Abschlussbericht Projekt RecoveryPlus: Industrielle Abwärmenutzung erweitert durch thermoelektrische Generatoren; Teilvorhaben 03EN2024A (DLR): Entwicklung und Untersuchung von thermoelektrischen Generatoren für die industrielle Abwärmenutzung; Teilvorhaben 03EN2024B (Föhl): Entwicklung und Umsetzung von Integrationskonzepten für thermoelektrische Generatoren in industrielle Gesamtsysteme

Abstract

Das Projekt RecoveryPlus wurde im Rahmen des Energieforschungsprogramms der Bundesregierung durchgeführt. Ein zentrales Ziel des Programms ist mit innovativen Technologien den Klimawandel zu begrenzen und die Wirtschaft zu stärken. Thermoelektrische Generatoren (TEG) haben das Potenzial zu diesem Ziel beizutragen. Sie können u.a. zur Abwärmenutzung von Industrieprozessen eingesetzt werden. Die sonst verlorene Abwärme wird dabei durch die TEG teilweise in Strom umgewandelt und die restliche Wärme beispielsweise zur Gebäudebeheizung bereitgestellt. Damit muss weniger Strom aus dem Netz bezogen bzw. Wärme in Heizkesseln erzeugt werden und es werden Energiekosten sowie Emissionen eingespart. Die Funktionsweise von TEG basiert auf einem Halbleiter-Effekt, wodurch sie ohne zusätzliche bewegte Bauteile auskommen, kompakt im Aufbau sind, geräuscharm und ohne Wartung betrieben werden können und potenziell mit geringen Investitionskosten angeschafft werden können. Diese Eigenschaften machen sie insbesondere für Industrieanlagen mit moderater Größe interessant, für die bisher eine wirtschaftliche Technologielücke besteht. Das Ziel des Projekts war das Potenzial von TEG anhand der Abwärmenutzung an einem Zinkschmelzofen zu demonstrieren. Dafür wurde die mögliche Effizienzsteigerung und Wirtschaftlichkeit bewertet, die Langzeitstabilität untersucht und die Technologie in den Stand der Technik eingeordnet. Die Expertise der Projektpartner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Fahrzeugkonzepte, im Bereich Entwicklung von TEG, und der Fa. Adolf Föhl, im Bereich Zinkverarbeitung und Anlagenbau, wurde kombiniert eingesetzt. Es wurde die betriebliche Zinkschmelzanlage im Detail vermessen, um Randbedingungen bereitzustellen, die für die Entwicklung, Simulation und Kosten-Nutzen-Optimierung eines TEG-Systems eingesetzt wurden. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein Funktionsmuster aufgebaut, im Labor experimentell untersucht, in die betriebliche Anlage integriert und dort getestet. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von TEG. Das aufgebaute Funktionsmuster hat eine elektrische Leistung von ca. 1 kWel und eine thermische Leistung von ca. 37 kWth. Wird ein TEG mit diesen Werten in das Abgassystem eines Zinkschmelzofens integriert, können damit über 210.000 kWh Energie, 5.000 € Energiekosten und 35 Tonnen CO2-eq pro Jahr eingespart werden. Die jährliche Stromerzeugung eines TEG an dem betrachteten Zinkschmelzofen ent-spricht einer Flachdach-Photovoltaikanlagen mit einer Fläche von 70 m² in Deutschland (H. Wirth 2024). Die berechneten Herstellkosten des TEG bei einer Kleinserienfertigung betragen 5.725 €. Dadurch ist, auch unter Berücksichtigung von weiteren Kosten wie Installationskosten, eine Amortisationszeit von deutlich unter drei Jahren erreichbar. Dies wird von möglichen Anwendern der Technologie, wie der Fa. Adolf Föhl, als sehr wirtschaftlich angesehen. So ist für den Einsatz von Alternativtechnologie an einem Zinkschmelzofen, wie einer Anlage mit Organic-Rankine-Cycle, von mehr als der doppelten Amortisationszeiten auszugehen. Bei Installation und Betrieb des TEG in der realen Anlage konnten viele Erkenntnisse gewonnen werden. Es wurde die CE-Konformität des TEG in der 1 kWel-Leistungsklasse nachgewiesen sowie dessen einfache Handhabung und systemische Umsetzbarkeit demonstriert. Gleichzeitig zeigt das Projekt den Forschungsbedarf an TEG in den Bereichen Stabilität und Langzeitstabilität sowie in Konzepten zum Umgang mit den heterogenen Randbedingungen von Industrieanlagen und deren Demonstration auf. Wird dies erfolgreich umgesetzt, dann ist der breite Einsatz von TEG in vielfältigen Anwendungen möglich. Allein beim Einsatz von TEG zur industriellen Abwärmenutzung über 500 °C in Deutschland besteht ein jährliches Einsparpotenzial von über 85 GWhel und 3 TWhth und damit Emissionsreduktionen von 1 Mio. tCO2-eq. Das Potenzial verdoppelt sich, wenn zusätzlich TEG für Abwärme über 250 °C betrachtet werden. Darüber hinaus können TEG in weiteren Branchen eingesetzt werden. Beispielsweise zur Abwärmenutzung in Blockheizkraftwerken, integriert in Heizkessel wie Pelletkessel zur Kraft-Wärme-Kopplung oder zur Effizienzsteigerung von Nutzfahrzeugen in der Fahrzeugtechnik. Diese weiteren Einsatzmöglichkeiten erhöhen das Einsparpotenzial durch TEG um ein Vielfaches. Damit kann der Energieverbrauch und die -kosten von Unternehmen sowie deren Emissionsausstoß reduziert werden. Das trägt zur Stärkung der Wirtschaft und zur Abmilderung des Klimawandels bei. Datei-Upload durch TIB