SIEMENS

Stahl ist allgegenwärtig: Ohne den Werkstoff wären ganze Industriezweige wie Maschinenbau und die Autoindustrie nicht denkbar. Weltweit wurden 2011 etwa 1,5 Milliarden Tonnen Rohstahl produziert. Das kostet eine Menge Energie: So fallen beim Schrottrecycling in Lichtbogenöfen rund 370 Kilowattstunden (kWh) pro Tonne an. In diesen Öfen brennt ein Lichtbogen zwischen mehreren Elektroden. Die hohen Temperaturen schmelzen den Stahl, und aus dem Ofenloch strömt ein Abgasgemisch, das bis zu 1.700 Grad heiß ist – eine Energiequelle, die sich für die Stromproduktion nutzen ließe.

Genau daran arbeitet ein Team um Dr. Alexander Fleischanderl von Siemens VAI Metals Technologies in Linz. Allerdings ist das Einschmelzen von Stahl ein zyklischer Prozess: Vom Einfüllen des Schrotts über den Schmelzvorgang bis zum „Abstechen“ des flüssigen Stahls vergehen je nach Anlage zwischen 45 und 60 Minuten. Während dieser Zeit schwanken die Abgastemperatur und der Volumenstrom stark – eine große Herausforderung für die Siemens-Entwickler: „Eine Turbine muss kontinuierlich mit heißem Dampf versorgt werden, sonst sinkt ihr Wirkungsgrad“, erklärt Fleischanderl. „Wir mussten daher einen Wärmespeicher zwischen Ofen und Turbine platzieren.“

Dafür ist ein Salzgemisch mit niedrigem Schmelzpunkt zuständig, das auch in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt wird und über ein System von Wärmetauschern dem Abgas Energie entzieht. In einem zweiten Kreislauf durchströmt Wasser den heißen Salzspeicher, wobei Wasserdampf entsteht, der eine Turbine für die Stromproduktion antreibt – gleichmäßig und unabhängig vom Zyklus des Ofens. „Salzschmelzen haben den Vorteil, dass sie drucklos arbeiten, eine hohe Speicherkapazität aufweisen und ökologisch unbedenklich sind“, erläutert Fleischanderl. Dadurch kommt die Anlage ohne teure Druckkessel aus, kann einfacher hergestellt und genehmigt werden und ist im Betrieb sicherer. Dank der hohen Salztemperatur von bis zu 500 Grad ist der Wirkungsgrad des Prozesses mit 24 Prozent zudem deutlich höher als bei einem Alternativsystem mit Dampfspeicher, das auf nur 17 Prozent kommt.

Fleischanderl schätzt den weltweiten Bedarf auf etwa 300 Anlagen, wobei jede Installation rund 30 Millionen Euro kosten dürfte. „Bis zu 20 Prozent des Stroms für das Einschmelzen des Schrotts könnte aus der Abwärme zurückgewonnen werden“, rechnet er vor. „Dadurch sinkt der CO₂-Ausstoß pro Tonne Stahl um etwa 40 Kilogramm (kg). Er liegt heute im Schnitt bei 270 kg CO₂, von denen 220 kg vom Strom stammen – bei einem der weit verbreiteten 120-Tonnen-Öfen lassen sich so pro Jahr mehr als 30.000 Tonnen CO₂ vermeiden.“ Die Siemens-Experten testen derzeit verschiedene Kessel-Werkstoffe und Salzgemische, und seit Februar 2012 arbeitet die erste Pilotanlage in einem Stahlwerk in Deutschland. Bereits 2013 könnte das erste kommerzielle Wärmerückgewinnungssystem verkauft werden.

Noch bleibt industrielle Abwärme aber weitgehend ungenutzt: „Heute geht etwa die Hälfte der eingesetzten Primärenergie in industriellen Prozessen und bei der Erzeugung nutzbarer Energie verloren“, sagt Dr. Martin Tackenberg von Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen. „Vor allem für Abwärme bei Temperaturen unter 300 Grad gibt es kaum wirtschaftlich sinnvolle und technisch ausgereifte Verfahren.“ Siemens hat darum im Leuchtturmprojekt „Thermal Management“ aus rund 80 spezifischen Anwendungsfällen der Geschäftsfelder diejenigen 20 identifiziert, die ökonomisch und ökologisch besonders attraktiv erscheinen – darunter vier, bei denen die Organic-Rankine-Cycle-Technologie (ORC) zum Einsatz kommen kann: Sie eignet sich besonders gut, um die Abwärme von Schmelzöfen in der Glasindustrie, von Diesel- oder Gasmotoren, beim Abfackeln von Gas in Raffinerien und von Gasturbinen in Verdichterstationen zu nutzen. Anders als beim klassischen Dampfkreisprozess zirkuliert bei ORC nicht Wasser, sondern ein organisches Medium, das speziell bei niedrigen Abwärmetemperaturen und kleinen Leistungen für einen optimalen Wirkungsgrad sorgt und eine kompakte Bauweise erlaubt.

