Abwärme nutzen – Technologien, Anwendungen und Mehrwert der Planung mit Anlagesimulation
Die Abwärmenutzung gewinnt für Unternehmen, Energieversorger und Gebäudeplaner zunehmend an Bedeutung. Wer Abwärme nutzen möchte, kann diese Energie zurückgewinnen und dadurch Betriebskosten senken, CO₂-Emissionen reduzieren und Wärmenetze entlasten. Die Herausforderung liegt jedoch in den unterschiedlichen Temperaturniveaus, zeitlichen Verläufen und Lastprofilen. Eine präzise Planung ist daher unverzichtbar, um Abwärme wirtschaftlich und zuverlässig einzubinden. Genau diese detaillierte Analyse ermöglicht Polysun: Wärmeflüsse, Lastprofile und Systemverhalten können realitätsnah simuliert werden, um nachhaltige und optimal ausgelegte Energiesysteme unter Nutzung von Abwärme zu entwickeln.
Abwärme nutzen: Welche Technologien gibt es?
Direkte Abwärmenutzung mit Wärmeüberträgern und Wärmespeichern
Für viele Anwendungen genügt das vorhandene Temperaturniveau, um die Abwärme direkt zu nutzen. Wärmeübertrager ermöglichen die unmittelbare Übergabe an Fern- oder Nahwärmenetze, insbesondere wenn hohe Vorlauftemperaturen verfügbar sind. Ergänzend können thermische Speicher eingesetzt werden, um Erzeugung und Bedarf zeitlich zu entkoppeln. Sie spielen eine zentrale Rolle bei schwankenden Industrieprozessen oder für die saisonale Speicherung. Direkte Abwärmenutzung ist besonders effizient und benötigt nur wenig zusätzliche Technik.
Indirekte Abwärmenutzung mit Wärmepumpen
Wenn die Abwärme zu kalt ist oder die Temperaturniveaus nicht zum Bedarf passen, kommen Wärmepumpen zum Einsatz. Eine Abwärme-Wärmepumpe hebt das Temperaturniveau an und macht selbst niedrige Quellen nutzbar – zum Beispiel Abwasser, Lüftungsabluft, Prozesswärme oder Rechenzentrumsabwärme. Indirekte Nutzung erschließt damit Wärmequellen, die ohne Temperaturhub nicht wirtschaftlich oder technisch nutzbar wären.
Anwendungsfälle zur Abgabe nutzbarer Abwärme an Dritte
In der Praxis werden bei größeren Projekten oft mehrere Energiequellen verwendet. Die unterschiedlichen Erzeugerprofile, Temperaturniveaus und Lastprofile müssen aufeinander abgestimmt werden, um die wirtschaftlichste Variante zu finden. Die folgenden Anwendungsfälle zur Abgabe nutzbarer Abwärme werden oft geplant.
Abwärme aus Gebäuden: freie und aktive Kühlung
Moderne Gebäude verursachen zunehmend Kühlbedarf – und damit wertvolle Abwärme. Diese kann entweder über freie Kühlung oder über Kältemaschinen bereitgestellt werden. Typische Konzepte umfassen die Rückführung der Wärme in Erdsondenfelder zur Regeneration oder die saisonale Speicherung in Eisspeichern. Alternativ lässt sich die Wärme über Wärmepumpen in lokale Wärmenetze einbinden. Gebäude mit Kühlbedarf liefern damit einen zunehmenden Beitrag als dezentrale Abwärmequellen in Wärmenetzen.
Abwasserwärme für Fern- und Nahwärmenetze
Abwasser bietet stabile Temperaturen und ist als Wärmequelle für Fern- und Nahwärmenetze besonders attraktiv. Durch Abwasserwärmetauscher lassen sich die Temperaturverläufe im Kanal stabilisieren und gleichzeitig wertvolle Energie für das Netz gewinnen. Die Kombination mit Wärmepumpen ermöglicht die Bereitstellung der gewünschten Netzvorlauftemperaturen. Weitere Details hierzu finden sich auf der Funktionenseite zum Abwasserwärmetauscher.
