TEIL C

WÄrmerÜckgewinnung (II)

Doch zurück zur Chronologie - und zu weniger umstrittenen Methoden der Wärmerückgewinnung:

Im Oktober 2009 melden die Fachblogs, daß die chinesischen Firma Broad Central Air eine industrielle Kühltechnologie anbietet, die überschüssiges heißes Wasser verwendet um Strom zu erzeugen und dabei gegenüber Kältemaschinen mit fossilen Brennstoffen eine Einsparung von 80 % erreicht. Die Anlagen werden bereits in 30 Ländern genutzt, darunter auch auf dem ‚grünen’ Flughafen Barajas in Madrid.

Einen weiteren Generator namens JIT-Engine, der Strom durch die Nutzung von Niedertemperatur-Wärmequellen wie Solarthermie, Geothermie und Abwärme erzeugt, stellt die koreanische, neu gegründete Firma Jaein Industry Technology erstmals auf der Green Energy Expo 2010 vor. Es werden lokale und internationale Patente angemeldet – doch weiter hört man nichts mehr davon.

Die in Westmont, Illinois, beheimatete Firma Recycled Energy Development (RED) nutzt ebenfalls Abwärme, um diese zu komprimieren und dann eine Turbine anzutreiben oder Brauchwasser zu erwärmen. Die Firma rüstet eine Silizium-Fabrik von West Virginia Alloys nach, um ab 2010 aus deren Abwärme 45 MW Strom zu produzieren. Bei dem gegenwärtigen Verbrauch der Fabrik in Höhe von 120 MW bedeutet dies eine beachtliche Einsparung. Das Geschäftmodell der RED, die mit 1,5 Mrd. $ von Denham Capital Management finanziert wird, sieht vor, die System zur Abwärmenutzung auf eigene Rechnung zu installieren und sich im Rahmen langfristiger Verträge für die Energieeinsparungen bezahlen zu lassen.

In China wiederum ist 2009 die Firma China Energy Recovery (CER) aktiv.

Im März 2010 berichten Forscher der University of Texas in Dallas, daß sie an einer neuen Art von Thermozelle aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen arbeiten, die in der ist, Abwärme aus dem Abgassystem eines Fahrzeugs einzufangen – und dabei zu äußerst geringeren Kosten herstellbar sei. Die gegenwärtig wirksamsten Thermozellen basieren dagegen auf teuren Platin-Elektroden.

Die neue elektrochemische Zelle der Akademiker, die auch drei Mal effizienter ist als ihre Vorgänger, arbeitet mit zwei Elektroden, die in zwei verschiedenen Temperaturzonen positioniert sind. Sobald sich eine Elektrode aufheizt, drückt sie Elektronen durch einen externen Schaltkreis, der eine Mischung von Chemikalien enthält, um Strom zu erzeugen. Der Prototyp ist konzipiert, daß er um ein heißes Abgasrohr gewickelt werden kann. Er funktioniert 90 Tage lang. Die technischen Details sind in einer im Netz abrufbaren Publikation unter dem Titel ‚Harvesting Waste Thermal Energy Using a Carbon-Nanotube-Based Thermo-Electrochemical Cell’ abrufbar.

Übrigens wird bereits im August 2010 gemeldet, daß Forscher am Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute der University of Texas eine breit einsetzbare Technologie entwickelt haben, um Pulver wie Bor oder Magnesium in ein Netz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen einbringen. Mittels dieser Nanoröhren lassen sich im Anschluß verweb-, strick- und nähbare Garne spinnen, aus denen energieerzeugende und selbstreinigende Stoffe machbar sind. Das Pulver, das 95 – 99 % des Garngewichts ausmachen kann, wird in den Windungen des Nanoröhrchen-Netzes eingeschlossen.

Im Januar 2011 demonstrieren die Wissenschaftler die Einsatzfähigkeit ihrer Garne für Anwendungen im Bereich von supraleitenden Kabeln und elektronischen Textilien bis hin zu Batterien und Brennstoffzellen mit gewebten flexiblen Elektroden.

Ähnliche Entwicklungen wie oben laufen auch bei den Autobauern Honda, Toyota und anderen. Der Turbosteamer von BMW beispielsweise koppelt die aus den Abgasen gewonnene Energie mechanisch auf die Kurbelwelle zurück. An dem Projekt dieses Assistenzantriebs, der nach dem Prinzip der Dampfmaschine funktioniert, wird schon seit 2005 gearbeitet. Er erreicht eine Verbrauchsersparnis von rund 15 %.

