Wärmeverbrauch messen, bewerten und optimieren – Verbessern Sie die Energieeffizienz im Unternehmen

Die Erzeugung von Prozess- und Raumwärme ist für gewerbliche Energieverbraucher der mengenmäßig mit Abstand wichtigste Energieeinsatz. In der Industrie gehen durchschnittlich fast drei Viertel des Energieverbrauchs an den Standorten in die Erzeugung von Prozesswärme, Raumwärme und Warmwasser; in Gewerbe, Handel und Dienstleistungen rund 60%. Dabei macht in der Industrie die Prozesswärme den mit weitem Abstand größten Anteil – alleine fast zwei Drittel des gesamten Energieverbrauchs am Standort – aus, während in Gewerbe, Handel und Dienstleistung die Erzeugung von Raumwärme (fast die Hälfte des Energieverbrauchs) die größte Rolle spielt. Es gibt also gute Gründe, sich im betrieblichen Umwelt- und Energiemanagement sowohl um die Erzeugung als auch um die Verwendung von Prozess- und Raumwärme intensiv zu kümmern. Auf dieser Seite erfahren Sie, wie Sie Ihren Wärmeverbrauch messen und bewerten und durch entsprechende Maßnahmen die Energieeffizienz im Unternehmen optimieren können.

Schulung_CSSUnser TIPP
Ihre Ausbildung: Wie Sie mithilfe eines Energieaudits nach DIN EN 16247 / ISO 50002 die Energieeffizienz im Unternehmen verbessern, erfahren Sie in der Ausbildung Energieauditor DIN EN 16247 / ISO 50002.  In dieser Ausbildung lernen Sie eine Ist Analyse des Energieverbrauchs in der Organisation durchzuführen und Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz zu bewerten.

Wärmeverbrauch messen und Energieeffizienz in Industrie, Gewerbe, Dienstleistung und Handel 

Prozesswärme, also die Nutzung von Wärme für technische Verfahren, macht in der Summe mehr als ein Fünftel des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutschland aus. Wärme wird für viele Prozesse benötigt: Etwa zum Schmelzen von Metall und Glas, zum Sintern oder Kalzinieren (z. B. Zement- und Kalkherstellung), zum Trocknen, Kochen, Backen etc. Prozesswärme wird überwiegend in Brennöfen und in Kesselanlagen zur Erzeugung von Dampf- oder Heißwasser erzeugt.

Zu den Brennöfen, die rund die Hälfe des industriellen Prozesswärmebedarfs decken, gehören etwa die Hochöfen der Eisenherstellung, die Schmelz- und Tiegelöfen der Stahlindustrie oder die Drehrohröfen der Zementindustrie. Mitunter werden Temperaturen von weit über 1.000 °C benötigt (Eisen- und Stahlindustrie, Zementwerke).

Die Herstellung von Eisen, Stahl, Aluminium, Papier, Zement und die Verarbeitung von Kohlenwasserstoffverbindungen in der Chemieindustrie (Herstellung von Ethylen 1, Naphtha) sind besonders energieintensiv. Mittlere Temperaturen (100-500 °C) werden insbesondere in der Chemieindustrie, aber auch in der Lebensmittelindustrie (Bäckereien, etc.) benötigt. Die verwendeten Technologien und Einsparmöglichkeiten sind jedoch überwiegend branchenspezifisch und können daher hier nicht weiter behandelt werden.

In Kesselanlagen wird dagegen Dampf oder Heißwasser erzeugt. Dampf und Heißwasser können als Wärme- überträger oder auch direkt (etwa zum Reinigen von Anlagen und Behältern wie Gläser und Flaschen in der Lebensmittelindustrie) verwendet werden. Die Kesselanlage besteht aus einem Brenner, der Wärme erzeugt (chemische Energie aus dem Brennstoff in thermische Energie umwandelt), dem eigentlichen Kessel, in dem die Wärme auf den Wärmeträger übertragen wird und damit Heißwasser oder Dampf erzeugt wird. Dazu kommen die Wärmeverteilung (Rohrleitungen, Pumpen, Speicher) und Systeme zur Wärmerückgewinnung. Auch die Bereitstellung von Raumwärme (sowie Warmwasser im Sanitärbereich) erfolgt in der Regel über Kesselanlagen. Die Erzeugung von Raumwärme macht in der Industrie weniger als 10 Prozent des Energieverbrauchs aus, bei Gewerbe, Handel und Dienstleistung aber fast die Hälfte.

