Abwärme - Waste heat

Thermische Oxidationsmittel können einen regenerativen Prozess für die Abwärme von Industrieanlagen nutzen.
Klimaanlagen entziehen dem Innenraum einer Wohnung mit Kühlmittel Wärme und geben sie als Abfall an die Außenseite der Wohnung ab. Sie emittieren zusätzliche Wärme bei der Verwendung von Elektrizität , um die Geräte anzutreiben, die Wärme zum und vom Kühlmittel übertragen

Abwärme ist Wärme , die von einer Maschine oder einem anderen energieverbrauchenden Prozess als Nebenprodukt bei der Arbeit erzeugt wird . Alle diese Prozesse geben als grundlegendes Ergebnis der Gesetze der Thermodynamik eine gewisse Abwärme ab . Abwärme hat einen geringeren Nutzen (oder im Thermodynamik-Lexikon eine geringere Exergie oder höhere Entropie ) als die ursprüngliche Energiequelle. Abwärmequellen sind alle Arten menschlicher Aktivitäten, natürliche Systeme und alle Organismen, z. B. Glühbirnen werden heiß, ein Kühlschrank erwärmt die Raumluft, ein Gebäude wird zu Stoßzeiten heiß, ein Verbrennungsmotor erzeugt Hochtemperatur Abgase und elektronische Bauteile werden im Betrieb warm.

Anstatt durch die Freisetzung in die Umgebung "verschwendet" zu werden, kann Abwärme (oder Kälte) manchmal durch einen anderen Prozess verwendet werden (z im gleichen Prozess wiederverwendet werden, wenn dem System Nachwärme zugeführt wird (wie bei der Lüftung mit Wärmerückgewinnung in einem Gebäude).

Die thermische Energiespeicherung , die sowohl Technologien zur kurz- als auch langfristigen Speicherung von Wärme oder Kälte umfasst, kann die Nutzung von Abwärme (oder Kälte) erzeugen oder verbessern. Ein Beispiel ist die Abwärme von Klimaanlagen, die in einem Pufferspeicher gespeichert wird, um die Nachtheizung zu unterstützen. Ein anderer ist die saisonale thermische Energiespeicherung (STES) in einer Gießerei in Schweden. Die Wärme wird im Grundgestein gespeichert, das eine Gruppe von mit Wärmetauschern ausgestatteten Bohrlöchern umgibt, und wird bei Bedarf auch Monate später in einer angrenzenden Fabrik zur Raumheizung verwendet. Ein Beispiel für die Nutzung von STES zur Nutzung natürlicher Abwärme ist die Drake Landing Solar Community in Alberta , Kanada, die durch die Nutzung einer Reihe von Bohrlöchern im Grundgestein zur zwischensaisonalen Wärmespeicherung 97 Prozent ihrer ganzjährigen Wärme aus solarthermischen Kollektoren auf die Garagendächer. Eine weitere STES-Anwendung ist die unterirdische Speicherung von Winterkälte für die Sommerklimatisierung.

Im biologischen Maßstab geben alle Organismen im Rahmen ihrer Stoffwechselprozesse Abwärme ab und sterben ab, wenn die Umgebungstemperatur dafür zu hoch ist.

Manche denken, dass anthropogene Abwärme zum urbanen Wärmeinseleffekt beiträgt . Die größten punktuellen Abwärmequellen stammen von Maschinen (wie Stromgeneratoren oder industriellen Prozessen wie der Stahl- oder Glasproduktion) und von Wärmeverlusten durch Gebäudehüllen. Die Verbrennung von Verkehrskraftstoffen ist ein wesentlicher Beitrag zur Abwärme.

Energieumwandlung

Maschinen , die in Kraftstoffen enthaltene Energie in mechanische Arbeit oder elektrische Energie umwandeln, erzeugen als Nebenprodukt Wärme.

Quellen

In den meisten Energieanwendungen wird Energie in vielfältiger Form benötigt. Diese Energieformen umfassen typischerweise eine Kombination aus: Heizung, Lüftung und Klimaanlage , mechanische Energie und elektrische Energie . Häufig werden diese zusätzlichen Energieformen von einer Wärmekraftmaschine erzeugt , die mit einer Hochtemperatur-Wärmequelle betrieben wird. Eine Wärmekraftmaschine kann nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik niemals einen perfekten Wirkungsgrad haben , daher produziert eine Wärmekraftmaschine immer einen Überschuss an Niedertemperaturwärme. Dies wird allgemein als Abwärme oder "Sekundärwärme" oder "minderwertige Wärme" bezeichnet. Diese Wärme ist für die meisten Heizanwendungen nützlich, jedoch ist es manchmal nicht praktikabel, Wärmeenergie über weite Strecken zu transportieren, im Gegensatz zu Strom oder Brennstoffenergie. Die größten Anteile der gesamten Abwärme stammen aus Kraftwerken und Fahrzeugmotoren. Die größten Einzelquellen sind Kraftwerke und Industrieanlagen wie Ölraffinerien und Stahlwerke .