Der Turbosteamer basiert auf zwei Kreisläufen, einem Hochtemperaturkreis, der die Abgashitze direkt als Energiequelle nutzt, sowie einem zweiten Kreislauf, der mit geringeren Temperaturen arbeitet. Der Hochtemperaturkreislauf besitzt zwei Wärmetauscher, durch die mit einem Druck von bis zu 40 bar Wasser gepumpt wird, das sich selbst bei nur mäßig belastetem Motor maximal 550°C erhitzt. Der entstehende heiße Dampf strömt in eine Expansionsmaschine, die an die Kurbelwelle gekoppelt ist und so zusätzliche Kraft in den Antriebsstrang leitet. In dem zweiten Röhrensystem zirkuliert dagegen Ethanol, das durch die Restwärme aus dem Hochtemperaturkreislauf (150°C bis 200°C), die Kühlwasserwärme des Motors und die Restwärme des Abgaswärmetauschers erhitzt wird. Die gesammelte Energie reicht aus, um das Ethanol auf zirka 150°C aufzuheizen und damit eine zweite Expansionsmaschine anzutreiben. Die Technik soll aber erst in ca. 10 Jahren marktreif sein.

Im Juni 2010 höre ich erstmals von den thermischen Rädern (heat recovery wheels) der finnischen Firma Ensto Enervent Oy aus Porvoo (wobei es natürlich auch noch viele andere Hersteller gibt). Die rotierenden Wärmetauscher sind auch als ‚rotierendes Luft-zu-Luft-Enthalpie-Rad’ oder ‚Wärmerückgewinnungsrad’ bekannt. Diese Räder werden innerhalb der Zu- und Abluft-Ströme von raumlufttechnischen Installationen oder der Abgasströmung industrieller Prozesse positioniert, um die Wärmeenergie einzufangen und sind seit etwa 20 Jahren bekannt. Ein kühlspezifisches thermisches Rad wird manchmal als Kyoto-Rad bezeichnet.

Ein Wärmerad besteht aus zwei Aluminiumstreifen - einem flachen und einem gewellten - die um eine Achse gewickelt sind, um ein Rad zu bilden. Während die eine Hälfte des Rades der kalten Luft ausgesetzt wird, die vom Lüftungssystem angesogen wird, erwärmt sich diese einströmende Luft, da das Aluminium wärmer ist als die äußere Umgebung. Umgekehrt gibt die Abluft ihre Wärme bei Filterung durch die andere Hälfte des sich drehenden Rades ab, die nun kälter ist, weil sie einen Teil ihrer Wärme an die einströmende Luft übertragen hat. Mit einer Wärmepumpe kann die Funktion noch verstärkt werden. Das Ergebnis ist eine massive Energieeinsparung. Selbstverständlich gibt es noch eine Vielzahl weiterer Wärmetauscher-Technologien – deren Aufzählung allerdings den Umfang dieser Präsentation sprengen würde.

Es ist auch viel interessanter zu lesen, was sich Mitte 2010 Wissenschaftler aus Neuseeland für ein Dissertationsprojekt an der Victoria University in Wellington ausgedacht haben, nämlich die kommerzielle Entwicklung einer Methode, um aus Abwasser nicht nur Hochdruckdampf, sondern auch noch Wasser, Düngemittel und Essigsäure zurückzugewinnen. Das Projekt bietet eine nachhaltige Lösung für die Abwässer von Milchviehbetrieben, Weingütern und Fleischbetrieben.

Das neue Verfahren wird Wetox genannt (Nassoxidation) und bildet eine Methode zur Entfernung von gelösten Feststoffen aus dem Abwasser unter Verwendung von Wärme und Sauerstoff bei hohem Druck. Bislang wird der Prozeß vor allem für industrielle Abfälle genutzt, erreichte aufgrund seiner Kosten aber keine breitere Nutzung. Die Forscher entwickeln daher gemeinsam mit Viclink, dem kommerziellen Partner der Universität, eine kostengünstige und bereits patentierte Variante der Methode, die auch aufgrund neuer Umweltauflagen und der steigenden Kosten für die Abfallentsorgung immer attraktiver wird. Außerdem kann die gewonnene Essigsäure leicht verkauft werden, da in der chemischen Industrie großer Bedarf danach besteht, der bislang zumeist aus Erdölderivaten gedeckt wird, durch die katalytische Synthese von Methanol und Kohlenmonoxid unter Druck (Monsanto-Prozeß).

Im September 2010 gibt es eine Kurzmeldung, daß nun auch in Paris ein Wärmerückgewinnungsprojekt gestartet sei, bei dem die Abwärme der Metro (beispielsweise der durch Reibung und beim Bremsen entstehenden Wärme) verwertet wird, um ein Gebäude mit 17 Sozialwohnungen zu beheizen. Weitere Informationen darüber konnte ich bislang nicht finden.

