberechnung von BHKWAnlagen kann der VDI-Richtlinie VDI 2067 entnommen werden.
26
Wie in Abbildung 10 dargestellt, besteht eine BHKW-Heizungsanlage im Wesentlichen aus einem oder mehreren BHKW-Modulen, einem Spitzenlastkessel und eventuell einem Wärme-Pufferspeicher. Der Spitzenlastkessel wird bei Anlagen mit
nur einem BHKW-Modul auf die maximale Wärmelast ausgelegt. Der Pufferspeicher wird, falls erforderlich, üblicherweise auf die erzeugte Wärmemenge eines
Moduls während der Mindestlaufzeit (z. B. eine Stunde) ausgelegt.
Abgas
Steuerung
Heizungsvorlauf
Spitzenlastkessel
KWK-Module
Wärmespeicher
Verbraucher
Stromnetz
Heizungsrücklauf
Brennstoff
Stromverteilung
Abbildung 10: Schema einer BHKW-Heizungsanlage
Die typischen Einsatzobjekte von BHKW zeichnen sich durch einen kontinuierlichen Wärmeverbrauch über das ganze Jahr aus:
•
•
•
•
•
•
•
Hallenbäder
Krankenhäuser
Altenheime
Verwaltungsgebäude
Industriegebäude mit entsprechendem Prozesswärmebedarf
Nahwärmenetze mit gestreuter Gebäudecharakteristik
klimatisierte Objekte (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung).
2.2.1
Beschreibung der Anlagentechnik
2.2.1.1
Grundlagen
•
Ein Kraftwerk ist eine Anlage, die dazu bestimmt ist, durch Energieumwandlung elektrische Energie zu erzeugen. Nach der Art des Energieträgers und der
-umwandlung im Kraftwerk unterscheidet man Wasser-, Wind-, Solar-, Brennstoffzellen- und Wärmekraftwerke (einschl. Geothermie). Bei Wärmekraftwerken wird nach fossiler (Kohle, Öl, Gas), nuklearer und erneuerbarer (Biomasse,
Reststoffe) Brennstoffbasis differenziert.
27
•
Ein Heizwerk ist eine Anlage, in der eingesetzte Energie ausschließlich in Wärme umgewandelt wird.
•
Ein Heizkraftwerk ist ein Kraftwerk, dessen wesentlicher Bestandteil eine
Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist. Das Heizkraftwerk kann auch Anlagenteile
umfassen, in denen nur elektrische Energie oder nur Wärme ungekoppelt bereit
gestellt werden.
•
Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist ein (i.d.R. kleineres) Heizkraftwerk, welches für die Bedarfsdeckung in einem räumlich begrenzten Versorgungsgebiet
ausgelegt ist.
•
Bei der Kraft-Wärme-Kopplung wird die Abwärme bei der Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie mit Dampf- oder Gasturbinen, mit Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen als zweite Zielenergie zur nachgeschalteten
Nutzung für Heizung bzw. Prozesswärme verwendet.
Die Energiebilanz einer Kraft-Wärme-Kopplung ergibt sich aus der eingesetzten
Brennstoffenergie WB, der elektrischen Arbeit Eel , der Heizwärmeabgabe QH und
den Verlusten QV zu:
WB = E el + Q H + å Q V
Der Gesamtnutzungsgrad der KWK ergibt sich aus dem Verhältnis der Summe der
erzeugten Zielenergie zur eingesetzten Brennstoffenergie nach:
ηKWK =
E el + Q H
QB
Die getrennte Bestimmung von Nutzungsgraden für die Strom- bzw. Wärmeerzeugung bei KWK kann auf verschiedene Weise erfolgen. Sie ist von der Bewertung
der erzeugten Zielenergie abhängig. Mit ihr sind in den meisten Fällen Allokationsprobleme verbunden.
Eine wichtige Größe zur Beurteilung von KWK-Anlagen ist die Stromkennzahl σ.
Sie ergibt sich aus dem Verhältnis von elektrischer Leistung Eel zur Nutzwärmeleistung QH nach:
E
σ = el
QH
2.2.1.2
Unterteilung der KWK-Anlagen
Grundsätzlich kann man die unterschiedlichen Anlagensysteme zur KWK in zwei
Gruppen gliedern:
28
•
Anlagen mit nur einem Freiheitsgrad, bei denen (lastgradabhängig) die Relation
von elektrischer und thermischer Leistung nicht veränderbar ist;
•
Anlagen mit zwei Freiheitsgraden, bei denen das Verhältnis der Strom- und
Wärmeerzeugung variabel und bei denen teilweise auch eine reine Stromerzeugung möglich ist.
Anlagen mit einem Freiheitsgrad
Typen von Anlagen mit einem Freiheitsgrad sind:
Verbrennungskraftmaschinen;
• Brennstoffzellen;
• Gegendruckturbinen;
• Gasturbinen.
•
Weitere Unterscheidungsmerkmale von KWK-Anlagen sind die Entstehung und die
Qualität. Während bei Verbrennungsmotoren ein Großteil der Abwärme im Kühlwasser bei Temperaturen unter 100 °C anfällt, wird die Wärme beim Gasturbinenprozess auf höherem Temperaturniveau durch das Abgas abgegeben. Daraus resultieren u.a. auch die unterschiedlichen Anwendungsfelder dieser beiden Technologien. So werden Gasturbinen insbesondere im Bereich der Industrie zur Bereitstellung von Prozesswärme bis 500 °C eingesetzt, während die Motorenanlagen vor
allem im Bereich der Raumwärmetemperatur-Bereitstellung ihre Anwendung finden.
Abbildung 11 zeigt für KWK-Anlagen mit einem Freiheitsgrad die grundsätzlichen
Abhängigkeiten der Wärmeleistung von der elektrischen Leistung. Beide Größen
sind normiert auf die elektrische Nennleistung. Für Betrieb mit elektrischer Nennleistung lassen sich an der Abszisse die Kehrwerte der Stromkennzahl ablesen. Die
Kennlinie der phosphorsauren Brennstoffzelle bei einer Rücklauftemperatur von
30 °C zeigt im unteren elektrischen Leistungsbereich einen Anstieg der thermischen
Leistung. Begründet ist dieses Verhalten durch die zusätzliche Inbetriebnahme von
elektrischen Heizern, die bei niedrigen Leistungen zum Aufrechterhalten der Betriebstemperatur benötigt werden und dadurch zu einer Verringerung der abgegebenen Nettoleistung führen.
29
Quelle: Schäfer 1990
Abbildung 11: Verlauf von Wärme- und elektrischer Leistung für KWK-Anlagen
mit einem Freiheitsgrad
Anlagen mit zwei Freiheitsgraden
Bei KWK-Anlagen mit zwei Freiheitsgraden ist neben einer variablen Koppelproduktion von Strom und Wärme auch reine Stromerzeugung möglich. Der Massenstrom des Arbeitsmediums ist aufspaltbar und dadurch kann ein KWK-Prozess mit
einem Prozess zur ausschließlichen Stromerzeugung (bei möglichst niedrigen Abwärmetemperaturen) kombiniert werden. Strom- und Wärmeerzeugung sind prinzipiell unabhängig voneinander in gewissen Grenzen variierbar. Bei Dampfkraftwerken gibt es die Möglichkeiten einer Realisierung mittels einer Anzapf-Kondensationsturbine oder einer Entnahme-Kondensationsturbine. Bei beiden Anlagentypen wird ein Teil des gesamten Dampfstromes nicht auf Kondensationstemperatur
entspannt, sondern bei höheren Drücken einen Heizkondensator zugeführt, in dem
die latente und fühlbare Wärme des Dampfes dem Heizwasser zugeführt wird. Anlagen mit zwei Freiheitsgraden sind im typischen Leistungsbereich von BHKWAnlagen nicht vertreten (mit Ausnahme von Anlagen mit Notkühlung).
30
2.2.1.3
Verbrennungskraftmaschinen
Bei BHKW werden hauptsächlich Verbrennungskraftmaschinen, also Diesel- oder
(meist erdgasbetriebene) Otto-Motoren, eingesetzt. Der Name kommt vom blockweisen Aufbau von Motor, Generator und Wärmeversorgung mit entsprechend geringem Platzbedarf. Die Wärmeleistung ergibt sich aus den Kühlleistungen von
Motorblock, Abgasen, Schmieröl und Generator. Die Stromkennzahl ρ liegt im Bereich von 0,4 bis 0,9. Sie ist in erster Linie abhängig von den Wirkungsgraden der
mechanischen Energieerzeugung des Verbrennungsmotors. Als Treibstoff kommt
Dieselöl oder Gas zum Einsatz. Alternative motorische Brennstoffe sind Klär-, Deponie-, Bio- und Holzgas.
Bei BHKW-Anlagen wird deren Leistungsabgabe vorzugsweise durch Ein-AusBetrieb der Einzelaggregate erreicht, die damit nur im optimalen Lastpunkt betrieben werden.
Das Spektrum der elektrischen Leistung dieser Technologie liegt zwischen 5 kW
und 20 MW. Nach dem Diesel-Prinzip arbeitende Motoren weisen einen höheren
Wirkungsgrad auf (38-49 %) als Otto-Motoren (25-41 %). Der Wirkungsgrad der
Brennstoffenergieausnutzung für Stromerzeugung und Heizwärmebereitstellung
beträgt auf den Heizwert bezogen 85 bis 95 %. Diesel- und Gasmotoren-BHKW
sind heute meistens mit Dreiwegekatalysatoren ausgerüstet. Dadurch werden die
Emissionen reduziert und die Grenzwerte der TA-Luft eingehalten.
Bei Kolbenmotoren fällt Abwärme im Abgas, im Kühlwasser, im Motorenöl und
bei Aufladung durch Ladeluftkühlung an. Eine hohe Temperatur von ca. 500 °C bei
Motoren ohne Abgasturbolader und von ca. 400 °C bei Motoren mit Abgasturbolader weist nur das Abgas auf. Die Kühlwassertemperatur beträgt ca. 90 °C, lediglich
bei heißgekühlten Motoren kann sie etwas über 100 °C liegen. Übliche Temperaturen für die Heizwärmeversorgung liegen bei maximal 90/70 °C für Vor-/Rücklauf
(eher niedriger), so dass das hohe Temperaturniveau des Abgases keine exergetischen Vorteile für die Wärmeauskopplung bringt. In einem beispielhaften DieselMotor im Leistungsbereich über 1 MW wird die Brennstoffenergie wie in Tabelle 7
beschrieben verwendet.
31
Tabelle 7:
Aufteilung des Brennstoffeinsatzes in einem motorischen BHKW mit
Temperaturniveaus der Wärmequellen
Elektrische Energie
Verluste
thermische Energie
davon
Abgas (Abgaswärmetauscher)
Kühlwasser
Ladeluft
Motorenöl
2.2.1.4
Anteil in %
43
11
46
25
9
8
4
Temperaturniveau in °C
500 – 600 (90 – 130)
90 – 120
20 – 40
40 – 70
Brennstoffzellen
In der Brennstoffzelle (BZ) findet eine kontrollierte elektrochemische Reaktion
statt, bei der Wasser bzw. Wasserdampf aus Wasserstoff und Sauerstoff entsteht
und dabei Strom sowie freiwerdende Wärme genutzt werden kann. Gegenüber
Wärmekraftmaschinen, die dem Carnot’schen Kreisprozess unterliegen, weisen sie
damit einen potenziell höheren elektrischen Wirkungsgrad auf, der zudem zum
Teillastbereich hin sogar ansteigt.
Funktionsweise
Der Brennstoffzellenprozess basiert auf der elektrochemischen Reaktion eines
Brennstoffes und eines Oxidants. Wichtige Komponenten sind die Elektroden (Anode und Kathode), denen kontinuierlich Brenngas (z. B. Wasserstoff) und Sauerstoff zugeführt werden. Die Reaktion läuft in zwei räumlich getrennten Schritten ab.
Als stoffliche Trennung der meist gasförmig vorliegenden Reaktionsmedien dient
ein gasdichter und elektrisch nichtleitender Elektrolyt, der in der Lage ist, Ionen zu
leiten.
Am Beispiel der Polymermembran-Brennstoffzelle (PEM) in Abbildung 12 soll der
Brennstoffzellenprozess exemplarisch beschrieben werden. An der katalytisch aktiven Anodenoberfläche wird dem Wasserstoff ein Elektron (e-) abgespalten. Das
Elektron wandert über den elektrischen Verbraucher zur Kathode, das Wasserstoffion, ein Proton (H+), diffundiert durch den Elektrolyten und nimmt auf der Luftseite
(Kathode) Sauerstoff auf. Die dabei freiwerdende Energie kann einerseits direkt als
elektrische Energie genutzt werden, die thermische Energie als Verlust der irreversiblen Vorgänge wird durch ein Kühlsystem abgeführt und wird als nutzbare Wärme zur Verfügung gestellt (VDI 1998).
32
Elektrischer
Verbraucher
2e-
-
+
2H+
Wasserstoff
H2
½O2
Sauerstoff
Kühlwasser,
Nutzwärme
Kühlwasser
überschüssiger
Wasserstoff
H2O
überschüssiger
Sauerstoff,
Wasser
Anode
Kathode
Elektrolyt
Quelle: Kordesch, Simader 1996
Abbildung 12: Prinzipieller schematischer Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle
Unterteilung der Brennstoffzellentypen
Wesentliche Unterscheidungsmerkmale heutiger Brennstoffzellen sind zum einen
der verwendete Elektrolyt, zum anderen die Betriebstemperatur. Es hat sich eingebürgert, die Bezeichnungen nach den verwendeten Elektrolyten vorzunehmen
(Wagner, König 1997) (Tabelle 8). Wenn die Art der Brennstoffumsetzung für die
Leistungsdichte wichtig ist, wird auch eine Nomenklatur nach dem Brennstoff gewählt (z. B. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle) (VDI 1998).
33
Tabelle 8:
Spezifische Eigenschaften verschiedener Brennstoffzellentypen
Brennstoffzellentyp
Brenngas BetriebsOxidant temperatur
Elektrolyt
Wirkungsgrad
Leistung
Anwendung
Niedertemperatur-Brennstoffzellen
H2
PolymerElektrolytO2, Luft
MembranBrennstoffzelle
(PEMFC)
50 – 80 °C
Protonenleitende
Membran
Elektr. Teillast:
1W–
35 – 40 %
1 MW
Elektr. Volllast:
KWK, Fahrzeugantriebe,
Kleinstverbraucher
30 – 39 %
Ges.: 75 – 85 %
reinst H2 60 – 90 °C
Alkalische
Brennstoffzelle reinst O ,
2
(AFC)
auch Luft
DirektCH3OH
MethanolLuft, O2
Brennstoffzelle
(DMFC)
30 %-ige
Kalilauge
Elektr. Volllast:
1 kW –
ca. 50 %
250 kW
80 – 130 °C Protonenleitende
Membran
Elektr. Volllast:
1W–
25 – 35 %
100 kW
Raumfahrt,
Fahrzeugantriebe
Kleinstverbraucher,
Fahrzeugantriebe
Mitteltemperatur-Brennstoffzellen
Phosphorsaure Erdgas,
Brennstoffzelle Biogas,
(PAFC)
H2
O2, Luft
160 – 220 °C konz. Phos- Elektr. Teillast:
phorsäure
38 – 42 %
(H3PO4)
Elektr. Volllast:
100 kW – KWK,
100 MW
35 – 39 %
dezentrale
Energieversorgung
Ges.: 80 – 85 %
Hochtemperatur-Brennstoffzellen
KarbonatschmelzenBrennstoffzelle
(MCFC)
Oxidkeramische
Brennstoffzelle
(SOFC)
Erdgas,
620 – 660 °C
Kohlegas,
Biogas,
(H2)
Elektr. Volllast:
O2, Luft
Alkalikarbonatschmelzen
Li2CO3,
K2CO3
800 –
Erdgas,
Kohlegas, 1.000 °C
Biogas,
H2
Yttrium
Elektr. Volllast:
stabilisiertes 40 – 50 %
Zirkonoxid
(ZrO2/YO3) Ges.: 75 – 90 %
45 – 55 %
Ges.: 75 – 85 %
O2, Luft
200 kW – Kraftwerks100 MW technik, KWK,
dezentrale
Energieversorgung
1 kW –
100 MW
Kraftwerkstechnik, KWK,
dezentrale
Energieversorgung
Quellen: Ledjeff 1995; VDI 1998; Oertel, Fleischer 2000
2.2.1.5
Dampf- und Gasturbinen
Bei den KWK-Dampfkraftwerken gibt es auf Grund der Anforderungen an die
Wärmeabgabe unterschiedliche Grundbauarten: Gegendruck-, Entnahme-Kondensations- und Kondensationsturbinen. Für den BHKW-Bereich sind jedoch nur die
Gegendruck- und Gasturbinen relevant, die in einem Leistungsbereich bis ca. 20
MWel liegen.
34
Gegendruckturbinen
Wenn ein ganzjährig hoher Wärmebedarf vorliegt oder aus stromwirtschaftlichen
Gründen eine Leistungsreduzierung der Turbine während der Zeiten geringeren
Wärmebedarfs, z. B. im Sommer, nötig ist, kommen meist Gegendruckanlagen zum
Einsatz. Diese Anlagen sind durch eine nahezu konstante Stromkennzahl gekennzeichnet. Meist werden diese Anlagen wärmegeführt gefahren, wobei Differenzen
bei Stromerzeugung und -bedarf durch das öffentliche Netz ausgeglichen werden.
KWK-Gegendruckdampfturbinen werden vor allem bei größeren Industriebetrieben
und im Bereich der kommunalen Fernwärmeversorgung (vor allem größere Anlagen) eingesetzt.
Gasturbinen und Mikrogasturbinen
Gasturbinen-Anlagen bestehen im Wesentlichen aus einem Verdichter, einer
Brennkammer, der Turbine und dem Generator. Wie in Abbildung 13 dargestellt,
sind bei Gasturbinen der Verdichter und die Turbine zusammen mit dem Generator
auf einer schnelllaufenden Welle montiert. Der Verdichter saugt die Verbrennungsluft an, die im Rekuperator durch die Abgase der Turbine vorgewärmt wird.
Im Anschluss wird das Luft-Erdgas-Gemisch in der Brennkammer verbrannt und in
der Turbine entspannt. Die thermische Energie vom Abgas auf einem Temperaturniveau von unter 500 °C wird über den Abgaswärmetauscher genutzt. Der Generator (im Falle der Mikrogasturbinen mit Drehzahlen über 100.000 U/min) erzeugt
hochfrequenten Wechselstrom, der im nachgeschalteten elektronischen Inverter auf
Netzfrequenz und -spannung wechselgerichtet wird. Gasturbinen werden seit Mitte
der 80er Jahre zunehmend in der industriellen KWK eingesetzt. Sie werden im
Leistungsbereich von 0,5 bis über 100 MWel angeboten und erreichen Gesamtnutzungsgrade von ca. 85 % bei Stromkennzahlen von 0,5 bis 1 (ASUE 2001b). Die
Betrachtung von BHKW beschränkt sich jedoch auf einen Leistungsbereich bis ca.
20 MWel.
Mikrogasturbinen sind kleine Gasturbinen mit elektrischen Leistungen von 28 bis
zu 200 kW, die auf Grund ihrer einfachen Konstruktion relativ geringe spezifische
Investitions-, Betriebs- und Instandhaltungskosten aufweisen. Sie wurden für stationäre dezentrale Anwendungen entwickelt und haben in den letzten Jahren eine äußerst dynamische Entwicklung hin zu marktfähigen Produkten vollzogen. Die Anlagen weisen elektrische Wirkungsgrade von 25 bis 30 % auf. Laut Herstellerangaben erreichen die Turbinen im KWK-Betrieb Brennstoffausnutzungen von 70 bis
85 % (ASUE 2001a).
Bei Mikrogasturbinen wird in den nächsten 5 Jahren ein Anlagenpreis erwartet, der
deutlich unter dem von Konkurrenzsystemen wie z. B. des Gasmotors liegen wird.
Obwohl die Wirkungsgrade der Mikrogasturbinen im Vergleich zu Motor- und
Brennstoffzellensystemen deutlich geringer sind, sind sie auf Grund der erwarteten
35
niedrigen Preise bzw. der niedrigen Instandhaltungskosten eine interessante Option
für verschiedene Anwendungen (E.V.A. 2001).
Abgas
Verbraucher
Nutzwärmetauscher
Rekuperator
Erdgas
~
Luft
50 Hz
400 V
~
=
Brennkammer
=
~
Verdichter
Turbine
G
Generator
Quelle: ASUE (2001a)
Abbildung 13: Schematische Darstellung einer Mikro-Gasturbine
2.2.2
In der Industrie und imKleinverbrauch, vor allem in wärmeintensiven Branchen, ist
die KWK heute ein fester Bestandteil der Energieversorgung. Die aktuellste gemeinsame BHKW-Statistik der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V. (ASUE) sowie der Vereinigung deutscher Elektrizitätswerke (VDEW) stammt aus dem Jahre 1998 und beinhaltet alle Anlagen
bis Ende 1997 (ASUE 2001b). Die Marktübersicht belegt, dass bis 1998 gegenüber
der letzten Erhebung in 1995 noch ein weiterer deutlicher Zubau erfolgte. Anfang
1998 waren in Deutschland mehr als 5.000 BHKW-Anlagen mit einer installierten
elektrischen Leistung von mehr als 3.000 MW in Betrieb (Tabelle 9).
Bei dieser Statistik wurden Motorenanlagen unter 10 kWel-Leistung nicht berücksichtigt. Auf Grund der positiven Entwicklung der Absatzzahlen bis 1998 kann in
diesem Bereich mit rund 1.000 zusätzlichen Anlagen und einer zusätzlichen Leistung von 5,5 MWel gerechnet werden.
36
Tabelle 9:
Ende 1997 installierte BHKW-Leistung
Anzahl installierte Anlagen
Installierte Leistung in MWel
4.875
2.261
178
832
5.053
3.093
Motoren (> 10 kWel)
Gasturbinen (< 20 MWel)
Blockheizkraftwerke gesamt
Da die BHKW-Neuinstallationen zwischen 1997 und 1999 gegenüber den Vorjahren um 75 % zurückgingen und ein weiterer Investitionsrückgang für das Jahr 2000
auf Grund des eingeführten Strommarktwettbewerbs festzustellen ist, dürfte die
installierte Leistung sich gegenüber Ende 1997 nicht signifikant geändert haben
(Gailfuß, Seidel 2001). Das KWKMod-Gesetz könnte positive Einflüsse auf die
BHKW-Konjunktur haben, bislang ergab sich aber lediglich für Kleinstanlagen
kleiner 50 kW nach einer Umfrage des Bundesverbandes Kraft-Wärme-Kopplung
e.V. ein leichter Anstieg gegenüber 20011.
1.600
Prognose für 2002: 1.300-1.500
Anzahl der verkauften Anlagen
1.400
1.200
1.000
800
600
400
200
0
1998
1999
2000
2001
2002
Quelle: Senertec 2002
Abbildung 14: Verkaufszahlen von SenerTec-Heizkraftanlagen in den Jahren 1998
bis 2002 (Prognose)
Bei der statistischen Erhebung der ASUE wurden bis 1998 die von den BHKWHerstellern im jeweiligen Jahr neu installierten Anlagen der bestehenden Statistik
aus dem vorangegangenen Jahr hinzugerechnet (ASUE 2001b). Anlagen, die nicht
1 www.bkwk.de/Ergebnis_BHKW_Umfrage.pdf (Stand Mai 2003)
37
mehr in Betrieb waren, wurden nicht aus der Statistik herausgenommen. Diese kumulative Statistikkonzeption war spätestens nach der Energiemarktliberalisierung
(April 1998) nicht mehr statthaft, da ab diesem Zeitpunkt eine größere Anzahl an
BHKW-Anlagen abgeschaltet wurde. Dazu gegenläufig ist der Prozess, dass gerade
im kleinen Leistungsbereich unter 10 kWel, der nicht in der Statistik erfasst wurde,
ein großer Zuwachs zu verzeichnen war (Abbildung 14).
Motorische BHKW
37 % der Motoren-Anlagen liegen im Leistungsbereich bis 100 kWel. Auf Anlagen
mit einer elektrischen Leistung bis einschließlich 300 kWel entfallen 66 %. Bezogen
auf die installierte elektrische Leistung aller Motorenanlagen macht die Kategorie
bis 300 kW jedoch lediglich einen Anteil von rund 15 % aus.
Durchschnittlich bestand 1997 eine Motorenanlage aus 1,7 Modulen. Daraus ergibt
sich eine Motorenanzahl von rund 8.290 installierten Motoren (ohne Mini-BHKW).
Das größte Segment in Bezug auf die Anlagenzahl nimmt der industrielle und gewerbliche Bereich ein (Abbildung 15) (ASUE 2001b). Der Bereich „Sonstige“ enthält alle Projekte, welche nicht eindeutig einer Benutzergruppe zugeordnet werden
konnte. Hierzu gehören vor allem Nahwärmeprojekte, die verschiedene Abnehmer
aus unterschiedlichen Bereichen versorgen. Festzuhalten ist, dass auf die Bereiche
Industrie und Kleinverbrauch knapp 70 % der motorischen BHKW-Anlagen entfallen2.
Wohngebäude
10%
Industrie u. Gewerbe
25%
Sonstige
21%
Deponien
6%
Hallen-/ Schwimmbäder
8%
Kläranlagen
10%
Öffentliche Gebäude
14%
Krankenhäuser
6%
Abbildung 15: Einsatzbereiche von motorischen BHKW-Anlagen
2 www.bhkw-infozentrum.de, Stand: 14.05.2002
38
Gasturbinen
Derzeit werden Gasturbinen ausschließlich in der industriellen KWK und der öffentlichen Nah- und Fernwärmeversorgung eingesetzt (Tabelle 10). Die Nah- und
Fernwärmeversorgung hat den größten Anteil sowohl an der Anlagenzahl als auch
an der installierten elektrischen Leistung. Die Nahrungsmittelindustrie und der Bereich Steine und Erden, Glas und Keramik verfügen nur über 3 bzw. 0,3 % der installierten Leistung, während sie an den installierten Anlagen einen Anteil von zusammen knapp 20 % hält. Daraus kann gefolgert werden, dass in diesen Branchen
vornehmlich Anlagen mit geringer Leistung eingesetzt werden.
Tabelle 10: Aufteilung der installierten Gasturbinen-Anlagen und der elektrischen
Leistung auf verschiedene Branchen
Branche
Anteil an der Anzahl
installierter Anlagen
Anteil an der installierten
elektrischen Leistung
Chemische-/ Pharmazeut. Industrie
22,8 %
35,3 %
Druckindustrie
2,4 %
0,8 %
Nahrungsmittelindustrie
15,6 %
2,8 %
Papier-/Holzindustrie
12,1 %
6,3 %
Reifenindustrie
1,4 %
0,4 %
Steine und Erden, Glas und Keramik
3,5 %
0,3 %
Textilindustrie
2,8 %
0,4 %
Fern-/Nahwärmeversorgung
38,4 %
53,2 %
Quelle: ASUE 2001b
Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind in Industrie und Kleinverbrauch ist auf Grund der frühen
Marktphase nur in wenigen Demonstrationsvorhaben aufzufinden. Die USamerikanische Firma UTC Fuel Cells ist der einzige Hersteller kommerzieller
Brennstoffzellen für den KWK-Einsatz, die bereits seit 1992 am Markt verfügbar
sind. Bisher wurden ca. 200 Anlagen mit einer elektrischen Leistung von jeweils
200 kW gebaut, von denen in Deutschland derzeit zehn Anlagen in Betrieb sind,
drei dienen der Nahwärmeversorgung, sieben werden in Schwimmbädern, Verwaltungsgebäuden und Krankenhäusern eingesetzt. Andere Brennstoffzellenhersteller
befinden sich noch in der Phase der Vorserienproduktion. Hier ist im höheren
Leistungsbereich die Unternehmen MTU – Maschinen- und Turbinenunion, Siemens Westinghouse und Alstom Ballard zu nennen. Von den MCFC-Anlagen
„HotModule“ von MTU werden im Jahr 2002 insgesamt fünf Anlagen mit jeweils
250 kWel ans Netz gehen, Siemens hat bisher eine SOFC-Anlage mit 100 kWel installiert und Alstom Ballard hat drei PEM-BHKW mit jeweils 250 kWel installiert.
39
Die Hersteller kleiner Systeme im Bereich weniger kW befinden sich hauptsächlich
in der Feldtest- oder Vorserienphase. Hier sind Vaillant, Sulzer-Hexis und Hamburg
Gas Consult (HGC) zu nennen. Von diesen Anlagen werden aber der weitaus größte
Anteil in Haushalten installiert.
2.2.3
Konventionelle BHKW-Anlagen werden heute mit Gasturbinen oder mit Verbrennungsmotoren betrieben. Die damit erreichbaren elektrischen Wirkungsgrade liegen
zwischen 25 und 45 % bei Verbrennungsmotoren sowie 25 und 40 % bei Gasturbinen. Bei Brennstoffzellen werden dagegen elektrische Wirkungsgrade im Bereich
über 55 % erwartet. Die Brennstoffzelle stellt nach heutigen Erwartungen eine interessante Option zur effizienten gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung dar. Für
die stationäre Kraft-Wärme-Kopplung eignen sich Brennstoffzellensysteme mit
einer hohen Betriebstemperatur, um zusätzlich zur Stromerzeugung auch eine
Wärmeauskopplung durchführen zu können. Als relevante Brennstoffzellentypen
sind unter dieser Bedingung in erster Linie die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle
(MCFC) und die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) zu erwähnen. Die Phosphorsaure
Brennstoffzelle (PAFC) und die Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) werden ebenfalls in der stationären Kraft-Wärme-Kopplung verwendet, weisen aber geringere
elektrische Wirkungsgrade als konventionelle Konkurrenztechnologien oder auf
Grund des niedrigen Temperaturniveaus ein niedrigeres Potenzial zur Wärmeauskopplung in Industrie und Kleinverbrauch auf.
Ein hoher Stromwirkungsgrad ist generell, also auch bei KWK-Anlagen, als Vorteil
zu werten, da davon ausgegangen wird, dass der Stromverbrauch weiterhin steigt,
während der Wärmebedarf sinkt. Insbesondere die noch großen Potenziale zur Reduzierung des Energieverbrauchs für die Raumwärme stützen diese Erwartung.
2.2.4
2.2.4.1
Theoretisches Potenzial
Das theoretische Potenzial für den Einsatz von BHKW und Brennstoffzellen in Industrie und Kleinverbrauch ist nicht gebäudespezifisch, sondern hypothetisch allein
durch den Strom- und Wärmebedarf dieser Bereiche gekennzeichnet. In der Regel
sind derartige Potenzialangaben ohne Berücksichtigung technischer (Temperaturniveau, unterschiedliche Stromkennzahlen) und struktureller (gleichzeitiger Bedarf
von elektrischer und thermischer Energie) Rahmenbedingungen wenig aussagekräftig.
40
2.2.4.2
Technisches Potenzial
Das technische Potenzial ergibt sich aus dem theoretischen Potenzial unter Berücksichtigung technischer und struktureller Randbedingungen (Rudolph, Wagner
1997). Das technische Potenzial für den Einsatz von BHKW und Brennstoffzellen
in Industrie und Kleinverbrauch wird bestimmt über die Anzahl der zentralbeheizten Gebäude und Prozesswärmeanwendungen unter der Bedingung der gleichzeitigen bzw. zeitnahen Bedarfsstruktur von Strom und Wärme.
2.2.4.3
Wirtschaftliches Potenzial
Das wirtschaftliche Potenzial umfasst die Anzahl der aus Investorsicht als wirtschaftlich definierten Anlagen. Wesentlicher Parameter für die Berechnung des
wirtschaftlichen Potenzials ist die Verzinsung des jeweiligen gebundenen Kapitals.
Das wirtschaftlich realisierbare Potenzial stellt eine Teilmenge dar, die durch weitere Rahmenbedingungen wie z. B. den Zeitpunkt für die Anschaffung eines neuen
Wärmeerzeugers eingegrenzt wird.
2.2.4.4
Einsparpotenzial
Unter sehr günstigen Rahmenbedingungen lassen sich nach Nitsch (1994) durch
BHKW-Einsatz in Wohn- und Nichtwohngebäuden rund 28 % des gesamten Wärmebedarfs im Bereich Raumwärme und Warmwasser einsparen. Bei einem Bedarf
von rund 926 TWh im Jahre 1999 ergibt sich damit ein BHKW-Potenzial von
259 TWh. Dabei teilt sich das Potenzial zu rund 40 % auf Wohngebäudebereich und
zu 60 % auf den Nichtwohngebäudebereich auf. Damit ergibt sich für den hier interessierenden Nichtwohngebäudebereich ein technisches BHKW-Potenzial von
155 TWh. Müsgens et al. (2000) dagegen geht davon aus, dass bis 2020 ein Basispotenzial von ca. 9 TWh ausgeschöpft wird, welches dem wirtschaftlichen Potenzial
entspricht.
Das Potenzial für den Einsatz von BHKW-Anlagen in der industriellen KraftWärme-Kopplung ist in starkem Maße abhängig von den Temperaturniveaus des
Wärmebedarfs in der jeweiligen Branche.
Tabelle 11 zeigt die Aufteilung des industriellen Wärmebedarfs auf Temperaturniveaus. Dabei wird zwischen Niedertemperatur- (NT) und Mitteltemperatur- (MT)
Wärmebedarf unterschieden. Der industrielle Wärmebedarf unter einem Temperaturniveau von 300 °C summiert sich zu 193 TWhth/a. Mit Kenntnis des Wärmebedarfs auf dem jeweiligen Temperaturniveau lässt sich über die Stromkennzahlen das
theoretische Potenzial der Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung errechnen.
Die SOFC-Brennstoffzelle könnte den Temperaturbereich von 500 – 700 °C für die
41
Kraft-Wärme-Kopplung erschließen, dieses Potenzial steht in keiner Konkurrenz
zur konventionellen KWK-Technik.
Tabelle 11: Wärmebedarf < 300 °C der gesamten Industrie nach Temperaturniveaus 1994
NT
MT
Temperaturniveau
0 – 100 °C
100 – 300 °C
Wärmebedarf
82 TWhth
111 TWhth
Gesamt
193 TWhth
Quelle: Layer et al. 1999
Das theoretische Potenzial der durch BHKW-Einsatz in der industriellen KraftWärme-Kopplung erzeugbaren elektrischen Arbeit errechnet sich mit den entsprechenden Stromkennzahlen zu 186 TWhel/a.
Nur ein Teil des theoretischen Potenzials kann auch realisiert werden. Für die KraftWärme-Kopplung im Sektor Industrie ist im Wesentlichen die Grundbedarfsdeckung der Wärme geeignet, welche in den verschiedenen Branchen unterschiedlich
ausgeprägt ist. Während zum Beispiel in der Papierindustrie nahezu der gesamte
Wärmebedarf als Grundlast anfällt, hat der Grundlast-Wärmebedarf in anderen weniger prozesswärmeintensiven Sektoren lediglich einen geringen Anteil am gesamten Wärmebedarf.
Wendet man im Weiteren eine für die Raumheizung gültige Regel an, die besagt,
wenn KWK-Anlagen auf 50 % der maximal benötigten Wärmeleistung ausgelegt
werden, kann ein Anteil von etwa 75 % des Wärmebedarfs gedeckt werden, beträgt
das technische Potenzial für BHKW-Anlagen im Sektor Industrie 140 TWhel/a.
Nimmt man an, dass die möglichen prozentualen Einsparungen des industriellen
Wärmebedarfs (< 300 °C) ebenso groß sind wie für den Nichtwohnbereich, beträgt
das technische Einsparpotential 54 TWhth. Der Durchsetzungsgrad lässt sich bei den
derzeitigen Strompreisen nicht abschätzen.
Der Zuwachs des industriellen Wärmebedarfs bis in das Jahr 2010 beträgt mindestens 10 % für den Temperaturbereich unter 400 °C und mindestens 5 % für den
Temperaturbereich zwischen 400 und 700 °C (Geiger et al. 1998). Über einen angenommenen Zuwachs des Wärmebedarfs in den jeweiligen Temperaturbereichen bis
zum Jahr 2010 lassen sich nun durch analoges Vorgehen die technischen Potenziale
der Stromerzeugung durch BHKW-Anlagen im Sektor Industrie für das Jahr 2010
angeben. Das theoretische Potenzial liegt bei 283 TWhel/a, das technische Potenzial
bei 212 TWhel/a. Die angegebenen Werte beruhen auf überschlägigen und teilweise
unter sehr günstigen Rahmenbedingungen getroffenen Abschätzungen, sodass lediglich eine Größenordnung des möglichen Potenzials geliefert werden kann.
42
2.2.5
Hemmnisse
Bedingt durch die Liberalisierung des Strommarktes ist es zu einem drastischen
Rückgang der Strompreise gekommen. Dies hat in vielen Fällen dazu geführt, dass
KWK-Anlagen betriebswirtschaftlich nicht mehr betrieben werden können, da die
den ursprünglich wirtschaftlichen Kostenkalkulationen zugrundeliegenden Strompreise und -erlöse unterschritten werden. Unter den derzeitigen betriebswirtschaftlichen Kriterien können neue BHKW-Anlagen in der Regel nicht wirtschaftlich betrieben werden, wobei die KWK-Vergünstigungen (z. B. Befreiung von der
Stromsteuer, vermiedene Netzkosten nach der Verbändevereinbarung etc.) bereits
berücksichtigt sind (Traube, Schulz 2001). Da bei Klein-BHKW oftmals gegen den
Tarifkunden-Strompreis gerechnet wird (vermiedener EVU-Strombezug), ist die
Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen in vielen Fällen gegeben. Hierbei ist anzustreben, dass der Anteil des produzierten KWK-Stroms möglichst den Großteil des
Stromeigenverbrauchs abdeckt.
Im Sinne einer Schaffung verlässlicher und günstiger Rahmenbedingungen für Investoren ist im April 2002 das neue KWKMod-Gesetz in Kraft getreten (s. Kap
4.2.2). Die Marktdaten aus dem letzten Quartal 2001 und dem ersten Quartal 2002
lassen auf eine eher schleppende BHKW-Konjunktur schließen. Unter diesen
Marktbedingungen verzögert sich ebenfalls der Markteintritt für technische Alternativen zu den konventionellen, motorischen BHKW, wie Mikrogasturbinen und
Brennstoffzellen.
2.2.6
Beispiele
Repräsentativ für viele BHKW- und Brennstoffzellen-Anwendungen sei an dieser
Stelle das „HotModule“ vorgestellt. Die MTU – Maschinen- und Turbinenunion
Friedrichshafen GmbH hat eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) entwickelt. Die MCFC arbeitet bei einer Temperatur von 580 °C bis 650 °C. Diese Temperaturen reichen aus, um CxHy-haltige Brenngase intern zu Wassersoff und Kohlendioxid reformieren zu können. Die Zelle verarbeitet herkömmliche Brenngase
wie Erdgas, Klär-, Bio-, und Deponiegas, Grubengas, Synthesegas aus Vergasungsprozessen.
Im Rhön-Klinikum in Bad Neustadt an der Saale ist ein Brennstoffzellen-BHKW
installiert, welches mit einer elektrischen Leistung von 250 kW einen mittleren elektrischen Wirkungsgrad von ca. 47 % erreicht. Das System nutzt die Brennstoffenergie in Kraft-Wärme-Kopplung zu etwa 90 %. Die Leistung der Anlage ist in
einem Bereich von 100 bis 30 % der Nennleistung an den Bedarf anpassbar ohne
Wirkungsgrad-Einbuße. Der Betrieb ist vollautomatisch und wartungsarm. Dabei
sorgt der hohe elektrische Wirkungsgrad für geringe CO2-Emissionen. Die Emissionen der Stickoxide und anderer Schadstoffe liegen unterhalb der Nachweisgrenze.
43
2.2.7
Literatur
ASUE (1999): Turbo-KWK 1999 – Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch
(ASUE) e.V., Kaiserslautern: Verlag Rationeller Energieeinsatz
ASUE (2001a): Mikro-KWK. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) e.V., Kaiserslautern: Verlag Rationeller Energieeinsatz
ASUE (2001b): BHKW-Marktübersicht 1998. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen
und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) e.V., Kaiserslautern:
Verlag Rationeller Energieeinsatz
Gailfuß, M.; Seidel, M. (2001): Motorische BHKW und stationäre Brennstoffzellen.
Brennstoff-Wärme-Kraft BWK, Bd. 53, Nr. 4, S. 85-90
Geiger, B., Grohmann, J., Langgassner, W. (1998): Industrieller Wärmeverbrauch
nach Temperaturbereichen. TUM/Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik München, unveröffentlicht
Kordesch, K.; Simader, G. (1996): Fuel Cells and their Applications. Weinheim:
VCH Verlagsgesellschaft
Layer, G.; Matula, F. et al. (1999): Ermittlung von Energiekennzahlen für Anlagen,
Herstellungsverfahren und Erzeugnisse. Studie der Forschungsstelle für Energiewirtschaft im Auftrag des Umweltbundesamtes. München Berlin
Ledjeff, K. (1995): Brennstoffzellen: Entwicklung, Technologie, Anwendung. Heidelberg: C.F. Müller Verlag
Müsgens, F.; Schulz, W.; Starrmann, F. (2000): Kurzexpertise zur ökonomischen
und ökologischen Bewertung der Kraft-Wärme-Kopplung. Kurzexpertise im
Auftrag des BMWi
Nitsch, J. (1994): Wirtschaftliches und ausschöpfbares Potenzial der Kraft-WärmeKopplung in Baden-Württemberg. Hauptband. Stuttgart
Oertel, D.; Fleischer, T. (2000): Endbericht des TA-Projekts BrennstoffzellenTechnologie. Büro für Technikfolgen-Abschätzungen beim Deutschen Bundestag, Arbeitsbericht Nr. 67, Berlin
Rudolph, M.; Wagner, U. (1997): Begriffe der Versorgungswirtschaft Teil 1: Energiewirtschaftliche Grundbegriffe. Frankfurt: VWEW-Verlag
44
Schaefer, H. (1990): Vorlesungsmanuskript Grundlagen der Energieversorgung.
IfE-Schriftenreihe, Heft 11, München
SenerTec (2002): Telefonat mit Hr. Mark, SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme
GmbH, Abteilung Marketing, 14.05.2002
Traube, K.; Schulz, W. (2001): Aktuelle Bewertung der Kraft-Wärme-Kopplung.
Kommunalwirtschaftliche Forschung und Praxis, P. Lang Verlag
VDI-Bericht 1383 (1998): Energieversorgung mit Brennstoffzellenanlagen 1998,
Stand und Perspektiven. Düsseldorf: VDI-Verlag
VDI-Richtlinie 2067, Teil 7 (1988): Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen; Blockheizkraftwerke. Berlin: Beuth-Verlag
VDI-Richtlinie 3985 (1997): Grundsätze für Planung, Ausführung und Abnahme
von Kraft-Wärme-Kopplung mit Verbrennungskraftmaschinen. Berlin: BeuthVerlag
Wagner, H.-J., König, S. (1997): Brennstoffzellen: Funktion, Entwicklungsstand,
künftige Einsatzgebiete. Elektrizitätswirtschaft, Jg. 96, Heft 1/2, Seite 15-22
45
2.3
Wärmedämmung (FfE)
Im folgenden Kapitel wird das Einsparpotenzial ausgewiesen, das sich in den Sektoren Industrie und Kleinverbrauch durch energetische Gebäudesanierungen, wie beispielsweise Wand- und Dachdämmungen oder den Austausch der Fenster erschließen lässt. Es werden nur Dämmmaßnahmen betrachtet; die Sanierung der Heizungsanlage oder der Infrastruktur zur Warmwassererzeugung wird in anderen
Teilkapiteln diskutiert.
2.3.1
Der Endenergieverbrauch, der in den drei Sektoren Industrie, Haushalte und Kleinverbrauch für die Gebäudebeheizung aufgewendet wird, beträgt 2.816 PJ
(Abbildung 16). Der Sektor Haushalte weist mit 1.916 PJ einen Anteil von 68 % am
gesamten Endenergieverbrauch für die Raumheizung auf. Damit wäre dort das
größte Reduktionspotenzial erschließbar.
2.000
in PJ/a
68%
1.750
Endenergieverbrauch
Endenergieverbrauch
1.500
1.250
1.000
24%
750
500
8%
250
0
Haushalte
Industrie
Kleinverbrauch
Quelle: Geiger, Wittke 2002
Abbildung 16: Aufteilung des Endenergieverbrauchs für die Raumheizwärme auf
die Sektoren Industrie, Haushalte und Kleinverbrauch für das Jahr
2000
In dieser Studie werden jedoch nur die Einsparpotenziale in Industrie und Kleinverbrauch behandelt. Ein Vergleich dieser beiden Sektoren macht deutlich, dass die
Industrie mit einem Endenergieverbrauch von 226 PJ, gegenüber dem Kleinverbrauch mit einem Endenergieverbrauch von 674 PJ, lediglich 8 % dieser
46
Verbrauchsart ausmacht. Der Kleinverbrauch hat einen Anteil von 24 % am gesamten Endenergieverbrauch für die Raumheizung. Während eine Reduzierung des
Endenergieverbrauchs für die Raumheizung um 50 % im Sektor Kleinverbrauch zu
einer Gesamtreduktion von mehr als 10 % führen würde, lägen diese für den Sektor
Industrie unter 5 %. Aus diesem Grund wird in dieser Untersuchung das Hauptaugenmerk auf die Reduktionspotenziale, die sich durch Wärmedämmungen an den
Gebäuden des Kleinverbrauchs erzielen lassen, gelegt.
2.3.2
Gebäudebestand im Kleinverbrauch
Da der Sektor Kleinverbrauch aus einer Vielzahl sehr heterogener Wirtschaftssektoren zusammengesetzt ist, wurde er in Bressler et al. (1994) zunächst in folgende
fünf Bereiche unterteilt:
•
•
•
•
•
Öffentliche Dienstleistungen,
private Dienstleistungen,
industrielle Kleinbetriebe,
Handwerk, Baugewerbe sowie
Land-, Forstwirtschaft und Fischerei.
Hinzu kommen noch die militärischen Dienststellen, die in der Energiebilanz für die
Bundesrepublik Deutschland gesondert ausgewiesen werden. Während die statistisch verfügbare Datenbasis für die ökonomischen Aktivitäten dieser Sektoren (wie
Bruttowertschöpfung und Anzahl der Beschäftigten) relativ gut ist, gib es bezüglich
der Energieverbrauchsdaten erhebliche statistische Lücken.
Entsprechend den wesentlichen Einsatzfeldern der Nutzenergie erfolgte in Bressler
et al. (1994) eine Aufteilung des Sektors Kleinverbraucher in prozesswärmeintensive und raumwärmeintensive Bereiche, wobei hier nur der Bereich Raumwärme
betrachtet wird. Dieser untergliedert sich in die drei Bereiche:
öffentliche Dienstleistungen,
• private Dienstleistungen und
• Militär.
•
Um den Energieverbrauch – wie er in der Energiebilanz ausgewiesen wird – bestimmten Verbrauchern detailliert zuordnen zu können und um daraus Aussagen
über Einsparpotenziale abzuleiten, wurde für die Abbildung des Bereiches Raumwärme, genau wie schon im Haushaltsbereich geschehen, eine Gebäudetypologie
erstellt (Gülec et al. 1994). Im Folgenden werden die ermittelten Daten kurz skizziert.
Während für den Bereich Haushalte eine Einteilung in 6 Gebäudetypen ausreichende Genauigkeit erbrachte, musste für den Kleinverbrauch auf Grund seiner Inhomo-
47
genität eine Einteilung in 28 Typgebäude vorgenommen werden, wobei hier wiederum zwischen den Typgebäuden der neuen Bundesländer; bis 1995 (Typgebäude
22 bis 28) und der alten Bundesländer bzw. ab 1995 von Gesamtsdeutschland (Typgebäude 1 bis 21) unterschieden wird. Eine einheitliche Erfassung des gesamten
deutschen Kleinverbrauchs war auf Grund der Verschiedenartigkeit der Gebäude in
den alten und den neuen Bundesländern bis zum Jahr 1995 nicht möglich. Lediglich
bei Neubauten, die nach dem Jahr 1995 errichtet wurden, können auch die Gebäude
der neuen Bundesländern einem der 21 Typen der alten Bundesländer zugeordnet
werden.
Typgebäude 1 bis 21
Die Einteilung der Typgebäude 1 bis 21 (alten Bundesländer, ab 1995 Gesamtdeutschland) wurde auf Basis der Arbeitsstättenstatistik durchgeführt (Bressler et al.
1994). Sie beinhaltet eine Klassifizierung der Arbeitsstätten nach Wirtschaftszweigen (Verbrauchergruppen) und Beschäftigtenzahlen. Ein großer Teil der Nichtwohngebäude kann verschiedenen Betriebsgrößen und unterschiedlichen Verbrauchergruppen zugeordnet werden; damit ist die oben genannte Klassifizierung sinnvoll. In der untenstehenden Abbildung 17 sind die 21 Typgebäude der alten Bundesländer ihrer Nummerierung nach aufgeführt3.
Gleichzeitig sind in der Abbildung die gesamten Gebäudeflächen der einzelnen Gebäudetypen für das Jahr 2000, die der IKARUS-Datenbank entnommen wurden,
angegeben. Anhand der Flächen lässt sich eine erste Abschätzung über mögliche
Verbrauchsschwerpunkte bei der Raumheizung treffen.
Die in der Abbildung gezeigten 21 Typgebäude können wiederum nach vier Baualtersklassen unterschieden werden:
A
• B
• C
• D
•
Baujahr bis 1951
Baujahr 1952 bis 1977
Baujahr 1978 bis 1995
Neubau, Baujahr ab 1996.
In der Baualtersklasse D sind – wie bereits erwähnt – neben den Gebäuden der alten
Bundesländer auch die der neuen Bundesländer enthalten. Diese Vereinfachung ist
möglich, da sich die Gebäudetypologie der Neubauten im Sektor Kleinverbrauch in
den alten und neuen Bundesländern ab der Wiedervereinigung aneinander angeglichen hat. Die festgelegte Klassifizierung orientiert sich an – für den Hochbau wichtigen – Richtlinien und deren Inkrafttreten:
3 Ab Baualtersklasse D sind auch die Nichtwohngebäude aus den neuen Bundesländern berücksichtigt.
48
Bis 1951
• 1952
• 1977
• 1995
•
keine Wärmeschutzanforderungen
Einführung der DIN 4108
Erste Wärmeschutzverordnung
Wärmeschutzverordnung 1995.
1 Stadthäuser mit Laden und Büro
71
2 Stadthäuser mit Büros
3 Stadtbüchereien
4 Autowerkstätten mit Verkaufsausstellung
5 Mehrere Läden
103
20
40
36
6 Lebensmittelfilialen
7 Stadthäuser mit Läden und Büros
8 Geschäftshäuser mit Bank, Läden, Arztpraxen
9 Verwaltungsgebäude
10 Reproanstalten
11 Kaufhäuser
12 Bank- bzw. Verwaltungsgebäude mit Läden
13 Schreinereien
14 Hotels
15 Stadthallen mit Restaurants
16 Altenheime
17 Verwaltungsgebäude
18 Autohäuser
19 Berufsschulen
20 Produktionsgebäude
21 Krankenhäuser
84
161
27
72
34
43
3
17
26
18
10
21
33
21
24
119
Fläche in Mio m²
Abbildung 17: Aufteilung und Gesamtflächen der Typgebäude 1 bis 21 (alte Bundesländer, ab 1995 Gesamtdeutschland) für das Jahr 2000
Die Typologie des Gebäudebestandes an Nichtwohngebäuden in den neuen Bundesländern bis zum Jahr 1995 basiert auf einer Erhebung zur Raumheizung in Gebäuden der Industrie und gesellschaftlicher Einrichtungen, bei der teilweise über
15 % des Gebäudebestandes nach statistischen Kriterien ausgewertet wurde. Anhand der Daten können die Nichtwohngebäude in den neuen Bundesländern in sieben Gebäudegruppen gegliedert werden, die in drei Baualtersklassen unterteilt werden:
A Baujahr bis 1949
• B Baujahr 1950 bis 1964
• C Baujahr 1965 bis 1995.
•
Alle Gebäude, die nach dem Jahr 1995 erbaut wurden sind bereits den Typgebäuden
1 bis 21 (alte Bundesländer, s.o.) zugeordnet.
49
Für die sieben verbleibenden Gebäudegruppen waren durchschnittliche Hüllflächen,
typische Wandkonstruktionen und Verglasungsarten sowie deren Anteil am Bestand, umbautes Volumen, durchschnittliche Heizleistung und der Jahreswärmeverbrauch bekannt, so dass nach statistischen Vorgaben fiktive Einzelgebäude konstruiert werden konnten. Diese repräsentieren die, in Abbildung 18 dargestellten,
sieben Gebäudekategorien. Gleichzeitig ist in der Abbildung die gesamte Gebäudefläche der einzelnen Typgebäude für das Jahr 2000 (IKARUS 2003) angegeben, so
dass der Anteil, den das jeweilige Typgebäude an der gesamten Gebäudefläche des
Kleinverbrauchs hat, beurteilt werden kann.
22 Öffentliche Einrichtungen (incl. Militär, Polizei)
35
23 Lehr- und Unterrichtsgebäude
14
24 Handel und Gastronomie
25 Sportstätten, Schwimmhallen
17
2
7
26 Gesundheitswesen
27 Ferienheime, Hotels
2
28 Sonstige beheizte Gebäude
16
Fläche in Mio m²
Abbildung 18: Aufteilung und Gesamtfläche der Typgebäude 22 bis 28 (neue
Bundesländer) für das Jahr 2000
2.3.2.1
Wärmebedarf im Ist-Zustand
Hier wird zunächst ein kurzer Überblick über den Wärmebedarf der verschiedenen
Nichtwohngebäude gegeben. Im Anschluss daran werden die möglichen energetischen Sanierungsmaßnahmen aufgezeigt, die zu einer dauerhaften Senkung des
Wärmebedarfs im Sektor Kleinverbrauch führen können. Um einen Überblick über
den spezifischen Heizwärmebedarf der verschiedenen Typgebäude aufgeteilt nach
Baualtersklassen zu ermöglichen, sind diese in der Tabelle 12 detailliert aufgeführt.
Über den Anteil der Gebäudeflächen nach Baualtersklassen kann für jeden Gebäudetyp ein gewichteter Mittelwert gebildet werden, der multipliziert mit der Gesamtfläche dieses Typgebäudes in Deutschland den gesamten Heizwärmebedarf der einzelnen Gebäudetypen ergibt. Aus der Tabelle ist weiter zu entnehmen, dass die
Typgebäude mit den Nummern 1, 2, 7 und 21 bereits über 45 % des gesamten
Heizwärmebedarfs des Kleinverbrauchs in Deutschland ausmachen und daher besondere Beachtung verdienen. Es handelt sich hierbei um Stadthäuser mit Läden
und/oder Büros sowie um Krankenhäuser.
50
Tabelle 12:
Rechnerischer Wärmebedarf der Typgebäude nach Baualtersklassen
für das Jahr 2000
Typgebäuder
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
Spezifischer Heizwärmebedarf
nach Baualtersklassen in kWh/m²a
A
B
C
D
185
203
244
239
168
298
168
185
228
117
151
230
150
278
230
136
272
156
99
96
123
115
96
103
100
114
127
121
127
182
99
168
78
107
193
130
143
204
102
95
222
195
97
242
139
156
116
92
81
78
122
109
68
78
78
77
95
69
118
51
65
153
161
74
115
169
69
59
183
172
71
212
115
-
293
164
84
80
70
126
111
108
87
Gesamtbedarf in
TWh/a
Gesamtbedarf in %
11,2
16,9
2,4
5,0
6,4
8,2
32,9
2,7
9,2
6,4
9,7
0,4
2,4
5,1
1,8
1,4
5,4
7,1
2,5
6,3
18,1
4,1
1,4
1,7
0,2
0,7
0,2
1,6
6,6
9,9
1,4
2,9
3,7
4,8
19,2
1,6
5,4
3,7
5,6
0,2
1,4
3,0
1,1
0,8
3,1
4,2
1,4
3,7
10,6
2,4
0,8
1,0
0,1
0,4
0,1
0,9
Quelle: Ikarus 2003
2.3.2.2
Sanierungsmaßnahmen
Um eine einheitliche Betrachtung der Reduktionen beim Heizenergiebedarf zu erreichen, wurden auf dem Ist-Zustand aufbauend für jedes Typgebäude Maßnahmen
bzw. Maßnahmenbündel festgelegt, die zu einer Reduzierung des Wärmebedarfs
führen. Diese sind in Tabelle 13 und Tabelle 14 zusammengefasst. Tabelle 13 zeigt
welche einzelnen Sanierungsmaßnahmen an der Gebäudehülle der Typgebäude
vorgenommen werden können. In Tabelle 14 sind diese zu den sieben Maßnahmenbündeln zusammengefasst, die durchgeführt werden müssten, um einen bestimmten
51
wärmetechnischen Zustand zu erreichen. Der angegebene wärmetechnische Zustand
1 (WT 1) entspricht dem Ist-Zustand. Die in der Tabelle 14 zusammengestellten
Maßnahmebündel führen zu den wärmetechnischen Zuständen WT 2 bis WT 8.
Tabelle 13: Beschreibung der einzelnen wärmetechnischen Sanierungsmaßnahmen
an der Gebäudehülle, für das Jahr 2000
Wärmetechnischer
Maßnahmenkurzbeschreibung
Zustand
Fe1
Fensteraustausch mit Isolierverglasung UF = 1,4 W/m2K
Fensteraustausch mit Wärmeschutzverglasung UF = 1,4
Fe2
W/m2K
Fensteraustausch mit Wärmeschutzverglasung UF = 1,0
Fe3
W/m2K
Schaufensteraustausch mit Isolierverglasung UF = 1,4
Fes1
W/m2K
Schaufensteraustausch mit Wärmeschutzverglasung UF =
Fes2
1,0 W/m2K
Steildach:
Aufsparrendämmung, 8 cm
Da1
Flachdach: Dämmung auf vorhandene Dachhaut, 6 cm
Steildach:
Aufsparrendämmung, 14 cm
Da2
Flachdach: Dämmung auf vorhandene Dachhaut, 12 cm
Aw1
Innendämmung, 4 cm Außendämmung, 8 cm
Aw2
Innendämmung, 8 cm Außendämmung, 12 cm
Wärmedämmung auf Deckenunterseite, 4 cm WärmedämKd1
mung an der Bauwerkssohle, 6 cm
Wärmedämmung auf Deckenunterseite, 8 cm WärmedämKd2
mung an der Bauwerkssohle, 10 cm
Kw1
Kellerwand, Innendämmung, 4 cm
Quelle: Ikarus 2003
Tabelle 14: Wärmetechnische Zustände der Typgebäude, Maßnahmenkurzbeschreibung, für das Jahr 2000
Wärmetechnischer
Zustand
WT 1
WT 2
WT 3
WT 4
WT 5
WT 6
WT 7
WT 8
Maßnahmenkurzbeschreibung
Ist-Zustand
Ist-Zustand
Fes1
Fe1, Da1, Kd1
Fes1, Fe2
Fe1, Da1, Kd1
Fes1, Fe2. Da1, Kd1
Fe1, Da1, Kd1, Aw1
Fes1, Fe2, Da1, Kd1, Aw1
Fe2, Da1, Kd1
Fes2, Fe3, Da1, Kd1
Fe2, Da1, Kd1
Fe2, Aw2
Fe2, Da2, Kd2, Aw2
Quelle: Ikarus 2003
52
2.3.2.3
Einsparpotenzial
Im Folgenden soll das technische und wirtschaftliche Einsparpotenzial, das sich bei
der Durchführung der einzelnen Maßnahmenbündel ergeben würde dargestellt und
diskutiert werden.
Technisches Potenzial
Da die sieben Maßnahmenbündel sich entsprechend der enthalten Einzelmaßnahmen stark unterscheiden, ist auch das technische Einsparpotenzial je nach Maßnahme sehr unterschiedlich, dieses ist in Abbildung 19 dargestellt. Es bewegt sich zwischen 5 % für die Durchführung des Maßnahmenpaketes WT 2, das einen Austausch der Schaufenster bei den geeigneten Typgebäuden beinhaltet, und 47 % für
eine Komplettsanierung (WT 8) aller Gebäude des Kleinverbrauches.
Spezifischer Heizwärmebedarf
180
Spezifische Investitionskosten
kWh/m²a
Spezifische Differenzkosten
160
350
€/m²
300
Spezifischer
Heizwärmebedarf
250
120
200
100
80
150
60
100
Spezifische Kosten
140
40
50
20
0
0
WT 1
WT 2
WT 3
WT 4
WT 5
WT 6
WT 7
WT 8
Abbildung 19: Spezifischer Heizwärmebedarf, spezifische Investitionskosten und
spezifische Differenzkosten pro Quadratmeter Gebäudefläche im
Jahr 2000 bei Umsetzung verschiedener Maßnahmenbündel zur
wärmetechnischen Sanierung
Aus Abbildung 19 wird deutlich, dass bereits durch die Anwendung des Maßnahmenbündels WT 5, das die einfache Variante der Komplettsanierung – mit einem
Austausch der Fenster und Schaufenster sowie einer Dämmung der gesamten Gebäudehülle – darstellt, ein Einsparpotenzial von mehr als 30 % erschließbar wäre.
Werden nun die Dämmstärken erhöht und die Wärmedurchgangskoeffizienten (UWerte) der beiden Fensterarten nochmals verbessert, wie dies für die Maßnahmen-
53
bündel WT 6 bis WT 8 angenommen wurde, so ist das oben genannte Einsparpotenzial von 47 % erreichbar.
Soll das von der Bundesregierung mehrfach bekräftigte Einsparziel von 25 % der
CO2-Emissionen bezogen auf das Jahr 1990 auch im Bereich Raumwärme des
Sektors Kleinverbrauch bis zum Jahr 2005 erreicht werden, so ist der wärmetechnische Zustand WT 4 anzustreben. Es wurde angenommen, dass eine prozentuale
Reduzierung des Endenergieverbrauchs zu einer ähnlich hohen Reduzierung des
CO2-Ausstoßes führt. Diese Annahme ist gerechtfertigt, wenn es zu keiner Verschiebung in der Energieträgeraufteilung für die Gebäudeheizung kommt (Bressler
et al. 1994).
Außerdem sind in Abbildung 19 die Investitionskosten als auf die Gebäudefläche
bezogenen Kosten dargestellt. Werden die dargestellten Maßnahmen während einer
anstehenden Gebäuderenovierung ergriffen, so wird nur der zusätzliche Investitionsanteil (Differenzkosten), der durch Verbesserung des Wärmeschutzes anfällt,
angerechnet. Dadurch reduzieren sich die Aufwendungen für die Maßnahmen, obwohl natürlich letztendlich die gesamten Investitionen getätigt werden müssen. In
Abbildung 19 sind sowohl die gesamten als auch die verminderten spezifischen
Investitionen dargestellt.
Die Investitionen für Wärmeschutzmaßnahmen, die während einer anstehenden
Renovierung zu tätigen sind, liegen um ein Vielfaches niedriger als diejenigen, welche bei einer sofortigen Realisierung anzusetzen sind. Dadurch ist eine Umsetzung
der Einsparungsmaßnahmen am ehesten zum Renovierungszeitpunkt wirtschaftlich.
Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen
Im Folgenden wird kurz auf die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Maßnahmenbündel eingegangen. Wichtig bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist die Frage,
ob eine Sanierung innerhalb des Renovierungszyklus erfolgt. Bis auf wenige Ausnahmefälle kann nur so eine geplante Energieeinsparung auch wirtschaftlich vertretbar erreicht werden, da in diesem Fall mit verminderten Investitionsaufwendungen gerechnet werden kann (Bressler et al. 1994).
In Abbildung 20 sind die spezifischen Investitionskosten und im Vergleich dazu die
spezifischen Kosten für die Maßnahmenbündel WT 3, WT 4, WT 5 und WT 8 gegenüber der erreichbaren spezifischen Energieeinsparung aufgetragen. Aus den beiden Abbildungen wird ersichtlich, dass ca. 20 bis 25 % der Gebäude mit Differenzkosten von rund 50 €/m² so saniert werden könnten, dass nennenswerte Einsparungen erzielt werden und damit eine Sanierung im Rahmen der Renovierungszyklen
auch wirtschaftlich sinnvoll sein dürfte. Beim größten Teil der älteren Gebäude
(Baualtersklassen A und B) können des weiteren mit Differenzkosten von unter
100 €/m² Einsparungen von mehr als 40 kWh/m²a realisiert werden, was einer Sa-
54
nierung mit dem Maßnahmenbündel WT 4 entspricht. Wird dagegen außerhalb der
Renovierungszyklen saniert, so liegen die Kosten für die Dämmmaßnahmen in vielen Fällen bei über 100 €/m², so dass bei einer Einsparung von weniger als
60 kWh/m²a nicht mit einer wirtschaftlichen Abwicklung der Maßnahmen zu rechnen ist.
Vergleich Differenzkosten - Einsparung
für WT 3, WT 4, WT 5 und WT 8
160
160
140
140
120
Spezifische Einsparung in kWh/m²a
Spezifische Einsparung in kWh/m²a
Vergleich Kosten - Einsparung für WT 3,
WT 4, WT 5 und WT 8
120
100
100
80
60
40
Baualtersklasse A
80
60
40
Baualtersklasse A
Baualtersklasse B
20
Baualtersklasse C
Baualtersklasse B
20
Baualtersklasse C
Baualtersklasse D
0
Baualtersklasse D
0
0
200
400
600
Spezifische Kosten in €/m²
800
0
100
200
300
Spezifische Differenzkosten in €/m²
Abbildung 20: Spezifische Einsparungen aufgetragen über den spezifischen Investitionskosten bzw. Differenzkosten, nach Baualtersklassen
2.3.3
Technisches und wirtschaftliches Einsparpotenzial
Aufbauend auf der Untersuchung des Kleinverbrauches wird angenommen, dass
sich das prozentuale Reduktionspotenzial, das sich durch eine umfassende, energetische Sanierung in der Industrie erschließen lässt, in der gleichen Größenordnung
wie im Kleinverbrauch bewegt. Damit kann ein technisches Potenzial für diese beiden Sektoren auch quantitativ abgeschätzt werden. In Abbildung 21 ist dieses für
eine Komplettsanierung, in diesem Fall für das Maßnahmenbündel WT 8 ausgewiesen. Im Diagramm ist über dem Endenergiebedarf für die Gebäudeheizung nach
einer Komplettsanierung die Einsparung gegenüber dem Ist-Zustand aufgetragen, so
55
dass damit auch die Höhe des momentanen Endenergieverbrauches für Gebäudeheizung ersichtlich wird.
Endenergiebedarf nach
einer Komplettsanierung
Einsparung gegenüber
dem Ist-Zustand
Industrie
Kleinverbrauch
0
100
200
300
400
500
600
700
800
PJ/a
Abbildung 21: Abschätzung des technischen Reduktionspotenzials beim Endenergiebedarf für die Gebäudeheizung in den Sektoren Industrie und
Kleinverbrauch
Der Endenergieverbrauch in den beiden Sektoren betrug im Jahr 2000 nach Angabe
von Geiger und Wittke (2002) rund 3.894 PJ und lag damit knapp über dem Wert
aus dem Jahr 1999, der in mit 3.865 PJ angegeben wird (Geiger, Kleeberger 2000).
Bei voller Ausschöpfung des theoretischen Einsparpotenzials von 423 PJ kann in
den beiden genannten Sektoren ca. 11 % Endenergie eingespart werden. Dies entspräche einer Reduktion des Heizwärmebedarfes gegenüber dem Ist-Zustand um
rund 15 %.
2.3.4
Literatur
Bressler, G.; Kolmetz, S.; Rouvel, L. (1994): Dritter Zwischenbericht, Bericht TP
5.24.1 Teil 1, Haushalte und raumwärmeintensiver Kleinverbrauch. München:
IfE, FfE
Geiger, B.; Kleeberger, H; IfE München (2000): Aufteilung des Endenergieverbrauchs auf Verbrauchssektoren und Bedarfsarten in Deutschland 1999.
München
Geiger, B.; Wittke, F. (2002): Energieverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland. Zeitschrift BWK (Brennstoff, Wärme, Kraft) 1/2-2002.
56
Gülec, T.; Kolmetz, S.; Rouvel, L.; (1994): Energieeinsparpotenzial im Gebäudebestand durch Maßnahmen an der Gebäudehülle. München: IfE
IKARUS (Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien) (2003): Datenbank Version 2.1. Karlsruhe/Jülich: Fraunhofer ISI, Forschungszentrum Jülich
57
2.4
Dampf- und Heißwassererzeuger (für Prozesswärme)
(ISI)
Dampferzeuger sind Anlagen, in denen das Zweiphasensystem Wasser-Dampf genutzt wird. Vorteile einer Dampfanlage gegenüber z. B. Heizungsanlagen:
•
Höhere Temperaturen sind möglich.
•
Im Dampf sind viel größere Energiemengen in Form von Verdampfungswärme
als im Wasser enthalten.
•
Bei Wärmetauschern ist der Wärmeübergang von kondensierendem Dampf wesentlich größer als bei reinen Flüssigkeiten.
Diese Eigenschaften werden bei vielen industriellen Prozessen benötigt und genutzt.
Der Nachteil der Dampfanlage ist der höhere apparative und sicherheitstechnische
Aufwand.
Circa ein Drittel des gesamten Prozesswärmebedarfs in Industrie und Kleinverbrauch wird im Temperaturbereich bis 350 °C nachgefragt und entweder in
Form von Prozessdampf verschiedener Temperaturen, von Heißwasser oder von
heißem Öl in Kesselanlagen erzeugt (vgl. auch Kapitel 2.5). Die hauptsächlichen
Einsatzfelder für Dampferzeuger zu Prozesszwecken liegen in der Chemischen Industrie (u.a. Chlor, PVC, Chemiefasern), bei der Papierherstellung, bei der Investitionsgüter- und in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie (Zucker, Milch, Brauereien, Bäckereien). Hinzu kommt der Dampfbedarf im Kleinverbrauch bei Wäschereien, Kochküchen, chemische Reinigungen und Krankenhäusern.
Die vorliegende Untersuchung bezieht sich auf Anlagen mit einer Leistung bis max.
50 MWth, welche die Grenzgröße des Bundes-Immissionsschutz-Gesetzes darstellt.
Ausdrücklich ausgenommen aus der Betrachtung sind solche Anlagen, die ausschließlich zur Stromerzeugung genutzt werden.
Die Vielzahl an Dampf/Heißwassererzeugertypen lässt sich sinnvoll in folgende
wesentliche Gruppen unterteilen.
58
Tabelle 15: Dampf/Heißwassererzeugertypen
Kesseltypen
Befeuerung mit
Leistungsbereich von einigen 100 kW bis < 1 MW:
Schnelldampferzeuger
Erdgas, HEL, Strom
Thermoölerhitzer
Erdgas, HEL, Strom
Leistungsbereich von 1 MW bis < 5 MW:
Großwasserraumkessel (FlammrohrRauchrohrkessel mit einem Flammrohr)
Erdgas, HEL
Erdgas, HEL, Strom
Thermoölerhitzer
Erdgas, HEL, Strom
Leistungsbereich von 5 MW bis < 50 MW:
Großwasserraumkessel (FlammrohrRauchrohrkessel mit mehreren Flammrohren)
Erdgas, HEL, HS, Braunkohle
Wasserrohrkessel (Naturumlauf)
Erdgas, HEL, HS, Steinkohle, Braunkohle
2.4.1
1998 wurden in der Industrie gut 335 PJ Nutzenergie in Form von Dampf bis
350 °C zu Prozesszwecken benötigt. (Hinzu kommen noch vergleichsweise geringe
Bedarfsmengen des Kleinverbrauchs, die nur für Wäschereien und Chemische Reinigungen mit rund 7 PJ explizit ausgewiesen sind.) Bei einem durchschnittlichen
Wirkungsgrad von 88 % entspricht das einem Endenergieeinsatz von rund 380 PJ,
der nahezu ausschließlich durch Brennstoffe gedeckt wird. Der gesamte Energieeinsatz im Bereich der Prozess-Dampferzeuger trägt mit ca. 3 % oder 27 Mio. t CO2 zu
den gesamten energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland bei, von denen ca.
ein Fünftel dem Sektor Industrie zuzuordnen sind.
Den mit Abstand größten Dampfbedarf weist die Chemische Industrie auf, gefolgt
von der Papier-, der Nahrung/Genuss- und der Investitionsgüterindustrie (Tabelle
16).
59
Tabelle 16:
Dampf- und Heißwasserbedarf bis 350 °C in der Industrie 1998
Dampfbedarf nach Branche
in PJ
Anteil in %
EISEN
23,4
7,0
Eisenerzeugung
6,0
1,8
Restl. Eisen
7,7
2,3
Stahl
4,1
1,2
Walz
5,7
1,7
NE-METALLE
0,4
0,1
Kupfer
0,2
0,1
Zink, Blei, Zinn
0,2
0,1
161,3
47,9
Chlor
3,6
1,1
Acetylen
1,0
0,3
Chemiefaser
8,9
2,7
Polyolefin
2,4
0,7
PVC
3,3
1,0
Soda
15,0
4,5
sonst. Chemische Grundst.
118,8
35,3
Aromaten
8,2
2,4
PAPIER
81,7
24,3
Papier
70,7
21,0
Pappe
11,0
3,3
INVESTITIONSGÜTER
29,3
8,7
Maschinenbau
8,2
2,4
Fahrzeugbau
14,6
4,4
Elektrotechnik
6,5
1,9
NAHRUNG / GENUSS
40,4
12,0
Zucker
15,3
4,5
Brauereien
10,0
3,0
Bäckereien
0,8
0,2
Milch
14,3
4,2
GESAMT
336,5
100,0
CHEMIE
Quelle: Ikarus 2003
60
2.4.2 Technologischer Stand
Ein typisches Dampferzeugersystem besteht aus den energetisch relevanten Komponenten Kessel, Dampfleitungssystem, Kesselspeisewasserbehälter, Speisewasserentgaser und -enthärter, Kondensatrückführung sowie der Möglichkeit zur
Abschlämmung (Abbildung 22). Die Kondensatrückführung erfolgt, sofern der
Dampf in der Produktion kondensiert und nicht im Produkt aufgenommen wird.
