Wie sinnvoll ist die Industrieabwärmenutzung? - Betrachtungen zur Verwertung der Abwärme – insbesondere von Wärmekraftwerken

Angesichts der globalen Dimension des Klimawandels ist die Völkergemeinschaft insgesamt gefordert, nachhaltig wirkende Maßnahmen zur Abwehr der drohenden Klimaveränderung zu ergreifen. Ausdruck dieses Bemühens sind die seit Kyoto in Abständen wiederholt durchgeführten Weltklimakonferenzen, auf denen sich die Staaten zur Festlegung von Einsparungszielen verpflichten sollen. Nachdem sich die Länder mit dem höchsten Ausstoß schädlicher Abgase bisher geweigert hatten, eigene Verpflichtungen einzugehen, hat es unter dem Druck der erkennbaren Auswirkungen der Klimaveränderung auf der UN-Klimakonferenz von Paris am 12. Dezember 2015 einen Durchbruch gegeben. Nach zähem Ringen haben sich erstmalig alle Länder auf ein neues weltweites Klimaschutzabkommen geeinigt. Dementsprechend treten diese Staaten einem Vertrag bei, dessen erklärtes Ziel die Begrenzung der Erderwärmung auf maximal 1,5 – 2⁰C ist [2].  
Die Bundesregierung hat ihre nationalen Ziele in einem Klimaschutzpaket festgelegt. Darin ist vorgesehen, Einsparungen von 40% gegenüber 1990 bis zum Jahr 2020 vorzunehmen und diese dann auf 80 – 95% bis 2050 zu steigern [3], [4]. Auch das Land Berlin gibt sich laut Senatsbeschluss das Ziel vor, die Stadt bis 2050 klimaneutral umzugestalten.

Ursache Treibhauseffekt
Ursache für den Temperaturanstieg ist der sogenannte Treibhauseffekt. Dieser entsteht dadurch, dass sich in höheren Atmosphärenschichten bestimmte Gase anreichern, die – ähnlich wie bei einem verglasten Gewächshaus – zwar die solare Strahlung ungehindert passieren lassen, die Wärmeabstrahlung jedoch je nach Konzentration zunehmend beeinträchtigen. Zu diesen Treibhausgasen zählt neben Methan und anderen Kohlenwasserstoffen vor allem das CO2.
Zunächst ist jedoch festzustellen, dass CO2 ein natürlicher Bestandteil der Luft ist und mit der Umgebung in wechselseitigem Austausch steht. Dieses Gas entsteht beispielsweise bei der Zellatmung wie auch bei der vollständigen Verbrennung kohlenstoffhaltiger Materialien. Im Gegenzug wird CO2 von den Pflanzen aufgenommen, indem aus CO2 und H2O mithilfe von Sonnenlicht und Chlorophyll durch Photosynthese Traubenzucker gebildet wird. Dieser sich bisher im Gleichgewicht befindliche natürliche Prozess wird nun seit einiger Zeit durch menschliche Eingriffe in den Naturhaushalt empfindlich gestört. Zu den klimaschädlichen Ursachen gehören insbesondere das großflächige Brandroden gro­ßer Waldflächen sowie die Emission zusätzlichen Kohlendioxyds durch eine Vielzahl technischer Anlagen.