Die US-Firma Ormat Technologies Inc. aus Reno, Nevada, (die US-Tochter eines israelischen Kraftwerkentwicklers), die hauptsächlich im Geo- und Solarthermie-Sektor aktiv ist (s.d.), gilt gleichzeitig auch als Expertin für Abwärmerückgewinnung. Im November 2010 wird gemeldet, daß nun die Ergebnisse eines zweijährigen Tests vorliegen, der zusammen mit dem DOE auf einem voll funktionsfähigen Ölfeld in Wyoming durchgeführt wurde und die Nutzung einer völlig neuen Energiequelle zum Inhalt hatte. Normalerweise kommt das heiße Wasser, das ein geothermisches Turbinensystem antreibt, aus natürlich vorkommenden geothermischen heißen Quellen. Ormat entwickelte nun ein Weg, um aus dem Öl- und Wassergemisch, das schon während des Bohrens aus dem Boden kommt, zunächst das Öl zu separieren, um dann das heiße Wassermittels einer Wärmerückgewinnung zur Stromerzeugung zu nutzen.

Die neue Technik nutzt das Ölfeld-Wasser mit seiner relativ niedrigen Temperatur von etwa 90°C, um ein flüchtiges Arbeitsfluid namens Isopentan zum kochen zu bringen, dessen Siedepunkt bei 28°C liegt. Mit dem entstehenden Dampft wird dann eine Turbine mit angeschlossenem Generator angetrieben. Die Einheiten von Ormat haben Maximalleistung von 250 kW, wobei die tatsächlich erreichte Durchschnittsleistung 180 kW betragen hat. Im März 2011 wird gemeldet, daß inzwischen eine Durchschnittsleistung von 225 kW erreicht wird.

Im Januar 2011 berichtet eine Gruppe von Materialwissenschaftlern, Physikern und Chemikern der Northwestern University in Illinois, daß sie ein neues Nanomaterial entwickelt haben, das 14 % der Abwärme zur Stromerzeugung nutzen kann. Bis jetzt erreichen vergleichbare Umsetzungen, die Abwärme in Strom umwandeln, zumeist eine Effizienz im Bereich zwischen 5 % und 10 %. Das neue Nanomaterial auf der Grundlage von Blei wird hergestellt, indem Nanokristalle von Steinsalz in Blei-Tellurid eingebracht werden. Blei-Tellurid, das aus Blei- und Tellur-Ionen auf einem Gitter besteht, galt seit langem als einer der vielversprechendsten Kandidaten, da er bereits kommerziell in thermoelektrischen Generatoren verwendet wird (s.u.). Im Bereich der Wärmenutzung gab es aber technische Probleme zu überwinden, was den Forschern aus Illinois nun gelungen ist. Es bleibt abzuwarten, wie lange es jetzt bis zu einer kommerziellen Umsetzung dauert.

Daß die Niedertemperaturwärme nutzende Organic-Rankine-Cycle (ORC) Technik mit bis zu 85 % Wirkungsgrad für den Markt immer interessanter wird, belegt das neue Engagement des US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtunternehmens Pratt & Whitney mit Sitz in East Hartford, Connecticut. Im australischen Brisbane errichtet die Firma Anfang 2011 nämlich in einem holverarbeitenden Betrieb der Gympie Timber Company eine 240 kW ORC-Anlage, die ihre Energie aus einem bestehenden Biomasse-Brenner bezieht und Strom für Öfen zur Trocknung von Bauholz erzeugt.

Pratt & Whitney gehören damit zu einer wachsenden Zahl von Unternehmen, die versuchen, die ORC-Technologie auf den Markt der USA zu bringen, wo sie bislang noch relativ unbekannt ist – während es in Europa zu diesem Zeitpunkt schon 120 bis 150 ORC-KWK-Anlagen mit einer Kapazität von mehreren Megawatt gibt.

In Deutschland sind derweil Fensterintegrierte Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung auf dem Vormarsch, da sie es erlauben, Bestandsgebäude vergleichsweise einfach nachzurüsten und eine interessante Alternative zum Einbau zentraler oder dezentraler Lüftungsgeräte darstellen. Im Gegensatz zu einfachen Fensterfalzlüftern, durch die Frischluft einströmt und die sich bei Überschreiten eines bestimmten Winddrucks selbsttätig schließen, richtet sich das Interesse zunehmend auf Fenster oder Fenstersysteme mit integrierten Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung. Im Januar werden auf der Messe Bau 2011 gleich zwei dieser Systeme mit dem Preis für die Produktinnovation ‚Praxis Altbau’ ausgezeichnet. VentoTherm von Schüco und die Gemeinschaftsentwicklung PremiVent der Profine Group und Zehnder PremiVent.

