Lexikon

English: Process heat / Español: Calor de proceso / Português: Calor de processo / Français: Chaleur industrielle / Italiano: Calore di processo

Prozesswärme bezeichnet die thermische Energie, die in industriellen Verfahren gezielt zur Durchführung oder Unterstützung von Produktionsprozessen eingesetzt wird. Sie stellt einen zentralen Bestandteil der Energieversorgung in nahezu allen Branchen des verarbeitenden Gewerbes dar und unterscheidet sich von Raumwärme oder Warmwasserbereitung durch ihren direkten Bezug zur Herstellung von Gütern. Die Bereitstellung und Nutzung von Prozesswärme erfordert spezifische Technologien, die sowohl die Temperaturanforderungen als auch die Effizienz- und Emissionsvorgaben der jeweiligen Anwendung erfüllen.

Allgemeine Beschreibung

Prozesswärme wird in der Industrie für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt, die von der Trocknung über die Schmelze bis hin zur chemischen Reaktion reichen. Die erforderlichen Temperaturniveaus variieren dabei stark: Während einige Prozesse bereits bei 50 °C ablaufen, erfordern andere Temperaturen von über 1000 °C. Die Wärme kann durch verschiedene Energieträger bereitgestellt werden, darunter fossile Brennstoffe wie Erdgas oder Heizöl, erneuerbare Energien wie Biomasse oder Solarthermie sowie elektrische Energie in Form von Widerstands- oder Induktionsheizungen. Die Wahl des Energieträgers hängt von Faktoren wie Verfügbarkeit, Kosten, Umweltauflagen und technischer Machbarkeit ab.

Ein wesentliches Merkmal der Prozesswärme ist ihre Integration in komplexe Produktionsabläufe, bei denen oft mehrere Wärmequellen und -senken miteinander verknüpft sind. Beispielsweise kann Abwärme aus einem Hochtemperaturprozess zur Vorwärmung von Einsatzstoffen in einem anderen Prozessschritt genutzt werden, um den Gesamtenergiebedarf zu senken. Solche Wärmerückgewinnungssysteme sind ein zentraler Bestandteil moderner Energieeffizienzstrategien in der Industrie. Zudem unterliegt die Erzeugung und Nutzung von Prozesswärme strengen regulatorischen Vorgaben, insbesondere im Hinblick auf Emissionen von Treibhausgasen und Luftschadstoffen. Die Einhaltung dieser Vorgaben erfordert häufig den Einsatz von Filter- und Abgasreinigungstechnologien, die zusätzlich zu den Investitions- und Betriebskosten beitragen.

Die Wirtschaftlichkeit der Prozesswärmeversorgung wird maßgeblich durch die Energiepreise und die Effizienz der eingesetzten Technologien bestimmt. In vielen Industriebranchen, wie der Stahl-, Zement- oder Glasproduktion, stellt die Prozesswärme den größten Posten im Energieverbrauch dar. Daher sind Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz, wie die Optimierung von Verbrennungsprozessen oder die Nutzung von Abwärme, von hoher Bedeutung. Gleichzeitig gewinnen alternative Energieträger, insbesondere grüner Wasserstoff oder synthetische Brennstoffe, an Bedeutung, um die Dekarbonisierung der Industrie voranzutreiben. Diese Entwicklungen erfordern jedoch erhebliche Investitionen in neue Technologien und Infrastrukturen.

Technische Details

Prozesswärme wird in der Regel durch Verbrennungsprozesse, elektrische Heizsysteme oder Wärmeübertragungssysteme bereitgestellt. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe ist nach wie vor die dominierende Methode, wobei Erdgas aufgrund seiner relativ geringen CO₂-Emissionen im Vergleich zu Kohle oder Heizöl bevorzugt wird. Moderne Brennertechnologien, wie die Oxyfuel-Verbrennung, ermöglichen eine effizientere Verbrennung und reduzieren gleichzeitig die Bildung von Stickoxiden (NOₓ). Bei der Oxyfuel-Verbrennung wird reiner Sauerstoff anstelle von Luft eingesetzt, was zu einer höheren Flammentemperatur und einer konzentrierteren CO₂-Abgasströmung führt, die leichter abgeschieden werden kann (Quelle: VDI-Richtlinie 3460).