Speisewasserentgaser und -enthärter dienen der Aufbereitung des frisch zugesetzten
Kesselspeisewassers, um Korrosion und Ablagerungen auf den Heizflächen zu vermeiden. Die Abschlämmung wird periodisch durchgeführt, um Salzrückstände abzuleiten, die im Kessel abgeschieden wurden.
Quelle: Reichert 1994
Abbildung 22: Standarddampferzeugersystem mit offener Kondensatsammlung
Großwasserraumkessel
Der Großwasserraumkessel ist in seiner Ausprägung als Flammrohr/Rauchrohrkessel mit einem Flammrohr der am häufigsten verwendete Kessel in den Sektoren
Industrie und Kleinverbrauch im Leistungsbereich von einigen t/h bis zu 15 t/h.
Anzahl- und leistungsbezogen stellt der Flammrohrkessel über 90 % der Großwasserraumkessel zur Dampf/Heißwassererzeugung. Großwasserraumkessel weisen
derzeit Wirkungsgrade von 89-90 %, mit Economizern 94-95 % auf (Ikarus 2003).
Die häufigste Konstruktionsart stellt innerhalb dieses Kesseltyps das Dreizugprinzip
61
dar: Der Brennstoff wird dabei im Flammrohr mit breitem Querschnitt verbrannt;
die Rauchgase entweichen durch die hintere Rauchgaswendekammer, den ersten
Rauchrohrzug, die vordere Rauchgaswendekammer und den zweiten Rauchrohrzug,
wobei die Wärme zusätzlich zum Flammrohr in den nachgeschalteten Rauchgaszügen an den Wärmeträger abgegeben wird.
Um höhere Leistungen zu erzielen müssen mehrere Flammrohre in einem Kessel
kombiniert oder aber mehrere Großwasserraumkessel zu Batterien zusammengefasst werden. Da für jedes Flammrohr bzw. für jeden Kessel der Batterie unabhängig regelbare Brenner zur Verfügung stehen, hat diese Fahrweise den Vorteil, dass
der Kessel ein wesentlich verbessertes Teillastverhalten zeigt, da jeweils ein Brenner (Kessel) bei geringem Leistungsbedarf still gelegt wird, während die übrigen
Brenner (Kessel) weiterhin im Optimum betrieben werden. Die Kesselstillstandsverluste werden dadurch herabgesetzt und der Jahresnutzungsgrad steigt.
Wasserrohrkessel (Kleinwasserraumkessel)
Für Anwendungen mit höherem Dampfbedarf als etwa 50 t/h und höheren Drücken
als 20 bar werden Wasserrohrkessel eingesetzt. Durch die Auflösung der Heizfläche
in einzelne Rohre wird gegenüber dem Flammrohrkessel die Druckfestigkeit mit
geringerem Gewicht und Aufwand erreicht. Außerdem ist der spezifische Platz- und
Raumbedarf geringer als beim Flammrohrkessel. Die Investitionskosten sind allerdings erheblich höher als bei Großwasserraumkesseln. In einem Übergangsbereich
von etwa 25 bis 50 t/h Dampfleistung sind daher wirtschaftliche Gründe für die
Wahl des einen oder des anderen Systems ausschlaggebend, wenn nicht spezielle
technische Voraussetzungen wie Platzmangel oder hoher Dampfdruck einen Wasserrohrkessel erforderlich machen.
Die Heizfläche von Wasserrohrkesseln kann beliebig vergrößert und hoch belastet
werden, so dass der Dampfleistung theoretisch keine Grenze gesetzt ist. Man unterscheidet technisch zwischen Kesseln mit
Naturumlauf
• Zwangsumlauf und
• Zwangsdurchlauf.
•
Für den hier betrachteten Leistungsbereich kommen praktisch nur Naturumlaufkessel in Frage, die im Folgenden beschrieben werden.
In Wasserrohrkesseln werden Wasser und Dampf in Rohren geführt. Sie bilden die
Wandfläche des Kessels und nehmen die in der Feuerung freigesetzte Wärme – zum
überwiegenden Teil die Strahlung – auf. Das erwärmte, spezifisch leichtere WasserDampfgemisch steigt in den Rohren auf und sammelt sich in einer oben liegenden
Trommel. Hier wird der Dampf vom Wasser getrennt und meist über einen im
62
Rauchgasstrom liegenden Überhitzer dem Verbraucher zugeführt. Von der Obertrommel strömt das Wasser durch Fallrohre, die zur Feuerung hin isoliert sind, wieder nach unten und sammelt sich entweder in einer Untertrommel, einem Sammler
oder in dickeren Verteilerrohren (z. B. Eckrohre bei einer modernen Bauart).
Wegen des mit steigendem Druck geringer werdenden Dichteunterschiedes zwischen Wasser und Dampf ist der Naturumlauf auf Drücke bis maximal 180 bar begrenzt. Oberhalb dieser Grenze, in der Praxis aber häufig schon bei wesentlich niedrigeren Drücken, werden Pumpen zur Unterstützung des Wasserumlaufs eingesetzt
(Zwangsumlaufkessel).
Das Teillastverhalten des Wasserrohrkessels mit Naturumlauf ist ungünstiger als
das eines Großwasserraumkessels. Bei Teillast lässt der Wasserumlauf nach, was
durch gleichzeitige Druckabsenkung teilweise vermieden werden kann. Allerdings
darf die Druckverminderung eine von der Bauart des Kessels abhängige Geschwindigkeit nicht überschreiten. Das gegenüber Zwangsumlauf- und Zwangsdurchlaufkesseln spezifisch größere Wasservolumen in den Trommeln erlaubt es jedoch,
kurzzeitige Laständerungen abzupuffern. Wasserrohrkessel weisen Wirkungsgrade
von 94-95 % auf (Ikarus 2003).
Anders als Großwasserraumkessel beruhen Schnelldampferzeuger auf dem Wasserrohrprinzip, d. h. das Speisewasser wird im Durchlauf erhitzt und verdampft. Dies
führt dazu, dass Schnelldampferzeuger, die auch als Dampfautomaten oder Dampfgeneratoren bezeichnet werden, mit wesentlich kleineren Wassermengen (in der
Regel zwischen 10 und 200 Liter) auskommen als Großwasserraumkessel (ca. 1 bis
1,4 m³ Wasserinhalt je installierter Tonne pro Stunde Dampfleistung). Die Wirkungsgrade liegen bei 87-88 % ohne und 92-93 % mit Economizern (Ikarus 2003).
Schnelldampferzeuger finden überall dort ihre Verwendung, wo Dampf während
relativ kurzer Zeiträume möglichst schnell (in 2 bis 5 Minuten) zur Verfügung stehen soll. Schnelldampferzeuger können in den Leistungsbereichen 100 bis 5000
kg/h Dampf und in Druckstufen von 1 bis über 30 bar Überdruck geliefert werden,
das Gros der Anlagen befindet sich jedoch weit unterhalb 1000 kg/h. Nach Herstellerangaben liegen 80 % der Anlagen unter 600 kg/h. 90 % werden bis 2 t/h ausgeliefert. Überwiegende Einsatzfelder der Schnelldampferzeuger liegen in gewerblichen
Betrieben des Kleinverbrauchs wie Wäschereien, Kochküchen, chemische Reinigungen und Krankenhäusern, aber auch in verschiedenen anderen industriellen
Branchen.
Schnelldampferzeuger weisen allerdings auch eine Reihe von Nachteilen auf, insbesondere etwas niedrigere Wirkungsgrade als Großwasserraumkessel, da kein
Dampfreservoir zur Verfügung steht, was bei Schnelldampferzeugern, die im All-
63
gemeinen einstufig (an/aus) oder zweistufig (100 bzw. 50 %, aus) geregelt werden,
zu größerer Schalthäufigkeit und damit zu größeren Stillstands- und Anfahrverlusten führt. Schnelldampferzeuger sind bei ihrer i.A. geringen Leistung kaum mit
Economizern oder mit O2-Regelung ausgestattet, da sich diese bei den derzeitigen
Brennstoffpreisen nach Herstellerangaben im Allgemeinen erst in ca. sieben Jahren
amortisieren.
Thermoölerhitzer
In manchen Industriebranchen, insbesondere bei der chemischen Industrie und der
Verfahrenstechnik, werden für Trocknungs- und Kochprozesse hohe Arbeitstemperaturen im Bereich von 220 bis über 300 °C (in manchen Fällen bis zu 400 °C) benötigt, wofür man Dampf/Heißwassererzeuger mit hohen Drücken (Dampfdruck bei
Sattdampftemperaturen 220 °C bzw. 300 °C: 23,2 bzw. 85,9 bar) und entsprechend
aufwendig konstruierten Anlagen einsetzen müsste. Für diese Zwecke werden
Wärmeträger wie Thermoöle eingesetzt, die erlauben, bis zu diesen Temperaturen
nahezu drucklos zu arbeiten und die Anlagen kostengünstig zu gestalten. Der typische Leistungsbereich reicht von einigen zehn kW bis zu 5 MW.
In den letzten Jahren haben sich aber zunehmend Verbesserungen ergeben. Thermoöle weisen je nach Anwendung und Temperatur heute bis zu 15 Jahre Standzeit
auf. Da das Öl in geschlossenen Systemen geführt wird, sind auch keine größeren
Mengen zuzuführen, wenn keine Leckagen auftreten..
Thermoölanlagen werden zumeist mit Erdgas, leichtem Heizöl oder kleinere Anlagen mit Strom beheizt. Bei den ersten beiden Brennstoffen wird das Thermoöl
durch Heizschlangen geführt, die den Feuerungsraum umgeben. Beim Strom wird
das Öl z. B. durch Rohre mit innenliegenden Heizstäben geleitet. Die brennstoffbeheizten Anlagen weisen Kesselwirkungsgrade zwischen 85 bis 89 % auf, wobei auf
Grund der in der Regel höheren Öltemperatur gegenüber Dampf/Heißwassererzeugern vergleichbarer Leistung und damit höheren Rauchgastemperaturen größere Verluste auftreten. Maßnahmen der rationellen Energienutzung können nachgeschaltete Luftvorwärmer bzw. je nach Rauchgastemperatur und -menge Abhitzewärmetauscher zur Warm/Heißwasserbereitung sein. Derartige Maßnahmen können
den Kesselwirkungsgrad auf über 93 % steigern. Allerdings ist auf Grund der hohen
Investitionskosten nur ein geringer Teil der heutigen Anlagen mit solchen Abwärmenutzungsmaßnahmen ausgestattet. Um die Investitionskosten zu verringern, wird
die Luftvorwärmung auch in den Kessel integriert.
Heißwassererzeuger
Nach der Dampfkesselverordnung und in den hier relevanten Daten unterscheiden
sich Heißwassererzeuger praktisch nicht von Dampferzeugern, benötigen jedoch
64
eine zusätzliche Ausdehnungseinrichtung. Sie sind jedoch gesondert ausgewiesen,
da auch der Heißwasserbedarf getrennt vom Dampfbedarf nachgefragt wird. Die
erzeugte Wärme wird meist für Heizzwecke eingesetzt und liegt im Temperaturbereich zwischen 130 bis 180 °C bei einem Druck bis etwa 10 Bar und einem Wirkungsgrad von ca. 89 %.
Öl-/Gasbrenner
Ölbrenner werden in Verdampfungs- und Zerstäubungsbrenner eingeteilt. Im hier
betrachteten Leistungsbereich kommen nur Zerstäubungsbrenner zur Anwendung,
wobei folgende Arten der Flüssigkeitszerstäubung unterschieden werden:
•
Druckzerstäuberbrenner: Hier wird Öl durch Überdruck von 7 bis 20 bar in die
Zerstäuberdüse gedrückt, in der es vernebelt und verdampft. Die Regelung der
Ölmenge erfolgt durch Änderung des Öldrucks.
•
Dampf- bzw. Druckluft-Zerstäuberbrenner: In den Brennerkopf wird eine Mischung von Dampf und Öl unter Druck eingeblasen (0,15 bis 0,3 kg Dampf je kg
Öl). Anstelle von Dampf kann auch Druckluft verwendet werden. Die Leistungsregelung erfolgt für größere Brenner durch eine Regelung des Dampf- und Öldrucks.
•
Rücklaufbrenner: Bei den Rücklaufbrennern fließt eine gleichbleibende Ölmenge
in die Wirbelkammer, wobei eine zuviel geförderte Ölmenge automatisch zur
Pumpe zurückläuft. Regelung kann durch Querschnittsänderung der Austrittsdüse und der Rücklauföffnung mittels einer feinen Nadel erfolgen.
•
Drehzerstäuberbrenner: Bei dieser Brennerart wird der aus einem Hohlkegel bestehende Brennerkopf durch einen Motor sehr schnell gedreht. Das Öl tropft auf
die Innenseite des Hohlkegels, wird durch die Rotation des Kegels weitergetragen und an der scharfen Kegelkante durch Zentrifugalwirkung fein zerstäubt abgesprüht. Die Regelung der Leistung erfolgt durch Veränderung des Ölzuflusses
mittels eines Regelventils.
Bei allen Brennerarten wird für schwerflüssige Öle eine Ölvorwärmung nötig. Die
Zündung des Luft/Ölgemisches erfolgt mittels eines Hochspannungsfunkens.
Gasbrenner sind hauptsächlich bei den hier betrachteten Leistungen als Gasgebläsebrenner ausgelegt, bei denen dem Gas die Verbrennungsluft durch ein Gebläse zugeführt wird. Das Gemisch wird über Zündelektroden gezündet. Bis Leistungen von
etwa 10 MW sind die Brenner als Monoblock ausgeführt, d. h. Gebläse, Gaszufuhr
und Zündeinrichtung sind im Brenner integriert; bei höheren Leistungen sind Brenner und Gebläse getrennt. Man unterscheidet dann nach der Art der Gas- und Luftzufuhr nach
•
Flachbrennern, in denen Gas und Luft in übereinanderliegenden Schichten zugeführt werden,
65
•
Parallelstrombrenner mit parallel angeordneten Rohrbündeln, die von der Luft
umströmt werden und
•
Ringbrennern mit zentraler Gaszufuhr und peripherer Luftzufuhr, wobei die
Durchmischung von Gas und Luft durch Leitbleche (Impeller) gefördert wird.
Bei Mehrstoffbrennern sind Gas- und Ölbrenner in einer Einheit kombiniert, so dass
der Kessel mit beiden Brennstoffen gefahren werden kann. Häufig handelt es sich
um Ringbrenner mit zentraler Öllanze und ringförmig angeordneten Gasdüsen oder
Gaslanzen.
Die Brennerregelung erfolgt für Brenner unter 3 bis 4 MW in der Regel zweistufig,
darüber meist stufenlos.
Abfallfeuerungen
Abfallfeuerungen spielen bei industriellen Dampf- und Heißwassererzeugern eine
relativ untergeordnete Rolle. Das Brennstoffspektrum reicht von den verschiedenartigsten Holzabfällen über Altreifen, bis hin zu landwirtschaftlichen Abfallprodukten wie Stroh, Sonnenblumenschalen etc, wobei letztere vor allem im außerdeutschen Bereich eingesetzt werden. In der Bundesrepublik liegt ein Schwerpunkt
der Abfallfeuerungen bei der Verbrennung verschiedenster Holzabfälle in den
Branchen der holzbe- und verarbeitenden Industrie. Der Leistungsbereich der Kessel erstreckt sich dabei von ca. 400 kW bis zu über 50 MW. Der Einsatz von Abfallstoffen wird nur zum Teil durch energetische Gründe bestimmt. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist die Einsparung von Deponiekosten, die heute die Wirtschaftlichkeit von Abfallfeuerungen (in Deutschland) stärker prägen als die Konkurrenz durch die Brennstoffe HEL oder Erdgas. Die Deponiekosten liegen derzeit
in einem Bereich, in dem das Vermeiden der Deponiekosten noch die billigere Lösung darstellt als ein gasbeheizter Kessel, trotz wesentlich größerem apparativem
Aufwand, insbesondere auf der Emissionsseite (Staub, NOx und eventuell organische Emissionen von Beschichtungen, Klebstoffen, Lacken etc.).
Die energetische Seite der Abfallverbrennung ist wie oben erwähnt eher von untergeordneter Bedeutung. Dies kann in Einzelfällen durchaus dazu führen, dass Wirkungsgrade nur eine geringe Rolle spielen, ja sogar niedrige Wirkungsgrade erwünscht sind, da der Abfallstoff u. U. in größeren Mengen anfällt als für den betriebsinternen Wärmebedarf benötigt wird. Eine Ausnahme bilden größere Anlagen,
die der Stromerzeugung dienen. Typischerweise liegen die Kesselwirkungsgrade
unter 85 %, und können durchaus je nach Abgastemperatur, Luftüberschuss usw.
unter 70 % betragen. Komponenten der rationellen Energienutzung wie Economizer
werden auf Grund der untergeordneten Stellung der Energiefragen bei Abfallfeuerungen außer bei der Stromerzeugung nur wenig eingesetzt.
66
Wirbelschichtfeuerungen
Wird ein Festbett von einem Fluid mit einer Geschwindigkeit durchströmt, die den
Feststoff in einen wirbelnden Zustand versetzt, ohne dass er ausgetragen wird,
spricht man von einer Wirbelschicht. Enthält die Wirbelschicht brennbare Bestandteile und besitzt sie Temperaturen, die über 600 °C liegen, findet eine Verbrennung
statt und man bezeichnet dieses technologische Verfahren als Wirbelschichtfeuerung. Die Vorteile des Prinzips beruhen auf den guten Wärme- und Stoffaustauschbedingungen in der aufgewirbelten Partikelschicht. Zur Gewährleistung einer homogenen Verbrennung und zur Begrenzung der Verbrennungstemperatur über der
gesamten Schichthöhe ist es notwendig, den Brennstoff mit einem Inertmaterial zu
verdünnen. Hierzu wird meist Quarzsand verwendet, der sich im Laufe der Zeit mit
Asche anreichert. Im Gleichgewicht enthält das Gemisch nur wenige Prozent an
Brennstoff (1 bis 3 %). Die Verbrennungstemperaturen betragen etwa 800 bis
950 °C. In den Förderluftstrom wird je nach Art der Wirbelschichtfeuerung z. B.
Kohle mit einer mittleren Korngröße von 0,5 bis 6 mm eingetragen. Die durch die
Verbrennung entstehende Wärme wird zum Teil durch in die Schicht eintauchende
Kühlfläche abgeführt, während das Rauchgas durch Konvektionsheizflächen im
nachgeschalteten Gasraum weiter abgekühlt wird. Das Abgas mit Temperaturen
unter 200 °C wird in einem Staubabscheider gereinigt. Die abgeschiedene Asche
und die unverbrannten Bestandteile können der Wirbelschicht wieder zugeführt
werden. Die überschüssige Wirbelbettasche wird am Boden abgezogen.
Je nach der gewählten Wirbelgeschwindigkeit wird die Schicht in unterschiedliche
Zustände versetzt. Eine Wirbelschicht mit kleiner Anströmgeschwindigkeit und
einer definierten Schichtoberfläche bezeichnet man als stationäre Wirbelschicht.
Sie kann annähernd mit Atmosphärendruck (atmosphärische Wirbelschicht) oder
mit Überdruck (Druckwirbelschicht) betrieben werden. Wird eine Wirbelschicht mit
höherer Anströmgeschwindigkeit, die in der Nähe des Austragspunktes liegt, betrieben, werden große Mengen an Feststoff aus dem Bett ausgetragen, die nach dem
Gasraum eine Abscheideanlage passieren. Die abgeschiedene Feststoffmenge wird
dem unteren Teil des Wirbelschichtreaktors zurückgeführt, d. h. sie rezirkuliert und
hält den Zustand der Wirbelschicht aufrecht. Diese Verfahrensvariante wird als zirkulierende Wirbelschicht (ZWS) bezeichnet. Ihr schließt sich mit noch höheren
Anströmgeschwindigkeiten die Staubfeuerung an.
Den unteren Abschluss der Wirbelschicht bildet der Anströmboden, welcher mit
Düsen bestückt ist, die in die Bodenplatte eingeschweißt sind. Zur Verbrennung
kann kalte oder vorgewärmte Luft verwendet werden.
Die Wirbelschichtfeuerungen erlauben den Betrieb ohne nachgeschaltete Rauchgasreinigungsanlagen. Zur Entschwefelung wird das Trocken-Additiv-Verfahren benutzt, in dem z. B. Kalkstein gemeinsam mit der Kohle vermahlen in die Wirbelbrennkammer eingeblasen wird. Es entsteht Kalziumsulfat, das an die Asche ge-
67
bunden wird. Die Stickoxidminderung besteht in der Vermeidung der Bildung des
thermischen NOx infolge der niedrigen Brennkammertemperatur von 800 bis
950 °C und der weitgehenden Unterdrückung des Brennstoffstickoxids durch gestufte Luftzugabe. Allerdings werden die zulässigen Partikelwerte stark überschritten; zur Entstaubung werden mechanische Filter und heißgehende Elektrofilter eingesetzt.
Generell hat die Wirbelschichttechnik ihren Schwerpunkt ganz eindeutig bei der
Stromerzeugung und spielt bei der Prozessdampferzeugung für industrielle Fertigungsprozesse eine untergeordnete Rolle. Allenfalls die stationäre Wirbelschicht als
Anwendungsmöglichkeit für kleine und mittlere Industriebetrieben hat mitunter
gegenüber dem Rostkessel den Vorteil der Verwendung des gesamten Brennstoffbandes von festen fossilen Brennstoffen einschließlich Abfällen, wie z. B. der Holzund der Papierindustrie.
2.4.3
2.4.3.1
Theoretischer Energiebedarf
Der erzeugte Dampf stellt die vom Kessel bereitgestellte Nutzenergie dar. In vielen
Fällen wird jedoch nicht der Dampf selbst, sondern nur sein Wärmeinhalt und sein
Druckpotenzial benötigt. Bei Abkühlung und Entspannung kondensiert der Dampf
und das Kondensat kann mit einem Teil der Nutzenergie dem Kessel wieder zugeführt werden. Dies ist der Standardfall bei der Elektrizitätserzeugung. Vermischt
sich der Dampf jedoch mit dem Produkt oder wird durch das Produkt verunreinigt,
wie z. B. bei einer Reihe von chemischen Herstellungsprozessen, so kann keine
Kondensatrückführung erfolgen, der gesamte Bedarf an Speisewasser muss frisch
aufbereitet werden. Hier besteht u.U. die Möglichkeit, den Dampf nicht mit dem
Produkt in Berührung kommen zu lassen, oder aber den verunreinigten Dampf mittels Reinigung und Brüdenverdichtung durch eine Wärmepumpe (Laue, 1994) zurückzugewinnen.
Der Kesselwirkungsgrad gibt das Verhältnis zwischen dem genutzt abgeführten zu
dem zugeführten Energiestrom an:
ηK = Qn / Qzu,ges
Die Nutzwärmeleistung Qn setzt sich zusammen aus den Wärmeströmen des
Frischdampfs, der Zwischenüberhitzung und der Abschlämmung.
Die zugeführte Wärmeleistung Qzu,ges ist die Summe der dem zugeführten Brennstoffstrom proportionalen Energieströme (chemische und fühlbare Brennstoffenergie, Energie der Verbrennungsluft und des Zerstäuberdampfes bei flüssigen Brenn-
68
stoffen) sowie zusätzliche Leistungen der Mühlen, Gebläse, Pumpen und Motoren
und soweit Entstauber innerhalb der Systemgrenze liegen, die bei Elektrofiltern
zugeführte Leistung.
Vom Kesselwirkungsgrad, der in der Regel vom Hersteller angegeben wird, sind
der feuerungstechnische Wirkungsgrad sowie der Jahresnutzungsgrad zu unterscheiden. Der erste liegt höher als der Kesselwirkungsgrad, weil in ihm nur die feuerungsbedingten Verluste wie Verluste durch unverbrannten Brennstoff oder über
das Abgas enthalten sind, nicht jedoch Verluste des Kessels durch Strahlung und
Konvektion. Der Jahresnutzungsgrad liegt niedriger als der Kesselwirkungsgrad,
da in ihm zusätzliche Verluste wie Anheizverluste, Bereitschaftsverluste bei Brennerstillstand (ca. 1 bis 1,5 % bei modernen Kesseln), usw. enthalten sind.
Abbildung 23 zeigt anhand von mittleren Jahresnutzungsgraden nach Recknagel et
al. (2001) und durchgeführten Messungen Fichtner (1988), dass die Unterschiede
umso größer ausfallen, je kleiner die Kesselleistung wird. Es ist jedoch anzumerken,
dass es sich um mittlere Werte handelt.
Quelle: Reichert (1994)
Abbildung 23: Mittlerer Jahresnutzungsgrad, Vergleich einzelner Anlagen
2.4.3.2
Abschätzung der Energieverluste beim Gesamtsystem
Verluste treten in diesem System an folgenden Stellen auf:
69
•
Verluste in der Größenordnung von 20 % der eingesetzten Dampfmenge, treten
auf, wenn das Kondensat zwar zurückgeführt wird, der Kesselspeisewasserbehälter aber wegen der Kavitationsgefahr für die Pumpen durch Entstehung eines
Dampf-Wasser-Gemischs offengelassen wird (sogenannte offene Kondensatrückführung). Die entstehenden Brüdenschwaden gelangen daher ungehindert
ins Freie. Nach Gesprächen mit Herstellern ist dies durchaus eine häufig anzutreffende Praxis. Kondensatwärmetauscher, bei denen dem Kondensat die Wärme entzogen und an das Speisewasser abgegeben wird, können je nach Dampftemperatur und Kondensatüberdruck diese Verluste etwa halbieren. Geschlossene Kondensatrückführsysteme können noch weitergehende Abhilfe schaffen:
Hier wird die Wärmeenergie des Kondensats direkt dem Dampfkessel wieder
zugeführt ohne den Umweg über den Speisewasserbehälter. Zusätzliche Einsparung entsteht hierbei durch verminderten Frischwasserbedarf und durch weniger
chemische Zusätze (Aufbereitungssalz, chemische Sauerstoffbindemittel) bei der
Wasseraufbereitung. Altanlagen können ebenfalls mit derartigen Maßnahmen
nachgerüstet werden.
•
Weitere Verluste in Höhe von 1 bis 3 % der eingesetzte Dampfmenge entstehen
bei der Abschlämmung der Salzrückstände in den Kanal. Zudem ergeben sich eventuell weitere Kosten für Frischwasser, das u. U. zugesetzt werden muss, um
die Abschlämm-Rückstände auf die vorgeschriebenen maximal 35 °C zu kühlen.
•
Zusätzliche Verluste in der Größenordnung von 1 bis 3 % treten bei der Druckentgasung durch Brüdenabschwadung auf. Hierbei werden aus dem Frischwasser
(durch leichten Überdruck und bei 103 °C) CO2 und Sauerstoff entfernt.
•
Eine zusätzliche Verlustquelle liegt im Dampf/Heißwasserverteilernetz. Die
Wärmeverluste im Verteilungsnetz hängen stark von der Art des Dampfverteilungssystems und von dessen Wartung ab.
•
Am Ort des Dampfbedarfs können, zusätzlich zu den zuvor genannten, weitere
Verluste, z. B. durch mangelnde Isolierung oder ungenügende Temperaturregelung entstehen.
Zusammenfassend können in Dampferzeugersystemen folgende Verluste beobachtet werden (die nicht alle additiv sind) (Tabelle 17):
70
Tabelle 17: Verlustquellen im Dampferzeugersystem
Verlustquelle
%
der Dampfmenge
Maßnahmen
Dampf geht im Produkt verloren
100
Wärmepumpe, geschlossenes System
Verluste durch offene Kondensatrückrückführung
20
Geschl. System, Spezialwärmetauscher
Verluste durch Abschlämmung
1-3
Spezialwärmetauscher
Verluste durch Brüdenabschwadung im Entgaser
1-3
Spezialwärmetauscher
Verluste in den Dampfleitungen
5-50
Isolierung, Wartung, Lokale
Dampferzeugung
Verluste am Ort des Wärmebedarfs
10-40
Isolierung, Thermostatregel
Es muss jedoch ausdrücklich betont werden, dass die Kombination dieser Verluste
von den speziellen Gegebenheiten einer Branche bzw. sogar eines Unternehmens
bestimmt werden, und die angegebenen Werte als Anhaltspunkte für häufig anzutreffende Verluste aufzufassen sind. Sinngemäß gelten diese Werte auch für Heißwassererzeuger, wobei die ersten beiden Punkte der Tabelle entfallen, da Heißwasser immer im Kreislauf geführt wird.
2.4.3.3
Weitere Verluste
Weitere Verluste entstehen aus „verhaltensabhängigen“ Verlustquellen wie mangelnder Wartung der Feuerungen, Kessel und Rohrleitungen. Eine andere Verlustquelle stellt die Überdimensionierung von Systemen in Bezug auf nichtangepasste
Leistung, Temperatur oder Druck dar, wie sie sich z. B. aus Übervorsicht bei der
Planung, durch Änderung des Produktionsspektrums aber auch durch Maßnahmen
der rationellen Energienutzung am Ort der Wärmenutzung (z. B. durch Wärmerückgewinnung aus dem Kondensat über Wärmepumpen) ergibt.
2.4.3.4
Die Technik der Dampferzeugung ist hochentwickelt und lässt bei heute erreichbaren Wirkungsgraden von 94 % für die Zukunft nur noch marginale energetische
Verbesserungen erwarten. Niedrigere Wirkungsgrade werden nur aus ökonomischen Gründen in Kauf genommen.
Forschungen und Anstrengungen der Hersteller konzentrieren sich derzeit auf die
Minimierung der Emissionen. Diese Entwicklungen werden in Zukunft zu einem
erhöhten Hilfsenergieverbrauch führen, so dass der Systemwirkungsgrad wohl eher
71
zurückgehen wird. Als Techniken mit zukünftigem Potenzial werden hier die Wirbelschichttechnik und die Brennwerttechnik beschrieben.
Dennoch verbleibt ein beträchtliches Potenzial durch eine weitergehende Durchdringung vorhandener Maßnahmen zur Effizienzsteigerung bei der Nachrüstung
von Altanlagen und Neuanschaffungen.
Die folgende Zusammenfassung gibt eine Übersicht über die gängigsten Komponenten und Maßnahmen der effizienten Energienutzung bei Dampf-/Heißwassererzeugern. Oft können Altanlagen mit derartigen Komponenten nachgerüstet werden, soweit nicht spezielle Gründe wie mangelnder Platz ein Hindernis darstellen.
Economizer
Economizer dienen als Wärmetauscher, die den noch heißen Rauchgasen hinter
dem Kessel einen Teil der restlichen Wärme entziehen und dem Speisewasser zuführen. Derartige Komponenten können auch bei Altanlagen nachgerüstet werden.
Economizer sind nach Herstellerangaben ab etwa 0,5 MW Nennleistung üblich,
wobei sie bis 2 MW als Glattrohr-Eco, darüber hinaus als Rippenrohr-Eco ausgelegt
sind. Bei Leistungen oberhalb 2 MW werden ca. 80 % der neu zu liefernden Großwasserraumkessel mit Ecos ausgestattet, da derartige Komponenten schon im Einschichtbetrieb wirtschaftlich sind (bei 60 bis 70 % Auslastungsgrad der Anlage).
Typischerweise überschreitet die Abgastemperatur die Sattdampftemperatur um ca.
70 K, die für einen typischen industriellen Dampferzeuger bei 180 °C liegt. Die
untere Grenze der Rauchgastemperatur bildet der Säure-Taupunkt der Rauchgase,
welcher vom eingesetzten Brennstoff bzw. dessen Schwefelgehalt abhängt (ca.
160 °C für HS, 130 °C für HEL, 100 °C für Erdgas). Unterhalb dieser Temperatur
tritt Kaminversottung ein, wenn nicht spezielle Maßnahmen im Kamin ergriffen
werden. Aus diesem Grund sind Economizer häufig mit einer Bypass-Regelung
versehen, welche einen Teil der Abgase um den Economizer herumleitet, wenn deren Temperatur im Kamin zu weit absinkt. Mit Hilfe der Faustregel: 20 K Temperaturabsenkung im Abgas führt zu ca. 1 %-Punkt Wirkungsgradanstieg, kann der
Wirkungsgradanstieg je nach Dampftemperatur und Temperaturabsenkung durch
den Wärmetauscher bis zu ca. 6-7 % betragen. Die Temperatur des im Economizer
aufzuheizenden Speisewassers wird typischerweise von 103 °C auf ca. 140 °C erhöht. Gegen den Einsatz von Economizern sprechen manchmal Probleme mit den
Kaminverhältnissen (Versottung) bzw. bauliche Probleme bei der Nachrüstung, da
z. B. aus Platzmangel Mauern zu versetzen sind. Bei noch weitergehender Temperaturabsenkung der Abgastemperaturen unter den Taupunkt erfolgt der Übergang
zur sogenannten Brennwerttechnik.
72
Stufenlose Brennerregelung
Stufenlose Brennerregelungen erlauben, den Brenner in weiten Teillastbereichen zu
fahren statt die Teillast durch An- und Abschalten des Brenners anzusteuern. Hierdurch werden Stillstands- und Anfahrverluste vermindert, da der Feuerungsraum
vor dem Zünden gespült werden muss. Die Investitionskosten können für die stufenlose Brennerregelung bei kleineren Leistungen die Brennerkosten weit übersteigen. Dort wird typischerweise Zweistufenregelung (100 %, 50 %, aus) oder bei den
kleinsten Leistungen Einstufenregelung (an/aus) eingesetzt. Die stufenlose Brennerregelung führt nicht zu einer Verbesserung des statischen Wirkungsgrades, wie er in
den Datenblättern angegeben ist, sondern zu einer Erhöhung des Jahresnutzungsgrades um 1 bis 2 %. Der Wert ist nicht genauer zu präzisieren, da er von den individuellen Betriebsbedingungen – jährliche Nutzungsdauer und Auslastung, durch
die die Schalthäufigkeit bestimmt wird – des Kessels abhängt.
O2-Regelung
Brenner werden je nach eingesetztem (flüssigem oder gasförmigem) Brennstoff und
Brenneralter mit einem Sicherheitsluftüberschuss von 5 bis 20 % betrieben. Diese
zusätzliche Luftmenge trägt nicht zu einer intensiveren Verbrennung bei, führt jedoch Wärmeenergie ab. Die O2-Regelung misst ständig den O2-Anteil im Abgas des
Kessels und regelt die Luftzufuhr zurück, falls der O2-Anteil den Sollwert übersteigt. Als Daumenwert wird angegeben, dass für Kessel über 2,3 MW Leistung
1 % O2-Absenkung einer Verbesserung des Wirkungsgrads um ein Prozent entspricht. Bei älteren Kesseln, wo in der Regel mit höheren Luftüberschüssen gefahren wird, sind O2-Regelungen wirksamer als bei neuen Kesseln. Nach Herstellerangaben bringt die O2-Regelung bei neuen Kesseln eine Verbesserung des Wirkungsgrads um 0,5 % Punkte, bei Altanlagen bis 1 %. Eine derartige Regelung fängt auch
mit dem Alter zunehmende Schwankungen durch Spiel und Brennerhysterese ab.
Bisher sind aber höchstens 1 % der Anlagen mit O2-Regelung ausgerüstet.
Emissionsmindernde Komponenten
Die Ausrüstung von Dampferzeugern mit emissionsmindernden Komponenten
richtet sich nach den im BImSchG und seinen Verordnungen vorgeschriebenen
brennstoffspezifischen Emissionsgrenzwerten. Tabelle 18 zeigt die wichtigsten Verfahren, die in dem betrachteten Leistungsbereich und in Abhängigkeit vom Brennstoff notwendig sind und gewählt werden, um die Grenzwerte einzuhalten.
Striche zeigen dabei an, dass die Grenzwerte im Allgemeinen durch optimale Auslegung und Feuerungstechnik, wie es bei neuen Kesseln Stand der Technik ist, ohne
weitere Maßnahmen eingehalten werden können. Die eingeklammerten Maßnahmen sind heute zwar meist nicht unbedingt erforderlich, werden aber im Hinblick
73
auf zu erwartende Verschärfungen der Emissionsgrenzwerte schon vielfach angewandt.
Tabelle 18: Maßnahmen zur Verringerung der Staub, SO2-, und NOx-Emissionen
Brennstoff
Staub
SO2
NOx
Kohle
Zyklon
Nasswäsche
Schlauchfilter Trocken-AdditivElektrofilter
Verfahren
Heizöl S mit S > 1 %
Gewebefilter
Elektrofilter
Heizöl S mit S <= 1 %
(Zyklon)
Teilabgasentschwefelung (RauchgasTrocken-Additivrezirkulation)
Verfahren Nasswäsche
(Dampfeinblasung)
-
Heizöl EL
-
-
Gas
-
-
Der Grenzwert für Kohlenmonoxid (CO) und andere organische Substanzen kann
mit heutigen feuerungstechnischen Maßnahmen deutlich unterschritten werden.
Brennwerttechnik
Kühlt man die Rauchgase unter Ausnutzung der enthaltenen Wärme auf etwa
Raumtemperatur ab, so spricht man von Brennwerttechnik, da dann der gesamte
Brennwert des eingesetzten Brennstoffes genutzt wird. Zur Anwendung der Brennwerttechnik wird in die Rauchgase nach dem Economizer ein weiterer Wärmetauscher eingeschaltet, der die Rauchgase unter die Kondensationstemperatur abkühlt.
Da das Kondensat aggressiv ist, muss der Wärmetauscher aus resistentem Material
wie Edelstahl, Graphit, Glas oder auch Kunststoff bestehen. Auch der Schornstein
muss versottungssicher angelegt sein. Das Kondensat muss vor dem Ablassen in die
Kanalisation mit Kalk oder Ammoniakwasser neutralisiert werden. Kondensate von
Ölfeuerungen sind wegen des enthaltenen Schwefels wesentlich problematischer als
Kondensate von Gasfeuerungen.
Die Brennwerttechnik wird daher in erster Linie bei Gasfeuerungen eingesetzt, wobei Wirkungsgrade von 104 % (bezogen auf den Heizwert) erreicht werden. Die
Kosten sind etwa 1,5 bis 2 mal höher als für einen normalen Economizer.
Bei der industriellen Dampferzeugung stößt die Brennwerttechnik jedoch auf das
Problem, dass zur Kondensatbildung im Rauchgas Temperaturen von etwa 50 bis
70 °C notwendig sind. Auf diesem Temperaturniveau ist Wärme praktisch nicht
mehr als Prozesswärme nutzbar, so dass häufig nur die Auskopplung als Heizwärme
in Frage kommt. Deren tages- und jahreszeitlich unterschiedlicher Bedarf erschwert
74
daher meistens eine wirtschaftliche Anwendung der Brennwerttechnik in der Industrie. Bei dem hohen Anfall an Abwärme in der Industrie steht sie außerdem in
Konkurrenz mit anderen, teilweise kostengünstigeren (z. B. Wärmetauscher) Arten
der Abwärmenutzung.
2.4.3.5
Im Folgenden ist bei den Angaben zur Anwendbarkeit zu beachten, dass diese einerseits eine teilweise Durchdringung, andererseits eine Obergrenze für den sinnvollen bzw. möglichen Einsatz der jeweiligen Technik berücksichtigen. In der
Summe bestehen Einsparpotenziale von rund 12 %. Die größten Einzelpotenziale
liegen dabei, wo möglich, beim Einsatz von Wärmepumpen, der weiteren Verbreitung der Brennwerttechnik, dem verstärkten Nutzung moderner Economizer sowie
verbesserten Wärmedämmung.
Tabelle 19: Energieeinsparmaßnahmen bei Dampf-/ Heißwassererzeugern
Einsparmaßnahme
Anwendbar- mittleres techn.
keit
Einsparpotenzial
GesamtPotenzial
Brüdenkompression
3%
100 %
4%
geschlossene Kondensatrückführung
10 %
20 %
2%
Spezialwärmetauscher Abschlämmung
30 %
2%
0,7 %
Spezialwärmetauscher Entgaser
30 %
2%
0,7 %
Wärmedämmung Dampfleitungen
20 %
4%
0,8 %
Economizer
25 %
4%
1,0 %
Stufenlose Brennerregelung
25 %
2%
0,5 %
O2-Regelung
20 %
0,5 %
0,1 %
Wirbelschichttechnik
5%
10 %
0,5 %
Brennwerttechnik
10 %
10 %
1%
Wärmedämmung
10 %
10 %
1%
Gesamt
11,3 %
Quelle: Ikarus 2003
2.4.4
Literatur
Dubbel (2001): Taschenbuch für den Maschinenbau. 20. Auflage. Hrsg. v. W. Beitz
und K.-H. Grote. Heidelberg: Springer
75
Fichtner (Hrsg.: Energieeffiziente Gemeinschaftslösungen bei der Wärmeversorgung in Industrie und Gewerbe). Studie im Auftrag des BMWi 1988.
IKARUS (2003): Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien. Datenbank Version 2.1. Karlsruhe/Jülich: Fraunhofer ISI, Forschungszentrum Jülich
Laue, H.J.; Reichert, J. (1994): Potential for Medium and Large Sized Industrial
Heat Pumps in Europe. FIZ Karlsruhe
Reichert, J.; Eichhammer, W. (1994): Dampf- und Heißwassererzeuger. Karlsruhe:
Fraunhofer; Hrsg.: KFA Jülich, IKARUS, Teilprojekt 8 „Querschnittstechniken“
76
2.5
Industrieöfen (ISI)
Die Bezeichnung Industrieöfen umfasst als Sammelbegriff alle in industriellen und
gewerblichen Bereichen verwendeten Einrichtungen, deren wesentliches Merkmal
es ist, dass in einem von Wänden umschlossenen Raum, dem sogenannten Ofenraum, einem Gut Wärme zu- oder abgeführt wird, um bestimmte Vorgänge im Gut
oder an seiner Oberfläche ablaufen zu lassen. Die Einteilung der Industrieöfen und
die Definition der Begriffe richtet sich dabei nach dem VDMA Arbeitsblatt 24202
bzw. der DIN 24201 (Brunklaus 1994). Der Hauptzweck der Verbrennung liegt in
der Wärmeerzeugung, allerdings kann häufig auch die Erzeugung bestimmter
Verbrennungsgaszusammensetzungen Ziel einer Verbrennung sein.
Industrieöfen werden in der Industrie zu thermischen Prozessen wie Brennen,
Schmelzen, Erwärmen zu Guss- und Verformungszwecken, Wärmebehandeln, Sintern und Kalzinieren benötigt. Tabelle 20 gibt eine Übersicht über die zahlreichen
Einsatzbereiche von Industrieöfen, mit den jeweils gebräuchlichsten Ofentypen .
Tabelle 20: Industrieöfen nach Produktgruppen und Ofentyp
Produkt / Branche
Roheisen
Sinter
Koks(-Erzeugung)
Oxygen-Stahl
Elektrostahl
Walzstahl
EST-Gießereien
Umschmelz-Aluminium
Kupfer, Zink, Blei
NE-Halbzeug
NE-Gießereien
Olefine
Tonerde
Zement
Ziegel
Kalk
sonstige Steine Erden Produkte
Investitionsgüter
Glas
Keramik
Backwaren
Ofentyp
Hochöfen
Sinteröfen
Schachtöfen
Schmelzöfen
Tiegelöfen
Wärmöfen
Kupol- und Tiegelöfen
Schmelzöfen
Trommel- und Stoßöfen
Wärmöfen
Schmelzöfen
Röhrenöfen
Kalzinierungsöfen
Drehrohröfen
Tunnelöfen
Schachtöfen
Kammeröfen
Wärmenbehandlungsöfen
Wannenöfen
Tunnel- und Kammeröfen
Quelle: Radgen (1998)
Nicht alle der aufgeführten Ofentypen weisen branchenübergreifenden Charakter
auf. Zu den eher prozessdominierten Ofentypen zählen
77
•
•
•
•
•
•
Hochöfen (Roheisen),
Sinteröfen,
Schachtöfen zur Kokserzeugung und Kalkherstellung,
Röhrenöfen (Olefine),
Kalzinierungsöfen (Tonerde),
Wannenöfen (Glas),
die deshalb von den nachfolgenden Betrachtung ausgenommen werden. Das bedeutet nicht, dass diese Ofentypen nicht auch von allgemein anwendbaren Entwicklungen profitieren können, aber die technische Weiterentwicklung wird dort
eher von branchenspezifischen Fragestellungen und Aspekten geleitet.
Äquivalenter Brennstoffverbrauch für Prozeßwärme
(1990, ABL) [TWh]
Im Kleingewerbe spielt der Einsatz von Öfen vor allem bei Bäckereien, und mit
Einschränkungen bei Glas- und Steingutherstellern und im Metallgewerbe eine
nennenswerte Rolle (Geiger et al. 1999).
120
100
Nahrungs- / Genußmittel
Investitionsgüter
Textilgewerbe
Glas und Feinkeramik
Zellstoff, Papier
Chemische Industrie
EST-Gießereien
NE-Metalle, Gießereien
Eisenschaffende
Steine und Erden
Mineralölverarbeitung
Übrige
80
60
40
20
0
< 1700
< 1600
< 1500
< 1400
< 1300
< 1200
< 1100
< 1000
< 900
< 800
< 700
< 600
< 500
< 400
< 300
< 200
< 100
Prozeßtemperaturniveau °C
Quelle: Hofer (1994)
Abbildung 24: Brennstoffeinsatz für industrielle Prozesswärme nach Temperaturniveau und Branche
Analysiert man die Temperaturniveaus des industriellen Prozesswärmebedarfs, so
ergibt sich, dass mehr als 50 % des Prozesswärmebedarfs bei Temperaturen oberhalb von 800 °C benötigt werden. Allerdings fallen in diesen Hochtemperaturbereich auch in starkem Maße Prozesse, die hier definitionsgemäß von der Betrachtung ausgeschlossen wurden. Eine detaillierte Analyse nach Temperaturniveau und
Branche zeigt Abbildung 24.
78
2.5.1
In Deutschland werden jährlich ca. 300 PJ in Industrieöfen mit branchenübergreifendem Charakter verbraucht (Tabelle 21). Bei einer durchschnittlichen Betriebsdauer von 5.500 h/a entspricht dies einer installierten Ofenleistung von rund 16
GW. Rund 40 % des industriellen Endenergieverbrauchs oder 960 PJ wurde 1998 in
Industrieöfen umgesetzt. Hiervon entfallen gut ein Drittel auf Ofentypen, welche
nach der eingangs vorgenommenen Abgrenzung Querschnittscharakter aufweisen.
Dieser Endenergieverbrauch teilt sich zu knapp 80 % auf Brennstoffe und zu über
20 % Strom auf4.
Tabelle 21: Endenergiebedarf für ausgewählte Industrieöfen nach Produktgruppen
und Energieträgern in Deutschland, 1998
Produkt
Oxygen-Stahl
Elektrostahl
Walzstahl
EST-Gießereien
Umschmelz-Alu
Kupfer, Zink, Blei
NE-Halbzeug
NE-Gießereien
Zement
Ziegel
sonst. STE
Investitionsgüter
Keramik
Backwaren
Summe
Endenergiebedarf 1998 in PJ
meist verwendeter
Ofentyp
Brennstoffe
Strom
Endenergie
Schmelzöfen
6,9
3,7
10,6
Tiegelöfen
7,0
20,8
27,8
Wärmöfen
39,2
1,2
40,4
Kupol- und Tiegelöfen
17,2
3,7
20,9
Schmelzöfen
3,4
0,6
4,0
Trommel- u. Stoßöfen
7,0
0,3
7,3
Wärmöfen
21,5
15,0
36,5
Schmelzöfen
4,2
1,3
5,5
Drehrohröfen
77,3
2,5
79,8
Tunnelöfen
14,2
0,9
15,1
Kammeröfen
17,9
2,2
20,1
Wärmebehandlungsöfen
25,9
17,4
43,3
8,4
0,6
9,0
9,5
1,0
10,5
259,6
71,2
330,8
Quelle: Radgen 2000
Der gesamte Energieeinsatz im Bereich der Querschnitts-Industrieöfen trägt mit ca.
3 % oder 26 Mio. t CO2 zu den gesamten energiebedingten CO2-Emissionen in
Deutschland bei, von denen ca. ein Fünftel dem Sektor Industrie zuzuordnen sind.
4 Damit ist bei den Querschnittsöfen das Verhältnis Brennstoff/Strom im Vergleich zur Gesamtheit
aller Industrieöfen, wo der Stromanteil nur knapp 10 % ausmacht, deutlich zugunsten von Strom
verschoben.
79
2.5.2
Entsprechend dem Mehrheit der derzeitigen Anwendungen wird bei den folgenden
Ausführungen der Schwerpunkt auf brennstoffbetriebene Öfen gelegt.
Herzstück eines Industrieofens ist das Brennersystem. Auf Grund des sehr breiten
Anwendungsspektrums gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Brennerausführungen. Für die Minimierung der Wärmeverluste ist unter anderem die Ofenauskleidung von besonderer Bedeutung. Eine optimale Prozessführung hat dafür zu sorgen,
dass die Ofenfahrweise – anhand vorgegebener Sollwerte für die prozessrelevanten
Prozessparameter – zu jedem Zeitpunkt mit maximaler Effizienz auf die vorherrschenden konkreten Produktionsbedingungen eingestellt wird. Hierbei gewinnt die
modellgestützte Steuerung zunehmend an Bedeutung. Wärmerückgewinnung im
Prozess geschieht in erster Linie durch Nutzung der in den heißen Abgasen enthaltenen Abwärme zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und/oder des Brenngases.
Bei Rekuperatoren geschieht dies kontinuierlich im Gegen- oder Gleichstrom, bei
Regeneratoren wird abwechselnd heißes Abgas und kalte Verbrennungsluft über
eine hochhitzebeständige Speichermasse geleitet und so eine diskontinuierliche
Wärmerückgewinnung realisiert. Diese Prinzipien werden mehr und mehr in moderne Brennersysteme integriert und bieten enorme Einsparpotenziale. Sie werden
in Kapitel 2.5.3 detailliert beschrieben.
2.5.2.1
Brennertechnik
Eine Einteilung der im Industrieofenbau verwendeten Brennertypen kann nach verschiedenen Gesichtspunkten erfolgen. Eine Möglichkeit ist die Unterscheidung
nach Art und Ort der Mischung von Gas und Luft, da hierdurch der Flammencharakter weitgehend festgelegt wird.
Für die industrielle Praxis ist jedoch eher die Frage von maßgebender Bedeutung,
welcher Brenner für die jeweiligen Prozessbedingungen die optimalen Wärmeübertragungseigenschaften bietet. Danach unterscheidet man im Wesentlichen zwischen
vier Brennersystemen: Brenner mit
a. hohem Verbrennungsgasimpuls (Hochgeschwindigkeitsbrenner)
b. normalem Verbrennungsgasimpuls (Standardbrenner)
c. hohem Strahlungsemissionsvermögen (Strahlungsbrenner)
d. mit geschlossener Brennkammer (Strahlheizrohr).
Hochgeschwindigkeitsbrenner unterscheiden sich von herkömmlichen Brennern
darin, dass durch teilweise oder vollständige Verbrennung der Brenngase in einer
keramisch ausgekleideten Brennkammer die Ausströmgeschwindigkeit der
Verbrennungsgase je nach Form der Brennkammer mehr als 100 m/s betragen kann.
80
Mit derzeit angebotenen Hochgeschwindigkeitsbrennern werden je nach Ausführung Verbrennungstemperaturen zwischen 1400 und 1900 °C erreicht. Voraussetzung für ein wirksames Arbeiten der Hochgeschwindigkeitsbrenner ist eine möglichst widerstandsfreie Strömungsführung der Verbrennungsgase nach Austritt aus
dem Brennerstein. Auf diese Weise bleibt der Verbrennungsgasimpuls bei Durchströmen des Ofenraumes und Umströmen des Wärmegutes erhalten und ermöglicht
eine gute Umwälzung der Ofenatmosphäre, die Voraussetzung für eine gleichmäßige Temperaturverteilung.
Standardbrenner werden dann eingesetzt, wenn größere Undichtigkeiten im Ofensystem sind und/oder nicht genügend Ofenraum für einen höheren Verbrennungsgasimpuls zur Verfügung steht.
Bei Strahlungsbrennern erfolgt die Wärmeübertragung primär durch Strahlung. Bei
Hochtemperaturstrahlungsbrennern wird eine Flamme erzeugt, die sich an einem
keramischen Brennerstein oder die umgebende Ofenwand mehr oder minder direkt
anlegt. Das führt zu einem intensiven konvektiven Wärmeübergang auf das keramische Material und bei diesem wiederum zu einer intensiven Festkörperstrahlung mit
hoher Wärmestromdichte im Hochtemperatur-Bereich.
In verschiedenen Fällen muss aus technologischen Gründen ein Kontakt der
Verbrennungsgase mit dem Wärmgut vermieden werden. Beispielsweise im Bereich der metallverarbeitenden Industrie werden viele Wärmebehandlungsprozesse
in einer Schutzgas- bzw. Inertgasatmosphäre (H2, N2, CO2) durchgeführt . Dies erfordert eine indirekte Beheizung des Industrieofens. Für diesen Zweck wurden
Strahlheizrohre entwickelt (Rudolph 2000).
2.5.2.2
Wärmedämmung
Wärmedämmstoffe dienen bei der Feuerfestauskleidung thermischer Industrieanlagen dem Ziel der Senkung der Wärmeverluste und der Reduzierung der Oberflächentemperatur der Ofenwände. Dabei wird die geringe Wärmeleitfähigkeit und
Wärmekapazität der Luft genutzt.
Wärmedämmstoffe besitzen in der Praxis meist eine Gesamtporosität von 60 bis
90 %, mindestens aber 45 %, in Extremfällen bis zu 99 %. Hohe Porosität bedingt
neben niedriger Wärmeleitfähigkeit weiterhin niedrige mechanische Festigkeit, hohe Gasdurchlässigkeit und geringen Korrosionswiderstand. Die Wärmeleitfähigkeit
hängt nicht nur von der Gesamtporosität des Werkstoffes, sondern auch von der
Porengröße, Porenform, der Gefügebeschaffenheit und der mineralogischen Zusammensetzung ab. Dabei haben die für den Wärmefluss verantwortlichen Größen
Festkörperleitung, Konvektion und Strahlung in Abhängigkeit von der Temperaturhöhe unterschiedlichen Einfluss. In jedem Falle müssen die Porendurchmesser we-
81
niger als 1 mm betragen. Mikroporöse Dämmstoffe mit Poren < 0,1 µm haben die
niedrigste Wärmeleitfähigkeit. Die Temperaturwechselbeständigkeit der Leichtbaustoffe hat wesentlichen Einfluss auf die Einsatzbereiche. Keramikfasererzeugnisse
halten meistens extremen Temperaturwechseln stand. Andere Leichtbaustoffe sind
gegen Temperaturwechsel empfindlich. Tabelle 22 zeigt einen Überblick über die
wichtigsten Gruppen der Wärmedämmstoffe.
Tabelle 22: Überblick über keramische und mineralische Wärmedämmstoffe
Werkstofftyp
Anwendungstemperaturbereich
Rohdichte Wärmeleitfähigkeit (W/mK)
kg/m3
400 °C
800 °C
1200 °C
(°C)
Wärmedämmsteine (Kieselgur, Vermiculit, Perlit)
350-700
0,12-0,23
0,19-0,30
-
750-1000
Feuerleichtsteine
500-1400
0,13-1,30
0,17-1,20
0,23-1,10
1000-1800
Feuersichtbetone
400-1400
0,13-0,90
0,17-0,95
0,45-1,00
900-1400
Keramische Faserwerkstoffe
bevorzugt
64-1500
120-460
0,08-0,45
0,15-0,45
0,29-0,72
600-1800
Calciumsilikatwerkstoffe
200-300
0,10
0,17
-
1000
mikroporöse Werkstoffe
150-350
0,03
0,06
-
900
mineralische Schäume
200-800
0,12-0,30
-
-
650
Mineralwollwerkstoffe
100-400
0,06-0,10
0,20-0,25
-
500-700
Quelle: Promat 2002
Bei Öfen und wärmetechnischen Anlagen mit geringer und mechanischer Belastung
und ohne Korrosionsbeanspruchung hat die Leichtbauweise mit Wärmedämmstoffen die Schwerbauweise mit dichten, feuerfesten Baustoffen weitgehend verdrängt.
Unter dem Begriff Wärmedämmsteine werden solche Wärmedämmstoffe zusammengefasst, die bis 1000 °C eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Produkte,
die auf der Basis von leichten, in der Natur vorkommenden Rohstoffen (Kieselgur,
Vermiculit, Perlit) hergestellt werden. Sie werden der Gruppe der Feuerleichtsteine,
die aus feuerfesten Rohstoffen hergestellt werden, zugeordnet.
Feuerleichtsteine sind geformte, feuerfeste Erzeugnisse mit einer Gesamtporosität >
45 % und einer Anwendungstemperatur von mindestens 800 °C. Für das Einsatzverhalten von Feuerleichtsteinen ist die Betriebsweise der Industrieöfen entscheidend. Bei kontinuierlich betriebenen Anlagen spielt die Baumasse der Feuerfestzustellung für die energetische Effektivität eine untergeordnete Rolle. Wesentlich für
den ökonomischen Betrieb ist der Grad der Wärmedämmung, so dass Steine mit
möglichst niedrigen Wärmeleitfähigkeitswerten bevorzugt werden. Je niedriger die
Rohdichte, umso geringer ist auch die Wärmeleitfähigkeit. Aus der Existenz eines
Minimums der Wärmeleitfähigkeit und dessen Verschiebung zu höheren Rohdich-
82
ten bei höheren Temperaturen ergibt sich die Forderung nach einer der Einsatztemperatur angepassten Rohdichte.
Erzeugnisse aus keramischen Fasern sind im Hochtemperaturbereich auf Grund
ihrer niedrigen Masse, Speicherwärme und Wärmeleitfähigkeit wirtschaftliche
Wärmedämmstoffe bis zu Temperaturen von 1800 °C. Bei den gegenwärtigen und
künftig zu erwartenden Energiekosten ist eine Amortisation nach relativ kurzer Zeit
gegeben. Es ist heute grundsätzlich möglich, aus nahezu allen Oxiden, Carbiden,
Nitriden, Metallen, Kohlenstoff und deren Gemischen anorganische Fasern herzustellen. Für die Hochtemperaturwärmedämmung unterscheidet man zwei Gruppen:
die amorphen und die polykristallinen Fasern. Mit wenigen Ausnahmen leiten sich
diese für Wärmedämmzwecke verwendeten Keramikfasern aus dem Zweistoffsystem Al2O3 – SiO2 ab.
Spezielle Eigenschaften unterscheiden die Keramikfaserwerkstoffe von klassischen
feuerfesten Baustoffen: niedrige Baumasse und dadurch geringe Wärmespeicherkapazität, die praktisch unbegrenzte Temperaturwechselbeständigkeit sowie die Beständigkeit gegen die meisten Säuren mit Ausnahme von Fluss- und Phosphorsäure
sowie starken Alkalien (Promat 2002). Allerdings gelten keramische Fasern als eindeutig krebserzeugend, so dass gesundheitliche Bedenken gegen die Herstellung
und den Einsatz dieser Materialien sprechen.
2.5.3
2.5.3.1
Wärmebilanz um die Ofenkammer
In brennstoffbeheizten Öfen wird die chemische Energie des Brennstoffs in Wärme
umgesetzt und durch die entstehenden Abgase mittelbar oder unmittelbar an das
Wärmgut als Nutzwärme übertragen. Nur ein Teil der erzeugten Wärme kommt
dem eigentliche Zweck, der Nutzguterwärmung, zu Gute, der Rest geht als Abwärme verloren.
In einer Energiebilanz lassen sich alle relevanten Wärmeströme bilanzieren (s.
Abbildung 25). Der Ofenkammer wird durch Verbrennung des Brennstoffes (im
Allgemeinen Heizöl oder Erdgas) die Wärmemenge Hb zugeführt. Ein Teil des entstehenden heißen Abgases kann durch eine nicht ganz geschlossenen Ofentür oder
andere Undichtigkeiten nach außen dringen (Ausflammen) und dabei die Wärmemenge Qs bzw. H abführen. Aus dem Ofenraum geht die Wärme auf die Wände
über und wird hierin als Speicherwärme HSp aufgenommen, bis sich ein thermisches
Gleichgewicht eingestellt hat. Ein Teil dieser Wärme geht als Wandverlust QW an
83
die Umgebung verloren. Nur ein Teil des Wärmeinhaltes der Gase geht als Nutzwärme Hn auf das Wärmgut im Ofen über. Schließlich verlässt der Abgasstrom den
Ofen und führt damit die Wärmemenge Hsc als Abgasverlust mit.
Quelle: Brunklaus (1994)
Abbildung 25: Wärmebilanz um die Ofenkammer
Die Wärmebilanz für eine kontinuierliche Ofenfahrweise ergibt sich zu:
Hn + Ho + Hsp + Hsc + Qs + Qw = Hb
Wärmebilanz inklusive Wärmerückgewinnung
Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung dienen dazu, die Wärme, die mit prozessbedingten oder anlagentypischen Stoffströmen andernfalls als Verlust aus der Anlage ausgetragen wird, im Prozess selbst zu nutzen, um den erforderlichen Energieaufwand zur Deckung des prozessnotwendigen Bedarfs zu senken. Daneben kann
im Einzelfall auch eine externe Nutzung in nicht zum Prozess gehörenden Fremdeinrichtungen sinnvoll sein.
Im Falle einer teilweisen Wärmerückgewinnung durch einen Rekuperator oder Regenerator wird dem Abgasstrom die Wärme Hr entzogen zur Vorwärmung der
Verbrennungsluft genutzt (Abbildung 26). Die Bilanz verändert sich dann zu
Hn + H0 + Hsp + Hsc + Qs + Qw – Hr = Hb
84
Quelle: Brunklaus (1994)
Abbildung 26: Wärmebilanz mit Wärmerückgewinnung
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad ηth gibt an, welcher Teil der zugeführten
Wärme Hb im Ofen als Nutzwärme abgegeben wird. Die Verlustwärmeströme Qs
und Qw werden hier in erster Näherung vernachlässigt.
η th =
H n H b − H sc − H o
=
Hb
Hb
bzw. η th =
H n H b + H r − H sc − H o
=
Hb
Hb
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad ist vom stark vom Wärmeinhalt der Abgase
abhängig, wobei sich der Wärmeinhalt aus dem Massenstrom und der Enthalpie des
Abgases zusammensetzt. Der Wärmestrom, der durch die Abgase verloren geht,
kann damit auf zwei Arten minimiert, und der feuerungstechnische Wirkungsgrad
damit maximiert werden. Zum einen sollte die Verbrennung mit der theoretischen
Luftmenge oder allenfalls mit der niedrigst möglichen Luftüberschusszahl durchgeführt werden, so dass der Abgasmassenstrom minimiert wird. Zum anderen sollte
die Temperatur des Abgases möglichst niedrig sein.
Durchschnittlich liegt der feuerungstechnische Wirkungsgrad bestehender Industrieöfen bei ca. 60 %.
Der Ofengütegrad ist der Bruchteil der ganzen im Innern des Ofens abgegebenen
Wärme, welcher auf das Wärmgut, also nützlich, übertragen wird. Der Gütegrad ist
in hohem Maße von den bereits aufgezählten Wärmeverlusten abhängig. Dies ist
teilweise Sache des Konstrukteurs (Wandverlust, Speicherverlust), teilweise aber
von der sachgemäßen Bedienung und Instandhaltung des Ofens (schnelle Beschickung, rechtzeitige Leerung, gut schließende und geschlossene Türen und sonstige
Öffnungen) abhängig. Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt aus feuerungstechnischem Wirkungsgrad und Gütegrad.
85
Abbildung 27 zeigt die Abhängigkeit des feuerungstechnischen Wirkungsgrades
von der Abgastemperatur mit dem Luftvorwärmgrad ε als Parameter. Der Luftvorwärmgrad gibt das Verhältnis der erreichten Luftvorwärmtemperatur zur Abgaseintrittstemperatur an.
Bei einer Prozesstemperatur von 1000 °C beträgt der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ohne Luftvorwärmung 50 %, dagegen bei einem Vorwärmgrad von
ε = 0,65 rund 80 %, was einer Einsparung von 37 % entspricht. Aber auch bei maximaler Wärmerückgewinnung verbleibt ein Wirkungsgradverlust, weil bei Heizöl
als Brennstoff wegen der Gefahr des Crackens in der Regel nicht oder nur teilweise
vorgewärmt werden kann.
Quelle: Wünning (1994)
Abbildung 27: Abhängigkeit des Feuerungstechnischen Wirkungsgrades von Abgastemperatur
2.5.3.2
Weiterentwicklungen der Brennertechnologie
In den letzten Jahren erfolgte eine stetige Weiterentwicklung von Brennern unter
dem Gesichtspunkt der rationellen Energienutzung und der Emissionsminderung.
Wichtige Brennertypen sind dabei der weiterentwickelte Hochgeschwindigkeitsbzw. Hochimpulsbrenner, der Rekuperator- und der Regeneratorbrenner sowie der
86
FLOX-Brenner (FLOX= flammenlose Oxidation). Die typischen Einsatzbereiche
der Brenner sind in Tabelle 23 zusammengefasst. Dabei zeichnet sich insbesondere
der FLOX-Brenner durch niedrigste NOx – Emissionen selbst bei höchster Luftvorwärmung aus.
Tabelle 23: Einsatzbereiche verschiedener Brennertypen
Brenner
Rekuperatorbrenner
Regeneratorbrenner
FLOX-Brenner
Prozesstemperatur
700-1300 °C
900-1300 °C
> 900 °C
Leistung je Brenner
10-200 kW
> 200 kW
200 kW
Anwendungs- gebiete direkte und indirekte direkte Beheizung
Beheizung von Invon Industrieöfen
dustrieöfen
direkte und indirekte
Beheizung von Industrieöfen
Quelle: Radgen 1998
Quelle: Briem (1994)
Abbildung 28: Einfluss der Luftvorwärmung auf die Energieeinsparung
Regeneratorbrenner: Keramische Regeneratoren für sehr hohe Luftvorwärmung
sind schon im vorigen Jahrhundert entwickelt worden, um mit Schwachgasen die
für die Glas- und Stahlherstellung notwendigen Prozesstemperaturen von über
87
1500 °C zu erreichen. Heute ist die Methode in zunehmendem Maße auch für viele
andere Prozesse interessant.
Der Zentralregenerator erfordert ein Umschaltventil auf der heißen Seite sowie heiße Verteilleitungen, was bei hohen Temperaturen mit konstruktiven Problemen und
Wärmeverlusten verbunden ist. Durch Kombination eines Regenerators mit je einem Brenner, die abwechselnd feuern, erübrigt sich das heiße Umschaltventil. Die
Regeneratoren können direkt am Brenner angeordnet werden, so dass sich die
Wärmeverluste auf den Brennerkopf beschränken. Beim eigentlichen Regeneratorbrenner findet die Wärmeübertragung im Gegenstrom in der Ofenwand statt, eine
Voraussetzung für Vorwärmgrade von 0,8 bis 0,9.
Das eigentliche Problem von Regeneratorbrennern mit hoher Luftvorwärmung ist
die thermische NO-Bildung, die auch mit Abgaszirkulation und Luftstufung nicht
genügend vermindert werden kann. (Abbildung 29).
Quelle: Wünning (1994)
Abbildung 29: Abhängigkeit der NOx-Emissionen von der Luftvorwärmtemperatur
Wirtschaftlich äußerst interessant ist, dass moderne Regeneratorsysteme in der Lage
sind – neben dem ursprünglichen Ziel, Energie einzusparen – erhebliche Verbesserungen/Einsparungen in der Verfahrenstechnik bereitzustellen. Eine Nachverbrennung von CO in der Rauchgas-Rohrleitung zum speziellen Regeneratortyp und/oder
ein erheblich kleineres Abgasfilter sparen Investitionsmittel. Besonders bedeutend
werden die Einsparungen, wenn zur Unterdrückung der Dioxin/Furan-Neubildungs-
88
synthese eine Quetschung des Abgases (d. h. schnelle Abkühlung) erforderlich ist
(Jasper 1999).
Dass der Einsatz von Regeneratorbrennern mit Abgaswärmerückgewinnung auch
wirtschaftlich sinnvoll ist, ergibt sich aus der Gegenüberstellung anhand einer Beispielrechnung von Investitions- und Betriebskosten (s. Tabelle 24). Die zusätzlichen
Investitionskosten amortisieren sich innerhalb eines Jahres und führen zu einer Energieeinsparung von 100.000 m3/a Erdgas und damit zu einer Reduzierung der
CO2-Emissionen um 177 t/a. Dies entspricht einer Halbierung des Energiebedarfs
und der CO2-Emissionen.
Bei einem neuartigen Regeneratorbrenner wird der Vorwärmgrad bis in den Bereich
von 0,85 bis 0,9 angehoben und gleichzeitig die thermische NO-Bildung durch hohe
Abgas-Luft-Vormischung und flammenlose Oxidation weitgehend unterdrückt. Die
ökonomischen Vorteile sind beim Einsatz richtig ausgewählter RegeneratorTechnik so deutlich, dass zusätzliche Investitionskosten für weitergehende Verfahrenstechnik (z. B. für den Umweltschutz) die Amortisation kaum beeinflussen (Jasper 2001).
Tabelle 24: Einsparpotenziale durch Einsatz von Brennern mit integrierter Wärmerückgewinnung
Brenner (Abgastemperatur
1200 °C; Erdgas (λ
λ=1,1),
Netto-Heizleistung 160 kW)
Investitionskosten
Luftvorwärmtemperatur
feuerungstechnischer Wirkungsgrad
Brennerleistung
Einsparpotenzial (Erdgas) bei
5000 h/a, jeweils zu den vorgenannten Brennern
eingesparte Betriebskosten bei
einem Erdgaspreis von 0,01
ct./kWh
Kaltluftbrenner
Brenner mit
Brenner mit
einfachen WT effektiven WT Regeneratorbrenner
zur Luftvor- zur Luftvorwärmung
wärmung
1.000-2.000 €
2.000-5.000 €
4.000-6.000 €
ca. 7.500 €
-
300 °C
600 °C
950 °C
40 %
50 %
65 %
80 %
400 kW
320 kW
245 kW
200 kW
----40.000 m3/a
37.500 m /a
77.500 m3/a
22.500 m3/a
60.000 m3/a
100.000 m3/a
----3.500 €/a
--3.300 €/a
6.720 €/a
1.980 €/a
5.280 €/a
8.800 €/a
3
Quelle: Radgen 1998
Rekuperatorbrenner: Rekuperatorbrenner sind heute in verschiedenen Industriebereichen für viele Ofentypen mit direkter und indirekter Beheizung zum Standard
geworden. Handelsübliche Rekuperatorbrenner aus Chrom-Nickel-Stählen erreichen – je nach Abgastemperatur – eine relative Luftvorwärmung von bis zu 0,8.
Auf Grund der verwendeten Materialien eignen sie sich für Prozesstemperaturen
von bis zu 1100 °C. Für höhere Temperaturen sowie für den Einsatz in korrosiven
89
Gasen werden seit einigen Jahren Rekuperatorbrenner aus reaktionsgebundenem
Siliziumcarbid (SiC) eingesetzt.
Die Neuentwicklung von kostengünstigen keramischen Rekuperatoren erfolgte zur
Optimierung der Wärmetauscher auch unter fertigungstechnischen Aspekten sowie
zum Einsatz von NOx-Minderungstechniken (BINE 3/2000). Keramische Rekuperatorbrenner werden in erster Linie auf Grund ihrer erweiterten Einsatzgebiete und
ihrer hohen Lebensdauern eingesetzt, welche mit mehr als 10 Jahren ein Mehrfaches von Stahl-Rekuperatoren (2 bis 5 Jahre) betragen. Mit modernen Rekuperatorbrennern erzielt man Vorwärmgrade von 0,7. Die mit zunehmender Lufttemperatur steigende NO-Bildung wird durch Abgaszirkulation und Luftstufung vermindert.
FLOX-Brenner (Flammenlose Oxidation): Beim Zusammentreffen von Brennstoff
und Luft können die lokalen Spitzentemperaturen in der Flammenfront durch Abgasrezirkulation und Stufenverbrennung nicht vermieden werden. Bei der flammenlosen Oxidation wird die Verbrennungsluft zunächst mit der vielfachen Menge
Abgas bis in den molekularen Bereich gemischt, bevor der Brennstoff zugeführt
wird. Wenn beispielsweise das Vormischverhältnis v=5 beträgt (Massenstrom Abgasluftstrahl zu Massenstrom Luftstrahl), wird die Temperatursteigerung bei der
anschließenden Oxidation auf etwa ein Fünftel reduziert.
Die durch diese Art der Reaktionsführung erreichte Absenkung der Temperaturspitzen (wie sie im Bereich von Flammenfronten auftreten) unter die Initiierungstemperaturen der thermischen Stickoxidbildung aus Luftstickstoff ermöglicht eine drastische Reduzierung der Stickoxidemissionen. Auch werden durch diese Art der Reaktionsführung auch bei nahestöchiometrischer Verbrennung sehr hohe Luftvorwärmtemperaturen (bis 1300 °C) ermöglicht, ohne dass ein starker Anstieg der
Stickoxidemissionen zu beobachten ist. Somit ist durch den FLOX-Prozess eine
weitere Möglichkeit zur Energieeinsparung gegeben.
Die bisherigen Erkenntnisse über diese Verbrennungstechnologie wurden im Wesentlichen mit Gas als Brennstoff gewonnen. Seit neuerem wird auch der Einsatz
von Flüssigbrennstoffen in solchen Anlagen untersucht.