Schücos System wird außen sichtbar am Fensterrahmen angebracht, wobei die durchschnittliche Einbauhöhe nur 50 mm beträgt. Die Steuerung kann sowohl manuell als auch automatisch mit Hilfe einer Sensorsteuerung anhand von Luftfeuchtegehalt und CO₂-Gehalt erfolgen, außerdem können die Geräte in die Gebäudeleittechnik eingebunden werden. Als zuluftseitig gemessener Wärmebereitstellungsgrad werden 45 % angegeben, wobei das Unternehmen bereits an einer weiteren Erhöhung um etwa 10 % arbeitet. Das deutlich größere Profine-System (98 cm breit, 17,5 cm hoch und mindestens 41 cm tief) kann dagegen unsichtbar unter der Fensterbank montiert werden. Die Entwickler arbeiten aber an einer Verkleinerung des Systems.

Eine dritte Variante stammt von der Firma Siegenia Aubi. Deren fensterintegriertes Gerät Aeromat VT WRG soll einen thermischen Wärmerückgewinnungsgrad von bis zu 61,7 % erreichen und kann flexibel positioniert werden, d.h. sowohl seitlich als auch ober- oder unterhalb des Fensters.

Ein wesentlicher, wenn auch noch völlig ungenügend umgesetzter Einsatzbereich für Abwärme ist die Meerwasserentsalzung. Im Februar 2011 melden die einschlägigen Blogs, daß die israelische IDE Technologies, Hersteller der weltweit größten Umkehrosmoseanlagen, einen Vertrag mit dem chinesischen Stromunternehmen Tianjin SDIC geschlossen hat, bei dem es um die Errichtung von vier Multi-Effect-Destillation (MED) Entsalzungsanlagen mit einer Produktionskapazität von jeweils 25.000 m³ destilliertes Wasser pro Tag geht. Die Versorgung der Anlagen soll durch die Abwärme aus anderen industriellen Quellen erfolgen. Gemeinsam mit bereits bestehenden Entsalzungsanlagen wird das Ergebnis mit einer Tageskapazität von 200.000 m³ den größten Entsalzungsanlagenkomplex Chinas darstellen. Das entsalzte Wasser soll sowohl in einem Kraftwerk genutzt werden um Strom zu produzieren, als auch um Trinkwasser für die 12-Millionen-Stadt Tianjin bereit zu stellen.

Im April 2011 folgt wieder einmal eine Meldung aus Paris, wo nun in der Wattignies Schulgruppe im 12. Arrondissement die Wärme des Abwassers genutzt werden soll, um die Schüler warm zu halten. Die Abwärme stammt aus Geschirrspülern, Waschmaschinen, Duschen und Waschbecken und soll bis zu 70 % des Heizbedarfs der Schule decken können. Hierfür werden eine Wärmepumpe sowie ein 60 m langer Wärmetauscher installiert. Im Vorjahr hatte bereits der Pariser Vorort Levallois-Perret damit begonnen, mit der Wärme aus dem Abwasser ihre Schwimmbäder zu beheizen.

Als internationaler Spezialist für die Wärmerückgewinnung aus Abwasser gilt im übrigen die Schweizer Rabtherm AG aus Zürich, welche die Technologie von Wärmetauschern in öffentlichen Abwasserkanälen vor schon über 20 Jahren entwickelt und patentiert hat. Neben einer Vielfalt an Konstruktionen und Einbaumöglichkeiten lanciert das Unternehmen drei entscheidende Neuentwicklungen: Ein Anti-fouling-System zur Verhinderung der Sielhaut (Biofilm), das eine Erhöhung der Wärmeleistung von über 30 % bringt, ein neues, gemeinsam mit Arcelor-Mittal entwickeltes Material, das eine um 80 % verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist, sowie ein übergeordnetes Regelsystem für bivalente Anlagen mit Alternativenergien. Die kleinste Anlage der Rabtherm erreicht eine Wärmeleistung von 60 kW, die größte Anlage in Betrieb sogar über 3 MW. Eine Anlage mit 6,1 MW ist 2011 in Planung.

Am Ende des aktuellen Updates dieses Unterkapitels möchte ich noch die Anregung eines Lesers weitergeben: Herr Karl-H. Beisswenger aus Ratingen meint nämlich, es sei höchste Zeit, daß sich die Nutzung der Kernenergie nicht nur auf die Erzeugung von Strom beschränkt, sondern daß zukünftig auch die temporär erzeugten Temperaturen von über 200°C der eingelagerten Nuklear-Abfälle genutzt werden. Leider scheint es dazu jedoch überhaupt keine Forschung und Weiterentwicklung zu geben. Sachdienliche Hinweise werden gerne entgegengenommen.

Abschließend anzumerken ist noch, daß ich die Wärmenutzung des Meeres im Kapitel Wasserenergie unter dem Stichwort Temperaturgradient behandle. Eine weitere neue Technologie, die höchstwahrscheinlich ebenfalls aufgrund thermischer Wechselwirkungen funktioniert, beschreibe ich ausführlich in Teil D.

Weiter mit der Wärmeenergie...