Zum Seitenanfang

Bestandsaufnahme zur Verbesserung der Energieeffizienz im Unternehmen

Wenn Sie den Wärmeverbrauch messen, sollte die Bestandsaufnahme bei der Prozesswärme mit der Erfassung des Wärmebedarfs beginnen, da auch beim Wärmeverbrauch vor allem die Verbraucher die Kosten bestimmen. Erfasst werden sollte, welche Wärmemenge in welcher Form und mit welcher Temperatur sowie ggf. mit welchem Druck benötigt wird. Hierzu wird zu ermitteln sein, welche Volumina oder Massen bei Inbetriebnahme des Prozesses erhitzt werden müssen und welche Volumina oder Massen auf welcher Temperatur ein- und austreten sowie die thermischen Verluste der Prozessanlagen im Betrieb. Letzterer Punkt ist oft nicht bekannt, kann aber abgeleitet werden, wenn z. B. ermittelt werden kann, auf welche Endtemperatur die Anlage nach einer gewissen Zeit (z. B. in der Nacht) abkühlt. Bei der Raumwärme sollte zudem auch die Gebäudehülle überprüft sowie geprüft werden, ob die Raumtemperaturen in der Heizperiode nicht zu hoch sind (hierbei sind die Vorgaben der Arbeitsstättenverordnung zu beachten) und ob ggf. Möglichkeiten wie Nachtabsenkung etc. berücksichtigt werden. Der zweite Schritt besteht aus der Erfassung des Wärmeversorgungssystems: der Öfen und/oder der Kesselanlagen, der Wärmeverteilung und ggf. der Systeme zur Wärmerückgewinnung. Erfasst werden sollten für die einzelnen Komponenten:

• Hersteller
• Bezeichnung
• Typ
• Baujahr
• Leistung
• Wirkungsgrad
• Verwendungszweck der Komponente
• Betriebsstunden/Volllaststunden
• Teillastbetrieb (Dauer, Anteil der Last)
• Regelung (keine/Stufenregelung/Drehzahlregelung)
• übergeordnete Steuerung: ja/nein

Diese Informationen können in der Regel anhand der Typenschilder und/oder Datenblätter der Komponenten erfasst werden. Bei Rohrleitungen zur Wärmeverteilung sollten Länge und Durchmesser von Rohren, Temperatur- und Druckniveau sowie Durchflussraten und Isolierung erfasst werden. Bei Wärmespeichern Volumen, Temperatur- und Druckniveau sowie Isolierung und bei Wärmetauschern technische Daten und Betriebsbedingungen (Durchflussrate, Temperaturen auf der warmen und kalten Seite). Im folgenden Schritt wird die Energieeffizienz des Wärmesystems beurteilt. Dabei wird sowohl die technische Ausstattung (Vergleich mit Benchmarks), die Anpassung des Wärmeversorgungssystems an den tatsächlichen Wärmebedarf als auch der Wartungszustand (Ablagerungen an Wärmeübertragungsflächen behindern den Wärmeübergang, unzureichende oder fehlende Dämmung führt zu Wärmeverlusten) betrachtet.

Wenn Sie oder Ihre Mitarbeiter den Wärmeverbrauch messen, werden als letztes überall da, wo die Energieeffizienz im Unternehmen verbessert werden kann, mögliche Maßnahmen identifiziert und nach Umsetzbarkeit,  Aufwand- / Nutzenverhältnis o. ä. Kriterien priorisiert. Die Maßnahmen, die umgesetzt werden sollen, werden mit Verantwortlichkeiten, Mitteln und Terminen versehen und können z.B. in den Aktionsplan eines Energiemanagementsystems einfließen.

Icon_VorlageUnser TIPP
Ihre Vorlagen: Nutzen Sie für eine erfolgreiche Durchführung Ihres nächsten Energieaudits nach DIN EN 16247-2, 3 und 4 für Prozesse, Gebäude und Transporte das Vorlagenpaket Energieaudit DIN EN 16247-1 und Energiebewertung DIN 16247. Dieses Paket enthält alle wichtigen Vorlagen, die Ihnen eine systematische Analyse des Energieverbrauchs und eine Bewertung der Maßnahmen zur Energieeinsparung erleichtern.

Maßnahmen für eine verbesserte Wärmeversorgung für mehr Energieeffizienz im Unternehmen

Im Idealfall können die Maßnahmen zur energieeffizienten Wärmeversorgung in folgenden Schritten durchlaufen werden:

• Reduktion des (Prozess-)Wärmebedarfs
• Reduktion von Wärmezufuhr durch Prozessintegration und
‏    Wärmerückgewinnung,
• Kraft-Wärme-Koppelung
• Effiziente Ofen-/Brenner- und Kesseltechnologien, wo möglich mit
‏    erneuerbaren Energiequellen 

Reduktion des Wärmebedarfs
Bei älteren Anlagen zur Bereitstellung von Prozesswärme sind oftmals hohe Sicherheiten eingeplant – da diese Geld kosten, sollte die Überdimensionierung in Grenzen gehalten und sollten die tatsächlich notwendigen Prozesstemperaturen überprüft werden. Bei den Verbrauchern können Wärmeverluste durch ausreichende Wärmedämmung von Behältern oder Öfen vermieden werden. Ebenso wichtig ist eine ausreichende Dämmung der Wärmeerzeuger, der Rohrleitungen des Wärmeverteilungssystems und ihrer Flansche, Armaturen und Ventile sowie eventueller Wärmespeicher. Salze, die sich infolge der Verdampfung des Kesselwassers anreichern, führen ebenfalls zu Energieverlusten (und zu Korrosion am Kessel) – das Kesselwasser muss daher entsalzt werden. Das regelmäßige Reinigen von Wärmeüberträgerflächen trägt ebenfalls zur Reduktion des Wärmebedarfs bei.

