In vielen Industriebetrieben verlässt Energie den Standort ungenutzt über den Kamin: als heißes Abgas aus Öfen, Trocknern oder Brennprozessen. Forman und Kollegen (2016) schätzen, dass weltweit rund 72 Prozent der eingesetzten Primärenergie nach der Umwandlung als Verluste anfallen, ein großer Teil davon als Wärme.

Ein Teil dieser Wärme lässt sich in Strom umwandeln. Welche Technik dafür passt, hängt vor allem von der Temperatur ab. In diesem Beitrag vergleiche ich die gängigen Verfahren und zeige, wo die extern befeuerte Mikrogasturbine ihre Stärken hat.

Warum entscheidet die Temperatur?

Wie viel Strom sich höchstens aus Wärme gewinnen lässt, beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad. Er hängt nur von der Temperatur der Wärmequelle und der Umgebung ab. Bei einer Abwärme von 150 °C und 25 °C Umgebung liegt die theoretische Grenze bei rund 30 Prozent. Bei 900 °C sind es rund 75 Prozent. Reale Anlagen erreichen deutlich weniger, aber das Verhältnis bleibt: Heiße Abwärme ist wertvoller.

Deshalb lohnt sich der Blick auf das Temperaturniveau, bevor man über Technik spricht. Abgase aus Glas-, Keramik- oder Metallprozessen liegen oft bei mehreren hundert bis über tausend Grad. Abwärme aus Kühlwasser oder Druckluft dagegen meist unter 100 °C.

Welche Verfahren gibt es?

ORC-Anlage

Der Organic Rankine Cycle arbeitet wie ein Dampfkraftwerk, nur mit einem organischen Arbeitsmedium, das schon bei niedrigen Temperaturen verdampft. ORC-Anlagen sind ausgereift und für Quellen von etwa 100 bis 350 °C verbreitet. Quoilin und Kollegen (2013) geben einen guten Überblick über Technik, Kosten und typische Wirkungsgrade.

Dampfturbine

Wasserdampf ist das klassische Arbeitsmedium der Kraftwerkstechnik. Bei hohen Temperaturen und großen Leistungen ist die Dampfturbine effizient. Im kleinen Leistungsbereich werden Kessel, Wasseraufbereitung und Betrieb aber schnell aufwendig.

Stirlingmotor und Thermoelektrik

Stirlingmotoren nutzen Wärme von außen und sind für kleine Leistungen interessant, am Markt aber wenig verbreitet. Thermoelektrische Generatoren kommen ohne bewegte Teile aus, erreichen jedoch nur geringe Wirkungsgrade.

Extern befeuerte Mikrogasturbine

Hier erhitzt die Abwärme in einem Hochtemperatur-Wärmetauscher saubere, verdichtete Luft. Diese Luft treibt die Turbine an, die über einen Generator Strom erzeugt. Die Turbine kommt mit dem Abgas der Wärmequelle nie in Kontakt. Al-attab und Zainal (2015) beschreiben in ihrem Übersichtsartikel die Stärken dieser Bauart: Sie kann Wärme aus Quellen nutzen, die für eine direkte Verbrennung in der Turbine nicht geeignet sind.

Richtwerte zur Orientierung. Die Grenzen hängen von Hersteller, Auslegung und Wärmequelle ab.

Wann lohnt sich die extern befeuerte Mikrogasturbine?

Ihre Stärke spielt die Technik bei sehr heißer Abwärme aus, die kontinuierlich anfällt. Unsere ClinX Heat ist für Abgase von etwa 900 bis 1.000 °C ausgelegt. Pro Modul erzeugt sie 150 kW Strom (brutto) und stellt bis zu 450 kW Wärme bereit.

Vorteile im Betrieb

• Luft als Arbeitsmedium: kein Wasserkreislauf, keine Wasseraufbereitung, kein Kältemittel.
• Luftlager ohne Schmieröl und ohne Ölwechsel.
• Die warme Abluft der Turbine steht als Nutzwärme zur Verfügung, etwa für Trocknung oder Heizung.
• Kein Eingriff in den Produktionsprozess: Die Abwärme wird abgezweigt und genutzt.

