Christoph Langel Blog

Nutzung industrieller Abwärme in der Fernwärme

Wed, 26 Mar 2025 13:31:51 GMT

Nutzung industrieller Abwärme

in der Fernwärme

Innovative Lösung mit bidirektionaler Wärmelieferung umgesetzt

„Wir trennen die Netze, um sie zu verbinden“ – so steht es in der Pressemitteilung der Stadtwerke Herne AG (stwh) zur ersten großen Verbindung ihres Fernwärmenetzes mit industrieller Abwärme, die im März 2025 in Betrieb gegangen ist.

Bei diesem Projekt, für das ich die initiale Planung und Konzeption im Auftrag der stwh durchführen konnte, galt es einige technische Herausforderungen zu lösen.

Neben unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus war es vor allem die Anforderung, einen Wärmeaustausch in beiden Richtungen zu ermöglichen, denn üblicherweise liefert eine (Ab-)Wärmequelle nur in eine Richtung ihre Wärme. Welchen Vorteil dieser Wärmetausch bringt und wie ich die Herausforderungen lösen konnte, liest du im folgenden Blogbeitrag.

Ausgangslage

Im Besitz der stwh befinden sich das durch uniper mit Wärme versorgte Innenstadtnetz sowie weitere, kleinere Inselnetze. Eines dieser Netze im Herner Süden (hier: Netz 2) wird aus industrieller Abwärme eingespeist. Dieses Netz nutzte in der Vergangenheit zur Absicherung in Produktionspausen sehr teure, aus Dampfkesseln bereitgestellte Wärme.

Ziel war nun einerseits, das verfügbare und noch nicht vollständig genutzte Abwärmepotential des Industriebetriebes auch für das große Innenstadtnetz (Primärnetz) verfügbar zu machen. Andererseits sollte sichergestellt werden, dass das Netz 2 auch während Produktionsunterbrechungen durch das Primärnetz abgesichert ist. Schließlich sollen auch noch die Kunden, die auf einer ca. 500m langen Verbindungsleitung liegen, in jedem Betriebsfall sicher mit Wärme versorgt werden .

Herausforderung 1: Bidirektionaler Wärmetransport

Die erste große Herausforderung war es, einen Wärmefluss in beide Richtungen zu ermöglichen. Neben einer Umkehr der Strömungsrichtung in der Verbindungsleitung mussten hierfür auch die Wärmetauscher in der Lage sein, sowohl im Gegenstrom- als auch im Gleichstrombetrieb eine ausreichende Wärmeübertagung zu gewährleisten. Dies hatte wiederum Einfluss auf die Dimensionierung der Anlage.

Ist keine industrielle Abwärme verfügbar, wird Netz 2 aus dem Primärnetz mit Wärme versorgt und ist quasi als ein großer Kunde zu sehen. Die Wärmetauscherstation fungiert als „große Hausstation“ und überträgt die Wärme in Netz 2.

Ist ausreichend industrielle Abwärme verfügbar, kann die Wärme in das Primärnetz zurückgespeist werden. Netz 2 wird gleichzeitig weiter versorgt. Während andere Lösungen eine Anhebung der Rücklauftemperatur im Bestandsnetz praktizieren, habe ich hier eine Änderung der Strömungsrichtung in der Verbindungsleitung und somit eine Einspeisung in den Vorlauf des Primärnetzes vorgeschlagen. So ist eine vollwertige sekundäre Wärmeeinspeisung ohne Leistungsbegrenzung möglich. Der Umschaltprozess berücksichtigt dabei einen kurzen Stillstand und begrenzt durch definierte Rampen den Lastgradienten. Besonderes Augenmerk gilt hier dem Temperaturverlauf im Primärnetz, der insbesondere im Winter durch die Beimischung etwas abgesenkt wird. Durch eine Optimierung des Netzes und der Hausstationen kann so bereits ein wichtiger Beitrag zur Effizienzsteigerung (Optimierung der Netztemperaturen) geleistet werden. Grundlage hierfür ist eine hydraulische Simulation des Gesamtsystems, die für jeden Betriebsfall die kritischen Netzparameter zeigen kann. Je niedriger die Rücklauftemperatur der Stationen im Primärnetz ist, desto mehr Wärme kann ausgekoppelt werden.

Im Ergebnis könnten technisch bis zu 4 MW Wärme, die bisher ungenutzt waren, für den Betrieb des Primärnetzes bereitgestellt werden. Die Maßnahme wird begleitet durch einen massiven Ausbau der Fernwärmeanschlüsse seitens stwh, um das zusätzliche, umweltfreundliche Wärmepotential möglichst vielen Kunden anbieten zu können.

