Kurzstudie Industrielle Abwärmepotenziale in NRW

  • Projekt-Nr.150445
  • Laufzeit 05/2015 - 06/2015

Der Endenergieeinsatz für Prozesswärme (ohne Warmwasser und Prozesskälte) in Deutschland betrug im Jahre 2013 insgesamt 1.960 PJ. Das entspricht 21 % des gesamten Endenergiebedarfs. Der mit 1.701 PJ oder 87 % größte Anteil entfällt dabei auf die industrielle Prozesswärme (BMWi 2015). Je nach Prozess geht ein oft nicht unerheblicher Anteil der eingesetzten Wärme ungenutzt verloren bzw. muss teilweise mit zusätzlichem Kühlaufwand abgeleitet werden. Als potenzielle Abwärmequellen kommen Öfen, Wärmeabstrahlung aus Produktionsmaschinen oder -anlagen, Abwässer aus Wasch-, Färbe- oder Kühlungsprozessen, Kühlanlagen, Kühlung von Serverräumen, Motoren oder die in Produktionshallen anfallende Abluft in Frage. Es wird geschätzt, dass trotz großer Bemühungen zur Wärmeintegration in Deutschland knapp 500 PJ Abwärme pro Jahr an die Umgebung abgegeben werden (Enova 2009; Pehnt et al. 2010). Dies zeigt das große Potenzial zur Einsparung von Primärenergieträgern und zur Reduktion von CO2-Emissionen. Die theoretisch nutzbaren Abwärmepotenziale werden bisher nur teilweise intern oder extern durch Dritte genutzt und sind in ihrer Gesamtheit weder räumlich noch potenzialseitig systematisch erfasst.

Im Rahmen der Erstellung des Klimaschutzplans NRW und nachgelagerter Stakeholderprozesse haben einige Industrievertreter großes Interesse an einer systematischen Aufbereitung industrieller Abwärmepotenziale geäußert. Forschungsbedarfe werden beispielsweise bei der Frage gesehen, wie sich unternehmens- und branchenübergreifende Wärmeverbünde in NRW realisieren lassen. Weitere Anregungen aus der Industrie betreffen Pilotprojekte zu Wärmeverbünden, die Ermittlung von Potenzialen zur Verstromung von Abwärme bzw. zur Nutzung von Strom zur Hebung des Temperaturniveaus von Abwärme oder die Weiterentwicklung von innovativen Technologien zur Abwärmeverstromung wie z. B. Organic Rankine Cycle (ORC) oder Thermoelektrische Generatoren (TEG).

Vor diesem Hintergrund hat das Wuppertal Institut in Zusammenarbeit mit dem DLR Stuttgart eine Kurzstudie im Auftrag des Ministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MKULNV) durchgeführt. In dieser Studie wurden folgende Bausteine erarbeitet:

  1. Identifikation von potenziellen Abwärme-Hot-Spots in NRW
  2. Inhaltliche Aufbereitung der Kernthemen zur Nutzung industrieller (und kommunaler) Abwärmepotenziale und Aufzeigen von Good-Practice-Beispielen
  3. Identifikation von Hemmnissen und Erfolgsfaktoren sowie Ansätzen für ein Source-Sink-Matching bei der Abwärmenutzung (Methode: Experteninterviews)
  4. Erarbeitung von Grundlagen zu "Wärmenetzplänen" als eine Option für ein Source-Sink-Matching
  5. Erarbeitung von Handlungsvorschlägen an die Politik zur Verbesserung der Rahmenbedingungen zur Nutzung industrieller und kommunaler Abwärme.