Kombination mit ORC

Die Verfahren schließen sich nicht aus. Hinter der ClinX Heat kann eine ORC-Anlage die verbleibende Wärme auf niedrigerem Temperaturniveau noch in Strom umwandeln.

Checkliste: Ist Ihre Abwärme geeignet?

Bevor es um die Technik geht, lohnt ein Blick auf die Wärmequelle. Diese Fragen klären wir in einem ersten Gespräch:

• Temperatur: Wie heiß ist das Abgas an der Stelle, an der es abgegriffen werden kann?
• Menge: Wie groß ist der Volumenstrom, also wie viel heißes Abgas fällt an?
• Verfügbarkeit: Läuft der Prozess rund um die Uhr oder nur in Schichten? Mehr Betriebsstunden bedeuten mehr Strom.
• Zusammensetzung: Enthält das Abgas Staub oder aggressive Bestandteile? Das bestimmt Material und Auslegung des Wärmetauschers.
• Platz: Gibt es in der Nähe der Wärmequelle Platz für einen 40-Fuß-Container?
• Abnehmer: Wofür können Strom und Restwärme am Standort genutzt werden?

Was bestimmt die Wirtschaftlichkeit?

Den größten Einfluss haben die Betriebsstunden und der Strompreis, den Sie durch eigenen Strom einsparen. Je mehr Stunden die Wärmequelle im Jahr läuft und je mehr Strom Sie selbst verbrauchen, desto schneller rechnet sich die Anlage. Dazu kommt der Wert der Restwärme, wenn sie im Betrieb genutzt werden kann, etwa für Trocknung oder Heizung. Für Projekte zur Abwärmenutzung gibt es außerdem Förderprogramme für Energieeffizienz in der Wirtschaft.

Mehr dazu: ClinX Heat 150, So funktioniert die extern befeuerte Mikrogasturbine und Prozesswärme.

Häufige Fragen

Ab welcher Temperatur lässt sich Abwärme verstromen?

ORC-Anlagen arbeiten schon ab etwa 90 °C, allerdings mit geringem Wirkungsgrad. Je höher die Temperatur, desto mehr Strom lässt sich gewinnen. Die ClinX Heat ist für Abgase mit 900 bis 1.000 °C ausgelegt.

Was ist der Unterschied zwischen ORC und ClinX Heat?

Eine ORC-Anlage nutzt ein organisches Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf und eignet sich für niedrigere Temperaturen. Die ClinX Heat nutzt Luft als Arbeitsmedium und ist für Hochtemperatur-Abwärme gedacht. Beide lassen sich kombinieren.

Muss der Produktionsprozess dafür umgebaut werden?

Bei der ClinX Heat nicht. Die Anlage wird an den vorhandenen Heißgasstrom angeschlossen, der Hauptprozess läuft unverändert weiter.

Was passiert mit staubhaltigen Abgasen?

Die ClinX Heat verträgt einen Staubgehalt unter 10 mg/m³. Liegt er höher, kann ein Filter vorgeschaltet werden. Das klären wir in der Projektierung.

Lohnt sich Strom aus Abwärme unter 100 °C?

Technisch ist das möglich, wirtschaftlich aber meist schwierig, weil der Wirkungsgrad sehr niedrig ist. Bei niedrigen Temperaturen ist es oft sinnvoller, die Wärme direkt zu nutzen, zum Beispiel für Heizung oder über eine Wärmepumpe.

Braucht die ClinX Heat Wasser?

Für die Stromerzeugung nicht: Arbeitsmedium der Turbine ist Luft. Wasser kommt nur dort ins Spiel, wo Sie die Restwärme über einen Heizwasserkreis nutzen.

Quellen

• Forman, C. et al. (2016): Estimating the global waste heat potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews 57, 1568 bis 1579.
• Quoilin, S. et al. (2013): Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 22, 168 bis 186.
• Al-attab, K. A., Zainal, Z. A. (2015): Externally fired gas turbine technology: A review. Applied Energy 138, 474 bis 487.