Klimasünder Wärmekraftwerke
Zu den größten industriellen Klimasündern zählen neben dem Verkehrswesen, den Haushalten und Kleinproduzenten insbesondere die Wärmekraftwerke. Diese gehören nicht nur – insbesondere in Gestalt älterer Braunkohlenkraftwerke – zu den Hauptemittenten von CO2, sondern entlassen auch große Mengen von in Wasserdampf bzw. in Rauchgasen gebundener Wärmeenergie ungenutzt in die Atmosphäre und tragen damit wesentlich zur Erderwärmung und damit zum Klimawandel bei. Dementsprechend ließen sich wesentliche Effekte zur Eindämmung der Erderwärmung erzielen, wenn es gelänge, die Emissionen thermischer Industrieanlagen nachhaltig zu reduzieren. Diesem Bemühen ist auch dieser Beitrag gewidmet, in dem Lösungsansätze aufgezeigt werden, die diesem Ziel dienen.
Skeptiker mögen angesichts des zu erwartenden Aufwandes dagegen halten, dass entsprechend den Vorgaben der Bundesregierung der Anteil der mit fossilen Energieträgern betriebenen Wärmekraftwerke an der Energieversorgung ohnehin schrittweise gesenkt werden soll und sich damit das bestehende Problem weitgehend von selbst löst. Bei realistischer Einschätzung ist hingegen zu erwarten, dass es auch im Jahr 2050 und darüber hinaus wohl noch Wärmekraftwerke und Industriefeuerungsanlagen geben wird; allein schon, um den Wärmebedarf für Heizungen und Produktionszwecke abzudecken. Somit besteht bei solchen Anlagen durchaus ein dringender Handlungsbedarf.
Bei der nachfolgenden Vorstellung von Lösungsvorschlägen zur Reduzierung der klimaschädlichen Emissionen von Wärmekraftwerken werden wir eine Aufteilung der Behandlung vornehmen und uns aufeinanderfolgend mit den erkennbaren Möglichkeiten – bezogen auf die Kühltürme sowie die Dampferzeugung unter Verwendung von Feuerungsanlagen – befassen.

Nutzungsmöglichkeiten der Abwärme aus Kühltürmen
Die aus den Kühltürmen von Wärme- und Kernkraftwerken ausströmenden weithin sichtbaren Schwaden weißen Dampfes verweisen auf den Tatbestand, dass hier offenbar erhebliche Wärmemengen ungenutzt in die Atmosphäre entweichen. Dies ist der Grund darüber nachzudenken, wie dieser Ausstoß nutzbringend verwertet werden könnte.

Problembeschreibung
 Bei der Kühlung des Kondensators fallen im Vergleich zu den vergleichsweise nur wenigen m³ benötigten Wassers für den eigentlichen Wasser-Dampf-Prozess erhebliche Wassermengen an. Somit entweichen nach der bisherigen Betriebsart der Kühltürme große Wärmemengen ungenutzt in die Atmosphäre.
Den Bemühungen zur nutzbringenden Verwertung der wasserdampfgebundenen Abwärme – etwa für Heiz- oder  Produktionszwecke – sind enge Grenzen gesetzt. Diese scheitern oftmals an dem in der Umgebung der Kraftwerke vorliegenden zu geringen Bedarf, vor allem aber an den jahreszeitlich und wetterseitig bedingt starken Schwankungen des Verbrauchs. Dementsprechend kann auf diese Weise der erforderliche kontinuierliche Kraftwerksbetrieb nicht gewährleistet werden. Daraus folgt wiederum, dass Kühltürme als unverzichtbare Bestandteile von Wärmekraftwerken gelten.
Unser Bemühen ist im Weiteren darauf gerichtet, Möglichkeiten aufzuzeigen, um die aus den Kühltürmen ungenutzt in die Atmosphäre abgegebene Wärmeenergie dennoch  nutzbringend zu verwerten. Damit soll ein Beitrag zur Schonung des Klimas und zugleich auch eine  Steigerung des Prozesswirkungsgrades erreicht werden.