Herausforderung 2: Unterschiedliche Druck- und Temperaturniveaus

Während das große Innenstadtnetz (Druckstufe PN 25) gleitend gefahren wird (Vorlauftemperatur 80-130°C), wird Netz 2 bei konstant 80°C Vorlauftemperatur gefahren. Netz 2 ist zudem ein direkt gefahrenes Netz, d.h. es gibt keine hydraulische Trennung in den Hausstationen, der Betriebsdruck liegt bei etwa 3 bar.

Für die Lösung habe ich hier groß dimensionierte Plattenwärmetauscher vorgeschlagen. So kann eine geringe Grädigkeit und folglich eine bestmögliche Nutzung des verfügbaren Temperaturniveaus erreicht werden. Diese Konstellation ermöglicht eine sichere Trennung der Druckstufen. Die im Winter hohen Vorlauftemperaturen im Primärnetz werden durch eine entsprechende Regelung vor dem Wärmetauscher so begrenzt und abgesichert, dass zu keiner Zeit diese Temperaturen in das Netz 2 gelangen können. So kann der bisher teure Dampfeinsatz während Produktionsunterbrechungen durch preiswertere Wärme aus dem Primärnetz ersetzt werden.

Herausforderung 3: Wärmelieferung auf der Verbindungstrasse

Eine neue, etwa 500m lange Trasse verbindet das Primärnetz mit Netz 2. Die unterwegs angeschlossenen Kunden müssen in jedem Betriebsfall mit Wärme versorgt werden können. Während im Falle der Wärmelieferung an Netz 2 hohe Temperaturen von bis zu 130°C im Vorlauf verfügbar sind, muss im Falle der Wärmelieferung an das Primärnetz die gleiche Station mit nur 80°C Vorlauf eine ausreichende Versorgung des Objektes sicherstellen. Dieser Umstand war bei der Dimensionierung der Stationen zu berücksichtigen. Außerdem wird genügend Leistungsreserve für die Kunden an der Verbindungsleitung benötigt, bevor die Umschaltung gestartet wird. Da die Umschaltung vollständig automatisiert durchgeführt wird, sind sämtliche Parameter nach eingehender Testung in den Systemen hinterlegt.

Fazit

Die in Herne durchgeführte Verbindung zweier Fernwärmenetze zeigt die vielfältigen Möglichkeiten zur effizienten Nutzung von Abwärmepotentialen. Durch die intelligente Steuerung der Anlagen können sowohl unterschiedliche Druck- und Temperaturniveaus, als auch verschiedene Transportrichtungen der Wärme ermöglicht werden. Die Umschaltung zwischen den Betriebsfällen erfolgt abhängig vom jeweiligen Wärmeangebot vollständig automatisiert.

Die jederzeit konstruktive Umsetzungsmentalität der Kollegen vor Ort hat im Zusammenwirken mit den beteiligten Partnern trotz zum Teil langer Komponenten- Lieferzeiten und notwendiger Sonderlösungen ein gutes Gesamtergebnis möglich gemacht. Dabei haben sich meine im Vorfeld durchgeführten Überlegungen in Verbindung mit den gemeinsamen Simulationen und Konkretisierungen als absolut praxistauglich erwiesen. Weitere vergleichbare Projekte sind bereits in der Umsetzung.

Steckbrief

Auftraggeber: Stadtwerke Herne AG
Initiale Planung und Konzept: CL Beratung, Christoph Langel
Hydraulische Simulation: RZVN Wehr GmbH, Düsseldorf
Detail- und Ausführungsplanung: bft Planung GmbH, Aachen
Steuerungstechnik, Automatisierung: KSB Service GmbH, Frankenthal

Weiterführende Links

Energie sparen? Einfach machen!

183:760024315 (Christoph Langel) — Fri, 02 Sep 2022 09:43:42 GMT

Energie sparen?

Einfach machen!

Ein Hausmeister führt uns stolz durch „seine Anlage“- die Wärmeverteilung einer Schule. Er habe alles im Griff, sagt er, auch im kältesten Winter. Temperaturbegrenzer habe er deaktiviert und die Steuerung funktioniere ja doch nicht - „alles Quatsch mit der Elektronik“. Jetzt sei es überall ordentlich warm, die Nutzer des Gebäudes zufrieden. Gerade die Corona-Lüfterei erfordere ja viel Wärme, ständig sei es irgendwo zu kalt.

Sein Resümee: viel hilft viel und manuell steuern ist zuverlässig.

Mein Resümee: vermutlich 20-40% Mehrverbrauch an Wärme und Pumpstrom, große Einsparpotentiale, die leicht zu heben wären.