Sauerstoffeinsatz
Der Einsatz von sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft und der Einsatz von
Sauerstofflanzen fand durch die Möglichkeit der Leistungssteigerung bestehender
Anlagen Eingang in die Industrie. Auf Grund der mit der Sauerstoffanreicherung
einhergehenden Zunahme der NOx-Emissionen erfolgte schnell der Übergang auf
die Verbrennung mit reinem Sauerstoff, da dadurch die NOx-Bildung aus dem Luftstickstoff vermieden wird. Des weiteren kommt Sauerstoff anstelle von Verbrennungsluft immer dann zum Einsatz, wenn erhebliche Aufwendungen zur Reinigung
90
der Abgase erforderlich sind, da sich durch den Einsatz von reinem Sauerstoff die
Abgasvolumina und damit der Investitionsbedarf um ca. 80 % reduzieren lassen.
Die klassischen Einsatzgebiete des Sauerstoffeinsatzes finden sich im Bereich der
Eisen- und Stahlindustrie (Konverter), der Glasindustrie (Glasöfen), der Sondermüll- und Müllverbrennungsanlagen und im Bereich der Kläranlagen.
Die Verbrennung mit Sauerstoff stellt per se keine Energieeinsparung dar. Auf
Grund des reduzierten Abgasvolumenstroms lassen sich die Abgasverluste jedoch
erheblich reduzieren und damit der Energiebedarf senken. Abbildung 30 zeigt die
relative Brennstoffeinsparung in Abhängigkeit von Abgastemperatur, Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft und der Luftzahl λ für den Brennstoff Heizöl EL.
Quelle: Jeschar, Dombrowski (1994)
Abbildung 30: Relative Brennstoffeinsparung durch Einsatz von sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft
Bei einer Abgastemperatur von 400 °C und einer Luftzahl λ=1 ergibt sich für die
Verbrennung mit Sauerstoff eine relative Brennstoffeinsparung von ca. 20 %. Diese
Brennstoffeinsparung führt dabei nicht zwangsläufig auch zu einer Verringerung
des Primärenergieaufwandes, da für die Erzeugung des Sauerstoffs Strom eingesetzt
werden muss. Die Wirtschaftlichkeit des Sauerstoffeinsatzes ist demnach abhängig
vom Verhältnis zwischen Sauerstoffpreis (weitgehend bestimmt durch den Strompreis) und dem Brennstoffpreis. Bei einem Produktionskostenvergleich ist darüber
hinaus zu berücksichtigen, dass die Investitionen bei Einsatz von Sauerstoff durch
die verringerten Abgasvolumenströme meist deutlich niedriger sind als für eine
konventionelle Anlagen. Dies führt dazu, dass die energetisch günstigste Variante
nicht unbedingt auch die wirtschaftlichste Lösung sein muss. Durch die Weiterent-
91
wicklung von Anlagen und Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff und die gekoppelte Erzeugung von Sauerstoff mit anderen Produkten, z. B. Stickstoff, kann
sich in den nächsten Jahren das Anwendungsspektrum für den Sauerstoffeinsatz bei
der Verbrennung, bei einer gleichzeitigen Intensivierung des Einsatzes, erweitern.
Permeable Strahlungswände
Das Prinzip der permeablen Strahlungswände zur Reduzierung des Energieverbrauchs in Öfen der Stahlindustrie, das im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens entwickelt wurde (BINE 1996, Reinitzhuber 1995), führt zu einer realisierbaren Energieeinsparung im Bereich von ca. 2-5 % bei einer gleichzeitigen
Leistungssteigerung des Ofens. Permeable Strahlungswände sind Wabenkörper, die
in die Abgaskanäle eingebaut sind, und dort durch das heiße Abgas aufgeheizt werden. Die Wärme der Wände wird als Strahlungswärme and das Nutzgut abgegeben.
Weitere Vorteile können sich durch die Absenkung der Abgastemperatur an der
Strahlungswand ergeben, da durch die Absenkung um ca. 30-50 °C das Zumischen
von Frischluft zur Einhaltung der maximalen Temperatur vor dem Regenerator unter Umständen vermieden werden kann. Bislang konnten sich die permeablen
Strahlungswände in der Praxis aber nicht durchsetzen.
Verbesserte Messtechnik
Beim Betrieb von Öfen gibt es branchenübergreifend einige Parameter, deren genaue Kenntnis wichtig ist für die Produktqualität und die Energieeffizienz. Dazu
zählen die Nutzguttemperatur, die Zusammensetzung der Verbrennungsatmosphäre
(z. B. CO und O2) und ausgewählte Brenngaseigenschaften (Dichte, Heizwert). Oft
können diese Parameter auf konventionellem Weg jedoch nicht hinreichend genau
oder kontinuierlich gemessen werden.
Bei Thermoelement-Sonden wird ein Thermoelement als Temperatursensor sehr
nah oberhalb des Nutzgutes platziert, um dessen Oberflächentemperatur zu messen.
Unerwünschte Wärmeleitung aus dem Ofenraum und (reflektierte) Strahlung der
Ofenwände werden durch die Sondengeometrie reduziert. Das Thermoelement wird
derart in eine Sonde eingebracht, dass der Temperatursensor besser mit der heißen
Nutzgutoberfläche im Strahlungsaustausch steht. Die Thermoelement-Sonde ist in
unterschiedlichen Bauformen für verschiedene Wärmeprozesse einsetzbar. In Wärmebehandlungsöfen zeigen sich ihre Vorteile gegenüber Pyrometern besonders
deutlich, da hier der durch Fremdstrahlung bewirkte Fehler beträchtlich ist.
In Entwicklung befindet sich auch die Kombisonde zur kombinierten Analyse von
Nutzguttemperatur und Ofenraumatmosphäre. So stehen kontinuierliche nutzgutnahe Messwerte für z. B. den CO- und O2-Gehalt zur Verfügung. Die Wärmeprozesse
92
können hiermit hinsichtlich Energieeffizienz (Regelung des Luftüberschusses) und
der Produktqualität (z. B. Zunderbildung bei Stahl) laufend optimiert werden.
Messung variierender Brenngaseigenschaften: Brenngase sind nicht absolut homogen. Ihre Zusammensetzung – und resultierend ihr Heizwert – schwankt laufend im
Bereich von einigen Prozenten (Erdgas) bis zu 20 % und mehr (Prozessgas). Dies
führt im Allgemeinen zu einer geringeren Energieausnutzung sowie zu höheren
Emissionen und teilweise auf Grund der ungleichmäßigen Erwärmung zu einer verringerten Produktqualität. Mit neu entwickelten Verfahren können jetzt die verbrennungstechnischen Eigenschaften von Brenngasen kontinuierlich und zuverlässig
ermittelt und für die Verbrennungsregelung genutzt werden: Das zu analysierende
Brenngas wird zunächst durch einen akustischen Dichtesensor geleitet. Danach gelangt es in eine Referenzbrennklammer, wo es teilvorgemischt und bei konstanter
Luftzufuhr vollständig verbrennt. Aus dem Restsauerstoffgehalt im Referenzabgas
und der gemessenen Normdichte es Brenngases können weitere Parameter abgeleitet werden. Besondere Vorteile hat das neue System für die kontinuierliche Analyse
von Prozessgasen (BINE 3/2000).
Simulation
Wegen der enormen Baugröße vieler Industrieöfen sind FuE-Projekte sehr kostspielig, und beim up-scaling von einem Labor- oder Pilotofen bestehen für den Hersteller nicht selten erhebliche Risiken, z. B. für gleichbleibende Qualitäten des Produktes im Ofenquerschnitt. Deshalb kommt der Entwicklung mathematischer Modelle zur Simulation der Verbrennungsprozesse immer mehr Bedeutung zu. Mittels
dieser Instrumente können die ablaufenden komplexen Vorgänge und Reaktionen
noch genauer verstanden und optimiert und auf diesen Erkenntnissen basierend
neue oder modifizierte Wärmeprozesse entwickelt werden. Die Entwicklung immer
leistungsstärkerer Simulationsprogramme ermöglicht es somit, langwierige Messreihen und aufwendige Versuchsaufbauten zumindest teilweise zu ersetzen und reduziert so mitunter erheblich die Entwicklungszeiten und -kosten.
Sehr nützliche Instrumente auch in betriebswirtschaftlicher Hinsicht bieten Analysemethoden wie die PINCH-Methode, mit der der energetische Optimierungsgrad
und das beste Anlagendesign bestimmt werden können. Diese Methode findet sowohl zur Planung von Neuanlagen als auch im Rahmen eines Umweltmanagementsystems zur energetischen Standortbestimmung und Maßnahmenplanung von
Industriebetrieben Anwendung. So wird eine Optimierung der Investitionen und
Betriebskosten erreicht, die mit Energieeinsparungen einhergeht.
93
Modellgestützte Ofenführung
Ein sehr breites Anwendungsspektrum bietet die modellgestützte Ofenführung. Sie
ist praktisch für alle Ofentypen einsetzbar, insbesondere auch für die häufig vorkommenden kleinen Wärmöfen. Die kleinen Anlagen können mit diesem Konzept
vom Know-how profitieren, das in großen Anlagen gewonnen wurde.
Die modellgestützte Prozessführung profitiert wesentlich von der verbesserten
Messtechnik und kann in Richtung Expertensystem, das ggf. über adaptive Fähigkeiten verfügt, weiterentwickelt werden. Die Vorteile gegenüber handgesteuerten
Öfen liegen auf der Hand:
• Nutzung von Datenbanken mit prozessrelevanten empirischen und analytischen
Parametern – auch aus vor- und nachgelagerten Prozessschritten
• Einbindung von Expertensystemen, Fuzzy-Logik oder Techniken künstlicher
neuronaler Netze
• Festlegung von Sollwertfunktionen mit Optionen für z. B. energiesparende, die
Produktqualität maximierende oder durchsatzmaximierende Ofenfahrweise
(Abbildung 31)
• Nutzung adaptiver Verfahren zur laufenden Anpassung der Betriebsführung an
die konkreten Produktionsbedingungen
• Möglichkeit der Plausibilitätsprüfung aller relevanten Messdaten
• Exaktere Einstellung der Temperaturen
• Vermeiden bzw. Verkürzen von Wartezeiten
• Begrenzung von Lastspitzen.
Mit diesen Strategien lassen sich Einspareffekte zwischen 8 und 15 % erzielen.
Verbesserte Wärmedämmung
Hier wird vor allem an der Entwicklung von Faserersatzstoffen zur Vermeidung der
gesundheitlichen Probleme beim Einsatz von Faserstoffen gearbeitet. Nebeneffekte
sind verbesserte Eigenschaften bei der Temperaturwechselbeständigkeit und längere
Standzeiten. In energetischer Hinsicht, d. h. die im Hinblick auf die Wärmedämmfähigkeiten, sind sie als gleichwertig mit den Faserstoffen einzustufen. Praktische
Probleme beim Ofeneinsatz ergeben sich durch höhere Raumdichten, d. h. bei Substitutionen treten grundlegende Probleme konstruktiver Art auf.
Energetische Verbesserungen ergeben sich auf diesem Gebiet eher durch weitere
Durchdringung bereits existierender hochwirksamer Dämmstoffe im Zuge von Anschaffungen neuer Öfen.
94
Quelle: Schupe (1994)
Abbildung 31: Brennstoff-Einsparung in Abhängigkeit von Laufzeitfaktor bzw.
Ofenauslastung
Kombiverfahren mit elektrisch betriebenen Öfen
Besonders in der Investitionsgüterproduktion zeichnet sich in den letzten Jahren ein
zunehmender Trend hin zu elektrisch betrieben Wärmeprozessen ab. Dies liegt zum
einen an der meist höheren Flexibilität elektrothermischer Verfahren und deren regeltechnischen Eignung für kritische Prozesse und Sonderwerkstoffe. Zum anderen
ist dies als Reaktion auf die derzeit niedrigen Preise im Zusammenhang mit der
Strommarktliberalisierung zu sehen. Der Endenergieeinsatz kann mit den Stromanwendungen zwar vermindert werden – aber dass in der gesamten Bilanz eine Primärenergieeinsparung erreicht werden kann, muss bezweifelt werden.
Größere Effekte können durch eine Kombination von thermischen und elektrischen
Wärmeprozessen erreicht werden. Dabei wird eine Aufheizung des Nutzgutes mittels fossiler Befeuerung vorgenommen, während die stationären Vorgänge über
elektrische Verfahren, die wesentlich niedrigere Verlustsströme aufweisen, abgedeckt werden.
Bei brennstoffbetriebenen Wärmeprozessen gibt es im Allgemeinen mehr Handlungsmöglichkeiten und Potenzial zur Energieeinsparung, die Verluste sind hier bei
der Wärmeübertragung auf das Gut größer (BINE 11/2000).
95
Weitere Maßnahmen
Etwas komplexer, aber ebenfalls mit Erfolg, wird in manchen Branchen, beispielsweise bei der Glasschmelze zur Gemengevorwärmung, die Gutvorwärmung mittels
der Abgase eingesetzt. Diese Maßnahme ist jedoch eher von prozess-spezifischer
Ausprägung.
Wenn die interne Abwärmenutzung im Prozess ausgeschöpft ist, ist die Nutzung der
verbleibenden Abwärme an anderer Stelle im Betrieb anzustreben. Dem Ofenprozess vor- oder nachgeschaltete Wärmeprozesse wie etwa Trockneranlagen lassen
sich hierbei oftmals vorteilhaft einbinden, da ihr Wärmebedarf mehr oder weniger
zum Hauptprozess synchron läuft. Eine optimierte Betriebsablaufplanung ist jedoch
Voraussetzung für die wirtschaftliche Verwirklichung dieser Möglichkeit. Die
verbleibende Niedertemperatur-Abwärme kann auch zur Raumheizung und vor allem zur Warmwasserbereitung eingesetzt erden. Schließlich ist in manchen Fällen
auch die Wärmeabgabe an Dritte sinnvoll.
Durch den Einsatz neuer Brennertechnik wie z. B. keramischer Reku-Brenner ergeben sich als Folge höherer Leistungsdichten im Vergleich zu konventionellen Verfahren auch Konsequenzen für die Ofenauslegung: Kürzere Ofenlängen (weniger
Fundamente und geringere Verluste), Geringere Brenneranzahl und verkürzte Aufheizzonen (Dittmann 2001).
2.5.3.3
Industrieöfen stellen einen wesentlichen Energieverbrauchsschwerpunkt in der Industrie dar. Nach wie vor bestehen große unausgeschöpfte technische Verbesserungsmöglichkeiten in praktisch allen Anwendungsfällen der Industrieöfen
(Abbildung 32). Ein großer Teil dieser Maßnahmen hat bereits die Schwelle der
Wirtschaftlichkeit erreicht oder gar überschritten.
Bei den Angaben zur Anwendbarkeit ist zu beachten, dass diese sich nur auf den
Einsatzbereich der Querschnittsöfen, also nicht auf alle Öfen, bezieht. So ergibt sich
beispielsweise beim Sauerstoffeinsatz ein relativ geringes Potenzial, da dessen
hauptsächlichen Anwendungsfälle in der Glasindustrie liegen, deren Öfen eher
branchen- bzw. prozessspezifischen Charakter haben und deshalb aus dieser Betrachtung ausgeschlossen wurden (Tabelle 25).
Vor allem im Bereich der Verbrennungstechnik und der Wärmerückgewinnung aus
dem Abgas zur Vorwärmung der Verbrennungsluft sind in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht worden. Die neue Ofengeneration, einhergehend mit
dem weiteren Vormarsch moderner modellgestützter Prozessführungssysteme, hebt
sich durch eine Reduktion des Energieverbrauchs um bis zu 30 % und durch Einhaltung strenger Umweltanforderungen vom derzeitigen Stand der Technik ab.
96
Quelle: Radgen, Jochem, Tönsing 1998
Abbildung 32: Technische Möglichkeiten zur Energieeinsparung bei Industrieöfen
Obwohl in vielen Fällen bereits wirtschaftlich, hat sich der Einsatz dieser neuen
Systeme in Thermoprozessanlagen in Deutschland noch nicht auf breiter Front am
Markt durchgesetzt. Die Umsetzung dieser enormen Einsparpotenziale erfolgt in der
Regel nur bei Neuanschaffungen und im Zuge von Modernisierungsmaßnahmen
und Nachrüstungen, so dass die Durchdringungsrate graduell sinkt.
Tabelle 25: Energieeinsparmaßnahmen bei Industrieöfen
Einsparmaßnahme
Anwendbarkeit
mittleres techn.
Einsparpotenzial
GesamtPotenzial
neue Brennertechnik
60 %
20 %
12 %
Sauerstoffanreicherung
15 %
25 %
4%
Strahlungswände
10 %
2%
0,2 %
Modellgestützte
Prozessführung
50 %
10 %
5%
Verbesserte Dämmung
20 %
15 %
3%
Abwärmenutzung
5%
35 %
2%
Summe der Maßnahmen*)
26 %
*) Eine gleichzeitige Anwendung mehrerer Maßnahmen verringert das anlagenspezifische
Einsparpotenzial, so dass das Gesamtpotenzial insgesamt niedriger ausfällt.
97
2.5.4
Literatur
BINE Informationsdienst (11/2000): Industrielle Wärmeprozesse. BINE Projekt
Info-Service, FIZ Karlsruhe
BINE Informationsdienst (1996): Gasdurchströmte Strahlungswände in Industrieöfen. BINE Projekt Info-Service, Nr. 4 (Juli), FIZ Karlsruhe
BINE Informationsdienst (3/2000): Energieeffiziente Industrieöfen. BINE Projekt
Info-Service, FIZ Karlsruhe
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Brunklaus, J. H.; Stepanek, F. J. (1994): Industrieöfen, Bau und Betrieb. Vulkan
Verlag, 6. Aufl.
DIN 24201 (1982): Industrieöfen, Wärmöfen und Wärmebehandlungsöfen (Begriffe). Berlin: Beuth Verlag
Dittmann, H. J. (2001): Moderne indirekte Beheizungssysteme – Auswirkung auf
die Auslegung von Industrieöfen. Gaswärme International 5-6/2001
Geiger, B.; Gruber, E.; Megele, W. (1999): Energieverbrauch und Einsparung im
Gewerbe, Handel und Dienstleistung. Berlin/Heidelberg: Physica-Verlag
Hofer, R. (1994): Analyse der Potenziale industrieller Kraft-Wärme-Kopplung. IfESchriftenreihe, Nr. 28, TU München
Jasper, H. D. (1999): Entwicklungstendenzen im Regenerator- und Brennerbau für
Industrieöfen. Gaswärme International 12/1999
Jasper, H. D. (2001): Anpassung erdgasbefeuerter Regenerator-Brennersysteme an
Ofenanlagen – eine Übersicht. Gaswärme International 10/2001
Jeschar, R., Dombrowski, G. (1994): Optimierung von Industrieöfen zur Verminderung des spezifischen Energiebedarfs. Erzmetall 47 (1994), Nr. 3, S. 164-175
Klima, R. (1996): Modelle zur Simulation von Industrieöfen – Anwendungsbereiche und Grenzen. In: Radgen, P.; Jochem E. (Hrsg.): Zwischenbilanz zur rationellen Energienutzung bei Thermoprozessanlagen, insbesondere Industrieöfen. Tagungsband zum Workshop in Düsseldorf, Mai 1996, Karlsruhe:
Fraunhofer ISI
98
Niepenberg, H., Stepanek, J. (Hrsg.) (1994): Thermo Prozess- und Abfalltechnik.
Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA), 3. Ausg. Essen:
Vulkan-Verlag
Promat (2002): Allgemeine Informationen der Promat GmbH Technische Wärmedämmung
Radgen, P. (1998): Rationelle Energienutzung in Industrieöfen – Trends und Perspektiven. VDI-Bericht Nr. 1385
Radgen, P. (2000): Energie- und Kosteneffizienz für Industrie-Ofenanlagen : Energiewirtschaftliche Bedeutung in Deutschland. BWK Brennstoff-Wärme-Kraft
52 (2000), 12, S. 55-58
Radgen, P.; Jochem E. (Hrsg.) (1996): Zwischenbilanz zur rationellen Energienutzung bei Thermoprozessanlagen, insbesondere Industrieöfen. Tagungsband
zum Workshop in Düsseldorf, Mai 1996, Karlsruhe: Fraunhofer ISI
Radgen, P.; Jochem, E.; Tönsing, E. et al. (1998): Zwischenbilanz zur rationellen
Energienutzung bei Thermoprozessanlagen, insbesondere Industrieöfen.
Karlsruhe: Fraunhofer ISI
Reinitzhuber, F; Domels, H. P.; Elstner, I. et al. (1995): Die gasdurchströmte
Strahlungswand aus Wabenmodulen – ein neues energiesparendes Bauelement für Industrieöfen. Stahl und Eisen, Vol. 115, Nr. 10, S. 53-62, 1995
Rudolph, K.-H. (12/2000): Gasbrenner für Industriefeuerungen – Teil 1. Gaswärme
International
Schupe, W. (1994): Energieeinsparung durch Rechnerführung von Industrieöfen.
In: Niepenberg, H., Stepanek, J. (Hrsg.): Thermo Prozess- und Abfalltechnik,
S. 437ff.
VDMA Einheitsblätter 24202 (1980): Industrieöfen-Klassifikation. Berlin: BeuthVerlag, Ausgabe Januar 1980
Wünning, J. (1994): Brenner für hohe Luftvorwärmung. In: Niepenberg, H., Stepanek, J. (Hrsg.): Thermo Prozess- und Abfalltechnik, S. 35ff.
99
2.6
Trockner (ISI)
Unter Entwässerung und Trocknung wird die Trennung von Wasser oder Lösungsmitteln auf der einen Seite und festen oder flüssigen Stoffen bzw. Stoffgemischen
auf der anderen Seite verstanden. Bei der Entwässerung geschieht dies definitionsgemäß unter Einwirken mechanischer, bei der Trocknung unter Einsatz thermischer
Energie. Die im Folgenden verwendete Bezeichnung „Trocknungsprozesse“
schließt jedoch die mechanische Entwässerung mit ein.
Eine Vielzahl von Produkten sind in den Produktionen der verschiedenen Industriezweige zu trocknen (siehe Tabelle 26). Sie unterscheiden sich in ihrer Konsistenz,
Zusammensetzung und ihrer Empfindlichkeit gegen Temperatur- und Feuchteeinwirkungen.
Hinzu kommen eine Reihe weiterer Erzeugnisse aus Industrie (hauptsächlich Nahrungs- und Genussmittel), Landwirtschaft und Kleingewerbe, bei denen eine thermische Trocknung notwendig ist: Tabak, Getreide, Hopfen, Malz, Speisewürze,
Spezialsande, Asphaltmischungen, Arzneimittel inkl. Vorprodukte, Ruß, Kartoffelverarbeitung, Hefe, Pflanzliche Fette, Teigwaren, Chemiefasern, Stärke, Leder,
Trockenschlamm, Gipserzeugnisse, Bleiakku, Wäschereien, Arznei-, Gewürz- und
Aromapflanzen. Hiervon sind energetisch am bedeutsamsten die Trocknungsprozesse bei der Tabak- und Malzerzeugung und der Herstellung von Spezialsanden
sowie die Wäschereien.
Zielsetzungen von Entwässerungs- und Trocknungsprozessen sind:
•
Herstellung und Verbesserung von Produkten:
− die im Laufe des Produktionsprozesses zugeführte Flüssigkeit muss zur Produktgewinnung wieder entzogen werden (Beispiele: Papier, Zellstoff, Textil)
− die bei Auslaugungsprozessen in Lösung gegangene Substanz ist zur Stoffgewinnung ganz oder teilweise von Lösungsmitteln zu trennen (Zucker)
− der im Ausgangs- oder Zwischenprodukt vorhandene Wassergehalt ist kontrolliert zu verringern, um eine Beschädigung des Produkts durch unkontrollierten Flüssigkeitsentzug zu verhindern (Ziegel, Holz)
− zur Unterbrechung bzw. Vermeidung biochemischer Umsetzungsvorgänge,
die die Haltbarkeit oder Eigenschaften des Produktes beeinträchtigen, ist der
Wassergehalt zu reduzieren (Teigwaren)
− durch Wasserentzug entsteht ein neues, hochwertiges Produkt (Kondensmilch)
− Komfortgewinn beim Anwender durch Veränderung der Produkteigenschaften (Instant-Produkt)
•
Verbesserung der Handhabung von Stoffen (z. B.: Klärschlamm)
•
Wiedergewinnung von Stoffen und/oder Energie.
100
Tabelle 26: Trocknereinsatz in Industrie nach Produkten und Branchen
Produkt / Branche
Vorherrschender Trocknertyp
Temperaturbereich
Kohle
Dampfbeheizte Röhrentrockner
170 – 190 °C
Kalirohsalz
Trommeltrockner (60 %)
Wirbelschichttrockner (40 %)
250 – 900 °C
130 – 350 °C
Mauerziegel
Kanalwagentrockner (85 %)
90 – 150 °C
Dachziegel
Kammertrockner (Umluft)
Kanalwagentrockner
Schaukeltrockner
35 – 70 °C
Feuerfestmaterial
Kammertrockner (Umluft)
Kanalwagentrockner
Förderbandtrockner
100 – 350 °C
PVC
Stromtrockner
Fließbetttrockner
150 – 180 °C
60 – 80 °C
Soda-Calcinierung
Dampfbeheizte und Rauchgasbeheizte Trommel
160 – 180 °C
Waschmittel (pulv.)
Zerstäubungstrockner
200 – 350 °C
Schnittholz
Kammertrockner (90 %)
Kanaltrockner (10 %)
Holz-Furnier
Rollenbahntrockner
Bandtrockner
Bügeltrockner
120 – 220 °C
Holzspäne
Förderlufttrockner (80 %)
Röhrenbündeltrockner (20 %)
300 – 580 °C
Papier / Pappe
Mehrzylindertrockner
95 – 200 °C
Zellstoff
Trockenzylinder mit Haube
95 – 120 °C
Lacke, Farbüberzüge
Konvektionstockner
Feinkeramik
Kammertrockner, Schaukeltrockner, Durchlauftrockner, Tunneltrockner
45 – 600 °C
Textil
Bandtrockner, Siebtrommeltrockner, Sinustrockner, Trocknungskanal
75 – 250 °C
Zucker
Förderstromtrockner
Trommeltrockner
80 – 130 °C
Milch
Zerstäubungstrockner (70 %)
Sprühtrockner und Sumpfwalzentrockner (30 %)
40 – 220 °C
Futtermittel
Trommeltrockner
40 – 90 °C
135 – 190 °C
600 – 1000 °C
101
2.6.1
In Deutschland werden jährlich über 300 PJ Endenergie für Trocknungsprozesse
verwendet (Tabelle 27). Dies entspricht rund 13 % des industriellen Endenergieverbrauchs. Bei einer durchschnittlichen Betriebsdauer von 5.500 h/a bedeutet dies
eine installierte Leistung von Trocknungsanlagen von rund 16 GW. Mit Abstand
größter Verbraucher unter den Trocknungsprozessen ist die Papierherstellung.
Weitere Schwerpunkte liegen bei der Holz-, Ziegel-, Zucker-, Asphalt- und Textilherstellung sowie der Lack- und der Getreidetrocknung. Gut 10 % des Energieverbrauchs für Trocknungszwecke entfallen auf den Energieträger Strom.
Tabelle 27: Endenergiebedarf für Trocknungsprozesse nach Produktgruppen und
Energieträgern in Deutschland, 1998
Produkt
Endenergiebedarf 1998 in PJ
Brennstoffe
Strom
Endenergie
Kalirohsalz
5,8
4,0
9,8
Waschmittelpulver
4,6
0,6
5,2
Kohle
7,6
0,4
8,0
Ziegel
13,8
0,6
14,4
PVC
1,4
0,3
1,7
Soda-Kalzinierung
5,2
0,3
5,5
Holz
30,2
3,6
33,8
Papier
87,6
9,8
97,4
Lacke, Farbüberzüge *)
14,9
2,6
17,5
Feinkeramik
2,0
0,1
2,1
Textil
14,0
0,7
14,7
Zucker
24,8
2,8
27,6
Milch *)
3,7
0,3
4,0
Futtermittel *)
4,0
0,1
4,1
Sonstige *)
59
7
66
Summe
279
33
312
*) Angaben von 1992
Quellen: Cremer, Kleemann et al. 2001; Bradke 1996
Der gesamte Energieeinsatz für Trocknungsanlagen trägt mit ca. 3 % oder 26 Mio. t
CO2 zu den gesamten energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland bei, von
denen ca. ein Fünftel dem Sektor Industrie zuzuordnen sind.
102
2.6.2
Trockner lassen sich nach unterschiedlichen Kriterien einteilen, wie z. B. nach
dem Druck- und Temperaturbereich, in dem das Gut gehalten wird,
der Art der Energiezufuhr zum Gut,
• der Art der Gutförderung im Trocknungsraum (batchweise oder kontinuierlich),
• der Beschaffenheit der Gutstrageeinrichtung oder
• der Art des Heizmittels.
•
•
Im Folgenden wird auf die wichtigsten Trocknerbauarten, ihren Aufbau und die
Wirkungsweise eingegangen.
Konvektionstrockner
In Konvektionstrocknern wird die Energie durch ein strömendes Mittel auf das Gut
übertragen. Die vom Trocknungsmittel abgegebene Wärme führt zur Verdampfung
der Gutsfeuchte. Der entstehende Dampf wird vom Trocknungsmittel abgeführt.
Bei den Konvektionstrocknern kommen verschiedene Belüftungsverfahren zur Anwendung. Bei der reinen Zulufttrocknung wird das Trocknungsmittel nur einmal
über das Gut geführt. Dieses Verfahren hat den gravierenden Nachteil, dass das
Trocknungsmittel zum Trocknerausgang ständig kälter und feuchter wird und somit
die Trocknungswirkung zum Ende hin nachlässt. Diesen Nachteil kann man durch
die Umlufttrocknung mildern. Dabei wird die Luft im Kreis geführt und nur ein
Teil wird durch Frischluft ersetzt.
Eine Unterscheidung innerhalb der Gruppe der Konvektionstrockner erfolgt über
die Art und Weise, wie das Trocknungsmittel am Gut vorbeiströmt. Die wichtigsten
Arten sind dabei der Überströmtrockner, der Prallstrahltrockner und der Durchströmstrockner.
Überströmtrockner sind Konvektionstrockner, bei denen die Gutoberfläche vom
Trocknungsmittel überströmt wird. Beim Überström-Umlufttrockner, bei dem Ventilatoren die Luft in wechselnder Richtung zum Trocknungsgut blasen, wird das Gut
dadurch nicht kontinuierlich, sondern periodisch überströmt. Für langsam trocknende Gegenstände sind Überström-Durchlauftrockner in Gebrauch, die im ZuluftGleichstromverfahren oder im Zuluft-Gegenstromverfahren arbeiten.
Beim Prallstrahltrockner werden schnelle Luftstrahlen senkrecht oder schräg auf
das Gut geblasen. Die Luft legt dabei nur kurze Wege auf der Gutoberfläche zurück. Dadurch werden großflächige Güter, wie z. B. Furniere, schneller und gleichmäßiger getrocknet als beim Überströmtrockner. Gefärbte Gewebe laufen durch
Prallstrahl-Förderrollentrockner, für flächige Güter werden Prallstrahl-Förderbandtrockner benutzt.
103
Luftdurchlässige Güter trocknen vorteilhaft, wenn heiße Luft hindurchströmt. Das
Trocknungsmittel kann auf eine größere Oberfläche wirken. Die Feuchte muss bei
kleinen Einzelteilchen nur kurze Strecken im Gut durchwandern. Hauptsächlich für
Getreide, Hülsenfrüchte und dergleichen wird der Durchströmtrockner benutzt.
Bei Wirbelschichttrocknern wird das Trocknungsmedium entgegen der Schwerkraft durch das Trocknungsgut gepresst, das als Schicht auf einer porösen Platte
liegt. Dadurch erreicht das Produkt einen fluidisierten Zustand, bei dem die einzelnen Partikel vollständig und intensiv umspült werden. Auf diese Weise sind die
Wärmeübergangszahlen bis zu 200-mal höher als bei konventionellen Trocknern.
Der Transport des Trockengutes wird durch die Fluidisierung allein oder in Kombination mit Vibration bewirkt. Das Wirbelschichtverfahren werden bevorzugt in der
Nahrungsmittelindustrie zur Trocknung von Malz, Magermilch, Molke oder Zucker
sowie bei der Kohle- und Kalirohsalztrocknung eingesetzt (Rudolph 2000).
Kontakttrockner
Bei der Kontakttrocknung berührt das Gut die Oberfläche heißer Körper, wodurch
Wärme durch Wärmeleitung übertragen wird. Dadurch verdampft die Feuchte im
Gut und geht als Dampf in die angrenzende Gasphase (meistens Luft) über. In manchen Kontakttrocknern können die entstehenden Dämpfe allein durch den thermischen Auftrieb abziehen. Überwiegend müssen jedoch Ventilatoren für eine Luftbewegung sorgen. Für feste Ruhigschichten lassen sich bei Kontakttrocknern Kontakt-Haftschichttrockner und Kontakt-Mengschichttrockner unterscheiden.
Beim Kontakt-Ruhigschichttrockner liegt das Gut auf der Heizfläche ohne zusätzlich bewegt zu werden. Für die Trocknung von Papier- oder Textilbahnen werden oft Kontakt-Festschicht-Drehzylindertrockner eingesetzt.
Der Kontakt-Haftschichttrockner hält das Gut zwar relativ zur Heizfläche in Ruhe, unterscheidet sich aber vom Ruhigschichttrockner dadurch, dass das flüssige,
breiige oder pastige Gut auf der Heizfläche haftet. Die meisten dieser Trockner sind
als Drehzylindertrockner ausgeführt. Man benutzt sie für Stoffe, die kurzzeitig hohe
Temperatur ertragen.
Kontakt-Mengschichttrockner schütten das Gut in periodischen Zeitabständen
um. So tauschen Teile aus verschiedenen Zonen ständig Energie und Feuchte untereinander aus. Der Kontakt-Drehrohrtrockner fördert das Gut kontinuierlich durch
den Trocknungsraum.
104
Strahlungstrockner
Bei Strahlungstrocknern wird die Energie durch elektromagnetische Wellen auf das
Gut übertragen. Die Strahlungsenergie wird dabei im Gutinnern in Wärme umgewandelt. Für das Verhalten des Guts im Strahlungstrockner ist die Strahlungsdurchlässigkeit des Gutes entscheidend. Ist das Gut zu durchlässig, so wird hauptsächlich der Gutträger erwärmt und die Energie durch Leitung, ähnlich einem Kontakttrockner, auf das Gut übertragen. Absorbiert das Gut zu stark, so erwärmt sich,
wie beim Konvektionstrockner, hauptsächlich die Gutoberfläche.
Der große Vorteil der Strahlungstrocknung besteht darin, dass bei dünnen Gutschichten und dicken Trägerschichten der Gutträger nur minimal erwärmt wird.
Deshalb findet die Strahlunsgstrocknung bevorzugt dort Anwendung, wo dünne
Schichten, z. B. Lacke, getrocknet werden. Bei Strahlungstrocknung werden unterschiedlichste Wellenlängen im Infrarotbereich eingesetzt. Alle Infrarotstrahler haben ihre besonderen physikalischen Eigenschaften und ihr spezielles technisches
Anwendungsgebiet.
Kurzwellige Infrarotstrahler (0,8 – 2 µm) werden im Allgemeinen als Quarzglasrohrstrahler zum Teil mit Halogengasfüllung gebaut. Sie erreichen in ca. 1 Sekunde
ihre maximale Leistung, so dass auch schockartige Erwärmungen sowie schnelle
Änderungen der Energieabgabe möglich sind. Die im Brennpunkt maximal erreichbare Temperatur von ca. 1.350 °C setzt voraus, dass das zu erwärmende Objekt eine
geringe Wärmeleitung aufweist und möglichst große Anteile der auftreffenden
Strahlung absorbiert. Das Leistungsspektrum erstreckt sich üblicherweise von 100
bis 200 kW/m².
Mittelwellige Infrarotstrahler (2 – 4 µm) sind ähnlich wie die geschilderten
kurzwelligen IR-Strahle aufgebaut, auch hier befindet sich das eigentliche Strahlerelement in einem Quarzglasrohr. Der Vorteil dieser Bauweise liegt darin, dass
durch geringe Konvektionsverluste ein hoher Strahlungswirkungsgrad erreicht wird.
Sie kommen für die meisten Anwendungsfälle in der Industrie in Frage. Der Leistungsbereich erstreckt sich typischerweise von 25 – 85 kW/m².
Bei Langwelligen Infrarotstrahlern, deren maximale Emission bei Wellenlängen
von größer als 4 µm im langwelligen Bereich liegen, handelt es sich überwiegend
um Metallrohr- und Keramikstrahler. Bei ihnen ist die Außenhülle die eigentliche
Strahlungsquelle. Die größere Bedeutung haben die keramischen Infrarotstrahler:
meist flächenförmige Strahler, bei denen die Heizdrähte aus hochtemperaturbeständiger Nickel-Chrom-Legierung fest eingebettet sind. Gebräuchlicher Leistungsbereich ist hier 50 bis 70 kW/m².
Bei Infrarotstrahlung wird mit zunehmender Wellenlänge auch die Umgebungsluft
erwärmt. Die aufsteigende warme Luft übernimmt den Wasserdampftransport über
105
der bestrahlten Oberfläche und begünstigt die weitere Verdampfung von Wasser.
Das heißt, dass neben der Strahlung auch ein mehr oder minder großer Anteil der
Wärmeübertragung auf konvektivem Weg erfolgt. Tabelle 28 zeigt das Verhältnis
zwischen Konvektion und Strahlung bei verschiedenen Typen von Wärmequellen.
Tabelle 28: Verhältnis zwischen Konvektion und Strahlung bei verschiedenen Typen von Wärmequellen
Wärmequelle Blech im HeizMetall- Keram. Quarz- Wärme- Quarz- HalogenUmluft- spiralen rohr- Strahler glasrohr- lampe glasrohr Strahler
ofen
element
Strahler aus Glas strahler
m. Refl.
Strahlerbetriebstemp.
200 °C
300 °C
700 °C
700 °C
800 °C
2200 °C 2200 °C 3200 °C
Wellenlänge f.
max. Emission
6 µm
5 µm
3 µm
3 µm
2,7 µm
1,2 µm
1,2 µm
0,85 µm
Strahlertyp
langwellig
langwellig
mittelwellig
mittelwellig
mittelwellig
kurzwellig
kurzwellig
kurzwellig
Konvektion
90 %
80 %
60 %
50 %
20 %
20 %
10 %
5%
Strahlung
10 %
20 %
40 %
50 %
80 %
80 %
90 %
95 %
Quelle: Ilmberger 1994
Weitere elektrische Trockner
Bei diesen Strahlungstrocknern wird die Energie durch elektrische und magnetische
Felder übertragen. Bei der dielektrischen Erwärmung wird das Gut einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt. Das Gut wirkt als Dielektrikum eines Kondensators.
Im Mikrowellentrockner befinden sich die Einkopplungseinrichtungen nicht in
unmittelbarer Nähe des Gutes. Die Energie wird durch Hohlleiter herangeführt. Die
induktive Erwärmung wird durch Wirbelströme hervorgerufen, die durch das
Magnetfeld einer Spule erzeugt werden.
In der Trocknungstechnik wird die Mikrowellentrocknung am häufigsten eingesetzt.
In den meisten Fällen kann die Verlustleistung der Anlage für den Trocknungsprozess genutzt werden, indem die Abwärme dieser Komponenten in Form erwärmter
Kühlluft durch den Trocknungsraum geführt wird. Es bestehen zahlreiche Vorteile
der Mikrowellen-Erwärmung gegenüber konventionellen Verfahren:
•
hohe Erwärmungsgeschwindigkeit, geringe Gefahr der Randschichtenüberhitzung im Gut, dadurch Produktschonung, dies ist insbesondere bei Nahrungsmitteln von Vorteil.
•
Beim Trocknen entsteht nicht – wie bei konventionellen Verfahren – zunächst
eine trockene Zone im Randbereich, die sich dann nach innen ausbreitet, sondern
106
die Feuchtigkeit nimmt im gesamten Volumen ab, da überall relativ gleichmäßig
Wasser in Dampf übergeht. Außerdem erfolgt die Trocknung auch deshalb sehr
gleichmäßig, weil die Leistungsabsorption dort am höchsten ist, wo sich die Zonen größter Feuchtigkeit befinden. Je trockener ein Gebiet wird, desto weniger
wird dort Mikrowellenenergie absorbiert. Das Trägermaterial wird deshalb nicht
oder nur sehr gering erwärmt (selektive Trocknung).
•
Die Wärmeerzeugung im Gut kann verzögerungsfrei gesteuert werden. In Verbindung mit einer Modulbauweise können bei Durchlaufanlagen räumliche und
zeitliche Wärmeleistungsprofile in gewünschter Weise eingestellt werden. Dies
ermöglicht eine programmierbare optimale Prozessführung (gute Eignung für
Prozessautomatisierung) mit reproduzierbarer, häufig verbesserter Produktqualität.
•
hohe Flexibilität
•
sofortige Betriebsbereitschaft
•
keine Speicherwärmeverluste
•
niedriger spezifischer Energieverbrauch
•
geringer Platzbedarf
•
Eignung auch für Stoffe mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit
•
gute Arbeitsplatzbedingungen durch minimale Wärmebelastungen, geringer Geräuschpegel und geringe oder fehlende Staubentwicklung.
Mikrowellentrockner werden typischerweise im Leistungsbereich von 50 bis
200 kW eingesetzt. Bei Mikrowellengeneratoren werden zwar nur etwa 40 bis 60 %
der aus dem Netz aufgenommenen Energie in direkt nutzbare Wärmeenergie umgesetzt, die sich im Erwärmungsgut wiederfindet. Der spezifische Energiebedarf der
Mikrowellen-Erwärmung ist aber trotz des geringen Gesamtwirkungsgrad relativ
niedrig, da Erwärmungsdauer bzw. Trocknungsdauer wesentlich verkürzt sind, und
damit vom Erwärmungsgut wenig Verlustenergie abgegeben wird. Die Verlustenergie ist weiterhin dadurch reduziert, dass die Wärme unmittelbar im Gut erzeugt
wird, die wärmeabgebende Oberfläche der Anlage in Bezug auf die Leistung klein
ist und die Speicherwärme in der Anlage weitgehend vermieden wird.
Vakuumtrocknung
Bei der Vakuumtrocknung befindet sich das Gut in einem Raum, in der die Gasdichte verringert wurde und deshalb Unterdruck herrscht. Das Vakuumgebiet lässt
sich nach den Drücken in folgende Bereiche einteilen:
Grobvakuum:
• Feinvakuum:
• Hochvakuum:
• Ultrahochvakuum:
•
105 – 10² N/m² (1 – 0,001 bar)
102 – 1 N/m² (0,001 – 0,00001 bar)
1 – 10-5 N/m²
unter 10-5 N/m²
107
Der überwiegende Teil der Trockner arbeitet im Grobvakuumgebiet bei Drücken,
die sich noch mit einfachen Mitteln aufrechterhalten lassen.
Bei der Vakuum-Übertemperaturtrocknung liegt die Guttemperatur im Übertemperaturbereich. Anwendung findet dieses Verfahren hauptsächlich bei der
Trocknung empfindlicher Güter. Bei der Vakuum-Untertemperaturtrocknung
wird das Gut meistens gefroren und anschließend im Vakuum getrocknet (auch
Sublimations- oder Gefriertrocknung). Angewandt wird die Gefriertrocknung bei
wertvollen, temperaturempfindlichen Gütern, die auf andere Weise nicht die gewünschte Endqualität erreichen (Ilmberger 1994).
2.6.3
2.6.3.1
Bei einer Trocknungsanlage wird zunächst das feuchte Gut auf die Verdampfungstemperatur von Wasser erwärmt; danach wird das Wasser bei konstanter Temperatur verdampft:
= (c m
G + cWm
W )∆T + m
D ∆H V
Q
th
G
Q
th
G/W
m
Nutzwärmeleistung in kWh/h
Massenströme von Trockenmasse und Wasseranteil des Gutes in kg/s
∆Τ
D
m
cG, cW
Aufheiztemperaturintervall in K
pro Zeiteinheit verdampfte Wassermenge in kg/s
spezifische Wärmekapazitäten von Trockenmasse und Wasseranteil des
Gutes in kJ/(kg K)
Verdampfungswärme von Wasser bei der jeweiligen Verdampfungstemperatur ( ca. 2300 kJ/kg bei 100 °C)
∆HV
In der Regel wird die verdampfte Wassermenge durch Luft aus dem Trocknungsraum entfernt. Der Leistungsbedarf QL zur Erwärmung der Frischluftmenge (ausschließlich der Nutzwärmeleistung Qth) lässt sich nach folgender Beziehung bilanzieren:
=V
c ∆T
Q
L
L
L
Q
L
V
cL
∆TL
Leistungsbedarf zur Frischlufterwärmung in kWh/h (therm. Abluftverluste)
Volumenstrom der Frischluft in m³/h
spezifische Wärmekapazität von Luft (ca. 1,2 kJ/(m³ K) bei 20 °C und
1.013 mbar)
Temperaturdifferenz zwischen Frischlufttemperatur und Ablufttemperatur
in K
108
Über diesen Leistungsbedarf hinaus müssen die Wärmeverluste der Anlage, z. B.
Oberflächenverluste gedeckt werden. Diese Anlagenverluste entsprechen der Halteleistung QH (Leistungsbedarf der Anlage unbeladen bei Arbeitstemperatur und
reinem Umluftbetrieb). Der gesamte Wärmebedarf ergibt sich dann zu
=Q
+Q
+Q
Q
T
th
L
H
Je nach Beheizungseinrichtung ist der thermische Wirkungsgrad der Beheizung ηB
zu berücksichtigen. Somit ergibt sich die Anschlussleitung Q
ges zu
=Q
/η
Q
ges
T
B
Abbildung 33 sind die Bandbreiten des spezifischen Endenergieverbrauchs pro kg
verdampfter Wassermenge bei Volllast und maximal möglicher Verdampfungsleistung für verschiedene Trocknertypen dargestellt (Ilmberger 1994). Bei Konvektionstrocknern ist aus Gründen der Vergleichbarkeit eine elektrische Widerstandsbeheizung angenommen worden.
5
4
3
2
langwelliger
Strahlungstrockner
mittelwelliger
Strahlungstrockner
MikrowellenKammertrockner
Konvektiver
Kammertrockner
kurzwelliger
Strahlungstrockner
Quelle: Ilmberger 1994
Konvektiver
Durchlauftrockner
1
Konvektiver
Kammertrockner
Spez. Energieverbrauch (kWh/kg)
6
Abbildung 33: Bandbreiten des spezifischen Endenergieverbrauches unterschiedlicher Trockner bei der Verdampfung von Wasser
109
2.6.3.2
Auf Grund der bis um den Faktor 100 geringeren Trennarbeit von mechanischen
Verfahren gegenüber thermischen Trocknungsverfahren ist, soweit es das Trocknungsgut zulässt, eine weitgehende mechanische Vorentwässerung anzustreben,
um den Energieeinsatz für den Gesamtprozess zu verringern. In der Regel lassen
sich die meisten Produkte bis zu einem mittleren Feuchtegrad (= Verhältnis der zu
entfernenden Flüssigkeitsmasse zur Trockensubstanz des Gutes) von 40 bis 70 %
mit mechanischen Verfahren vorentwässern. Die Anwendung mechanischer Verfahren wird in der Praxis durch die zulässigen Gutbelastungen und/oder wirtschaftlichen Entwässerungszeiten begrenzt (Ilmberger 1994).
Weitere allgemein anwendbare Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs
sind:
•
Rechnergestützte Prozesssteuerung / Prozessautomation: In der überwiegenden Zahl der Anwendung thermischer Trocknungsverfahren werden die Trockner
meist über Sollwertvorgaben bzw. weitgehend empirisch (Erfahrung des Betriebspersonals) gesteuert. Dabei werden Verweilzeit, Durchlaufgeschwindigkeit,
Anfangsfeuchte, Temperatur, Produktqualität etc. als Steuerungsparameter verwendet. Für die Erfassung der Feuchte werden Feuchtesensoren mit linearer
Charakteristik und geringen Querempfindlichkeiten bei gleichzeitig hohen
Standzeiten benötigt. Diese Messwerte können in Echtzeit von einem Rechner
aufbereitet und mit den Sollwerten aus einem mathematischen Modell des
Trocknungsprozesses verglichen werden. Dazu ist die genaue Kenntnis des
Trocknungsprozesses sowie geeignete Software erforderlich. Als Ergebnis des
Sollwert-Istwert-Vergleichs wird die entsprechende Regelgröße von der Regelung verändert. Beispiele aus unterschiedlichen Anlagen zeigen Einsparungen
von 5 bis zu 10 % gegenüber herkömmlicher empirischer Regelung. (Ilmberger
1994, Kuhs 2001)
•
Auf Grund der ohnehin meist niedrigen Prozesstemperaturen bei Trocknungsvorgängen und der bereits guten Wärmedämmung der am Markt angebotenen
Trockner sind nur noch geringfügige Verbesserungen der Wärmedämmung zu
erwarten.
•
Auswahl der für die bestehenden Anforderungen optimalen Trocknungstechnik
•
Anwendung möglichst geringer Arbeitstemperaturen
•
Eine Wirkungsgraderhöhung der Wärmebereitstellung durch verbesserte Brennertechnik weist – wie bei der Wärmedämmung – auf Grund der vergleichsweise niedrigen Prozesstemperaturen nur geringe Einsparpotenziale auf, da die beachtlichen Entwicklungsfortschritte moderner Hochleistungsbrenner sich in der
Regel auf Hochtemperaturanwendungen beziehen (siehe auch die Ausführungen
im Kapitel 2.5 - Industrieöfen).
110
•
Bei Mikrowellentrocknern kann in den meisten Fällen die Verlustleistung der
Anlage (Magnetron, Stromversorgungseinheiten) teilweise für den Prozess genutzt werden, indem die Abwärme dieser Komponenten in Form erwärmter
Kühlluft durch den Applikationsraum geführt wird. Damit wird das Gut zusätzlich konvektiv erwärmt.
•
Bei Konvektionstrocknern sollte die Umluft solange im Trocknungsprozess
verwendet werden bis der Wasserdampfpartialdruck der Umluft Werte erreicht,
die nahe dem Wasserverdampfungsdruck in der zu trocknenden Ware sind, damit
nur jeweils soviel Zuluft von Raumtemperatur auf Arbeitstemperatur aufgeheizt
wird, wie unbedingt für die Abführung der verdampften Wassermenge benötigt
wird.
•
Die Substitution brennstoffbeheizter Verfahren durch elektrische Trockner
führt zwar aus den genannten Gründen zu deutlichen Effizienzsteigerungen –
unter primärenergetischer Betrachtung allerdings ist der ökologische Vorteil der
elektrischen Verfahren zumindest zweifelhaft (z. B. Arthkamp 2000). Dennoch
wird – wie auch bei den Öfen – vor allem wegen der stetig steigenden Anforderungen an die Produktqualität der Anteil der elektrischen Verfahren weiter steigen.
•
Eine verstärkte Abwärmenutzung vor allem aus gekoppelten HT-Wärmeprozessen im Produktionsablauf bietet sich auf Grund des niedrigen erforderlichen Temperaturniveaus für Trocknungsprozesse häufig an und wird in vielen
Fällen noch nicht in ausreichendem Maße umgesetzt. Besonders die direkte konvektive Trocknung ist prädestiniert für gekoppelte Prozesse, weil die Abgase von
Gasmotoren und Gasturbinen oder die Abgaswärme aus anderen industriellen
Thermoprozessen genutzt werden können (Rudolph 2000).
•
Anwendung von Niedrigtemperatur-Abwärme aus KWK etwa mittels einer
Gasturbine bei gleichzeitig anfallendem Strombedarf, wie etwa für die Mahlanlagen beim Kohlemahltrocknungsprozess (Nichler 2000, Minarik 2001)
2.6.3.3
Die Vielschichtigkeit und Komplexität der Entwässerungs- und Trocknungsprozesse, die Verschiedenartigkeit der Eigenschaften und Anforderungen der Ausgangs-,
Zwischen- und Endprodukte sowie die große Anwendungsbreite von thermischen
Trocknungsverfahren erschwert eine produkt- und branchenübergreifende Identifizierung der Einsparpotenziale. Deshalb werden im Folgenden – basierend auf den
grundlegenden Ausführungen des vorigen Kapitels sowie unter Ergänzung produktspezifischer Maßnahmen – die Potenziale produktweise ausgewiesen und jeweils
die Schwerpunkte der möglichen Einsparmaßnahmen genannt. Diese Zusammenführung von breit anwendbaren Querschnittsmaßnahmen und produktspezifisch
ausgerichteten Maßnahmen ist unumgänglich, da aus dem vorhandenen Datenmaterial keine separate Zuweisung von Potenzialen möglich war.
111
Die größten relativen technischen Einsparpotenziale existieren bei der Produktion
von Kalirohsalz, Waschmittelpulver, Zucker und Milchprodukten sowie bei der
Kohletrocknung. Absolut gesehen kommt dem Minderungspotenzial bei der Papiertrocknung besondere Bedeutung zu. Insgesamt existiert bei den Trocknungsprozessen ein technisches Einsparpotenzial von rund 17 % (Tabelle 29). Knapp die
Hälfte der Maßnahmen ist heute bereits wirtschaftlich.
Tabelle 29: Einsparmaßnahmen bei Trocknern, nach Produkten
Produkt
Minderungsoptionen
Kalirohsalz
• Verb. Abwärmenutzung
• Verb. Prozesskontrolle
• Produktsubstitution von pulverisiertem durch flüssige Waschmittel
• Verb. Abwärmenutzung
• Wärmenutzung aus KWK
• Dampf-Wirbelschicht-Trocknungsverfahren
• KWK
• Kompartimentierung der Trockner
• Verb. Prozesssteuerung
• Trockner-/Ofenverbund
• Einsatz von BHKW
• Entwässerung dispergierter PVC-Lösungen durch
Ultrafiltration oder Elektrodekantation
• Einsatz von MST-Zyklontrocknern
• Verstärkte Kondensationstrocknung
• Duale Trocknungssysteme
• Verb. Regelungstechnik
• Therm. Kopplung von Vor- und Haupttrocknern
• Ersatz von Düsentrocknern durch Trommeltrockner und Röhrenbündeltrockner
• Durchgängige Nutzung des an Trocknungszylindern entstehenden Wasserdampfes
• Durchgängige Verwendung von Hochleistungshauben (Prallstrahl)
• Verwendung von Lacken, die bei niedrigen Temperaturen aushärten
• Weiterentwicklung von Nass-in-Nass-Verfahren
• Erhöhung des Festköperanteils in Lacken
• Verstärkter Einsatz von Infrarot-Trocknern
• Erhöhung des Anteils isostatisch gepresster Ware
• Verstärkte Abwärmenutzung
• Durchgehender Einsatz von Hochleistungsquetschen
• Erweiterter Einsatz von Kapillarvakuumpumpen
• Verstärkter Einsatz des Schaumauftragsverfahrens
führt zu geringerer Befeuchtung
• Einsatz fortgeschrittener Trockner- und Trommelkonstruktionen
Fortsetzung ...
Waschmittelpulver
Kohle
Ziegel
PVC
Holz
Papier
Lacke, Farbüberzüge *)
Feinkeramik
Textil
Einsparpotenzial
technisch wirtschaft.
29 %
8 – 10 %
34 %
20 %
29 %
7 – 10 %
8%
5–6%
10 %
3%
18 %
8 – 12 %
12 %
5–8%
16 %
10 – 12 %
12 %
5–7%
16 %
10 – 12 %
112
Produkt
Zucker
Milch *)
Futtermittel *)
Minderungsoptionen
• Verb. Prozesssteuerung zur Vermeidung von
Übertrocknung
• Optimierung der Belüftungssysteme
• Weitergehende Umrüstung auf Nass-in-NassVerfahren
• Weißzucker:
• Nutzung der Karbonatsabgase
• Weitergehende Nutzung der Brüdenkompression,
Umkehrosmose, Membranverfahren
• Verb. Regelung
• Trockenschnitzel:
• Verlängerung der Presszeiten
• Anwendung von Hilfsstoffen
• Anwendung von Trocknerkombinationen
• Osmotische Entwässerung
• Ersatz thermischer durch mechanische Brüdenkompression
• Erhöhung der Verdampferanzahl
• Einsatz von Umkehrosmoseverfahren, Membranverfahren
• Verstärkte Umrüstung auf Zwischenstufentrocknung
• Erhöhung des Trockensubstanzgehaltes bei der
Aufkonzentrierung
• Einsatz von Kondensationszyklonen
• Einsatz von zweistufigen Trocknern
• Einsatz von chem. Trocknungsmitteln
• Absenkung der Trocknungstemperatur
• Verb. Prozesssteuerung
Sonstige **)
Summe
*)
Angaben von 1992; **) eigene Schätzung
Einsparpotenzial
technisch wirtschaft.
40 %
8 – 10 %
44 %
15 %
14 %
10 – 12 %
15 %
17 %
6 – 10 %
8%
Quelle: Cremer, Kleemann et al. (2001)
2.6.4
Literatur
Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (1998): Energiebilanzen der Bundesrepublik
Deutschland. Frankfurt
Arthkamp, J. (2000): Erdgasbeheizter Trockner für Kunststoffgranulate. gwf 141
(2000), Nr. 3, S. 169-171
Bradke, H. et al. (1996): Nutzung der Datenbank und des LP-Modells von IKARUS
zur Bestimmung der Potentiale, Zusatzkosten und energiewirtschaftlicher
Auswirkungen rationeller Energieanwendung in der Industrie unter dem Gesichtspunkt von Forschung und Entwicklung. Potentiale REV-Industrie und
FuE unter Verwendung von IKARUS, Karlsruhe: Fraunhofer ISI
113
Cremer, C.; Kleemann, M. et al. (2001): Systematisierung der Potenziale und Optionen. Endbericht an die Enquête-Kommission „Nachhaltige Energieversorgung unter den Bedingungen der Globalisierung und der Liberalisierung“
Karlsruhe/Jülich: Fraunhofer ISI, Forschungszentrum Jülich
Ilmberger,F.; Pfitzner, G. (1994): Prozesswärme: Trockner. IKARUS Teilprojekt 8:
Querschnittstechniken, München: FfE
Kröll, K., Kast, W. (1989): Trocknungstechnik, Band 3: Trocknen und Trockner in
der Produktion. Heidelberg: Springer Verlag
Kuhs, H.-J. (2001): Optimierter Einsatz von Erdgas zur direkten Trocknung von
Mineralstoffen in Drehtrommeltrocknern. Gaswärme International (GWI), 50
(2001), Nr. 10, S. 460-462
Minarik, R. (2001): Trockentrommelbeheizung mittels erdgasbefeuerter Brennkammer für Frischluft oder Gasturbinenabgasbetrieb. Gaswärme International
(GWI), 50 (2001), Nr. 5-6, S. 209-212
Nichler, K. (2000): Erdgas als Energielieferant bei der Mahltrocknung von Steinkohle. . Gaswärme International (GWI), 49 (2000), Nr. 3, S.
Petrick, L.; Obst, G. (1993): IKARUS Teilprojekt Industrie. Textteil für ausgewählte Technologien und Branchen. GEU Leipzig
114
2.7
Wärmeübertrager (FfE)
Wärmeübertrager oder Wärmetauscher sind eine Querschnittstechnik, die mit einer
sehr hohen Temperatur- und Leistungsbandbreite in allen stationären und mobilen
Anwendungssektoren zum Einsatz kommt. Sie übertragen einen Wärmefluss in
Richtung eines Temperaturgefälles zwischen zwei oder mehr fluiden Stoffströmen
und dienen der gezielten Zustandsänderung dieser Fluide, d. h. Kühlen, Erwärmen,
Ändern des Aggregatzustands und/oder sonstiger physikalischer Eigenschaften.
Wesentliche Unterscheidungsmerkmale von Wärmetauschern sind:
•
Bauart: Am weitesten verbreitet sind Rohrbündel-Wärmetauscher (Glattrohre,
Haarnadelrohre, Doppel(Field)rohre und Rohrregister). Diese werden weiter unterschieden nach Befestigung (Rohrplatten, Sammler) und Führung des Bündels
(Spiralrohr, Wickelbündel). Daneben finden Platten- und Spiral-, Doppelmantelund Lamellen-Wärmetauscher Verwendung.
•
Wärmeübertragung: Sie kann direkt (ohne stoffliche Trennung der Medien,
auch Kontaktwärmeübertragung) oder indirekt (Transport durch Trennwände infolge Wärmeleitung) erfolgen. Beispiele für direkte Wärmeübertragung sind Einspritzkondensatoren, Trennstufen für die thermische Trennung von Stoffgemischen, Anlagen zur Sonnendestillation u.a. Durch Flammen oder Rauchgase indirekt aufgewärmt werden Kessel, Rohrsysteme oder Pfannen, gelegentlich unter
Verwendung eines Wärmezwischenträgers (organische Wärmeträger, Salz oder
Metallschmelzen).
•
Aggregatzustand der Fluide: Man unterscheidet Wärmetauscher mit Strömen
ohne Phasenänderung (Vorwärmer, Luftkühler, rauchgasbeheizter Überhitzer
u.a.) und solche mit Phasenänderung (Kondensatoren, Eindampf-Apparaturen,
Verdampfungskühler u.a.).
•
Betriebsweise: Es werden kontinuierlich durchströmte (Rekuperatoren) und diskontinuierlich beaufschlagte (Regeneratoren) Wärmetauscher unterschieden.
•
Temperatur und Druck: Je nach Verwendung unterscheidet man Wärmetauscher für tiefe (bis –100 °C), normale (50 bis 500 °C) und hohe (bis ≈ 1400 °C,
Abhitzekessel in der Petrochemie) Temperaturen, sowie Vakuum, Niederdruck
(wenige bar), Hochdruck – (100 bis 500 bar) und Höchstdruck – (einige 103 bar)
Wärmetauscher.
Die im Weiteren betrachteten Wärmetauscher schließen solche aus, die in anderen
Kapiteln dieses Projektes behandelt werden, nämlich:
Dampferzeugung und Heißwasser,
• Wärmeerzeuger für Raumheizung und Warmwasser,
• Industrieöfen,
• Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen,
•
115
Kälteerzeugung und
• Trockner.
•
Demnach werden im Wesentlichen Wärmetauscher für die Abwärmenutzung betrachtet.
2.7.1
In Tabelle 30 wird die Anzahl der in Deutschland von 1995 bis 1999 produzierten
Wärmetauscher unterteilt auf verschiedene Anwendungsgebiete dargestellt. Jedoch
geht daraus nicht hervor, welcher Anteil exportiert wurde und wie viele Wärmetauscher in Deutschland eingebaut wurden.
Tabelle 30: In Deutschland produzierte Anzahl von Wärmetauschern in den Jahren
1995 bis 1999 aufgeteilt auf vier Anwendungsbereiche
1995
1996
1997
1998
1999
452.819
458.982
538.392
598.195
-
Chemische Industrie
19.795
5.043
5.306
4.704
4.617
Nahrungsmittel- und
Getränkeindustrie
9.271
4.115
4.511
5.042
4.457
Andere Industrien
229.733
697.705
878.679
904.367
612.006
Gesamt
711.618
1.165.845
1.426.888
1.512.308
-
Lufttechnische Anlagen
Quelle: Statistisches Bundesamt 2002
2.7.2
2.7.2.1
Bauarten
Die folgende Technik-Beschreibung wurde überwiegend dem Bericht „Wärmetauscher zur Abwärmenutzung“ zum IKARUS Teilprojekt 8 entnommen und angepasst. Die Eigenschaften der verschiedenen Bauarten werden in Tabelle 31 am Ende
des Kapitels zusammengefasst.
Rohrbündel-Wärmetauscher
Bei Rohrbündel-Wärmetauscher strömt ein Medium durch die Rohre und das andere im Kreuz-, Kreuzgegen- oder Gegenstrom um die Rohre innerhalb des Mantelraumes. Die Rohre werden im Rohrboden eingewalzt oder eingeschweißt. Je nach
Einsatzzweck können die Rohre mit Rippen versehen sein. Dadurch wird die Wär-
116
me übertragende Fläche vergrößert und der Wärmeübergang erhöht. Innerhalb des
Mantelraums des Wärmetauscher wird durch Umlenkbleche für die gewünschte
Strömungsführung gesorgt.
Rohrbündel-Wärmetauscher eignen sich für einen sehr großen Temperatur- und
Druckbereich und werden in allen Baugrößen angeboten. Die Wärmetauscher werden von den Herstellern individuell berechnet und hergestellt, nur kleinere Baugrößen werden serienmäßig angeboten. Sonderkonstruktionen können bei über 1000 °C
eingesetzt werden. Die Druckfestigkeit kann je nach Bauart bei mehreren 100 bar
liegen.
Rohrbündel-Wärmetauscher werden sowohl bei flüssigen als auch bei gasförmigen
Medien eingesetzt, bei entsprechender Materialwahl und Bauart (Geradrohr) können Rohrbündel-Wärmetauscher auch bei verschmutzten oder aggressiven Medien
verwendet werden.
Für besondere Einsatzbedingungen werden Rohrbündel-Wärmetauscher in entsprechend angepasster Konstruktion auch aus Kunststoff, kunststoffbeschichtetem
Stahl, Graphit oder Glas hergestellt. Rohrbündel-Wärmetauscher sind universell
einsetzbar.
Plattenwärmetauscher
Beim Platten-Wärmetauscher wird die wärmeübertragende Fläche aus einem Paket
von nebeneinander angeordneten Platten gebildet. Die Zwischenräume zwischen
den Platten bilden die Strömungskanäle für die Medien. Die einzelnen Zwischenräume werden räumlich abwechselnd von den beiden Medien im Allgemeinen im
Gegenstrom durchströmt. Bei Gas-Gas-Wärmetauscher werden die Medien auch im
Kreuzstrom durch den Wärmetauscher geführt.
Durch eine Prägung der Platten wird zum Einen eine höhere Turbulenz in den Medien und dadurch ein besserer Wärmeübergang erreicht, zum Anderen stützen sich
die Platten gegenseitig auf den Prägungen ab, wodurch eine höhere Druckbeständigkeit erreicht wird.
Platten-Wärmetauscher zeichnen sich durch ihre hohe Wärmeübergangsleistung bei
geringem Platzbedarf aus. Platten-Wärmetauscher werden im Baukastensystem mit
sehr geringen Stufungen bezüglich der Tauscherfläche angeboten und sind im Vergleich zu anderen Bauformen relativ preiswert.
Der Einsatz von Platten-Wärmetauscher ist sowohl bei flüssigen wie auch bei gasförmigen Medien möglich, je nach Material und Auslegung können PlattenWärmetauscher auch bei verschmutzten oder aggressiven Medien verwendet werden. Typische Einsatzbereiche für Platten-Wärmetauscher sind Heizungstechnik,
117
Fernwärmeübergabestationen, Heißwasserbereiter, Lebensmittelindustrie, Wärmerückgewinnung bei Trocknungsprozessen.
Wärmerohraustauscher
Wärmerohraustauscher werden nur für Luft-Luft-Wärmeübertragung eingesetzt.
Die Wärmeenergie wird durch ein Arbeitsmedium, das sich in kurzen, an den Stirnseiten geschlossenen Rippenrohren befindet, übertragen. Die Rohrenden ragen
senkrecht zu der Wärmetauscher-Wand in je einen der beiden Luftströme. Das Arbeitsmedium wird je nach Betriebstemperatur des Wärmetauscher ausgewählt. Auf
der Seite des Rohres, die in den wärmeren Luftstrom hineinragt, verdampft ein Teil
des Arbeitsmediums und strömt zum kälteren Ende des Rohres, wo es unter Abgabe
der Verdampfungswärme an den kälteren Luftstrom kondensiert. Das Kondensat
wird anschließend durch ein Kapillarsystem, mit dem die Innenseite des Rohres
versehen ist, zum Ausgangspunkt zurückbefördert.
Die Rückführung des Kondensats kann je nach Anwendung durch die Schwerkraft
unterstützt werden, womit erheblich höhere Wärmeleistungen je Längeneinheit erzielt werden können. Bei Beschädigung eines der Wärmerohre arbeiten die anderen
Rohre unabhängig voneinander weiter.
Wärmerohraustauscher werden üblicherweise bei Ablufttemperaturen bis 300 °C
eingesetzt und finden vor allem im Heiz und Klimabereich, Hallenbeheizung und
bei Trocknern Verwendung.
Spiral-Wärmetauscher
Spiral-Wärmetauscher bestehen aus zwei Blechbändern, die um einen offenen Kern
gewickelt sind. Die Kanten des einen Bandes sind gebogen und mit dem anderen
Band verschweißt, während die offenen Kanten des anderen Kanals durch einen mit
Dichtungen versehenen Deckel verschlossen sind. Dadurch entstehen zwei Strömungskanäle.
Das heiße Medium tritt in der Mitte des Wärmetauscher ein und strömt von innen
nach außen, während das kalte Medium am Rand eintritt und gegen die Mitte zuströmt. Hierdurch wird reiner Gegenstrom und geringer Wärmeverlust an die Umgebung erreicht.
Da für jedes Medium nur ein Durchgang zur Verfügung steht, eignet sich der Spiral-Wärmetauscher besonders gut für verschmutzte Medien. Ablagerungen werden
durch den durch sie hervorgerufenen Staudruck abgetragen. Dagegen kann das Medium bei Wärmetauscher mit mehreren Durchgängen bei Ablagerungen in einem
118
Durchgang auf andere Durchgänge ausweichen, wodurch es nur zu einem geringen
Staudruck kommt.
Spiral-Wärmetauscher arbeiten in einem Druckbereich bis 18 bar und bei Temperaturen bis 400 °C. Die Medien können sowohl flüssig als auch gasförmig sein. Spiralstrom-Wärmetauscher eignen sich besonders gut für faserhaltige und verschmutzte Medien sowie für Schlämme und Suspensionen und können z. B. auch in
Klärwerken zur Übertragung der Abwärme der Faulschlämme auf den Rohschlamm
verwendet werden.
Eine abgeänderte Form des Spiral-Wärmetauscher ist der Kreuzstrom-SpiralWärmeaustauscher, bei dem eines der Medien im Spiralstrom fließt, während das
andere durch das offene Spiralelement im Kreuzstrom fließt. Diese WärmetauscherKonstruktion kann als Verdampfer oder Kondensator eingesetzt werden.
Lamellen-Wärmetauscher
Lamellen-Wärmetauscher werden als Lufterhitzer oder Luftkühler eingesetzt, also
als Wasser-Luft oder Dampf-Luft-Wärmetauscher.
Als Grundbaustein für Lamellen-Wärmetauscher dient ein Stahlrohr mit maschinell
aufgezogenen Stahllamellen. Unterschiedliche Lamellenabstände und die vielseitigen Kombinationsmöglichkeiten der Elemente erlauben eine optimale Auslegung
der Wärmetauscher. Durch sehr kleine Lamellenabstände kann eine kompakte Bauform erreicht werden, durch weite Abstände lässt sich der Wärmetauscher auch bei
verschmutzter Luft einsetzen.
Strahlungsrekuperatoren
Strahlungsrekuperatoren werden zur Rauchgas-Zuluft-Wärmerückgewinnung bei
Rauchgastemperaturen über 800 °C eingesetzt.
Bei dieser Bauform durchströmen Rauchgase bei sehr hoher Temperatur und geringer Strömungsgeschwindigkeit einen Blechzylinder mit großem Querschnitt. Die
Wärme wird dabei überwiegend durch Wärmestrahlung an die Bewandung abgegeben.
Die zu erwärmende Luft strömt durch einen den Blechzylinder umgebenden Ringspalt. Die Wärmeaufnahme der Luft im Ringspalt wird durch den Effekt der sogenannten sekundären Heizflächen verbessert. Der Innenzylinder als primäre Heizfläche gibt Wärme durch Strahlung auch an den gegenüberliegenden Außenzylinder
ab, die bei guter Außenisolierung fast vollständig von der Luft im Ringspalt aufgenommen werden kann.
119
Mit dem Strahlungsrekuperator können Rauchgase mit Eintrittstemperaturen von
800 bis 1200 °C und Vorwärmtemperaturen der Verbrennungsluft von 600 bis
750 °C erreicht werden. Bei Rauchgastemperaturen unter 800 °C ist der Strahlungsrekuperator nur bei sehr aggressiven oder staubbeladenen Rauchgasen gegenüber
anderen Bauformen wirtschaftlich.
Der Anwendungsbereich von Strahlungrekuperatoren erstreckt sich auf Industrieöfen, bei denen entsprechend hohe Abgastemperaturen auftreten, wie z. B. Tieföfen,
großräumige Stoß und Hubbalkenöfen, Schmiedeöfen und Öfen der Glas und Keramikindustrie.
Hybrid-Wärmetauscher
Der Hybrid-Wärmetauscher ist eine Kombination aus Rohrbündel- und PlattenWärmetauscher, wobei die Temperatur und Druckfestigkeit des RohrbündelWärmeaustauschers mit der Material sparenden kompakten Bauweise des Plattenwärmeaustauschers kombiniert wird.
Der Hybrid-Wärmetauscher besteht aus geschichteten, wellenförmigen Formblechelementen, von denen jeweils zwei zusammen einen Wellendurchgang bilden.
Durch die versetzte Schichtung der Wellendurchgänge entstehen elliptische Rohre,
die senkrecht zu den wellenseitigen Strömungskanälen verlaufen. Hierdurch ergibt
sich die reine Kreuzstrom-Arbeitsweise des Wärmetauscher.
Der Einsatzbereich für Hybrid-Wärmetauscher liegt bei Temperaturen bis 900 °C
oder Drücken bis 60 bar. Die Austauschflächen betragen bis zu 250 m² pro m³ Bauvolumen. Der Wärmeübergang ist ähnlich gut wie bei Platten-Wärmetauscher.
Hybrid-Wärmetauscher eignen sich für alle Medien. Ihre Anwendung finden sie als
Verdampfer, Kühler und Vorwärmer, Kondensatoren und Gaskühler, Abgasaustauscher sowie Flüssig-Flüssig-Austauscher.