Lösungsvorschlag 1:
Brennwerttechnologie
Die hier verfolgte Absicht besteht darin, zumindest einen großen Teil der bisher ungenutzten Abwärme von Kühltürmen in gebrauchsfähige Wärme, also Nutzwärme, zu überführen. Eine Anregung dazu bietet die sogenannte Brennwerttechnologie. Das Wesen dieser Technologie besteht darin, die in den heißen Abgasen enthaltene Wärmeenergie zu verwerten, indem sie einem gesonderten Wärmekreislauf zugeführt wird. Im Zuge der bei freier Strömung erfolgten Wärmeübertragung werden die emittierten Abgase heruntergekühlt, wobei das darin enthaltene Wasser kondensiert [5]. Durch die verringerte Wärmeabgabe und möglicherweise auch stark reduzierten CO2-Ausstoß trägt diese Technologie wesentlich zur Verringerung der Klimabelastung bei und bietet darüber hinaus auch den Vorteil beachtlicher Einsparungen.
Die Brennwerttechnologie findet derzeit insbesondere für Heizungsanlagen in Wohngebäuden Anwendung. Angesichts der überzeugenden Vorteile könnte man jedoch auch daran denken, das Prinzip der Brennwerttechnologie auf den Betrieb von Kühltürmen zu übertragen. In diesem Fall würde es sich darum handeln, anstelle der Rauchgase die austretenden wasserhaltigen Dämpfe herunterzukühlen, indem diesen mittels eines Kühlkreislaufes Wärme entzogen wird. Dazu würde im Kühlturm das Wasser-Dampf-Gemisch vor Austritt versprüht, wobei die Temperatur unter der Wirkung einer darunter angebrachten Kühlschlange allmählich abgesenkt wird und das Medium dabei zunehmend kondensiert.
Der Wärmeaustausch erfolgt dabei in freier Strömung. Am Ende gelangt das Kondensat als niedrig temperiertes Wasser in das am Boden befindliche Auffangbecken. Angesichts der Herkunft des Kühlwassers für den Kondensator aus natürlichen Ressourcen ist auch das Kondensat weitgehend schadstofffrei. Es kann somit unter Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen wieder an die ursprüngliche Entnahmestelle zurückgeleitet werden.
Eine andere mögliche Variante besteht in der Anwendung der Wärmeübertragung bei erzwungener Strömung. Hier erfolgt die Kondensation unter Anwendung einer rohrgeführten Strömung ähnlich wie bei den Wärmetauschern.
Es bleibt noch die Beantwortung der Frage, was mit dem in einen zusätzlichen Wärmekreislauf erwärmten Wasser geschehen soll. Eine der Möglichkeiten wäre die Wandlung von Abwärme in Nutzwärme, etwa zu Zwecken der Heizung oder Warmwasserbereitung, diesmal jedoch erzeugt in einem vom Kraftwerksbetrieb abgekoppelten separaten Prozess.
Eine andere nützliche Verwertung wäre die Umwandlung der Wärmeenergie in elektrischen Strom. Diese Möglichkeit ist zu bevorzugen, wenn kein hinreichender Wärmebedarf besteht. In diesem Fall werden zusätzliche Komponenten benötigt, deren wesentlichste eine Wärmepumpe, Dampfturbine und ein Stromgenerator wären.

Lösungsvorschlag 2:
ORC
Ein weiterer Lösungsansatz für den Wärmeentzug aus dem Kühlwasser des Kondensators von Wärmekraftanlagen ergibt sich möglicherweise durch Anwendung des Organic Rankine Cycles (ORC) sowie des Kalina-Prozesses [6]. Danach wäre es notwendig, einen zweiten Kühlkreislauf einzurichten, bei dem jedoch nicht Wasser, sondern andere Medien als Arbeitsmittel zum Einsatz kommen. Wesentlich für die Auswahl dieser Medien ist, dass diese schon bei Temperaturen unter 100⁰C und vergleichsweise niedrigen Arbeitsdrücken maximale Arbeit aus der vorhandenen Wärmequelle – hier dem Kühlwasser – schöpfen können. Diese Bedingungen erfüllen beim ORC organische Arbeitsmittel, insbesondere Kohlenwasserstoffe. Beim Kalina-Kreisprozess wird ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak als Wärmeträger benutzt. Die aufgenommene Wärmeenergie kann dann in üblicher Weise mittels Turbine und Generator in zusätzlichen Strom umgesetzt werden. Inwieweit dieser Lösungsansatz für den hier betrachteten Einsatzfall tragfähig ist, bedarf noch einer eingehenderen Prüfung.

