Mehr Energieeffizienz durch Abwärmenutzung in der thermischen Nachverbrennung

Fabrikanlage mit mehreren Masten
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Die thermische Nachverbrennung wird zur Abgas- bzw. Abluftreinigung bei einer Belastung mit organischen Schadstoffen eingesetzt. Hierbei werden die Kohlenwasserstoffe in der Abluft bei Temperaturen zwischen 750 °C und 1.000 °C verbrannt und reagieren zusammen mit dem Umgebungssauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser (Oxidation). Liegt die Konzentration der organischen Stoffe in der Abluft unter einem bestimmten Wert, muss zusätzlicher Brennstoff in Form von Gas oder Öl zugeführt werden, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten. Zur Energieeinsparung wird das gereinigte Abgas anschließend über einen Wärmetauscher geführt, der einen Teil der Wärmeenergie an die noch unbehandelte Abluft vor dem Eintritt in die Brennkammer abgibt. Je nach Auslastung bzw. Fahrweise der Anlage, muss das gereinigte Abgas anschließend zusätzlich noch mit Notkühlern weiter abgekühlt werden, bevor es an die Umgebung abgegeben werden kann.

Optimierungspotenziale und mögliche Effizienzmaßnahmen

Die Abwärme, die über die Notkühler an die Umgebung abgeführt wird, kann unter bestimmten Voraussetzungen einer Heizanlage als zusätzliche Nutzwärme zugeführt werden. Entscheidend hierfür ist, dass eine Gleichzeitigkeit zwischen der verfügbaren Abwärme und dem Bedarf an der Heizungsanlage gegeben ist und eine räumliche Nähe der beiden Anlagen besteht. Zusätzlich muss das Temperaturniveau der Notkühlanlage über dem der Heizung liegen, um einen Wärmeübertrag zwischen den Systemen zu ermöglichen. Der Transport der Wärmeenergie kann mit Hilfe eines Wärmetauschers umgesetzt werden, der die überschüssige Wärme des Abgases auf das Heizungswasser überführt. Durch die so eingesparte Heizleistung kann der Gas- bzw. Ölverbrauch der Heizanlage entsprechend gesenkt werden.

Projektidee

In einem Kunststoff- und Gummiverarbeitenden Betrieb ist in einer Halle eine Anlage zur thermischen Nachverbrennung der Abluft installiert. Der Betrieb der Anlage erfordert zu bestimmten Zeiten den Einsatz von zusätzlichen Kühlern zur Abführung der überschüssigen Wärme, bevor die Abluft an die Umgebung abgegeben werden kann. Die Temperatur des genutzten Thermoöls im Abgaskühler beträgt dabei ca. 260 °C. Die Beheizung der Produktionshalle sowie einer weiteren Nachbarhalle erfolgt mit Hilfe eines Erdgaskessels, der bei einer Vorlauftemperatur von 60 °C betrieben wird. Untersuchungen haben ergeben, dass in ca. 2.500 Stunden pro Jahr sowohl der Abgaskühler als auch die Heizanlage gleichzeitig in Betrieb sind.
Die zur Verfügung stehende mittlere Leistung aus der Kühlanlage der Abwärme beträgt 70 kW. Somit können durch die Nutzung der Abwärme rund 219 MWh/a Erdgas bei der Beheizung der Produktionshallen eingespart werden. Um die Abwärme zu übertragen, muss ein zusätzlicher Wärmetauscher im Heizkreis installiert werden, der über entsprechende Leitungen und Pumpen mit dem Abgaskühler verbunden wird. Die zusätzlich notwendigen Pumpen erzeugen dabei einen Mehrverbrauch an Strom von ca. 13 MWh/a.

Kosten für die Umsetzung:

  • Investitionskosten für Wärmetauscher, Verrohrung und Ventile von rund 30.000 €.,
  • Investitionsnebenkosten (für Planung, Installation, Messtechnik und Inbetriebnahme) in Höhe von etwa 15.000 €
  • und damit in Summe Investitionsgesamtkosten in Höhe von 45.000 €.

Von diesen Kosten können im Förderwettbewerb Energieeffizienz bis zu 50 % gefördert werden. Die tatsächliche Höhe der jeweils förderfähigen Kosten hängt letztlich davon ab, welchen Anteil an den Gesamtinvestitionskosten die effizienzbezogenen Kosten (Investitionsmehrkosten und -nebenkosten) aufweisen.

Ausführliche Hinweise zur Berechnung der effizienzbezogenen Kosten finden sich im Merkblatt „Allgemeine Hinweise zur Antragstellung“, welches auch unter „Mitmachen“ und „Antragstellung“ im Webauftritt des Förderwettbewerbs Energieeffizienz abrufbar ist.

Grundlegendes Kriterium für die Zulassung zum Förderwettbewerb Energieeffizienz ist, dass die Amortisationszeit des Projektes, berechnet aus den effizienzbezogenen Investitionskosten und der Summe der eingesparten Energiekosten, mindestens vier Jahre beträgt.

Durch den im vorliegenden Projektbeispiel eingesetzten Wärmetauscher zur Nutzung der Abwärme können jährlich 219 MWh Erdgas bzw. 44 t CO2 eingespart werden. Abzüglich des CO2-Aufwandes für die erforderlichen 13 MWh an zusätzlicher elektrischer Leistung für den Betrieb der Pumpen bleibt eine Einsparung von jährlich 37,2 t CO2. Bei einem Erdgaspreis von 0,05 €/kWh und einem Strompreis von 0,15 €/kWh amortisiert sich die Effizienzmaßnahme ohne Förderung nach fünf Jahren, mit maximaler Förderung bereits nach zweieinhalb Jahren.

Das zentrale Kriterium für die Förderentscheidung im Förderwettbewerb Energieeffizienz ist die je Fördereuro erreichte CO2-Einsparung pro Jahr ("Fördereffizienz"). Diese liegt im beschriebenen Projekt bei der maximal möglichen Fördersumme von 22.500 € (50 % Förderquote) und einer erwarteten Einsparung von 37,2 t CO2 pro Jahr bei etwa 604 € pro t CO2 und Jahr. Der Antragsteller kann aber selbst entscheiden, ob er eine geringere Förderquote wählt, somit seine Fördereffizienz verbessert und dadurch die Chancen im Wettbewerb um die Fördermittel erhöht.