Elektrische Heizsysteme, wie Widerstandsheizungen oder Induktionsöfen, kommen vor allem in Anwendungen zum Einsatz, die eine präzise Temperaturkontrolle erfordern. Sie zeichnen sich durch eine hohe Effizienz und geringe lokale Emissionen aus, sind jedoch aufgrund der Stromkosten oft nur für spezifische Prozesse wirtschaftlich. In der Metallverarbeitung werden beispielsweise Induktionsöfen genutzt, um Metalle gezielt zu erwärmen oder zu schmelzen. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei durch elektromagnetische Induktion, was eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung ermöglicht.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Wärmeübertragung, die durch Konvektion, Strahlung oder Wärmeleitung erfolgen kann. In vielen industriellen Prozessen werden Wärmetauscher eingesetzt, um Wärme zwischen verschiedenen Medien zu übertragen. Diese können als Platten-, Rohrbündel- oder Spiralwärmetauscher ausgeführt sein und ermöglichen die Nutzung von Abwärme aus einem Prozess zur Vorwärmung von Einsatzstoffen oder zur Erzeugung von Dampf. Die Effizienz von Wärmetauschern wird durch Faktoren wie die Wärmeübergangskoeffizienten, die Temperaturdifferenz und die Strömungsgeschwindigkeit der Medien bestimmt (Quelle: DIN EN 305).

Die Speicherung von Prozesswärme gewinnt zunehmend an Bedeutung, um die Flexibilität der Energieversorgung zu erhöhen und Lastspitzen abzufedern. Thermische Speicher können als sensible Speicher (z. B. Wasserspeicher), latente Speicher (z. B. Phasenwechselmaterialien) oder thermochemische Speicher ausgeführt sein. Sensible Speicher sind die am weitesten verbreitete Technologie, da sie kostengünstig und einfach zu realisieren sind. Latente und thermochemische Speicher bieten jedoch höhere Energiedichten und sind besonders für Hochtemperaturanwendungen geeignet.

Normen und Standards

Die Erzeugung und Nutzung von Prozesswärme unterliegt zahlreichen nationalen und internationalen Normen und Richtlinien. Die DIN EN ISO 50001 legt Anforderungen an Energiemanagementsysteme fest und ist für viele Industriebetriebe verbindlich, um Energieeffizienzmaßnahmen systematisch umzusetzen. Für die Emissionsüberwachung sind die Vorgaben der TA Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) sowie der EU-Industrieemissionsrichtlinie (IED) maßgeblich. Diese regeln unter anderem die zulässigen Grenzwerte für Schadstoffe wie Stickoxide, Schwefeldioxid und Feinstaub. Darüber hinaus sind für spezifische Anwendungen branchenspezifische Normen relevant, wie die DIN EN 746 für industrielle Thermoprozessanlagen oder die DIN EN 12952 für Wasserrohrkessel.

Abgrenzung zu ähnlichen Begriffen

Prozesswärme ist von anderen Formen der Wärmebereitstellung abzugrenzen, insbesondere von Raumwärme und Warmwasser. Während Raumwärme zur Beheizung von Gebäuden dient und Warmwasser für sanitäre Zwecke genutzt wird, ist Prozesswärme direkt in die Herstellung von Produkten eingebunden. Ein weiterer verwandter Begriff ist die Abwärme, die als Nebenprodukt industrieller Prozesse entsteht und oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Im Gegensatz zur Prozesswärme, die gezielt erzeugt wird, ist Abwärme ein unerwünschtes, aber potenziell nutzbares Energiepotenzial. Die Rückgewinnung von Abwärme zur Nutzung als Prozesswärme ist ein zentraler Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz in der Industrie.

Anwendungsbereiche

• Metallverarbeitung: In der Stahl- und Aluminiumproduktion wird Prozesswärme für Schmelz-, Glüh- und Härteprozesse benötigt. Beispielsweise erfordert die Stahlherstellung im Hochofen Temperaturen von bis zu 2000 °C, während in der Aluminiumproduktion Temperaturen von 700 bis 800 °C für das Schmelzen und Gießen erforderlich sind. Die Wärme wird häufig durch Verbrennung von Koks oder Erdgas bereitgestellt, wobei moderne Verfahren wie die Direktreduktion mit Wasserstoff zunehmend an Bedeutung gewinnen.
• Chemische Industrie: In der chemischen Industrie wird Prozesswärme für Reaktionen wie die Dampfreformierung von Methan zur Wasserstoffproduktion oder die Synthese von Ammoniak eingesetzt. Diese Prozesse erfordern oft hohe Temperaturen (bis zu 1000 °C) und Drücke, was den Einsatz von speziellen Reaktoren und Wärmetauschern notwendig macht. Die Wärme wird häufig durch Verbrennung von Erdgas oder durch elektrische Heizsysteme bereitgestellt.
• Zement- und Glasproduktion: In der Zementindustrie wird Prozesswärme für das Brennen von Kalkstein zu Zementklinker bei Temperaturen von etwa 1450 °C benötigt. Die Wärme wird in Drehrohröfen durch Verbrennung von Kohle, Erdgas oder alternativen Brennstoffen wie Biomasse erzeugt. In der Glasproduktion werden Schmelzwannen eingesetzt, in denen Temperaturen von bis zu 1600 °C erreicht werden, um Rohstoffe wie Quarzsand, Soda und Kalk zu schmelzen.
• Lebensmittelindustrie: In der Lebensmittelverarbeitung wird Prozesswärme für Prozesse wie Pasteurisierung, Sterilisation, Trocknung und Backen eingesetzt. Die erforderlichen Temperaturen liegen meist zwischen 60 und 200 °C. Beispielsweise wird bei der Milchpasteurisierung die Milch für 15 bis 30 Sekunden auf 72 bis 75 °C erhitzt, um pathogene Mikroorganismen abzutöten. Die Wärme wird häufig durch Dampf oder Heißwasser bereitgestellt, das in Wärmetauschern auf das Lebensmittel übertragen wird.
• Papier- und Zellstoffindustrie: In der Papierproduktion wird Prozesswärme für das Trocknen der Papierbahn sowie für die Aufbereitung von Zellstoff benötigt. Die Trocknung erfolgt in großen Trockenzylindern, die mit Dampf beheizt werden. Die erforderlichen Temperaturen liegen zwischen 100 und 150 °C. Die Wärme wird häufig durch Verbrennung von Reststoffen wie Rinde oder Schwarzlauge bereitgestellt, die als Nebenprodukte der Zellstoffherstellung anfallen.