Lösungsvorschlag 3:
Direktumsetzung
Dieser Vorschlag setzt auf eine Direkt­umsetzung der im Kühlturm anfallenden Wärmeenergie in elektrischen Strom. Damit entfallen die bei der zuvor geschilderten Stromerzeugung benötigten Zusatzkomponenten.
Für die Direktumwandlung von Wärme in Strom wurden in jüngster Zeit technische Lösungen entwickelt, die auf unterschiedlichen Prinzipien der Energieübertragung beruhen. Zum einen handelt es sich um die Energieübertragung durch Strahlung. Diese erfolgt vorzugsweise im mittleren Spektralbereich bei Wellenlängen von 3 – 8 m. Eine erfolgversprechende Lösung basiert auf einer photoelektrischen Wandlung. Grundlage dafür ist die Nutzung des photoelektrischen Effekts, der auf der Strahlungshypothese (Max Planck) beruht. Dieses Prinzip wird auch in der Solartechnologie genutzt, wobei allerdings ein anderer Spektralbereich von Bedeutung ist. Für Anwendungen zur Wärmeübertragung mit größtmöglichem Wirkungsgrad werden spezielle Detektoren benötigt, welche u.U. gekühlt werden müssten. Für Kleinanwendungen sind solche thermischen Wandler bereits im Angebot [7].
Eine möglicherweise noch tragfähigere Lösung zur Direktumwandlung von Wärme in Strom verspricht die Ausnutzung des thermoelektrischen Effekts, dessen Entdeckung auf Th. J. Seebeck zurückgeht [8]. Entsprechend diesem Wirkprinzip wird zwischen zwei Leitern unterschiedlichen Materials eine elektrische Spannung generiert, wenn zwischen diesen eine Temperaturdifferenz besteht. Die dabei erzielte Stromausbeute wird sowohl von bestimmten Materialkonstanten der Leiter (Seebeck-Parameter) als auch von der zwischen ihnen bestehenden Temperaturdifferenz bestimmt. Um diese Temperaturdifferenz zwischen beiden Metallen herzustellen, bedarf es also neben der Wärmequelle (hot source) auch einer kühlen Seite (cold side).
Auch hier sind bereits Lösungen im Angebot. Ein Produkt ist auf die Abschöpfung von  Energie speziell aus Niedrigtemperaturquellen gerichtet und wird vom Hersteller bezeichnender Weise Thermo-Harves­ter genannt [9]. Wesentliche Bestandteile der technischen Lösung sind funktionalisierte Kunststoffe mit integrierten elektronischen Bauelementen unter Einschluss von Nanopartikeln sowie die verlustarme Aufnahme der umzusetzenden Wärmenergie.  Ein für unsere Zwecke besonders interessantes Produkt wertet die Abwärme in flüssigkeitsgebundener Form aus und gewinnt daraus Strom. Kernstück ist hier eine fluidisch durchströmte Leiterplatte. Eine der ins Auge gefassten Einsatzmöglichkeiten betrifft die Ausnutzung der Wärme des Kühlwassers von Kfz-Motoren.
Es bleibt jedoch festzuhalten, dass die bisher bekannten Anwendungen der Direktumwandlung von Wärme in Strom auf Kleinanwendungen orientiert sind. Dementsprechend können von den dort eingesetzten Lösungen für thermoelektrische Wandler nur Anregungen hinsichtlich der hier vorgeschlagenen Großanlagen erlangt werden. Dennoch lohnt sich die weitere Verfolgung der Direktumwandlung von flüssigkeitsgebundener Wärme in elektrischen Strom auch für Großprojekte angesichts der zu erwartenden großen Vorteile.
Bleibt noch die Frage der Verwertung des aus Abwärme erzeugten Stroms. Dieser könnte im Kraftwerk – zumindest partiell – zur Deckung des Eigenbedarfs genutzt werden. Darüber hinaus bestehende Überschüsse an selbsterzeugtem Strom ließen sich jederzeit in das öffentliche Stromnetz einspeisen, wobei ein zusätzlicher finanzieller Nutzen erzielt würde.

