Ausgangssituation:

In der Eisen- und Stahlindustrie sowie anderen energieintensiven Industrien wird eine Vielzahl von verschiedenen Thermoprozessanlagen zur Produktion und Wärmebehandlung von Produkten und Halbzeugen eingesetzt. An vielen Anlagen werden Wärmerückgewinnungssysteme zur Verringerung der Abgaswärmeverluste sowie des Brennstoffbedarfs eingesetzt. Dennoch fallen auch an diesen Anlagen noch Abwärmeströme mit Temperaturen von über 300°C an, die ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Eine Möglichkeit, diese Abwärme sinnvoll zu nutzen, ist die Verstromung. Hierfür bieten sich je nach vorliegenden Randbedingungen verschiedene Verfahren, wie Dampfturbine, Dampfmotor oder der Organic Rankine Cycle (ORC) an. Ziel dieses Verbundvorhabens war, am Beispiel eines KMU-Schmiedebetriebes die Nutzbarmachung eines Verfahrens zur Stromerzeugung aus der Abwärme von vier Schmiedeöfen zu demonstrieren.

Arbeitspunkte im Projekt:

• Betriebsmessungen zur Aufnahme des Ist-Zustandes an den Schmiedeöfen der Fa. Grimm.
• Erstellung eines Ofenbilanzierungsprogramms.
• Auswahl, Inbetriebnahme und Betrieb des Abwärmeverstromungsverfahrens,
• Technisch-wirtschaftliche Bewertung.

Ergebnisse:

• Basierend auf den ermittelten technischen Randbedingungen fiel die Wahl auf eine ORC-Anlage mit einer elektrischen Leistung von 300 kW beim Betrieb von vier Turbinen. Für die Installation der ORC-Anlage auf dem Werksgelände der Fa. Grimm waren verschiedene Umbaumaßnahmen vorzunehmen.
• Nach der Inbetriebnahme der ORC-Anlage traten erhebliche Störungen auf, die einen kontinuierlichen Betrieb der ORC-Anlage über einen längeren Zeitraum bis Ende 2013 verhinderten. Dadurch konnte ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage bis Ende 2013 nicht erreicht werden. Nachdem die Störungen Ende 2013 / Anfang 2014 weitestgehend beseitigt werden konnten, stellte sich ab Anfang 2014 ein weitestgehend kontinuierlicher Betrieb ein. Insgesamt konnte die zeitliche Auslastung der ORC-Anlage von rd. 14 % in 2012 bis auf rd. 50 % in 2014 erhöht werden. Die gesamte Nettostromproduktion bis einschließlich Juli 2014 beläuft sich auf rd. 200.000 kWh mit einer daraus resultierenden CO2-Einsparung von rd. 120.000 kg. Die zu erwartende Amortisationszeit der ORC-Anlage liegt je nach Strompreis zwischen 7,5 und 19,5 Jahren. Über die gesamte Lebensdauer der ORC-Anlage von anzunehmenden 20 Jahren kann eine CO2-Ersparnis von rd. 11.400 t erreicht werden. Die Wirtschaftlichkeitsabschätzung hat ergeben, dass bei diskontinuierlichem Betrieb die Amortisationszeit für den ORC-Prozess im Vergleich zu Dampfturbine, Dampfmotor und TEG am geringsten ist. Insgesamt ist jedoch nur in seltenen Fällen bei einer Abwärmeverstromung mit einer heutzutage oft üblichen geforderten Amortisationszeit von unter 4 Jahren zu rechnen. Über die gesamte Lebensdauer einer Verstromungsanlage ist die Wirtschaftlichkeit jedoch zumeist gegeben.
• Das Projekt wurde in die Initiative KlimaExpo.NRW aufgenommen.