Stromerzeugung

Der elektrische Wirkungsgrad von thermischen Kraftwerken ist definiert als das Verhältnis von Ein- und Ausgangsenergie. Sie beträgt typischerweise nur 33 %, wenn die Nutzbarkeit der Heizleistung für die Gebäudewärme außer Acht gelassen wird. Die Bilder zeigen Kühltürme, die es Kraftwerken ermöglichen, die für die Umwandlung von Wärmedifferenzen in andere Energieformen notwendige Temperaturdifferenz niedrig zu halten. Verworfene oder an die Umgebung verlorene "Abwärme" kann stattdessen vorteilhaft verwendet werden.

Kohlekraftwerk , das chemische Energie in 36 % - 48 % Strom und die restlichen 52 % - 64 % in Abwärme umwandelt

Industrieller Prozess

Industrielle Prozesse wie die Ölraffination , die Stahlherstellung oder die Glasherstellung sind wichtige Abwärmequellen.

Elektronik

Die Entsorgung der Abwärme von Mikrochips und anderen elektronischen Bauteilen ist zwar leistungsmäßig klein , stellt jedoch eine erhebliche technische Herausforderung dar. Dies erfordert den Einsatz von Lüftern, Kühlkörpern usw., um die Wärme abzuführen.

Rechenzentren verwenden beispielsweise elektronische Komponenten, die Strom für Rechenleistung, Speicherung und Vernetzung verbrauchen. Das französische CNRS erklärt, dass ein Rechenzentrum wie ein Widerstand ist und der größte Teil der Energie, die es verbraucht, in Wärme umgewandelt wird und Kühlsysteme benötigt.

Biologisch

Tiere, einschließlich des Menschen, erzeugen Wärme als Folge des Stoffwechsels . Bei warmen Bedingungen überschreitet diese Wärme ein für die Homöostase bei Warmblütern erforderliches Maß und wird durch verschiedene Thermoregulationsmethoden wie Schwitzen und Hecheln abgeführt . Fialaet al. modellierte menschliche Thermoregulation.

Entsorgung

Niedertemperaturwärme enthält sehr wenig Arbeitsfähigkeit ( Exergie ), daher wird die Wärme als Abwärme qualifiziert und an die Umgebung abgegeben. Wirtschaftlich am günstigsten ist die Abgabe dieser Wärme an Wasser aus einem Meer , See oder Fluss . Steht nicht genügend Kühlwasser zur Verfügung, kann die Anlage mit einem Kühlturm oder Luftkühler ausgestattet werden, um die Abwärme an die Atmosphäre abzugeben. Teilweise ist es möglich, Abwärme zu nutzen, zum Beispiel in Fernwärmesystemen .

Verwendet

KWK und Kraft-Wärme-Kopplung

Die Verschwendung der Nebenproduktwärme wird reduziert, wenn ein Blockheizkraftwerk , auch bekannt als Blockheizkraftwerk (BHKW), verwendet wird. Einschränkungen bei der Nutzung von Nebenproduktwärme ergeben sich hauptsächlich aus den technischen Herausforderungen hinsichtlich Kosten/Effizienz bei der effektiven Nutzung kleiner Temperaturunterschiede zur Erzeugung anderer Energieformen. Zu den Anwendungen, die Abwärme nutzen, gehören Schwimmbadheizungen und Papierfabriken . Teilweise kann die Kälte auch durch den Einsatz von beispielsweise Absorptionskältemaschinen erzeugt werden , in diesem Fall heißt es Kraft-Wärme- Kopplung oder BHKW (Combined Cooling, Heat and Power).