Nutzungsmöglichkeiten der Abwärme aus Verbrennungsanlagen
Eine weitere Kategorie von Großemittenten von Abwärme und klimaschädlichen Abgasen sind Verbrennungsanlagen. Diese finden sich nicht nur in metallurgischen, chemischen, keramischen Anlagen von Zementfabriken, Glashütten, Großwäschereien u.a., sondern sind auch Bestandteile von Wärmekraftwerken. Man erkennt sie an den mehr oder weniger hohen Schornsteinen, aus denen große Mengen an weiß bis dunkel gefärbten Rauchgasen quellen.

Problembeschreibung
Die in die Atmosphäre ungenutzt entweichenden Rauchgase sind das Endprodukt der Verbrennung fossiler Energieträger, wie Braun- und Steinkohle, Öl, Erdgas, Müll, Hackschnitzel etc. Bei ihrer Verbrennung findet eine chemische Stoffumsetzung statt, bei der große Mengen an wärmegebundener Energie freigesetzt werden. Bei der chemischen Umsetzung des im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffs reagiert dieser mit dem Sauerstoff der Luft zu CO2. Außerdem entsteht durch Oxidation des ebenfalls im Brennstoff enthaltenen Wasserstoffs Wasser. Am Beispiel von Methan als Brennstoff betrachtet, ergibt ein Molekül CH4 bei seiner Verbrennung ein Molekül CO2 und zwei Moleküle H2O [5].
Dem durch chemische Reaktion entstandenen Wasser ist außerdem noch die im Brennstoff enthaltene Produktfeuchte beigemischt, deren Anteil bei der Verbrennung von Braunkohle besonders hoch ist. Damit werden mit dem Wasserdampf beträchtliche Mengen an Energie ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben. Mit dem Dampf verlassen den Schornstein auch große Mengen des aus chemischer Reaktion stammenden klimaschädlichen Kohlendioxyds sowie andere im Brennstoff enthaltene Bestandteile in gasförmiger Form. Somit sind die Rauchgase in doppelter Hinsicht klimaschädlich. Diese Erkenntnis gibt uns hinreichend Anlass, über Möglichkeiten der Abmilderung nachzudenken.

Lösungsansatz
Die Idee für einen uns geeignet erscheinenden Lösungsvorschlag basiert wiederum auf der Brennwerttechnologie. Die Besonderheit dieses Prinzips besteht darin, dass das bei der Verbrennung fossiler Ener­gieträger entstehende und aus anderen Quellen stammende Wasser nicht wie bisher in dampfförmigem Zustand aus dem Schornstein entweicht, sondern zur Kondensierung gebracht und abgeleitet wird. Dazu wird ein zusätzlicher Kühlkreislauf zur Herabkühlung des Dampfes unter den Taupunkt installiert, sodass flüssiges Wasser niedriger Temperatur entsteht. Die Bedingung dabei ist, dass die Temperatur des Rücklaufwassers unter der Grenze von 57⁰C liegt. Der hierbei erzielte Effekt lässt sich am Beispiel der Brennwertkessel für häusliche  Heizungsanlagen verdeutlichen. Betrug die Abgastemperatur beim Austritt aus dem Schornstein bisher etwa 150⁰C, so reduziert sich diese beim Einsatz moderner Niedertemperatur-Heizkessel auf nur noch 40⁰C.
Beim Einsatz der Brennwerttechnologie ergibt sich das Problem, dass das zunehmend herabgekühlte Wasser während des Herabtropfens das bei der Verbrennung entstehende CO2 aufnimmt und somit zunehmend saurer wird. Somit besteht Korrosionsgefahr. Um den daraus resultierenden Schäden vorzubeugen, müssen geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden. Diese bestehen in einer  Auskleidung des Feuerraums mit säurefester Keramik und dem Einziehen korrosionsfester Edelstahl- bzw. temperaturbeständiger Kunststoffrohre (bspw. Polypropylen oder PTFE)  [5]. Weiterhin muss auch das sich am Boden ansammelnde saure Kondensat neutralisiert werden, bevor es in das öffentliche Abwassernetz eingeleitet werden kann.
Der Einsatz der Brennwerttechnologie in Verbrennungsanlagen lässt somit einen zweifachen Nutzen erwarten. Zum einen wird die Freisetzung des im Rauchgas enthaltenen klimaschädlichen Kohlendioxids weitgehend verhindert. Außerdem wird die Abgabe von Wärme an die Atmosphäre stark eingeschränkt und damit der thermische Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken wesentlich erhöht.
Wie schon angedeutet, fand die Brennwerttechnologie bisher vorwiegend in Gestalt von Brennwert-Heizungskesseln in Wohnanlagen Verwendung, die Erdgas oder Öl als primäre Energieträger  verwenden [10]. Die Umsetzung dieses vielversprechenden Prinzips für thermische Großanlagen, insbesondere Wärmekraftwerke, wird allerdings noch wesentliche Anstrengungen in Forschung und Entwicklung verlangen.