Im ersten Baustein wurden jeweils auf Basis des Brennstoff- und Stromeinsatzes regionale Hot-Spots mit hohen industriellen Energieverbräuchen identifiziert. Hohe Energieverbräuche sind ein notwendiges, wenn auch nicht hinreichendes Kriterium für potenziell relevante Abwärmepotenziale. Im Ergebnis liegt eine nach Branchen aufgeschlüsselte Energiebedarfskarte für NRW und vor, in welcher die Energieverbräuche aller Industrieunternehmen oberhalb von 200 TJ/a (Brennstoffe) bzw. 500 TJ/a (Strom) verzeichnet sind. Zusätzlich wurde eine Detailkarte beispielhaft für den Raum Oberhausen/Duisburg erarbeitet.

Im zweiten Baustein werden grundlegende Inhalte wie Charakteristik von Abwärme, Nutzungsstrategien, Technologien unterschiedlicher Reifegrade und energiepolitische Rahmenbedingungen zur Nutzung von Abwärme in Übersichten dargestellt. Ferner wird die Bandbreite bereits eingesetzter Technologien und realisierter Projekte anhand von dreizehn Good-Practice-Beispielen aufgezeigt.

Anhand von zehn Experten-Interviews mit Stakeholdern aus Verbänden und Unternehmen energieintensiver Branchen sowie aus Landeseinrichtungen, Forschung und EVU wurden im Baustein 3 schwerpunktmäßig Hemmnisse und Erfolgsfaktoren bei der Nutzung industrieller und kommunaler Abwärme identifiziert. In den Interviews wurden weitere Fragen wie z. B. nach der Relevanz des Themas im Unternehmen, nach geeigneten Ansätzen für ein Source-Sink-Matching oder nach Forschungs- und Entwicklungsbedarfen insbesondere für innovative Technologien erörtert und entsprechende Antworten ausgewertet.

Im vierten Baustein wird das Konzept der "Wärmenetzpläne" als eine mögliche Methodik zur Verknüpfung von Abwärme-Quellen mit Abwärme-Senken sowie zur Bewertung identifizierter Quellen-Senken-Beziehungen (Source-Sink-Matching) skizziert. Hierbei handelt es sich um eine Bewertungsmethode zur Analyse und zum Vergleich von Abwärmenutzungskonzepten unter Berücksichtigung von technischen, wirtschaftlichen, haftungsrechtlichen und ökologischen Aspekten (Energieeffizienz, Energie- und Ressourcenverbrauch).

Aus den gewonnen Erkenntnissen der vorausgehenden Bausteine werden abschließend in Baustein 5 Handlungsempfehlungen an die Politik abgeleitet. Dabei spielt die Auswertung der Experten-Interviews eine zentrale Rolle. Die Handlungsvorschläge sollen helfen, einerseits identifizierte Hemmnisse bei der Nutzung industrieller Abwärme zu beseitigen und andererseits Erfolgsfaktoren und Treiber/Akteure zu stärken. Die erarbeiteten Vorschläge sind gegliedert nach technischen, wirtschaftlichen, organisatorisch-strukturellen sowie rechtlichen Handlungsfeldern und adressieren neben der allgemeinen Abwärmenutzung die Themen Einspeisung in (externe) Wärmenetze, Niedertemperatur-Wärme sowie innovative Technologien.

Die Analyse zeigt, dass einerseits hohe Abwärmepotenziale und ein grundsätzliches Interesse an der Abwärmenutzung existieren, jedoch andererseits noch zahlreiche Hemmnisse der wirtschaftlichen Nutzung entgegenstehen. Die Kurzstudie gibt Hinweise darauf, mit welchen Ansätzen diese Hemmnisse überwunden werden könnten. Sowohl die Forschung im Themenfeld Abwärmenutzung als auch die praktische Umsetzung müssen dabei weiter vorangetrieben werden. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Kurzstudie könnte beispielsweise zukünftig ein praktisches Projekt zur Identifikation konkreter Abwärme-Umsetzungspotenziale mit interessierten Unternehmen durchgeführt werden, bei dem die im Rahmen des Projektes erarbeitete Systematik eines Source-Sink-Matching (Wärmenetzpläne) angewandt wird.