Diese Beobachtung ist kein Einzelfall. In vielen Kellern öffentlicher Gebäude herrscht eine ähnliche Vorstellung. Das Thema Energie ist ein Randthema, die HausmeisterInnen sind mit vielfältigen Aufgaben ausgelastet, die Ausbildung für oft komplexe Regelungssysteme fehlt, wenn solche Systeme überhaupt vorhanden sind.

Herausforderung: Verwaltungsstrukturen

Auch die Organisationen in solchen Objekten sind selten geeignet, dem Thema das angemessene Gewicht zu geben. In einem Rathaus sind BürgermeisterInnen und Verwaltungsangestellte die Gebäudenutzer, in einer Schule Lehrkräfte und SchulleiterInnen. Sie alle haben das Thema Gebäudebewirtschaftung nicht primär im Fokus - zu gravierend ist der Handlungsbedarf in ihren Kernkompetenzfeldern. Gleichwohl sind sie aber in der Regel Dienstvorgesetzte des Hausmeisters. Im Vorbeigehen höre ich den Kommentar des Hausherrn: „Sehen Sie zu, dass das hier ordentlich läuft“ – welche(r) HausmeisterIn wird gegen einen solchen Arbeitsauftrag mit Energiesparen oder einem Optimierungsvorschlag aufwarten? Aufgrund der zudem sehr komplexen Abrechnungsstrukturen wird die drastische Energiekostensteigerung des Jahres 2022 erst in ein bis zwei Jahren in die Köpfe der Verantwortlichen vordringen. Dann ist es aber für die aktuell nötige Energieeinsparung schon zu spät.

Bewusstsein auf allen Ebenen – gemeinsam positiv motivieren

Wie kann dennoch ein Fortschritt in den für uns alle so wichtigen Themenfeldern erreicht werden? Wir alle sitzen in einem Boot und sind zur Mithilfe und Aufmerksamkeit aufgerufen. Auch am Arbeitsplatz gelten die gleichen Regeln wie zu Hause: Stoßlüften statt Kipplüftung, Temperatur so niedrig wie möglich - soweit man Einfluss darauf hat. Ein Hausmeister, der in der Kaffeeküche für seine Arbeit Wertschätzung erfährt und vielleicht die Frage hört „Wie können wir dir noch helfen, weniger Energie zu verbrauchen“ ist sicher viel eher bereit, sich für mehr Effizienz einzusetzen, als wenn er ständig nur von Ansprüchen getrieben wird. Er ist jedenfalls oftmals der Einzige, der das nötige Fachwissen in den Organisationen mitbringt, wenngleich moderne Regelungssysteme auch zusätzliche Qualifizierung erfordern.

Sollen doch erstmal die Anderen!

Natürlich, alles ist immer irgendwie wichtiger als das Thema Energie. Sie ist immer da und wird uns doch wohl auch jetzt nicht verlassen? Das Tagesgeschäft setzt seine eigenen Prioritäten. Klar, das bei dieser Rangliste die Fortschritte hin zu einer spürbaren Verbrauchsabsenkung übersichtlich bleiben. Aber: Jeder Beitrag zählt und so ist es vielleicht doch eine gute Idee, dass Thema zur Chefsache zu erklären und die Organisation auf einen gemeinsamen Kurs einzuschwören. Dann kann auch ein Hausmeister die Anerkennung erfahren, die ihm als Helfer für alle Fragen gebührt. Er kann sich die nötige Unterstützung holen und - wenn man die Einsparerfolge dann noch mit Anreizen oder Prämien versieht, kann sich die Stimmung sehr schnell positiv verändern.

80 Millionen einzelne Entscheider: die Hälfte des gesamten Endenergieverbrauches verantworten wir alle mit unseren täglichen Entscheidungen. (Individualverkehr, Raumheizung und Strom: nur der private Anteil)

Auch die Vorbildfunktion öffentlicher Gebäude ist nicht zu unterschätzen. Oft höre ich in Gesprächen Sätze wie „warum soll ich mich zuhause mit meinem eigenen Geld für Energieeinsparung einsetzen, wenn das Thema auf der Arbeit sowieso niemanden interessiert?“ Verstehen kann ich diesen Gedankengang. Erst wenn es uns gelingt, Energie als das wahrzunehmen, was es ist, nämlich ein kostbarer und begrenzter Rohstoff, wird sich ein angemessenerer Umgang damit durchsetzen können.

Was zuerst anpacken?