Regenerative Wärmetauscher
Regeneratoren sind Wärmetauscher, bei denen die beiden Medien abwechselnd
durch den gleichen Raum geführt werden. Die Wärme des primären Mediums wird
dabei von der Speichermasse des Raumes gespeichert und später an das sekundäre
Medium abgegeben. Bei Regeneratoren muss ein gewisser Übertritt der beiden Medien toleriert werden, da in dem zum Wärmeübergang dienenden Raum beim
Wechsel der Medien immer ein Rest des einen Mediums zurückbleibt und vom
Stoffstrom des anderen Medium fortgetragen wird. Daher haben Regeneratoren
hauptsächlich beim Wärmeübergang zwischen Abluft und Zuluft eine Bedeutung.
120
Bei der Wärmerückgewinnung in Klima-Anlagen kann auch ein Teil der in der
Abluft enthaltenen Feuchte an die Zuluft übertragen werden.
Bei regenerativen Austauschern muss zwischen zwei Bauformen unterschieden
werden. Bei den nicht rotierenden Regeneratoren wird die Zuluft zeitlich abwechselnd mit der Abluft durch die Speichermasse im Gegenstrom geführt. Für einen
kontinuierlichen Betrieb sind mindestens zwei solcher Wärmetauscher notwendig,
zwischen denen die Luftströme periodisch umgeschaltet werden.
Bei rotierenden Regeneratoren („Wärmerad“) ist die Speichermasse rotationssymmetrisch angeordnet. Dabei wird eine Hälfte der Speichermasse von der Zuluft, die
andere von der Abluft durchströmt. Durch die Rotation der Speichermasse wird
jeder Teil der Masse abwechselnd von den beiden Luftströmen durchströmt. Im
Kraftwerksbereich findet auch eine Konstruktion Verwendung, bei der die Speichermasse feststeht und die Luftführungen rotieren.
Nicht rotierende regenerative Wärmetauscher haben den Vorteil, dass die mechanische Beanspruchung der Speichermasse sehr gering ist, da sie nur ihrem eigenen
Gewicht und der Luftströmung ausgesetzt ist. Die Speichermasse muss weder eine
besondere Warmfestigkeit aufweisen noch muss sie gasdicht sein. Ferner ist die
Verarbeitung des Speichermassen-Werkstoffes zu dünnen Rohren oder Platten wie
bei anderen Wärmetauscher-Bauformen nicht nötig.
Nicht rotierende regenerative Wärmetauscher haben sich für die Realisierung hoher
Luftvorwärmtemperaturen im Hochofen oder Glasschmelzbetrieb weitgehend
durchgesetzt. Bei entsprechender Formgebung der Speichermasse sind diese Wärmetauscher auch für staubbelastete Abgase geeignet. Ein typischer Einsatzfall für
einen nicht rotierenden regenerativen Wärmetauscher ist eine Winderhitzeranlage
für den Hochofenbetrieb mit drei miteinander gekoppelten Regeneratoren, die eine
konstante Luftmenge bis 450.000 Nm³/h bei einer Temperatur von 1400 °C bei
Drücken bis zu 6 bar erwärmen können.
Rotierende regenerative Wärmetauscher werden in Standardbaureihen für Fort- und
Zuluftmengen von 1.000 bis 160.000 Nm³/h und mit Rotordurchmessern von 600
bis 5.000 mm gebaut.
Durch den Gegenstrombetrieb sind diese Wärmetauscher auch für verschmutzte
Abluftströme geeignet, da Ablagerungen durch die entgegengesetzt strömende Zuluft wieder abgetragen werden. Durch eine hygroskopische Beschichtung der Speichermasse kann auch die Feuchtigkeit aus der Abluft wiedergewonnen werden. Gerade im Klimabereich ist dadurch eine zusätzliche Energieeinsparung möglich.
121
Tabelle 31: Eigenschaften der verschiedenen Wärmetauscher-Bauarten
Bauart
RohrbündelWärmetauscher
PlattenWärmetauscher
Wärmerohraustauscher
SpiralWärmetauscher
LamellenWärmetauscher
Strahlungsrekuperatoren
Betriebsparameterbereich
(typisch)
gute konstruktive Anpassbar- T < 800 °C p
< 60 bar
keit; Reinigung im Mantelraum teilweise erschwert,
relativ hoher Druckverlust
gutes WärmeübergangsverT < 300 °C p
halten, hohe Anpassbarkeit,
< 25 bar
sehr gute Reinigungsmöglichkeit; Druck- und Temperaturbegrenzung, große Kompaktheit
T < 300 °C
guter Wirkungsgrad, kompakte Bauweise bei Zuluft/Abluft-Wärmerückgewinnung, geringe Wartungskosten
T < 400 °C p
gutes Wärmeübergangsverhalten; geringe Druckverluste; < 15 bar
reiner Gegenstrom erreichbar
hohe Übertragungsleistung,
T < 200 °C p
korrosionsbeständig
< 16 bar
Vor- und Nachteile
bei höchsten Temperaturen
einsetzbar, geringe Korrosionsanfälligkeit wegen geringer Berührungsfläche,
T < 1400 °C
Werkstoffe
(typisch)
Einsatzgebiete
(typisch)
variabler Werkstoffeinsatz
universell einsetzbar
austenitische
Cr/Ni – Stähle,
Titan
Aluminium- und Zuluft/AbluftKupferlegierun- Wärmerückgegen
winnung
zumeist austenitischer Cr-NiStahl
Aluminium,
Kupfer, Al- und
Cu-Legierungen,
Stahl/Edelstahl
korrosionsbeständige, warmfeste Stähle
T < 900 °C p
Hybridhoher Temperatur- und
Wärmetauscher Druckbereich, sonst wie Plat- < 60 bar
ten-Wärmetauscher
bei Industrieöfen
mit hohen
Rauchgastemperaturen zur Luftvorwärmung
jegliche
schweiß- und
prägbare Werkstoffe
T < 1400 °C p vielfältige Mate- bei Gas-Gas< 10 bar
rialien als Spei- Übertragern,
chermasse
auch für große
Massenströme
geringe Temperaturdifferenzen zwischen den Medien
erreichbar; anwendbar für
große Temperaturbereiche;
quasikontinuierlicher Betrieb;
Schaltverluste
geringe Temperaturdifferen- T < 650 °C
rotierende
zen zwischen den Medien
regenerative
Wärmetauscher erreichbar; anwendbar für
große Temperaturbereiche;
hoher Wärmerückgewinnungsgrad
Nicht rotierender regenerativer Wärmetauscher
bei schwebestoffhaltigen
Medien
vor allem in der
Klima- und
Kältetechnik
Stahlblech,
aluplatinierte
Stahlfolie,
chromlegierte
Edelstahlfolie
bei Gas-GasÜbertragern,
auch für große
Massenströme
Der Wärmetauscher wird durch einen Elektromotor angetrieben. Dadurch ergibt
sich auch die sehr einfache Möglichkeit zur Regelung der übertragenen Energie
durch Beeinflussung der Rotordrehzahl.
122
Einsatzgebiete für rotierende Regeneratoren sind der Klimabereich, Hallenbelüftung, Lackieranlagen, Trocknungsprozesse, Kesselluftvorwärmung und thermische
Nachverbrennung.
2.7.2.2
Werkstoffe
Bestimmungsgrößen bei der Werkstoffauswahl
Die Prozessbedingungen und die Medienkombination bestimmen die möglichen
Wärmetauscher-Bauformen. Der Werkstoff wird der erwarteten Beanspruchung
entsprechend ausgewählt.
Wesentliche Kriterien der in Frage kommenden Materialien sind:
die mechanischen Festigkeitswerte,
die chemische Beständigkeit,
• und die thermodynamischen Eigenschaften.
•
•
Dabei werden die realisierbare Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauscher, die
Größe der Übertragungsfläche und damit die Baugröße von der Wärmeleitfähigkeit
des Werkstoffs mit bestimmt. Die Zustandsgrößen der Medien (Druck, Temperatur)
bestimmen die mechanischen Anforderungen an den Werkstoff. Dabei muss neben
der Zugfestigkeit in vielen Einsatzfällen das Temperaturverhalten des Werkstoffs
mit berücksichtigt werden.
Zusammenfassend lassen sich folgende die für die Werkstoffauswahl wesentlichen
Determinanten nennen:
•
•
•
•
•
•
Bauart und Abmessungen
Medienkombination
Prozess und Betriebsbedingungen
Sicherheitsvorschriften
Wartungs- und Reinigungsmaßnahmen
ökonomische Kriterien.
Somit stellt die Werkstoffauswahl ein komplexes Auswahlproblem dar, das jedoch
für viele Fälle auf die wesentlichen Faktoren Temperatur und Korrosionsbeständigkeit reduziert werden kann .Als Basis für nachfolgende Betrachtungen sollen die
gebräuchlichsten Werkstoffe kurz vorgestellt und deren wichtigste Eigenschaften
angeführt werden.
123
Stahl und Gusswerkstoffe
Für viele Einsatzfälle ohne besondere Anforderungen hinsichtlich Temperatur und
Korrosionsbeständigkeit können die allgemeinen Baustähle und Vergütungsstähle
eingesetzt werden. Höhere mechanische Beanspruchungen erfordern entsprechende
Legierungsbestandteile. Es ist jedoch zu beachten, dass die verbesserten Eigenschaften dieser Stähle in den Randzonen der Schweißbereiche durch Gefügeänderungen beeinträchtigt sein können und sich dort Schwachstellen ausbilden.
Korrosionsbeständig sind Stähle mit hohem Cr-Anteil (> 13 %). Deren Eigenschaften können durch zusätzliche Molybdän- und Nickel-Bestandteile noch verbessert
werden. Das Hochtemperaturverhalten von Stählen kann insbesondere durch die
Legierungsbestandteile Aluminium (Al), Nickel (Ni) und Silizium (Si) positiv beeinflusst werden.
Kupfer und Kupfer-Legierungen
Kupfer und seine Legierungsformen werden wegen der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit in fast allen Wärmetauscher-Bereichen eingesetzt. Die wichtigsten Legierungsformen sind:
•
•
•
•
•
CuZn
CuSn
CuPbSn
CuNi
CuAl
(Messing)
(Bronze)
(Bleibronze)
(Nickelbronze)
(Aluminiumbronze).
Deren Einsatzgebiete hängen dabei im Wesentlichen von den gegebenen mechanischen Belastungen und der spezifischen Korrosionsproblematik ab.
Leichtmetalle
Unter den Leichtmetallen nimmt Aluminium mit seinen Legierungen die wichtigste
Stellung ein. Die gute Wärmeleitfähigkeit und chemische Beständigkeit machen
diese Werkstoffe vor allem für Rippen und Lamellen luftgekühlter Wärmetauscher
bei Temperaturen unter 300 °C interessant.
Titan kann bei Spezialfällen als Reinwerkstoff bei Temperaturen bis zu 600 °C eingesetzt werden. Grundsätzlich werden seine hervorragenden Qualitäten vor allem
als Legierungsbestandteil zur Verbesserung der Qualität von Stählen eingebracht.
Diese zeichnen sich dann vor allem durch höchste Erosions- und Korrosionsbeständigkeit, hohe Warmfestigkeit und gute Schweißbarkeit aus.
124
Keramische Werkstoffe
Wegen ihrer hohen Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit werden keramische
Materialien als Werkstoff für Regeneratoren zur Luftvorwärmung seit langem erfolgreich eingesetzt. Die dazu in Frage kommenden Materialien basieren auf Oxiden, Carbiden oder Nitriden. Siliziumcarbid (SiC) gilt dabei vor allem wegen der
geringen Porosität (gasdicht), der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und den guten mechanische Eigenschaften als guter Werkstoff.
Die keramischen Block- und Rohrbündel-Wärmetauscher bieten sich vor allem für
die Stahl und Glasindustrie an. Bei großen Rauchgasströmen werden ausschließlich
Rohrbündel-Wärmetauscher angewandt. Diese zeichnen sich durch geringere
Druckverluste aus und sind weniger empfindlich gegenüber staubbeladenen Medien
als Block-Wärmetauscher. Ein weiteres Einsatzgebiet von Keramik-Wärmetauscher
ist die Brennwerttechnik. Während Keramikwerkstoffe in der Vergangenheit typischerweise als Regeneratormaterial verwendet wurden, sind nun auch zunehmend
Rekuperatoren insbesondere aus technischer Keramik (z. B. SiC) oder mit Keramikbeschichtung zu finden. Höchste Anforderungen bezüglich Temperatur und
Korrosionsbeständigkeit machen den Einsatz dieser Werkstoffe im WärmetauscherBereich interessant. SiC zeichnet sich zudem durch hohe mechanischer Festigkeit
und Abrasionsbeständigkeit bis zu Temperaturen von 1400 °C aus.
Graphit
Graphit steht als Werkstoff sowohl in imprägnierter als auch nicht imprägnierter
Form zur Verfügung. Wegen seiner Porosität erbringt letzterer nicht die für den
Apparatebau benötigte Dichtigkeit und wird daher nur für Einbauteile verwendet.
Kunstharzimprägnierter Elektrographit zeichnet sich durch seine hervorragende
Korrosionsbeständigkeit, hohe Thermoschockfestigkeit und insbesondere gegenüber
anderen Nichtmetallen durch seine guten mechanischen Eigenschaften aus. Der
Einsatz ist bedingt durch den Kunstharzanteil auf Temperaturen unter 200 °C beschränkt. Als Hauptbauformen dieser Graphit-Wärmetauscher können Rohrbündelund Blocktauscher genannt werden, wobei auch Platten-Wärmetauscher, jedoch mit
kleinen Baugrößen, zunehmend zum Einsatz kommen.
Für die Abwärmenutzung aggressiver Rauchgase mit oder ohne Taupunktunterschreitung bieten sich Rohrbündel-Wärmetauscher aus Graphit an. Diese Bauart
findet ebenso als Verdampfer Verwendung. Weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben
sich durch die verstärkte Nutzung der Brennwerttechnik. Block-Wärmetauscher
werden vor allem in der chemischen Industrie zur Kondensation bzw. Verdampfung
von Säuren eingesetzt.
125
Die Entwicklung von Platten-Wärmetauscher aus imprägnierten Elektrographit eröffnet zusätzliche Einsatzbereiche. Somit kann die Wirtschaftlichkeit weiter erhöht
werden.
Glas
Glasrohre werden bei Rohrbündel-Wärmetauscher eingesetzt, in denen Wärme von
Rauch oder Abgasen auf Luft oder flüssige Medien übertragen wird. GlasrohrWärmetauscher werden in Wärmerückgewinnungsanlagen mit aggressiven Abgasen
eingesetzt, z. B. in Müllverbrennungsanlagen, Rauchgaswaschanlagen sowie in der
chemischen Industrie.
Die Glasrohre werden aus Borsilikatglas hergestellt. Die technisch glatte und porenfreie Oberfläche der Glasrohre verringert Verschmutzungen und damit die Druckverluste. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnungsanlage verbessert sowie der Reinigungsaufwand verringert. Glasrohr-Wärmetauscher sind
gegen praktisch alle Rauchgas-Schadstoffe bis auf Fluor (Flusssäure) chemisch beständig. Die maximale Rauchgastemperatur liegt bei 500 °C.
Kunststoffe
Bei Kunststoffen steht die hohe chemische Beständigkeit im Vordergrund. Trotz der
geringer Wärmeleitfähigkeit und den niedrigen zulässigen Medientemperaturen
(T < 180 °C) findet dieser Werkstoff zunehmend Anwendung. Kunststoffe lassen
sich sehr gut verarbeiten und gestalten. Kunststoff-Wärmetauscher werden vor allem im Gas-Flüssig (aggressives Rauchgas) bzw. Flüssig-Flüssig-Betrieb (feststoffreiche Medien) eingesetzt. Übliche Bauform ist dabei der Rohrbündeltauscher.
Um zu technisch und ökonomisch günstigsten Lösungen zu kommen, ist bei der
Werkstoffauswahl in der Praxis auch an die Kombination verschiedener Materialien
zu denken. Dies umfasst sowohl verschiedene Werkstoffe für Rohre und Wandung,
als auch beschichtete Bauteile. Im Bereich der Wärmerückgewinnung bietet sich
Kunststoff als Alternative zum Werkstoff Metall vor allem bei aggressiven Medien
und bei Kondensationsbetrieb an. Als begrenzende Faktoren des Einsatzes muss der
eingeschränkte Temperatur (Tmax < 250 °C) und Druckbereich (pmax < 10 bar) genannt werden. Der Nachteil der geringerer Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen
kann dagegen über die erhöhten konstruktiven und fertigungstechnischen Freiheitsgrade ausgeglichen werden. Grundsätzlich sind auch kunststoffbeschichtete MetallWärmetauscher möglich.
126
2.7.2.3
Wärmetauscher-Systeme
Neben dem eigentlichen Wärmetauscher besteht ein System zur Wärmerückgewinnung aus folgenden Komponenten:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
sicherheitstechnische Einrichtungen,
(elektronische) Regelung,
Regelventile und andere Armaturen,
Bypass,
Hilfsapparate und -einrichtungen (z. B. Messstellen),
Pumpen,
Stützgerüst,
Übergangshauben und Rohre und
Isolierung.
Regelungen dienen zum Ausgleich von Störungsgrößen des Systems durch
Schwankungen der Prozess- und Betriebsbedingungen. Sie sorgen für eine effektive
Übertragung der gegebenen Energieströme auch bei einer Änderung der anfallenden
Wärmekapazitätsströme und sichern das Wärmetauscher-System gegen Überlastungen ab. Bei rauchgasbetriebenen Anlagen dient z. B. die Bypassklappe als Stellglied
für die Regelung der Stellgröße Wärmekapazitätsstrom. Dabei kann bei kritischen
Abweichungen von den Auslegungsbedingungen Rauchgas teilweise oder ganz am
Wärmetauscher-Bereich vorbeigeleitet werden. Dies kann beispielsweise notwendig
werden, wenn primärseitig die Temperatur unzulässig hoch ansteigt, sekundärseitig
die Energieabnahme nicht entsprechend gewährleistet ist oder Rauchgas temporär
mit erhöhter Korrosivität (z. B. beim Salzblasen in Aluminiumhütten) anfällt.
Armaturen dienen sowohl zur Überwachung als auch zur Sicherung des ordnungsgemäßen Betriebs der Anlagen.
Pumpen sind vielfach notwendig, um einen gleichmäßigen Fluidstrom zu gewährleisten. Stützgerüste dienen der Befestigung der Anlagen, Übergangshauben und
Rohre der Anpassung an die vorgegebenen Anschlussmaße und zusätzliche Isolierungsmaßnahmen der Verhinderung von Energieverlusten.
2.7.2.4
Dimensionierungsbeispiel und Parameter-Variation
Wärmetauscher werden für einen definierten, energetisch optimierten Betriebsfall
ausgelegt. Ein späterer Betrieb des Wärmetauscher bei veränderten oder schwankenden Betriebsbedingungen ist nur bis zu bestimmten Grenzbedingungen möglich
und führt zu einer Änderung der übertragenen Energie, des Wärmedurchgangskoeffizienten (k-Wert) und des Druckabfalls der Medien. Das im Folgenden beschriebene Beispiel ist Kuhn et al. (1994) entnommen und soll die Bedeutung einer zweck-
127
optimierten Auslegung eines Wärmetauscher für sein energetisches Betriebsverhalten aufzeigen.
Das Beispiel behandelt einen Rauchgas/Wasser-Glattrohr-Wärmetauscher in säurebeständiger Ausführung zur Wärmerückgewinnung bei einem Tunnelofen in der
Ziegelindustrie. Der Wärmetauscher ist für folgende Daten ausgelegt:
Tauscherfläche:
A = 103, 5 m2
Stömungsführung:
Druck primärseitig:
Druck sekundärseitig:
Temperaturen:
Gegenstrom
p < 50 mbar
p < 6 bar
t11 = 230° C
t12 = 120° C
t21 = 35° C
t22 = 85° C
mittl. log. Temperaturdifferenz:
Massenstrom primär:
∆tm = 112, 3K
m 1 = 27748 kg h
Massenstrom sekundär:
m 2 = 16000 kg
Leistung:
Q = 930kW
Wärmeübergangskoeffizient:
k = 80 W
h
m2 K
spez. Wärmekapazität des Rauchgases c: c = 1, 096 kJ
kg K
Im Folgenden wird jeweils die Änderung einer Betriebsgröße untersucht und die
Auswirkung auf die abhängigen Betriebsgrößen graphisch dargestellt.
Änderung des primären Massenstroms:
Der primäre Massenstrom wird zwischen 50 % und 200 % des Massenstroms im
Auslegungsfall variiert. Die Eintrittstemperaturen t11 und t21 bleiben unverändert.
Die Auswirkungen auf die übertragene Leistung und die Austrittstemperaturen t12
und t22 sind in Abbildung 34 dargestellt.
Bei einer Reduzierung des primären Massenstroms auf die Hälfte des Auslegungsfalles geht die übertragene Leistung auf 677 kW (72,8 % der Leistung im Auslegungsfall) zurück. Die Temperatur des primären Mediums am Austritt des Wärmetauscher t12 ergibt sich zu 70 °C (gegenüber 120 °C im Auslegungsfall), die Tempe-
128
ratur t22 beträgt 71 °C (gegenüber 85 °C). Diese Werte wurden ohne Berücksichtigung eventueller Kondensation der Rauchgase berechnet.
180
1.200
°C
160
kW
Leistung
1.000
140
800
t12
t22
100
600
80
400
60
Leistung
Tempera tur
120
40
200
20
0
0
50%
75%
100%
125%
150%
175%
200%
mc1/mc1, nenn
Abbildung 34: Temperatur und Leistung in Abhängigkeit vom primären Wärmekapazitätsstrom m1c1
Bei einer Erhöhung des primären Massenstroms auf das Doppelte des Auslegungsfalles steigt die übertragene Leistung auf 1100 kW (118 % der Leistung im Auslegungsfall). Die Temperatur des primären Mediums am Austritt des Wärmetauscher
t12 ergibt sich zu 165 °C (gegenüber 120 °C im Auslegungsfall), die Temperatur t22
beträgt 94 °C (gegenüber 85 °C).
Eine Änderung des primären Massenstroms führt zu einer gleichsinnigen Änderung
der übertragenen Leistung und der Austrittstemperatur des sekundären Massenstroms m2. Jedoch besteht zwischen diesen Größen kein linearer Zusammenhang. In
Abbildung 35 ist zu erkennen, dass der Wirkungsgrad mit zunehmendem Massenstrom abnimmt.
129
90%
1.200
Leistung
kW
80%
1.000
70%
800
Wirkungsgrad
50%
600
40%
30%
Leistung
Wirkungsgrad
60%
400
20%
200
10%
0
0%
50%
75%
100%
125%
150%
175%
200%
mc1/mc1, nenn
Abbildung 35: Wirkungsgrad und Leistung in Abhängigkeit vom primären Wärmekapazitätsstrom m1c1
Änderung des sekundären Massenstroms
In Abbildung 36 sind die übertragene Leistung und die Temperaturen t12 und t22
über die Variation des sekundären Massenstroms von 50 % bis 200 % des Massenstroms im Auslegungsfall grafisch dargestellt.
Die Leistung steigt mit zunehmendem sekundären Massenstrom an, die beiden
Austrittstemperaturen sinken. Bei sekundären Massenströmen unter 75 % des Auslegungsfalles kommt es zu einer Verdampfung des sekundären Mediums, wodurch
der Wärmetauscher auf Grund des Druckanstieges zerstört werden könnte. Die
Leistung beträgt zwischen 900 kW (97 % der Auslegungsleistung) und 980 kW
(105 %), die Austrittstemperatur des primären Mediums zwischen 124 °C und
114 °C (gegenüber 120 °C im Auslegungsfall) und die Austrittstemperatur des zu
erwärmenden Medium zwischen 100 °C und 61 °C (gegenüber 85 °C). In
Abbildung 37 ist zu erkennen, dass der mit zunehmendem Massenstrom zunimmt.
130
Leistung
140
980
t12
°C
kW
960
120
940
100
900
60
880
40
860
20
Leistung
Temperatur
920
t22
80
840
0
820
50%
75%
100%
125%
150%
175%
200%
mc2/mc2, nenn
Abbildung 36: Temperatur und Leistung in Abhängigkeit vom sekundären Wärmekapazitätsstrom m2c2
Wirkungsgrad
60%
980
kW
960
50%
Leistung
940
920
30%
900
880
20%
860
10%
840
0%
820
50%
75%
100%
125%
150%
175%
200%
mc2/mc2, nenn
Abbildung 37: Wirkungsgrad und Leistung in Abhängigkeit vom sekundären
Wärmekapazitätsstrom
Leistung
Wirkungsgrad
40%
131
Änderung der Eintrittstemperatur des Abwärmestroms t11:
In Abbildung 38 sind die abhängigen Betriebsgrößen über der Temperatur t11 aufgetragen. Bei Eintrittstemperaturen über 285 °C kommt es zu einer Verdampfung
des sekundären Mediums. Der Wirkungsgrad ändert sich bei diesem Wärmetauscher bei einer Änderung der Temperatur t11 nicht und bleibt wie im Auslegungsfall
bei 56 %, auf eine grafische Darstellung wird daher verzichtet.
2.500
250
°C
kW
2.000
200
t12
1.500
Leistung
100
1.000
t22
Leistung
Temperatur
150
500
50
0
0
115
215
315
415
°C
t11 (Auslegungsfall: 230°C)
Abbildung 38: Temperatur und Leistung in Abhängigkeit vom der primären Eintrittstemperatur t11
Änderung der Eintrittstemperatur des sekundären Massenstroms t21:
In Abbildung 39 sind die abhängigen Betriebsgrößen über der Temperatur t21 aufgetragen. Bei Eintrittstemperaturen über 55 °C kommt es zu einer Änderung des
Aggregatzustandes des sekundären Mediums. Der Wirkungsgrad ändert sich bei
diesem Wärmetauscher bei einer Änderung der Temperatur t21 nicht und bleibt wie
im Auslegungsfall bei 56 %, auf eine grafische Darstellung wird daher verzichtet.
132
140
1.200
t12
°C
kW
120
1.000
Leistung
100
80
600
60
400
Leistung
Temperatur
800
t22
40
200
20
0
0
17,5
35
52,5
°C
70
t21 (Auslegungsfall: 35°C)
Abbildung 39: Temperatur und Leistung in Abhängigkeit von der sekundären Eintrittstemperatur t21
2.7.3
Über den Bestand an Wärmetauschern in der Industrie bzw. im Kleinverbrauch gibt
es keine belastbaren Informationen. Aus diesem Grund lassen sich auch keine Energieeinsparpotenziale quantifizieren. Es können lediglich grobe Tendenzen, die im
Rahmen des IKARUS-Projektes zusammengefasst wurden, wiedergegeben werden.
In Kröplin et al. (1991) wurden die in der Industrie anfallenden Abwärmemengen
ermittelt, die in drei Temperaturbereiche unterteilt sind. Neben chemisch gespeicherter (z. B. bei unvollständiger Verbrennung) und Strahlungsenergie fällt unter
den Begriff Abwärme Energie, die bei Abkühlung oder Änderung des Aggregatzustandes eines Stoffstromes frei wird. Abbildung 40 zeigt, dass in der gesamten Industrie rd. 56 % der Abwärme diffus, z. B. als Abstrahlungsverluste an die Umgebung, anfallen und sich so weitgehend einer Nutzung entziehen. Von der konzentriert anfallenden Abwärme (44 %) liegt rd. Die Hälfte im gut nutzbaren Temperaturbereich zwischen 150 und 500 °C, ein Viertel sogar bei über 500 °C.
133
Diffu
seAbgabe 56
%
MT 12%
NT 35%
HT 9%
NT 10%
HT 11%
Kon
zentri
MT 23%
e
erteAbgab
44
%
Abbildung 40: Aufteilung des industriellen Abwärmeanfalls nach Temperaturbereich und Art
2.7.3.1
Weiterentwicklungen und Tendenzen
Rohrbündel-Wärmetauscher haben auf Grund ihrer universellen Verwendbarkeit
den größten Marktanteil aller Wärmetauscher. Sowohl hinsichtlich des Preises wie
der Wärmeübergangskoeffizienten ist für die Zukunft mit keiner wesentlichen Entwicklung zu rechnen. Bei niedrigen Temperatur- und Druckbeanspruchungen wird
der Rohrbündel-Wärmetauscher teilweise von anderen Bauformen wie z. B. dem
Platten-Wärmetauscher verdrängt werden.
Platten-Wärmetauscher werden einen steigenden Anteil am Wärmetauscher-Absatz
für sich verbuchen können und in weitere Anwendungsgebiete vordringen. Insbesondere durch die Möglichkeit, die Strömungskanäle für beide Medien getrennt
optimal zu gestalten, lassen sich die Wärmeübergangsleistungen in manchen
Einsatzbereichen steigern. Durch weitere Optimierung der Plattenkonstruktion können noch geringere Plattendicken und damit preisgünstigere Wärmetauscher mit
höheren Wärmedurchgangskoeffizienten realisiert werden. Geschweißte PlattenWärmetauscher mit ihrem weiten Druck- und Temperaturbereich werden in Zukunft
auch in größeren Baugrößen erhältlich sein.
Bei Wärmerohraustauschern sind keine wesentlichen technischen Entwicklungen zu
erwarten. Da sich Wärmerohraustauscher wegen ihrer kompakten Abmessungen
sehr gut für den nachträglichen Einbau in bestehende Systeme eignen und in Zukunft verstärkt in die Wärmerückgewinnung investiert werden wird, können für
diese Bauart zukünftig größere Produktionsmengen und damit tendenziell fallende
Preise erwartet werden.
134
Rotierende regenerative Wärmetauscher werden auf Grund ihrer kompakten und
preisgünstigen Bauweise einen größeren Marktanteil erreichen. Auch der Markanteil von Kunststoff- und Graphit-Wärmetauscher wird wegen der hohen chemischen
Beständigkeit dieses Werkstoffes steigen.
Die gegenwärtigen Entwicklungen im Bereich keramischer Werkstoffe lassen zukünftig ein erweitertes Einsatzgebiet erwarten. Dabei ist insbesondere an die Lösung von Korrosionsproblemen mit Hilfe keramischer Wärmetauscher zu denken,
sowie an die Substitution von hochlegierten Stählen und Titanlegierungen und an
die kompaktere Gestaltung von Wärmetauscher-Systemen im Hochtemperaturbereich Kuhn et al. 1994).
2.7.3.2
Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz
Durch die Wärmeleitfähigkeit, die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstoffes sowie die Dicke der Wärme übertragenden Oberfläche wird der Wärmedurchgangskoeffizient und damit die übertragene Leistung beeinflusst. Durch geeignete Konstruktion und Materialauswahl kann die Effizienz des Wärmetauscher gesteigert
werden. Bei der Wahl des Werkstoffes und der Konstruktion spielen aber auch
Preisfragen und mechanische Beanspruchungen eine große Rolle.
Die übertragene Leistung im Wärmetauscher hängt wesentlich von der Wärmetauscher-Fläche ab. Die Wärmetauscher-Fläche kann durch Rippen vergrößert werden
(z. B. Rippenrohr-Wärmetauscher, Lamellen-Wärmetauscher). Dies bietet sich vor
allem bei niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten (z. B. Gas-Wärmetauscher) an.
Durch Verschmutzung der Wärmetauscher-Fläche wird der Wärmeübergang verringert. Verschmutzungen können durch entsprechende Werkstoffe (sehr glatte Oberflächen), Bauformen (z. B. Spiral-Wärmetauscher) und Betriebsbedingungen
(z. B. hohe Mediengeschwindigkeiten) verringert werden. Des Weiteren können
Wärmetauscher gereinigt oder mit automatischen Reinigungssystemen versehen
werden.
Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten wird der Wärmeübergangskoeffizient
vergrößert. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit führt aber zu einem erhöhten
Druckverlust. Auch eine verstärkte Turbulenz in der Strömung vergrößert den
Wärmeübergang, sie hat aber auch einen erhöhten Druckverlust zur Folge. Turbulenzen können durch eine Prägung der Wärmetauscher-Platten oder durch Umlenkeinbauten erzeugt werden.
Die übertragene Leistung hängt auch von dem physikalischen Zustand der Medien
ab (z. B. Temperatur und Druck). Luft als primäres Medium kann vor Eintritt in den
Wärmetauscher befeuchtet werden und dadurch der Wärmeübergang gesteigert
werden (Kuhn et al. 1994).
135
2.7.4
Literatur
Kröplin, Leis, Ilmberger, Schaefer, Wagner (1991): Rationelle Wärmenutzung in
kleinen und mittleren Betrieben, Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.,
München
Kuhn, S., Kuhn, H., Röhrl, Leis, Münzer (1994): IKARUS Teilprojekt 8, Wärmetauscher zur Abwärmenutzung, Münzer Kuhn Leis Ingenieurgesellschaft
mbH, München, Forschungszentrum Jülich GmbH
Statistisches Bundesamt (2002): Systematisches Güterverzeichnis für die Produktionsstatistiken, Ausgabe 1995(Gp95),Wiesbaden
136
2.8
Elektrische Antriebe (FfE)
Im Jahr 1999 wurden 48,1 % des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland für die
Umwandlung in mechanische Energie verwendet (IfE 2000). Dies entspricht einer
Energiemenge von 817 PJ oder 227 TWh. 27,1 % des Gesamtstromverbrauchs bzw.
56,3 % des Kraftstromverbrauchs entfielen dabei auf den Sektor Industrie, 10,5 %
bzw. 21,8 % auf den Sektor Kleinverbrauch (Tabelle 32). Auf die Krafterzeugung
in diesen beiden Verbrauchssektoren entfallen damit 37,6 % des gesamten Jahresstromverbrauchs. Dies entspricht 639 PJ oder 177 TWh. Teilt man umgekehrt die in
den verschiedenen Sektoren verbrauchten elektrischen Energiemengen auf die unterschiedlichen Nutzungen auf, so ergeben sich Anteile der mechanischen Energie
von 63,5 % in der Industrie und 39,1 % beim Kleinverbrauch.
Tabelle 32: Stromverbrauch in Industrie und Kleinverbrauch in 1999
Sektor
Anteil am gesam- Anteil Kraftstrom am Verbrauch Verbrauch
in PJ
in TWh
ten StromStromverbrauch des
verbrauch
Sektors
Industrie
27,1 %
63,5 %
461
128
Kleinverbrauch
10,5 %
39,1 %
178
49
Summe bzw.
Durchschnitt
37,6 %
54,1 %
639
177
2.8.1
Untersuchungen des Zentralverbandes der Elektrotechnischen Industrie (ZVEI)
zufolge sind ca. 70 % der in Deutschland produzierten Elektromotoren DrehstromAsynchronmotoren mit Käfigläufer (Immel, Saller 1995). An der Gültigkeit dieser
Aussage aus dem Jahr 1995 hat sich auch in der Zwischenzeit nichts geändert, wie
Recherchen bei Herstellern und Aussagen des ZVEI aus neuerer Zeit belegen. Der
Anteil von Drehstrommotoren wächst auf Grund der Fortschritte in der Regelungstechnik mit Stellgliedern sogar stetig.
Die ökonomische Lebensdauer von stationären elektrischen Antrieben wird nach
der gültigen bundesdeutschen AfA-Tabelle mit 8 Jahren angesetzt. In separat definierten Arbeitsmaschinen werden integrierte Antriebe über deren Lebensdauern
zwischen 5 und 10 Jahren abgeschrieben. Die Erfahrung zeigt in der Mehrzahl der
Fälle allerdings, dass die technische Lebensdauer vieler Antriebe höher ist. Ein Beispiel dafür sind Aufzugsantriebe, die zum Teil jahrzehntelang in Betrieb sind. Ein
Re-Investitionszyklus von 12 Jahren kann für die Masse der Elektromotoren realistisch angenommen werden.
137
Zur Verteilung der Motorsysteme auf (drehzahl-)variabel und konstant betriebene
Systeme in Deutschland gibt es kein aktuelles Datenmaterial, da in dieser Detailschärfe weder von Herstellern noch von Verbänden oder Bundesämtern eine detaillierte Statistik geführt wird. Die hier zugrunde gelegte Datenbasis bezüglich der
Verteilung der Motorgrößen und Nutzungen entstammt einer Studie aus dem Jahr
1999 mit Datenmaterial aus dem Jahr 1992 (Reichert et al. 1999).
An der Verteilung auf die Leistungsklassen dürfte sich in der Zwischenzeit durch
die Langlebigkeit des Motorenbestands und die annähernd gleichmäßige Nachfrageentwicklung in den verschiedenen Leistungsklassen relativ wenig geändert haben.
Danach konnte folgende Verteilung festgestellt werden:
Tabelle 33: Anzahl und Leistung der Elektromotoren im Bestand im Jahr 1992 in
den alten Bundesländern
Leistungsklasse
[kW]
Drehstrom
Wechselstrom (1-phasig)
Gesamt
Installierte
Leistung
[Mio.]
[%]
[GW]
[%]
0,75-7,5
24
56
75
34
7,5-75
1,7
4
51
23
75-750
0,15
0
48
22
0,0082
0
16
7
Gesamt
26
60
190
86
0,75-7,5
0,8
2
3
1
7,5-75
0,13
0
4
2
75-750
0,04
0
12
5
>750
0,001
0
3
1
Gesamt
1
2
21
10
0,1-2
16
37
8
4
43
100
220
100
>750
Gleichstrom
Anzahl
Quelle: Reichert et al. 1999
Aus Tabelle 33 kann ersehen werden, dass 60 % der Motoren entsprechend 86 %
der installierten Leistung mit Drehstrom betrieben werden. Die größte Anzahl der
Wechselstrommotoren werden im Sektor Haushalte in verschiedenen Haushaltsgeräten betrieben (Langgassner 2001). Die installierte Leistung beträgt auf Grund der
typischen geringen Leistungen der Wechselstrommotoren von bis zu 2 kW nur unter 4 %. Der Marktanteil der Gleichstrommotoren hat sich im Nachgang zur genannten Studie auf Grund der starken Verbreitung mittels Stellglieder geregelter
Drehstromantriebe tendenziell verringert.
138
Im Folgenden wird, um den Rahmen dieses Kapitels nicht zu sprengen, lediglich
auf das eigentliche Kraft übertragende elektrische Antriebssystem, also die Elektromotoren und die Stellglieder eingegangen.
Die Unterscheidung von konstant oder stufenweise betriebenen Motoren und von
drehzahlgeregelten Motoren ist insofern für die folgende Untersuchung von Interesse, weil Elektromotoren belastungsabhängig veränderliche Wirkungsgrade besitzen.
So ergeben sich für letztere Optimierungsansätze wie die Drehzahlregelung über
Frequenzumrichter, die für gleichmäßig belastete Motoren nicht relevant sind.
2.8.2
Elektrische Antriebe wandeln elektrische Energie in mechanische (Rotations-)
Energie um. Der Motor treibt eine Arbeitsmaschine an, die die mechanische Energie aufnimmt, wie z. B. eine Werkzeugmaschine, eine Pumpe, ein Kompressor oder
ein Ventilator. Alleine die drei letztgenannten Geräteklassen verbrauchen ca. 36 %
der elektrischen Energie im Sektor Industrie.
Der Aufbau der Antriebe ist abhängig von der Komplexität der Aufgabenstellung.
Einfachste Formen des Antriebs bestehen aus einem einstufigen, ungeregelten Elektromotor ohne weitere Zusatzvorrichtungen (z. B. Lüftermotoren für Prozessorkühler in Personal-Computern). Anspruchsvollere Aufgabenstellungen wie punktgenaues Stellen unter hohen Belastungen und Beschleunigungen (z. B. Montageroboter in Fertigungsstraßen im Automobilbau) werden mit mehrteiligen Antriebssystemen realisiert, die aus Motor, Strom- bzw. Frequenzrichter und Regelungseinheit bestehen (siehe Abbildung 41).
Quelle: Immel, Saller (1995)
Abbildung 41: Schema des Verbundes Antriebssystem + Arbeitsmaschine
139
Dieser Aufbau wird auch als „Variable Speed Drive“ (VSD) bezeichnet. Auch
Bauteile zur Erhöhung der Betriebssicherheit wie z. B. Einrichtungen zum Anlagenfeinschutz und redundante Stromversorgungseinrichtungen als Backup-Systeme
sind dort in der Regel vorhanden.
2.8.2.1
Elektromotoren
Für den Betrieb am Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstromnetz wurde eine
Vielzahl von Motorbauarten entwickelt, die in Tabelle 34 zusammengefasst sind. Es
lassen sich drei Maschinentypen definieren, die eine grundlegende Einteilung von
Elektromotoren erlauben, Gleichstrommaschine (GSM), Asynchronmaschine
(ASM) und Synchronmaschine (SM).
Tabelle 34: Gliederung und Einsatz von Elektromotoren für stationäre Antriebe
Stromart
Motorenart
Gleichstrom
Gleichstrommotor (GSM)
Wechselstrom
Universalmotor
EinphasenAsynchronmotor
Ausführung,
Bauform
Permanenterregte
GSM
Haupteinsatzgebiete
Fremd- oder
selbsterregte GSM
Hauptantriebe für Werkzeugmaschinen, Hebezeuge,
Walzwerke, Förderanlagen
E-Werkzeuge, Haushaltsgeräte
Lüfter, Pumpen, Gebläse,
Haushaltsgeräte
Pumpen, Gebläse, Haushaltsgeräte, Werkzeuge
50 W – 2
kW
5 W – 150
W
50 W – 2
kW
Gruppenantriebe in der Textilindustrie, Extruder
Druck- und Papiermaschinen,
Textilindustrie
100 W – 10
kW
1 kW – 150
kW
Standardindustrieantriebe
(z. B. Pumpen, Gebläse,
Bearbeitungsmaschinen,
Fördertechnik)
Hebezeuge, Pumpen und
Verdichter
Fördertechnik
100 W – 50
MW
EinphasenKommutatormotor
Spaltpolmotor
Kondensatormotor
Drehstrom
EinphasenSynchronmotor
DrehstromNeben-Schlussmotor
Asynchronmotor(ASM)
Reluktanzmotor
DreiphasenKommutatormotor
Käfigläufermotor
Schleifringläufermotor
Linearmotor
Synchronmotor(SM)
Quelle: Fischer 1989
permanenterregte
SM
fremd- oder selbsterregte Schenkelpolmaschine
fremd- oder selbsterregte Vollpolmaschine
Leistungsbereich
Feinwerktechnik, Hilfsantrie- < 1 W – 30
be im Kfz, Servoantriebe
kW
Servoantriebe, Gruppenantriebe
langsam laufende Industrieantriebe
Verdichter-, Mühlenantriebe
10 kW – 10
MW
10 kW – 10
MW
100 W 100 kW
100 W – 10
kW
5 kW ≥ 1 MW
100 kW - ≥
1 MW
140
Die verschiedenen Motortypen unterscheiden sich in der Komplexität des Aufbaus
erheblich (Langgassner 2001). In den Bereichen, in denen Dreh- oder Wechselfelder vorhanden sind, werden die magnetflussführenden Eisenteile zur Verminderung
von Eisenverlusten geblecht ausgeführt. Bei gerichteten Feldern oder permanent
magnetisierten Bauteilen ist diese Maßnahme überflüssig.
Für den Aufbau eines koppelnden Magnetfeldes gibt es verschiedene Methoden.
Die Induzierung eines elektrischen Stroms in eine Läuferwicklung über Schleifringe
oder Bürsten ist mit mechanischen Verlusten verbunden und wegen des Abriebs der
Kontakte nicht wartungsfrei realisierbar. Die Regelbarkeit der Erregung ist dabei
gut. Bei Erregung durch Permanentmagneten entfällt dieses mechanische Element.
Dafür ist die Steuerbarkeit des Erregerfeldes weniger effektiv. Ein typisches
Einsatzfeld für eine permanent erregte Maschine ist eine Synchronmaschine zum
Antrieb einer Umwälzpumpe mit Nassläufer.
Typische Nutzungen der verschiedenen Maschinentypen im motorischen Bereich:
•
GSM: Im Umrichterbetrieb als drehzahlgesteuerte Antriebe, Stell- und Servomotoren, üblicherweise bis einige kW Nennleistung.
•
ASM: Im Umrichterbetrieb als drehzahlgesteuerte Antriebe. Solobetrieb in Arbeitsmaschinen aller Art, wie z. B. Werkzeugmaschinen.
•
SM: Im Umrichterbetrieb als drehzahlgesteuerte Antriebe bis zu höchsten
Nennleistungen von einigen 104 kW. Solobetrieb als Kleinstmotoren in Bereichen mit konstanten Drehzahlanforderungen, z. B. in der Audio- und Feinwerktechnik oder als Antrieb für messtechnische Aufbauten.
2.8.2.2
Stellglieder
Stellglieder der modernen Antriebstechnik ermöglichen Drehzahländerungen über
den gesamten Drehzahlbereich eines Motors. Dies geschieht über die verlustarme
Stellung der speisenden Größen Motorstrom, -spannung und -frequenz. Gleichzeitig
erfüllen moderne Stellglieder hohe Anforderungen in den Bereichen der Regelungstechnik (Drehzahl- und Drehmomentregelung), Regeldynamik, Gleichlaufgüte
bei Gruppenantrieben, Sanftanlauf, Wartung, Inbetriebnahme, Verfügbarkeit, Bedienkomfort, Robustheit, Geräuschentwicklung, Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Wirkungsgrad (Immel, Saller 1995).
Bei Drehstromantrieben spricht man im Allgemeinen von Frequenzumrichtern, bei
Gleichstromantrieben von Stromrichtern.
141
Frequenzumrichter für Synchron- und Asynchronmaschinen
Frequenzumrichter setzen die nach Amplitude und Frequenz konstante Netzspannung in ein dreiphasiges Spannungssystem variabler Frequenz und Amplitude um.
Generell unterscheidet man bei Frequenzumrichtern zwischen zwei Techniken:
Zwischenkreisumrichter mit Gleichgrößenzwischenkreis
• Direktumrichter.
•
Zwischenkreisumrichter mit Gleichgrößenzwischenkreis gliedern sich wiederum
abhängig von der Art ihrer Glättungsglieder in zwei Techniken:
•
Stromzwischenkreisumrichter (I-Umrichter) mit Stromverstellung durch netzgeführten Gleichrichter (induktive Glättung)
•
Spannungszwischenkreisumrichter (U-Umrichter oder Pulsumrichter) mit Spannungsverstellung durch Pulsen (kapazitive Glättung)
Wegen der hohen Anforderung an Dynamik und Genauigkeit der Ausgangsgrößen
kommen in erster Linie U-Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung in
Frage.
Stromrichter für Gleichstrommaschinen
Die Drehzahlstellung von Gleichstrommaschinen ist durch Variieren der Ankerspannung und des Erregerfeldes möglich. Früher wurde dies durch umschaltbare
Vorwiderstände oder Leonardumformer erreicht, wogegen heute überwiegend
Stromrichter oder Gleichstromsteller zum Einsatz kommen. Stromrichter wandeln
die Drehstrom-Eingangsspannung in eine variable Gleichspannung um. In der Industrie werden GSM meist über netzgeführte Stromrichter betrieben.
Für Leistungen bis etwa 10 kW werden Zweipulsbrückenschaltungen zum Anschluss an das Wechselstromnetz angeboten. Ein Vierquadrantenbetrieb wird durch
eine Antiparallelschaltung zweier Brücken realisiert. Sechspulsbrückenschaltungen
ermöglichen einen Betrieb am Drehstromnetz und kommen für Leistungen bis über
1 MW zum Einsatz. Auch hier ist ein Vierquadrantenbetrieb durch Antiparallelschaltung einer zusätzlichen Brücke möglich.
Eine weitere Methode, GSM drehzahlgeregelt zu betreiben, bietet die Gleichstromstellertechnik. Im Gegensatz zum netzgeführten Stromrichter wird nicht aus
der Wechsel- oder Drehspannung des Netzes eine veränderliche Gleichspannung
erzeugt, sondern vielmehr die Gleichspannung eines Gleichstromnetzes variiert. In
den meisten Fällen steht jedoch kein Gleichstromnetz zur Verfügung, so dass
Stromrichter einzusetzen sind.
142
Für die Auswahl des geeigneten Stromrichters muss neben den Nenndaten auch die
Betriebsweise der GSM bekannt sein. Ob der Antrieb im Motorbetrieb für eine oder
beide Drehrichtungen eingesetzt wird oder ob eine Möglichkeit zur Nutzbremsung
vorzusehen ist, die GSM also im Ein- bzw. Zweiquadranten oder Vierquadrantenbetrieb arbeiten soll, ist vorher abzuklären. Stromrichter verursachen kommutierungsbedingte Spannungseinbrüche, die durch Kommutierungsdrosseln zwischen
Stromrichter und Motor im Zusammenhang mit Motor- und Netzinduktivitäten zu
beherrschen sind.
2.8.2.3
Wichtige Kenngrößen von elektrischen Antrieben
Im Folgenden werden einige im Zusammenhang mit der Erfüllung der Antriebsaufgabe wichtige Kenngrößen erläutert.
•
Anlaufmoment MA: Moment, das der Motor im Stillstand liefert.
•
Anlaufstrom IA: Strom, der sich beim Anlaufen des Motors einstellt. Bei direktem Einschalten tritt in den Ständerwicklungen des Motors ein unter Umständen
sehr hoher Anlaufstrom auf, der ein Mehrfaches des Nennstromes betragen kann.
•
Hilfsenergieverbrauch für Kühlung: Zusätzlicher Energiebedarf für eine
Zwangslüftung. Gerade bei wenig effizienten Motoren mit hohen als Wärmestrom frei werdenden Verlustleistungen ist der Anteil für Hilfsenergieverbräuche
am gesamten Energieeinsatz der Maschine wesentlich.
•
Leistungsfaktor cos ϕ: Der Leistungsfaktor beschreibt das Verhältnis von
Wirkleistung zur Scheinleistung. Der Winkel ϕ entspricht der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.
•
Maximale Motordrehzahl nmax: Maximal mögliche Drehzahl, die im Feldschwächbetrieb erreicht werden kann. Hierbei treten noch keine mechanischen
Schäden am Rotor und in den Lagern auf.
•
Maximale Überlastdauer tmax: Zeitdauer, in der noch keine Wicklungs- bzw.
Halbleiterschäden bei Überlastung auftreten. Die zulässige Überlastdauer ist vom
Ausgangsstrom des Umrichters abhängig.
•
Maximales Moment Mmax: Maximales Moment, das an der Welle abgegeben
werden kann, aber nicht unbedingt einen stabilen Betrieb der Maschine gewährleistet. Bei Drehfeldmaschinen entspricht Mmax dem Kippmoment MK.
•
Mechanische Grenzleistung Pmax: Leistung, die der Motor maximal abgeben
kann.
•
Nenndrehzahl nN: Drehzahl, die der Motor bei Nennmoment erreicht.
•
Nennleistung PN: Mechanische Wellenleistung, die im Nennpunkt des Motors
bei Dauerbetrieb (Betriebsart S1) an der Welle abgegeben wird.
143
•
Nennmoment MN: Moment, das der Motor an der Motorwelle bei PN und nN
liefert.
•
Nennstrom IN bei Anschlussspannung: Strom, der im Nennpunkt bei angegebener Anschlussspannung aufgenommen wird.
•
Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von Leistungsabgabe zur Leistungsaufnahme eines Systems.
•
Nutzungsgrad: Der Nutzungsgrad beschreibt das Verhältnis von Energieabgabe
zur Energieaufnahme eines Systems innerhalb eines definierten Bezugszeitraumes.
•
Ökonomische Lebensdauer: Zeitdauer, nach der der Motor bzw. der Umrichter
vollständig abgeschrieben ist.
•
Scheinleistung SN: Die Scheinleistung im dreiphasigen Netz ist das Produkt aus
3 , dem Effektivstrom und der Effektivspannung.
•
Technische Lebensdauer: Durchschnittlich zu erwartende Lebensdauer des
Motors bzw. des Umrichters bei regelmäßiger Wartung.
•
Überlastbarkeit: Die Überlastbarkeit gibt an, um wie viel Prozent der Motor
bzw. Umrichter bei UN und fN kurzzeitig mit einem höheren Drehmoment Mmax
als MN (∼ IN) belastet werden kann, ohne dass es zu einer Beschädigung kommt.
•
zulässige (Überlast-)Häufigkeit: Eine Überlastung des Antriebssystems führt zu
einer erhöhten Erwärmung der Wicklungen. Wird das Antriebssystem mehrmals
hintereinander überlastet, kann sich die Maschine u.U. nicht im ausreichendem
Maße abkühlen und der Temperaturgradient weiter ansteigen. Um eine Beschädigung der Motorwicklungen zu verhindern, darf eine zulässige Häufigkeit an
Überlastungen innerhalb einer bestimmten Zeitdauer nicht überschritten werden.
•
Schallleistung: Die Schallleistung ist eine von der Entfernung zur Schallquelle
unabhängige Größe, die es erlaubt, Maschinen unterschiedlicher Größe und
Form in Bezug auf ihre Schallemissionen miteinander zu vergleichen.
2.8.2.4
Normen und Richtlinien
Für die Beschaffung, die Messung und den Betrieb von elektromechanischen Energiewandlern gibt es eine Vielzahl an Richtlinien und Normen. Die wichtigsten dieser Normen sind in Tabelle 35 zusammengestellt.
144
Tabelle 35: Normen und Richtlinien für elektromechanische Energiewandler
Norm
Nummer
Teile
Titel
DIN EN
60204
Div. Teile
Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen
DIN EN
60034
Div. Teile
Drehende elektrische Maschinen
DIN IEC
34
Blatt 2
Messverfahren zur Wirkungsgradbestimmung
DIN
4000
Teil 39
Sachmerkmal-Leisten für umlaufende elektrische
Maschinen
DIN
42939
Div. Teile
Elektrische Maschinen; Maßbezeichnungen
DIN VDE
0530
Div. Teile
Umlaufende elektrische Maschinen
VDI
3736
Teil 1
Emissionskennwerte technischer Schallquellen;
Umlaufende elektrische Maschinen; Asynchronmaschinen
2.8.2.5
Stand im Hinblick auf den Energieverbrauch
Nach den oben genannten Annahmen wird von einem mittleren Alter der Geräte
von 6 Jahren ausgegangen, das entspricht einem Baujahr 1996 für heute betriebene
Geräte. Die Lebensdauer der Motoren wächst allerdings mit der Größe des Aggregates.
In verschiedenen Untersuchungen der Forschungsstelle für Energiewirtschaft Mitte
der 90er Jahre erreichte der mittlere Nutzungsgrad von gemessenen Antrieben jeweils einen Wert von ca. 60 % (VDI 1994). Dieser verhältnismäßig schlechte Wert
hat verschiedene Ursachen. So ist ein hoher Teillastanteil auf Grund zu großer
Auslegung von Motoren an der Tagesordnung. Bei Teillastbetrieb werden viele
Aggregate nicht durch Frequenzrichtung geregelt, sondern gedrosselt, was hohe
Verluste mit sich bringt.
In der Umrichtertechnik kann bei einem breiten Angebot an zuverlässigen leistungselektronischen Elementen ein Preisverfall von ca. 8-10 % pro Jahr (Reichert
1999) angenommen werden. Dadurch hat sich bereits in den letzten Jahren das Anwendungsspektrum frequenzgesteuerter Antriebe erheblich erhöht. Auch in den
nächsten Jahren wird ein stetig wachsendes wirtschaftliche Potenzial erwartet.
Durch hohe Stromkosteneinsparungen im Umrichterbetrieb amortisiert sich eine
Ertüchtigung von elektrischen Antrieben in Einzelfällen schon innerhalb von weniger als zwei Jahren.
145
2.8.3
Das wirtschaftliche Potenzial ist auf Grund der Tatsache, dass – abhängig von der
Lebensdauer und der jährlichen Laufzeit des Motors – die Stromkosten bis über
95 % der Lebenszykluskosten eines Elektromotors ausmachen (ZVEI 2001), sehr
groß. Dies belegt auch die Tatsache, dass ISR (2000a) das wirtschaftliche Potenzial
mit über 71 % des technischen Potenzials quantifiziert (Tabelle 36).
Tabelle 36: Relative technische und wirtschaftliche Energieeinsparpotenziale in
den Sektoren Industrie und Kleinverbrauch in Bezug auf das Basisjahr
1998
Maßnahme:
Einsatz hocheffi- Steuerung mittels
AuslegungsAggregiertes
zienter Motoren
Stellgliedern
optimierung und Einsparpotenzial
Nutzerverhalten
Technisches Einsparpotenzial
Industrie
2,7 %
9,8 %
3,4 %
15,9 %
Kleinverbrauch
3,7 %
11,0 %
1,2 %
15,9 %
Beide Sektoren
3,0 %
10.1 %
2,8 %
15,9 %
Wirtschaftliches Einsparpotenzial
Industrie
2,7 %
6,2 %
3,4 %
12,3 %
Kleinverbrauch
3,7 %
4,1 %
1,2 %
9,0 %
Beide Sektoren
3,0 %
5,6 %
2,8 %
11,4 %
Verhältnis zwischen technischem und wirtschaftlichem Einsparpotenzial
Industrie
100 %
63,3 %
100 %
77,4 %
Kleinverbrauch
100 %
37,3 %
100 %
56,6 %
Beide Sektoren
100 %
55,4 %
100 %
71,7 %
Quelle: Cremer, Kleemann et al. 2001
Bezogen auf den Stromverbrauch für elektrische Antriebe im Jahr 1999 von 177
TWh, beträgt das technische Einsparpotenzial insgesamt rund 28 TWh. Unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Faktoren beträgt das wirtschaftliche Potenzial in der
Industrie 15,7 TWh und das des Kleinverbrauchs 4,4 TWh. Das gesamte wirtschaftliche Einsparpotenzial liegt damit bei rund 20 TWh.
Die genannten Möglichkeiten zur Einsparung von Energie bei elektrischen Antrieben sollen im Folgenden kurz erläutert werden. Diese Änderungen unterscheiden
sich in Aufwand, Ertrag und Effizienz der Maßnahme erheblich.
146
Wirkungsgradverbesserungen der Motoren
Der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. nennt ein Einsparpotenzial von 1,4 % des jährlich in der Industrie verbrauchten Stroms durch Erhöhung des Motorwirkungsgrades (ZVEI 2001). Für die Optimierung der Motoren
existieren verschiedene Ansätze zur Verlustreduzierung.
•
Elektrische Verluste
Stromwärmeverluste in den Wicklungen: Durch Erhöhung des aktiven Querschnitts der Kupferleiter können diese Verluste verringert werden. Dies erfordert
eine dichtere Wicklung der Kupferdrähte und verursacht neben den zusätzlichen
Materialkosten durch Mehrverbrauch an Kupfer auch höhere Investitionen für
eine exaktere Verarbeitung.
Übergangsverluste an Kohlebürsten: Diese Verluste lassen sich durch die Verwendung von hochwertigen Kohlen begrenzen, deren Abrieb sehr gleichmäßig
erfolgt, so dass die Kontaktfläche der Bürsten gleichmäßig groß bleibt. Eine konsequente Durchführung von Wartung und Instandhaltung in ausreichend geringen Zeitintervallen unterstützt dieses Ziel maßgeblich.
•
Magnetische Verluste
Wirbelstromverluste, Hysterese- oder Ummagnetisierungsverluste im Eisen:
Durch Blechung der magnetisch aktiven Teile können die o.g. Verluste gering
gehalten werden. Optimierungspotenzial besteht einerseits in der Schichtdicke
und der Materialqualität des Eisens, andererseits in der Qualität der Isolierschicht.
Eine Änderung der Blechdicken würde zu erheblichen Mehrkosten führen, da der
Markt Standardabmessungen für Motoren und Blechpakete vorgibt. Die Erhöhung der Eisenqualität bietet das größte Potenzial zur Verringerung der magnetischen Verluste, ist allerdings mit hohen Kosten verbunden, weil Legierstoffe
teuer und aufwändig in der Verarbeitung sind. Bei den Isolierfolien zwischen
den Blechen können durch Fortschritte in der Materialwissenschaft die Schichtdicken verringert und die Permeabilität erhöht werden.
•
Mechanische Verluste
Eine wichtige Maßnahme, um die mechanischen Verluste klein zu halten, ist eine
konsequente Wartung und Instandhaltung des Motors und des gesamten Antriebssystems. Diese wird in vielen Fällen in der Praxis vernachlässigt.
Lagerreibungsverluste: Im Maschinenbau ist eine rechnergestützte Optimierung
von Bauteilen wie Lagern und ganzen Anlagenkonfigurationen bereits Stand der
Technik. Durch Verwendung hochwertiger Werkstoffe und exakter Produktionsmethoden kann die Lagerreibung herabgesetzt werden. Durch rechnergestützten Anlagenentwurf mit detaillierten dynamischen Simulationen sind in den
nächsten Jahren hier noch weitere Entwicklungssprünge zu erwarten.
147
Bürstenreibungsverluste: Durch Verwendung geeigneter Werkstoffe bei den
Bürsten mit kleinen Gleitreibungskoeffizienten können Verluste minimiert werden. Ansonsten bleibt nur die Verwendung von Motoren anderer Bauart.
Ventilationsverluste: Die Verluste entstehen durch Zwangskühlung des Motors,
entweder bei Eigenkühlung durch Erzeugung eines Gegenmomentes an der
Welle durch einen Ventilator, oder bei Fremdkühlung durch zusätzlichen elektrischen Hilfsenergieverbrauch. Durch den Einsatz hocheffizienter Motoren sinkt
die innerhalb des Gerätes freiwerdende Verlustleistung. Dadurch sinkt die freiwerdende Wärmemenge, die Kühlleistung kann reduziert werden. Unter Umständen kann damit sogar auf eine Zwangskühlung verzichtet und somit dieser
Verlustfaktor vollständig eliminiert werden. Zumindest aber kann in den meisten
Fällen die Auslegungsgröße der Kühlgeräte verringert werden, was deren Leistungsaufnahme senkt. Diese Einsparung bringt auch eine Reduktion der Herstellungskosten und gegebenenfalls auch eine kompaktere Bauform mit sich, was
die Konkurrenzfähigkeit wirkungsgradoptimierter Motoren weiter steigern kann.
Verwendung einer technisch optimalen Regelung
Die rasante Verbesserung von Zuverlässigkeit, Robustheit und regelungstechnischen Eigenschaften leistungselektronischer Bauteile in der letzten Dekade, verbunden mit dem bereits angesprochenen rapiden Preisverfall der Geräte von ca. 810 % pro Jahr (Reichert et al. 1999), eröffnete einen Markt für hochwertige Motorsteuerungen/-regelungen auch im Mittelpreissegment. Heute besteht die Möglichkeit, nahezu alle Antriebsaufgaben mit Drehfeldmaschinen zu lösen. Gleichstrommaschinen mit hohem Wartungsaufwand auf Grund von Bürstenabnutzung
und geringen Teillastwirkungsgraden verlieren immer mehr an Bedeutung. Durch
die Verwendung von Stellgliedern können im Teillastbereich erhebliche Wirkungsgradverbesserungen erzielt werden. Die leistungsspezifischen Kosten steigen mit
der Auslegungsleistung degressiv an. Das bedeutet, gerade im Segment der Motoren
großer Leistung besteht ein hohes wirtschaftliches Potenzial für den Einsatz von
Stellgliedern. Bei rund 20 % der Motoren, die in der Bundesrepublik in drehzahlvariablen Anwendungen genutzt werden (ZVEI 1998) ergibt sich ein Einsparpotenzial
von 8 % des industriellen Jahresstromverbrauchs der Industrie (ISR 2000b; ZVEI
2001).
Optimale Auslegung des Antriebs
In vielen Fällen werden Motoren auf Grund von Unkenntnis der genauen Anforderungen an die Anlage oder standardmäßiger Berücksichtigung eines Sicherheitszuschlages zu groß ausgelegt. Damit wird der Antrieb vollständig oder überwiegend in
Arbeitspunkten betrieben, die weit unterhalb des Bestpunktes der Anlagen liegen.
Mittlere Auslastungen bis hinunter zu 60 % sind übliche Werte. Derzeit handelsübliche Asynchron-Motoren besitzen bei dieser Auslastung einen Wirkungsgrad von
148
ca. 90 % des Wirkungsgrads im Nennpunkt; zum Teil sind die Werte sogar noch
deutlich schlechter. Daher besteht im Einzelfall alleine durch optimierte Auslegung
– ohne Verwendung wirkungsgradoptimierter Geräte – ein Einsparpotenzial von
10 % und mehr. Die optimale Auslegung eines Motors wirkt sich nicht nur – wie
beispielsweise die Ansteuerung mittels Stellglieder – bei wechselnden Lasten aus,
sondern auch bei Konstantbetrieb.
Änderung des Nutzerverhaltens
Durch Abschalten in Leerlaufphasen kann eine erhebliche Energieeinsparung erfolgen. Einfach umzusetzen ist diese Maßnahme beispielsweise bei Heizungsumwälzpumpen in Nacht- und Urlaubszeiten sowie außerhalb der Heizperiode, oder bei
Werkzeugmaschinen in Pausenzeiten. Die Kosten für solche Maßnahmen sind im
Allgemeinen vernachlässigbar gering.
In kleineren Heizungsanlagen kann eine tageszeitabhängige Abschaltung von Umwälz- und Zirkulationspumpen über einfache Zeitschaltuhren erfolgen. Die Kosten
inkl. Einbau betragen üblicherweise weniger als 100 Euro/Schaltuhr. Bei größeren
Gebäuden, vor allem wenn eine Liegenschaft über eine zentrale Leittechnik verfügt,
kann eine Abschaltung komfortabel und bedarfsgerecht programmiert werden.
Auch bei vielen Werkzeugmaschinen ist eine Abschaltung in Pausenzeiten einfach
umsetzbar. Hemmnisse sind meist mangelndes Bewusstsein und Bequemlichkeit
des Maschinenbedienpersonals. Durch übersichtliche Armaturen und ergonomisch
sinnvolle automatisierte Anfahrvorgänge ganzer Anlagen kann der Aufwand für das
Personal reduziert werden.
Kurzzeitige Leerlaufzeiten während des Betriebs der Anlage können durch eine
optimierte Beschickung minimiert werden. Dies erfordert logistische Maßnahmen,
die kostenintensiv sind, und daher in der Regel nur dann rentabel durchgeführt werden können, wenn gleichzeitig ein Vorteil im Betriebsablauf erwirkt werden kann.
Dieser Aspekt sollte immer dann berücksichtigt werden, wenn übergeordnete Konzepte erarbeitet werden.
2.8.4
Hemmnisse und Handlungsdefizite
Das wichtigste Hemmnis für die Realisierung der oben genannten Energieeinsparpotenziale ist das Informationsdefizit bei den Entscheidern. Die üblicherweise
wichtigsten Kriterien bei der Beschaffung eines Antriebs sind ein billiger Einkaufspreis oder geringst mögliche Lagerhaltung. So kommt es vor, dass – um innerhalb
einer Produktionsstätte nur einen Motortypen vorhalten zu müssen – für unterschiedliche Aufgaben mit verschiedenen Leistungsanforderungen gleiche Motoren
verwendet werden. Die Folge sind Überdimensionierungen von teilweise über
149
40 %. Dass die Kosten durch höheren Strombezug auf Grund des Betriebs in ungünstigem Betriebspunkt eine zusätzliche Einlagerung von weiteren Reservemotoren oft weit überschreiten, entzieht sich dem Fokus des Entscheiders.
Ein zusätzliches Problem ergibt sich in vielen Fällen dadurch, dass die Projektierung/Errichtung und der Betrieb der Antriebsanlagen meist in unterschiedlichen
Verantwortungsbereichen und damit auch Budgets liegen. Dadurch werden bei der
Errichtung die Betriebskosten oft nicht mit in die Bewertung von Angeboten einbezogen. In der Regel wird daher das Angebot mit den günstigsten Herstellungskosten
realisiert. Auch an dieser Stelle kann den Anlagenherstellern durch erhöhte Information über die betrieblichen Folgen einer Mehrinvestition in effiziente Technik
eine Argumentationsgrundlage an die Hand gegeben werden, die eine Bewertung
von Angeboten unter Berücksichtigung der Lebenszykluskosten erlaubt.
2.8.5
Literatur
Cremer, C.; Kleemann, M. et al. (2001): Systematisierung der Potenziale und Optionen. Endbericht an die Enquête-Kommission „Nachhaltige Energieversorgung unter den Bedingungen der Globalisierung und der Liberalisierung“,
Fischer (1989): Elektrische Maschinen. 7. überarb. Aufl., München/Wien: HanserVerlag
Verbrauchersektoren und Bedarfsarten in Deutschland 1999. München:
TUM/Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (IfE)
Immel, Saller (1995): IKARUS, Teilvorhaben 8, „Querschnittstechniken“, Bericht
8.05: Elektrische Antriebe. München: Forschungsstelle für Energiewirtschaft
ISR, Fraunhofer ISI et al. (2000a): Improving the Penetration of Energy-Efficient
Motors and Drives. ISR-University of Coimbra et al. on behalf of the European Commission, Save-II-Programme, Brussels
ISR, Fraunhofer ISI et al. (2000b): VSDs for Electric Motor Systems. ISRUniversity of Coimbra et al. on behalf of the European Commission, Save-IIProgramme, Brussels
Langgassner (2001): Energieeffizienz elektrischer Antriebe in Haushaltsgeräten.
München: TUM/Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
150
Reichert, et al. (1999): Maßnahmen zur Förderung der rationellen Energienutzung
bei elektrischen Antrieben. Karlsruhe: Fraunhofer ISI
VDI (VDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion Vertrieb) (1994): Mechanischelektrische Antriebstechnik, Zukunftssicherung durch Systemoptimierung.
Düsseldorf: VDI-Verlag
Zentralverband Elektro- und Elektronikindustrie (ZVEI) e.V. (1998): Elektromotoren und Stromrichter – Die elektrische Antriebstechnik in Deutschland.
Frankfurt/Main 04/1998
Zentralverband Elektro- und Elektronikindustrie (ZVEI) e.V. (2001): Elektrische
Antriebe: Kosteneinsparung statt Regulierung. 2. Geänderte Neuauflage,
Frankfurt/Main 11/2001
Weiterführende Literatur:
CADDET (1995): Energy Efficiency: Industrial Motors and Drives; Centre For The
Analysis And Dissemination Of Demonstrated Energy Technologies
(CADDET), Sittard, NL
Starzer, O., et al.: (2002): Energieeffiziente Elektromotoren; Wien: Energieverwertungsagentur Österreich – http://www.eva.wsr.ac.at/projekte/motor.htm
Hoffmann, C., Pfitzner G. (1995): Ventilatoren. IKARUS-Bericht 8.06, Teilvorhaben 8, „Querschnittstechniken“, München: FfE
LFU (2001): Effiziente Energienutzung in der Industrie, Dokumentation der Fachtagung vom 29.November 2001, Augsburg: Bayerisches Landesamt für Umweltschutz
ZVEI (1997): Effizienter Energieeinsatz als Geschäftsgrundlage, Klimaschutz durch
die deutsche Elektroindustrie. Zentralverband Elektro- und Elektronikindustrie (ZVEI) e.V., Frankfurt/Main
ZVEI 1999): Energiesparen mit elektrischen Antrieben, Einsparpotenziale in Milliardenhöhe. Zentralverband Elektro- und Elektronikindustrie (ZVEI) e.V.,
Frankfurt/Main
151
2.9
Pumpen (FfE)
Pumpen gehören zu den am weitesten verbreiteten Arbeitsmaschinen in Industrie,
Kleinverbrauch, Haushalt und Verkehr. Die Pumpentechnik ist daher eine typische
Querschnittstechnologie. Typische Anwendungsfälle sind das Fördern von Medien
wie z. B. Wasser, Heizöl, Treibstoff, Hydrauliköl, Chemikalien oder Abwasser sowie der Wärme- bzw. Kältetransport mittels flüssiger Medien.
Pumpen sind Arbeitsmaschinen zum Transport von Flüssigkeiten bzw. zum Aufbau
einer Druckdifferenz in einem Rohrsystem. Dabei ist der Durchflusswiderstand des
Rohrsystems und ggf. ein Höhenunterschied zwischen zwei Flüssigkeitsniveaus zu
überwinden.
Auf Grund der großen Anzahl von eingesetzten Pumpen hat diese Technik einen
entscheidenden Anteil am Stromverbrauch. Schätzungen zufolge entfällt auf Pumpen etwa ein Drittel des gesamten industriellen Stromverbrauchs.
2.9.1
Die wichtigsten in der Praxis auftretenden Förderaufgaben von Flüssigkeitspumpen
sind:
•
•
•
•
•
Befüllen, Entleeren, Umpumpen
Stofftransport über weite Strecken
Umwälzen
Druckerzeugung, Druckerhöhung
Dosieren, Zuteilen.
Am meisten verbreitet ist der Einsatz in Umwälz- bzw. Zirkulationssystemen, zum
Beispiel das Umwälzen von flüssigen Wärmeträgern in Heizungsverteilungssystemen oder der Zwangsumlauf bei Brauchwasser-Zirkulationsleitungen. Ein weiterer
wichtiger Einsatzfall ist die Druckerhöhung zur Einspeisung in ein System höheren
Drucks wie die isentrope Kompression von Kondensat in einen Druckreaktor oder
das zusätzliche Einspeisen von Kesselspeisewasser. Auch das Dosieren bzw. Zuteilen, d. h. eine nach Menge und zeitlicher Folge vorwählbare Förderung von Stoffen im Verlauf eines Arbeitsprozesses sind häufig vorkommende Aufgaben von
Flüssigkeitspumpen.
Bestandszahlen für Pumpen lassen sich nicht angeben. Es kann lediglich ein Überblick über die Zahl der hergestellten Geräte dargestellt werden. Die Herstellung von
Flüssigkeitspumpen stieg von mehr als 33 Mio. Stück im Jahr 1998 auf fast 38 Mio.