Schlussfolgerungen
Der Beitrag will dazu aufrufen, verstärk­te Anstrengungen zu unternehmen, um die klimaschädlichen Emissionen insbesondere von Wärmekraftwerken nachhaltig einzudämmen. Besonders im Fokus stehen dabei die in solchen Anlagen enthaltenen Kühltürme und Verbrennungsanlagen auf Basis fossiler Energieträger. Hier werden erhebliche Einsparungspotenziale gesehen, deren Realisierung einige bauliche Veränderungen erfordern.
Die in dem Beitrag enthaltenen Vorschläge gründen sich weitgehend auf Verfahren der neueren technologischen Entwicklung, welche bisher nur in Form kleintechnischer Lösungen bzw. Produkte umgesetzt wurden. Anwendungen in Wärmekraftwerken sind hingegen noch nicht bekannt. Somit konnten auch keine fertigen Problemlösungen vorgestellt werden. Die Vorschläge müssen noch eingehend untersucht und auf ihre Tauglichkeit geprüft werden. Der Autor hofft, dass der eine oder andere Lösungsvorschlag eine tragfähige Basis zur Problemlösung liefert. In diesem Fall sind noch weitere Forschungs- und Entwicklungsleistungen aufzubringen, um daraus anwendungsreife Lösungen bereitzustellen. Die dazu nötigen Anstrengungen erscheinen jedoch angesichts der bestehenden Bedrohung des Weltklimas als durchaus gerechtfertigt.

Literatur:
[1]www.spiegel.de > Wissenschaft > Natur
[2] www.phoenix.de/content/10234938
[3] www.bmub.bund.de > . . . > Klimaschutz  > Nationale Klimapolitik
[4] www.zeit.de > Start > Wirtschaft
[5] de.wikipedia.org/wiki/Brennwertkessel
[6] Wilming, W.: Große Zukunft für ORC und Kalina? Mit ORC- und Kalina-Anlagen umweltfreundlich Strom erzeugen. IKZ-ENERGY 11/12/2015, S. 49-53
[7] www.inoretex.de
[8] de.wikipedia.org/wiki/Seebeck-Effekt
[9] www.duropan.de
[10] www.viessmann.de/ . . . /gas-heizkessel/gas-brennwertkessel. html

Autor:
Der Berufsweg des Autors Wolfgang Weller führte über Tätigkeiten in der automatisierungstechnischen Industrie, in der Forschung, als Dozent am Higher Institute for Electronics (Ägypten), Honorarlehrkraft an der Universität Rostock zu langjährigem Wirken an der Humboldt-Universität zu Berlin als Professor für Technische Kybernetik. Zu den Arbeitsschwerpunkten der letzen Jahre zählte neben der Erarbeitung intelligenter Verkehrslösungen vor allem die Entwicklung von Konzepten auf dem Gebiet der Erneuerbaren Energien.

Kontakt:  BITWeller@t-online.de, Tel.: 030 4858640