Es gibt viele verschiedene Ansätze, thermische Energie in Strom umzuwandeln, und die Technologien dafür gibt es schon seit mehreren Jahrzehnten. Der von Unternehmen wie Ormat angebotene Bio-Rankine-Kreislauf ist ein sehr bekannter Ansatz, bei dem anstelle von Wasser eine organische Substanz als Arbeitsmedium verwendet wird. Der Vorteil besteht darin, dass dieser Prozess Wärme bei niedrigeren Temperaturen zur Stromerzeugung abgeben kann als der reguläre Wasserdampfkreislauf. Ein Anwendungsbeispiel des Dampf- Rankine-Zyklus ist die Zyklon-Abwärmemaschine . Ein anderer etablierter Ansatz ist die Verwendung einer thermoelektrischen Vorrichtung, bei der eine Temperaturänderung über einem Halbleitermaterial durch ein Phänomen, das als Seebeck-Effekt bekannt ist, eine Spannung erzeugt . Ein verwandter Ansatz ist die Verwendung von thermogalvanischen Zellen , bei denen eine Temperaturdifferenz einen elektrischen Strom in einer elektrochemischen Zelle erzeugt.

Fernwärme

Abwärme kann in Fernwärme genutzt werden . Je nach Temperatur der Abwärme und des Fernwärmenetzes muss eine Wärmepumpe eingesetzt werden, um ausreichende Temperaturen zu erreichen. Eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, Abwärme in kalten Fernwärmenetzen zu nutzen, da diese bei Umgebungstemperaturen betrieben werden und somit auch minderwertige Abwärme ohne Wärmepumpe auf Erzeugerseite genutzt werden kann.

Vorheizen

Abwärme kann dazu gezwungen werden, ankommende Flüssigkeiten und Gegenstände zu erhitzen, bevor sie stark erhitzt wird. So kann abfließendes Wasser seine Abwärme in einem Wärmetauscher an das einströmende Wasser abgeben, bevor es in Häusern oder Kraftwerken erwärmt wird .

Anthropogene Hitze

Anthropogene Hitze

Anthropogene Wärme ist Wärme, die von Menschen und menschlichen Aktivitäten erzeugt wird. Die American Meteorological Society definiert es als "Wärme, die durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre freigesetzt wird, häufig mit der Verbrennung von Brennstoffen. Zu den Quellen gehören Industrieanlagen, Raumheizung und -kühlung, menschlicher Stoffwechsel und Fahrzeugabgase. In Städten trägt diese Quelle typischerweise 15 bei –50 W/m 2 auf die lokale Wärmebilanz und mehrere hundert W/m 2 im Zentrum von Großstädten in kalten Klimazonen und Industriegebieten."


Umweltbelastung

Anthropogene Hitze hat einen geringen Einfluss auf die ländlichen Temperaturen und gewinnt in dicht besiedelten städtischen Gebieten an Bedeutung. Es trägt zu den urbanen Hitzeinseln bei . Andere vom Menschen verursachte Effekte (wie Änderungen der Albedo oder Verlust der Verdunstungskühlung), die zu städtischen Wärmeinseln beitragen könnten, werden nach dieser Definition nicht als anthropogene Wärme angesehen .

Anthropogene Wärme trägt viel weniger zur globalen Erwärmung bei als Treibhausgase . Im Jahr 2005 machte der anthropogene Abwärmefluss weltweit nur 1 % des durch anthropogene Treibhausgase verursachten Energieflusses aus . Der Wärmestrom ist nicht gleichmäßig verteilt, in einigen Regionen höher als in anderen und in bestimmten städtischen Gebieten deutlich höher. Zum Beispiel betrug der globale Antrieb durch Abwärme im Jahr 2005 0,028 W/m 2 , aber +0,39 bzw. +0,68 W/m 2 für die kontinentalen Vereinigten Staaten bzw. Westeuropa.

Obwohl ein Einfluss von Abwärme auf das regionale Klima nachgewiesen wurde, wird der Klimaantrieb aus Abwärme in modernen globalen Klimasimulationen normalerweise nicht berechnet. Gleichgewichtsklimaexperimente zeigen eine statistisch signifikante Oberflächenerwärmung im kontinentalen Maßstab (0,4–0,9 °C), die von einem 2100 AHF-Szenario erzeugt wird, aber nicht von aktuellen oder 2040-Schätzungen. Einfache globale Schätzungen mit unterschiedlichen Wachstumsraten der anthropogenen Wärme, die kürzlich aktualisiert wurden, zeigen spürbare Beiträge zur globalen Erwärmung in den folgenden Jahrhunderten. Beispielsweise führte eine Wachstumsrate der Abwärme von 2% pa zu einem Anstieg um 3 Grad als Untergrenze für das Jahr 2300. Dies wurde inzwischen durch verfeinerte Modellrechnungen bestätigt.

Eine Studie hat gezeigt, dass, wenn die anthropogenen Wärmeemissionen weiterhin in der gegenwärtigen Geschwindigkeit ansteigen, sie im 21. Jahrhundert zu einer ebenso starken Erwärmungsquelle werden wie die Treibhausgasemissionen .

Siehe auch

Verweise