Nach einem gemeinsamen Gespräch in der Organisation kann jeder sofort anfangen - es braucht Beide: NutzerIn und technisch Verantwortliche, um schnelle Fortschritte zu erzielen. Kleine Checklisten können für jeden Arbeitsplatz die Sensibilität für das Thema Energie erhöhen - im Winter insbesondere für die Wärmeverluste. Beispiele sind hier weit geöffnete Fenster in Fluren und Sanitärräumen bei zugleich voll aufgedrehter Heizung, oder undichte Fenster und fehlende Regelventile an Heizkörpern. Ein fehlender Thermostatkopf am Heizkörper entspricht der Stellung 5, also voll geöffnet – hier sollte also sofort der Mangel gemeldet werden. Die Raumtemperatur in ungenutzten Räumen abzusenken und auch insgesamt zu reduzieren, gehört zu den wirkungsvollsten Sofortmaßnahmen. In der Technik geht es zunächst um die Bestandsaufnahme; welche Technik ist vorhandenen? Ist sie in Betrieb? Gibt es Bedienungsanleitungen oder Dokumentationen zu komplexeren Regelsystemen? Wer kann sie bedienen oder wer kann helfen, sie wieder in Betrieb zu nehmen? Wie hoch sind die Temperaturen in den Rohrleitungen und ist das Temperaturniveau überhaupt erforderlich? Tiefergehende Expertenanalysen können klären, ob die Instandsetzung vorhandener oder Ergänzung neuer Regeltechnik sinnvoll ist.

Aber Achtung: die wirtschaftlichen Rahmenparameter haben sich grundlegend geändert. Über viele Jahre hat sich in manchem Hinterkopf eines Verantwortlichen ein „das rechnet sich nicht“ hartnäckig festgesetzt. Energie-Preissteigerungen von 100% und mehr wirken da wie ein Gamechanger. Es ist zu erwarten, das viele Optimierungsmaßnahmen nun nicht nur gesellschaftlich geboten, sondern auch wirtschaftlich hochattraktiv geworden sind.

„Energiesnack“ zum Einstieg

Ein moderierter „Energiesnack“ kann in lockerer Atmosphäre für das Thema sensibilisieren und die MitarbeiterInnen motivieren, ihre eigene Aufmerksamkeit einzubringen. Gerne entwickele ich mit Ihnen ein für Ihre Organisation passendes Format.

Bei Fragen und Anregungen melden Sie sich gerne bei mir.

Abwärme - einfach nutzen!

183:760024315 (Christoph Langel) — Fri, 02 Sep 2022 09:43:12 GMT

Abwärme - einfach nutzen!

Zu unsicher, zu teuer - das lohnt sich nicht: so klingt ein häufiges Fazit, wenn es um die Nutzung von Abwärme geht. Ob als Nebenprodukt der Stromerzeugung oder notwendige Rückkühlung aus Industrieprozessen: ihre Verfügbarkeit ist meist nicht gesichert und damit fällt diese (kostenlose) Energiequelle für die weitere Nutzung meist schon aus. Ein Investitionsvorhaben wie z.B. ein Wärmenetz wird sich in der Regel wohl nicht auf eine solche Wärmequelle abstützen lassen.

Abwärme = Abfall? Das stimmt heute so allgemein nicht mehr. Die Rahmenbedingungen haben sich erheblich verändert, nicht zuletzt durch stark gestiegene Energiepreise. Wie eine erfolgreiche Nutzung aussehen kann und welche Dynamik sich daraus ergeben kann, zeigt der folgende Beitrag.

(Ab)wärme für mindestens 500 Wohneinheiten

Ein Beispiel für eine gelungene Abwärmenutzung ist eine Anlage zur Verstromung von Grubengas im nordrhein-westfälischen Herne. Während das Gas bisher mit seiner Verbrennung nur der Stromerzeugung diente und die Wärme ungenutzt blieb, konnte 2022 auf Grundlage meiner Planungen ein Wärmenetz errichtet werden. Es ersetzt im ersten Schritt für rund 500 Wohneinheiten die Wärme aus den früheren hauseigenen Gaskesseln durch umweltfreundliche Nahwärme. Die Entscheidung für „ Friedrich der Grüne “, wie die Stadtwerke Herne AG ihr jüngstes Wärmenetz nennen, fiel noch vor der letzten Energiekrise. Schon damals haben sich viele KundInnen für das neue Angebot interessiert, doch die Marktentwicklungen wirken weiterhin wie ein Booster für die Zahl der neuen Hausanschlüsse.