Stück im Jahr 2000. Vakuumpumpen wurden im Jahr 1998 21 Mio. Stück hergestellt, für das Jahr 2000 sind noch keine Zahlen erhältlich. Der Export von Pumpen
152
(einschl. Druckluftanlagen etc.) stieg von 603.000 Stück auf 677.000, der Import
von 484.000 auf 525.000 Stück im selben Zeitraum. Angaben zum Import von
Pumpen sind in dieser Quelle nicht vorhanden (Statistisches Bundesamt 2001).
Als einzige Literaturquelle stand die Studie „Study on Improving the Energy Efficiency of Pumps“ für die Europäische Kommission (ETSU et al. 2000) zur Verfügung. Hier werden lediglich merkantile Werte hochgerechnet. Darin wird ein gesamter Jahresendenergieverbrauch in Deutschland für 1998 von 42,9 TWh allein
durch Kreiselpumpen angegeben. Diese Abschätzung basiert auf Produktions-, Import- und Exportwerten, einer Pumpen-Lebensdauer von 20 Jahren, einem Durchschnittspreis von 200 € pro kW installierter Leistung sowie einer angenommenen
Last von 65 % und einer Nutzungsdauer von 4000 h/a. Eine Überprüfung und Plausibilisierung der Ergebnisse konnte im Rahmen dieses Projektes nicht erfolgen.
2.9.2
Tabelle 37 zeigt die in IKARUS (Bauer et al. 1997) untersuchten Pumpenbauarten
und die zugehörigen Förderbereiche. Die Auslegungsförderhöhe und der Auslegungsförderstrom werden im Optimum der untersuchten Pumpen angegeben. Hierbei wurden die Angaben verschiedener Hersteller durch Mittelwertbildung zu typisierten Pumpen zusammengefasst.
Tabelle 37: Pumpenbauarten und deren Förderbereiche
Nenndrehzahl
min-1
Normpumpen
Förderbereich
Förderhöhe in m
Förderstrom in m³/h
1450
5..52
6,8..420
2900
20..84
22..330
1450
5..16
6,8..100
2900
20..52
15..150
1450
5..20
6,8..150
2900
13..52
15..150
Seitenkanalpumpen
1450
20..134
1,5..15
Unterwasserpumpen
2900
33..250
0,8..4,7
Blockpumpen
Inlinepumpen
Quelle: Bauer et al. 1997
Für den Betrieb von Pumpenanlagen gibt es einen Vielzahl an Richtlinien und
Normen. Diese Richtlinien regeln die Rahmenbedingungen für die Beschaffung und
den Betrieb von Pumpen. Die wichtigsten dieser Normen sind nachfolgend zusammengestellt.
153
Beschaffung und Auswahl:
•
VDMA 24261 Teil 1, 2, 3: Pumpen: Benennung nach Wirkungsweise und konstruktiven Merkmalen
•
VDMA 24296 Teil 1: Kreiselpumpen: Beschaffung, Prüfung, Lieferung und
Versand; Richtlinien
Teil 2: Kreiselpumpen: Anwendungsrichtlinien
•
VDMA 24297: Kreiselpumpen: Technische Anforderungen; Richtlinien
•
VDMA 24275: Anschlussmaße für Kreiselpumpen: Zulässige Abweichungen,
Toleranzfelder
•
VDMA 24286 Teil 1: Verdrängerpumpen: Beschaffung, Prüfung, Lieferung und
Versand; Richtlinien
Teil 2: Verdrängerpumpen: Beschaffung, Prüfung, Lieferung und Versand;
Datenblatt für rotierende Verdrängerpumpen
Datenblatt für oszillierende Verdrängerpumpen, Hubkolbenpumpen
Datenblatt für rotierende Verdrängerpumpen, Dosierpumpen
Anwendung und Betrieb:
•
VDI 3743 Blatt 1: Emissionskennwerte technischer Schallquellen; Pumpen;
Kreiselpumpen
Blatt 2: Emissionskennwerte technischer Schallquellen; Pumpen; Verdrängerpumpen
•
DIN 24295: Pumpen und Pumpenaggregate für Flüssigkeiten; sicherheitstechnische Anforderungen
•
VDMA 24287: Rotierende Verdrängerpumpen; technische Anforderungen;
Richtlinien
2.9.2.1
Bauarten
Der Förderstrom, der heute von Pumpen erreicht werden kann, liegt zwischen einigen Millilitern am Tag (Analysetechnik) und mehreren tausend Kubikmetern pro
Stunde (Reaktortechnik). Die Förderaufgaben können durch Pumpen unterschiedlicher Bauart, d. h. auf der Basis verschiedener Arbeitsprinzipien gelöst werden:
•
in Kreiselpumpen durch Übertragung der mechanischen Energie eines Schaufelrades auf das Arbeitsmedium durch Umlenken der Strömung an den Schaufeln
des Rades (hydrodynamischer Vorgang);
154
•
in Verdrängerpumpen durch Wirkung der Druckkraft eines oszillierenden oder
rotierenden Kolbens (hydrostatischer Vorgang);
•
in Pumpen für Sonderanwendungen durch Impulsaustausch (Strahlpumpen) oder
durch Beimengen von Druckluft zum Arbeitsmedium (Mammutpumpen).
Einen grundsätzlichen Überblick über die Hauptbauarten von Pumpen liefert
Abbildung 42.
Abbildung 42: Hauptbauarten von Pumpen
Ausgehend von der handbetätigten Kolbenpumpe entwickelten sich zunächst vorwiegend nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Pumpenbauarten, die zu den
heute in vielgestaltiger Ausführung existierenden oszillierenden und rotierenden
Verdrängerpumpen führten. Die Erfindung der nach einem völlig anderen Prinzip
arbeitenden hydrodynamischen Kreiselpumpe eröffnete den Weg zu fast beliebig
großen Flüssigkeitsströmen. Die Förderhöhe ist lediglich durch die maximal realisierbare Winkelgeschwindigkeit des Laufrads begrenzt. Die stetige Steigerung der
aus Festigkeits- und Kavitationsgründen zulässigen Winkelgeschwindigkeiten
führte bis heute zu Förderhöhen von 800 m und mehr pro Laufrad.
Pumpen lassen sich durch die in Tabelle 38 dargestellten, unterschiedlichen Förderaufgaben gliedern. Die explizite Auswahl erfolgt nach den Kriterien im folgenden Abschnitt.
155
Tabelle 38: Gliederung der Einsatzbereiche von Pumpen und ausgewählte Anwendungsbeispiele
Aufgabe
Anwendungsbeispiele
Fördern, Transportieren
Förderung von flüssigen Energieträgern in Pipelines (z. B. Erdölförderung)
Umwälzen, Umpumpen
Kreisläufe in Heiz- und Kühlsystemen (z. B. in der Gebäudetechnik);
Schmierkreisläufe in Motoren und Getrieben
Entleeren, Füllen, Abfüllen
Getränkeabfüllanlagen in der Lebensmittelindustrie; Füllen und
Entleeren von Klärschlammbehältern in Klärwerken
Druckerhöhung
Druckerhöhungsanlagen bei der Brauchwasserversorgung in Hochhäusern; Druck- oder Materialprüfungen durch Berstversuche im
Maschinen und Anlagenbau
Zuteilen, Dosieren
Analysetechnik; chemische Industrie; Einspritzpumpen in der Motorentechnik
Sonderanwendungen
Wasserstrahlschneiden im Maschinenbau; Erzeugung von kinetischer
Energie für Hydraulikmotoren
2.9.2.2
Auswahlkriterien
Der Arbeitspunkt einer Pumpe wird durch die gewünschte Druckerhöhung und den
geförderten Volumenstrom bestimmt. Die Angabe zur Druckerhöhung erfolgt häufig als Förderhöhe H (der Druck einer Flüssigkeitssäule der entsprechenden Höhe);
der Förderstrom wird in der Pumpentechnik üblicherweise mit Q bezeichnet. Diese
beiden Auswahlgrößen gelten als die wichtigsten Parameter. Weitere Auswahlkriterien sind die Einsatzgebiete, das Fördermittel und die Nenndrehzahl.
Im Folgenden werden die im Zusammenhang mit der Erfüllung der Förderaufgabe
verwendeten Kenngrößen erläutert.
•
Der Förderstrom Q ist das Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit, das von der
Pumpe gefördert werden muss, um den Betrieb in der Anlage aufrechtzuerhalten.
Die Größe des Förderstromes wird über den Bedarf aller Verbraucher, die an das
Rohrsystem angeschlossen sind, ermittelt. Beispielsweise wird hier bei Heizungsanlagen der stündliche Wärmebedarf, bei Klimaanlagen die stündliche Gesamtkühllast herangezogen.
•
Die Förderhöhe HA der Anlage beschreibt die von der Pumpe aufzubringende
Druckerhöhung, um den Förderstrom Q in der Anlage aufrechtzuerhalten. HA ergibt sich im Allgemeinen als Summe aus:
∆v A2
∆ pA
H A = H geo +
+
+ΣH v
2⋅g
ρ⋅g
156
Hgeo
Geodätische Förderhöhe; sie gibt den Höhenunterschied zwischen
saug- und druckseitigem Flüssigkeitsspiegel an.
∆ pA
ρ⋅ g
Druckhöhenunterschied zwischen saug- und druckseitigem Flüssigkeitsspiegel bei geschlossenen Behältern.
∆ υ2A
2⋅ g
Differenz der Geschwindigkeitshöhen in den Behältern (Korrekturwert für die kinetische Energieveränderung innerhalb der Pumpe)
ΣH ν
Summe aller Druckhöhenverluste (Rohrleitungswiderstände, Widerstände von Armaturen, Formstücken etc. in der Saug- und Druckleitung).
In der Praxis kann die Differenz der Geschwindigkeitshöhen vernachlässigt werden. Für die Förderhöhe ergibt sich dann bei
∆ pA
+ ΣH ν
ρ ⋅g
geschlossenen Behältern:
H A ≈ H geo +
offenen Behältern:
H A ≈ H geo + Σ H ν
Umwälzsystemen:
H A ≈ ΣH ν
Eine Anlage wird durch die Rohrnetzkennlinie – auch Rohrleitungskennlinie oder Anlagenkennlinie genannt – beschrieben. Die Rohrnetzkennlinie gibt den
Zusammenhang zwischen der Förderhöhe HA der Anlage und dem Förderstrom Q wieder, der in Abbildung 43 dargestellt ist. Der Durchflusswiderstand
eines Rohrnetzes nimmt quadratisch mit dem Förderstrom Q zu, deshalb steigt
auch die erforderliche Förderhöhe H mit dem Quadrat des Durchflusses.
Bei Umwälzsystemen verläuft die Rohrnetzkennlinie durch den Nullpunkt des
Koordinatensystems. Die Förderhöhe HA der Anlage ist dann nur von den Verlusten Σ HV in den Leitungen, Armaturen und Verbrauchern abhängig. Das System ist geschlossen, wodurch sich ein Zusammenfallen von Ein- und Austrittsquerschnitt der Anlage ergibt. Es gilt folgender physikalischer Zusammenhang:
H1 æ Q1 ö
~ç ÷
H 2 è Q2 ø
2
Bei offenen Systemen mit einem Höhenunterschied zwischen Ein- und Austrittsquerschnitt wird zur Förderhöhe HA der oben beschriebenen Anlage noch die
Förderhöhe aus dem geodätischen Höhenunterschied Hgeo addiert. Die Rohrnetzkennlinie verschiebt sich wie in Abbildung 43 ersichtlich um die geodätische
Höhe nach oben.
•
Für mehrstufige Pumpen (Seitenkanal- und Unterwasserpumpen) ist unter anderem die Anzahl der Stufen z für die maximale Leistung ausschlaggebend.
157
1
2
Pumpenkennlinie
ungedrosselte
Rohrnetzkennlinie
3
gedrosselte
Rohrnetzkennlinie
Qa Förderstrom bei
ungedrosselten
Rohrnetz
Qb Förderstrom bei
gedrosselten
Rohrnetz
Hdr Förderhöhenanteil
an der Drosselstelle
Hr Förderhöhenanteil
im Rohrnetz
11
10
3
Arbeitspunkt b
Arbeitspunkt a
9
2
1
8
Förderhöhe
7
6
H dr
5
4
3
2
1
Hr
0
0
10
20
Qb
Qa
30
Rohrnetzförderstrom
Abbildung 43: Rohrnetzkennlinie eines Systems mit und ohne geodätischen Förderhöhenanteil
•
Die Förderhöhe im Optimum Hopt in m bezeichnet die Förderhöhe einer Pumpe
im Wirkungsgradoptimum.
•
Für einstufige Pumpen (Norm-, Block- und Inlinepumpen) wird der Laufraddurchmesser D angegeben. Der Laufraddurchmesser beeinflusst die maximale
Leistung der Pumpe.
•
Die Angabe der Nenndrehzahl nN in 1/min dient zusammen mit der Wellenleistung im Auslegungspunkt bei Pumpen ohne integrierten Antrieb zur Auswahl
eines geeigneten Antriebsmotors.
•
Die Nennleistung des Motors PN entspricht der Wellenleistung bei optimalen
Wirkungsgrad.
•
Die Hydraulische Leistung PQ für eine gewählte Pumpe wird mit der Förderhöhe H in m und dem Volumenstrom Q in m³/h berechnet.
PQ =
ρ ⋅Q ⋅ H
367
Darin muss die Dichte des Fördermediums ρ in kg/dm³ angegeben werden, um
die Leistung PQ in kW zu erhalten.
158
2.9.2.3
Regelung von Pumpen
Im Allgemeinen kann in einer Anlage nicht von konstanten Betriebsverhältnissen
ausgegangen werden. Dauerhafte Änderungen im Bedarf einer Anlage (z. B. durch
Wegfall einzelner Verbraucher) und Bedarfsschwankungen durch die einzelnen
Verbraucher, sowohl bei Förderstrom als auch bei Förderdruck, bewirken ein Verschieben des Betriebspunktes im H(Q)-Diagramm in Abbildung 43. Entsprechend
muss entweder die Pumpenkennlinie (z. B. Drehzahlregelung) oder die Anlagenkennlinie (z. B. Drossel- oder Bypassregelung) verändert werden.
Drosselregelung
Die Drosselregelung ist die vor allem in der Gebäudetechnik am häufigsten angewandte Möglichkeit zur Förderstromregelung, wie sie z. B. bei Ventilen an Heizkörpern ausgeführt ist.
Bei der Drosselregelung geht ein Teil der von der Pumpe abgegebenen hydraulischen Leistung an der Drosselstelle verloren. Der durch die Drosselung zusätzlich
entstehende Druckverlust ergibt sich aus der Differenz der Förderhöhen von gedrosselter und ungedrosselter Rohrnetzkennlinie beim jeweiligen Volumenstrom. Da die
hydraulische Leistung proportional zum Produkt aus Förderhöhe und Förderstrom
ist, verteilt sich die von der Pumpe abgegebene hydraulische Leistung im gleichen
Verhältnis auf die Drosselstelle und das Rohrnetz wie die dazugehörigen Förderhöhen. Je weiter der Förderstrom durch Drosseln verringert wird, desto ungünstiger
wird das Verhältnis von benötigter hydraulischer Leistung im Rohrnetz zur Verlustleistung an der Drosselstelle. Zusätzliche Probleme können durch Geräuschentwicklungen an der Drosselstelle entstehen.
Wenn auch die Drosselregelung bezüglich der Investitionskosten eine günstige Regelungsart darstellt, so verursacht sie auf Grund der Verluste hohe Betriebskosten.
Deshalb sollte die Drosselregelung grundsätzlich nur bei kleinen Pumpenleistungen
oder bei kurzzeitigem Teillastbetrieb angewandt werden.
Bei Seitenkanalpumpen ist zu beachten, dass der Leistungsbedarf mit abnehmendem Förderstrom wächst, wodurch sich die energetischen Verhältnisse bei einer
Drosselung zusätzlich verschlechtern.
Bei Axialpumpen besteht die Gefahr, durch Drosselung in das für Pumpen mit großer spezifischer Drehzahl charakteristische Instabilitätsgebiet zu gelangen. Insbesondere für den Dauerbetrieb ist dieser Betriebszustand daher ungeeignet.
Die Drosselung muss grundsätzlich auf der Druckseite erfolgen. Eine Drosselung
auf der Saugseite (Zulaufseite) und damit eine Verringerung der vorhandenen Haltedruckhöhe der Anlage kann zu Kavitationsschäden führen.
159
Bypassregelung
Zur Bypassregelung wird parallel zu dem eigentlichen Rohrnetz ein zusätzliches
Rohrnetzstück installiert. Ein variabler Teil des Förderstromes wird im Bypass vom
Pumpenausgang direkt wieder an den Pumpeneingang zurückgeführt. Die im Rohrnetz genutzte hydraulische Leistung und die Verlustleistung im Bypass verhalten
sich wie die dazugehörigen Förderströme. Der maximale Rohrnetzförderstrom wird
bei geschlossenem Bypass erreicht.
Das Verhältnis der hydraulisch genutzten Leistung im Rohrnetz zur hydraulischen
Pumpenleistung verschlechtert sich mit abnehmendem Rohrnetzförderstrom. Im
Gegensatz zur Drosselregelung wird bei der Bypassregelung der Pumpenförderstrom mit abnehmendem Rohrnetzförderstrom größer.
Auf Grund der Zunahme des Gesamtförderstroms der Pumpe bei abnehmendem
Nutzförderstrom empfiehlt sich die Bypassregelung besonders für Seitenkanal- und
Axialpumpen, bei denen der Leistungsbedarf der Pumpe mit zunehmendem Förderstrom abfällt.
Drehzahlregelung
Während bei Drossel- und Bypassregelung die für den Förderprozess selbst nicht
nutzbare hydraulische Leistung als Zusatzverlust anfällt, erzeugt eine drehzahlgeregelte Pumpe nur die gewünschte hydraulische Leistung. Im Gegensatz zu o.g. Regelverfahren wird bei der Drehzahlregelung nicht die Anlagenkennlinie, sondern die
Pumpenkennlinie verändert.
Variiert man bei Kreiselpumpen die Antriebsdrehzahl, verschiebt sich ihre Kennlinie im H(Q)-Diagramm in Richtung der Ordinate. Durch die Drehzahländerung
wandert der Arbeitspunkt der Pumpe entlang der Rohrnetzkennlinie. Förderstrom
und Förderhöhe sind somit in allen Arbeitspunkten durch die Charakteristik des
Rohrnetzes vorgegeben. Die Arbeitspunkte ergeben sich für jede Drehzahl aus den
Schnittpunkten der für eine bestimmte Drehzahl gültigen Pumpenkennlinie mit der
Rohrnetzkennlinie.
Zum Drehzahländerung sind zusätzliche Einrichtungen notwendig. Sie ist durch
polumschaltbare Antriebsmotoren, Umrichterspeisung der Antriebsmotoren oder
durch den Einsatz von Getrieben möglich. In der Pumpentechnik werden stufenlose
Getriebe zur Drehzahländerung nur bei sehr großen Einheiten eingesetzt. Sie werden zunehmend durch Frequenzumrichter verdrängt. Polumschaltbare Pumpenantriebe ermöglichen nur eine stufenweise Änderung der Förderströme. Für dazwischen liegende Förderströme sind zusätzliche Regelmöglichkeiten wie Drosselung
oder Bypassregelung vorzusehen.
160
Bei der Drehzahlregelung treten zusätzliche Verluste durch Reibung im Getriebe,
Umrichterverluste und Oberwellenverluste im Motor auf. Wegen der verschiedenen
Wicklungen und Pole von polumschaltbaren Motoren ergibt sich eine ungünstigere
Geometrie der Motoren, was schlechtere Wirkungsgrade und Leistungsfaktoren
gegenüber eintourigen Motoren gleicher Leistung verursacht.
Reduzierung des Laufraddurchmessers
Das Reduzieren des Laufraddurchmessers geschieht bei Kreiselpumpen durch Abdrehen von radialen Laufrädern. Dadurch kann der Förderstrom bzw. die Förderhöhe einer Pumpe verringert und so eine (dauerhafte) Anpassung an die Anlage vorgenommen werden. Durch die Reduzierung des Laufraddurchmessers verschieben
sich H(Q)- und Leistungskurven der Pumpen zu niedrigeren Werten. Der Wirkungsgrad verschlechtert sich dabei um so mehr, je stärker korrigiert wird und je
höher die spezifische Drehzahl der korrigierten Pumpe ist.
Veränderung der Anstellwinkels der Laufschaufeln
Durch Ändern des Anstellwinkels der Laufschaufeln ist bei Axial- und Halbaxialpumpen ebenfalls eine Veränderung der Fördermenge möglich. Durch diese Regelungsart kann ein breiter Regelbereich mit guten Wirkungsgraden abgedeckt werden. Allerdings ist dazu ein relativ großer konstruktiver Aufwand notwendig.
Dralländerung
Die Fördermengen können durch Verändern des Dralls in der Zulaufströmung verschoben werden. Durch Erzeugung von Gleichdrall, d. h. einer im Drehsinn des
Laufrades rotierenden Zuströmung, wird die Fördermenge verringert. Durch Gegendrall, d. h. Rotation der Zuströmung im gegenläufigen Sinne zur Drehrichtung
des Laufrades, wird eine Zunahme von Förderstrom und Förderhöhe erzielt.
Doppelpumpenbetrieb
Bei Doppelpumpen sind zwei unabhängig arbeitende Einzelpumpen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, häufig in einer parallelen Anordnung. Beim
Parallelschalten zweier Pumpen addieren sich ihre Förderströme. Wird nur ein
Pumpeneinsatz betrieben, legt der Schnittpunkt der Rohrnetz- mit der Pumpenkennlinie für Einzelbetrieb den Förderstrom fest. Zum Erreichen eines größeren
Förderstromes wird der zweite Pumpeneinsatz zugeschaltet. Bei der Reihenschaltung von Pumpen, die relativ selten angewandt wird, addieren sich die Förderhöhen
bei jeweils konstanten Förderströmen.
161
Durch den Einsatz einer parallelen Doppelpumpe ist beim Ausfall eines Aggregates
ein weitere Förderung möglich, wodurch eine höhere Betriebssicherheit gewährleistet wird. Zudem sind Wartungsarbeiten an den einzelnen Pumpeneinsätzen
möglich, ohne den Betrieb vollständig zu unterbrechen.
2.9.3
In dem Bericht an die Enquête-Kommission „Nachhaltige Energieversorgung unter
den Bedingungen der Globalisierung und der Liberalisierung“ des Deutschen Bundestages wird ein wirtschaftliches Einsparpotenzial von 12-15 % für Pumpen und
Ventilatoren angegeben (Cremer, Kleemann et al. 2001). Das technische Einsparpotenzial liegt bei 25 %. Erreicht werden diese Einsparungen durch den Einsatz von
drehzahlgesteuerten Motoren, durch angemessene Dimensionierung, verbesserte
Wartung, verbesserte Konstruktion und Reduzierung von Oberflächenrauhigkeit
und Lecks bei Pumpen.
2.9.4
Weiterentwicklungen
Möglichkeiten zur Nutzungs- und Wirkungsgradverbesserung von Pumpen bestehen in einer Optimierung der Strömungsverhältnisse, einer Verbesserung der Regelung, einer verbesserten Anpassung des Motors an die Pumpe und an die Förderaufgabe sowie einer günstigeren Dimensionierung und Auslegung des Rohrnetzes.
Abbildung 44 zeigt exemplarisch die in Bauer (Bauer et al. 1997) ermittelten strömungstechnischen Verlustquellen bei einer Kreiselpumpe. Darin ist die spezifische
Drehzahl ist folgendermaßen definiert:
ns = n ⋅
Q1/ 2
H 3/ 4
Kreiselpumpen hydraulisch optimal zu gestalten, ist Stand der Technik. Der Wirkungsgrad der Pumpen ist hauptsächlich abhängig von der Reibung zwischen Oberflächen und Fluid sowie von internen Leckageströmen. Die übrigen Verlustquellen
werden mit Ausnahme der volumetrischen und mechanischen Verluste in der Quelle
nicht genauer angegeben.
Das größte Verbesserungspotenzial liegt bei niedrigen spezifischen Drehzahlen.
Allein der Unterschied von Oberflächen der im Sandgussverfahren hergestellten
Laufräder niedriger (Rauhigkeit: ks = 0,4 mm) und höchster (ks = 0,024 mm) Qualität beträgt etwa 18 %-Punkte Wirkungsgradunterschied. Durch theoretisch glatte
Oberflächen ließe sich der Wirkungsgrad um etwas mehr als 20 %-Punkte erhöhen.
162
Die Oberflächenqualitäten sinken darüber hinaus während des Gebrauchs und verursachen somit weitere Wirkungsgradverluste.
Abbildung 44: Wirkungsgradverluste einer Kreiselpumpe
Der Wirkungsgrad lässt sich um fast 6 %-Punkte verbessern, wenn Dichtungslücken
auf 0,1 mm verkleinert werden. Dadurch werden interne Leckageströme minimiert.
Es ist damit zu rechnen, dass die klassischen Kolbenpumpen in zunehmendem Maße von Membranpumpen abgelöst werden, auch dort, wo ausschließlich Förderaufgaben zu übernehmen sind. Neben der leckagefreien Förderung wird vor allem der
geringere Wartungsaufwand immer mehr an Bedeutung gewinnen.
Durch die große Verbreitung von Kreiselpumpen, die häufig anzutreffende Überdimensionierung sowie die in vielen Fällen eingesetzte energetisch ungünstige Regelung lassen sich noch umfangreiche Potenziale zur Energieeinsparung erschließen.
Dabei stehen nicht nur die Technikverbesserungen der Pumpen selbst im Blickpunkt, sondern vielmehr ihre genaue Anpassung an die Betriebszustände.
Verbesserte Planungsmöglichkeiten und Mittel zur Erfassung der Rohrnetzparameter und Förderdaten im Betrieb lassen künftig bessere Ausgangsdaten für die Pumpenauswahl erwarten. Die Möglichkeiten der elektronischen Regelung der Antriebsdrehzahl stellen ein wirkungsvolles Instrument für eine korrigierende Pumpenanpassung an statische Betriebspunkte dar und erschließen zudem die Option
der Anpassung auf dynamisch variierende Förderströme. Damit kann der Energieverbrauch erheblich reduziert werden. Durch die Entwicklung der Leistungselektronik können zunehmend kleinere Einheiten mit Drehzahlregelung ausgestattet wer-
163
den. Bei einer Fehldimensionierung kann der Austausch der Pumpe wirtschaftlich
sein.
Eine verbesserte Anpassung von Pumpen bestehender Anlagen ist auch durch den
Austausch einzelner Bauteile denkbar. Eine Anpassungsverbesserung durch Austausch vorhandener gegen lastoptimierte Laufräder wurde erfolgreich erprobt und
eine Effizienzsteigerung der Pumpe, auch im Teillastbetrieb, durch eine Anpassung
an das Rohrnetz erzielt.
Ein wichtiger Schritt bei der Planung einer Anlage liegt in der Auswahl geeigneter
Rohrführungen und Rohrquerschnitte. Diese Parameter haben erheblichen Einfluss
auf die Druckverluste einer Anlage und somit auf die benötigte Förderleistung der
einzusetzenden Pumpe.
Die Druckverluste in einer Anlage bestehen zu einem erheblichen Teil aus den
Rohrreibungsverlusten. Sie entstehen durch Flüssigkeitsreibung in Rohren, Formstücken und Armaturen und wachsen quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit. Die Druckverluste können durch möglichst große Rohrquerschnitte (geringere
Strömungsgeschwindigkeiten) und möglichst wenig Formstücke, Rohrbögen etc.
verringert werden. Einem möglichst geringen Förderleistungsbedarf stehen gewisse
Hemmnisse wie Investitionskosten, bauliche Gegebenheiten etc. entgegen.
Elektromotor und Pumpe müssen einander angepasst werden, um die Pumpe im
Bereich des maximalen Motorwirkungsgrades zu betreiben. Der Gesamtwirkungsgrad für das Pumpensystem sollte über einen weiten Betriebsbereich gut sein und
keine ausgeprägten Wirkungsgradspitzen aufweisen, da die Betriebszustände z.T.
stark variieren können.
In den meisten Anlagen treten (nicht nur bei Drosselregelung) sogenannte Drosseleffekte durch Ablagerungen, Thermostatventile etc. auf. Deshalb sind Kreiselpumpen auf Förderströme auszulegen, die größer oder gleich dem Förderstrom bei maximalen Wirkungsgrad sind.
Die Möglichkeiten zur Energieeinsparung durch eine effiziente Antriebsregelung
(Leistungsregelung der Antriebsmotoren) wird im Kapitel 2.8 behandelt.
164
2.9.5
Literatur
ETSU; CETIM; David T. Reeves; NESA; TU Darmstadt (2000): Study on Improving the Energy Efficiency of Pumps.
Statistisches Bundesamt (2001): Statistisches Jahrbuch der BRD 2001. Wiesbaden
Bauer, H.; Hellriegel, E.; Wabro, R. (1997): IKARUS-Bericht 8.07 Pumpen, Teilvorhaben 8, „Querschnittstechniken“. München
165
2.10
Druckluftbereitstellung (ISI)
Druckluft wird in der Industrie als Energieträger wie Strom aus der Steckdose verwendet. Der wesentliche Vorteil bei der Verwendung von pneumatischen Systemen im Vergleich zu hydraulischen oder elektrischen Systemen besteht in dem
leichten Handling.
Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielfältig:
•
Spannen und Klemmen: fixieren und positionieren von Werkstücken
•
Transport: Automatisches Ein-, Auslagern und Umlenken von Werkstücken,
Befördern von Schüttgut und Flüssigkeiten durch Rohre, Rohrpost
•
Pneumatische Antriebe: schlagenden Druckluftmaschinen und -werkzeuge, Vibratoren und Rüttler
•
Spritzen: Auftragen oder Zerstäuben, Oberflächenbehandlungsverfahren (Sand-,
Kies- oder Kugelstrahlen), Lackieren mit Sprühpistolen, Lichtbogenspritzen von
flüssigen Metallen, Vernebeln von Flüssigkeiten
•
Blasen: Ausblasen und Reinigen von Werkzeugen und Formen, Wegblasen von
Bearbeitungsresten, Abführen von Wärme
•
Pneumatische Prüf- und Kontrollverfahren: Feststellung von Abständen,
Gewichten und Formveränderungen, Zählung von Gegenständen, Überprüfung
von Positionierungen, Sortierung
•
Kontrolleinrichtungen: Steuerung von Ventilen, Schiebern und Klappen
Tabelle 39: Einsatzbereiche von Druckluft nach Wirtschaftssektoren
Bergbau
Baugewerbe
Chemische Industrie
Energiewirtschaft
Holzverarbeitende Industrie
Gesundheitswesen
Hüttenwesen und Gießereien
Handwerksbetriebe
Kunststoffindustrie
Land- und Forstwirtschaft
Nahrungs- und Genussmittelindustrie
Umwelttechnik
Papierverarbeitende Industrie
Verkehrswesen
Textilindustrie
166
2.10.1
Nach den Schätzungen der Compressed Air Systems Study sind in Deutschland
etwa 62.000 Druckluftkompressoren im Einsatz, von denen etwa 70 % eine Leistung zwischen 10 und 110 kW und 30 % eine Leistung zwischen 110 und 300 kW
aufweisen. Der Energiebedarf wird auf ca. 14 TWh oder 7 % des gesamten industriellen Stromverbrauchs beziffert (Radgen, Blaustein 2001).
2.10.2
Die Bereitstellung von Druckluft erfordert je nach Anforderung und Mengenbedarf
ein umfangreiches System, aufgebaut aus mehreren Einzelelementen:
Antrieb
Kompressor
Aufbereitung
Verteilung
Anwendung
Steuerung
Abbildung 45: Aufbau eines Druckluftsystems
2.10.2.1
Kompressoren
Der Kompressor ist der Hauptbestandteil eines Druckluftsystems. Allgemein sind
Kompressoren bzw. Verdichter Arbeitsmaschinen, die zur Verdichtung von Gasen
eingesetzt werden. Für die Drucklufterzeugung stehen je nach gewünschtem Volumenstrom und Druck unterschiedliche Verdichterbauarten zur Verfügung. In Abhängigkeit der Eigenheiten der verschiedenen Bauarten und der daraus resultierenden Druckluftqualität und Kosten erschließen sich unterschiedliche Anwendungsfelder.
Kompressoren lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen. Die Kompressorbauarten unterscheiden sich gemäß Abbildung 46 in dynamische und Verdrängungsverdichter. Bei Kompressoren nach dem Verdrängerprinzip wird ein statischer
Druck dadurch aufgebaut, dass das Gas mit Hilfe eines beweglichen Teils in einem
geschlossenen Raum angesaugt, komprimiert und ausgestoßen wird. Bei Kompressoren mit dynamischer Verdichtung wird das Gas auf hohe Geschwindigkeit be-
167
schleunigt und die kinetische Energie anschließend in einem Diffusor in statischen
Druck umgewandelt. Übliche Einsatzbereiche sind in Abbildung 47 dargestellt.
Kompressorbauarten
Verdrängungsverdichter
Kolbenverdichter
Tauchkolbenverdichter
Turboverdichter
Radialverdichter
Axialverdichter
Kreuzkolbenverdichter
Membranverdichter
Rotationsverdichter
Vielzellenverdichter
Flüssigkeitsringverd.
Schraubenverdichter
Drehkolbenverdichter
Abbildung 46: Kompressorbauarten
Die folgende Beschreibung soll nur einen groben Überblick über die verschiedenen
Kompressorbauarten geben, zur genaueren Beschreibung und für Abbildungen wird
auf die Literatur verwiesen (z. B. Ruppelt 2003; Boge 1997; Bahr, Ruppelt 2000).
•
Hubkolbenverdichter verdichten die Luft durch auf- und abgleitende Kolben in
ölfreien oder ölgeschmiertem Ausführungen. Ansaugen und Ausstoßen der Luft
regeln entsprechende Saug- und Druckventile. Während bei Tauchkolbenverdichter der Kolben direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist, sind beim Kreuzkolbenverdichter Kolbenstange und Kurbelwelle über einen Kreuzkopf miteinander verbunden. Die beweglichen Teile sind einem hohen Verschleiß ausgesetzt, der sich auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirken kann und einen
jährliche Wirkungsgradverlust von 0,5 % mit sich bringt.
Höhere Drücke können durch Reihenschaltung mehrerer Verdichterstufen erreicht werden. Auch hier lässt sich durch Zwischenkühlung der Energiebedarf
des Kompressors verringern. Eine höhere Stufenzahl erhöht den Wirkungsgrad,
da eine isotherme Verdichtung angenähert wird, allerdings erhöhen sich bei geringen Verdichtungsverhältnissen relativ die Druckverluste, so dass der positive
Effekt wieder aufgehoben wird.
168
•
Membranverdichter sind eine spezielle Form von Hubkolbenverdichter. Der
Kolben ist dabei durch eine Membran ersetzt, die den Verdichtungsraum vollständig vom Antriebsraum abgrenzt und so ermöglicht, dass die Luft nicht mit Öl
oder anderen Verunreinigungen in Kontakt kommt. Der Einsatz ist auf kleine
Drücke und Förderleistungen beschränkt, das der Hub nur relativ gering ausfallen kann.
•
Vielzellenverdichter bestehen aus einem exzentrisch gelagerten Rotor mit beweglich gelagerten Lamellen in einem zylindrischen Gehäuse. Bei der Umdrehung des Rotors werden die Lamellen nach außen gegen die Außenwand gedrückt und bilden so ein abgeschlossenes Volumen, das sich durch die Drehung
des exzentrischen Rotors kontinuierlich verkleinert. Die Lamellen sind hohem
Verschleiß ausgesetzt. Vielzellenverdichter sind leicht zu handhaben und besitzen durch die geringe Anzahl an bewegten Teilen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit..
•
Flüssigkeitsringverdichter ähneln vom Aufbau den Vielzellenverdichtern. Eine
exzentrisch angeordnete Welle mit feststehenden Schaufeln rotiert in einem mit
Flüssigkeit (i. A. Wasser) gefüllten Gehäuse. Durch die Drehbewegung wird die
Flüssigkeit nach außen gedrückt und bildet einen Flüssigkeitsring. Auch hier ergibt sich ein Luftvolumen zwischen Schaufeln, Flüssigkeit und Rotor, das sich
durch die Bewegung verkleinert und so die darin befindliche Luft verdichtet. Der
entscheidende Vorteil ist die ölfreie Verdichtung, jedoch besitzt auch diese Verdichterform einen relativ niedrigen Wirkungsgrad.
•
Schraubenverdichter bestehen aus zwei parallelen, ineinander greifenden Rotoren, die gegenläufig arbeiten. Bei der Bewegung der Rotoren wird das zwischen
den Gängen der Rotoren und der Gehäusewand eingeschlossene Gas transportiert
und dabei kontinuierlich verdichtet. Schraubenverdichter werden sowohl trockenlaufend als auch mit Wasser- oder Öleinspritzung angeboten. Die Öleinspritzung dient zur Schmierung der Wellen, Abdichtung der Verdichtungsvolumen und zur Kühlung der Druckluft.
•
Drehkolbenverdichter werden auch Rootsverdichter genannt. Dabei arbeiten
zwei flügelartige Kolben , die versetzt ineinander greifen. Die Verdichtung erfolgt, wenn das zwischen den Flügeln eines Rotors und der Gehäusewand eingeschlossene Gas in den Raum der Druckseite geschoben wird. Die Maschine arbeitet also immer gegen den vollen Gegendruck, es erfolgt keine kontinuierliche
Verdichtung. Dies hat einen eher schlechten Wirkungsgrad zur Folge.
•
Radialverdichter sind Strömungsmaschinen, bei denen die Luft in radialer
Richtung von innen nach außen abwechselnd durch eine Reihe rotierender und
stationärer Schaufeln strömt. Zwischen den Laufrädern wird die Luft durch einen
Diffusor geleitet, in dem die kinetische Energie in statischen Druck umgewandelt
wird. Turboverdichter werden vor allem für große Fördermengenströme eingesetzt (Abbildung 47). Sie haben den Vorteil einer gleichmäßigen Förderung von
ölfreier Luft.
169
Zwischen den einzelnen Verdichterstufen können Zwischenkühlungen eingebaut
werden. Dadurch kann eine isotherme Verdichtung angenähert und bessere Wirkungsgrade erzielt werden (s. Kapitel 2.10.3). Die Mindestliefermenge ist hauptsächlich vom Gasdurchsatz der letzten Stufe abhängig. Ist der Luftbedarf kleiner
als die Mindestliefermenge, wird die überschüssige Luftmenge abgeblasen, eine
Leistungsminderung kann daher nicht erzielt werden.
•
Axialverdichter sind ebenfalls Strömungsmaschinen, bei denen die Luft in axialer Richtung abwechselnd durch eine Reihe rotierender und stationärer Schaufeln strömt. Die Luft wird dabei zunächst beschleunigt und dann durch die Umsetzung der kinetischen Energie in Druckerhöhung verdichtet. Durch einstufige
Verdichter lassen sich Enddrücke bis ca. 10 bar realisieren (Abbildung 47).
Quelle: Druckluft Fakten (2002a)
Abbildung 47: Einsatzbereich von Luftverdichtern
2.10.2.2
Antriebe und Regelung
Kompressoren werden üblicherweise mit integriertem Elektromotor angeboten. Als
Antrieb sind auch Verbrennungsmotoren oder Gas- oder Dampfturbinen möglich,
aber kaum gebräuchlich. Der Gesamtwirkungsgrad direkt angetriebener Systeme ist
höher, da ein Verlustglied entfällt.
Die passende Regelungsart ergibt sich aus den vorherrschenden Betriebsbedingungen (Druckluft Fakten 2002b):
•
Volllast-Leerlauf-Aussetz-Regelung: Erreicht der Betriebsdruck eine festgelegte untere Grenze pmin, wird der Kompressor gestartet und fördert Druckluft bis
170
Erreichen der oberen Grenze Pmax. Sodann (bei t=t1, s. Abbildung 48) geht der
Kompressor in Leerlauf und nach einer gewissen Zeit in Stillstand, sofern der
Betriebsdruck die untere Grenze noch nicht erreicht hat (t=t2). Diese diskontinuierliche Regelung hat den Vorteil der schnellen Reaktionsfähigkeit, verbraucht
aber während der Leerlaufzeiten unnötig Energie.
pmax
pmin
W
PLast
PLeerlauf
t0
t1
t2
t
Abbildung 48: Funktionsdiagramm der Volllast-Leerlauf-Aussetz-Regelung
•
Mittels Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter lässt sich die Leistung des
Motors und damit der geförderte Volumenstrom im Bereich von 30 bis 100 %
kontinuierlich verändern. Diese Regelungsart wird im Kapitel 2.8 (Elektrische
Antriebe) ausführlich erläutert.
•
Bei der Saugdrosselregelung wird mit Hilfe einer Drossel der Ansaugdruck und
damit das Ansaugvolumen reduziert. Damit ist ein großer Regelbereich möglich,
jedoch wird die Antriebsleistung und damit der Energiebedarf kaum vermindert.
•
Als Abblasregelung werden Regelungen bezeichnet, bei denen der Kompressor
verdichtete Luft in die Atmosphäre abbläst und damit die Förderleistung an den
tatsächlichen Luftverbrauch angleicht. Die Leistungsaufnahme ist somit unabhängig vom Volumenstrom.
•
Bei einer Kompressorstation, die aus mehreren Kompressoren besteht, lässt sich
eine übergeordnete Steuerung anwenden. Die bekannteste Art der Koordination ist die sogenannte Druckkaskade; hierbei ist jedem Kompressor ein bestimmter Schaltbereich (ca. 0,8 bar je Kompressor) durch die übergeordnete Regelung zugewiesen und die Kompressoren bei Bedarf jeweils nach Grund-, Mittel- und Spitzenlast zusammengeschaltet. Alternativ bietet sich die Möglichkeit,
beliebig viele Anlagen über ein Druckband (ca. 0,6 bar) zu steuern. Der Vorteil
dieser Steuerungsart ist eine Reduzierung des max. Druckes in der Druckluftstation, und damit eine Verringerung des Leistungsbedarfs.
171
Aussetzregelungen sind vergleichsweise effizient, durch häufige Schaltungen wird
der Motor aber stark beansprucht. Daher wird diese Regelung vor allem bei einfachen und relativ kontinuierlichen Lastzuständen verwendet. Eine Drehzahlregelung
kommt dem Idealverlauf einer proportionalen Veränderung von Volumenstrom und
Leistungsaufnahme am nächsten (s. Abbildung 49), ist aber nur für Spitzenlastkompressoren sinnvoll, dagegen weist die Drosselregelung über einen weiten Regelbereich kaum Leistungsminderungen auf (Energieagentur NRW o. J.).
100 %
Leistungsaufnahme
Drosselregelung
Drehzahlregelung
Last-/ Leerlaufregelung
Idealkurve
Volumenstrom
100 %
Abbildung 49: Energiebedarf bei verschiedenen Regelungskonzepten
2.10.2.3
Druckluftaufbereitung
Eine Aufbereitung der Druckluft ist nötig, um für die verschiedenen Einsatzbereiche jeweils Druckluft der benötigten Qualität zu Verfügung zu stellen. In der ISONorm 8573 wird Druckluft in verschiedene Qualitätsklassen nach den enthaltenen
Verunreinigungen (Teilchengehalt, Drucktaupunkt und Ölkonzentration) eingeteilt
(Tabelle 40). Die Beseitigung der Verunreinigungen erfolgt mittels Trocknung und
Filtration.
Filter werden benötigt, um die Ölrückstände von ölgeschmierten oder öleingespritzten Kompressoren und Verunreinigungen aus der Umgebungsluft zu entfernen
und so das Netz und angeschlossene Maschinen vor Kontamination zu schützen und
Qualitätsstandards der benötigten Druckluft einzuhalten. Dabei gilt: Je höher der
172
Filtrationsgrad, desto höher der Differenzdruck bzw. Druckabfall im Filter, der
durch den Kompressor zusätzlich erzeugt werden muss.
Tabelle 40:
Klasse
0
1
2
3
4
5
Druckluftqualitätsklassen nach ISO 8573.1
Maximale Anzahl von Teilchen /m³ Drucktaupunkt Rest-Ölgehalt (mg/
(°C)
m³)
Teilchen Größe d (µm)
0,1<d ≤0,5
0,5<d ≤1
1< d ≤ 5
spezifiziert gemäß Anwendung und besser als Klasse 1
100
1
0
≤ – 70
0,01
100 000
1 000
10
≤ – 40
0,1
-10 000
500
≤ – 20
1
--1 000
≤ +3
5
--20 000
≤ +7
-
•
Ansaugluftfilter reinigen die angesaugte Luft bereits vor dem Kompressor und
tragen so zur Verlängerung der Kompressorlebensdauer bei.
•
Zyklonabscheider können direkt nach dem Kompressor eingesetzt werden, um
Wasser, Grobschmutz und größere Öltröpfchen zu entfernen.
•
Vorfilter sind vor dem eigentlichen Filter angebracht und können Partikel größer als 20 Mikrometer abscheiden. Vorfilter sind in der Regel Oberflächenfilter,
bei denen sich die Partikel als Filterkuchen an der Oberfläche absetzen. Dadurch
lassen sich leicht reinigen. Vorfilter können aus Polyethylen, Bronze oder Edelstahl bestehen.
•
Je nach Filtrationsgrad kann beim eigentlichen Filter zwischen Fein-, Feinstund Superfeinstfiltern unterschieden werden. Dafür werden Glasfaservliese
eingesetzt, die als Tiefenfilter arbeiten, d. h. Teilchen lagern sich auch innerhalb
der Filterporen an und erhöhen so den Strömungswiderstand.
Nach dem Kompressor ist die Luft mit Wasserdampf gesättigt, der beim Abkühlen
oder Entspannen kondensiert und dabei nicht nur die Druckluftqualität beeinträchtigt, sondern auch Schäden in der Anlage durch Korrosion, Vereisung etc. hervorrufen kann. Trockner können vor oder hinter dem Druckluftbehälter installiert werden, aus wirtschaftlichen Gründen und weil im Behälter bereits ein Teil des Kondensats abgeschieden werden kann, ist die Nachschaltung generell vorzuziehen. Das
anfallende Kondensat muss entsorgt oder aufbereitet werden.
•
Kältetrockner entfernen das in der Druckluft enthaltene Wasser mittels Kühlung bis nahe dem Gefrierpunkt. Sie bestehen aus den Hauptkomponenten Kältemittelkreislauf mit Verdampfer (Kältemittel/Luft-Wärmetauscher), Expansionsventil, Kondensator und Kompressor, Luft/Luft-Wärmetauscher, Kondensatabscheider und -ableiter. In 90 % der Fälle wird zur Trocknung ein Kondensationstrockner eingesetzt (Druckluft Fakten 2002c).
173
•
Membrantrockner arbeiten nach dem Prinzip der Diffusion. Sie bestehen aus
einem Bündel von Hohlfasermebranen mit einer speziellen Membranbeschichtung, durch die die Luft geleitet wird. Die kleineren Wassermoleküle diffundieren schneller als Luft und dringen durch die Membranwandung. Die Außenwandung der Membrane ist zusätzlich mit trockener Spülluft umgeben, so dass die
Diffusion durch ein Konzentrationsgefälle verstärkt wird. Der Spülluftstrom wird
aus dem trockenen Luftstrom abgezweigt und entspannt. Je höher der erforderliche Trocknungsgrad, desto höher ist auch der Spülluftverbrauch. Membrantrockner sind meist im kleinen Leistungsbereich angesiedelt. Der Druckabfall ist
gering, jedoch muss zusätzlich die Spülluft bereitgestellt werden.
•
Bei Adsorptionstrockner lagert sich der Wasserdampf am Trocknungsmittel an,
d. h. der Dampf ist nur physikalisch gebunden und das Adsorbens kann durch
Austreiben des Wassers wieder regeneriert werden. Als Trockenmittel werden
Aluminiumoxid, Molekularsiebe und Silikagel eingesetzt. Je nach Regenerationsmethode unterscheidet man zwischen kaltregenerierten (das Adsorbens wird
mit einem Teilstrom der getrockneten, entspannten Luft beaufschlagt) und
warmregenerierten (Aufheizung mittels heißer Spülluft oder el. Heizung)
Trocknern. Üblicherweise lassen sich Taupunkte von –60 °C oder darunter erreichen.
•
Absorptionstrockner sind mit Trockenmittel gefüllte Behälter, die von der
Druckluft durchströmt werden. Das Trockenmittel geht mit dem Wasserdampf
eine chemische Verbindung ein und kann nicht regeneriert werden. Ein regelmäßiger Austausch des Absorbens ist daher nötig. Es können Taupunkte von 10 bis
15 °C erreicht werden. Im Bereich der Drucklufttrocknung sind Absorptionstrockner nicht gebräuchlich.
Die Aufbereitung der Druckluft sollte je nach Anwendungsgebiet angepasst werden
(Tabelle 41).
Auf Grund der hohen Kosten durch Folgeschäden muss der Kondensatableitung in
der Druckluft ein sehr hoher Stellenwert zugeordnet werden. Bei der Kondensatableitung sind drei Verfahren üblich: Schwimmersteuerung, zeitgesteuerte Ventile
oder elektronisch niveaugeregelte Ableiter. Kompressorenkondensat ist im Sinne
des Gesetzgebers ein besonders überwachungsbedürftiger Abfall. Für die Kondensataufbereitung stellt der Gesetzgeber zwei Möglichkeiten zur Wahl. Entweder die
sachgerechte Entsorgung durch legitimierte Fachfirmen, oder eine Aufbereitung vor
Ort mit geeigneter und zugelassener Kondensataufbereitungstechnik. Kondensate
liegen entweder als disperses Öl-Wassergemisch oder stabile Emulsion vor. In der
Praxis haben statische Öl-Wasser-Trennsysteme, Emulsion-Spaltanlagen auf Adsorptionsbasis und Ultrafiltration durchgesetzt (Druckluft Fakten 2002c).
174
Tabelle 41: Empfohlene Güteklassen und Aufbereitung nach Verwendungszweck
Vorfilter
-
-
Blasluft
-
-
-
Sandstrahlen
-
3
-
(X)
X
Einf. Lackierarbeiten
-
3
-
(X)
X
Allgemeine Werksluft
5
3
4
X
(X)
X
Förderluft
5
3
4
X
(X)
X
Druckluftwerkzeuge
1
1
4
X
(X)
X
X
Steuerluft
1
1
4
X
(X)
X
X
Mess- und Regeltechnik
1
1
4
X
(X)
X
X
Farbspritzen
1
1
4
X
(X)
X
X
Dental- oder Fotolabor
1
1
4
X
(X)
X
X
Atemluft
1
1
4
X
(X)
X
X
Instrumentalluft
1
1
1-3
X
(X)
X
X
Pneumatik
1
1
1-3
X
(X)
X
X
Oberflächentechnik
1
1
1-3
(X)
X
X
Medizintechnik
1
1
3-4
(X)
X
X
1
1
3-4
X
(X)
X
X
Brauereien
1
1
1-3
X
(X)
X
X
X
Molkereien
1
1
1-3
X
(X)
X
X
X
Pharmazeutische Ind.
1
1
1-3
X
(X)
X
X
X
X
X
X
Sterilfilter
Zyklonabscheider
-
Membran
Wasser
Allgemeine Brauchluft
Anwendung
Kälte
Partikel
Mikrofilter
Filter
Adsorption
Trockner
Öl
Güteklassen
X
Quelle: Boge 1997
2.10.2.4
Druckluftverteilung
Eine Kompressoranlage ist gewöhnlich mit einem oder mehreren Druckluftspeichern ausgerüstet. Druckluftbehälter dienen zur Speicherung, Pulsationsdämpfung
(bei Kolbenkompressoren) und Kondensatabscheidung in Druckluftsystemen. Die
Größe der Behälter hängt von der Kompressorbauart, von der Liefermenge, dem
Regelsystem, dem Betriebsdruck und dem Entnahmezyklus auf der Verbraucherseite ab.
175
Die Aufgabe des Druckluftnetzes besteht darin, die Luft vom Kompressorraum zur
Druckluftanwendung ohne Einbußen bei Qualität, Volumen und Druck zu transportieren. Ein Netz besteht aus Hauptleitung, Verteilungsleitungen und Anschlussleitungen. Die Hauptleitung verbindet die Erzeugerstation (Kompressorenraum) mit
dem Verteilernetz. Die Hauptleitung und Verteilleitungen sollten so dimensioniert
sein, dass für zukünftige Erweiterungen Reserven vorhanden sind. Die Verteilerleitung verteilt die Luft innerhalb eines Verbraucherabschnittes. Sie kann als Stichoder Ringleitung bzw. als Ringleitung mit integrierten Stichleitungen ausgelegt
werden. Die Anschlussleitung ist die Verbindung zwischen Verteilung und Maschinen- oder Anlagenzapfstelle.
Aus energetischer Sicht ist bei der Ausgestaltung des Druckluftnetzes vor allem auf
möglichst minimale Druckverluste zu achten. Insgesamt sollte der Druckabfall zwischen Kessel und Anwendung nicht größer als 0,1 bar, die Druckabfälle des Anschlusszubehörs (Wartungseinheit mit Filter, Ölen, Schnellschlusskupplung, Anschlussschlauch) nicht größer als 0,9 bar sein. Ein Druckverlust von einem bar verursacht einen Energiemehrbedarf von 6 bis 10 %.
Druckverluste entstehen durch
•
zu geringe Leitungsquerschnitte
•
Strömungswiderstände in Fittings und Armaturen (Abzweige, Verengungen und
Erweiterungen, Ventile)
•
Rauhigkeit der Rohrinnenseiten
•
lange Leitungen.
Der erforderliche Leitungsquerschnitt d lässt sich mit Hilfe von Nomogrammen
(s. Abbildung 50) oder folgender Näherungsformel bestimmen (Energieagentur
NRW o. J.):
1,85 * L
1600 * V
5
d=
∆p * p B
der (Betriebs-)Volumenstrom (in m³/s), L die strömungstechnische
Dabei ist V
Rohrlänge (in m), ∆p der vorgegebene Druckverlust (in Pa) und pB der Betriebsdruck (in Pa). Zur Vereinfachung werden dabei die Strömungswiderstände der Armaturen und Fittings in gleichwertige Rohrlängen umgerechnet, die zur realen
Rohrlänge addiert werden und so die strömungstechnische Rohrlänge ergeben.
176
Quelle: Energieagentur NRW o. J.
Abbildung 50: Dimensionierung von Leitungsquerschnitten mit Hilfe eines Nomogramms
Leckagen, d. h. Druckluftverluste im Netz, entstehen durch undichte Ventile und
Rohrverbindungen, defekte Schläuche und korrodierte Leitungen oder durch falsch
installierte Trockner und Filter. Tabelle 42 zeigt die Leistungsverluste für verschiedene Verlustströme (Boge 1997). Bei kleinen Druckluftnetzen lässt sich die Leckagemenge durch eine Entleerung des Druckluftbehälters relativ einfach bestimmen.
Leckagestellen lassen sich durch das entstehende Zischgeräusch bei der Entweichung der Luft relativ einfach orten.
Die Druckluftleitungen bestehen in der Regel aus Stahl, Alu oder Kunststoff. Bei
hohen Qualitätsanforderungen kommen Edelstahlrohre zum Einsatz. Neben Edelstahlrohren weisen auch Kupfer- und Kunststoffrohre geringere Rauhigkeiten und
177
damit geringere Strömungswiderstände auf. Leckagen lassen sich durch Schweißoder Flanschverbindungen minimieren. Bei den herkömmlichen Kunststoffrohren
ist der relativ niedrige Maximaldruck und die geringere Resistenz gegenüber bestimmten Kondensaten zu beachten.
Tabelle 42: Leistungsverluste durch Leckagen
Undichtigkeit Lochdurchmesser in mm
Ausströmende Luftmenge
in m³/min
Leistungsverlust in kW
1
0,075
0,6
2
0,26
2,0
3
0,6
4,4
4
1,1
8,8
5
1,7
13,2
2.10.3
Der Energieverbrauch für die Drucklufterzeugung ergibt sich aus dem Energiebedarf je erzeugter Druckluftmenge multipliziert mit der erzeugten Druckluftmenge.
Das bedeutet, dass eine Minimierung des gesamten Energieverbrauchs einerseits
durch eine Minimierung des Energiebedarfs des Druckluftsystems und andererseits
durch eine Minimierung der erzeugten bzw. benötigten Druckluftmenge erfolgen
kann.
Prinzipiell ist der Ersatz von Druckluft durch andere Energieträgerformen häufig
möglich (z. B. Ersatz von pneumatischen durch hydraulische oder elektrische Fördersysteme). Trotz des hohen Energiebedarfs und damit verbunden hohen Betriebskosten wird die Druckluftnutzung auf Grund der einfachen Handhabbarkeit häufig
anderen Systemen vorgezogen. Gesamtwirtschaftlich ist eine Abschätzung des benötigten Druckluftbedarfs praktisch nicht zu bewerkstelligen. Quantitative Überlegungen über Einspareffekte durch Minimierung des Druckluftbedarfs, sei es über
Ersatz durch andere Systeme oder effizienter Einsatz der erzeugten Druckluft, sind
damit nicht möglich.
Auf Grund des geringen Nutzungsgrades – nur etwa 4 bis 8 % der Endenergie werden in mechanische Expansionsarbeit umgesetzt – ergeben sich große Einsparpotenziale bei der Optimierung von Druckluftsystemen. Durch die Vielzahl der Einzelelemente wird auch der Verlustfaktor erhöht bzw. der Wirkungsgrad der Gesamtanlage deutlich vermindert. Bei einer ineffizienten Anlage wird etwa drei
Viertel der eingesetzten Energie bei der Kompression als Abwärme frei, weitere
10 % beim Antriebssystem (Abbildung 51). Weitere Verluste ergeben sich durch
178
den Druckabfall und Leckagen. Die Anlage des gezeigten Energieflussbilds weist
damit nur eine Druckluftkennzahl von 0,22 kWh/m³ auf und hat damit gegenüber
dem Stand der Technik (0,1 kWh/m³) ein Einsparpotenzial von mehr als 50 %. Einzelne Maßnahmen zur Optimierung von Druckluftsystemen werden in Kapitel
2.10.3.2 beschrieben.
Quelle: FfE 2002
Abbildung 51: Energieflussbild einer ineffizienten Druckluftstation
179
Insgesamt ergibt sich eine dreistufige Vorgehensweise, um den Energiebedarf zu
senken:
Druckluftbedarf minimieren,
• Druckluftbereitstellung optimieren,
• Wärmerückgewinnung maximieren.
•
2.10.3.1
Theoretischer Energieverbrauch
Zur thermodynamischen Beschreibung von Zustandsänderungen der Luft kann in
dem für die Druckluftbereitstellung relevanten Druckbereich die Luft als ideales
Gas betrachtet werden. Damit gilt, dass entsprechend dem idealen Gasgesetz das
Produkt aus Druck und Volumen proportional zur Temperatur ist.
Eine isotherme Verdichtung (d. h. ohne Temperaturerhöhung) entspricht der Zustandsänderung mit dem niedrigsten Energiebedarf. Die spezifische Arbeit ergibt
sich zu
2
p
w 12 = −ò p ⋅ dv =p1 ⋅ v1 ⋅ ln 2
p1
1
In der Praxis lässt sich eine isotherme Verdichtung nur annähernd erreichen, indem
die Luft durch Wassereinspritzung gekühlt wird. Realitätsnäher ist die adiabate
Verdichtung, d. h. ohne Wärmezu- oder -Abfuhr. Für die spezifische Arbeit ergibt
sich damit die folgende Gleichung:
2
2
1
1
w 12 = ò v ⋅ dp = ò c p ⋅ dT = c p ⋅ (T2 − T1 )
Auch die adiabate Verdichtung stellt einen Idealfall dar, der von realen Anlagen
nicht erreicht werden kann. Der theoretische Energieverbrauch bei der Druckluftbereitstellung hängt somit von der Art der Zustandsänderung und vom Druckverhältnis ab. Die effektive Leistung, die aufgebracht werden muss, setzt sich aus der isothermen bzw. adiabaten spezifischen Arbeit, den Reibungsverlusten im Antrieb, den
Reibungsverlusten der Luft in der Rohrleitung und den Wärmeverlusten im Zylinder (Dubbel 1986). Die Leistungsaufnahme guter Anlagen liegt bis zu 35 % über
der der adiabaten Verdichtung (s. Abbildung 52).
spezifische Leistung [kW/(m3/min)]
180
12
10
schlecht
gut
8
ideal adiabat
6
ideal isotherm
4
thermodynamisch
nicht möglich
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Druckve rhältnis p2/p1
Abbildung 52: Leistungsaufnahme bei der Luftverdichtung
2.10.3.2
Häufig werden Druckluftanlagen eher stiefmütterlich behandelt und erhebliche Effizienzpotenziale sind im Einzelnen möglich. Die Leitgrundsätze bei der Optimierung der Druckluftbereitstellung sind:
•
Vermeidung von Leckagen und unnötigem Druckabfall sowie regelmäßige
Wartung und Instandhaltung,
•
Vermeidung des unnötigen Verbrauchs (Abschalten, richtiger Auslegung der
Anlage) und
•
Senkung des spezifischen Nutzenergiebedarfs (Regelung, Wärmenutzung).
Da die Druckluftabnahme durch den Betrieb i. A. deutlich im Zeitverlauf schwankt,
sind übergeordnete Steuerungen, beispielweise die bereits beschriebene Druckbandregelung, und drehzahlvariable Antriebe häufig überlegenswert. Mit einer
Drehzahlregelung des Motors, die sich in vielen Fällen als sehr rentabel erweist,
kann die Leistungsaufnahme erheblich variiert werden, was kleinere Druckbehälter
und eine erhebliche Reduktion der Leerlaufkosten ermöglicht. Beim Antrieb ist der
Einsatz hocheffizienter Motoren eine weitere Verbesserungsmöglichkeit. Elektrische Antriebe werden im Kapitel 2.8 (Elektrische Antriebe) genauer beschrieben.
Für die Auswahl der Kompressorbauart ist in erster Linie die geforderte Liefermenge und das erforderliche Druckniveau maßgeblich (Abbildung 47). Für die Druck-
181
lufterzeugung werden maßgeblich öleingespritzte Schraubenkompressoren eingesetzt, aber es sind auch andere Bauarten möglich. Je nach Bauart kann es Unterschiede bei der Leistungsaufnahme geben (Abbildung 53, FfE 2002). Im Bereich
der Drucklufterzeugung, d. h. bei Enddrücken von 7 bis 9 bar zeigt das Diagramm
mit Ausnahme des Zellenverdichters keine großen Unterschiede bei der spezifischen Kupplungsleistung. Beim Bau der Kompressoren selbst ist in Zukunft nur mit
kleinen Verbesserungen hinsichtlich der Energieeffizienz zu rechnen.
Bei der Auswahl der Kompressoren werden häufig Überdimensionierung in Kauf
genommen, um Produktionssicherheit zu gewährleisten. Dies führt aber dazu, dass
die Kompressoren ständig abseits ihres optimalen Auslegungspunkts arbeiten, und
durch Teillast ein erhöhter Energiebedarf entsteht. Neben der Vermeidung der
Überdimensionierung sollte auch die Anzahl und Größe der Kompressoren auf die
Bedarfsstruktur angepasst werden. Bei stark wechselndem Druckluftbedarf sind
mehrere Kompressoren, die modular zusammengeschaltet werden, einer großen
Maschine vorzuziehen.
Übersicht
10
Kolbenverdichter
9
Schraubenverdichter
8
Zellenverdichter
7
Radialverdichter
6
5
4
3
2
1
Drehkolbenverdichter
0
0
4
8
12
16
20
24
28
Verdichtungsenddruck in bar
Abbildung 53: Leistungsaufnahme verschiedener Verdichterbauarten
Eine der häufigsten Ursachen, wenn eine Druckluftanlage ineffizient arbeitet, ist die
Installation einer überdimensionierten Kompressoranlage mit entsprechend langen
Leerlaufzeiten oder ungünstigem Teillastverhalten, und mit zu hohen Enddrücken,
die auf Seiten der Druckluftnutzung gar nicht erforderlich sind. Bei der Planung
oder beim Umbau einer Druckluftanlage muss es deshalb erst einmal darum gehen,
das für die Nutzung der Druckluft geeignete Niveau des Enddruckes zu finden.
182
Zum anderen sollte die Mengenleistung des Kompressors nicht größer sein als
wirklich erforderlich.
Differenzdruck in bar
Energiekosteneinsparung lassen sich weiterhin erzielen durch regelmäßige und
sorgfältige Wartung und Instandhaltung der Kompressorenanlage. Die Ansaugfilter regelmäßig zu wechseln und damit den Druckverlust zu minimieren ist mindestens so wichtig wie die Beachtung, dass die angesaugte Luft möglichst kühl sein
sollte. Ausreichende Raumlüftung und gute Abführung der Kompressorabwärme
sind deshalb sehr wichtig. Zur Wartung gehört weiterhin die regelmäßige Kontrolle
von Ventilen und die Reinigung von Öl- und Luftkühler der Kompressoranlagen. Je
höher der Filtrationsgrad, desto höher der Differenzdruck. Dabei bedeutet überschlägig 1 bar 7 % mehr Energiebedarf. Filter sollten daher ab einem bestimmten
Differenzdruck regelmäßig ausgetauscht werden (Abbildung 54).
0,35
Betriebszeit
1 Jahr
Abbildung 54: Differenzdruckverlauf von Tiefenfiltern
Der mit Abstand größte Effizienzgewinn ergibt sich in der Regel durch die Beseitigung der Leckagen im Druckluftnetz. Leckagen lassen sich in einem Druckluftverteilnetz nicht völlig vermeiden, sind jedoch leicht aufzufinden und meist mit
geringen Kosten zu beseitigen.
Darüber hinaus gibt es weitere Einsparmöglichkeiten bei Druckluftnetzen. Ein
Druckverlust von 1 bar bei einem Netzdruck von 10 bar verursacht einen Strommehrbedarf von ca. 7 bis 10 %. Druckverluste entstehen durch zu geringe Leitungsquerschnitte, die Strömungswiderstände in Fittings und Leitungszubehör, Rauhigkeit der Rohrleitungswände sowie zu lange Versorgungsleitungen.
183
Etwa drei Viertel der elektrischen Leistungsaufnahme eines Luftkompressors wird
in Wärme umgewandelt, die im Grundsatz rückgewinnbar ist. Weitere 10 % der
Leistung gehen an die Kühlluft und per Wärmeabstrahlung des elektrischen Motors
verloren (Abbildung 51). Mit einer Wärmerückgewinnung kann die entstehende
Abwärme des Kompressors an anderer Stelle genutzt werden. Die zurückgewonnene Wärme fällt überwiegend bei 60 bis 80 °C an und kann nicht in jedem Fall wirtschaftlich weiterverwendet werden. Bei vorhandenem Bedarf ist diese Maßnahme
aber mit deutlichen Effizienzgewinnen verbunden.
2.10.3.3
Insgesamt ermittelte die EU-Studie „Compressed Air Systems“ ein gesamtes Einsparpotenzial von 33 %, das durch den effizienten Einsatz bei der Erzeugung, Aufbereitung, Verteilung und Anwendung von Druckluft insgesamt erzielt werden
könnte (s. Tabelle). Die Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung lassen sich sicher
nicht in allen Betrieben gleichermaßen anwenden, aber erfahrungsgemäß führt die
Beachtung der jeweils zutreffenden Maßnahmen zu Energiekosteneinsparungen
zwischen 20 und 40 %.
Tabelle 43: Energieeinsparmaßnahmen bei der Druckluftbereitstellung
Energieeinsparmaßnahme
Anwend- Effizienz- Gesamtbarkeit
gewinn potenzial
Neuanlagen oder Ersatzinvestitionen
Hocheffiziente Motoren
25 %
2%
0,5 %
Drehzahlvariable Antriebe
25 %
15 %
3,8 %
Optimale Kompressorenauswahl
30 %
7%
2,1 %
Einsatz effizienter Steuerungen
20 %
12 %
2,4 %
Wärmerückgewinnung
20 %
20 %
4,0 %
Verbesserte Druckluftaufbereitung
10 %
5%
0,5 %
Gesamtanlagenauslegung inkl. Mehrdruckanlagen
50 %
9%
4,5 %
Reduzierung des Druckverlustes
50 %
3%
1,5 %
Optimierung von Druckluftgeräten
5%
40 %
2,0 %
Verminderung der Leckageverluste
80 %
20 %
16,0 %
Häufigerer Filterwechsel
40 %
2%
0,8 %
Anlagenbetrieb und Instandhaltung
Summe
33,1 %
Legende: Anwendbarkeit = % DLA, in denen diese Maßnahme anwendbar und rentabel ist.
Effizienzgewinn = % Energieeinsparung des jährlichen Energieverbrauch
Gesamtpotenzial = Anwendbarkeit * Effizienzgewinn
184
Die Schätzungen zum jährlichen Energieverbrauch von Druckluftsystemen belaufen
sich auf 14 TWh (s. Kapitel 2.10.1). Damit ergäbe sich ein gesamtes Einsparpotenzial von 4,6 TWh, was beim gegenwärtigen Strommix in Deutschland einer CO2Minderung von 2,8 Mio. t CO2 entspricht.
Die Umsetzung der Maßnahmen hängt häufig weniger an den wirtschaftlichen Gegebenheiten, sondern an einer Vielzahl von Hemmnissen (s. Kapitel 3). Darüber
hinaus ist die Umsetzung von Maßnahmen oft eine Frage des richtigen Augenblicks. Viele der beschriebenen Maßnahmen lassen sich sinnvoll nur bei einer
Neuinstallation anwenden (z. B. Änderungen am Druckluftnetz). Andere hingegen,
insbesondere die Leckagesuche sind Maßnahmen, die sich gut im laufenden Betrieb
erledigen lassen (Tabelle 44). Ebenso sind die damit verbunden Kosten von Maßnahme zu Maßnahme sehr unterschiedlich.
Tabelle 44: Anwendungszeitpunkt der Energieeinsparmaßnahmen
Installation
Hocheffiziente Motoren
Drehzahlvariable Antriebe
Optimale Kompressorenauswahl
Einsatz effizienter Steuerungen
Wärmrückgewinnung
Verbesserte Druckluftaufbereitung
Anpassung der Druckstufen
Reduzierung des Druckverlustes
Optimierung von Druckluftgeräten
Verminderung der Leckageverluste
Häufigerer Filterwechsel
2.10.4
++
++
++
++
++
++
++
++
++
+
++
Maschinenaustausch
++
++
+
++
++
++
+
+
+
+
+
Laufender
Betrieb
++
++
++
++
Literatur
Bahr, M.; Ruppelt, E. (2000): Taschenbuch Drucklufttechnik. Essen: VulkanVerlag
Boge Kompressoren (1997): Druckluft-Kompendium. Espelkamp: Verlag Marie
Leidorf GmbH
Druckluft Fakten (2002a): Drucklufterzeugung für Industrie, Handwerk und Gewerbe. Fakten des Projekts Druckluft effizient, Fraunhofer ISI, Karlsruhe,
Dezember 2002, http://www.druckluft-effizient.net/fakten/04-erzeugung.pdf
185
Druckluft Fakten (2002b): Steuerung. Fakten des Projekts Druckluft effizient,
Fraunhofer ISI, Karlsruhe, Dezember 2002, http://www.drucklufteffizient.net/fakten/05-steuerung.pdf
Druckluft Fakten (2002c): Druckluftaufbereitung. Fakten des Projekts Druckluft
effizient, Fraunhofer ISI, Karlsruhe, Dezember 2002, http://www.drucklufteffizient.net/fakten/06-aufbereitung.pdf
Dubbel (1986): Taschenbuch für den Maschinenbau. Berlin/Heidelberg: SpringerVerlag, 15. Auflage
Energieagentur Nordrhein-Westfalen (o. J.): Druckluft rationell nutzen mit RAVEL
NRW. Teilnehmerunterlagen zum Seminar des REN Impuls-Programms
RAVEL NRW, Wuppertal: Energieagentur Nordrhein-Westfalen
FfE (2002): Ermittlung von Energiekennzahlen für Anlagen, Herstellungsverfahren
und Erzeugnisse. Studie im Auftrag des Umweltbundesamts, München: Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE)
Radgen, P., Blaustein E. (Eds.) (2001): Compressed Air Systems in the European
Union. Energy Emissions, Saving Potenzial and Policy Actions. Endbericht
einer Studie des EU Save-Programms, Stuttgart: LOG_X Verlag
Ruppelt, E. (Hrsg.) (2003): Drucklufthandbuch. Essen: Vulkan-Verlag, 4. Aufl.
Straus-Zunker, W. (1996): Filtern und trocknen. Druckluftaufbereitung mit Mikrofilter und Adsorptionstrockner. ISBN 3-00-000388-6
186
2.11
Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen (ISI)
Während die Aufgabe von Heizungsanlagen im Wesentlichen darauf beschränkt ist,
Räume im Winter zu heizen, hat die Lüftungs- und Klimatechnik das weitaus umfassendere Ziel, den Zustand der Raumluft hinsichtlich Reinheit, Temperatur und
Feuchte innerhalb bestimmter Grenzen zu halten. Die Anforderungen, die an den
Raumluftzustand gestellt werden, können je nach Art des Raumes sehr verschieden
sein. Bei Wohnräumen begnügt man sich in der Regel mit einer einfachen Fensterlüftung, während für manche industriellen Betriebe, wie Chip-, Textil-, Tabakfabriken etc. Klimaanlagen verlangt werden, die jeden gewünschten Luftzustand mit
großer Genauigkeit innezuhalten in der Lage sind. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es zahllose Zwischenstufen mit mehr oder weniger weitgehender Luftbehandlung im Sektor Kleinverbraucher.