Bekannte Beispiele

• Hochofenprozess in der Stahlindustrie: Der Hochofen ist ein zentrales Element der Stahlproduktion und dient der Reduktion von Eisenerz zu Roheisen. Der Prozess erfordert Temperaturen von bis zu 2000 °C, die durch die Verbrennung von Koks und die Zufuhr von Heißwind (vorgeheizte Luft) bereitgestellt werden. Die entstehende Prozesswärme wird nicht nur für die chemische Reaktion, sondern auch für die Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur genutzt. Moderne Hochöfen sind mit Wärmerückgewinnungssystemen ausgestattet, die die Abwärme zur Vorwärmung der Verbrennungsluft oder zur Dampferzeugung nutzen.
• Dampfreformierung in der chemischen Industrie: Die Dampfreformierung ist ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas und Wasserdampf. Der Prozess läuft bei Temperaturen von 700 bis 1000 °C und Drücken von bis zu 30 bar ab. Die erforderliche Prozesswärme wird durch die Verbrennung von Erdgas in speziellen Reformeröfen bereitgestellt. Die entstehende Abwärme wird häufig zur Dampferzeugung genutzt, der wiederum im Prozess eingesetzt wird.
• Zementdrehrohrofen: In der Zementindustrie wird der Drehrohrofen zur Herstellung von Zementklinker eingesetzt. Der Ofen ist ein langes, geneigtes Rohr, in dem das Rohmehl bei Temperaturen von etwa 1450 °C gebrannt wird. Die Prozesswärme wird durch die Verbrennung von Kohle, Erdgas oder alternativen Brennstoffen erzeugt. Die Abwärme des Ofens wird häufig zur Vorwärmung des Rohmehls oder zur Stromerzeugung genutzt.

