Jeden Tag werden große Mengen wertvoller thermischer Energie über industrielle Kühlsysteme an die Umgebung abgegeben, anstatt weiter genutzt zu werden.
Die Rückgewinnung und Wiederverwendung dieser Abwärme kann den Energieverbrauch und die Betriebskosten erheblich reduzieren.
Heute erfolgt die Abwärmerückgewinnung meist mithilfe von Wärmetauschern. Sie übertragen thermische Energie von einem heißen auf einen kälteren Fluidkreislauf. Dies funktioniert jedoch nur, solange beide Kreisläufe gleichzeitig in Betrieb sind. Fällt Abwärme bereits Stunden vor ihrem späteren Bedarf an, kann ein Wärmetauscher allein diese Energie nicht nutzbar machen.
Die Herausforderung: Abwärmeangebot und Wärmebedarf zeitlich aufeinander abstimmen
In vielen Industrieprozessen fällt Abwärme bereits Stunden an, bevor sie wieder benötigt wird. Die Rückgewinnung der Wärme ist häufig nicht das eigentliche Problem. Die Herausforderung besteht vielmehr darin, den Zeitpunkt der Wärmeerzeugung mit dem Wärmebedarf in Einklang zu bringen.
Die klassische Lösung besteht darin, die zurückgewonnene Wärme in großen Warmwasserspeichern zwischenzuspeichern.
Obwohl Warmwasserspeicher eine bewährte und weit verbreitete Technologie sind, weisen sie auch einige praktische Nachteile auf:
- Großer Platzbedarf
- Relativ geringe Energiedichte
- Kontinuierlich sinkende Auslasstemperatur während der Entladung
- Häufig projektspezifische Auslegung
- Wasseraufbereitung und Korrosionsschutz können erforderlich sein
Ein anderer Ansatz: Thermische Batterien
Anstatt Wärme als sensible Wärme in großen Wasservolumen zu speichern, speichern thermische Batterien die zurückgewonnene Energie in einem Phasenwechselmaterial (PCM).
Im Gegensatz zu einem Wärmetauscher kann eine thermische Batterie Wärme zwischenspeichern und erst dann wieder abgeben, wenn sie tatsächlich benötigt wird – und nicht nur dann, wenn sie verfügbar ist.
Gegenüber konventionellen Warmwasserspeichern können thermische Batterien in vielen Anwendungen mehrere Vorteile bieten:
- Geringerer Platzbedarf
- Höhere Energiedichte
- Nahezu konstante Auslasstemperatur
- Modularer, standardisierter Aufbau
- Skalierbar von wenigen zehn kWh bis zu Energiespeichern im Multi-MWh-Bereich
- Geringerer Wartungs- und Betriebsaufwand, da Wasseraufbereitung, Kalkbildung und Korrosionsmanagement entfallen
Während des Beladens wird die thermische Energie als latente Wärme gespeichert, indem das PCM seinen Aggregatzustand ändert. Während der Entladung wird die gespeicherte Energie bei nahezu konstanter Temperatur wieder freigesetzt. Dadurch wird die zeitliche Lücke zwischen Abwärmeanfall und Wärmebedarf überbrückt.
Das Ergebnis ist ein kompakter thermischer Energiespeicher, der einen deutlich größeren Anteil der verfügbaren Abwärme nutzbar macht.
Praxisbeispiel
Ein Projekt in einer Konservenfabrik, in der Lebensmittel in Autoklaven sterilisiert werden, verdeutlicht dieses Prinzip.
Während der Sterilisation werden die Konservendosen mit Dampf auf etwa 120 °C erhitzt. Anschließend müssen sie vor der Weiterverarbeitung wieder abgekühlt werden. 120°CDabei wird ein großer Teil der thermischen Energie an das Kühlwasser abgegeben.
Ohne Wärmerückgewinnung würde diese Energie ungenutzt über das Kühlsystem abgeführt.
Ein in die thermische Batterie integrierter Wärmetauscher entzieht dem heißen Kühlwasser diese Abwärme und speichert sie während der Kühlphase im PCM. Zu Beginn des nächsten Sterilisationszyklus wird die gespeicherte Energie genutzt, um das Speisewasser des Dampfkessels vorzuwärmen, bevor dieses auf Dampferzeugungstemperatur erhitzt wird.
Durch die Überbrückung der zeitlichen Differenz zwischen Abwärmeanfall und Wärmebedarf ermöglicht die thermische Batterie die effiziente Nutzung von Wärme, die andernfalls verloren gehen würde, und reduziert gleichzeitig den Energiebedarf des Dampfkessels.
In dieser Anwendung wurden jährliche Energieeinsparungen von rund 2 GWh erzielt. Dadurch konnte der thermische Energieverbrauch des Prozesses um etwa 20 % reduziert werden. 2 GWh, reducing the process’s thermal energy consumption by around 20%.
Wo thermische Batterien den größten Nutzen bieten
Viele Industrieprozesse stehen vor derselben Herausforderung: Wertvolle Abwärme ist vorhanden – allerdings nicht genau dann, wenn sie benötigt wird.
Durch die zeitliche Entkopplung von Wärmeangebot und Wärmebedarf ermöglichen thermische Batterien die Nutzung eines deutlich größeren Anteils der verfügbaren Abwärme. Das senkt Betriebskosten und CO₂-Emissionen und erhöht gleichzeitig die Gesamteffizienz des Systems.
Wenn Ihr Prozess Wärme, Kälte, Abwärme oder stark schwankende thermische Lasten umfasst, besteht eine gute Chance, dass thermische Energiespeicherung dessen Effizienz verbessern kann.