Ein wichtiges Anwendungsfeld betrifft hierbei die sommerliche Erwärmung von
Bürogebäuden. Dies liegt an der Nutzung der Gebäude und an sich verändernden
Trends in der Architektur. So ist der Fensteranteil an der Fassade im Hinblick auf
die Ausnutzung des Tageslichts und die Transparenz des Gebäudes gegenüber
Wohngebäuden vergrößert. Außerdem nehmen die inneren Wärmelasten auf Grund
des zunehmenden Einsatzes von Büromaschinen zu. Auf Grund der Grundstückspreise und auch aus energetischen Gründen werden die Gebäude vielfach erheblich
kompakter gebaut. Durch diese Tendenzen ist es vielfach notwendig, Gebäude auch
in unseren Breitengraden zu kühlen, um eine geeignete Raumtemperatur auch im
Sommerhalbjahr gewährleisten zu können, d. h. Wärmelasten aus dem Raum in die
Umgebung abzuleiten.
2.11.1
In Deutschland gab es 1996 gut 520.000 Klimaanlagen, deren Nutzung einen jährlichen CO2-Ausstoß von gut 25.000 Tonnen verursachte. Der Zuwachs in den letzten
Jahren war enorm: So lag der Wert 1990 noch bei 144.000 (EERAC 1999).
Raumlufttechnische Anwendungen im Kleinverbrauchssektor finden sich – neben
den erwähnten Bürogebäuden – im Einzel- und Großhandel, in Restaurants, Kantinen und Küchen, weiterhin in Hotels sowie Schulen und Universitäten. In der Zukunft werden sich raumlufttechnische Anlagen jedoch auch im Wohnbereich zunehmend durchsetzen, da bei abnehmenden Transmissionswärmeverlusten moderner Neubauten der Anteil der Lüftungswärmeverluste steigt, d. h. weitere wesentliche Energieeinsparungen sind nur mit Hilfe einer mechanischen Lüftung mit Wärmerückgewinnung erreichbar.
187
Tabelle 45:
Klimatisierungsbedarf in der Industrie
Industriezweig
Art des Betriebes
Bäckerei
Mehllager Hefelager Teigherstellung
Zuckerlager
Bibliotheken
Bücherlager Lesesäle
Brauerei
Gärraum Malztenne
Druckerei
Papier-Lagerung Drucken Mehrfarbendruck Photodruck alle weiteren Arbeiten
Elektro-Industrie
allgemeine Fabrikation Fabrikation v.
Thermo- und Hygrostaten Fabrikation
mit kleinen Toleranzen Fabrikation von
Isolierungen
Lagerung Fabrikation Vulkanisation
chirurgisches Material
Gummi-Industrie
Keramische Industrie Lagerung Herstellung Verzierungen
Linoleum-Industrie
Oxydation des Leinöls Bedrucken
Mechanische Industrie Büros, Zusammensetzung, Montage
Präzisions-Montage
Museen
Gemälde
Papierindustrie
Papiermaschinenraum Papierlager
Pharmazeutische Industrie
Photographische Industrie
Lagerung der Vorprodukte Fabrikation
von Tabletten
Fabrikation normaler Filme Fabr. von
Sicherheitsfilmen Bearbeitung von Filmen Lagerung von Filmen
Pelze
Pilzplantage
Streichhölzer
Süßwaren-Industrie
Lagerung
Wachstumsperiode Lagerung
Herstellung Lagerung
Lagerung (trockene Früchte) WeichBonbons Herstellung von Hart-Bonbons
Verpackung von Hart-Bonbons Herstellung von Schokolade Umhüllen von
Schokolade Verpackung von Schokolade Lagerung von Schokolade Keks- und
Waffelherstellung
Temperatur relative
(°C)
Feuchte (%)
15...25 0...5
50...60
23...25 25
60...75
50...60 35
21...25
40...50
21...25
35...55
4...8 10...15
60...70
80...85
20...26
50...60
22...26
45...60
24...28
45...50 60
21...23
50...60
21...23
21 24 22 24
50...55
50...55
40...45
65...70
16...24
40...50
31...33
25...30
26...28
25...30
24...33
16...26
35...65
26...28
60...70
24...26
45...50
32...38
20...28
26...28
30...50
20...24
35...55
22...24
40...50
18...24
40...55
22...30
50...60
20...24
50...60
21...27
30...40
21...27
35...50
20...24
40...65
15...20
45...50
20...24
40...60
18...22
40...60
5...10
50...60
10...18 0...2
80...85
18...22 15
10...13
50 45 30...40
21...24
40...45
24...26
50...55
24...26
55...60 55
15...18
60...65 50
24...27 18
18...21
18...20
188
Industriezweig
Tabak-Industrie
Textil-Industrie
Art des Betriebes
Temperatur relative
(°C)
Feuchte (%)
Lagerung des Rohtabaks Vorbereitung
21...23
60...65
Zigaretten-, Zigarrenfabrikation Verpa22...26
75...85
ckung
21...24 23
55...65 65
Baumwolle: Batteur Karderie Kämme22...25
40...50
rei Strecke Flyer Ringspinnmaschine
22...25
50...55
Spulerei, Zwirnerei, Scheren und
22...25
45...55
Aufziehen der Kette Webraum Kondi22...25
50...55
tionieren von Garn und Gewebe
22...25
50...55
22...25
40...45
22...25
60...70
22...25
75...80
22...25
90...95
Leinen: Vorbereitung Karderie
18...20
80 50...65
Spinnerei Weberei
20...25 24...2
65...75
27
65...70
Wolle: Vorbereitung Karderie
27...29
60 65...70
Spinnerei Weberei Ausrüsten
27...29
50...60
27...29
60...70
27...29 24
50...60
Seide: Vorbereitung Spinnerei
27 24...27
60...65
Weberei
24...27
65...70
60...75
Kunstseide: Karderie Spinnerei
21...25
65...75
Weberei
24...25
60...65
Quelle: Recknagel, Sprenger 1995
Industrie-Klimaanlagen haben im Gegensatz zu Komfort-Klimaanlagen die Aufgabe, den für die Fabrikation günstigsten Luftzustand herzustellen. Viele Produkte
lassen sich nur dann einwandfrei herstellen, wenn die Luft einen bestimmten Zustand hat. So ist beispielsweise in der Textil- und der Papierindustrie die Einhaltung
bestimmter Feuchtezustände von grundlegender Bedeutung. Eine große Anzahl
weiterer Industriezweige, vor allen Dingen solche, die hygroskopische Materialien
verwenden, verlangen ebenfalls einen bestimmten Luftzustand, so z. B. die Tabakindustrie, Fotoindustrie, Süßwaren-, Lebensmittel- sowie Mikroelektronik-Fabriken.
Ein weiteres großes Anwendungsgebiet sind die chemische Industrie und Pharmabetriebe bei der Herstellung von Medikamenten, die Klimatisierung von Prüfräumen und Laboratorien, die Fabrikation von Präzisionsbauteilen u.a.. Bei manchen
Produktionen, z. B. Halbleiter-Fertigung, ist eine annähernd 100 %ige StaubPartikel-Freiheit der Luft erforderlich.
Um ein Maß für die Durchdringung von Klimatisierungsanlagen in einzelnen Branchen der industriellen Fertigung zu erhalten, wird der Klimatisierungsgrad definiert.
Der Klimatisierungsgrad einer Branche gibt das Verhältnis der Beschäftigten mit
189
klimatisiertem Arbeitsplatz zur Gesamtzahl der Beschäftigten an. Tabelle 46 gibt
eine Übersicht.
Tabelle 46: Klimatisierungsgrad der einzelnen Industrie-Branchen
Wirtschaftszweig
Klimatisierungsgrad
Ernährungsgewerbe
0,5
Tabakverarbeitung
1,0
Textilgewerbe
1,0
Bekleidungsgewerbe
0,3
Ledergewerbe
0,3
Holzgewerbe (ohne Möbel)
0,2
Papiergewerbe
1,0
Verlagsgewerbe, Druckgewerbe, Vervielfältigung von
bespielten Ton-, Bild- und Datenträgern
0,7
Chemische Industrie
0,8
Herstellung von Gummi- und Kunststoffwaren
0,5
Glasgewerbe, Keramik, Verarbeitung von Steine und Erden
0,3
Metallerzeugung und -bearbeitung
0,3
Herstellung von Metallerzeugnissen
0,3
Maschinenbau
0,2
Herstellung von Büromaschinen, DV-Geräten und
-Einrichtungen
0,8
Herstellung von Geräten der Elektrizitätsversorgung,
-verteilung u.ä.
0,2
Rundfunk-, Fernseh- und Nachrichtentechnik
0,5
Medizin-, Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, Optik
0,5
Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen
0,2
Sonstiger Fahrzeugbau
0,2
Herstellung von Möbeln, Schmuck, Musikinstrumenten,
Sportgeräten, Spielwaren
0,2
Recycling
0,2
Quelle: DKV 2002
Die Raumlufttechnik ist ein Teilgebiet der Lufttechnik, die daneben auch die Prozesslufttechnik beinhaltet. Letztere betrifft die Luftzustände bei prozesstechnischen
Anwendungen wie z. B. Trocknung, Späneabsaugung oder pneumatische Förde-
190
rung. Die Raumlufttechnik untergliedert sich weiter in freie Lüftung und raumlufttechnische Anlagen (kurz RLT-Anlagen) (DIN 1946) (Abbildung 55). Bei der freien Lüftung unterscheidet man die Außenhaut- und Fensterlüftung, die Schachtlüftung und die Dachaufsatzlüftung. Bei den RLT-Anlagen wird unterschieden nach
Anlagen mit und ohne Lüftungsfunktion d. h. ob Außenluft zugeführt oder nur mit
Umluft gearbeitet wird (Luftumwälzanlage). Je nach Anzahl der thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen Heizen, Kühlen, Be- oder Entfeuchten spricht
man von einer Lüftungsanlage (eine Luftbehandlungsfunktion), einer Teilklimaanlage (zwei bis drei Luftbehandlungsfunktionen) oder einer (Voll-) Klimaanlage. Zur
weiteren Klassifizierung wird das Kühlmedium (Luft bzw. Luft-Wasser), die Bauart
(Ein-Kanal, Zwei-Kanal, Induktion) und die Betriebsweise (konstanter oder variabler Volumenstrom) herangezogen.
Abbildung 55: Gliederung der Lufttechnik nach DIN 1946
Die Wirkungsweise des Zentralgeräts als Hauptbestandteil der raumlufttechnischen
Anlage stellt sich wie folgt dar (Abbildung 56). Die aus dem Freien angesaugte Außenluft kann zur Energieeinsparung durch Wärmerückgewinnung aus der Abluft
vorbehandelt werden. Alternativ kann dies auch bei Anlagen mit hohem Raumluftwechsel durch Beimischung mit einem Teil der aus dem Raum zurückgesagten Luft
erfolgen. In einem Filter wird die Luft gereinigt und anschließend mit Hilfe eines
Vorwärmers vorgewärmt. Im weiteren Verlauf durchströmt die Luft einen Kühler,
welcher die Funktion des Kühlens bzw. Entfeuchtens erfüllt. Die Befeuchtung erfolgt mittels Sprühdüsen durch Wasser oder Dampf, bevor im letzten Schritt der
191
Luftbehandlung eine Nachwärmung durchgeführt wird. Durch einen Ventilator wird
die Luft nun über Verteilerkanäle in den Raum gefördert. Der Kreislauf schließt
sich über den Abluftventilator, der die Raumluft wieder absaugt und gegebenenfalls
über einen Wärmerückgewinner leitet, bevor sie als Fortluft ins Freie geht bzw.
einen Teil als Umluft zum Zentralgerät zurückfördert. Diese Funktionen erfüllen
Vollklimaanlagen, wobei die Anordnung der Aggregate Kühler, Befeuchter und
Ventilator in anderer Reihenfolge als hier beschrieben zur Ausführung kommen
kann. Durch Lufttemperatur- und Luftfeuchtefühler wird die Steuerung und Regelung der beschriebenen Luftaufbereitungsfunktionen ermöglicht.
Abbildung 56: Funktionsprinzip einer Klimaanlage
Bei den Bauarten ist zu unterscheiden zwischen Luft-Klimaanlagen und LuftWasser-Klimaanlagen.
Luft-Klimaanlagen
Bei Luft-Klimaanlagen wird die Luft in einer Zentrale aufbereitet und durch Kanäle
in die zu klimatisierenden Räume gefördert, in denen keine weitere Nachbehandlung stattfindet. Es sind also für die angeschlossenen Räume keine Heiz- oder
Kühlwasserinstallationen erforderlich. Beim einfachsten zentralen Lüftungssystem,
dem Einkanalsystem, sind alle Funktionen der Luftkonditionierung in einer Zentrale zusammengefasst (Abbildung 57).
Die konditionierte Luft gelangt über einen gemeinsamen Zuluftkanal, von dem Verzweigungen abgehen, zu den Räumen. Jeder Raum wird dabei mit Luft gleichen
Zustands versorgt. Eine bedarfsgerechte, individuelle Regelung von Lufttemperatur
und Feuchte für einzelne Räume ist nicht möglich. Aus energetischen Gründen
sollte deshalb dieses System nur bei klimatisch gleichartigen Räumen Verwendung
finden.
Energieeffizienter sind Mehrzonensysteme. Hierbei wird das Kanalnetz in Zonen
mit gleichen klimatischen Anforderungen aufgeteilt. Die Luft wird im Zentralgerät
vorkonditioniert und für jede Zone individuell mit entsprechenden Wärmeüberträ-
192
gern nach den wechselnden Erfordernissen temperiert. Die Wärmeüberträger können einen Bestandteil des Zentralgeräts bilden oder in der Nähe der zu belüftenden
Räume untergebracht sein.
Quelle: Landesgewerbeamt Baden-Württemberg 2002
Abbildung 57: Schematische Darstellung einer Luft-Klimaanlage mit Einkanalsystem
Für eine größere Zahl von Einzelräumen unterschiedlicher Belastung stellt die Zusammenfassung in Zonen mit entsprechend vielen Zuluftkanälen keine optimale
Lösung dar. In diesem Fall ist es besser die Zuluftkanäle in einem Zweikanalsystem auf zwei zu reduzieren, einen für die erwärmte und einen für gekühlte Luft und
vor Ort die beiden Luftströme in einem Mischkasten entsprechend den Anforderungen des Raumes zu mischen (Abbildung 58).
193
Quelle: Landesgewerbeamt Baden-Württemberg 2002
Abbildung 58: Schematische Darstellung einer Luft-Klimaanlage mit Zweikanalsystem
Luft-Wasser-Klimaanlagen
Bei den Luft-Wasser-Klimaanlagen wird am Luftauslass oder im Raum mit Hilfe
eines wassergespeisten Wärmetauschers die Raumluft nachbehandelt. Es ist also
außer dem Luftkanalnetz auch die Installation eines Heiz- bzw. Kühlwassernetzes
erforderlich. Man unterscheidet hier Induktions-Klimaanlagen, Ventilator-Konvektoren und Kühldecken mit Quelllüftung.
Bei der Induktions-Klimaanlage sind die Geräte an ein Primärluft-Verteilernetz
angeschlossen. Primärluft tritt mit hoher Geschwindigkeit aus Düsen im Gerät aus.
Durch Injektion wird Raumluft über Wärmeaustauscher angesaugt und je nach Bauart nach oben oder unten ausgeblasen. Die Raumluft wird im Wärmeaustauscher im
Winter erwärmt, im Sommer gekühlt. Durch dieses Konzept können die Klimazentrale und die Luftkanäle klein bemessen sein. Das Induktionssystem hat bei gleichen
Raumluftkonditionen den geringsten Energiebedarf von allen hier besprochenen
194
Systemen. Nur bei geringen Kühllasten wird es vom VVS-System erreicht. Insbesondere auch die Möglichkeit, außerhalb der Luftzufuhr abzuschalten und die
Raumheizung mittels Konvektion der Sekundärluft durchzuführen, trägt zu diesem
Umstand bei. Andererseits sind die Investitionen für ein Induktionssystem relativ
hoch, da zusätzlich zu der Luftverteilung eine Wasserverteilung installiert werden
muss.
Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Anlagen befindet sich der Ventilator
bei den Ventilator-Konvektoren nicht zentral im Zuluftkanal, sondern dezentral in
jedem versorgten Raum. Ansonsten wird wie bei der Induktionsanlage das Heizund Kühlwasser zum Konvektor transportiert. Der Vorteil dieses Systems besteht
darin, dass der Ventilator abgestellt werden kann, wenn der Raum nicht benutzt
wird. Außerdem können die Wärme- oder Kältelasten fast trägheitsfrei abgeführt
werden. Nachteilig ist der hohe Kraftbedarf auf Grund der Dezentralisierung der
Luftförderung (Kolmetz 1995).
Die Zunahme der inneren Lasten (z. B. Bürotechnik) sowie die niedrigeren Grenzwerte bezüglich Raumluftgeschwindigkeit und Turbulenzgrad gestatten vielfach
konventionelle Nur-Luft-Lösungen nicht mehr (Gefahr von Zugluft und hohe Betriebskosten). Um unangenehme Zuglufterscheinungen zu verhindern wird oft die
sogenannte Quelllüftung eingesetzt. Bei der Quelllüftung strömt die entsprechend
vorbehandelte Luft aus großflächigen Auslässen an der Wand oder aus im Raum
aufgestellten Säulen aus. Der Einsatz von Quellluftsystemen zur effektiven Belüftung von Räumen nimmt beständig zu. Hier zeichnet sich ein zukunftsträchtiger
Trend ab. Mit Quelllüftung lässt sich ein hervorragendes Raumklima erzeugen –
vorausgesetzt, Wirkungsweise und Einsatzgrenzen werden beachtet (Ensink 2002).
Da die Bodentemperatur in Büros mindestens 21 °C betragen soll – andernfalls besteht die Gefahr von Kaltluftseen am Fußboden (Fußkälte) – ist die Kühlleistung bei
Quelllüftung auf ca. 25-35 W/m² begrenzt. Wollte man höhere Wärmelasten abführen, müsste die Luftgeschwindigkeit erhöht werden, was den eigentlichen Vorteil
der Quelllüftung zunichte machen würde. Daher wird dieses System oft mit stiller
Kühlung mit vorzugsweise wasserdurchflossenen Kühldecken kombiniert. Unter
stiller Kühlung versteht man die Kälteabgabe in den Raum ohne erzwungene Luftströmung, also durch freie Strömung oder Strahlung. Der durch Strahlung abgegebene Teil der Kühldecke verursacht keine Raumluftgeschwindigkeiten und verringert die empfundene Temperatur im Raum, was im Vergleich zu anderen Systemen
als behaglicher empfunden wird. Der Nachteil der Kühldecken besteht in der Gefahr
der Wasserkondensation.
Bei einem Split-System ist das Gesamtsystem auf zwei Einheiten verteilt – einer
Indoor-Einheit mit Verdampfer und Ventilator und der Outdoor-Einheit mit Kompressor und Verdichter – die nur mit einem Rohr für den Transport des Kältemittels
195
verbunden sind. Multi-Split Systeme bestehen aus mehreren Indoor-Einheiten, die
an eine Outdooreinheit angeschlossen sind.
Funktionale Bestandteile
Ventilatoren sind Strömungsmaschinen zur Förderung von Luft oder anderen Gasen mit Hilfe von rotierenden Sschaufeln. Ab einem Druck von 30.000 N/m² (Pa)
spricht man von Gebläsen. Die am weitesten verbreiteten Ventilatorbauarten sind
Axial- und Radialventilatoren, deren Wirkungsgrad maßgeblich durch die Schaufelgeometrie bestimmt wird.
Neben dem Transport der zur Belüftung des Raumes notwendigen Luft gehört die
Erwärmung und Kühlung der Außenluft zu den zentralen Aufgaben einer lufttechnischen Anlage. Die Luft wird dabei entsprechend den Anforderungen mit Hilfe von
Lufterwärmern und Luftkühlern konditioniert. Für die Wärmeübertragung an die
Luft kommen meist mit einem Medium durchströmte Wärmeübertrager zum Einsatz. Ein Rohrsystem mit Umwälzpumpe verbindet den Wärmeübertrager mit dem
Bereitstellungssystem für Wärme bzw. Kälte. Typische Bereitstellungssysteme für
Wärme sind
•
•
•
•
•
•
Heizkessel (Betrieb mit Öl, Gas oder Festbrennstoff)
BHKW
Wärmepumpen
Fernwärme
Solarkollektoren
im Betrieb anfallende Prozesswärme.
Eine weitere Möglichkeit die Außenluft zu erwärmen ist der Einsatz von Direktlufterwärmern und Elektrolufterwärmern.
Zur Kälteerzeugung werden häufig Kompressionskälteanlagen, aber auch andere
Systeme eingesetzt. Eine ausführliche Beschreibung gibt Kapitel 2.12 (Kälteerzeugung).
Das Grundprinzip von DEC5-Anlagen, mit der eine Vollklimatisierung auch bei
ungünstigen Außenluftzuständen ohne Einsatz einer Kältemaschine möglich ist,
besteht darin, dass eine langsam rotierende Speichermasse im Gegenstrom von zwei
Luftströmen durchströmt wird. Für den Betrieb des Sorptionsgenerators wird thermische Energie benötigt. Durch den Verzicht auf Kältemittel kommen keine Stoffe
zum Einsatz, die die Ozonschicht schädigen, Anteil am Treibhauseffekt haben, toxisch, brennbar oder explosibel sind.
5 DEC = Dessicative and Eporative Cooling
196
Durch Wärmerückgewinnungssysteme wird Wärme aus der Abluft zur Erwärmung der kalten Außenluft genutzt (siehe dazu auch das Kapitel 2.7 – Wärmeübertrager). Sie können in vier Kategorien eingeteilt werden:
Rekuperative Systeme (z. B. Plattenwärmetaucher)
Regenerative Systeme (z. B. Kreislaufverbund-Wärmetauscher, Wärmerohr)
• Rotationswärmetauscher
• Wärmepumpe.
•
•
2.11.3
Der elektrische Energieverbrauch für Klimaanlagen lag 1996 in Deutschland gemäß
EERAC bei 157,5 GWh. 1990 betrug der Stromverbrauch noch weniger als ein
Viertel hiervon. Für 2010 wird ein Anstieg auf das über 5-fache prognostiziert, für
2020 auf das 10-fache. Diese Zahlen dokumentieren eindrucksvoll den rasanten
Anstieg und die wachsende energetische Relevanz von RLT-Anlagen.
Der Gesamtstrombedarf zur technischen Erzeugung von Kälte zu Klimatisierungszwecken betrug 1999 gemäß DKV knapp 10.000 GWh/a (Tabelle 47). Für Ventilatoren wird ein Energieverbrauch von 31.850 GWh/a geschätzt (Tabelle 48).
Tabelle 47: Kälteanwendung für stationäre Klimaanlagen
Gesamtenergiebedarf (GWh)
elektr.
nichtelektr.
gesamt
Industrie
5.090
410
5.500
Einzelhandel
2.240
180
2.420
Bürogebäude
1.450
60
1.510
Sportstätten
140
0
140
Hotels
570
20
590
Gastronomie
80
0
80
Wohnbereich
70
0
70
9.640
670
10.310
Gesamt
Quelle: DKV 2002
197
Tabelle 48: Energieverbrauch von Ventilatoren in Deutschland nach Bauart und
Größe in GWh, 2000
< 1 kW
1-10 kW
10-50 kW 50-100kW 100-500kW > 500kW
TOTAL
Zentrifugal
4.250
3.528
1.098
2.668
4,799
12.520
28.863
Axial
1.446
1.417
0
0
0
0
2.863
Gemischt
0
0
0
0
0
0
0
Andere
32
38
50
0
0
0
120
TOTAL
5.728
4.983
1.148
2.668
4.799
12.520
31.846
Quelle: Radgen 2002
2.11.3.1
Eine allgemeine Beschreibung des theoretischen Energiebedarfs ist für Klimatisierungsanlagen auf der Vielfältigkeit der möglichen Anforderungen in geschlossener
Form nicht möglich. Deshalb wird hier nur auf die hinsichtlich des Energiebedarfs
relevanten Bestandteile eingegangen.
Lufterwärmer und -kühler, Wärmedurchgang
Als Basiskenngröße von Klimaanlagen wird gemäß dem European Teststandard EN
814-1 die „energy efficieny ratio“ (EER) definiert. Die Anlage entzieht durch den
Einsatz elektrischer Energie Pe, dem Raum die Wärme Pc, verbunden mit einer Erniedrigung der Innentemperatur Ti. Normalerweise hat die extrahierte Wärme den
Energieinhalt Pe + Pc (Abbildung 59). Die EER ist definiert als EER = Pc / Pe. Typische EER-Werte liegen zwischen 2,3 und 2,7. Entsprechend zum EER ist für den
Erwärmungsmodus der „coefficient of performance“ (COP) definiert als COP =
Ph / Pe.
Pr
Pc
Ti
Pe
Abbildung 59: Die wesentlichen energetischen Größen der Raumluftkonditionierung
198
Ventilator
Die nutzbare Leistung beim Ventilator ist die Förderleistung Pt. Sie errechnet sich
als Produkt der Totaldruckerhöhung und des geförderten Volumenstroms V zu
Pt = ∆pt * V
Die aufzubringende Leistung an der Welle Pw hat zudem die inneren und die mechanischen Verluste zu decken (Hoffmann 1994). Der Wirkungsgrad ergibt sich
ηtw = Pt / PW
Der Gesamtwirkungsgrad eines Ventilatorsystems errechnet sich als Produkt der
Einzel-Wirkungsgrade von Ventilator, Motor und Übertragung. Unvermeidliche
Verluste fallen bei der Umsetzung der Antriebsleistung des Motors in die Bewegung der Luft im Ventilator zum Beispiel am Laufrad und den Lagern an. Der Wirkungsgrad liegt – in Abhängigkeit vom Volumenstrom – typischerweise bei guten
Anlagen zwischen 40 und 60 %. In der Praxis sind jedoch häufig Ventilatoren –
zumeist Kleinstventilatoren – anzutreffen, deren Gesamtwirkungsgrad nur ca. 25 %
beträgt.
2.11.3.2
Die Tatsache, dass die Energiekosten von RLT-Anlagen mit 50 bis 70 % den
Hauptanteil der Gesamtkosten ausmachen, macht deutlich, welche Bedeutung Effizienzsteigerungen zukommt. Die Investitionskosten liegen bei 15 bis 25 %, Wartungs- und Instandhaltungskosten bei 10 bis 30 %, Entsorgungskosten bei 0 bis 5 %
(IST, ISI 2002).
Verbesserungen der Energieeffizienz von Lüftungs- und Klimaanlagen lassen sich
auf dreierlei Art erzielen:
Verbesserung einzelner Komponenten (Kompressor, Ventilator etc.)
• optimierte Auslegung des Systems
• optimierte Betriebsweise.
•
Eine besondere Maßnahme stellt der Einsatz von Kompressoren mit variabler Frequenz (Inverter Technologie) anstelle von Monofrequenzgeräten dar, ein zukunftsweisendes System zur Leistungsregulierung, das heute schon bei einigen Singleund Multi-Split-Anlagen eingesetzt wird. Der Energiegewinn durch Nutzung der
Inverter-Technologie kommt folgendermaßen zustande: Durch Verringerung der
Kompressorfrequenz nimmt der Durchsatz von Kühlflüssigkeit und damit gleichzeitig das Druckniveau ab. Auf Grund des niedrigeren Druckverhältnisses reduziert
sich der entsprechende Strombedarf. Da die Kühlkapazität geringer ist, läuft das
System länger als eine konventionelle RLT-Anlage, aber mit einem besseren Wir-
199
kungsgrad. Zudem überwachen Sensoren die Raumtemperatur, bereits minimale
Abweichungen von der Solltemperatur werden an die Anlage gemeldet und korrigiert – dabei wird immer nur gerade soviel Leistung eingesetzt wie nötig ist (Voigt
2002). Auf diese Weise können saisonale Einsparungen von 10 bis 40 % der Kühlenergie erzielt werden.
In der EU-Studie EERAC wurden folgende Maßnahmen untersucht und die möglichen entsprechenden Einsparpotenziale mit Simulationsmodell quantifiziert:
1a
1b
1c
2a
2b
3a
3b
4
5
6
7a
7b
8a
8b
8c
9
10
11
12
Vergrößerte Kühlschlangen-Oberfläche (15 %)
Hinzufügen eines Kühlrohrs
Hinzufügen zweier Kühlrohre
Erhöhung der Kühlrippendichte (10 %)
Erhöhung der Kühlrippendichte (20 %)
Hinzufügen Unterkühler zum Verdichter
Verbesserung der Kühlrippenkonstruktion
Verbesserte Konstruktion des Kühlrohrs
Verwendung von high efficiency Ventilatormotor
Verwendung von elektronischem Kommutatormotor
Verbesserter Kompressor-Wirklunsgrad (5 %)
Verbesserter Kompressor Wirkungsgrad (10 %)
Verbesserter Kompressorwirkunsgrad (15 %)
Verwendung von R410a mit optimiertem System
Verwendung eines Kompressors mit var. Geschw.
Verwendung elektronischer Expansionsventile
Verbesserte Regelung und Steuerung (Fuzzy-Logik)
4%
8%
11 %
10 %
16 %
10 %
16 %
1%
11 %
8%
1%
2%
3%
5%
8%
5%
12 %
5%
4%
Die Wahl des Antriebs, die Zu- und Abströmbedingungen, das Bauvolumen sowie
die Regelfähigkeit und die Stabilität des Ventilators beeinflussen die Funktion und
die energetische Effizienz der Lüftungsanlage wesentlich. Bemerkenswerterweise
stellen die Energiekosten beim Ventilator mit ca. 90 % den größten Kostenanteil
dar, während die Investitions- und Instandhaltungskosten jeweils mit weniger als
5 % beteiligt sind. Die Auswahl des Ventilators ist folglich von entscheidender Bedeutung, da durch eine ungünstige Ventilatorauswahl unnötig hohe Betriebskosten
entstehen können.
Neueste Untersuchungen lieferten detaillierte Erkenntnisse zu Einsparpotenzialen
bei Ventilatoren. Da Ventilatoren meist versteckt angeordnet sind, bleibt meist auch
der große Energieverbrauch im Verborgenen. Der Stromverbrauch für Ventilatoren
in Deutschland betrug 1997 immerhin 43,2 TWh (Radgen 2002).
200
Folgende Maßnahmen können zur Effizienzsteigerung von Ventilatoren beitragen.
In Klammern ist die Obergrenze für das jeweils zu erreichende Potenzial ausgewiesen.
V1. Regelung und Motorantrieb
a) Regelungssystem
b) Optimierte Planung der Betriebsweise (10 – 50 %)
c) Nachfragesteuerung (-5 bis 50 %)
V2. Motor
d) Hocheffiziente Motoren (2-10 %)
e) richtige Motorenauswahl (5-20 %)
V3. Kraftübertragung
f) Wechsel von V-Riemenantrieb zu Direktantrieb (5-15 %)
g) Wechsel von V-Riemenantrieb to Flach-Riemenantrieb (5-10 %)
V4. Verbessertes Kanalsystem (15 %)
V5. Energiebewusste Auswahl sowie richtige Wartung und Instandhaltung von
Ventilatoren und Systemkomponenten (5-20 %).
Gemittelt über den Marktdurchschnitt beträgt das theoretische Energieeinsparpotenzial beim Einsatz von Ventilatoren ca. 10 bis 15 %. Abhängig von Ventilatorentyp
und Sektor beträgt das umsetzbare Einsparpotenzial jedoch nur ca. 3,5 bis 8,3 %
(Tabelle 49).
Tabelle 49: Einsparpotenziale von Ventilatoren
Stromsparpotenzial
Industrie
Eisen und Stahl
NE Metalle
Chemische Industrie
Glas, Keramik, STE
Bergbau
Nahrungs-/ Genussmittel
Textil
Papier
Investitionsgüter
Andere Sektoren
Dienstleistungen
Haushalte
Landwirtschaft
Quelle: Radgen 2002
Ventilator
allein (%)
Systemoptimierung
und verbesserte Betriebsweise (%)
Gesamteinsparung
(%)
8,3
3,5
4,0
6,5
3,0
6,0
4,5
4,0
5,3
6,0
6,0
4,5
4,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
17,5
24,3
20,4
20,8
22,9
20,0
22,5
21,3
20,8
21,9
22,5
22,5
21,3
21,3
201
Neben den Optimierungsmöglichkeiten am eigentlichen Ventilator führen Verbesserungen des Gesamtsystems zu weiteren Einsparungen. Wie auch bei Pumpensystemen oder Druckluftanlagen ist das Optimierungspotenzial des Gesamtsystems
meist höher als das Verbesserungspotenzial am eigentlichen Ventilator. Diese Systemverbesserungen schlagen bei den Ventilatorenanlagen noch einmal mit 17,5 %
zu Buche. Es ergibt sich ein Gesamteinsparpotenzial – je nach Branche – von 20 bis
25 %.
2.11.3.3
Auf Grund der großen Unterschiede im Anwendungsprofil ist es unmöglich, allgemeingültige Bewertungen für sämtliche Anwendungsfälle der Raumlufttechnik machen zu wollen. Hilfreicher ist eine exemplarische quantitative Betrachtung eines
typischen Anwendungsfall, deren Ergebnisse qualitativ auch auf viele andere Anwendungen zu übertragen sind.
In der Praxis sind weniger die Einzelmaßnahmen als sinnvolle Maßnahmenbündel
von Relevanz. Deshalb wurden in EERAC (1999) typische Kombinationen von
Sparmaßnahmen definiert und die Wirkung auf vier repräsentative Modellanlagen
untersucht. Die Modellanlagen wurden wie folgt festgelegt, wobei darauf Wert gelegt wurde, durch diese Definition den Marktbestand möglichst getreu abzubilden.
A:
B:
C:
D:
Split, 380 V, reverse, air-cooled
Split, 220 V, cooling-only, air-cooled
Einkanal, 220 V, cooling-only, air-cooled
Split, 380 V, cooling-only, air-cooled.
EER = 2,72
EER = 2,48
EER = 1,92
EER = 2,75
Splitsysteme besitzen EU-weit nahezu 70 % Marktanteil, mit steigender Tendenz.
Das rechtfertigt die Auswahl dreier Split-Systeme – zumal auch Multi-Splitsysteme
ähnlich im Verhalten sind. Ein-Kanal-Anlagen stellen mit 14 % (noch) den Marktzweiten, allerdings mit abnehmender Tendenz. Wassergekühlte Systeme stellen
gegenüber den luftgekühlten Systemen eine deutliche Minderheit dar und sind zudem nicht als autonome Systeme zu betrachten, weshalb sie hier nicht als Modellanlagen betrachtet wurden. Ferner wurde dem in der Praxis relevanten Fall des reinen Kühlmodus Beachtung geschenkt.
Am Beispiel des Modells B (Totalkosten 485 €, EER 2,43) wurden mit Hilfe des
Simulationsmodells für den Anwendungsfall Büro die wirtschaftlich günstigsten
Maßnahmenpakete ermittelt. (Für andere Anwendungsfälle (Hotels, Geschäfte) ergaben sich ähnliche Ergebnisse.) Als mittlere Betriebsstundenzahl wurden 815 h/a
angenommen (Tabelle 51). Es zeigte sich, dass Energieeinsparungen von 30 %
durch wirtschaftliche Maßnahmen zu erzielen sind. Das rein technische Potenzial
liegt je nach Anlagentyp und Anwendungsfall zwischen 40 und 60 %.
202
Tabelle 50: Energieeinsparmaßnahmen bei Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen
Verbesserte EER bei
technische
Komponente
Optionen
Typ A
Typ B
Typ C
Typ D
2,72
2,48
1,92
2,75
heutige EER
mittl.
Einsparpotenzial
Wärmetauscher
1b,2b,3b,5,6
3,80
3,69
2,93
3,88
46 %
Kompressor
8c
2,94
2,68
2,04
2,97
8%
WT+ Komp.
1b,2b,3b,5,6,8c
3,94
3,79
2,99
4,01
50 %
Alle
1b,2b,3b,5,6,7,8c
3,97
3,81
3,00
4,04
51 %
Inverter
10
3,05
2,78
2,15
3,08
12 %
WT+K+IV
1b,2b,3b,5,6,8c,10
4,12
3,93
3,09
4,19
56 %
Alle + IV
1c,2b,3b,5,6,7,8c,10
4,14
3,95
3,10
4,21
57 %
3,20
(+20 %)
3,56
(+46 %)
3,09
(+63 %)
3,25
(+25 %)
+37 %
Marktbeste
Anlage
Quelle: EERAC 1999
Tabelle 51: Ökonomische Optimierung von Einsparmaßnahmen an RLT-Anlagen
Kombination
Zusatzkosten
(€)
EERSteigerung
je Option
(%)
5
2
11
11
157,56
0,15
5+6
4
7,1
18,1
91,31
0,49
5+6+2b
36
13,1
31,2
107,26
2,68
46,5
5,5
36,7
-2,34
8,71
5+6+2b+1+8b
35
3,2
39,9
-14,02
11,76
5+6+2b+1+8b+10
47
3,0
42,9
-33,54
17,12
5+6+2b+1+8b+10+9
100
5,7
47,9
-82,01
20,26
5+6+2b+1
EERKapitalSteigerung wert (€)
kumuliert
(%)
Amortisationszeit (a)
Als optimale Kombination stellte sich im Vergleich die Variante 5+6+2b – d. h.
Verbesserung der Kühlrippenkonstruktion, verbesserte Konstruktion des Kühlrohrs
und Hinzufügen zweier Kühlrohre – heraus. Als nächstwirtschaftliche Maßnahmen
ergaben sich 1und 8b, also die Vergrößerung der Kühlschlangen-Oberfläche und
eine Verbesserung des Kompressor-Wirkungsgrads. Einsparungen von 18 % sind
sogar schon mit äußerst geringen Zusatzkosten von wenigen Euro und bei Amortisationszeiten von weniger als einem Jahr möglich.
203
2.11.4
Literatur
Diehl, J. (1997): Entwicklungsstand, neue Systeme und Trends in der Raumlufttechnik. In HLH 11/1997
DKV (Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e.V.) (2002): Energiebedarf
für die technische Erzeugung von Kälte. Statusbericht Nr. 22. Mitwirkende:
Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik, Uni Essen;
Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen GmbH, Hannover;
Forschungsrat Kältetechnik e.V., Frankfurt; Institut für Kältetechnik GmbH,
Dresden.
EERAC (Energy Efficieny of Room Air-Conditioners); Adnot, Jérôme (Koordinator) (1999): Study for the Directorate-General for Energy.
Ensink, H. (2002): Zukunftsträchtiger Trend Quellluft. HLH 53 (2002), Nr. 8
Hoffmann, C., Pfitzner G. (1995): Ventilatoren. IKARUS-Bericht 8.06, Teilvorhaben 8, „Querschnittstechniken“, München: FfE
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Fraunhofer ISI, IED, University of Athens Physics Department on behalf of
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Kolmetz, S.; Ostermeier, U.; Rouvel, L. (1995): Der Energiebedarf
raumlufttechnischer Anlagen in Nichtwohngebäuden (Lüftung, Kühlung,
Klimatisierung). Herausgeber: Forschungszentrum Jülich (Hrsg.), München:
IfE
Landesgewerbeamt Baden Württemberg – Informationszentrum Energie (2002):
Energieeffiziente Lüftungsanlagen in Betrieben. 2002-12-03
Radgen, P. (2002): Market Study for Improving Energy Efficiency for Fans.
Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag
Recknagel, H.; Sprenger, E. (1995): Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik.
67. Aufl., München: Oldenbourg Verlag 1995
Voigt, C. (2002): Raumklima im Wandel. HLH 53 (2002), Nr. 3
204
2.12
Kälteerzeugung (ISI)
Die technische Erzeugung von Kälte ist eine unverzichtbare Voraussetzung für eine
qualitativ und quantitativ hochwertige Versorgung der Bevölkerung mit Lebensmitteln, für die Durchführung industrieller Prozesse, für die Klimatisierung von
Gebäuden und Fahrzeugen sowie zur Deckung des Bedarfs in Medizin, Sportstätten
und Wehrtechnik. Die Kälteanwendungen zur Klimatisierung wird in Kapitel 2.11
behandelt, im Folgenden wird hierauf deshalb nicht weiter eingegangen.
Für die technische Erzeugung von Kälte (ohne Klimatisierungszwecke) wird ein
Gesamtenergiebedarf in Höhe von ca. 60.500 GWh/a im Referenzjahr 1999 ausgewiesen (DKV 2002). Davon entfallen ca. 56.300 GWh/a auf elektrischen und ca.
3.200 GWh/a auf nichtelektrischen Bedarf. Der Gesamtkältebedarf wird mit
116.000 GWh/a ausgewiesen, der Primärenergiebedarf mit ca. 180.000 GWh/a.
Damit hat die Kältetechnik in Deutschland einen Anteil von 11 % bezogen auf den
Strombedarf und von 4,5 % bezogen auf den Primärenergiebedarf.
Die wesentlichen Anwendungsgruppen sind (die prozentualen Angaben beziehen
sich auf den Anteil am Primärenergiebedarf):
•
•
•
•
•
•
Nahrungsmittel-Erzeugung: 33,2 %
Nahrungsmittel-Lagerung (Haushalte): 31,4% (hier im weiteren ausgeklammert)
Nahrungsmittel-Verkauf und -Lagerung (gewerblich): 16,5 %
Industriekälte (Chemische Industrie, Tieftemperaturtechnik, Labors): 11,6 %
Nahrungsmittel-Transport: 4,6 %
Sonstige (Medizin, Sport, Wehrtechnik): 2,7%.
Die einzelnen Einsatzgebiete weisen sowohl hinsichtlich des Temperaturbereichs
der Kälteanwendung als auch hinsichtlich der jeweils erforderlichen Kälteleistungen
außerordentliche Unterschiede auf (Tabelle 52).
Tabelle 52: Kälteeinsatzgebiete, Temperatur und Leistung
Anwendungsgebiet
Primärer Zweck
Gewerbekälte
Lebensmittelkühlung
und -konservierung
Kühlhaus, Lebensmittelverarbeitung
Kälteleistung
(kW)
- 45 bis 0
Temperatur
Umgebung
(°C)
20 bis 50
1 bis einige 100
Lebensmittelkühlung
und -konservierung
-35 bis 0
20 bis 50
50 bis 20.000
Industriekälte
Prozesskühlung
-196 bis 0
-20 bis 50
100 bis 200
Transportkühlung
Transportkühlung
Energietechnik,
Medizin, Forschung
-30 bis 0
-20 bis 50
1 bis 20
Tieftemperatur
Quelle: ILK (2002)
Temperatur
Kühlung (°C)
-100 bis –273
mW bis kW
205
2.12.1
Das jährliche Marktvolumen für kältetechnische Ausrüstungen beträgt in Deutschland nach Erhebungen des Verbands der Maschinen- und Anlagenhersteller
(VDMA) ca. 8,5 Mrd. Euro. Die Ursache für diesen überraschend hohen Anteil
wird in der Vielfalt der Anwendungen von Kältesystemen und -anlagen mit den
nahezu 90 Mio. installierten Kältesystemen gesehen. Im Einzelnen sind das:
•
84.000.000 Kältesysteme in Haushalten wie Kühl- und Gefrierschränken, Kühlboxen, Klimageräten und Wärmepumpen
•
366.000 Kältesysteme in nichtprivaten Fahrzeugen wie Nutz- und Kühlfahrzeugen
•
2.200.000 Kältesysteme in Gewerbe, Dienstleistung und Handel
•
29.000 Kältesysteme in der Industrie.
Nachfolgend wird für alle relevanten Anwendungsgruppen in den betrachteten
Sektoren näher auf die Charakteristika und Spezifika der Kältenachfrage und
-bereitstellung eingegangen. In den entsprechenden Tabellen sind im Detail Gesamtenergiebedarf, Primärenergiebedarf, Gesamtkältebedarf und der mittlere exergetische Wirkungsgrad dargestellt. Der exergetische Wirkungsgrad gibt einen Anhaltspunkt bezüglich der Bewertung des technischen Entwicklungsstandes bzw. des
Optimierungspotenzials in der jeweiligen Anwendungsgruppe. Die besten Werte
lagen hier bei rund 13 %, die schlechtesten unter 1 %.
Die exakten Definitionen der hier verwendeten Bestimmungsgrößen seien explizit
vorangestellt:
•
Gesamtenergiebedarf: Für den Antrieb von Kältemaschinen erforderlicher Bedarf an elektrischer, mechanischer oder thermischer Endenergie.
•
Gesamtkältebedarf: Summe des Kältebedarfs einer Gruppe oder mehrerer
Gruppen von Kälteanwendern
•
Exergetischer Wirkungsgrad: Quotient aus der bei der Erzeugung einer bestimmten Kälteleistung theoretisch minimal erforderlichen Antriebsleistung zur
tatsächlichen Antriebsleistung
•
Mittlerer exergetischer Wirkungsgrad, primär: Auf den Primärenergiebedarf
bezogener gewichteter Mittelwert des exergetischen Wirkungsgrades für eine oder mehrere Gruppen von Kälteanwendern.
Nahrungsmittel
Die technische Erzeugung von Kälte zur Lebensmittelkühlung ist diejenige Anwendung der Kältetechnik mit dem höchsten Gesamtenergie- und Primärenergiebedarf.
206
Sie ist historisch eines der ältesten Gebiete der Kältetechnik – in Deutschland zuerst
bei der Bierherstellung angewendet – und hat mit der Aufgabe der Erhaltung hochwertiger aber verderblicher Lebensmittel eine hohe volkswirtschaftliche Bedeutung.
Die Kühlkette beginnt bei der Herstellung, setzt sich fort über die Lagerung und den
Transport und endet mit dem Verbrauch. Erzeugung und Lagerung beanspruchen
mit 62 % bzw. 31 % den größten Anteil am Verbrauch, die Verteilung spielt dagegen eine untergeordnete Rolle (Tabelle 53).
Tabelle 53: Energiebedarf zur technischen Erzeugung von Kälte für Nahrungsmittel
Anwendung
Gesamtenergie- Primärenergiebedarf
bedarf
(GWh/a)
(GWh/a)
Erzeugung
Gesamtkältebedarf
(GWh/a)
Mittl. exerget.
Wirkungsgrad,
primär
19.616
59.436
54.929
0,115
874
435
17.132
2.648
1.318
51.910
1.735
769
49.669
0,049
0,069
0,126
454
23
600
98
1.376
70
1.818
296
1.362
64
1.080
250
0,053
0,025
0,011
0,02
Transport
3.071
8.316
7.751
0,112
Straße
Schiene
Wasser
Luft
Container
2.334
1
392
0
344
6.839
3
785
0
689
5.749
3
1.386
0
613
0,104
0,084
0,235
–
0,051
Verteilung und
Lagerung
9.805
29.708
19.146
0,057
Gewerbekälte
Gaststätten
Eisdielen
Imbisshallen
Kantinen
Hotels
Jugendherberge
GetränkeEinzelhandel
Apotheken
Tankstellen
Kühlhäuser
6.294
984
118
198
248
375
1
351
19.071
2.981
358
600
752
1.136
3
1.065
13.182
1.801
173
322
399
725
2
497
0,052
0,063
0,075
0,055
0,06
0,061
0,059
0,049
33
498
704
99
1.510
2.133
49
675
1.321
0,036
0,051
0,102
31.506
94.473
53.129
0,083
Fleischereien
Bäckereien
Brauereien
Fruchtsaftherstell.
Milchviehbetriebe
Schlachthöfe
Gesamt
Quelle: DKV 2002
207
Als die wesentlichen Verbraucher auf der Erzeugungsseite sind Fleischereien, Bäckereien, die Nahrungsmittelindustrie (Gefrierkost, gekühlte Produkte), Brauereien,
Fruchtsafthersteller, Milchverarbeitung und Schlachthöfe zu nennen. Den mit Abstand größten Posten macht die Nahrungsmittelindustrie mit rund 90 % des gesamten Kältebedarfs aus. Dieser Bereich weist mit 12,6 % gleichzeitig den mit Abstand
besten exergetischen Wirkungsgrad auf. Die Mehrzahl der Kälteanlagen zur Lebensmittelherstellung und Kaltlagerung sind vom Typ direkte Kälteanlagen, wobei
das Kältemittel zu den Wärmetauschern in den Lagerräumen oder Apparaten verteilt wird und dort direkt verdampft. Indirekte Systeme mit Flüssigkeitskühlern
werden zu einem geringerem Ausmaß für Kühlzwecke verwendet.
Das Gebiet der Transportkälte umfasst die mobile Kältetechnik in Straßen- und
Schienenfahrzeugen, auf Schiffen und in Flugzeugen. 75 % dieser Anwendungsgruppe entfällt auf den Straßenverkehr. Der mittlere exergetische Wirkungsgrad
beträgt rund 11 %. Kälteanwendungen zur Verteilung und Lagerung von Lebensmitteln treten auf im Handel (Gewerbekälte), bei Gaststätten, Eisdielen, Imbisshallen, Kantinen, Hotels, Jugendherbergen, im Getränke-Einzelhandel, bei Apotheken,
Tankstellen und bei Kühlhäusern. Innerhalb dieser Gruppe entfällt mit ca. 70 % der
größte Anteil auf die Gewerbekälte. Der mittlere exergetische Wirkungsgrad beträgt
nur 5,7 %.
Industriekälte
Die Industriekühlung ist hinsichtlich des Kälteeinsatzes stark heterogen strukturiert.
Der Temperaturbereich reicht von etwa 4 K bis zu annähernd Umgebungstemperatur. Ca. 38 % der erzeugten Kälteleistung entfallen allein auf die Chemie (vor allem
zur Gasverflüssigung), gefolgt von Bergbau und Pflanzenhandel mit Anteilen von je
ca. 30 %. Der Rest entfällt im Wesentlichen auf die Tieftemperaturtechnik (Tabelle
54). Der Kälteeinsatz bei der Gasverflüssigung bezieht sich vor allem auf die Gase
Sauerstoff, Stickstoff, Argon und Chlor, wobei über 95 % des Energiebedarfs zu
Verflüssigungszwecken auf die beiden erstgenannten Gase entfallen. Die gewichtete mittlere Temperatur der Kälteerzeugung liegt bei –182 °C. Eine Besonderheit
stellt Flüssigstickstoff dar, der in verschiedensten Bereichen zur Kühlung verwendet
wird. Obwohl der jeweilige Kühlungsbedarf in anderen Bereichen vorliegt, wird
dieser Energiebedarf der Chemischen Industrie zugerechnet.
Beim Kälteeinsatz im Bergbau handelt es sich fast ausschließlich um technologischen Kältebedarf bei der Grubenbewetterung zur Abfuhr von Schadstoffen (CO2,
Grubengase). Der hohe Kältebedarf des Pflanzenhandels ist auf die große Anzahl
der Einzel- und Großhändler zurückzuführen.
Sowohl in der Chemischen Industrie als auch bei der Tieftemperaturtechnik ist die
Kälteanwendung unverzichtbarer Bestandteil technologischer Prozesse. Der im
Vergleich zur Kälteleistung sehr hohe Primärenergiebedarf resultiert daraus, dass
208
Kälte bei sehr tiefen Temperaturen bereitgestellt werden muss. Dennoch sind die
exegetischen Wirkungsgrade noch relativ hoch. Dies ist auf die starke Integration
der Kälteerzeugung in den technologischen Prozess und die konsequente energetische Optimierung der Anlagen zurückzuführen.
Tabelle 54: Energiebedarf zur technischen Erzeugung von Industriekälte
Anwendung
bedarf
(GWh/a)
(GWh/a)
Chemieindustrie
Gesamtkältebedarf
(GWh/a)
Mittl. exerget.
Wirkungsgrad,
primär
5.442
16.541
2.001
0,135
404
1.228
1.085
0,094
5.006
15.216
900
0,139
Trockeneisherstellung
32
97
16
0,014
Bauindustrie
4,8
14,7
1,6
0,017
Bodengefrieren
3,5
10,5
0,5
0,008
Betonkühlung
0,8
2,3
0,1
0,007
Bodengefrieren
0,6
1,8
0,9
0,082
Bergbau
480
1.459
1.680
0,083
Labors
4,6
14,0
8,8
Pflanzen
749
2.268
1.561
0,044
Tieftemperaturtechnik
169
511
3
0,028
Kyropumpen
29
88
0,5
0,017
Tomographen
87
263
2,2
0,022
Beschleuniger
53
161
0,1
0,044
6.845
20.795
5.255
0,119
Technologie
Gasverflüssigung
Gesamt
0,05
Quelle: DKV 2002
Sonstige
Beim Einsatz von Kältetechnik in der Medizin werden an dieser Stelle nur Kältesysteme für die Kühllagerung von Nahrungsmitteln, Medikamenten, Blut und Gewebe sowie die Pathologie betrachtet. Jedoch gewinnt auch die Anwendung kälteund kyrotechnischer Verfahren für therapeutische Zwecke an Bedeutung. Beispiel
sind kyrotechnische Destrukturierung von kanzerogenem Gewebe, Kühlung in der
Physiotherapie sowie Kühlung von Sensoren in medizinischen Diagnosegeräten.
Die Nutztemperaturen liegen zwischen 10 °C und –110 °C (Tabelle 55).
209
Sportstätten, die den Einsatz von Kälteanlagen erfordern, sind Eishallen, Eisstadien
und Bobbahnen sowie in jüngster Zeit auch Skihallen. Eingesetzt werden ausschließlich Kaltdampfkälteanlagen mit Hubkolben- oder Schraubenverdichtern. In
der Wehrtechnik ist eine breite Palette von Kältebedarfsträgern vorhanden, wie z. B.
Proviantkälteanlagen, Simulatoren, Zeltkühlgeräte u.a. Für die Kühlung von Sensoren werden in der Wehrtechnik auch kyrotechnische Verfahren der Kälteerzeugung
eingesetzt.
Tabelle 55: Energiebedarf zur technischen Erzeugung von Kälte in den Bereichen
Medizin, Sport und Wehrtechnik
Anwendung
bedarf
GWh/a)
(GWh/a)
Gesamtkältebedarf
(GWh/a)
Mittl. exerget.
Wirkungsgrad,
primär
Medizin
1.078
3.266
1.488
0,038
Kliniken
352
1.067
569
0,035
Kureinrichtungen
607
1.839
750
0,036
Blutkonserven
87
264
88
0,064
Leichenkühlung
32
97
81
0,021
319
965
1.018
0,036
3
8
11
0,044
235
712
749
0,038
81
245
258
0,03
247
749
560
0,034
183
553
380
0,042
65
196
181
0,011
1.579
4.785
2.885
0,037
Sport
Bobbahnen
Eishallen
Freiluft-Eisbahnen
Wehrtechnik
Stationär
Mobil
Gesamt
Quelle: DKV 2002
Die Erzeugung tiefer Temperaturen mit technischen Verfahren wird seit ca. 150
Jahren betrieben. Am Anfang standen Kaltdampfkältemaschinen als Kompressionsund Absorptionsmaschinen. Mit den Kältemitteln Ammoniak (NH3), Schwefeldioxid (SO2), Kohlendioxid (CO2) und dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser
(NH3/H2O) wurden in der Natur vorkommende Stoffe eingesetzt. Beginnend in den
30iger Jahren wurden die Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) als Kältemittel
bekannt. Die Eigenschaften dieser thermodynamisch hervorragenden, chemisch
stabilen, nicht brennbaren, nicht toxischen und mit dem Kältemaschinenöl nicht
löslichen Arbeitsstoffe brachten einen bedeutenden Entwicklungsschub. Schnelllaufende Verdichter und optimierte Komponenten führten zu ausgereiften Kältesyste-
210
men mit verbleibendem Entwicklungspotenzial im Detail und für Systemlösungen.
Aber neben all den genannten hervorragenden Eigenschaften besitzen FCKW bekanntlich auch die einer starken ozonschädigenden Wirkung, weshalb sie inzwischen durch weniger klimarelevante Ersatzstoffe abgelöst wurden.
Kälteanlagen tragen sowohl indirekt durch das bei der Erzeugung der zum Antrieb
benötigten Energie entstehende CO2 als auch direkt durch die ungewollte Freisetzung von Kältemitteln zum Treibhauseffekt bei. Letztgenannter Effekt trifft natürlich nur auf Systeme zu, in denen treibhausrelevante Stoffe als Kältemittel oder in
Wärmedämmungen verwendet werden. Als Treibhausgase sind insbesondere
FCKW zu nennen. In geringerem Maße trifft dies auch auf die als FCKWSubstitute eingesetzten fluorierten Kohlenwasserstoffe zu.
2.12.2.1
Verfahren zur Kälteerzeugung
Zur Realisierung des Kältekreisprozesses gibt es verschiedene Verfahren, die auf
unterschiedlichen physikalischen Vorgängen beruhen.
Kompressions-Kälteprozess
Die Verdichtung des Kältemitteldampfes erfolgt hier auf mechanischem Wege. Die
wichtigste Komponente einer Kompressionskältemaschine stellt demnach der Verdichter dar. Er ist sowohl für die Förderung des Kältemittels als auch für die Druckerhöhung verantwortlich. Die derzeit in der Praxis eingesetzten Kompressionskältemaschinen basieren in erster Linie auf drei Verdichterprinzipien: Hubkolbenverdichter (kleine Leistungen), Schraubenverdichter (mittlere Leistungen) und Turboverdichter (große Leistungen). Näheres hierzu siehe im Abschnitt zu den Bestandteilen einer Kälteanlage. Als Kennziffer wird die Leistungszahl ε verwendet, welche
das Verhältnis erzielte Kälteleistung zu erforderlicher Antriebsleistung wiedergibt.
Folgende Varianten werden in der Praxis angewendet:
•
Kaltdampf-Kälteprozess mit Kältemitteln, die bei den Arbeitstemperaturen eine
Aggregatszustandsänderung erlauben zwischen Dampf- und Flüssigkeitsphase.
Dieser Prozess ist der mit Abstand verbreitetste in der Kältetechnik. 90 % aller
installierten Anlagen arbeiten nach diesem Prinzip.
•
Kaltluft-Kälteprozess mit Luft als Kältemittel, ohne Aggregatszustandsänderung
•
Dampfstrahl-Kälteprozess z. B. mit Wasserdampf als Treibmittel und Wasser als
Kältemittel.
Absorptions-Kälteprozess
Der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf wird hierbei nicht mechanisch
verdichtet, sondern beim niedrigen Verdampfungsdruck von einem Lösungsmittel
211
aufgenommen, „absorbiert“. Die mit Kältemittel angereicherte Lösung wird durch
eine Pumpe auf den höheren Verflüssigungsdruck gebracht und in den Austreiber
gefördert. Durch Wärmezufuhr, z. B. Dampf- oder Abgasbeheizung, Verfeuerung
gasförmiger und flüssiger Brennstoffe, wird hier das Kältemittel wieder ausgetrieben. Übrig bleibt eine arme Lösung, die über ein Drosselorgan zum Absorber zurückströmt. Kälte- und Lösungsmittel werden als Arbeitsstoffpaar bezeichnet und
müssen eine hohe Affinität zueinander aufweisen. Üblich sind Wasser/Lithiumbromidlösung und Ammoniak/Wasser.
Eine wichtige physikalische Einschränkung der einfachen Sorptionskälteanlagen ist
die Tatsache, dass das Wärmeverhältnis für die Anlage unabhängig vom Temperaturhub nicht größer als etwas 1 sein kann. Diese Einschränkung trifft alle bekannten
Stoffpaarungen in ähnlicher Weise und kann nur durch den Einsatz mehrstufiger
Prozesse überwunden werden. Auf dem Markt befindlich sind bisher einstufige
(single effect) und zweistufige (double effect) Bauarten. Letzter erzielen ein günstigeres Wärmeverhältnis, sind jedoch aufwändiger und bedürfen höherer Heiztemperaturen bzw. Dampfdrücke. Ein Spezialfall ist die Single Effect/Double Lift Bauart,
die speziell für den Einsatz in Fernwärmenetzen entwickelt wurde (Ziegler 2002).
Adsorptions-Kälteanlagen
Bei gleichem Funktionsprinzip wie bei der Absorption wird hier das verdampfte
Kältemittel nicht in einer Lösung absorbiert, sondern von einem festen Stoff adsorbiert. Das Austreiben des Kältemittels erfolgt wieder durch Wärmezufuhr. Da sich
der feste Adsorptionsstoff nicht mehr umpumpen lässt, arbeiten diese Anlagen nicht
kontinuierlich, sondern in periodischem Wechsel zwischen Kühlvorgang und Austreibungsvorgang. Typisches Arbeitsstoffpaar ist Wasser als Kältemittel und Zeolith
als Adsorptionsmedium. Adsorptionsanlagen haben gegenüber den Absorptionsmaschinen den Vorteil, dass sie mit geringeren Heizmitteltemperaturen (bis unter 70
°C) betrieben werden können, was sie besonders in Bezug auf die Solarenergienutzung interessant macht. Allerdings sind sie teuer und weisen niedrigere Wärmeverhältnisse auf und sind deshalb bisher nur vereinzelt im Einsatz.
Im Allgemeinen sind Sorptionskältemaschinen den Kompressionskälteanlagen immer dann überlegen, wenn ein Überangebot an Wärme oder Knappheit an elektrischer Energie besteht. In diesen Fällen ist es möglich, das sonst dominierende Argument der hohen Investitionskosten durch die niedrigeren Betriebskosten zu entkräften.
Nach der Art des Wärmeentzugs unterscheidet man zwischen zwei Verfahren:
•
Direkte Kühlung: Der Kältemittelverdampfer liegt direkt im abzukühlenden
Stoffstrom. Die Kälteanlage ist eine Luftkühlanlage.
212
•
Indirekte Kühlung: Im Kältemittelverdampfer wird eine als Kälteträger geeignete
Flüssigkeit, Wasser oder Sole, abgekühlt. Der zirkulierende Kälteträger dient über weitere Wärmetauscher zur Abkühlung der eigentlich abzukühlenden Stoffströme. Die Kälteanlage ist eine Wasser-Kühlanlage.
Die direkte Kühlung, bei der die Luft direkt im Verdampfer gekühlt wird, ist grundsätzlich wirtschaftlicher als die indirekte Kühlung, da bei indirekter Kühlung zusätzlich Energie benötigt wird für die Zirkulationspumpe des Kälteträgers, und außerdem infolge der zusätzlich erforderlichen Temperaturdifferenz (Kältemittel an
Kälteträger und Kälteträger an Luft) die Verdampfungstemperatur niedriger liegen
muss, mit entsprechend geringerer Leistungszahl. Nachteile der direkten Kühlung
sind lokale Gefahren durch Leckagen. Ihre Einsetzbarkeit wirft deshalb beim Einsatz an öffentlich zugänglichen Orten (z. B. Supermärkte) Probleme auf.
2.12.2.2
Bestandteile einer Kälteanlage
Verdichter
Die wichtigsten Konstruktionsarten von Verdichtern, die in Kälteanlagen eingesetzt
werden, sind offene Kolbenverdichter, halbhermetischer Kolbenverdichter, vollhermetischer Kolbenverdichter, Schraubenverdichter und Turboverdichter.
Unter dem offenen Kolbenverdichter versteht man einen Verdichter, dessen Antriebsmotor außerhalb des eigentlichen Hubzylindergehäuses untergebracht ist. Sie
haben den Vorteil, dass der Antriebsmotor außerhalb des Kältemittel-Kreislaufes
liegt. So können im Falle eines Motorschadens etwaige Verbrennungen oder Überhitzungen keinen Schaden innerhalb des Kältemittel-Kreislaufes verursachen. Die
Nachteile liegen in Dichtigkeitsproblemen (gegen den äußeren Luftdruck) und im
großen Platzbedarf. Ferner kann die Abwärme des Motors nicht vom Kältemittel
aufgenommen werden, was die Leistung moderner Verdichter verschlechtert.
Beim vollhermetischen Kolbenverdichter handelt es sich um ein vollständig gekapseltes Gerät, Motor und Verdichter sind in einem verschweißten, gasdichten Gehäuse untergebracht. Sie dienen in erster Linie zur Ausrüstung von Seriengeräten wie
Kühlschränken, Klimageräten, Kühltheken etc. Diese Maschinen werden immer
robuster, und so werden auch Verbund-Kältemaschinen gebaut, die aus mehreren
Verdichtern bestehen, die parallel geschaltet werden.
Im Gegensatz zur vollhermetischen Bauweise lässt sich das Gehäuse eines halbhermetischen Verdichters zu Wartungs- und Reparaturzwecken öffnen. Die Abwärme des Antriebsmotors wird im Gegensatz zur offenen Bauweise vom Kältemittel aufgenommen. Diese Bauweise hat sich gegenüber anderen Bauarten weitgehend durchgesetzt und darf heute als völlig ausgereift betrachtet werden.
213
Der Schraubenverdichter wurde bis vor wenigen Jahren nur in Großkälteanlagen
eingesetzt. Dank seiner einfachen und kompakten Konstruktion findet er aber immer häufiger auch in kleineren Anlagen Verwendung. In einem präzise gearbeiteten
Gehäuse drehen sich zwei ineinander verzahnte Schrauben (Rotoren), so dass in
Drehrichtung der Spalt zwischen beiden Gewinden immer schmaler wird. Absaugen
und Verdichten erfolgen dadurch, dass das aus dem Verdampfer angesaugte Kältemittel von den Zahnkanten der Rotoren in deren Zahnlücken verdrängt und in Drehrichtung befördert wird. Öleinspritzung über einen separaten Ölkreislauf zur Abdichtung der Rotoren ist permanent erforderlich. Wesentliche Vorteile dieses Bautyps sind die guten Möglichkeiten der Leistungsanpassung und die Eignung für sehr
hohe Drehzahlen (Reisner 2002).
Turboverdichter gehören zur Gruppe der Strömungsmaschinen. Turboverdichter
sind in der Lage, große Volumenströme zu fördern, was sie für große Kälteleistungen prädestiniert, sie weisen aber im Vergleich zu den Verdrängermaschinen ein
niedriges Verdichtungsverhältnis auf, so dass sie oft mehrstufig betrieben werden
müssen. Bei den Turboverdichtern wird in einem rotierenden, mit Schaufeln bestückten Laufrad das zu verdichtende Kältemittel zunächst auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Es schließt sich hier ein Diffusvorgang an, in dem kinetische Energie in statischen Druck umgewandelt wird (Klein 2000).
Kältemittel
Das Kältemittel ist derjenige Stoff, der in einer Kühlanlage zirkuliert, in ihr verdampft, verdichtet und verflüssigt wird. Die notwendigen Wechsel seines Aggregatzustandes (Gasförmig/flüssig) setzen voraus, dass Siede- und Verflüssigungspunkt bei Druckverhältnissen liegen, die technisch realisierbar sind.
An ein ideales Kältemittel werden zahlreiche Anforderungen gestellt (Elsner 1998):
•
geringes Dampfvolumen, damit die volumetrische Leistung der Verdichter gering bleiben kann
•
tief liegender Verflüssigungspunkt
•
keine Aggressivität gegenüber Bauteilen und Schmierstoffen
•
Unbrennbarkeit
•
Ungiftigkeit, kein schädigender Einfluss bei Berührung mit Lebensmitteln
•
einfache Nachweisbarkeit in der Umgebungsluft, damit Undichtigkeiten schnell
auffindbar sind
•
chemische Stabilität
•
gutes Mischverhalten gegenüber Öl
•
günstiger Wert im Energieverbrauch des Kältekreislaufes
214
•
großer volumetrischer Kältegewinn, damit der notwendige Kältemittel-Massestrom gering bleibt
•
möglichst geringer Einfluss auf die Ozonschicht in der Stratosphäre
•
verminderte Lebensdauer in der Atmosphäre
•
reduzierte Treibhaus-Wirksamkeit.
Neben der anorganischen Verbindung Ammoniak (NH3) werden Kältemittel auf der
Basis von Kohlenwasserstoffen erzeugt. Methan (CH4) ist die einfachste Verbindung der Kohlenwasserstoffe. Auf Methan-Basis kann man viele halogenierte Verbindungen gewinnen, in denen die Wasserstoffatome ganz oder teilweise durch
Halogene (F, Cl, Br, J) ersetzt werden. Auf diesem Wege entstehen die gängigen
Kältemittel (Reisner 2002).
Die klimaschädigende Wirkung speziell der mittlerweile aus dem Verkehr gezogenen FCKW-Kältemittel ist allgemein bekannt, in abgeschwächter Form trifft dies
auch auf deren Ersatzstoffe zu. Zur Beurteilung der Schädigung der Ozonschicht
dient der Begriff Ozonabbaupotenzial (ODP), der auf R11 (CCl3F) = 1 bezogen ist.
Zur Beurteilung des Treibhauseffektes dient der Begriff Treibhauspotenzial (global warming potential, GWP), bezogen auf CO2 = 1, bei einem vereinbarten Zeithorizont von 100 Jahren.
Da für den tatsächlichen Treibhauseffekt nicht nur die einmalige Füllmenge der
Kälteanlage maßgebend ist, sondern auch die Leckrate und als wesentlichste Größe
der Energieverbrauch wurde ein weiterer Begriff definiert, das total equivalent
warming impact (TEWI), das definiert ist zu:
TEWI = (GWP * L * n) + GWP * m (1 – αR) + n * EA * β
L
n
m
αR
EA
β
Leckrate in kg/a
Betriebsdauer in Jahren
Kältemittelfüllmenge in kg
Rückgewinnungsfaktor bei der Anlagenentsorgung
Energieverbrauch in kWh/a
CO2-Emission pro kWh
Untersuchungen zeigen, dass der Einfluss des GWP auf den TEWI üblicherweise
gering ist. Es hat also keinen Sinn, für ein Kältemittel mit geringem GWP einen
höheren Energieverbrauch zu akzeptieren.
Nachfolgend wird eine Übersicht über die heute im Einsatz befindlichen Kältemittel-Gruppen gegeben (Recknagel et al. 2001). Tabelle 56 fasst die gebräuchlichen
Kältemittel und ihre Kenndaten zusammen.
215
•
H-FCKW als HydroFluorChlorKohlenWasserstoff-Verbindungen galten lange
Zeit als die Ersatzstoffe für die vollhalogenierten FCKWs. Da sie über eines oder
mehrere Wasserstoffatome im HFCKW-Molekül verfügen, haben sie gegenüber
den FCKWs nur einen sehr niedrigen ODP-Faktor und somit ein sehr minimales
Ozonabbaupotenzial. Diese Wasserstoffatome beeinflussen sowohl die atmosphärische Lebensdauer des Moleküls als auch die ozonabbauende Aktivität der
Chloratome. Um jedoch den vollständigen Schutz der Ozonschicht sicherzustellen, regeln neuere Vorschriften nun auch den (teilweisen) Produktionsausstieg
und Verbote des FCKW-Einsatzes.
•
H-FKW (HydroFluorKohlenWasserstoff-Verbindungen) zeichnen sich durch
das Nichtvorhandensein von Chloratomen aus. Daher findet kein Ozonabbau
beim Freisetzen in die Atmosphäre statt. Der ODP-Wert ist Null. Die HFKWs
sind derzeit die einzigen industriell verfügbaren und chemisch sicheren Stoffe,
die in großem Umfang als Ersatz für die FCKWs eingesetzt werden können. HFKW Kältemittel weisen energetisch sehr günstige Eigenschaften auf.
•
Ammoniak (R717) ist ein traditionelles Kältemittel. Es kommt zur Anwendung
in Kaltdampfprozessen und Absorptionskälteanlagen. Dieses Kältemittel weist
bedingt durch seine chemischen Eigenschaften kein Ozonabbaupotenzial und
keinen Treibhauseffekt auf.
Bei der Freisetzung in die Atmosphäre ist es jedoch für die unmittelbare Umwelt
ein Risikostoff, da es hochgiftig ist.. Einatmen von Ammoniak löst Erstickungserscheinungen und Panikreaktionen aus. Auf Grund seiner Eigenschaften ist es
gemäß den Unfallverhütungsvorschriften UVV/VBG20 in die Gruppe 2 eingestuft. Maschinenräume und Aufstellungsorte müssen bestimmten Anforderungskriterien genügen.
Weiterhin sind Vorsorgen gegen Wassergefährdung vorzusehen. Bei Leckagen
in Wassersystemen und Eintritt von Ammoniak in den Kaltwasserkreislauf korrodieren Armaturen. Beim Austritt von Ammoniak in die Umwelt werden die
handelsüblichen Leiterplatten in der EDV-Technik/Elektronik zerstört und es besteht akute Verletzungsgefahr Gefahr für den Menschen .
Alle Anlagen mit Ammoniak müssen buntmetallfrei ausgeführt sein, da Ammoniak bei Anwesenheit von Wasser mit Kupfer reagiert. Um dieses grundsätzlich
vorhandene Betriebsrisiko zu verringern, werden heute Anlagen mit erhöhtem
apparativen Aufwand angeboten. Gasdichte Gehäuse und integrierte Absorber
zur Bindung von frei gewordenem Ammoniak sollen das Betriebsrisiko reduzieren. Dieser zusätzliche Aufwand ist entsprechend kostenintensiv und reduziert
die Betriebs- und Wartungsfreundlichkeit.
Kältemaschinen, die mit Ammoniak betrieben werden, sind traditionell Anlagen
in der chemischen Industrie, in Schlachthöfen, in Brauereien usw., die auch von
entsprechend geschultem Betriebspersonal betrieben und gewartet werden.
216
•
FKW (Propan, Butan, Isobutan) R290: Propan ist ein natürliches Kältemittel. Es
weist kein Ozonabbaupotenzial aus und hat keine direkte Wirkung auf den
Treibhauseffekt. Es hat sehr gute thermodynamische Eigenschaften und eine hohe volumetrische Kälteleistung. Allerdings ist es, und das ist der entscheidende
Nachteil, brennbar und explosiv.
Ausschließlich wegen der sehr geringen Füllmengen und der damit verbundenen
geringeren Gefährdung wird darüber bei Anwendungen im Kleinkältebereich
(Haushaltskühlschränke) hinweggesehen. Die Sicherheitsanforderungen wachsen
jedoch bei steigender Leistung und den damit verbundenen höheren Füllmengen
enorm. Dies verbietet eine Anwendung im größeren Leistungsbereich (ab ca. 10
kW Kälteleistung).