Risiken und Herausforderungen

• Emissionen von Treibhausgasen und Luftschadstoffen: Die Erzeugung von Prozesswärme durch Verbrennung fossiler Brennstoffe ist mit erheblichen Emissionen von CO₂, Stickoxiden (NOₓ), Schwefeldioxid (SO₂) und Feinstaub verbunden. Diese Emissionen tragen zur globalen Erwärmung und zur Luftverschmutzung bei und unterliegen strengen regulatorischen Vorgaben. Die Einhaltung dieser Vorgaben erfordert den Einsatz von Abgasreinigungstechnologien, wie Entstickungsanlagen (SCR) oder Entschwefelungsanlagen (FGD), die zusätzliche Investitionen und Betriebskosten verursachen.
• Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit: Die Bereitstellung von Prozesswärme ist in vielen Industriebranchen der größte Energieverbraucher und damit ein wesentlicher Kostenfaktor. Die Steigerung der Energieeffizienz ist daher von hoher wirtschaftlicher Bedeutung. Allerdings erfordern Effizienzmaßnahmen, wie die Optimierung von Verbrennungsprozessen oder die Nutzung von Abwärme, oft hohe Investitionen, die sich erst über längere Zeiträume amortisieren. Zudem können schwankende Energiepreise die Wirtschaftlichkeit von Effizienzmaßnahmen beeinflussen.
• Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen: Viele industrielle Prozesse sind nach wie vor stark von fossilen Brennstoffen abhängig, insbesondere von Erdgas und Kohle. Diese Abhängigkeit birgt Risiken in Bezug auf Versorgungssicherheit und Preisschwankungen. Die Umstellung auf alternative Energieträger, wie grünen Wasserstoff oder Biomasse, ist mit technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen verbunden. Beispielsweise erfordert die Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff Anpassungen an den Verbrennungsanlagen und die Verfügbarkeit einer entsprechenden Infrastruktur.
• Technologische Herausforderungen bei der Dekarbonisierung: Die Dekarbonisierung der Prozesswärmeversorgung erfordert den Einsatz neuer Technologien, wie die Nutzung von grünem Wasserstoff, synthetischen Brennstoffen oder elektrischen Heizsystemen. Diese Technologien sind jedoch oft noch nicht ausgereift oder mit hohen Kosten verbunden. Zudem erfordern sie erhebliche Investitionen in neue Anlagen und Infrastrukturen. Ein weiteres Hindernis ist die begrenzte Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom oder grünem Wasserstoff, die für eine vollständige Umstellung der Prozesswärmeversorgung notwendig wäre.
• Regulatorische Unsicherheiten: Die gesetzlichen Vorgaben zur Emissionsreduzierung und Energieeffizienz unterliegen ständigen Änderungen, was für Industriebetriebe eine Herausforderung darstellt. Die Planung und Umsetzung von Maßnahmen zur Einhaltung dieser Vorgaben erfordert langfristige Investitionen, deren Rentabilität durch regulatorische Unsicherheiten beeinträchtigt werden kann. Zudem können sich die Vorgaben zwischen verschiedenen Ländern oder Regionen unterscheiden, was die internationale Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen beeinflussen kann.

Ähnliche Begriffe

• Abwärme: Abwärme bezeichnet die thermische Energie, die als Nebenprodukt industrieller Prozesse entsteht und oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Im Gegensatz zur Prozesswärme, die gezielt erzeugt wird, ist Abwärme ein unerwünschtes, aber potenziell nutzbares Energiepotenzial. Die Rückgewinnung von Abwärme zur Nutzung als Prozesswärme oder zur Stromerzeugung ist ein zentraler Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz in der Industrie.
• Raumwärme: Raumwärme dient der Beheizung von Gebäuden und ist nicht direkt in Produktionsprozesse eingebunden. Sie wird in der Regel durch Heizsysteme bereitgestellt, die mit fossilen Brennstoffen, Strom oder erneuerbaren Energien betrieben werden. Im Gegensatz zur Prozesswärme sind die erforderlichen Temperaturniveaus für Raumwärme deutlich niedriger und liegen meist zwischen 20 und 80 °C.
• Fernwärme: Fernwärme bezeichnet die zentrale Erzeugung von Wärme in Heizkraftwerken oder Heizwerken und deren Verteilung über ein Leitungsnetz an Verbraucher. Sie kann sowohl für Raumwärme als auch für Prozesswärme genutzt werden. Im Gegensatz zur dezentralen Erzeugung von Prozesswärme in industriellen Anlagen ermöglicht Fernwärme die Nutzung von Abwärme aus Kraftwerken oder industriellen Prozessen und trägt so zur Steigerung der Energieeffizienz bei.
• Industrielle Abwärmenutzung: Dieser Begriff bezieht sich auf die gezielte Rückgewinnung und Nutzung von Abwärme aus industriellen Prozessen. Die Abwärme kann entweder direkt als Prozesswärme genutzt oder in andere Energieformen, wie Strom oder Kälte, umgewandelt werden. Die industrielle Abwärmenutzung ist ein wichtiger Bestandteil von Energieeffizienzstrategien und trägt zur Reduzierung des Primärenergiebedarfs bei.

Zusammenfassung

Prozesswärme ist ein unverzichtbarer Bestandteil industrieller Produktionsverfahren und wird für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt, die von der Metallverarbeitung über die chemische Industrie bis hin zur Lebensmittelproduktion reichen. Die Bereitstellung erfolgt durch Verbrennung fossiler oder erneuerbarer Brennstoffe, elektrische Heizsysteme oder Wärmeübertragungssysteme, wobei die Wahl des Energieträgers von technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Faktoren abhängt. Die Integration von Wärmerückgewinnungssystemen und die Nutzung alternativer Energieträger sind zentrale Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Reduzierung von Emissionen. Gleichzeitig stellen die Dekarbonisierung der Prozesswärmeversorgung, die Einhaltung regulatorischer Vorgaben und die Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Technologien erhebliche Herausforderungen dar. Die Weiterentwicklung von Technologien wie grünem Wasserstoff oder thermischen Speichern wird entscheidend sein, um die Prozesswärmeversorgung nachhaltiger und zukunftsfähig zu gestalten.

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