Flüchtiges Medium. In einem ORC-Forschungsprojekt mit dem Moscow Power Engineering Institute und der Moscow State University nutzt Siemens ein neues Arbeitsmedium des US-Konzerns 3M, das aus Kohlenstoff, Fluor und Sauerstoff besteht und unter Normaldruck schon bei 49 Grad verdampft. „Zudem ist das organische Medium absolut umweltverträglich – was für Siemens unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit wichtig ist“, sagt Tackenberg. Seit November 2011 arbeitet der erste Demonstrator mit 1,2 Kilowatt (kW) Leistung an der Moscow State University. Im Herbst 2012 soll im russischen Werk des deutschen Glasfaser-Herstellers Lauscha ein Nachfolger mit 100 kW Leistung in Betrieb gehen. Er wird seine Energie aus der nur 220 Grad heißen Abwärme einer Glasfaser-Produktionslinie beziehen. „Pro Jahr erzeugt diese ORC-Einheit bei einem Wirkungsgrad von 20 Prozent etwa 800.000 kWh Strom, was einem Wert von rund 80.000 Euro entspricht“, sagt Tackenberg. „Die Investitionskosten liegen hier bei circa 2.200 Euro pro Kilowatt, so dass sich die Anlage in weniger als drei Jahren amortisiert.“ Derzeit, so seine Schätzung, ist der jährliche Markt für ORC- Lösungen rund drei Milliarden Euro groß.

Wasser aus Wärme. Aus Wärme lässt sich aber nicht nur Strom erzeugen, sondern auch sauberes Wasser. Das ist die Idee hinter der Siemens-Entwicklung EvaCon (Evaporation and Condensation – Verdampfen und Kondensieren): „Bei Industrieprozessen entsteht oft Abwärme, deren Temperatur für eine wirtschaftliche Stromproduktion zu niedrig ist“, erklärt Dr. Thomas Hammer, Projektleiter von EvaCon bei CT in Erlangen. „EvaCon kann die Abwärme bei 65 bis 90 Grad Celsius zur Wasserreinigung einsetzen.“ Dabei wird Abwasser erwärmt, verdunstet und auf einen Kondensator gelenkt, wo sich der Wasserdampf wieder niederschlägt. „Dadurch trennen sich reines Wasser und konzentriertes Abwasser, und am Ende entsteht demineralisiertes Wasser“, sagt Hammer. Als Wärmequellen kommen etwa Papierfabriken oder Abfüllanlagen für Softdrinks in Frage, wo Abwasser entsteht, das nicht ohne weiteres in Kläranlagen entsorgt werden kann. EvaCon liefert neues Frischwasser und verringert gleichzeitig die Menge des zu entsorgenden Abwassers.

Derzeit wollen die Forscher im CT-Labor die optimale Gestaltung und die besten Materialien für Verdunster und Kondensator herausfinden. Im September 2012 soll der erste Prototyp beweisen, dass sich das Verfahren für die Industrie eignet. Tackenberg schätzt, dass EvaCon bis 2015 marktreif ist und dann ein höchst attraktives Produkt sein wird: „Für die Bereitstellung von acht Kubikmetern sterilem Spülwasser pro Stunde und die Entsorgung des Abwassers muss eine Fabrik für Softdrinks heute etwa eine halbe Million Euro pro Jahr und Abfüll-Linie bezahlen“, erklärt er. „Der Einsatz von EvaCon für die Rückgewinnung von Spülwasser spart pro Jahr etwa 370.000 Euro – bei einem Anlagenpreis von 325.000 Euro würde sich das System also in weniger als einem Jahr amortisieren.“ CT treibt EvaCon mit dem Food & Beverage-Bereich des Industry-Sektors von Siemens voran und hat das Verfahren bereits bei Pepsi in New York vorgestellt.

Wellness für Maschinen. In einem weiteren Projekt untersuchen die Forscher, wie Latentwärmespeicher in Zukunft für das „thermische Wohlbefinden“ von Maschinen sorgen könnten. In solchen Speichern führt Wärme nicht zu einem Anstieg der Temperatur, sondern zu einem Phasenübergang – vergleichbar mit Eiswasser, das so lange bei Null Grad verharrt, bis auch die letzten Eisstücke geschmolzen sind. Vor allem hochpräzise Werkzeugmaschinen brauchen ein komplexes thermisches Management: Während des Betriebs werden sie gekühlt und vor dem Start aufgeheizt – sonst würden sie wegen der thermischen Ausdehnung ihrer Werkzeuge und Stückgüter zu viel Ausschuss produzieren. Latentwärmespeicher könnten während der Produktion Überschussenergie aufnehmen und über Nacht wieder an die Maschine abgeben. „Das würde den Aufwand fürs Kühlen deutlich reduzieren, und beim Start wäre überhaupt kein Energieeinsatz mehr nötig“, erklärt Tackenberg.

Noch steht dieses Projekt am Anfang, und niemand weiß, welches Material sich am besten für den Speicher eignen wird. ORC- und EvaCon-Lösungen von Siemens werden daher wohl vor den Latentwärmespeichern zum Einsatz kommen. Bis 2020, so Tackenbergs Vision, könnten diese und andere Maßnahmen dazu führen, dass statt bis zu 50 Prozent nur noch 30 bis 40 Prozent der fossilen Primärenergie ungenutzt aus den Schornsteinen der Industrie entweichen. Allein für die ORC-Technologie stehen nach einer Studie von Siemens und McKinsey zwischen 1,1 und 2,5 Gigawatt an nutzbarer Abwärmeleistung zur Verfügung. Davon würde nicht nur das Klima profitieren, sondern auch die Anbieter solcher Lösungen – zu denen Siemens auf jeden Fall gehören will.