•
CO2: Eine der Hauptvorteile von CO2 (R744) als Kältemittel ist die Umweltverträglichkeit (ODP=0, geringer GWP). Zudem ist es günstig und überall verfügbar. Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen volumenstrombezogenen Kälteleistung. Nachteile sind unter anderem die Verursachung hoher Heißgastemperaturen und eine hohe Permeabilität durch Kunststoffe. Kohlendioxid hat gute Chancen, in der Zukunft als Kältemittel wieder eine Rolle zu spielen. Dazu müssen
jedoch noch erhebliche Fortschritte bei der Beherrschung der Anlagentechnik erreicht werden um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, und das Energieverbrauchsniveau auf oder unter dasjenige entsprechender HFKW-Kältemittel
zu drücken. R744-Kälteanlagen sind bislang eher als Nischenlösungen im Gespräch. Der angestrebte Durchbruch im PKW-Sektor zur mobilen Klimatisierung
könnte das gravierend ändern, die Verwendung weiterer CO2-Systeme fördern
(Kraus 2001).
•
Wasser ist von seiner spezifischen Wärmeleistung ein ideales Kältemittel. In der
Klima-Kältetechnik werden Absorptionswasserkühlmaschinen eingesetzt, die
mit einem Gemisch aus Wasser und Lithium-Bromid betrieben werden. Als
Energieträger dient Wärme, die durch Wasser, Dampf oder Direktbefeuerung bereitgestellt wird. Die Zukunft der Kältetechnik im Bereich über 0 °C und für
Wärmepumpen wird immer mehr vom Kältemittel Wasser beeinflusst werden.
Die Produktionseinführung der vom ILK Dresden neuentwickelten R718Großkälteanlagen im Kälteleistungsbereich von 300 kW bis 1 MW erfolgte im
Jahr 2000. Wasser ist das natürlichste Kältemittel überhaupt, der ODP und der
GWP sind natürlich gleich Null (ILK 2001). Der Primärenergieeinsatz ist jedoch
bei der Absorptionstechnik immer größer als bei einer elektrisch betriebenen
Kältemaschine. Dies bedeutet, dass die Absorptionstechnik stets einen größeren
indirekten Treibhauseffekt aufweist .
217
Tabelle 56: Kennzahlen verschiedener Kältemittel
Gruppe
Kurzzeichen Chemische Siedepunkt RODP GWP Lebens- MAKDIN 8962
Formel
°C
dauer (a) Wert
FCKW
R 11
CCl3F
+ 23,8
1,0
4.000
50
1.000
HFCKW
R 22
CHClF2
- 40,8
0,05
1.700
13
500
R 123
C2HCl2F3
+ 27,1
0,02
93
1,4
10
R 23
CHF3
- 82,0
0
11.700
R 32
CH2F2
- 51,8
0
650
5,6
R 125
C2HF5
- 48,5
0
2.800
33
R 134a
C2H2F4
- 26,5
0
1.300
15,6
R 143a
C2H3F3
- 47,4
0
3.800
48
R 152a
C2H4F2
- 24,7
0
140
1,8
Ammoniak
R 717
NH3
- 33,4
0
Kohlendioxid
R 744
CO2
- 78,5
0
HFKW
50
1
100
5.000
RODP: Relative Ozon Depletion Potential = Ozonabbaupotenzial im Verhältnis zu R 11
GWP: Global Warming Potential, bezogen auf CO2 = 1, Zeithorizont 100 Jahre
Lebensdauer t nach Abklingen der Anfangskonzentration auf 37 % nach Emissionsstopp
MAK-Wert = Maximal zulässige Arbeitsplatzkonzentration in ppm
Quelle: Recknagel et al. (2001)
Wärmetauscher
Kondensatoren sind Wärmetauscher, die die Aufgabe haben, die aus dem Kühlgut
aufgenommene Wärmemenge bei erhöhtem Temperaturniveau an die Umgebungsluft oder an Kühlwasser abzugeben. Man unterscheidet im Wesentlichen luftgekühlte und wassergekühlte Kondensatoren.
•
Luftgekühlte Kondensatoren: Die einfachste Form eines solchen Verflüssigers
bestünde darin, das Kältemittel durch ein Rohr ströme zu lassen, so dass über die
Rohroberfläche Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Es muss auf
möglichst geringem Raum eine möglichst große Oberfläche mit optimalen Wärmeübergangswerten geschaffen werden. Statische Kondensatoren nutzen den
natürlichen Auftrieb der Luft und verzichten auf Ventilatoren. Dies ist nur möglich im kleinen Leistungsbereich wie etwa bei Kühlschränken.
•
Wassergekühlte Kondensatoren: Als einfachste Konstruktion, mit deren Hilfe
Abwärme an Wasser abgegeben werden kann, wäre eine Rohrschlange denkbar,
die innerhalb eines Behälters ständig von Frischwasser umspült wird. In der Praxis werden Koaxial-Kondensatoren (ineinander liegende Rohrschlangen) und
Bündelrohr-Kondensatoren verwendet. Bei letzterem befindet sich im Inneren
218
eines Behälters, in dem das Kältemittel als Heißgas einströmt, ein Bündel von
Rohren, durch die das Kühlwasser geleitet wird. Bei sehr großen Anlagen wird
oft ein Berieselungskondensator verwendet: das Kältemittel strömt durch ein
Rohrsystem, das dem Luftstrom eines Ventilators ausgesetzt ist und gleichzeitig
mit Wasser besprüht wird.
Verdampfer sind, ebenso wie Kondensatoren, Wärmeaustauscher. Die Richtung des
Wärmeflusses bei der Verdampfung ist jedoch umgekehrt wie bei der Kondensation: von außen nach innen (weil ja die Verdampfungswärme dem Kühlgut entnommen wird). Auch bei der Konstruktion von Verdampfern werden die Rohroberflächen durch aufgepresste Lammelen vergrößert. Zur Kühlung von Flüssigkeiten gibt
es sehr unterschiedliche Geräte. Sie lehnen sich in ihren Bauformen an die wassergekühlten Kondensatoren an: Koaxial-Verdampfer, Bündelrohr-Verdampfer, Platten-Verdampfer, Überflutete Bündelrohr-Verdampfer,. Kompakt-Wärmeaustauscher.
2.12.3
Gemäß DKV (2002) hat die Kältetechnik einen Anteil am gesamten Energiehaushalt in Deutschland, bezogen auf den Endenergiebedarf (Strom) von 11 % und auf
den Primärenergiebedarf von 4,5 %. Die mit Abstand größte energetische Bedeutung nimmt dabei die Nahrungsmittel-Kühlung bei Erzeugung, Transport, Lagerung
ein. Zweitgrößter Kälteanwender ist die Chemische Industrie, insbesondere zum
Zwecke der Gasverflüssigung.
2.12.3.1
Um zu kühlen, muss man vorhandene Wärmeenergie dort wegnehmen, wo man es
kälter haben will. Da aber Energie nicht verschwinden kann, muss diese entzogene
Wärmemenge bei entsprechend höherer Temperatur wieder an ein verfügbares
Kühlmedium abgegeben werden. Die Wärmemenge muss also vom niedrigeren
Temperaturniveau für die Wärmeabgabe angehoben werden. Dies geht nach dem
zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nur mit zusätzlichem Energieaufwand.
Das Kältemittel zirkuliert durch die Kühlanlage und erfährt dabei folgende Zustandsänderungen:
Verdampfung
• Verdichtung
• Kondensation
• Expansion.
•
219
Nach der Expansion hat das Kältemittel wieder den gleichen Zustand erreicht wie
zu Beginn. Man hat es also mit einem Kreisprozess zu tun, der im Idealfall als Carnot’scher Kreisprozess bezeichnet wird (Abbildung 60).
Quelle: Reisner (2002)
Abbildung 60: Schema eines linksläufigen Carnot-Prozesses
Soll die Größe der Wärmeleistung ermittelt werden, die zwischen zwei Zuständen
eines Prozesses zu- oder abgeführt wurde, so gilt:
=m
* (h 2 - h 1 )
Q
Massenstrom (kg/s)
m
h2 spezifische Enthalpie zum Ende der Abkühlung
h1 spezifische Enthalpie zum Beginn der Abkühlung
Die Enthalpiedifferenz ist die Summe der latenten und der sensiblen Wärmemengen. Um verschiedenen Stellen des Kältekreislaufs den jeweiligen Wärmeinhalt des
Kältemittels zuordnen zu können, sind bestimmte Punkte des Schemas mit den Ziffern 1,2,3,4 bezeichnet. An diesen Punkten hat das Kältemittel – in gleicher Reihenfolge – jeweils die spezifische Enthalpie h1, h2, h3, h4.
220
K gibt an, wie viel Kältemittel im Laufe einer
Der Kältemittel-Massenstrom m
Stunde durch die Kälteanlage strömen und verdampfen muss, um eine bestimmte
Kühlleistung Q0 zu erreichen. Er bestimmt sich zu:
K =
m
Q
0
(h 1 − h ′3 )
ist:
Die im Kondensator abgeführte Wärmeleistung Q
=Q
+W
Q
0
W Antriebsleistung
Kompressionskältemaschinen werden über die Leistungszahl ε energetisch bewertet und verglichen. Sie ist wie folgt definiert:
/W
ε = Kälteleistung / Antriebsleistung = Q
0
Als idealer Vergleichsprozess wird für die Kompressionskältemaschinen der Carnot-Prozess herangezogen. Die Leistungszahl im Idealfall (Carnot-Prozess) ist
εc = T0 / (Tc – T0).
Man kann an ihr erkennen, dass der Prozess um so günstiger wird, je näher die
Kondensatortemperatur Tc und die Verdampfungstemperatur T0 zusammenrücken.
Diese Aussage gilt allgemein, also auch für den realen Prozess. Der Kehrwert der
Leistungszahl wird als Carnot’scher Wirkungsgrad ηc bezeichnet (Abbildung 61).
Die thermischen Verluste sind so groß, dass die reale Leistungszahl nur etwa 50 %
der errechneten beträgt. Die reale Leistungszahl gibt Auskunft darüber, wie viel die
im Verdampfer aufgenommene Wärmemenge größer ist als die für die Verdichtung
aufzuwendende Energiemenge.
Bei Absorptionskältemaschinen wird die vergleichende Größe nicht mit Leistungszahl, sondern mit dem Wärmeverhältnis ξ beschrieben:
/W
ξ = Kälteleistung / Antriebswärmeleistung = Q
0
Diese Unterscheidung wird vorgenommen, da die verglichenen Antriebsenergien
von unterschiedlicher thermodynamischer Wertigkeit sind: Bei Kompressionsmaschinen besteht die zugeführte (mechanische) Energie aus reiner Exergie. Bei einem
thermischen Verdichter kommt aber neben dem Exergieanteil auch noch ein nicht
nutzbarer Anergieanteil hinzu. Deshalb ergeben sich von vorneherein kleinere
Leistungs-Kennziffern.
|W/Q|
221
3.0
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Temperatur [°C]
Abbildung 61: Carnot-Wirkungsgrad zwischen -200 und +1000 °C
Der Gütegrad der Kälteerzeugung stellt eine anschauliche Größe zur Beurteilung es
Kälteerzeugungsprozesses dar. Er stellt das Verhältnis der realen Leistungszahl der
Kältemaschine mit der Carnot-Leistungszahl dar.
2.12.3.2
Im Zuge der umweltpolitischen Debatte und Gesetzgebung über die Verwendung
von klimaschädigenden Kältemitteln wurde und wird in der Öffentlichkeit oftmals
der indirekte klimawirksame Einfluss durch den Energieverbrauch der Kälteanlagen
(fossile Brennstoffe oder fossil erzeugter Strom) in den Hintergrund gerückt, obwohl dieser Effekt über die gesamte Lebensdauer der Anlage gesehen in der Regel
die größte Klimawirkung darstellt. In vielen Fällen mussten und müssen Kältemittelsubstitutionen vorgenommen werden, die – auf Grund schlechterer thermodynamischer Eigenschaften – nicht selten einen höheren Energieverbrauch bedingen,
also auch einen umweltpolitisch gegenläufigen Effekt haben. Hier gilt es in der Bewertung künftig verstärkt eine vernünftige Balance zwischen direkter und indirekter
Klimawirkung zu finden. Hilfreich zur Orientierung ist hierbei die Kenngröße
TEWI, die sämtliche umweltrelevanten Einflüsse berücksichtigt. Andererseits ergeben sich bei der für die Umstellung erforderlichen Sanierung von Altanlagen oftmals auch günstige Gelegenheiten für eine gleichzeitige energetische Optimierung.
Da die erforderliche Kompressorleistung von der zu transportierenden Wärmemenge pro Zeit und der zu überbrückenden Temperaturdifferenz abhängt, liegen die drei
222
grundsätzlichen Ansatzpunkte für die rationelle Energienutzung von Kälteanlagen
auf der Hand:
•
Der Kühlraum soll ein Minimum an Kälteleistung benötigen (Wärmedämmung,
Fremdwärme).
•
Die Kühltemperatur soll nur so tief wie nötig sein (regelmäßige Temperaturkontrolle).
•
Die Abgabetemperatur bei der Kondensation soll so hoch wie möglich sein (Abwärme wird üblicherweise nur bis 45 °C genutzt).
Nachfolgend werden aus den verschiedenen Anwendungsfeldern die wesentlichen
Einsparmaßnahmen und Entwicklungstendenzen, die den künftigen Energieverbrauch betreffen, beschrieben.
Gewerbekälte
Die durch einen starken Wettbewerb bestimmten Marktbedingungen haben zu Gewerbekälteanlagen geführt, die hinsichtlich Leistungsgröße und Kosten weitestgehend optimiert sind. Dennoch werden bei Investitionen die Lebenszykluskosten
nicht beachtet, und den Investitionskosten gegenüber den Betriebskosten mehr Beachtung geschenkt. Das bedeutet für die Tiefkühlung, dass in den überwiegenden
Fällen einstufige Kälteanlagen eingesetzt werden und der energetische Vorteil
zweistufiger Anlagen nicht genutzt wird. Durch den Investitionskostendruck ist die
zu installierende Kälteleistung vergleichsweise gut an den realen Bedarf angepasst.
Neu errichtete Kälteanlagen entsprechen meist dem aktuellen Stand der Technik.
Maßgeblich für den Endenergiebedarf ist auch der technische Zustand der Kälteanlagen. Das betrifft unter anderem die Sauberkeit und Regelbarkeit von luftgekühlten Verflüssigern, die Dichtheit der Kälteanlagen und damit die optimale Kältemittelfüllung sowie die bedarfsgerechte, vollständige Abtauung luftbeaufschlagter
Verdampfer. Die gegenwärtig geführte Diskussion um die Einführung einer Wartungspflicht unterstreicht die Bedeutung des Anlagenzustandes sowohl aus umwelttechnischer als auch aus energetischer Sicht.
Grundsätzlich müssen mögliche Effizienzsteigerungen von Gewerbekälteanlagen
im Zusammenhang mit den politischen Maßgaben bezüglich der Kältemittelverwendung gesehen werden. Konventionelle Kältesysteme in Supermärkten mit direkter Expansion und einer großen (H-FKW-)Kältemittelfüllung, sowie langen
Kältemittelleitungen und damit einer hohen Leckageanfälligkeit, werden keine Zukunft haben, wenn nicht die Leckagen drastisch reduziert werden können. Aus diesem Grund könnte die Lösung für Supermarktsysteme entweder in indirekten Systemen mit Sekundärfluiden oder in direkten dezentralen wassergekühlten H-FKWSystemen liegen. Diese jedoch weisen gegenüber den konventionellen zentralen
223
Anlagen einen um ca. 10 bis 15 % höheren Energieverbrauch auf, so dass man es
hier mit dem erwähnten Zusammenspiel widerstreitender ökologischer Einflüsse zu
tun hat, die einer genauen Analyse und einer optimalen Kompromisslösung bedürfen.
Ein Ausweg könnte in der Anwendung von Kältemitteln mit sehr geringem Treibhauspotenzial in direkten Systemen liegen. Mit Ausnahme von Kohlendioxid zeigen
jedoch die anderen natürlichen Fluide wie Ammoniak und Kohlenwasserstoffe ein
gefährliches lokales Verhalten wegen ihrer Brennbarkeit und/oder Toxizität und
sind deshalb nicht für direkte Expansionssysteme in den der Öffentlichkeit zugänglichen Flächen von Supermärkten geeignet. Die Kältemitteleigenschaften von CO2
bringen gewisse Probleme bei der Verdichtung für höhere Drücke mit sich, die sich
aber beispielsweise durch Verwendung von Zweistufen-Verdichtern beherrschen
lassen. Der Energieverbrauch liegt dann in etwa auf demselben Niveau wie bei
konventionelle Anlagen, allerdings erhöhen sich die Investitionskosten der Anlage
(Kruse 2002).
Mit einer gezielten Wärmerückgewinnung (WRG) lassen sich mindestens 45 %
der Kühlenergie mit geringem technischem Aufwand für die Brauchwassererwärmung bis 45 °C nutzen. Im Gewerbebereich sind überwiegend luftgekühlte Anlagen
im Einsatz, bei denen die Abwärme der Kälteanlage an die Umgebung abgeführt
wird. Es gibt technische Lösungen für die Abwärmenutzung zur Trink- und
Brauchwassererwärmung, die erst teilweise angewendet werden. Reserven im Endenergiebedarf sind außerdem durch konsequente Anwendung der Kraft-WärmeKälte-Kopplung vorhanden.
WRG ist insbesondere in Fleischereien von hoher Bedeutung, weil ständig aus Hygienegründen ein hoher Heißwasserbedarf besteht. Durch eine veränderte Arbeitsorganisation (höhere Niedertarifnutzung), eine bessere Wartung der Kühleinrichtungen und den Einbau von einfachen Systemen könnten sich die Potenziale in fast
allen Unternehmen des Fleischerhandwerks wirtschaftlich umsetzen lassen.
Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbesserung der Komponenten
ist mit einer weiteren, allerdings eher kleinen Reduzierung des Endenergiebedarfs
zur Kälteerzeugung zu rechnen. Ein weiterer Ansatz ist die Reduzierung des Kältebedarfs der Anwendung durch besseres Design und verbesserte Wärmedämmung.
Offene Kühlmöbel sollten durch geschlossene ersetzt oder in der Nacht abgedeckt
und der Temperatursollwert sollte angehoben werden. Tagsüber können die Verluste mit einer IR reflektierenden Folie an der Decke reduziert werden.
An Alternativen zur Kompressionskältemaschine wie z. B. die Kaltgaskältemaschine im Normal- und Tiefkühlbereich wird gearbeitet (IATK 2002).
224
Der Einsatz geregelter Pumpen in der Klima- und Kältetechnik befindet sich noch
in einer Anfangsphase. Bevorzugt für den Einsatz kann zunächst der Kaltwasserkreislauf angesehen werden, bei dem Rückkühlkreislauf sind noch erhebliche technische Vorarbeiten zu leisten. Im Laborversuch wurden Einsparungen von 30 %,
bei Entfall von Regelventilen sogar bis zu 70 % nachgewiesen (Schmalfuß 2001).
Industriekälte
Verbesserungspotenzial im Industriekältebereich besteht vor allem in der Optimierung von Systemlösungen. Auf der Grundlage ausgereifter technischer Ausrüstungen sowohl auf der Seite der Kälteerzeuger als auch der Bedarfsträger sind Systeme
in Nutzung, die nicht optimal abgestimmt sind. Ausgangspunkt ist meist der Kältebedarf, der im überwiegenden Teil der Betriebsstunden wesentlich unter dem Auslegungswert liegt. Im Teillastbetrieb der Gesamtsysteme liegt ein wesentliches Potenzial zur Reduzierung des Endenergiebedarfs. Dabei sind folgende Entwicklungsrichtungen zu nennen:
Abstimmung der Leistungsstufen zwischen Erzeuger und Bedarfsträger: Zur
Berechnung des Kältebedarfs sind bessere Voraussetzungen zu schaffen. Bei der
Planung von Systemlösungen muss die Kältetechnik gebührend einbezogen werden.
Hydraulische Netze enthalten zum Teil grundsätzliche Fehler, die sich im praktischen Betrieb durch höheren Aufwand und Endenergiebedarf auswirken.
Verbesserungspotenzial besteht insbesondere in der Steuerung von Gesamtsystemen. Wenn Kälteerzeuger und -bedarfsträger nicht ausreichend entkoppelt sind,
kann kein stabiler, energetisch optimaler Betrieb erreicht werden. Für Temperaturen
unter von – 50 bis – 60 °C erreicht die spezifische elektrische Leistungsaufnahme
von Kaltgaskältemaschinen die von Kaltdampfkältemaschinen bzw. unterschreitet
diese sogar. Kaltgasmaschinen liegen allerdings in der Entwicklung im Vergleich
zu Kompressionskältemaschinen zurück. Zur Nutzung dieses Potenzials sind Forschungsleistungen zur Entwicklung von Komponenten, Kälteanlagen und Systemlösungen zu erbringen. In Anbetracht der steigenden Nachfrage der Tiefkühlkost erscheint dieses Aufgabengebiet als attraktiv.
Der exergetische Wirkungsgrad von Kompressions- und Absorptionskältemaschinen ist annähernd gleich. Wegen des höheren Investitionsaufwandes von Absorptionsanlagen ist das ein Nachteil für diese Anlagen. Anders stellt sich die Situation
dar, wenn Abwärme als thermischer Antrieb für Absorptionskälteanlagen zur
Verfügung steht. In einer Vielzahl technologischer Prozesse z. B. in der Lebensmitteltechnik fällt Abwärme auf einem Temperaturniveau von 100 °C und darüber
an, die an die Umgebung abgeführt wird. Andererseits besteht Kältebedarf, so dass
sich der Einsatz von Absorptionskältemaschinen anbietet. In den letzten Jahrzehnten war der Absatz von Absorptionsanlagen rückläufig, wodurch auch ein Ent-
225
wicklungsrückstand eingetreten ist. Zum zeitnahen Abbau dieses Rückstandes sind
forcierte FuE-Anstrengungen erforderlich (ILK 2002).
Die gleichen Aussagen gelten prinzipiell für den weiteren Ausbau der KraftWärme-Kälte-Kopplung mit Absorptionskälteanlagen (Klein 2000).
Chemie
Die Kälteanlagen der Chemischen Industrie besitzen einen vergleichsweise hohen
Optimierungsgrad, da die Betreiber sehr auf Kostenminimierung bedacht sind. Dies
gilt besonders für die relevanten Gasverflüssigungsanlagen, da der Unternehmensgewinn hier in besonders hohem Maß von den Energiekosten abhängt.
Bergbau
Eine Verbesserung der Leistungszahlen der Kältetechnik im Bergbau ergibt sich
durch die allgemeinen Verbesserungen der Kältetechnik. Eine darüber hinaus gehende bergbauspezifische Verbesserung ist nicht zu erwarten. Ein mögliches Einsparpotenzial besteht höchstens bei der Verteilung. Derzeit wird Wasser als Kälteträger verwendet. Die hohe Temperaturdifferenz zwischen diesem und dem die
Rohrleitungen umspülenden Wetter bewirkt hohe Verluste durch den Wärmeeintrag. Zusätzliche Wärmedämmung könnte diese Verluste reduzieren und die
Temperatur der Kälteerzeugung leicht anheben. Bei Kühlwasserrohrlängen von bis
zu 90 km sind jedoch die Kosten für eine zusätzliche Dämmung derart hoch, dass
die Wirtschaftlichkeit dieser Verbesserungsmaßnahme stark angezweifelt werden
kann (IATK 2002).
Kälte für Tieftemperaturanwendungen
Bei den Verfahren zur technischen Kälteerzeugung für Tieftemperaturanwendungen
handelt es sich um vergleichsweise junge Entwicklungen bzw. spezielle Einzelanlagen. Entwicklungspotenzial mit wirtschaftlicher Relevanz besteht insbesondere bei
Anwendungen im Zusammenhang mit dem Einsatz von supraleitendem Material.
Das sind neben den kyrogenen Sensoren z. B. magnetische Lager mit HATSupraleitern für den Maschinenbau, Energiespeicher oder Transformatoren für die
Elektrotechnik (ILK 2002).
2.12.3.3
Tabelle 57 fasst die wichtigsten Energiesparmaßnahmen in der Kältetechnik mit
quantitativen Angaben zum vorhandenen Potenzial zusammen. Die aufgeführten
Maßnahmen haben nicht durchweg kumulativen Charakter, so dass sich ihre Gesamtwirkung nicht ableiten lässt. Grob lässt sich das wirtschaftliche Gesamtpotenzial auf rund 18 % abschätzen. Die größten Effekte sind durch verbesserte Systemlösungen, durch drehzahlgeregelte Verdichter sowie durch eine konsequente Wartung und Reinigung zu erzielen.
226
Tabelle 57: Übersicht über die wichtigsten Energiesparmaßnahmen in der Kältetechnik
Einsparmaßnahme
mittl. techn.
Anwendbarkeit
Einsparpotenzial
(%)
(%)
GesamtPotenzial
(%)
Elektronisch geregelte Pumpen
60 %
10 %
6%
Drehzahlgeregelte Verdichter und
Ventilatoren
40 %
10 %
4%
Verbesserte Verdichter/Wärmetauscher
40 %
5%
2%
Systemoptimierung
80 %
10 %
8%
Verbesserte Steuerungs- und
Regelungstechnik
50 %
10 %
5%
Verbesserte Wärmedämmung
50 %
10 %
5%
Verminderung der Kühllast
30 %
5%
1,5 %
Regelmäßige Reinigung / Wartung
50 %
8%
4%
Verbundanlagen statt Einzelanlagen
10 %
10 %
1%
Mehrstufige Verdichter und
Sorptionsprozesse
50 %
15 %
7,5 %
Gesamtpotenzial (nicht kumulativ)
18 %
Es bleibt festzuhalten, dass die weitreichende Ausschöpfung der zweifellos in beträchtlichem Maße vorhandenen Einsparpotenziale nicht durch eine Fixierung auf
die Frage der Kältemittelwahl, welche auch in absehbarer Zukunft noch relevant
bleiben wird, in den Hintergrund treten darf. Eine vernünftige Synthese mit angemessener Berücksichtigung beider Aspekte ist geboten und möglich. Vielmehr
sollten bei den durch Kältemittelsubstitutionen induzierten Sanierungsmaßnahmen
auch gleichzeitig Maßnahmen zur energetischen Optimierung geprüft und gegebenenfalls umgesetzt werden.
2.12.5
Literatur
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und R12B1 in bestehenden Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanlagen in der
Bundesrepublik
Deutschland
durch
Kältemittel
mit
geringem
Ozonabbaupotential. Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen
GmbH (Hannover), Forschungsbericht für das Umweltbundesamt, UBATexte 98/59, Berlin.
227
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IATK, Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik, Universität
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technischen Erzeugung von Kälte (Teilbericht). In: DKV 2002
ILK
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www.ilkdresden.de/pub/d/leistungen/kaelte/fe_wasser.htm; Stand März 2003.
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Reisner, K. (2002): Fachwissen Kältetechnik für die industrielle und gewerbliche
Praxis. C.F. Müller Verlag
Kraus, W. E. (2001): CO2 in Kälteanlagen – Technische und umweltrelevante
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Einsatz elektronisch geregelter Pumpen. In: Kältetechnik in der TGA 3. VDIBerichte Nr. 1602
Ziegler, F. (2002): Trends in der Sorptionskältetechnik. KI Luft- und Kältetechnik
(2002), Nr. 3, S. 140 – 144
228
2.13
Elektrische Beleuchtung (FfE)
In Deutschland lag 1999 der Anteil am Gesamt-Endenergieverbrauch (9288 PJ) für
elektrische Beleuchtung bei 2 % (IfE 2000). Somit ist die energiewirtschaftliche
Bedeutung der Beleuchtungstechnik gering. Dennoch besteht ein erhebliches Einsparpotenzial durch anwendungsoptimierte Lampen- und Leuchtentechnik sowie
verbesserte Steuerung und Regelung. Zudem steht bei Diskussionen zum Thema
Energiesparen die elektrische Beleuchtung in besonderem Maße im Interesse der
Öffentlichkeit. Dies liegt zum einen an der elementaren Rolle, die Licht für Flora
und Fauna spielt, zum anderen an der Signalwirkung und Symbolhaftigkeit für das
Thema Energiesparen insgesamt.
2.13.1
Einführung in die Technik
Die Beleuchtung hat einen entscheidenden Einfluss auf Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit des Menschen. Für Maßnahmen zur Reduktion des Stromverbrauchs
für Beleuchtungszwecke müssen daher die wesentlichen Anforderungen an die jeweilige Beleuchtungsaufgabe bekannt sein. Die wichtigsten Gütemerkmale einer
Beleuchtungsanlage sind:
•
•
•
•
•
•
•
das Beleuchtungsniveau
die räumliche Verteilung der Helligkeit
die Begrenzung von Blendung
die Lichtrichtung
die Schattenwirkung
der Farbton des Lichtes
die Farbwiedergabeeigenschaften.
Das Beleuchtungsniveau wird durch die Nennbeleuchtungsstärke in einem Raum
oder in einem abgegrenzten Teil eines Raumes beschrieben. Unter der Nennbeleuchtungsstärke versteht man dabei den Mittelwert der Beleuchtungsstärke auf
einer horizontalen Bezugsebene in 0,85 m Höhe über dem Raumboden. Sie wird
von den Eigenschaften der Beleuchtungsanlage, der Raumgeometrie und den Reflexionsgraden der Wände, des Bodens und der Decke beeinflusst.
Die Beleuchtungsstärke ist der dominierende Einflussfaktor auf die Sehleistung des
Menschen. Es ist daher wichtig, dass die Nennbeleuchtungsstärke im Raum den der
Sehaufgabe entsprechenden Anforderungen entspricht. In DIN 5035 sind die erforderlichen Werte für eine Reihe von typischen Raumnutzungsarten niedergelegt. Bei
der Planung einer Beleuchtungsanlage ist im Normalfall ein um den Faktor 1,25
erhöhter Wert anzusetzen, um die Alterung der Lampen und die Verschmutzung der
Leuchten in geeigneter Weise zu berücksichtigen. Typische Werte der Nennbeleuchtungsstärke reichen von 30 lx für kurzfristigen Aufenthalt und Orientierung in
229
Räumen über 250 lx und 500 lx für Büroarbeiten mit leichten bzw. durchschnittlichen Sehaufgaben bis hin zu 1000 lx in Großraumbüros, Zeichenräumen und feinmechanischen Werkstätten. Bei besonders schwierigen Sehaufgaben (z. B. Operationstischen) werden noch wesentlich höhere Anforderungen gestellt (DIN 5035).
Im Folgenden werden die wichtigsten Größen zur Beurteilung von Lichtsystemen
(alphabetisch) aufgelistet und kurz erläutert. Für eine umfassende Beschreibung sei
an dieser Stelle auf die Fachliteratur verwiesen (z. B. DIN 5035; Schaefer 1994;
Hachs, Körner 1986).
Beleuchtungsstärke E
Flächendichte des Lichtstroms. Quotient aus dem Lichtstrom auf ein (infinitesimal
kleines) Flächenelement und der Fläche des Elements. Einheit: Lux oder lx. Die
Beleuchtungsstärke auf einer horizontalen Fläche ist ein allgemeines Maß für die
Höhe des Beleuchtungsniveaus. Typische Werte für die Beleuchtungsstärke im
Freien liegen mittags zwischen 20.000 und 100.000 lx, in künstlich beleuchteten
Räumen zwischen 100 und 1000 lx (DIN-Norm 5035).
Beleuchtungswirkungsgrad ηB
Quotient aus dem Lichtstrom auf der horizontalen Nutzebene 0,85 m über dem Boden (soweit nicht anders bestimmt) und dem erzeugten Lichtstrom in den Lampen.
Der Beleuchtungswirkungsgrad berücksichtigt die Lichtverluste durch die Leuchte
sowie die Wirkung der Leuchte im Raum und errechnet sich somit aus dem Produkt
von Leuchtenbetriebswirkungsgrad und Raumwirkungsgrad.
Farbwiedergabegüte
Der Farbeindruck eines Objektes hängt wesentlich von der spektralen Zusammensetzung der ins Auge gelangten Strahlung ab. Die Beziehung zwischen Originalfarbe und wiedergegebener Farbe wird als Farbwiedergabe bezeichnet. Zur Bestimmung der Farbwiedergabegüte wird der durch eine Lichtquelle hervorgerufene
Farbeindruck mit einer Bezugslichtquelle aus acht genormten Testfarben verglichen. In DIN 5035 sind sechs Farbwiedergabestufen zwischen 1A und 4 eingeteilt.
In der Farbwiedergabestufe 1A wird die Originalfarbe exakt bzw. annähernd exakt
wiedergegeben (DIN 5035, DIN 6169).
k-Faktor
Hilfsgröße zur Beschreibung der Raumgeometrie (Länge, Breite und Höhe) bei der
Bestimmung des Raumwirkungsgrades. Als Höhe ist der Abstand zwischen Leuchte
230
und der Nutzebene (0,85 m über Boden) zu verwenden, die Höhe der Abhängung
wird nicht mitgerechnet.
Leuchtenbetriebswirkungsgrad ηLB
Quotient aus dem von der Leuchte in den Raum abgestrahlten Lichtstrom und dem
erzeugten Lichtstrom in der Lampe. Der Leuchtenbetriebswirkungsgrad berücksichtigt die Lichtverluste in der Leuchte sowie den Rückgang des Lampenlichtstroms durch das Betreiben der Lampe in der Leuchte (z. B. geringerer Lichtstrom
durch höhere Temperaturen).
Lichtausbeute der Lampe
Kennzahl für die Energieeffizienz von technischen Lichtquellen. Quotient aus dem
erzeugten Lichtstrom und der elektrischen Leistungsaufnahme der Lampe. Einheit:
Lumen je Watt bzw. lm/W. Es ist zwischen der Lichtausbeute mit und ohne Vorschaltgerät zu unterscheiden. Die Lichtausbeute (inkl. Vorschaltgerät) der in der
IKARUS-Datenbank abgelegten Lampen ist in Abbildung 62 in Kapitel 2.13.3 zusammengestellt.
Lichtfarbe
Farbe einer Lichtquelle. Die Lichtfarbe technischer Lichtquellen wird durch die
Farbtemperatur beschrieben und in drei Bereiche eingeteilt:
warmweiß (bis 3300 K)
neutralweiß (3300 bis 5000 K)
• tageslichtweiß (über 5000 K).
•
•
Die Lichtfarbe beeinflusst die Behaglichkeit und die Natürlichkeit des Raumeindrucks. Warmweiße Lichtarten erzeugen in der Tendenz eine positive Raumstimmung auch bei relativ niedrigen Beleuchtungsstärken. Tageslichtweiße Lichtfarben
unter rund 700 lx können einen „kalten“ Raumeindruck ergeben.
Lichtstärke I
Raumwinkeldichte des ausgestrahlten Lichtstroms von punktartigen Lichtquellen.
Quotient aus dem Lichtstrom in einem (infinitesimal kleinen) Raumwinkelelement
und dem Raumwinkelelement. Einheit: Candela bzw. cd.
231
Lichtstärkeverteilungskurve
Die eine Leuchte charakterisierende Lichtstärkeverteilungskurve hat erheblichen
Einfluss auf den Raumwirkungsgrad. Im Wesentlichen werden freistrahlende, tiefstrahlende, breitstrahlende und hochstrahlende Lichtstärkeverteilungskurven unterschieden (Hofer 1994; Gaßner, Rosenbauer et. al. 1999).
Lichtstrom Φ
Kennzahl für die Lichtleistung einer Lichtquelle. Die von der Lichtquelle emittierte
elektromagnetische Strahlung wird mit der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges (Tagessehen) bewertet. Einheit: Lumen bzw. lm.
Nutzbrenndauer
Die tatsächliche mittlere Brenndauer einer Lampe, die bei Gruppenauswechslung
(defekte und nicht defekte Lampe) in einem Betrieb erreicht wird. Die Nutzbrenndauer ist kürzer als die mittlere Lebensdauer und bestimmt sich aus dem maximal
zulässigen Rückgang der Beleuchtungsstärke auf der Nutzebene6.
Raumwirkungsgrad ηR
Quotient aus dem Lichtstrom auf der horizontalen Nutzebene 0,85 m über dem Boden (soweit nicht anders bestimmt) und dem von den installierten Leuchten abgestrahlten Lichtstrom. Mit dem Raumwirkungsgrad wird die Wirkung der Leuchte(n)
im jeweiligen Raum berücksichtigt. Er ist abhängig von der Abstrahlcharakteristik
der Leuchte, von der Raumgeometrie (→ k-Faktor) und von den Reflexionsgraden
der Raumschließungsflächen. In der Literatur wird der Raumwirkungsgrad einer
Leuchte abhängig von bestimmten Reflexionsfaktoren und k-Faktoren in Tabellenform angegeben.
Reflexionsgrad ρ
Das Verhältnis des zurückgeworfenen Strahlungsflusses oder Lichtstromes zu dem
eingestrahlten Strahlungsfluss oder Lichtstrom. Zur Beschreibung der Reflexionsgrade der Raumumschließungsflächen Decke/Wände/Boden werden standardisierte
Reflexionsfaktoren verwendet, z. B. 80/50/10.
6 Nach DIN 5035 darf der arithmetische Mittelwert der Beleuchtungsstärke an den Arbeitsplätzen
maximal 20 % unter der Nennbeleuchtungsstärke liegen, sowie gleichzeitig die Beleuchtungsstärke an keinem der Plätze das 0,6-fache der Nennbeleuchtungsstärke unterschreiten.
232
Technische Lebensdauer
Mittlere Lebensdauer einer Lampe. Sie gibt die Betriebszeit an, nach der 50 % der
Lampen ausgefallen sind. Je nach Lampenart ist die Lebensdauer unterschiedlich
stark von der Betriebsweise der Lampe abhängig (Schalthäufigkeit, Vorschaltgerät,
etc.). Ein Überblick über die technische Lebensdauer der in der IKARUSDatenbank abgelegten Lampen wird in Tabelle 58 in Kapitel 2.13.3 gegeben (Hofer
1994).
Verminderungsfaktor ν
Der Verminderungsfaktor berücksichtigt den Rückgang der Beleuchtungsstärke
durch Verschmutzung und Alterung von Lampen, Leuchten und Räumen. Durch
Multiplikation mit seinem Kehrwert, dem sogenannten Planungsfaktor, wird eine
Beleuchtungsanlage entsprechend höher ausgelegt (DIN-Norm 5035).
Neben den lichttechnischen Anforderungen müssen je nach Einsatzort weitere Anforderungen erfüllt sein. Insbesondere müssen Lampe und Leuchte gegen schädliche äußere Einflüsse geschützt sein (DIN VDE 0711/EN60598). Darüber hinaus
gibt es eine Reihe weiterer Anforderungen, die erfüllt sein müssen, wenn z. B. eine
Montage auf brennbaren Baustoffen vorgesehen ist.
2.13.2
Der Bestand an Beleuchtungsanlagen in den Sektoren Industrie und Kleinverbrauch
ist nicht quantifizierbar. Für die Berechnung des Energieverbrauchs und der Einsparpotenziale werden Schätzungen auf Basis von Beschäftigtenzahlen mit einer
Verteilung der unterschiedlichen Lichtsystemen zur Beleuchtung von Arbeitsräumen herangezogen. Weitere Grundlagen bilden Betriebsbegehungen und -befragungen sowie Daten des Statistischen Bundesamtes (Geiger, Gruber, Megele 1999).
In Kapitel 2.13.4 wird der Lichtstromverbrauch in Deutschland für die Verbrauchssektoren Industrie, Kleinverbrauch und Haushalte eines Jahres aufgeschlüsselt auf
die Techniken Glühlampen, Leuchtstofflampen, Kompaktleuchtstofflampen sowie
Metalldampf- und Halogenlampen. Es können nur die unterschiedlichen Lampenarten und deren typische Einsatzgebiete aufgezeigt werden. Für alle erwähnte Lampen sind weitere Einsatzgebiete denkbar.
Glühlampen werden bevorzugt im Haushalt angewendet. Sie sind einfach einsetzbar, billig und liefern die in diesem Bereich bevorzugte Lichtfarbe warmweiß. Da in
den Haushalten Leuchten fast ausschließlich nach ästhetischen Gesichtspunkten
ausgewählt werden, sind ihre kompakten Abmessungen und die vielfältigen verfüg-
233
baren Bauformen, die viel gestalterischen Freiraum beim Entwurf von Leuchten
lassen, ein weiterer Grund für ihre nach wie vor große Beliebtheit.
Bei gewerblichen Anwendungen beschränken sich ihre Einsatzgebiete auf wohnähnliche Bereiche (z. B. Hotels, Gastgewerbe), teilweise auch Arbeitsplatzbeleuchtung in Werkstätten. Für die Beleuchtung in Büroräumen, Schalterhallen etc. sind
sie wegen ihrer geringen Lichtausbeute und dem geringen Lichtstrom je Lampe
kaum geeignet.
Halogenglühlampen und Strahlerlampen dienen der Akzentbeleuchtung, z. B.
zum Hervorheben einzelner Waren in Schaufenstern, zum Anstrahlen von Kunstgegenständen oder für vergleichbare Anwendungen. Sie sind daher in allen Bereichen
des Gewerbes zu finden, wo nicht nur eine funktionelle Beleuchtung sondern auch
ein repräsentatives Erscheinungsbild gewünscht wird. Sie werden aber nur in Ausnahmefällen für die Allgemeinbeleuchtung eingesetzt. Darüber hinaus sind sie in
den Haushalten weit verbreitet.
Stabförmige Niederdruck-Leuchtstofflampen sind die Standardlampen für den
gewerblichen Bereich. Sie erzeugen die Allgemeinbeleuchtung in Büroräumen, Fluren, Lagerräumen, Schalterhallen, Schulen, Sporthallen, Verkaufsräumen, Krankenhäusern, Fertigungshallen usw. Dies begründet sich durch ihre gute Lichtausbeute
bei gleichzeitig guten Farbwiedergabeeigenschaften, die große Auswahl an unterschiedlichen Lichtfarben und ihre für die Beleuchtung großer Räume günstige langgestreckte Bauform, die z. B. die Bildung von Lichtbändern ermöglicht. Leuchten
für stabförmige Leuchtstofflampen sind in einer sehr großen Auswahl erhältlich, so
dass nahezu alle Anforderungen gewerblicher Anwender in der Innenraumbeleuchtung erfüllt werden können.
Kompaktleuchtstofflampen mit externen Vorschaltgerät werden häufig in typischen Anwendungsfällen der Stablampen eingesetzt, wegen ihrer etwas geringeren
Lichtausbeute ergibt sich dann tendenziell ein geringfügig höherer Stromverbrauch.
Ihr Vorteil liegt in den kompakten Abmessungen, die es ermöglichen, auch quadratische Leuchten zu konstruieren. Im Haushalt konnten sich diese Leuchten bisher
noch nicht durchsetzen, da sie die Anschaffung speziell dafür ausgelegter Leuchten
voraussetzen. Kompaktleuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät und
Schraubfassung haben ihr bevorzugtes Einsatzgebiet im Haushalt und in bestimmten Bereichen des Gewerbes (z. B. Gastgewerbe). Sie werden an Stellen eingesetzt,
an denen bislang nur Glühlampen verwendet werden konnten.
Halogen-Metalldampflampen sind sehr kompakte Lampen mit hohem Lichtstrom
und hoher Lichtausbeute bei teilweise sehr guten Farbwiedergabeeigenschaften. Sie
eignen sich für alle Anwendungsfälle, in denen punktförmige Lichtquellen gewünscht werden, z. B. Flutlichtanwendungen, Objektbestrahlung und die Beleuchtung von hohen Industriehallen. In den kleineren Leistungsstufen sind sie auch für
234
anspruchsvolle Beleuchtungsaufgaben in Gaststätten, Hotels und Einzelhandelsgeschäften geeignet.
Natriumdampf-Hochdrucklampen erreichen sehr hohe Lichtausbeuten bei
schlechter Farbwiedergabe (Stufe 2B bis 4). Sie werden in der Außenbeleuchtung,
zum Anstrahlen von Gebäuden und zur Beleuchtung von hohen Werkshallen z. B.
in der Grundstoffindustrie eingesetzt.
Natriumdampf-Niederdrucklampen haben die höchste Lichtausbeute aller verfügbaren Lampen, emittieren aber monochromatisch gelbgrünes Licht, so dass keine Farbunterscheidung möglich ist. Diese Lampen sind deshalb nur für die Beleuchtung von Ausfallstraßen, Wasserstraßen, Schleusen u. ä. geeignet.
Quecksilberdampflampen eignen sich dagegen auch für die Beleuchtung von
Fußgängerzonen, Parks und Innenräumen (z. B. Foyers).
2.13.3
In der IKARUS-Datenbank ist die Lichtausbeute der verschiedenen Lampentypen
hinterlegt. Die Lichtausbeute (inkl. Vorschaltgerät) der in der Datenbank abgelegten
Lampen ist in Abbildung 62 zusammengestellt. Die niedrigste Lichtausbeute weisen
Standardglühlampen auf, mit einer Lichtausbeute von etwa 4 bis 14 lm/W. Mit elektronischem Vorschaltgerät betriebene Leuchtstofflampen dagegen weisen bis
über 90 lm/W auf. Natriumdampf-Hochdrucklampen mit einer Lichtausbeute über
90 lm/W sind nur in der Farbwiedergabestufe 4 verfügbar. NatriumdampfNiederdrucklampen erreichen mit Abstand die beste Lichtausbeute, senden jedoch
monochromatisch gelbes Licht aus und können daher nur bei Außenbeleuchtungsaufgaben mit geringen Anforderungen eingesetzt werden (Gaßner, Rosenbauer,
Megele 1999).
Weiterhin ist in Tabelle 58 die in der Datenbank hinterlegte mittlere Lebensdauer
auf Basis von Herstellerangaben der einzelnen Lampentypen angegeben.
235
Glühlampen
Niedervolt-Halogenglühlampen
Mischlichtlampe
Hochvolt-Halogenglühlampen
Quecksilberdampflampe
Kompaktleuchtstofflampen (KVG)
Kompaktleuchtstofflampen (integr.
EVG)
Leuchtstofflampen 26 mm (KVG)
Kompaktleuchtstofflampen (EVG)
Natrium-Xenon-Lampe
Halogenmetalldampflampen
Leuchtstofflampen 26 mm (EVG)
Natriumdampf-Hochdrucklampe
Natriumdampf-Niederdrucklampe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
lm/W
Lichtausbeute inkl. Vorschaltgerät
Abbildung 62: Lichtausbeute verschiedener Lampentypen einschließlich Vorschaltgerät
Tabelle 58: Mittlere Lebensdauer verschiedener Lampentypen
Lampe
mittlere Lebensdauer in h
Glühlampen allgemein
ca. 1.000
Großkolben- und Pressglasreflektorglühlampe
ca. 2.000
Hochvolt-Halogenglühlampen
1.500 … 2.000
Niedervolt-Halogenglühlampen
2.000 … 3.500
stabförmige Leuchtstofflampen, 26 mm (mit KVG)
13.000 … 15.000
stabförmige Leuchtstofflampen, 26 mm (mit EVG)
ca. 20.000
Kompaktleuchtstofflampen
Kompaktleuchtstofflampe, Großkolbenlampe
Halogenmetalldampflampen bis 150 W
Halogenmetalldampflampen über 150 W
Mischlichtlampen
Natriumdampf-Hochdrucklampen
Natriumdampf-Niederdrucklampen
Quecksilberdampflampen
Quelle: Gaßner, Rosenbauer, Megele 1999
ca. 8.500
ca. 10.000
5.000 … 6.000
6.000 … 10.000
ca. 5.000
6.000 … 10.000
ca. 10.000
6.000 … 10.000
236
2.13.4
In Cremer, Kleemann et al. (2001) wurden die Einsparpotenziale für die Beleuchtung für alle Sektoren übergreifend ermittelt. Ein Aufsplitten und Ausweisen der
Potenziale für die Sektoren Industrie und Kleinverbrauch ist jedoch nicht möglich.
Im Folgenden sind die Ergebnisse der Untersuchung für die Enquête-Kommission
des Deutschen Bundestages wiedergegeben (Cremer, Kleemann et al. 2001).
Die relativen Einsparpotenziale bei der Querschnittstechnologie Beleuchtung sind
sehr groß. Allerdings muss dabei beachtet werden, dass der gesamte Endenergieaufwand für Beleuchtung 1999 in Deutschland 185 PJ betrug, entsprechend 2 % des
gesamten Endenergieverbrauchs. 173 PJ entfielen dabei auf den Energieträger
Strom. Dies entspricht rund 10 % des Endenergieverbrauchs an Strom. Die Nutzungsgrade bei der Beleuchtung liegen niedriger als bei allen anderen Nutzenergiearten und erreichten 1999 einen durchschnittlichen Wert von 7,8 %. Die geringen
Nutzungsgrade erklären auch die hohen technischen Einsparpotenziale, da schon
mit der Verwendung vorhandener Lampen und Leuchten mit höheren Wirkungsgraden deutliche Effizienzsteigerungen erreicht werden können.
Die wichtigsten Optionen liegen also im Einsatz effizienterer Beleuchtungssysteme,
der Verwendung von Steuerungseinrichtungen, aus der verstärkten Nutzung von
Tageslicht und weniger aus der verminderten Nachfrage nach der Energiedienstleistung Licht, also einer verminderten Lichtstärke. Bei der Untersuchung der Einsparpotenziale im Bereich Beleuchtung lässt sich im Wesentlichen nach vier Typen
von Lampen unterscheiden, die hauptsächlich verwendet werden:
Glühlampen,
• Leuchtstofflampen,
• Kompaktleuchtstofflampen,
• Metalldampf- und Halogenlampen.
•
Daneben werden in Zukunft Leuchtdioden verstärkt eingesetzt werden und insbesondere Halogenlampen und Glühlampen substituieren. Die identifizierten Einsparpotenziale bei der Beleuchtung in allen Verbrauchssektoren sind in Tabelle 59 aufgeführt. Insgesamt wird ein technisches Einsparpotenzial von 145 PJ/a aufgeführt,
entsprechend 77 % des Energieverbrauchs für Beleuchtung. Das wirtschaftliche
Einsparpotenzial wird mit 106 PJ/a angegeben, was etwa 56 % des Energieverbrauchs für Beleuchtung entspricht. Beide Angaben gelten für alle Verbrauchssektoren.
In einer weiteren Untersuchung wurden für den Kleinverbrauch für das Jahr 2000
folgende Zahlen ermittelt. Der Stromverbrauch für die Beleuchtung wurde zu etwa
106 PJ/a ermittelt. Das daraus ermittelte wirtschaftliche Einsparpotenzial liegt bei
25 PJ/a, entsprechend 24 % des Energieverbrauchs für Beleuchtung. Das technische
237
Einsparpotenzial liegt bei 35 PJ/a, etwa 33 % des Energieverbrauchs für Beleuchtung. Diese Zahlen wurden in Anlehnung an die Aktualisierung der IKARUSDatenbank vorab ermittelt und können von den endgültigen Werten leicht abweichen.
Tabelle 59: Endenergieverbrauch und technische Einsparpotenziale bei der Beleuchtung für alle Sektoren
KompaktMetallSumme für
leuchtdampf- und
alle
stoffHalogenLampenlampen
lampen
typen
Glühlampen
Leuchtstofflampen
39,6 PJ
76,3 PJ
11,2 PJ
61,0 PJ
188,1 PJ
–
15,3 PJ
0,6 PJ
6,1 PJ
22,0 PJ
durch technische Verbesserung
reduzierter Verbrauch
39,6 PJ
61 PJ
10,6 PJ
54,9 PJ
166,1 PJ
weiteres Einsparpotenzial durch
Substitution der Glühlampen
durch Kompaktleuchtstofflampen
und von 50 % der Halogenlampen
durch Leuchtdiodenlampen
33,3 PJ
–
14,4 PJ
47,7 PJ
durch Substitution reduzierter
Verbrauch
–
118,4 PJ
Tageslichtnutzung
–
23,7 PJ
Steuerung und Regelung
–
47,4 PJ
manuelles Schalten
–
4,8 PJ
Verbrauch unter Einbeziehung
aller technischen Maßnahmen und
Verhaltensmaßnahmen
–
43,0 PJ
Lampentyp
Verbrauch Endenergie 1998
Einsparpotenzial durch technische
Verbesserung der einzelnen
Technologien
Quelle: Cremer, Kleemann et al. 2001
2.13.5
Weiterentwicklungen
Für den Einsatz moderner Beleuchtungstechnik sind folgende Aspekte zu bedenken:
Die Lebensdauer von Lampen ist relativ kurz, sie sind als Verbrauchsmaterial zu
betrachten. Technische Verbesserungen können sich daher in manchen Fällen binnen weniger Jahre im Anlagenbestand durchsetzen.
238
Die Re-Investitionszyklen bei Beleuchtungsanlagen sind dagegen wesentlich länger,
die installierten Leuchten entsprechen in vielen Fällen noch nicht dem heutigen
Stand der Technik. Dies verhindert oft auch den Einsatz moderner Lampen oder die
Ausnutzung ihres höheren Lichtstroms zur Energieeinsparung.
Neue Techniken erfordern zum Teil erhebliche Mehrinvestitionen, die unter ungünstigen Umständen mit hohen Amortisationszeiten verbunden sein können. Aus
diesem Grund werden energiesparende Techniken wie elektronische Vorschaltgeräte und Kompaktleuchtstofflampen auch bei Neuanlagen nicht in allen Fällen eingesetzt. Auch Neuanlagen befinden sich deshalb nicht unbedingt auf dem neuesten
Stand der Technik (Hofer 1994).
In Cremer, Kleemann et al. 2001 wird angegeben, dass weiße Leuchtdioden mit
ungefähr 20 lm/W heute bereits eine etwas höhere Effizienz aufweisen als Glühlampen, jedoch noch niedriger liegen als Halogenlampen. Mit farbigen Leuchtdioden wird dagegen bereits eine Lichtausbeute von bis zu 40 lm/W erreicht. Bei den
Leuchtdiodenlampen kann erwartet werden, dass die Lichtausbeute bis auf das
Vierfache von Halogenlampen gesteigert werden kann. Gegenüber NiederdruckMetalldampflampen oder elektronisch gesteuerten Leuchtstofflampen wird sich
damit keine wesentliche Einsparung erreichen lassen. Deutliche Einsparpotenziale
liegen dagegen in der Substitution von Glühbirnen und Halogenlampen, da Leuchtdiodenlampen auch in Bereichen wie der Effektbeleuchtung eingesetzt werden können, wo Leuchtstofflampen und Metalldampflampen verwendet werden. Es wird
davon ausgegangen, dass die verstärkte Substitution von herkömmlichen Beleuchtungstechnologien durch Leuchtdioden erst ab 2010 bis 2020 stattfinden wird.
2.13.6
Literatur
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TUM/Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (IfE)
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239
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Hofer, R.; (1994): Lichttechnik. Ikarus-Bericht 8-04. Technische Universität München
Schaefer, H. (Hrsg.) (1994): VDI-Lexikon Energietechnik. Düsseldorf: VDI-Verlag
240
2.14
Zusammenfassung der identifizierten Einsparpotenziale
Für die beiden Sektoren Industrie und Gewerbe, Handel, Dienstleistungen wurden
Energiesparpotenziale zu den behandelten Querschnittstechniken ermittelt und soweit möglich, an Hand von Beispielen dargestellt und erläutert. Die Ergebnisse basieren auf dem Stand der gegenwärtig eingesetzten Techniken, die Potenziale beziehen sich auf die besten verfügbaren Techniken (BVT) der jeweiligen Anwendungen. Dabei wurde unterschieden zwischen dem technischen und dem wirtschaftlichen Potenzial. Insgesamt wurden in der Studie ca. 70 % des gesamten Endenergiebedarfs abgedeckt.
In Tabelle 60sind die ermittelten technischen und wirtschaftlichen Potenziale der
betrachteten Anwendungsbereiche zusammengestellt. In der Summe ergibt sich ein
wirtschaftliches Potenzial von 629 PJ. Zu berücksichtigen sind hierbei jedoch die
Überschneidungen in der Anwendbarkeit, auf Grund dessen sich das kumulierte
Potenzial verringert (beispielsweise vermindert eine verbesserte Wärmedämmung
den Heizwärmebedarf und damit das Einsparpotenzial in der Wärmeerzeugung).
Bei den elektrischen Antrieben ist zudem zu berücksichtigen, dass ein Teil des ausgewiesenen Einsparpotenzials sich mit anderen Anwendungen überschneidet. Das
Einsparpotenzial für Antriebe von Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren ist dabei mitenthalten. Das kumulierte wirtschaftliche Potenzial dürfte damit in der Größenordnung von 20 % liegen, bzw. 14 % des gesamten Endenergiebedarfs der beiden Sektoren.
Bei den meisten Techniken liegt das technische Potenzial um einen Faktor zwei
höher, eine Kumulierung zu einem Gesamtpotenzial ist hierbei ebenfalls und noch
verstärkt nicht möglich. Die recht große Differenz zwischen wirtschaftlichem und
technischem Potenzial gibt Anlass zu verstärkten Forschungsanstrengungen. Zusätzlich bedarf es für alle Anwendungsbereiche einer gezielten Aufklärung, damit
die Vorteile beim Einsatz neuer und energiesparender Techniken erkannt und umgesetzt werden.
Absolut gesehen liegen die größten Potenziale im Bereich der Gebäudetechnik und
betreffen damit vor allem den GHD-Sektor. Mit Hilfe einer verbesserten Wärmedämmung ließen sich 128 PJ, mit optimalen RLT-Anlagen 46 PJ und mit optimierter Beleuchtung 32 PJ einsparen. Auch hier gilt es bei einer genaueren Betrachtung
zu beachten, dass es sich bei einem Gebäuden um ein komplexes System handelt, in
dem sich die Wärmelasten gegenseitig beeinflussen. Im Industriesektor lassen sich
beträchtliche Einsparungen im Bereich der Industrieöfen (84 PJ), und der elektrisch
angetriebenen Systeme (Pumpen 19 PJ, Druckluftanlagen 23 PJ, Kälteanlagen 26
PJ) finden.
241
Tabelle 60: Zusammenfassung des Energiebedarfs und der ermittelten Einsparpotenziale
1)
Kap. Anwendungsbereich
2.6
2.10
2.8
2.12
2.2
2.5
2.3
2.4
2.9
2.1
2.13
2.11
2.7
Endenergiebedarf 1999
Anteil am Anwendungsbereich
Industrie
GHD
beide Sektoren
PJ
PJ
PJ
231.1
685.1
916.2
Raumwärme
Konventionelle Wärmeerzeuger zur
Raumheizung und Heißwassererzeugung (einschl. Wärmepumpen)
Wärmedämmung
BHKW und Brennstoffzellen (auch
Mikrogasturbinen)
Kleinverbrauch Nichtwohngebäude
Industrie (nur Przw. <300°C)
Prozesswärme/ WW
1603.1
366.3
Dampf- und Heißwassererzeuger (für
Prozesswärme) bis 50 MWth
Industrieöfen
Trockner
Wärmeübertrager
nicht quantifizierbar
Mechanische Energie
474.0
302.5
97%
60%
Pumpen
Druckluftanlagen
Kälteerzeugung
Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen
Ventilatoren System
Beleuchtung
38.1
93.4
Elektrische Beleuchtung
IuK
35.7
35.6
Gesamt
2382
1483
In der Studie abgedeckt
Techn.
Potenzial
Wirtsch.
Potenzial
Wirtsch.
Potenzial
%
%
PJ
12,5%
100%
2)
6%
3)
58
46%
14%
128
28%
28%
(32 PJ)
(ca. 6%)
32
19%
11%
41
17%
16%
25%
17%
8%
nicht quantifizierbar
84
25
1969.4
776.6
82%
(25%)
(11%)
(23%)
(24%)
(18%)
131.5
100%
71.3
3865
2705
70%
16%
25%
40-60%
11%
12-15%
33%
18%
30%
73
19
23
26
46
33%
24%
32
1)
Quelle: IfE (2000)
bezogen auf Raumwärme mit Brennwertkessel
3)
Annahme: 50 % des technischen Potenzials
2)
Bei den BHKW-Anlagen wurde für die Industrie als mögliches technisches Potential der prozentuale Wert für Nichtwohngebäude angesetzt. Der Durchsetzungsgrad
lässt sich bei den derzeitigen Strompreisen nicht abschätzen, so dass das wirtschaftliche Potenzial eher zurückhaltend eingestuft wurde.
Rationeller Energieeinsatz lässt sich nicht ohne Aufwand realisieren. Selbst organisatorische Maßnahmen erfordern einen beträchtlichen Informationsaufwand. Erst
das Wissen um energietechnische Zusammenhänge ermöglicht durch bewusstes
Handeln Energie sparsam und sinnvoll einzusetzen. Im Allgemeinen dauert es mehrere Jahre bis sich der Kapitaleinsatz für technische Maßnahmen amortisiert hat.
Grundsätzlich lassen sich Einsparmaßnahmen im Rahmen von Umbauarbeiten, Erneuerungen oder innerhalb eines Renovierungszyklus, finanziell erheblich günstiger
durchführen.
243
3
Hemmnisse bei der Umsetzung der identifizierten
Maßnahmen
Für Industrie- und Gewerbeunternehmen ist ein breites Spektrum von wirtschaftlichen Einsparpotenzialen bekannt, deren Umsetzung an vielfältigen Hemmnissen
scheitert. Hemmnisse sind dabei Einflüsse jeglicher Art, die bedingen, dass rentable
Maßnahmen nicht oder nur teilweise umgesetzt werden (Gruber et al. 1994). Nicht
alle Hemmnisse treffen für alle Unternehmen gleichermaßen zu. Manche sind branchen- oder technologieübergreifend, andere dagegen betreffen nur bestimmte Zielgruppen, z. B. kleine und mittlere Unternehmen oder Unternehmen mit geringen
Energiekostenanteilen. Im Folgenden soll ein Überblick über bestehende Hemmnisse gegeben werden.
Hemmnisse in kleinen und mittleren Unternehmen lassen sich in drei Gruppen einteilen: Informations- und Motivationsmangel, finanzielle Restriktionen und hemmende Rahmenbedingungen (Gruber 1996).
Tabelle 61: Überblick über Hemmnisse
Informations- und Motivationsmangel
Finanzielle Restriktionen
Hemmende Rahmenbedingungen
• fehlende energietechnische
Kenntnisse
• zu hohe Rentabilitätserwartungen
• externe Kosten nicht im
Energiepreis berücksichtigt
• fehlende Informationen über • Konkurrenz zu anderen
geeignete Maßnahmen
Investitionen
• Unsicherheit über die Energiepreisentwicklung
• keine Energiefachleute in
kleinen und nicht energieintensiven Betrieben
• zu wenig Energiedienstleistungsangebote
• Zeitmangel
• geringe Eigenkapitalausstattung
• fehlende Verfügbarkeit oder • fehlendes Image mancher
Akzeptanz von Krediten
Energiespartechniken
• fehlende Kenntnisse von
Bau und Installationsfachleuten
• scharfe Gesetzesvorgaben
und zeitaufwändige Genehmigungsverfahren
• Investor-/ Nutzer-Dilemma
Quelle: nach Gruber (1996)
Informations- und Motivationsmangel
Sehr häufig fehlt den Unternehmen ein Überblick darüber, wo Schwachstellen bei
der Energienutzung im Betrieb und welche Möglichkeiten zur Energieeinsparung
vorhanden sind und für den Betrieb in Frage kommen. Informationskanäle, in denen
über neue, effiziente Technologien berichtet wird, werden sehr oft nicht von den
Unternehmen genutzt, oder es fehlt die Vorstellung oder die Bereitschaft, wie diese
244
Technologien im Betrieb zum Einsatz kommen könnten. Informationsmangel besteht darüber hinaus hinsichtlich der verschiedenen Förderungsmöglichkeiten von
Seiten des Bundes, der Länder oder Kommunen, die schwer zu überblicken sind.
Insbesondere in kleinen und mittleren Unternehmen oder in Unternehmen mit einem niedrigen Energiekostenanteil gibt es keinen Energiebeauftragten oder sonstiges kompetentes Fachpersonal, das Einsparpotenziale konsequent verfolgt. Die
Verantwortlichkeit liegt häufig beim Geschäftsleiter oder technischen Leiter und
wird im Tagesgeschäft vernachlässigt.
Es fehlt der Marktüberblick über mögliche Investitionen zur Energieeinsparung.
Den Verantwortlichen fehlt die Zeit, sich durch Fortbildung oder Messebesuche zu
möglichen Optionen zu informieren. Häufig wird die Verlässlichkeit und Neutralität
der Informationen angezweifelt, insbesondere von der Herstellerseite. Einen Markt
für rationelle Energienutzung gibt es nicht, vielmehr fasst der Oberbegriff Varianten
verschiedenster Techniken zusammen, die energieeffizienter sind als andere Ausgestaltungsmöglichkeiten in einem bestimmten Technikbereich. Dadurch wird es für
einzelne Entscheidungsträger in Betrieben sehr schwierig, den Überblick zu behalten. Damit hängt auch zusammen, dass positive Beispiele einer rationellen Energienutzung von den Verantwortlichen als nicht auf den eigenen Betrieb übertragbar
gesehen werden.
Bei neuen Techniken ist die Scheu hoch, eine Vorreiterrolle bei deren Einsatz zu
übernehmen und die Verunsicherung über die Auswirkungen eines Einsatzes
neuer Techniken groß. Bei integrierten Einsparmaßnahmen, vor allem wenn sie
den Produktionsablauf betreffen, haben Betriebe technische Vorbehalte und befürchten Beeinträchtigungen der Produktion und negative Auswirkungen auf die
Produktqualität.
Auch bei kleinen Industrie- und Gewerbebetrieben kann das Vermieter-MieterDilemma auftreten, wenn die Betriebsstätten nur angemietet sind. Der Vermieter
hat keine Interesse daran, die Energiekosten der Heizung zu senken, da diese der
Mieter trägt, der wiederum keinen Einfluss auf Investitionen bei der Heizung oder
auf die Gebäudemodernisierung nehmen kann (die Energiekosten spielen bei Vermietungen im Allgemeinen nur eine untergeordnete Rolle) (BINE 1999). Letztendlich scheitern derartige Fälle an der fehlenden Transparenz über das Zustandekommen von Mietpreisen, in die der gestiegene Wohn- bzw. Arbeitskomfort mit einfließt.
Finanzielle Restriktionen
Ein wesentliches Hemmnis ist die oft wiederholte Forderung der Betriebe, eine
kurze Amortisationsdauer von ein bis zwei Jahren nicht zu überschreiten. Dadurch werden viele rentable Maßnahmen nicht berücksichtigt. Da die Amortisati-
245
onszeit ein Risikomaß darstellt, das dem Investor zeigt, in welcher Zeit das eingesetzte Kapital zurückgeflossen ist, werden langlebige Investitionen (mit einer Nutzungsdauer von sieben und mehr Jahren) nicht getätigt, obwohl sie nach Wirtschaftlichkeitskriterien wie z. B. der Verzinsung positiv einzuschätzen wären
(Tabelle 62)7.
Die Tabelle verdeutlicht, dass auch Investitionen mit einer höheren Amortisationszeit rentabel sind, sofern die Anlagennutzungsdauer über der geforderten Amortisationszeit liegt und insbesondere wenn Anlagen 10 Jahre und länger genutzt werden,
was sehr häufig der Fall ist. Beispielsweise weist eine Anlage, die zehn Jahre genutzt werden kann, unter den getroffenen Annahmen, die einer dreijährigen Amortisationszeit entsprechen, eine Verzinsung von 31 % über die gesamte Lebensdauer
auf. Die Amortisationszeit wird häufig zur Bewertung herangezogen, weil sie relativ leicht berechnet werden kann. Als Risikomaß ist sie aber nicht geeignet, die
Rentabilität von Investitionen zu bewerten (Jochem et al. 2000).
Tabelle 62: Interne Verzinsung von Energieeinspar-Investitionen in % pro Jahr
Anlagennutzungsdauer
Amortisationszeit
3 Jahre 4 Jahre
5 Jahre
6 Jahre
7 Jahre 10 Jahre 12 Jahre 15 Jahre
2 Jahre
24 %
35 %
41 %
45 %
47 %
49 %
49.5 %
50 %
3 Jahre
0%
13 %
20 %
25 %
27 %
31 %
32 %
33 %
0%
8%
13 %
17 %
22 %
23 %
24 %
0%
6%
10 %
16 %
17 5
18.5 %
0%
4%
10.5 %
12.5 %
14.5 %
4.5 %
7%
9%
4 Jahre
5 Jahre
6 Jahre
unrentabel
8 Jahre
Quelle: Jochem, Bradke 1996
Bei der Entscheidung über Investitionen sind die Entscheidungsträger auf die hohen
Lohnkostenanteile fixiert, die es zu senken gilt. Der Energiekostenanteil dagegen
beträgt häufig weniger als zwei Prozent vom Umsatz und liegt deshalb nicht im
Fokus der Entscheidungsträger, unabhängig von der Wirtschaftlichkeit einzelner
Maßnahmen. Investitionen werden vorzugsweise in produktionsnahen Anlagen getätigt, wobei Kriterien wie Verbesserung der Produktqualität oder Verringerung des
Arbeitsaufwands im Vordergrund stehen. Investitionen in Maßnahmen der ratio7 Die Amortisationsdauer gibt an, in welchem Zeitraum investierte Kapitalbeträge durch die mit
den Maßnahmen verbundene Kostenersparnis zurückfließen. Das Risiko einer Fehlinvestition ist
umso größer, je länger diese Beträge gebunden sind, d. h. je länger die Amortisationszeit ist. Die
Amortisationszeit stellt also ein Risikomaß dar. Für die Rentabilität (die mittels interner Verzinsung oder Barwertmethode bestimmt werden kann) ist demgegenüber entscheidend, wie lange
die Investition genutzt werden kann.
246
nellen Energienutzung stehen dazu in Konkurrenz, unabhängig von Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten.
Insbesondere in kleineren Unternehmen können größere Investitionen am Eigenkapitalmangel eines Betriebs scheitern. Gegen Fremdfinanzierung gibt es häufig
Vorbehalte, insbesondere bei Investitionen in Querschnittstechnologien, obwohl
dadurch die Gesamtkostenlage verbessert werden könnte. Zudem führen Betriebe
mit unsicherer Zukunftsentwicklung keine längerfristigen Maßnahmen durch.
Hemmende Rahmenbedingungen
Die unsichere Entwicklung bei der Gesetzgebung, bei Verordnungen oder Förderzuschüssen schreckt Unternehmen vor Investitionen ab, die sich in der Folge als
ungenügend oder unrentabel erweisen könnten. Ebenso ist die Entwicklung der
Energiepreise ein Unsicherheitsfaktor für die Betriebe. Vor allem in den letzten
Jahren seit Beginn der Strommarktliberalisierung konnten Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei stromsparenden Investitionen nur mit großem Vorbehalt angestellt
werden. Die niedrigen Strompreise selbst stellen dabei nicht direkt ein Hemmnis
gegen wirtschaftliche Maßnahmen dar, sie wirken sich aber direkt auf die Rentabilitätsberechnungen einzelner Investitionen aus und machen so vormals rentable
Maßnahmen unwirtschaftlich. Bei den Brennstoffpreisen liegen die Unsicherheiten
bei den Auswirkungen der Gasmarktliberalisierung und der Entwicklung der internationalen Brennstoffpreise. Die Umweltbelastungen, die sich durch die Nutzung
von nicht erneuerbaren Energiequellen ergeben, spiegeln sich in den niedrigen
Energiepreisen nicht wider.
In einigen Fällen verhinderten in der Vergangenheit Energieversorger Investitionen
durch gezielte Preis- und Unternehmenspolitik. Dabei wurden insbesondere Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung durch neue und günstigere Strompreisangebote
unrentabel gemacht (VDEW 1997, E&M 1999).
Im Einzelfall kommen weitere Hemmnisse zum Tragen. Beispielsweise spielt bei
Neuanschaffungen in Büros und Verkaufsräumen häufig weniger der Energieverbrauch als vielmehr ästhetische oder imagefördernde Gesichtspunkte eine
Rolle.
247
4
Energiepolitische Instrumente zur Förderung der
Energieeffizienz branchenübergreifender Techniken
Das folgende Kapitel gibt einen Überblick und kurze Bewertungen der bestehenden
und geplanter Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz der betrachteten
branchenübergreifenden Techniken. Es werden dabei vor allem Maßnahmen in
Deutschland und im europäischen Kontext betrachtet, wobei auch auf interessante
Ansätze aus anderen Ländern eingegangen wird. Die Analyse energiepolitischer
Instrumente und Maßnahmen war jedoch nicht Schwerpunkt dieses Projekts, so
dass sich das Kapitel auf die Beschreibung beschränkt. Viele der betrachteten Maßnahmen legen ihren Schwerpunkt auf die technikübergreifende Förderung der Energieeffizienz in den betrachteten Sektoren, Abschätzungen hinsichtlich der Ausschöpfung der in Kapitel 2 ermittelten Einsparpotenziale lassen sich daher in der
Regel nicht machen.
4.1
Klassifikation und Übersicht über grundsätzlich mögliche
Maßnahmen
In den Richtlinien zur nationalen Berichterstattung innerhalb der Klimarahmenkonvention werden acht Typen von politischen Instrumenten unterschieden (UNFCCC
1999):
•
Ökonomische Instrumente (E) (preis- und mengenpolitische Steuerungsmechanismen, Steuern und Abgaben, handelbare Zertifikate, Quoten, Mindestpreise)
•
Fiskalische Instrumente (F) (Zuschüsse und Subventionen, verbilligte Kredite,
Steuererleichterungen)
•
Selbstverpflichtungen (SV) (Freiwillige Vereinbarungen und Verpflichtungen
von Wirtschaftsbereichen oder Unternehmen)
•
Ordnungsrechtliche Maßnahmen (R) (Standards, Labels, Gebote)
•
Informationsprogramme (I) (Broschüren, Materialien, Agenturen)
•
Aus-, Fort und Weiterbildung (B)
•
Forschung und Entwicklung (F&E) (Grundlagen- und angewandte Forschung,
Demonstrationsprojekte)
•
Andere Instrumente (A)
Die Struktur des Kapitels orientiert sich an dieser Einteilung. Tabelle 63 gibt einen
Überblick über die in den weiteren Unterkapiteln besprochenen Instrumente.