Abwärme nicht ohne „Plan B“ nutzen

Der Weg zur Investitionsentscheidung war auch hier von vielen Fragen begleitet. Was geschieht, wenn das Grubengas, das in vielen stillgelegten Bergwerken noch über viele Jahre gefördert werden kann, auf einmal versiegt, was, wenn sich nicht genügend Kunden finden? Welche technischen Alternativen gibt es, welche Kaufmännischen? Auch der Blick über die aktuell gültigen Gesetze hinaus ist nötig, wenn man die mittelfristige Entwicklung der Klima- und geopolitischen Lage aus unternehmerischer Sicht betrachtet. Viel zu lange wurde politisch eine Entwicklung ignoriert, die uns noch vielfältige und tiefgreifende Veränderungen abverlangen wird. Es wird deutlich, das nur wirklich nachhaltige Konzepte langfristig Bestand haben können, die nicht auf die Entnahme fossiler Ressourcen gestützt sind. Und so wurde auch dieses Netz schon auf den möglichen späteren Einsatz von Wärmepumpen hin konzipiert, dezentrale Speicher und niedrige Temperaturen gehören ebenso dazu wie ein entsprechendes Steuerungssystem. Für den aktuellen Betrieb gibt es redundante Gaskessel, die auch CO2-neutral mit Biomethan befeuert werden können. Außerdem ermöglichen strenge wettbewerbliche Kriterien bei der Preisbildung auch ohne Anschluss- und Benutzungszwang einen nachhaltigen Kundenzuwachs.

Neue Disziplin: Der „Abwärme Vertrieb“

Die konsequente Nutzung von Abwärme kann auch für Vertriebe zu einer neuen Disziplin werden. Denn auch in bestehende Netze kann Wärme eingespeist und genutzt werden. Entsprechende Simulationen und Untersuchungen haben wir bereits an anderer Stelle im Stadtgebiet Herne durchgeführt. Hierfür ist es jedoch erforderlich, sich von der bisherigen „Downstream-Denkweise“ der klassischen Wärmeversorgung (Von der Wärmequelle des Versorgers zur Wärmesenke des Kunden) zu lösen. So kann ein Netz zu einer „Wärmedrehscheibe“ werden, die bei optimierten Hausstationen eine energieeffiziente Wärmeverteilung ermöglicht.

Abwärme sollte so gesehen nicht länger als Abfall betrachtet werden, sondern eher als Rohstoff, der mindestens als „Fuel-Saver“ rohstoffsenkend in ein Konzept eingebunden werden kann. Zudem bietet die Entwicklung von effizienten Wärmenetzen eine Alternative zu bestehenden Gasnetzen, die zumindest für die niederkalorische Wärmebereitstellung in Wohngebäuden in Zukunft rasch an Bedeutung verlieren werden.

Hohe Nachfrage

Für das neue Wärmenetz in Herne gibt es dank einer attraktiven und wettbewerbsfähigen Angebotskonzeption täglich neue Anfragen von Anliegern. Noch steht genügend Kapazität zur Verfügung, um möglichst viele Menschen in den Genuss der grünen Fernwärme kommen zu lassen. Außerdem werden die Potentiale für weitere, vergleichbare Projekte geprüft und auf ihre Umsetzbarkeit unter den neuen Randbedingungen bewertet.

Wenn Sie Unterstützung für eine strategische Planung benötigen oder einen Partner für die pragmatische Umsetzung suchen, nehmen Sie gerne Kontakt auf.

Der Artikel wurde erstmals 2022 veröffentlicht. Letzte Aktualisierung: Juni 2025

Christoph Langel Blog

Nutzung industrieller Abwärme in der Fernwärme

Nutzung industrieller Abwärme

in der Fernwärme

Innovative Lösung mit bidirektionaler Wärmelieferung umgesetzt

Ausgangslage

Herausforderung 1: Bidirektionaler Wärmetransport ﻿

Herausforderung 2: Unterschiedliche Druck- und Temperaturniveaus

Herausforderung 3: Wärmelieferung auf der Verbindungstrasse

Fazit

Steckbrief

Weiterführende Links

Energie sparen? Einfach machen!

Energie sparen?

﻿ Einfach machen!

Herausforderung: Verwaltungsstrukturen

Bewusstsein auf allen Ebenen – gemeinsam positiv motivieren

Sollen doch erstmal die Anderen!

Was zuerst anpacken?

„Energiesnack“ zum Einstieg

Abwärme - einfach nutzen!

Abwärme - einfach nutzen!

(Ab)wärme für mindestens 500 Wohneinheiten

Abwärme nicht ohne „Plan B“ nutzen

Neue Disziplin: Der „Abwärme Vertrieb“

Hohe Nachfrage

Herausforderung 1: Bidirektionaler Wärmetransport

Einfach machen!