Prozessintegration und Wärmerückgewinnung
Wenn Abwärme durch Wärmeüberträger auf einen anderen Prozess übertragen wird, spricht man von Wärmerückgewinnung. Diese ist umso lohnender, je höher die Temperatur der zur Verfügung stehenden Abwärme ist. Ideal ist eine ortsnahe und möglichst direkte Nutzung, da dann auch auf Transport und Speicherung weitgehend verzichtet werden kann. Wärmerückgewinnung ist auch bei Feuerungsanlagen mit hoher Abgastemperatur möglich. Oft wird die rückgewonnene Wärme zur Vorwärmung der Verbrennungsluft oder zur Wärmeeinspeisung in den Heizungskreislauf genutzt. Ein Economiser ist ein Abgas-Wärmeüberträger, der die Abwärme aus Kesselabgas nutzt. Er verbessert den Wirkungsgrad des Kessels.

Kraft-Wärme-Koppelung (KWK)
Bei dieser Technologie wird die Abwärme, die bei der Stromerzeugung anfällt, genutzt. Dies ist wirtschaftlich interessant, wenn ein ganzjähriger Wärmebedarf besteht, der eine Laufzeit der KWK-Anlage von mindestens 5.000 Betriebsstunden ermöglich. (Wird die KWK mit einer thermischen Kältemaschine kombiniert, spricht man von KWKK (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung) – mit ihrer Hilfe kann überschüssige Wärme im Sommer z. B. zur Raumklimatisierung genutzt werden.)

Brenner- und Kesseltechnologien
Großraumwasserkessel sind in der Regel energieeffizienter als andere Alternativen, da der große Wasserinhalt einen Energiepuffer darstellt, der Bedarfsschwankungen ausgleichen kann. Wo immer möglich, sollten diese daher genutzt werden. Auch im Industriebereich werden bei Warmwasserkesseln zunehmend Brennwertanlagen verfügbar, die die Abgastemperatur durch Wärmerückgewinnung unter 100 °C senken und damit auch die Kondensationswärme rückgewinnen – sie sind besonders effizient (können aber in der Regel nur bei Neuanlagen umgesetzt werden, da das Kondensat korrosionsbeständige Werkstoffe in Wärmeüberträgern und feuchtigkeitsunempfindliche Kamine erfordern). Mit einer Kesselfolgesteuerung wird die Dampf-/Warmwassererzeugung so angepasst, dass mehrere drehzahlgeregelte Kessel möglichst am optimalen Lastpunkt betrieben werden. Eine weitere Verbesserung stellt eine Mehrkesselregelung dar. Im vom Verbrauchskreislauf entkoppelten Erzeugungskreislauf wird die Brenner-/Kesselleistung dem Bedarf im Verbrauchkreislauf angepasst.

Erneuerbare Energiequellen
Thermische Solaranlagen (Sonnenkollektoren) können in unseren Breiten in der Regel Prozesswärme bis max. 120 °C bereitstellen, und können z.B. die Energie zum Reinigen, Sterilisieren, Verdampfen, Bleichen und für die Bereitstellung von Raumwärme sowie SanitärWarmwasser liefern.

Umwälzpumpen
Pumpen dienen dem Transport des Wärmeträgermediums zu den Verbrauchsstellen. Moderne, effiziente Pumpen sind drehzahlgeregelt und ggf. an das Gebäudeleitsystem (GLT) angeschlossen (effiziente Pumpen senken zwar nicht den Wärme-, wohl aber den Stromverbrauch).

Zum Seitenanfang

Mit der Pinch-Analyse den Wärmeverbrauch messen und die Energieeffizienz im Unternehmen optimieren

Der gesamte thermische Energiebedarf von Prozessen kann mit Hilfe der Pinch-Analyse dargestellt werden. Hierbei werden Prozessschritte, bei denen Medien erwärmt werden sollen („kalte Ströme“) und solche, bei denen sie abgekühlt werden sollen („warme Ströme“) zur Summenkurve addiert. Die Kaltstromverbundkurve und die Warmstromverbundkurve stellen den gesamten Heiz- und Kühlbedarf des untersuchten Systems/Prozesses/Unternehmens dar und können in einem einfachen (Temperatur-/Wärmeleistungs-)Diagramm dargestellt werden. An diesem kann man das Potenzial für die Wärmerückgewinnung sowie den minimalen Kälte- und Heizbedarf ablesen. Bei der Neukonzeption von Anlagen kann damit  der Zielverbrauch von Anlagen ermittelt werden, da der minimal notwendige Energiebedarf des Prozesses erkennbar wird. Bei bestehenden Anlagen kann ermittelt werden, ob eine Wärmerückgewinnung wirtschaftlich umgesetzt werden kann. In der Praxis lassen sich hiermit typische Einsparpotenziale von 10 bis 30 Prozent erreichen.