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In Deutschland stehen pro Jahr geschätzte 226 TWh an potentiell nutzbarer Abwärme aus Industrieprozessen zur Verfügung*. Oft lässt sich jedoch die Abwärme aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus oder fehlender Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. zur Prozesswärmebereitstellung, nicht nutzen. Um die Abwärme dennoch nicht ungenutzt "verpuffen" zu lassen, bietet sich hier eine Verstromung der Wärme über das Organic Rankine Cycle-Prinzip (ORC) an.
Das ORC-Verfahren gleicht dem Betrieb einer Dampfturbine. Anstatt des Arbeitsmediums Wasserdampf kommt jedoch im ORC-Prozess eine organische Flüssigkeit, z. B. Kohlenwasserstoffe wie Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol oder Silikonöl, mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur zum Einsatz. Daher kann auch Abwärme auf relativ geringen Temperaturniveaus und unabhängig vom Trägermedium (Abluft, Abdampf oder Heißwasser) zur Stromerzeugung genutzt werden. So können nicht nur Energiekosten eingespart, sondern auch CO₂-Emissionen des Unternehmens gesenkt und somit ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz geleistet werden.

Situation vor Ort

Die Nordenhamer Zinkhütte GmbH erzeugt seit über 100 Jahren in der Metropolregion Nordwest in Niedersachsen Zink und Zinklegierungen. Jährlich verlassen ca. 170.000 t Feinzink und Feinzinklegierungen durch das moderne elektrolytische Zinkgewinnungsverfahren das Werk, was in etwa einem Viertel des in Deutschland im gleichen Zeitraum benötigtem Zinks entspricht.
Im ersten Schritt des Herstellungsprozesses werden dabei Zinkerzkonzentrate und Sekundärvorstoffe gemischt und in einem Röstofen mit Luft bei 950 °C "abgeröstet". Dabei entstehen Zinkoxid (ZnO) und Schwefeldioxid (SO2), welche in weiteren Prozessschritten zu reinem Zink und Schwefelsäure verarbeitet werden. Der Röstprozess ist exotherm und muss somit gekühlt werden. Durch den Kühlprozess wird Dampf in einer Druckstufe von 40 bar erzeugt, der zum Antrieb von Turbinen (Gebläse und Pumpen) genutzt wird. Resultierend aus der mechanischen Arbeit der vier Turbinen, wird der Dampf von 40 bar auf 6 bar entspannt. Der verbleibende 6 bar Dampf wird zum Aufheizen in den nachfolgenden Prozessschritten verwendet, anfallendes Kondensat gesammelt und der Dampferzeugung (Speisewasserbehälter) zugeführt.
Ein Teil des 6 bar Dampfes kann aktuell nicht thermisch genutzt werden, so dass dieser über Dampfkondensatoren mittels Ventilatoren kondensiert wird. Das anfallende Kondensat wird auch hier wieder der Dampferzeugung zugeführt.

Das Energieeffizienzprojekt

In dem beim Förderwettbewerb "Energieeffizienz" geförderten Projekt soll der aktuell ungenutzt kondensierte Teil des 6 bar Dampfes über vier ORC-Module geleitet und der damit erzeugte Eigenstrom in das werksinterne Stromnetz eingespeist werden. Somit können nicht nur die extern bezogene Strommenge des Unternehmens deutlich reduziert und die Energiekosten gesenkt, sondern auch zusätzliche Energieeinsparungen durch die nicht mehr zur Dampfkondensation benötigten Ventilatoren generiert werden. Die geplante ORC-Anlage ist nicht Teil einer bereits bestehenden KWK-Anlage und der erzeugte Eigenstrom wird auch nicht nach KWK oder KWKG vergütet (Fördervoraussetzung). Insgesamt kann durch das Abwärmenutzungskonzept der Strombedarf um ca. 5.300 MWh pro Jahr reduziert werden, was einer jährlichen Einsparung von ca. 2.800 t CO₂ entspricht.

"In unserer Unternehmenspolitik ist die fortlaufende Energieverbrauchssenkung und ständige Energieverbraucheroptimierung ein fester Bestandteil. Dennoch kann vor allem bei sehr kostenintensiven Projekten eine wirtschaftliche Betrachtung nicht außer Acht gelassen werden. Das Projekt hatte aufgrund der hohen Kosten und langen Amortisationszeit bisher nicht oberste Priorität. Durch die Förderung konnte das Projekt nun erneut aufgegriffen und endlich umgesetzt werden.", so der Leiter des Projektes, Marco Spohler, verantwortlich für das Umwelt- und Energiemanangement der Nordenhamer Zinkhütte.

Für die Nordenhamer Zinkhütte GmbH sind folgende Anreizpunkte für die Umsetzung wichtig:

• Reduzierung des Strombedarfes um 5.285 MWh pro Jahr
• Reduzierung von CO₂
• wichtiger Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung
• ein Beitrag zur Nachhaltigkeit Allianz des Bundeslandes Niedersachsen
• Entlastung des Stromnetzes

Ohne Förderung würde sich die Effizienzmaßnahme erst nach mehr als sechs Jahren amortisieren, mit der im Förderwettbewerb bewilligten Förderung jedoch schon nach etwas mehr als drei Jahren.

Das Projekt wird im Zeitraum zwischen Dezember 2019 und Oktober 2020 umgesetzt.

Chance mit dem Förderwettbewerb und Erfahrungen, im Interview mit dem Leiter des Projekts, Marco Spohler

Die Nordenhamer Zinkhütte GmbH ist Teilnehmer im Energieeffizienz-Netzwerk WirtschaftVereinigungsMetallePlus 2.0 (WVMPlus 2.0) und damit Teil der Initiative Energieeffizienz-Netzwerke.

*IZES (Institut für Zukunfts-Energie-Systeme, Abwärmenutzung – Potentiale, Hemmnisse und Umsetzungsvorschläge, 11.14 – 07.15)