248
Tabelle 63: Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz in den Sektoren
Industrie und GHD und bei branchenübergreifenden Techniken
Maßnahme
Art
Betroffene Techniken/
Sektoren
Status/
Datum
Ökologische Steuerreform
E
übergreifend – Industrie, GHD
laufend seit
01.04. 1999
EU-Emissionsrechtehandel
E
Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der KraftWärme-Kopplung (KWKModG)
F
BHKW-Anlagen
laufend seit
01.04.2002
Kreditprogramme der Deutschen
Ausgleichsbank (DtA) und der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW)
F
laufend
Förderprogramme der Länder und
Kommunen
F
laufend
Energiesparverordnung (EnEV)
R
Wärmedämmung, Wärmeerzeuger, Klimatisierung
laufend seit
01.02.2002
Erklärung der deutschen Wirtschaft
zur Klimavorsorge II
SV
übergreifend – Industrie
laufend seit
9.11.2000
Selbstverpflichtung der Wirtschaft
zur Förderung der KWK
SV
BHKW-Anlagen, Motoren
laufend seit
04.07.2001
Motoren-Labelling
SV
laufend seit
1999
Motor Challenge
SV
Motoren, Drucklufterzeugung,
Pumpen, Ventilatoren
derzeit in der
Pilotphase
GreenLight
SV
Beleuchtung
laufend seit
01.02.2000
I
laufend seit
27.4.2001
Druckluft effizient
I/B
Druckluftbereitstellung
laufend seit
03/2001
Energieagenturen, Informationsdienste
I/B
laufend
Öko-Audit-Verordnung / Energiemanagement
Industrieöfen, Dampf- und
geplant (EUHeißwassererzeuger über 20 MW Vorschlag)
Die meisten der im jüngsten Nationalbericht genannten Maßnahmen zielen auf
Energieeffizienzsteigerungen ohne besonderen Fokus auf bestimmte Technikbereiche (Bundesregierung 2002). In den Sektoren Industrie und GHD sind insbesondere
die Selbstverpflichtung der deutschen Wirtschaft und die ökologische Steuerreform
als sektorübergreifende Maßnahmen zu nennen, von denen ein signifikanter Effekt
bei der CO2-Minderung erwartet wird (-10 bzw. -20 Mio. t CO2-Äquivalente bis
2008/2012). Bezüglich der Energieeffizienz von Querschnittstechniken existieren
249
darüber hinaus vor allem fiskalische, freiwillige und informatorische Maßnahmen.
Ordnungsrechtliche Maßnahmen wie verbindliche Kennzeichnungen und Standards
bezüglich der Energieeffizienz sind dagegen kaum verbreitet.
Neben dem übergreifenden Ziel der Energieeffizienzsteigerung bzw. der Minderung
von CO2-Emissionen können energiepolitische Maßnahmen weitere Ziele verfolgen
und dabei an verschiedenen Stellen des Lebenszyklus eines Produkts bzw. einer
Anlage ansetzen. Die Effektivität verschiedener Maßnahmen variiert dabei hinsichtlich der verfolgten Ziele (Tabelle 64). Die Stimulierung neuer energieeffizienter Technologien und die Förderung der Herstellung energieeffizienter Produkte
zielt vor allem auf die Zielgruppe der Hersteller und die ggf. noch vorgelagerte Forschung. Die Förderung des Angebots energieeffizienter Produkte im Handel kann
vor allem durch regulatorische Maßnahmen angekurbelt werden. Auch die Nutzer,
d. h. die Unternehmen des Industrie- und GHD-Sektors, können durch Vorschriften,
aber auch durch informatorische Maßnahmen beim Kauf und bei der Nutzung der
Anlagen beeinflusst werden.
Ökonomische Anreize
Freiwillige Maßnahmen
(Kennzeichnung,
Vereinbarungen)
Sonstige Information,
Beratung, Fortbildung
Stimulierung neuer energieeffizienter Technologien
mittel
mittel
hoch
(F&E, Technology Proc.)
mittel
gering
Förderung der Herstellung
energieeffizienter Produkte
hoch
mittel
mittel
mittel
gering
Förderung des Angebots
energieeffizienter Produkte
im Handel
hoch
mittel
mittel
(Market
Proc.)
mittel
mittel
Förderung des Kaufs energieeffizienter Produkte
hoch
mittel bis
hoch
gering
mittel
mittel
gering
mittel
gering
gering
mittel bis
hoch
Beeinflussung des Nutzungsverhaltens
Quelle: Schlomann et al. (2003)
F&E-Förderung,
Procurement
Vorschriften (Kennzeichnungspflicht,
Standards)
Tabelle 64: Mögliche Ziele der Energiepolitik und Zieleffektivität energiepolitischer Maßnahmen
250
4.2
Bestehende und geplante Maßnahmen
In den folgenden Teilkapiteln werden die in Tabelle 63 genannten politischen Maßnahmen und Instrumente, getrennt nach Instrumententyp, genauer beschrieben und
hinsichtlich der Erhöhung der Energieeffizienz der betrachteten branchenübergreifenden Techniken bewertet. Die Vielfältigkeit der betrachteten Technikbereiche
macht es jedoch äußerst schwierig, eine vollständige Übersicht aller Instrumente,
die auf einen oder mehrere Technikbereiche wirken, zu erstellen. Insbesondere die
Energieeffizienz im Gebäudebereich und bei der Beleuchtung wird durch Maßnahmen, die vor allem auf den Haushaltssektor abzielen, beeinflusst (z. B. Labelling
von Haushaltslampen nach der Energieverbrauchkennzeichnungsverordnung, Förderprogramme zur Gebäudesanierung, Blauer Engel für Anforderungen an die
Energieeffizienz von BHKW-Anlagen (unter 30 kW) und Heizungsanlagen (unter
70 kW) sowie für elektronische Vorschaltgeräte8).
4.2.1
Ökonomische Instrumente
Die wichtigste preispolitische Maßnahme, die branchenübergreifende wie branchespezifische Techniken gleichermaßen betrifft, stellt die Ökologische Steuerreform
dar, die zum 1. April 1999 in Kraft getreten ist. Mit der ersten Stufe der ökologischen Steuerreform erfolgte eine Anhebung der Mineralölsteuer bei Kraftstoffen um
3,1 Cent/l, bei Heizöl um 2 Cent/l, bei Erdgas um 0,16 Cent/kWh sowie die Einführung einer Stromsteuer von 1 Cent/kWh. Nach dem seit dem 1. Januar 2000 geltenden Gesetz zur Fortführung der ökologischen Steuerreform erhöhten sich von 2000
bis 2003 die Steuersätze für Kraftstoffe jährlich um 3,1 Cent/l und für Strom um
0,26 Cent/kWh. Am 1. Januar 2003 schließlich trat das Gesetz zur Fortentwicklung
der ökologischen Steuerreform in Kraft. Derzeit sind damit folgende Regelungen
aktuell:
•
Die ermäßigten Ökosteuersätze für Strom, Heizöl und Erdgas für Unternehmen
des Produzierenden Gewerbes und Unternehmen der Land- und Forstwirtschaft
wurden von vorher 20 % auf 60 % der Regelsätze angehoben.
•
Übersteigt die Belastung eines Unternehmens des Produzierenden Gewerbes
durch die Ökosteuer die Entlastung in der Rentenversicherung, so erfolgt ein
Spitzenausgleich in der Weise, dass die übersteigende Steuer zu 95 % (vorher
100 %) rückerstattet wird.
8 Der bereits 1977 als weltweit erstes offizielles nationales Öko-Label eingeführte „Blaue Engel“
(www.blauer-engel.de) ist das wohl bekannteste Umweltzeichen in Deutschland. Es wird zur Zeit
von etwa 3 700 Produkten von rund 800 in- und ausländischen Herstellern getragen. Anders als
das europäische Öko-Label hat der Blaue Engel in Deutschland einen hohen Bekanntheitsgrad in
Deutschland, rund 80 % der Bevölkerung kennen den Blauen Engel (UBA 2003). Der Blaue Engel zielt in erster Linie auf Verbraucherinformation für Haushalte, Produkte von branchenübergreifenden Techniken der Industrie und des GHD-Sektors werden daher nur am Rand abgedeckt.
251
•
Für Nachtspeicherheizungen gilt ein ermäßigter Stromsteuersatz von 60 % (vorher 50 %).
•
Die Steuersätze für Erdgas zum Heizen wurden von 3,476 Euro/MWh auf 5,50
Euro/MWh, für Flüssiggas von 38,34 Euro/t auf 60,60 Euro/t sowie für schweres
Heizöl von 17,89 Euro/t auf 25 Euro/t angehoben.
•
Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit einem Monatsnutzungsgrad ab 70 % werden von der bestehenden Mineralölsteuer vollständig befreit.
•
Hocheffiziente Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD) mit einem elektrischen Nettowirkungsgrad ab 57,5 %, die nach dem 31.12.1999 fertiggestellt
worden und in Betrieb gegangen sind, sind für fünf Jahre ab Inbetriebnahme von
der bestehenden Mineralölsteuer und der Ökosteuer vollständig ausgenommen.
•
Stromerzeugungsanlagen mit einer elektrischen Leistung bis 2 MW je Anlage
sind bei Eigenerzeugung von der Stromsteuer ausgenommen. Die Steuerbefreiung für Contracting-Modelle wurde entsprechend angepasst.
Die folgende Tabelle fasst die derzeit gültigen Steuersätze zusammen.
Tabelle 65: Mineralöl- und Strombesteuerung im Rahmen der ökologischen Steuerreform
Energieträger
Besteuerung ab
01.01.2003
leichtes Heizöl
0,6135 ct/l
schweres Heizöl
0,25 ct/kg
Erdgas
0,318 ct/kWh
Erdgas zum Heizen
0,055 ct/kWh
Flüssiggas zum Heizen
Strom
0,606 ct/kg
0,205 ct/kWh
Eine genaue Zuordnung der Wirkung der Ökosteuer auf die diskutierten branchenübergreifenden Techniken ist nicht möglich. Für Deutschland insgesamt wird von
Reduktion von rund 7 Mio. t CO2 bis 2010 ausgegangen (DIW 2001).
Auf europäischer Ebene ist zur Zeit das wichtigste ökonomische Instrument die in
der Diskussion befindliche Implementierung eines EU-weiten Handelssystems für
Emissionsrechte. Der Richtlinienvorschlag für die Einführung des Emissionshandels sieht die Begrenzung und den Handel von CO2-Emissionen für ausgewählte
Industriebranchen vor (Tabelle 66). Es ist zu beachten, dass über die erste Kategorie
der Energieerzeugungsanlagen über 20 MWth auch Anlagen aus Branchen betroffen
sind, die nicht explizit in Tabelle 66 aufgeführt sind. Hierzu gehören Anlagen aus
252
der Zucker-, Automobil-, Maschinenbau-, Textil-, Lebensmittelindustrie etc., deren
gesamte Erzeugungskapazität an einem Standort über 20 MWth liegt.
Tabelle 66: Vom Emissionshandel betroffene Anlagen (nach Annex I der Richtlinie zum Emissionshandel)
Kategorie Aktivität
1
Energieerzeugung
a) Verbrennungsanlagen mit einer berechneten Wärmenettozufuhr über
20 MW. Ausgenommen sind Anlagen für die Verbrennung von gefährlichen Abfällen oder Siedlungsabfällen.
a) Mineralölraffinerien
c) Kokereien
2
Herstellung und Verarbeitung von Metallen
a) Röst- und Sinteranlagen für Metallerz einschließlich sulfidischer Erze
b) Anlagen für die Herstellung von Roheisen oder Stahl (Primär- oder Sekundärschmelzung) einschließlich Stranggießen mit einer Kapazität
> 2,5 t pro Stunde
3
Mineralverarbeitende Industrie:
a) Anlagen zur Herstellung von Zementklinker in Drehrohröfen oder anderen Öfen mit Produktionskapazität > 500 t pro Tag
b) Anlagen zur Herstellung von Kalk in Drehrohröfen oder anderen Öfen
mit Produktionskapazität > 50 t pro Tag
c) Anlagen zur Herstellung von Glas einschließlich Glasfasern mit
Schmelzkapazität > 20 t pro Tag
d) Anlagen zur Herstellung von keramischen Erzeugnissen durch Brennen
(insbesondere Dachziegel, Ziegelsteine, feuerfeste Steine, Fliesen,
Steinzeug oder Porzellan mit einer Produktionskapazität > 75 t pro Tag
und/oder einer Ofenkapazität von über 4 m³ und einer Besatzdichte von
über 300 kg/m³
4
Sonstige Industriezweige:
a) Industrieanlagen zur Herstellung von Zellstoff aus Holz und anderen
Faserstoffen
b) Erzeugnisse aus Papier und Pappe mit einer Produktionskapazität > 20 t
pro Tag
Quelle: Europäische Kommission 2001
253
Die Einführung des Systems ist für 2005 geplant, wobei in der ersten Phase von
2005 bis 2007 die Möglichkeit besteht, ein „Opt-out“ für bestimmte Anlagen bei
der Kommission zu beantragen. Dabei muss allerdings gewährleistet sein, dass die
Anlagen einen vergleichbaren Beitrag zur Reduktion der Emissionen leisten, die
Anlagen vergleichbare Überwachungs-, Berichterstattungs- und Verifizierungsvorgaben erfüllen und bei Nichteinhaltung der Emissionsvorgaben effektive Sanktionen greifen. Die Richtlinie sieht außerdem vor, dass auch andere Anlagen in das
Handelssystem einbezogen werden können (sogenanntes Opt-in), wobei ab 2005
nur Anlagen und Gase einbezogen werden können, die in Annex I aufgelistet sind,
jedoch die angegebenen Schwellenwerte unterschreiten, und ab 2008 auch andere
Gase und Anlagen einbezogen werden können. Voraussetzungen für die Teilnahme
sind, dass die Anforderungskriterien der Richtlinie erfüllt und der Binnenmarkt sowie die ökologische Integrität des Systems nicht beeinträchtigt werden. Weitere
Ausgestaltungsvarianten sind derzeit in der Diskussion, ebenso die nationale Umsetzung der Richtlinie, insbesondere die Anfangsallokation der Zertifikate.
Zu den branchenübergreifenden Techniken, die durch den Emissionshandel betroffen sein werden, zählen Dampferzeuger sowie Industrieöfen über 20 MW (je Standort), kleinere Anlagen können über das geplante Opt-in erfasst werden. Die Effekte
des Emissionshandels auf die genannten Techniken ergeben sich vor allem aus dem
derzeit in der Ausarbeitung befindlichen Allokationsplan. Hinsichtlich der Preise
für Emissionszertifikate wird mehrheitlich eine Bandbreite von 5 bis 30 Euro pro t
CO2 erwartet. Angesichts des Rückgangs der CO2-Emissionen wird vermutet, dass
deutsche Unternehmen Netto-Verkäufer an Emissionsrechten sein werden (Enquête-Kommission 2002).
4.2.2
Fiskalische Instrumente
Das Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der KraftWärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) trat am 1.4.2002 in Kraft und
löste dabei das KWK-Vorschaltgesetz ab. Die Förderung erfolgt durch einen Zuschlag für KWK-Strom auf den vereinbarten bzw. marktüblichen Preis. Eine wesentliche Änderung gegenüber dem KWK-Vorschaltgesetz ergibt sich dadurch, dass
hinsichtlich der Betreiberstruktur keine Vorgaben gemacht werden, allerdings wird
der Zuschlag nur auf KWK-Strom gewährt, der in das Netz der allgemeinen Versorgung eingespeist wird, so dass Anlagen zur industriellen Eigenversorgung von
der Förderung nicht profitieren. Die Höhe des Zuschlags richtet sich nach der Anlagenkategorie und dem aktuellen Kalenderjahr (siehe Tabelle 67). Anlagen, die auch
nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) förderfähig sind (vor allem Biomasse-, Grubengas- und Deponiegas-BHKW), können nur eine der beiden Vergütungen
beanspruchen.
254
Tabelle 67: Zuschlagszahlungen nach dem KWK-Gesetz in Cent je kWh
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Alte Bestandsanlagen1)
1,53
1,53
1,38
1,38
0,97
-
-
-
-
2)
1,53
1,53
1,38
1,38
1,23
1,23
0,82
0,56
-
3)
1,74
1,74
1,74
1,69
1,69
1,64
1,64
1,59
1,59
2,56
2,56
2,40
2,40
2,25
2,25
2,10
2,10
1,94
Neue Bestandsanlagen
Modernisierte Anlagen
4)
Kleine KWK-Anlagen
Kleine KWK-Anlagen bis 50 kWel
5,11 Cent für einen Zeitraum von 10 Jahren ab Aufnahme des
(Inbetriebnahme bis 31.12.2005) und
Dauerbetriebes
5)
Brennstoffzellen-Anlagen
1) Anlagen, die bis zum 31.12.1989 in Dauerbetrieb genommen worden sind.
2) Anlagen, die zwischen dem 1.1.1990 und 1.4.2002 in Dauerbetrieb (nach Neubau oder Modernisierung) genommen worden sind.
3) Anlagen, die zwischen dem 1.4.2002 und 31.12.2005 in Dauerbetrieb (nach Ersatz oder Modernisierung alter Anlagen) genommen werden.
4) Anlagen mit einer el. Leistung bis zu 2 MW, die ab dem 1.4.2002 in Dauerbetrieb genommen
werden.
5) Anlagen, die ab dem 1.4.2002 in Dauerbetrieb genommen werden.
Demnach hängt im Falle von BHKW-Anlagen der Zuschlag maßgeblich von der
Anlagengröße ab (Tabelle 68). Überschlagsrechnungen zeigen, dass neue BHKWAnlagen trotz des Zuschlags derzeit nur dann rentabel sein dürften, wenn die Anlage eine Leistung von nahe 2 MW aufweist und der Betrieb in den Händen eines
Energieversorgungsunternehmens liegt oder im Falle der Eigenversorgung eine hohe Jahresnutzungsdauer mit hohen (alternativen) Strombezugskosten einhergeht.
Der Neubau von Anlagen mit einigen hundert Kilowatt Leistung dagegen ist derzeit
nicht wirtschaftlich, Anlagen unter 50 kW hingegen profitieren von dem doppelt so
hohen Zuschlag.
Im Rahmen der Bundesförderung der rationellen Energieverwendung und der Energieeinsparung spielen vor allem die Förderprogramme der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) und der Deutschen Ausgleichsbank (DtA) eine wichtige Rolle.
Vor allem im Rahmen des KfW-Umweltprogramms können sowohl Industrieunternehmen als auch Unternehmen des GHD-Sektors Fördermittel erhalten9. Gefördert
werden Investitionen, die zu einer wesentlichen Verbesserung der Umweltsituation
beitragen, unter anderem Maßnahmen zur Energieeinsparung und der Einsatz regenerativer Energiequellen. Für entsprechende Maßnahmen werden zinsgünstige Kredite bereitgestellt, die 3/4 (für Unternehmen mit einem Jahresumsatz kleiner
50 Mio. Euro) bzw. 2/3 (Umsatz größer 50 Mio. Euro) der förderfähigen Investitionskosten, maximal aber 5 Mio. Euro betragen können. Insbesondere ist auch die
Förderung von Anlagen-Contracting möglich. Im Jahre 2001 kam es im Rahmen
des Programms zu einem Förderbetrag von 803 Mio. Euro, einer Steigerung von 37
% gegenüber 2000 (DIW, ISI 2002). Nach ausgewählten Branchen und Verwen9 www.kfw.de
255
dungszwecken liegen Daten zur industriellen und gewerblichen Energieeinsparung
für den Zeitraum Ende Januar 2002 bis Ende August 2002 vor. Zur „Energieeinsparung/Klimaschutz in der Produktion“ (neue Produktionsverfahren) wurden in diesem Zeitraum 98,2 Mio. Euro zugesagt, davon 81 Mio. Euro für das Verarbeitende
Gewerbe, 9,5 Mio. Euro für „Bergbau/Gewinnung von Steinen und Erden“, 8,5
Mio. Euro für Fern-, Nahwärmeversorgung und etwa 3,5 Mio. Euro für die Installation von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen.
Tabelle 68: Zuschlagszahlungen nach dem KWK-Gesetz in Cent je kWh für
BHKW-Anlagen
Zeitpunkt der Inbetriebnahme
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
BHKW-Anlagen über 2MW
vor dem 1.1.1990
1,53 1,53
1,38
1,38
0,97
-
-
-
-
zwischen 1.1.1990 und 31.3.2002
1,53 1,53
1,38
1,38
1,23
1,23
0,82
0,56
-
nach Modernisierung zwischen
1.4.2002 und 31.12.2005
1,74 1,74
1,74
1,69
1,69
1,64
1,64
1,59
1,59
BHKW-Anlagen zwischen 50 kW und 2MW
vor dem 1.1.1990
1,53 1,53
1,38
1,38
0,97
-
-
-
-
zwischen 1.1.1990 und 31.3.2002
1,53 1,53
1,38
1,38
1,23
1,23
0,82
0,56
-
ab 1.4.2002
2,56 2,56
2,40
2,40
2,25
2,25
2,10
2,10
1,94
vor dem 1.1.1990
1,53 1,53
1,38
1,38
0,97
-
-
-
-
zwischen 1.1.1990 und 31.3.2002
1,53 1,53
1,38
1,38
1,23
1,23
0,82
0,56
-
zwischen 1.4.2002 und 31.12.2005
5,11 5,11
5,11
5,11
5,11
5,11
5,11
5,11
5,11
2,25
2,25
2,10
2,10
1,94
BHKW-Anlagen unter 50 kW
ab 1.1.2006
Seitens der Deutschen Ausgleichsbank (DtA) existieren ebenfalls eine Reihe von
Förderprogrammen zur Finanzierung von Investitionen und zur Energieeinsparung/rationellen Energieverwendung10. Das DtA-ERP-Umwelt- und Energiesparprogramm fördert unter anderem Investitionen zur Einsparung und rationellen Verwendung von Energie sowie zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen mit zinsgünstigen Krediten. Als Beispiele nennt die Bank auf ihren Internet-Seiten sowohl
additive (z. B. Wärmerückgewinnung, Wärmedämmung, KWK) als auch integrierte
Maßnahmen (energiesparende Fertigungsverfahrung). Das DtA-UmweltschutzBürgschaftsprogramm richtet sich an Hersteller innovativer, umweltfreundlicher
Produkte und Technologien in gewerblichen KMU. Im DtA-Umweltprogramm können ebenfalls KMU der gewerblichen Wirtschaft sowie freiberuflich Tätige gefördert werden.
10 www.dta.de
256
Bei Abgrenzung des Förderzwecks „Energieeinsparung“ von Industrie und Gewerbe im Bereich Umwelt auf die energiesparenden Fertigungsverfahren sowie KraftWärme-Kopplung, Mess-, Regel- und Steuereinrichtungen, Kältemaschinen, Abwärmenutzung und „sonstige Energieeinsparung“ ergeben die DtA-Förderreports
einen Anstieg der Zusagen von insgesamt 308 Mio. Euro (2000) auf fast 328 Mio.
Euro (2001) (Tabelle 70) (DIW, ISI 2002). Die Zahl der Förderzusagen in den genannten Förderbereichen zur industriellen und gewerblichen Energieeinsparung ist
seit 1998 (546 Fälle) kontinuierlich auf 267 im Jahr 2001 zurückgegangen (Tabelle
69). Von 1990 bis 2001 lag das zugesagte Darlehensvolumen für den Förderzweck
Energieeinsparung in Industrie und Gewerbe (siehe obige Abgrenzung) der DtAUmweltförderung bei insgesamt 5,3 Mrd. Euro (rund 5 500 Zusagen). Für die Periode von 1998 bis 2001 wurde das gesamte Volumen bei 1 620 Zusagen auf etwa
1,65 Mrd. Euro beziffert.
Tabelle 69: Zusagen der DtA im Förderbereich Umwelt: Energieeinsparung (Industrie und Gewerbe): Anzahl der Förderzusagen
1990-1999
1998
1999
2000
2001
Kraft-Wärme-Kopplung
(KWK)
628
104
76
20
34
Energiesparende Fertigungsverfahren
2.018
230
268
155
94
Mess-, Regel- und Steuereinrichtungen
76
4
2
2
2
Kältemaschinen
Abwärmenutzung
84
98
15
7
4
k. A.
4
4
1
5
Sonstige Energieeinsparung
973
186
149
123
131
3.877
546
499
308
267
SUMME
Quelle: DIW, ISI 2002
Eine weitere Möglichkeit der Projektförderung besteht bei der Bundesstiftung
Umwelt, die in ihren Förderrichtlinien unter anderem die Energietechnik mit den
Zielen der rationellen Energieverwendung, der Nutzung von regenerativen Energien
und eine rationelle Energieumwandlung als Förderbereich aufführt11 (DBU 2001).
Der Förderbereich machte zwischen 1992 und 1999 12 % aller geförderten Projekte
aus, im Hinblick auf die rationelle Energienutzung werden vor allem Projekte im
Bereich der Gebäudetechnik gefördert. Die Förderung in Form von Zuschüssen
erstreckt sich von der Entwicklung neuer Produkte und Verfahren über die modellhafte Systemplanung und Demonstration innovativer Technologien bis hin zu Maß11 www.dbu.de
257
nahmen der Wissensverbreitung und des Hemmnisabbaus, der Schwerpunkt der
Bewilligungsempfänger liegt bei kleinen und mittleren Unternehmen.
Tabelle 70: Zusagen der DtA im Förderbereich Umwelt: Energieeinsparung (Industrie und Gewerbe): Angaben in 1000 Euro
1990-1999
1998
1999
2000
2001
Kraft-Wärme-Kopplung
1.184.880
123.300
48.680
24.216
3.350
Energiesparende Fertigungsverfahren
2.317.820
257.597
272.374
207.495
229.663
Mess-, Regel- und Steuereinrichtungen
21.620
1.174
654
46
171
Kältemaschinen
12.260
2.234
1.024
583
156
Abwärmenutzung
37.570
17.229
k. A.
205
215
Sonstige Energieeinsparung
1.098.720
115.360
172.850
75.222
93.960
SUMME
4.672.870
516.894
495.582
307.767
327.515
Quelle: DIW, ISI 2002
Weitere preispolitische Maßnahmen durch Gewährung von finanziellen Anreizen
in Form von Zuschüssen, Darlehen oder Bürgschaften finden sich auf Länder- und
kommunaler Ebene. Die Förderdatenbank des Bundsministeriums für Wirtschaft
und Arbeit gibt einen Überblick über Förderprogramme auf Bund-, Länder- und
EU-Ebene12. Tabelle 71 listet eine Reihe von Programmen, die sich mit der Förderung der rationellen Energienutzung beschäftigen, teilweise sind die Programme auf
Pilot- und Demonstrationsanlagen beschränkt. Eine Einschränkung auf bestimmte
Technologien oder Sektoren ist in der Regel nicht gegeben. Neben den aufgeführten
Programmen gibt es eine Vielzahl weiterer Fördermöglichkeit, die auf die Verbesserung der Energieeffizienz im Gebäudebereich abzielen, oder Energieberatungen
von Unternehmen bezuschussen.
Grundsätzlich kann mit finanziellen Anreizprogrammen, insbesondere wenn sie
zeitlich befristet und scharf zielgruppenausgerichtet sind, ein EnergieeffizienzEffekt erzielt werden (siehe z. B. Wiel/McMahon 2001, Schlomann et al. 2003).
Wesentliche Nachteile finanzieller Anreizinstrumente sind die sehr hohen Kosten
der Programme sowie die auftretenden Mitnahmeeffekte, die das Kosten-Nutzen
Verhältnis der Maßnahme erheblich beeinträchtigen können.
12 http://www.bmwi.de/Homepage/F%f6rderdatenbank/F%f6rderdatenbank.jsp
Tabelle 71: Übersicht über Förderprogramme der Länder zur rationellen Energienutzung
Kurzübersicht
Förderart
Ziel und Gegenstand
BadenWürttemberg
Demonstrationsvorhaben
der rationellen Energieverwendung und der Nutzung erneuerbarer Energieträger
Zuschuss
Mit dem Programm werden solche Vorhaben gefördert, die gegenüber dem Stand der Technik zu einer
deutlichen Verminderung des Energieverbrauchs führen oder die Einsatzmöglichkeit erneuerbarer Energieträger deutlich verbessern. Die am Markt noch nicht eingeführten Techniken sollen in der vorgesehenen Größenordnung oder hinsichtlich der vorgesehenen Kombination bekannter Komponenten erstmalig
zur Anwendung kommen.
BadenWürttemberg
Klimaschutz-Plus
Zuschuss
Um Unternehmen und andere Einrichtungen bei Investitionen für den Klimaschutz zu unterstützen, fördert das Land Baden-Württemberg CO2-Minderungsmaßnahmen, Beratungen zu Energieeffizienz und
Klimaschutz sowie innovative Klimaschutzprojekte.
BadenWürttemberg
Umweltschutz- und Energiesparförderprogramm
Darlehen
Um den Energieeinsatz gegenüber einem herkömmlichen Verfahren deutlich zu vermindern und eine
zusätzliche Nutzung erneuerbarer Energieträger zu verwirklichen, wird die rationelle Energieverwendung
und der Einsatz erneuerbarer Energieträger im gewerblichen Bereich gefördert. Gleichzeitig dient dieses
Programm auch der Verbesserung der Luftreinhaltung und betrieblichen Abwasserreinigung sowie zur
Ressourcenschonung und umweltverträglichen Entsorgung.
Bayern
Rationelle Energiegewinnung und -verwendung
Zuschuss
Der Freistaat Bayern fördert die Entwicklung und Anwendung neuer Energietechnologien sowie die
Durchführung von Untersuchungen, die dem Ziel der rationelleren Gewinnung und Verwendung von
Energie bzw. der Energieeinsparung dienen.
Bayern
Zusatzprogramm der LfA
– Umweltschutz –
Darlehen
Im Rahmen dieses Programms werden Umweltschutzmaßnahmen auf folgenden Gebieten gefördert:
Abwasserreinigung, Luftreinhaltung, Lärmschutz, Abfallwirtschaft, Energieeinsparung, Nutzung erneuerbarer Energien, Boden und Grundwasserschutz.
Berlin
Berliner Energiespargesetz
Zuschuss
Zweck des Gesetzes ist es, eine möglichst sparsame, rationelle, sozial- und umweltverträgliche, ressourcenschonende, risikoarme und gesamtwirtschaftlich kostengünstige Erzeugung und Verwendung von
Energie zu fördern. Gefördert werden insbesondere
– die Energieeinsparung in mit öffentlichen Mitteln geförderten Gebäuden und Einrichtungen,
– das Energieeinsparen in Wohngebäuden,
– dezentrale Energienutzungsanlagen,
– Forschung und Entwicklung sowie Pilot- und Demonstrationsanlagen,
Energieberatungen.
258
Land
Kurzübersicht
Förderart
Ziel und Gegenstand
Brandenburg
Rationelle Energieverwen- Zuschuss
dung und Nutzung erneuerbarer Energiequellen
(REN)
Das Land Brandenburg fördert Maßnahmen, die die rationelle Energieverwendung und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen zum Gegenstand haben.
Förderfähig sind Maßnahmen in folgenden Bereichen:
– Rationelle Energieverwendung (Energierückgewinnung, Einsatz von Wärmepumpenanlagen),
– Erneuerbare Energiequellen (Biomasse, Windkraftanlagen, Wasserkraftanlagen, Sonnenenergie, Geothermie),
– Einführung und Anwendung neuer innovativer Technologien der rationellen Energieverwendung und
Nutzung erneuerbarer Energien,
– Konzepte, Programme, Studien, Maßnahmen und Veranstaltungen zur Verwirklichung der energiepolitischen Ziele des Landes Brandenburg.
Hamburg
Energieeinsparung und
Nutzung regenerativer
Energiequellen
Zuschuss
Das Land Hamburg fördert Vorhaben der Energieeinsparung, zur regenerativen Energienutzung sowie
die Entwicklung oder Anwendung neuartiger energiesparender Energietechnologien, soweit sie in Hamburg durchgeführt werden, durch einen Investitionszuschuss.
Hessen
Richtlinien zum Hessischen Energiegesetz
Zuschuss;
Bürgschaft;
Darlehen
Das Land Hessen fördert derzeit Maßnahmen und Vorhaben in folgenden Bereichen:
A. Anlagen zur rationellen Energienutzung und zur Nutzung erneuerbarer und vergleichbarer Energiequellen. Gefördert werden: (1) Anlagen zur Verfeuerung fester Biomasse in Form von Holzpellets; (2)
Holzhackschnitzelfeuerungsanlagen ab 100 kW Feuerungswärmeleistung; (3) Biogasanlagen; (4) Solarthermische Anlagen in Wohngebäuden sowie in kommunalen und sonstigen Gebäuden; (5) Fotovoltaikanlagen; (6) Klein-Blockheizkraftwerke
B. Pilot-, Demonstrations-, Forschungs- und Entwicklungsvorhaben: Gefördert werden unter den weiteren Voraussetzungen der Förderrichtlinien insbesondere:
(1) Biomassenutzung, (2) Solarenergie, (3) Niedrigenergie- und Passivbauweise; (4) rationelle Elektrizitätsanwendung; (5) rationelle Energienutzung (insbesondere Kraft-Wärme-Kopplung wie z. B. Brennstoffzelle, Stirlingmotor, Klein-Gasturbine).
Mecklenburg- Verstärkte Nutzung zuVorpommern kunftsträchtiger Energietechniken
NordrheinWestfalen
Zuschuss
Rationelle Energieverwen- Zuschuss;
Darlehen
dung und Nutzung uner-
Das Land Mecklenburg-Vorpommern gewährt Zuwendungen für Investitionen in moderne Energietechnologien sowie für die Umstellung auf zukunftsträchtige Verfahren und Produkte. Gefördert werden die
Errichtung und Erweiterung von Anlagen zur Nutzung der Wasserstofftechnik, der Windenergie, der
Sonnenenergie, biogener Rohstoffe zur Wärme- und/oder Stromerzeugung, der Geothermie sowie der
Wärmepumpentechnik und Wärmerückgewinnung.
Das Land Nordrhein-Westfalen fördert Investitionsvorhaben, um die Markteinführung in Frage kommender Techniken zu beschleunigen. Gefördert werden die Ausgaben für Anlagen zur Verwertung von Ab-
259
Land
Kurzübersicht
schöpflicher Energiequellen
Förderart
Ziel und Gegenstand
wärme, regeltechnische Einrichtungen computergestützter Mess-, Regel- und Speichersysteme, Wärmepumpen, Geothermieanlagen, thermische Solaranlagen, Biomasse- und Biogasanlagen, Wasserkraft-,
sowie Fotovoltaikanlagen.
Saarland
Zuschuss
Förderung von Maßnahmen im „Zukunftsenergieprogramm plus (ZEPP)“
Im Rahmen des Zukunftsenergieprogramms plus (ZEPP) fördert das Ministerium für Umwelt Vorhaben
zur Energieeinsparung, zur rationellen Energienutzung und zur Marktdurchdringung mit erneuerbaren
Energien, die ohne entsprechende Zuschüsse nicht oder nicht wirtschaftlich finanzierbar wären.
Sachsen
Zuschuss
Förderung des Immissions- und Klimaschutzes
einschließlich der Nutzung
erneuerbarer Energien
Das Land Sachsen fördert Vorhaben des Immissions- und Klimaschutzes sowie die Nutzung erneuerbarer
Energien. Gefördert werden Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz, zur Nutzung erneuerbarer
Energien, zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit von Anlagen, zur Minderung verkehrsbedingter
Immissionen sowie Lärmschutzvorhaben. Außerdem können in allen Programmteilen Demonstrationsund Modellvorhaben gefördert werden, sofern für deren Durchführung ein besonderes Landesinteresse
vorliegt.
SachsenAnhalt
Förderung von Pilot- und Zuschuss
Demonstrationsanlagen im
Rahmen des Energieprogramms
Um den Energieverbrauch zu senken und dadurch die Umwelt zu schützen, gewährt das Land SachsenAnhalt im Rahmen des Energieprogramms Zuschüsse zu Pilot- und Demonstrationsanlagen, die ihren
Schwerpunkt auf der rationellen Energieverwendung und Energieeinsparung haben.
SchleswigHolstein
Förderrichtlinie Energieeinsparung
Zuschuss
Die Energiestiftung Schleswig-Holstein fördert Maßnahmen zur Energieeinsparung und zur Anwendung
und Nutzung erneuerbarer Energien sowie zur Anwendung innovativer Energietechnologien, um zu einer
umwelt- insbesondere klima-, einer natur- und landschafts- sowie einer sozial- und wirtschaftsverträglichen Energiebedarfsdeckung beizutragen.
Thüringen
Rationelle und umweltfreundliche Energieverwendung/Nutzung von
erneuerbaren Energien
Zuschuss
Im Rahmen der Ziele Umweltverträglichkeit, Klima- und Ressourcenschutz fördert der Freistaat Thüringen eine umweltgerechte Energieversorgung. Zur Unterstützung dieser Ziele soll der Anteil der erneuerbaren Energien an der Energieversorgung ausgeweitet und Maßnahmen zur rationellen und umweltfreundlichen Energieverwendung verstärkt durchgeführt werden. Gefördert werden kann die Errichtung
von photovoltaischen Solarenergieanlagen, solarthermischen Anlagen, Windkraftanlagen, Anlagen zur
Nutzung von Biomasse, Blockheizkraftwerken sowie Pilot- und Demonstrationsvorhaben im Energiebereich.
Quelle: Förderdatenbank des BMWA (Stand: März 2003)
260
Land
261
4.2.3
Ordnungsrechtliche Instrumente
Am 1. Februar 2002 trat die Energieeinsparverordnung (EnEV) in Kraft, die die
Wärmeschutzverordnung von 1994 sowie die Heizungsanlagenverordnung ersetzt
hat. Für Neubauten wird damit der zulässige Energiebedarf um 30 % gegenüber
dem bisherigen Anforderungsniveau gesenkt. Außerdem ist für alle neue Gebäude
ein Energiebedarfsausweis vorgeschrieben, der den gesamten Energiebedarf eines
Neubaus für Heizung, Lüftung und Warmwasserbereitung dokumentiert. Für
raumlufttechnische Anlagen ist nach der EnEV für zu errichtende Gebäude sicherzustellen, dass zum Zwecke der Gesundheit ein Mindestluftwechsel eingehalten
wird. Dieser muss einstellbar und leicht regulierbar sein, um Mindestwerte aber
auch Maximalwerte einzuhalten.
Energetische Verbesserungen im Gebäudebestand sind insbesondere bei baulichen
Änderungen und zur Heizungserneuerung vorgesehen. Die Verordnung verpflichtet
Eigentümer, Nachbesserungen vorzunehmen (Nachrüstpflicht). Dies gilt für Heizkessel, mit Gas oder Öl betrieben und vor dem 1.10.1978 eingebaut wurden. Sie
sind bis 31.12.2006 (bei Einhaltung bestimmter Grenzwerte bis 31.12.2008) außer
Betrieb zu setzen. Heizungs- und Warmwasserrohre in nicht beheizten Räumen und
oberste Geschossdecken beheizter Räume müssen bis 31.12.2006 gedämmt werden.
Darüber hinaus sind bei anstehenden Modernisierungsarbeiten die Möglichkeiten
einer energetischen Verbesserung zu nutzen. Insbesondere bei der Putzerneuerung
und dem Austausch von Fenstern oder Verglasungen ist es in aller Regel wirtschaftlich, gleichzeitig die energetische Qualität deutlich zu verbessern.
Die Energieeinsparverordnung zielt vor allem auf die energetische Verbesserung
von Wohngebäuden, jedoch sind von der Verordnung auch andere Gebäude betroffen, die zu den hier betrachteten Sektoren Industrie und GHD zählen.
Die EG-Richtlinie zur Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung
(„IVU-Richtlinie“), die die Genehmigung von besonders umweltrelevanten Anlagen regelt, sieht Energieeffizienz als eine der Punkte, die es bei der Definition der
best verfügbaren Techniken zu berücksichtigen gilt (Europäischer Rat 1996). Als
genehmigungsbedürftige Anlagen sind von der Richtlinie und der Umsetzung in
nationales Recht (BImSchG, TA Luft) vor allem große und branchenspezifische
Anlagen betroffen, so dass die hier diskutierte Techniken nicht unmittelbar von der
Richtlinie berührt werden. Eine Untersuchung der betroffenen Sektoren zeigte, dass
durch Energiemanagement, Verbesserung von branchenübergreifenden Techniken
und KWK-Nutzung etwa die Hälfte des insgesamt vorhandenen Einsparpotenzials
umgesetzt werden könnte, so dass die IVU-Richtlinie einen großen Teil an möglichen CO2-Emissionsminderungen unberücksichtigt lässt (AEA 2000).
Das Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) hat zur Verminderung des Energieverbrauchs nur indirekten Einfluss. Zur Reinhaltung der Luft sind für genehmi-
262
gungspflichtige Anlagen jeweils solche einzusetzen, die dem Stand der Technik
entsprechen. Das Ziel schädlichen Umwelteinwirkungen vorzubeugen, führt jedoch
nicht zwangsläufig zu einem niedrigeren Energieverbrauch. Im Allgemeinen weisen
Anlagen nach dem neusten Stand der Technik aber gleichzeitig einen niedrigeren
spezifischen Energieaufwand auf.
Für Anlagen bei denen eine Entstickung, Entschwefelung oder Entstaubung der
Abgase vorgenommen werden muss, ist ein zusätzlicher Energiebedarf in den
meisten Fällen erforderlich. Weiter gilt für solche Anlagen, dass die entstehende
Wärme für Anlagen des Betreibers genutzt oder an Dritte, die sich zur Abnahme
bereit erklärt haben, abgegeben wird, soweit dies nach Art und Standort der Anlagen technisch möglich und zumutbar sowie mit den Pflichten nach §5 und den
Nummern 1 bis 3 des Gesetzes vereinbar ist.
Weitere ordnungsrechtliche Maßnahmen zur Beeinflussung des Energieverbrauchs
von Geräten beziehen sich in erster Linie auf die gesetzlich vorgeschriebene Kennzeichnung des Energieverbrauchs der Geräte sowie die Vorschreibung von Höchstverbrauchs- bzw. Mindesteffizienzstandards, häufig durch Einteilung in Energieeffizienzklassen. In den meisten Ländern beziehen sich diese regulierenden Vorschriften jedoch auf Geräte im Haushaltsbereich („Weiße Ware“, Lichtquellen, Geräte zur Raumklimatisierung)13. Grundsätzlich wird ordnungsrechtlichen Maßnahmen im Hinblick auf die Beeinflussung des Energieeffizienz von Geräten eine hohe
Effektivität zugemessen. Energielabel zur Kennzeichnung und Klassifizierung des
Stromverbrauchs von Geräten schaffen eine größere Markttransparenz und bieten
dem Käufer ein zusätzliches Entscheidungskriterium. Standards beschleunigen die
Markttransformation und den technischen Fortschritt. In Verbindung mit vergleichsweise geringen Durchführungskosten ist auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis
verglichen mit anderen Maßnahmenarten relativ günstig. Dass eine Politik verpflichtender Energielabels und Standards tatsächlich einen nennenswerten Beitrag
zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen leisten kann, zeigen die in einigen Ländern wie Australien, Kanada, USA und EU durchgeführten
Evaluierungen (einen Überblick gibt IEA 2000).
Im Hinblick auf den Energieverbrauch bzw. CO2-Ausstoß der betrachteten branchenübergreifenden Techniken sind Labels und Standards jedoch wenig verbreitet.
In den USA und Kanada müssen Elektromotoren im Leistungsbereich von 0,75 bis
150 kW Mindestwirkungsgrade erfüllen, die durch unabhängige Testeinrichtungen
mittels Standards überprüft und zertifiziert werden (Balducci 2000). Auch Australien hat seit 2001 Standards für die minimale Effizienz von Elektromotoren mit einer Leistung zwischen 0.73 kW to 185 kW14.
13 Einen umfassenden weltweiten Überblick über den Einsatz von Energieeffizienz-Labels und
Standards geben IEA 2000 sowie Wiel, McMahon 2001.
14 http://www.isr.gov.au/motors/meps/
263
EU-weit existieren Labels für Elektromotoren, die jedoch nicht verpflichtend, sondern auf freiwilliger Basis in Verbindung mit einer Selbstverpflichtung der Hersteller eingeführt wurden (s. Kapitel 4.2.4). Hauptargument für die Bevorzugung
freiwilliger Instrumente ist der schnellere technologische Wandel bei diesen Geräten, der flexiblere und schnellere politische Ansätze erfordert als die häufig langwierige Implementierung ordnungsrechtlicher Maßnahmen. Bei den verpflichtenden
Energielabeln für Haushaltsgeräte ist in der Tat eine schnellere Anpassung der Effizienzanforderungen an die technische Entwicklung ein häufig geäußerter Kritikpunkt (Schlomann et al. 2001).
4.2.4
Freiwillige Vereinbarungen
Mit der Klimavereinbarung vom 9. November 2000 mit der Bundesregierung hat
die deutsche Wirtschaft ihre bisherigen Selbstverpflichtungs-Zusagen erweitert.
Nachdem 1996 festgelegt wurde, die spezifischen CO2-Emissionen bis 2005 um 25
% gegenüber 1990 zu reduzieren, wurde 2000 das Minderungsziel auf 28 % erhöht.
Bei den sogenannten Kyoto-Gasen insgesamt wurde das Ziel von 21 % bis zur Periode 2008/2012 auf insgesamt 35 % bis 2012, im Vergleich zu 1990, ausgeweitet.
Unter Bezugnahme auf den Konsens zwischen Bundesregierung und der Wirtschaft/Energiewirtschaft enthält eine Ergänzung zur Klimavereinbarung zur Minderung der CO2-Emissionen und der Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung vom
25.06.2001 die Konkretisierung zur absoluten CO2-Reduktion um 45 Mio. t CO2 bis
2010. Davon soll durch Förderung der KWK (einschl. kleiner BHKW und der
Markteinführung von Brennstoffzellen) ein Minderungsziel von möglichst 23 Mio. t
CO2 (Basis 1998), jedenfalls nicht unter 20 Mio. t CO2 erreicht werden, weitere 25
Mio. t. sollen durch weitere, konkret genannte Maßnahmen erzielt werden. Die Ergänzung zur Klimavereinbarung ist eng verknüpft mit dem KWK-Modernisierungsgesetz, dessen Eckpunkte in der Vereinbarung festgelegt wurden. Als
zusätzliche Maßnahmen werden unter anderem der forcierte Einsatz verbesserter
Heizungs- und Warmwassertechnik sowie Energieeffizienzkampagnen gemeinsam
mit der Elektroindustrie (unter anderem ein verstärkter Einsatz energieeffizienter
Elektromotoren) genannt.
Auf EU-Ebene gibt es eine Reihe von freiwilligen Vereinbarungen, die zwischen
der Europäischen Kommission und Unternehmen als Anwender bzw. als Hersteller
branchenübergreifender Techniken geschlossen werden. 1999 wurde zwischen der
Europäischen Kommission und dem Europäischen Komitee für elektrische Antriebstechnik (CEMEP) eine freiwillige Vereinbarung getroffen, zukünftig Drehsstrommotoren (2- und 4-polige Käfigläufer-Asynchronmaschinen) von 1 bis 100
kW mit Angaben entsprechend ihrer Wirkungsgradklasse (eff1, eff2, eff3) auszuzeichnen, und den Anteil der eff3-Motoren bis Ende 2003 um 50 % zu senken
(ZVEI 1999). Dieses Ziel ist laut ZVEI (2001) innerhalb Deutschlands bereits im
264
Jahr 2000 erreicht worden. Bis Oktober 2002 sind der Vereinbarung 35 europäische
Motorenhersteller beigetreten15 (Abbildung 63).
Quelle: ZVEI 1999
Abbildung 63: Übersicht in Europa verkaufter Motoren und Grenzkurven der Effizienzklassen EFF1–3
Innerhalb des GreenLight-Programms, das seit 2000 besteht16, verpflichten sich
private und öffentliche Unternehmen gegenüber der Europäischen Kommission, in
bestehenden Gebäuden durch Installation energieeffizienter Beleuchtung den dafür
benötigten Energieverbrauch um 50 % zu senken oder in neuen Gebäuden die energieeffizienteste (unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit) Beleuchtung zu
installieren. Derzeit beteiligen sich 91 Unternehmen und 73 „Endorsers“ (Hersteller
und Beratungsstellen, die sich zur Unterstützung der Diffusion energieeffizienter
Beleuchtung verpflichten). In Deutschland ist das Programm kaum bekannt, nur
fünf nationale Partner und vier Endorsers sind beteiligt.
15 www.zvei.org/antriebe/energieeffizienz.htm
16 www.eu-greenlight.org
265
Vor kurzem hat die Europäische Kommission nach einer erfolgreichen Testphase
das sogenannte Motor-Challenge-Programm ins Leben gerufen mit dem Ziel,
Energieeinsparungen im Bereich der Elektromotoren und Elektromotorenanwendungen in der Industrie zu initiieren17. Interessierte Unternehmen können sich als
„Partner“ oder als sogenannte „Endorser“ am Motor-Challenge-Programm beteiligen. Partnerunternehmen sind Anwender von Motorsystemen. Sie verpflichten sich
freiwillig zur Durchführung von Maßnahmen, die den Stromverbrauch ihrer Motorsysteme verringern. Art und Umfang der Maßnahmen können die Unternehmen
selbst festlegen. Die Unternehmen bezeichnen für die gewählten Anlagenstandorte
die Arten motorgetriebener Systeme, für die zu definierende Einsparziele gelten.
Die Verpflichtung kann eines oder mehrere der Systeme (genannt „Module“)
Druckluftsysteme, Lüftungsanlagen, Pumpen oder Antriebe (Elektromotoren und
Drehzahlregler), die in den vorgenannten Systemen oder anderen Maschinen benutzt werden, umfassen. Die Aufgabe der Endorser besteht darin, Partnerunternehmen zu gewinnen, diese bei der Durchführung der Maßnahmen zu unterstützen und
zur Verbreitung des Motor-Challenge-Programms beizutragen. So können z. B.
Hersteller energieeffizienter Motorsysteme bzw. zugehöriger Komponenten oder
kompetente Dienstleister wie Ingenieurbüros den Endorser-Status beantragen.
Die Beurteilung freiwilliger Vereinbarungen als Maßnahme zur Erhöhung der
Energieeffizienz und zur Senkung der CO2-Emissionen fällt kontrovers aus (vgl.
z. B. Rennings et al. 1997; Kübler 1998; Rath et al., 1999). Gegenüber ordnungsrechtlichen Instrumenten wie Mindesteffizienzstandards bieten sie den Vorteil einer
schnelleren und flexibleren Umsetzung und ggf. Anpassung der Zielwerte. Als
weiterer Vorteil wird der geringere administrative Aufwand genannt (Thomas
2001). Als ein Nachteil wird gesehen, dass die vereinbarten Ziele häufig zu
schwach im Sinne der Erhöhung der Energieeffizienz ausfallen und eher das widerspiegeln, was schon erreicht ist bzw. in absehbarer Zeit auch ohne die Vereinbarung
an Effizienzverbesserungen zu erwarten gewesen wäre. Dementsprechend wird
auch die Effektivität freiwilliger Maßnahmen tendenziell geringer eingeschätzt als
die ordnungsrechtlicher Regelungen über Mindeststandards.
Darüber hinaus werden die rechtliche Unverbindlichkeit von Selbstverpflichtungen
und die Kontrolle der Einhaltung der Zielwerte (die allerdings auch bei ordnungsrechtlichen Maßnahmen ein nicht unerhebliches Problem darstellt) als Probleme
angesehen. Bei den oben genannten freiwilligen Vereinbarungen auf EU-Ebene ist
nur ein eher schwaches Monitoring in Form eines jährlichen vertraulichen und anonymen Berichts der Hersteller bzw. Anwender gegenüber der Europäischen Kommission vorgesehen.
17 www.motor-challenge.de
266
Bei einer geeigneten Ausgestaltung – d. h. insbesondere nicht zu moderaten Zielvorgaben, einem wirksamen Kontrollmechanismus der Zielerreichung, einer Einbeziehung der wesentlichen Hersteller sowie nach Möglichkeit auch rechtlicher Verbindlichkeit – könnten freiwillige Vereinbarungen jedoch durchaus effiziente Maßnahme zur Erhöhung der Energieeffizienz sein. Sie könnten dann eine Alternative
zu einer ordnungsrechtlichen Regelung über Mindesteffizienz- bzw. Höchstverbrauchsstandards darstellen.
Im Juli 1993 wurde EG-weit durch die Vorlage einer „EG-Öko-Audit-Verordnung“
ein System geschaffen, das für alle Mitgliedsstaaten einheitliche Regelungen zur
Verbesserung des Umweltschutzes auf freiwilliger Basis anbietet. Mit diesem umweltpolitischen Instrument wird versucht die Umweltsituation über indirekte Regelungen zu verbessern. Grundgedanke dabei ist, Umweltschutz nicht allein durch
Grenz- und Richtwertvorgaben voranzutreiben, sondern vermehrt auf die Kräfte und
Dynamik der freien Marktwirtschaft zu setzen.
Wesentliche Aspekte der Verordnung sind:
•
Eigenverantwortung der Industrie für Bewältigung der Umweltfolgen,
•
Verpflichtung zur kontinuierlichen Verbesserung des Umweltschutzes und Einhaltung aller gesetzlichen Vorschriften,
•
Information der Öffentlichkeit über Umweltaspekte der betrieblichen Aktivitäten.
Die Industrie trägt Eigenverantwortung für die Bewältigung der Umweltfolgen und
sollte daher in diesem Bereich zu einem aktiven Konzept kommen. Die Einhaltung
der Umweltgesetze ist nicht als lästige Pflicht, sondern als selbstverständliche Basis
zu sehen, auf welcher die Verbesserung des betrieblichen Umweltschutzes aufbaut.
Eine zukunftsorientierte Energie-, Wirtschafts- und Umweltpolitik muss alle Optionen des technisch machbaren sowie des wirtschaftlich und ökologisch Sinnvollen
werten und abwägen. Neben einer Optimierung der Stoff- und Energieströme werden im Rahmen von Öko-Audits auch für die Betriebsstätte, Verfahren oder für
Produkte Ökobilanzen gefordert. Sie sollen die gesamte Lebensdauer umfassen und
nach Möglichkeiten Alternativen in bezug auf Ressourcenverbrauch und Umweltbelastung mit Schadstoffen aufzeigen. Werden Maßnahmen im Rahmen von ÖkoAudits durchgeführt, führt dies in Betrieben neben verbesserten Umweltbedingungen häufig auch zur Verminderung des Energieeinsatzes.
Im Bereich kommunaler Liegenschaften besteht in vielen Fällen ein sehr großes
Energieeinsparpotenzial, welches mittels Energiemanagement erschlossen werden
könnte. Eine Umfrage bei 500 mittelgroßen Städten, die von der Stadt Goslar
durchgeführt wurde, zeigte jedoch, dass in rund 90 % der befragten Gemeinden
weder ein Energiebeauftragter vorhanden war noch eine detaillierte Erfassung der
Energiekosten durchgeführt wurde.
267
4.2.5
Informationsprogramme
Im Rahmen der Maßnahmen zur Förderung der Energieeffizienz kommt Informationsprogrammen und -kampagnen eine wichtige begleitende Funktion zu. Sie können sowohl auf die Erhöhung des Anteils effizienter Anlagen als auch auf Verhaltensänderungen der Nutzer abzielen. Häufig werden beide Ziele verfolgt. Ziel der
Kampagne „Druckluft effizient“ ist, die Betreiber von Druckluftanlagen durch eingehende Information zur Optimierung ihrer Systeme zu motivieren18. Durch Messkampagnen wird betroffenen Unternehmen das Einsparpotenzial verdeutlicht. Das
angebotene Benchmarking erlaubt eine erste Beurteilung des energetischen IstZustandes eines Druckluftsystems. Weitere Elemente der Kampagne sind die Erstellung eines Leitfadens für das Druckluft-Contracting, Auslobung eines Wettbewerbs, der die beste Planung sowie die beste realisierte Anlage prämiert, sowie die
Realisierung einer Demonstrationsanlage.
Das Motor-Challenge-Programm wie auch die freiwillige Selbstverpflichtung der
Motorhersteller (s. Kapitel 4.2.5) wird unterstützt durch die kostenlose EuroDEEM-Datenbank, die einen Katalog mit technischen Daten von derzeit 7400
Motoren von 26 Herstellern enthält, wobei auch Informationen zu den Effizienzklassen aufgeführt sind19. Der langfristige Ansatz der Datenbankentwickler zielt auf
eine Erweiterung auf Motorsysteme wie Pumpen, Kompressoren und Ventilatoren,
um die beträchtlichen Potenziale, die in der Systemauslegung liegen, anzugehen
(Cocchi, Conti 2000). Die neuste Version enthält inzwischen eine Datenbank mit
technischen Daten zu Pumpen sowie ein Tool zur Pumpenauslegung.
Institutionen wie den nationalen oder regionalen Energieagenturen kommt eine
große Bedeutung bei der Konzeption, Organisation, Koordination und ggf. auch
Durchführung energiepolitischer Maßnahmen zur Förderung der rationellen Energie- und Stromnutzung zu, insbesondere bei Maßnahmen im Bereich der Information, Fortbildung und Beratung. In Deutschland werden hier viele Aufgaben von den
bereits seit vielen Jahren in den meisten Bundesländern bestehenden Länderenergieagenturen und zunehmend auch von der im Herbst 2000 gegründeten Deutschen
Energie-Agentur übernommen.
Der BINE Informationsdienst hat als Aufgabe, Informations- und Wissenstransfer
aus der Energieforschung in die Anwendungspraxis zu leisten und so Kontakt zu
Firmen und Institutionen herzustellen, die in geförderten Projekten Effizienztechnologien und erneuerbare Energien zur Anwendungsreife entwickeln, sowie Energiethemen didaktisch aufzubereiten und für die Aus- und Weiterbildung zur Verfü-
18 www.druckluft-effizient.de
19 http://energyefficiency.jrc.cec.eu.int/eurodeem/introduction.htm
268
gung zu stellen20. Die Publikationen sind meist in Papierform oder elektronisch
erhältlich und unterteilen sich in die Reihen basisEnergie (grundlegende Themen im
Bereich Energieeinsparung und erneuerbare Energien für Schulen und Weiterbildungseinrichtungen), Projekt-Infos (Ergebnisse aus Forschungs- und Demonstrationsvorhaben), Themen-Infos (zur Dokumentation des Standes der Technik) und
Informationspakete (Zusammenstellung der Funktionsweise und des aktuellen
Know-Hows von Technologien). Außerdem werden E-Mail-Newsletter und CDRoms mit Adresssammlungen und Literaturverweisen angeboten.
Ein vergleichbares Informationsportal auf internationaler Ebene stellt das Centre for
the Analysis and Dissemination of Demonstrated Energy Technologies (CADDET)
der Internationalen Energieagentur dar21. In dem internetbasierten „Info-Store“
werden Informationen zu innovativen und energieeffizienten Technologien aus den
teilnehmenden Ländern angeboten. Broschüren und Erfahrungsberichte stellen vertiefende Information zu einzelnen Technologien (z. B. Motoren, Warmeübertrager,
Trockner, Ventilatoren) und Branchen (Papier, Metall, Schulen, Krankenhäuser)
bereit.
Das Action Energy Programm (vormals Energy Efficiency Best Practice Programme) in Großbritannien ist ein umfangreiches und erfolgreiches Programm, das
Unternehmen und öffentlichen Einrichtungen als Informationsplattform hinsichtlich
Energieeffizienz dienen soll22. Angeboten werden neben telefonischer Beratung
eine umfangreiche Sammlung von Informationen und Veröffentlichungen via Internet. Daneben werden Seminare und Energieaudits für kleine und mittlere Unternehmen offeriert. Auch in den USA existiert ein Best Practice Programme, das Industrieunternehmen mit Information und Beratung hinsichtlich Energieeffizienz
versorgt23. Das Programm besteht aus den Bausteinen Energieberatungen, Weiterbildungsangeboten, Demonstrationsprojekten und Informationen, insbesondere zu
Druckluft, Motoren, Industrieöfen und Dampferzeugern.
4.2.6
Aus-, Fort- und Weiterbildung
Beratungs- und Weiterbildungsprogramme im Bereich der rationellen Energienutzung richten sich vor allem an Betriebe, und zwar sowohl an die Nutzer als auch an
die Planer, Ein- und Verkäufer. Beratungsprogramme werden vor allem von den
Energieagenturen der Länder, aber auch von Energieversorgern, Verbänden und
Beratern durchgeführt.
20 www.bine.info
21 www.caddet-ee.org
22 www.actionenergy.org.uk
23 www.oit.doe.gov/bestpractices/
269
Weiterbildungs-Aktivitäten laufen in Deutschland insbesondere in den in einigen
Bundesländern (NRW, Hessen, Schleswig-Holstein, Berlin, Bremen) öffentlich
geförderten „Impulsprogrammen“ nach dem Modell des Schweizer RAVELProgramms (Rationelle Verwendung von Elektrizität). Im Rahmen von Kurzveranstaltungen und Fachseminaren wird Wissen über Energieverbrauchsschwerpunkte,
Techniken und Maßnahmen zur rationellen Energienutzung an die Berufspraktiker
vermittelt (Böde et al. 2000). Im Rahmen des Impuls-Programms Hessen wurden
u. a. Fachveranstaltungen zur Stromeinsparung im Einzelhandel, bei Beleuchtung
und Bürogeräten und ein Stromsparcheck für Gebäude durchgeführt (Gruber/Böde
2000a). Im Rahmen des Impuls-Programms „RAVEL NRW“ gab es ebenfalls
Fachveranstaltungen zur rationellen Elektrizitätsverwendung bei Bürogeräten sowie
zum Verkauf energieeffizienter Geräte. Über direkte Auswirkungen der Impulsprogramme auf tatsächliche Verhaltensänderungen sind wegen der komplexen Wirkungszusammenhänge und der sehr unterschiedlichen behandelten Aspekte keine
generellen Aussagen möglich. In der Schweiz geht man davon aus, dass die dort
schon seit 1978 laufenden Programme zu einer generellen Erhöhung des Energiebewusstseins bei Planern, Handwerk und Anwendern geführt haben. Für NordrheinWestfalen und Hessen lässt sich aus den begleitenden Evaluierungen feststellen,
dass sich die Impulsprogramme dort einen guten Ruf als qualitativ hochwertig und
neutral erwarben und große Resonanz bei Veranstaltern, Zielgruppen und Fachleuten finden.
Auf Bundesebene gibt es bisher noch kein Impulsprogramm. Ausgehend von den
positiven Erfahrungen in der Schweiz und in den Landesprogrammen empfiehlt die
Enquête-Kommission Nachhaltige Entwicklung (2002) in ihrem Abschlussbericht
jedoch die bundesweite Durchführung eines von Bund und Ländern gemeinsam
finanzierten Programms „Rationelle und wirtschaftliche Verwendung von Elektrizität“ (RAWINE). Die Kosten dafür werden auf rund 25 Mio. € jährlich geschätzt.
Die Federführung dieses Vorhabens könnte nach Vorschlag der EnquêteKommission bei der dena liegen, unter Beteiligung der Landesenergieagenturen und
möglicherweise auch der Elektrizitätswirtschaft.
4.2.7
Forschungs- und Entwicklung
Die Enquête-Kommission Nachhaltige Energieversorgung (2002) empfiehlt in ihrem kürzlich vorgelegten Abschlussbericht eine Forcierung der innovationsorientierten Technologiepolitik im Hinblick auf ein nachhaltiges Energiesystem und darüber hinaus. Dies soll verbunden werden mit der Formulierung mittelfristiger konkreter Handlungsziele für eine Nachhaltigkeitspolitik im Energiesektor für einen
Zeitraum von 15 bis 20 Jahren sowie darüber hinaus der Formulierung indikativer
Langfristziele.
270
Ein weiteres Instrument, das bei der Förderung energieeffizienter Geräte in den
letzten Jahren zunehmend zum Einsatz gekommen ist, ist das sogenannte Procurement. Darunter wird die gemeinschaftliche Beschaffung energieeffizienter Geräte
verstanden, entweder mit der Zielrichtung, neue effiziente Geräte überhaupt auf den
Markt zu bringen (Technology Procurement) oder mit dem Ziel, den Marktanteil
besonders effizienter Geräte zu erhöhen (Market Procurement). Pionier beim Einsatz von Technology Procurement zur Einführung energieeffizienter Technologien
war Schweden.. Ansatzpunkte für Technology Procurement zur Erhöhung der
Energieeffizienz sind u. a. Heizungssysteme (z. B. auf solarer Basis), Wärmedämmung von Gebäuden, Beleuchtungssysteme und elektrische Motoren. Die Internationale Energieagentur förderte im Rahmen ihres Demand-Side-ManagmentProgramms Technology Procurement-Projekte u. a. für elektrische Motoren24. Evaluierungen von Technology Procurement-Aktivitäten haben gezeigt, dass diese
Maßnahme die Markteinführung hocheffizienter Technologien in zweierlei Hinsicht
unterstützt, zum einen durch die Verbesserung der Technologie selbst, zum anderen
durch die zunehmende Diffusion dieser Technologie im Markt (Ostertag, Dreher
2002). Während bei komplexen, wenig standardisierten Produkten und Systemen
wie Heizung und Beleuchtung nationale Ansätze durchaus sinnvoll sind, hat bei
mehr oder weniger standardisierten und häufig weltweit gehandelten Produkten wie
Elektromotoren und Motoranwendungen ein international koordiniertes Vorgehen
beträchtliche Vorteile.
4.2.8
Weitere Instrumente
In der Schweiz wurde Anfang der 90er Jahre unter der Bezeichnung „EnergieModell Schweiz“ eine lokal organisierte Initiative für Unternehmen entwickelt, die
gemeinsam eine Verbesserung der Energieeffizienz anstreben, sich entsprechende
gemeinsame und individuelle Ziele setzen und deren Verwirklichung im regelmäßigen, moderierten Erfahrungsaustausch besprechen. Dieses Managementmodell zur
Energieeffizienz wurde 1999 bereits von über 200 Firmen in der Schweiz angewendet, die etwa ein Drittel des Schweizer industriellen Energiebedarfs beanspruchen
(Bürki 1999). In der Schweiz dient dieses Modell auch dazu, dass sich Unternehmen von der CO2-Abgabe, die ab 2004 laut Gesetz eingeführt werden kann, durch
die Teilnahme befreien lassen können. In Deutschland könnte ein solches Modell
im Rahmen der Selbstverpflichtungen der deutschen Wirtschaft von Bedeutung
sein, wenn es darum geht, die erzielten Emissionsminderungen betriebs- und unternehmensscharf nachweisen zu müssen.
In Deutschland wird dieses Modell derzeit in dem Pilotprojekt „Modell Hohenlohe“
adaptiert (Gruber, Jochem 2003). Der Energietisch baut auf den Erfahrungen auf,
24 http://dsm.iea.org
271
die eine Gruppe mittelständischer Hohenloher Unternehmen bereits seit 1991 in
einem Verein, dessen Ziel es war, die Reduzierung des Aufkommens an Abfällen in
der gewerblichen Wirtschaft zu fördern und zu unterstützen, erworben haben. Zielsetzung aus Sicht der Unternehmen ist eine vertiefende Betrachtung und Identifizierung von rentablen Energieeffizienzmöglichkeiten im Betrieb und die Entwicklung
einzelbetrieblicher Energieoptimierungskonzepte.
Im Rahmen eines Energieaudits oder einer Energieberatung können innerhalb
eines Betriebs Einsparpotenziale aufgedeckt werden. Viele der freiwilligen Vereinbarungen und Informationsprogramme bieten kostenlose Energieaudits an. Die
Energieagenturen in den Bundesländern richten ihre – vor allem beratende – Tätigkeit insbesondere an Zielgruppen im Kleinverbrauch, z. B. kleine und mittlere
Kommunen, öffentliche Einrichtungen und mittelständische Unternehmen. In der
Regel werden Initialberatungen angeboten. Auch Energieversorgungsunternehmen
fungieren als Berater, Ingenieurbüros bieten vor allem detailliertere Beratungen an.
Energieberatungen sind dann am sinnvollsten, wenn mit kostenlosen oder kostengünstigen Energieaudits die Skepsis der Betriebe abgebaut und die Notwendigkeit
zu detaillierteren Analysen festgestellt werden kann (Schmid, Gruber, Weigert
2000).
4.3
Empfehlungen hinsichtlich der Ausschöpfung des Potenzials branchenübergreifender Techniken
Die Beschreibung der politischen Maßnahmen und Instrumente hat gezeigt, dass
nur wenige Maßnahmen gezielt die Energieeffizienz bestimmter branchenübergreifender Technologien fördern, daher ist eine Beurteilung, ob die verschiedenen
Maßnahmen geeignet sind, die Energieeffizienz der diskutierten Techniken zu steigern, allenfalls qualitativ, nicht jedoch quantitativ möglich.
Techniken im Gebäudebereich profitieren grundsätzlich von einer Reihe von Maßnahmen, die vorwiegend auf den Haushaltssektor und den Wohngebäudebereich
zielen, allen voran die Energieeinsparverordnung, die einen Teil der in den Bereichen Wärmedämmung, Raumwärmeerzeugung ermittelten Potenziale anstoßen
dürfte.
Ordnungsrechtliche Vorschriften bzw. Kennzeichnungen auf freiwilliger Basis zeigen eine hohe Effektivität zur Beeinflussung der Herstellung energieeffizienter Produkte, des Angebots energieeffizienter Produkte im Handel und des Kaufs energieeffizienter Produkte gleichermaßen. Sie sind daher verbreitet Instrumente bei Haushaltsgeräten und Bürokommunikationsgeräten. Bei den diskutierten branchenübergreifenden Techniken finden sie in Deutschland nur bei Elektromotoren Anwendung (abgesehen von Randbereichen, die von Maßnahmen für den Haushaltssektor
272
oder für Branchentechniken beeinflusst sind), dort allerdings recht erfolgreich. Sowohl verpflichtende als auch freiwillige Mindesteffizienzstandards sind jedoch nur
erfolgreich, wenn die Standards regelmäßig hinsichtlich des Standes der Technik
überprüft und angepasst werden.
Eine Reihe von Maßnahmen auf Basis freiwilliger Selbstverpflichtungen und Informationsprogrammen zielt darauf, die in der Summe großen Einsparpotenziale bei
elektrischen Antrieben anzustoßen (Motor Challenge Programm, Selbstverpflichtung der Hersteller mit Labelling, EuroDEEM-Datenbank, technisches Procurement). Motorsysteme wie Druckluftsysteme, Pumpen, Ventilatoren und Kältemaschinen sind dagegen mit Ausnahme der „Druckluft effizient“-Kamagne recht selten direkte Adressaten von Instrumenten. Die Systeme bestehen häufig aus vielen
Einzelkomponenten, sind gewachsene oder individuelle geplante Strukturen. Instrumente, die auf standardisierte Produkte (wie Kennzeichnungen) oder Nachahmung (wie Demonstrationsprojekte) abzielen, lassen sich daher auf diese Systeme
nur eingeschränkt anwenden. Denkbar wären hier offene Standards oder individuelle Information und Beratung, um die großen Potenziale, die in der optimalen
Gestaltung und Wartung der Systeme liegen, zu erfassen.
Selbstverpflichtungen haben nur dann einen nennenswerten Effekt, wenn die vereinbarten Ziele eine wirkliche Herausforderung für die Unternehmen bzw. Verbände darstellen und die Ziele wirkliche Verpflichtungen darstellen. Die EUProgramme GreenLight und Motor-Challenge sehen Vereinbarungen auf Unternehmensebene vor, Anreize für die beteiligten Unternehmen liegen lediglich in der
Vermarktung der Teilnahme am entsprechenden Programm und sind entsprechend
schwach. Die teilnehmenden Unternehmen dürften daher ohnehin Energiebewusstsein pflegen und die Maßnahmen auch ohne Anerkennung durch das jeweilige Programm durchführen.
Beratungen, Audits und Seminare haben den Vorteil, dass sie die Unternehmen direkt ansprechen und individuelle Probleme zielgerichtet angehen können. Der Wirkungskreis ist dagegen eher eingeschränkt. Die Erfolge der Best Practice Programme in Großbritannien und den USA, aber auch der Impulsprogramme in Deutschland, können aber durchaus als Vorbild für weitergehende Programme dienen. Die
Enquête-Kommission weist in ihrem Abschlussbericht etwa darauf hin, dass bei
Prozesswärmebedarf noch erhebliche Einsparpotenziale vorhanden sind. Sie empfiehlt dafür die Durchführung von Energieaudits, die bei Ausnahmeregelung von
anderen Maßnahmen verpflichtend sein sollten (Enquête 2002).
Ein Vorteil der Best Practice Programme liegt auch darin, dass die Unternehmen
eine feste und bekannte Anlaufstelle für Fragen zur Energieeffizienz vorfinden.
Eine alternativer Ansatzpunkt, um Unternehmen für Energieeffizienz zu sensibilisieren und die vielfach vorhandenen guten Informationen über Energieeinsparmaßnahmen zu verbreiten, besteht darin, die persönlichen Kontakte der Betriebe (z. B.
273
Installateure, Hersteller, Planungsbüros) zu nutzen, da Betriebe diese persönlichen
Kontakte als Informationsquelle am meisten schätzen (Schmid, Gruber, Weigert
2000).
Wie sich in den Technikanalysen gezeigt hat, liegen große Einsparpotenziale vor
allem im Zusammenspiel mehrerer Techniken in Systemen. Diese sind häufig komplex und individuell geplante bzw. gewachsene Strukturen, die sich produktspezifischen Instrumenten wie Labels und Standards entziehen. Die letztgenannten Instrumente, Beratungen einerseits, Informationskampagnen und Best-PracticeProgramme andererseits, sind dafür geeignete Instrumente, um Einsparpotenziale
auf unternehmensspezifischer Ebene aufzudecken und umzusetzen.
275
5
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Möglichkeiten, Potentiale, Hemnisse und

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