(ENT2 08) – Abwärme, Anthropogene Energiefreisetzung [Grundlagen, Konzepte, Abfuhr]

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In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker / Ingenieur alles Notwendige über Abwärme.

Für ein optimales Verständnis helfen dir drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Energietechnik findest du im Kurs: ENT2-Kraftwerkstechnik

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Abwärme – Grundlagen

 

Abwärmeenergie bezieht sich auf die Form der Energie, die als Nebenprodukt bei industriellen Prozessen oder technischen Anwendungen entsteht und normalerweise ungenutzt in die Umwelt abgegeben wird. Diese Energie ist die Wärme, die von Maschinen, Anlagen oder Prozessen erzeugt wird und in der Regel als Abfall betrachtet wird.

Abgegebene Wärme kann jedoch als wertvolle Energiequelle genutzt werden, indem sie durch Wärmetauscher oder andere Technologien erfasst und in sinnvolle Arbeit oder Wärme umgewandelt wird.

Die Nutzung von Wärmeenergie ist eine effiziente Möglichkeit, die Energieeffizienz zu steigern und den Energieverbrauch zu reduzieren. Typische Anwendungen umfassen die Rückgewinnung von Wärme aus Industrieprozessen, Kraftwerken oder Datenzentren, um Gebäude zu heizen oder Prozesse anzutreiben. Dies trägt nicht nur zur Verringerung von Energiekosten bei, sondern reduziert auch den CO2-Ausstoß und fördert die Nachhaltigkeit.  

 

Wie dir vermutlich bereits bewusst ist, sind mit jeder Energieumwandlung auch prozessbedingte Verluste verbunden, die sich trotz technischen Fortschrittes nicht vermeiden lassen. In den meisten Fällen handelt es sich um Abwärme

 

In der nächsten Abbildung findest du Brennstäbe aus einem Kernkraftwerk.

Abwärme - Brennstäbe innerhalb eines Reaktorraums
Brennstäbe innerhalb eines Reaktorraums

 

Merk’s dir!

So ist aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik die Umwandlung von Wärmeenergie in andere Energieformen im Grundsatz nur eingeschränkt möglich.

 

Jede Nutzenergie wird in Wärme umgesetzt. Bei mechanischen Prozessen entsteht beispielsweise Reibungswärme.

 

Die Abwärme, die beim Betrieb von Kraftwerken entsteht, wird bis heute entweder

  • direkt in Flüsse über Wärmetauscher abgeführt

oder

  • direkt über Kühltürme in die Atmosphäre eingeleitet.
Wasserdampf aus Kühlturm - Abfuhr von Wärme aus dem Kraftwerksprozess
Wasserdampf aus Kühlturm – Abfuhr von Wärme aus dem Kraftwerksprozess

 

Die Flusswasserkühlung ist vergleichsweise wirtschaftlicher, unterliegt aber den strengen Grenzwerten für die Wärmebelastung der Fließgewässer.

 

Folgen der Abwärme von Kraftwerken

In Deutschland sind die Grenzwerte bereits erreicht, weshalb jedes Kraftwerk hierzulande mit einem Kühlturm (Innenansicht auf dem nächsten Bild) ausgestattet werden muss. Die Wirkung auf die Umwelt ist glücklicherweise gering.

Kühlturm - Innenansicht
Kühlturm – Innenansicht

 

Hättest du das gedacht?

So gibt es kaum nachweisbare Änderungen der lokalen Niederschlagsmenge oder Beschattung infolge der Rauchentwicklung durch die Kühltürme. Aus diesem Grund gelten Bereiche um Kraftwerke herum wider Erwarten als nicht gesundheitsschädlich zum Leben.

 

\rightarrow  Welche langfristigen Wirkungen hinsichtlich Erderwärmung auftreten können, wenn man bedenkt, dass die Erdbevölkerung jährlich steigt und der Energiebedarf daran gekoppelt ist, bleibt zu klären.

 

Konzepte zur Nutzung von Abwärme

Die Nutzung von Abwärme, auch als Wärmerückgewinnung oder Abwärmeverwertung bezeichnet, ist ein wichtiger Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Reduzierung von Emissionen.

Beispiele – Konzepte für die Nutzung abgegebener Wärme!

Hier sind einige Konzepte zur Nutzung von abgegebener Wärme:

  1. Wärmerückgewinnungssysteme: Diese Systeme erfassen die Abwärme, die bei industriellen Prozessen, Kraftwerken, Verbrennungsanlagen oder anderen Quellen entsteht, und nutzen sie zur Erzeugung von Dampf, Warmwasser oder Raumheizung. Durch den Einsatz von Wärmetauschern kann die Wärme effizient in andere Formen von Nutzwärme umgewandelt werden.

  2. Kaskadennutzung: Bei der Kaskadennutzung wird die Abwärme in mehreren Stufen genutzt, um verschiedene Anwendungen mit unterschiedlichen Temperaturanforderungen zu bedienen. Zum Beispiel kann die Hochtemperatur-Abwärme aus einem industriellen Prozess zur Stromerzeugung genutzt werden, während die Niedertemperatur-Abwärme für Raumheizung oder Prozesswärme verwendet wird.

  3. Wärmepumpen: Wärmepumpen können Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aufnehmen und auf ein höheres Temperaturniveau anheben, um sie für Heizzwecke oder zur Erzeugung von Warmwasser zu nutzen. Wärmepumpen können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich industrieller Prozesse, Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung.

  4. Thermische Speicherung: Thermische Speicherungssysteme ermöglichen es, überschüssige Abwärme zu speichern und bei Bedarf wieder freizusetzen. Dies kann durch Latentwärmespeicher, sensible Wärmespeicher oder chemische Reaktionen erreicht werden. Thermische Speicherung kann dazu beitragen, die Verfügbarkeit von Abwärme zu erhöhen und ihre Nutzung flexibler zu gestalten.

  5. Nutzung in der Landwirtschaft und Aquakultur: Abgegebene Wärme kann in der Landwirtschaft und Aquakultur genutzt werden, um Gewächshäuser zu beheizen, Fischteiche zu erwärmen oder für andere Anwendungen in der Tierhaltung. Diese Nutzungsmöglichkeiten tragen nicht nur zur Energieeffizienz bei, sondern können auch die Produktivität und Rentabilität landwirtschaftlicher Betriebe verbessern.

 

Energieeinstrahlung und Energieverbrauch

Übrigens: Die Sonne strahlt auf die Erde das 20000 fache des gegenwärtigen Energieverbrauchs ein.

Jedoch existieren heute bereits lokale Bereiche in Großstädten in denen im Jahresmittelwert auf den km^2 bezogen so viel Energie abgegeben, wie von der Sonne eingestrahlt wird.

 

Anthropogene Energiefreisetzung

Als anthropogen wird all das bezeichnet, das durch den Menschen beeinflusst und nachträglich verändert wird oder auf das Einwirken des Menschen zurückzuführen ist.

So beträgt im gesamten Ruhrgebiet die gemittelte anthropogene Energiefreisetzung etwa \frac{1}{10} der Sonneneinstrahlung mit entsprechenden Auswirkungen auf das lokale Klima.

Abwärme von Industrieschornsteinen
Abwärme von Industrieschornsteinen

 

Was kommt als Nächstes?

Im nächsten Kurstext schauen wir uns die Energiebilanz einer Dampfturbine näher an.

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