Rechenzentren: konstante Abwärme als Energiequelle
Rechenzentren erzeugen kontinuierlich Abwärme auf einem relativ stabilen Niveau von 25–40 °C. Diese Bandlast ist ideal für die Nutzung in Wärmenetzen. Die Herausforderung besteht jedoch in der Abstimmung zwischen IT-Kühlung, Wärmepumpenbetrieb und den Bedingungen im Wärmenetz. Simulationen helfen dabei, die Abwärme so einzubinden, dass Temperaturhub, Rücklauftemperaturen und Netzschwankungen vollständig berücksichtigt werden.
Wärmerückgewinnung in der Industrie
Die Wärmerückgewinnung Industrie ist ein wichtiger Baustein der Energiewende. Viele industrielle Prozesse erzeugen hohe Temperaturniveaus, die sich direkt oder über Wärmepumpen nutzen lassen. Gleichzeitig benötigen industrielle Anwendungen häufig Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Hier ergeben sich typische Fragestellungen: Wie kann die Abwärme genutzt werden, und wie lässt sich gleichzeitig Prozesswärme effizient bereitstellen? Simulationen helfen, diese bidirektionalen Anforderungen technisch und wirtschaftlich zu bewerten.
Abluft und Abgasreinigung
Auch Abluft- und Abgasreinigungssysteme wie Kehrichtverbrennungsanlagen oder Müllheizkraftwerke bieten große Potenziale. Ihre Abwärme lässt sich zuverlässig in Wärmenetze einspeisen.
Welchen Mehrwert bringt Anlagesimulation bei der Abwärmenutzung?
Planungssicherheit
- Die Abwärmenutzung ist technisch anspruchsvoll, da viele Komponenten voneinander abhängen: Wärmepumpen, Wärmetauscher, Pumpen, Netztemperaturen, Lastprofile und saisonale Schwankungen beeinflussen sich gegenseitig.
- Durch die Abbildung realer Temperaturverläufe und Lastspitzen können Betreiber sicherstellen, dass Systeme zuverlässig arbeiten – auch unter Extrembedingungen.
- Grundlage für Förderungen
- Visualisierung der Kennzahlen für jeden Zeitpunkt im Jahr
Einsparung und Kostensicherheit
- Wirtschaftlichkeitsanalysen und Optimierung der Betriebskosten
- Durchführung detaillierter Wirtschaftlichkeitsvergleiche zwischen verschiedenen Auslegungsvarianten unter Berücksichtigung der Investitions- und Betriebskosten.
- Kostensicherheit beim Energie-Contractor und für Stadtwerke
- Belastbare Werte zu Wärmemengen, saisonalen Nutzungsgraden und Amortisationszeiten verschiedener Varianten, sodass Investitionsentscheidungen auf Basis realitätsnaher Daten getroffen werden können.
Vermeiden Über- und Unterdimensionierungen
- Präzise Dimensionierung aller Komponenten – Wärmepumpen, Speicher, Pumpen und Wärmetauscher – auf Basis dynamischer Lastprofile.
- Berücksichtigung aller notwendigen Komponenten eines Energiesystems (wie Wärmepumpen, BHKW sowie weitere Komponenten)
Vermeidung von Betriebsproblemen
- Identifikation und Vermeidung von häufigem Takten der Wärmeerzeuger, Komfortverlusten und unnötigen Energieverlusten bereits in der Planungsphase.
- Steigerung der Effizienz und Verlängerung der Lebensdauer der gesamten Anlage.
Optimierung hinsichtlich der projektspezifisch relevanten Zielkenngrössen
- Variantenoptimierung hinsichtlich Zielkenngrössen
- Hohe Genauigkeit zwischen Plan und Umsetzung
Abwärme-Wärmepumpen: Vorteile und Mehrwert durch Simulation
Die Nutzung von Abwärme mittels Wärmepumpe ist eine der effizientesten und flexibelsten Methoden, um Niedertemperaturwärme in hochwertige Heizwärme umzuwandeln. Ob aus Abwasser, Industrieabwärme, Lüftungsabluft oder Rechenzentren – die stabile Quelltemperatur ermöglicht hohe Effizienz und trägt entscheidend zur Dekarbonisierung bei. Durch die flexible Temperaturanhebung lassen sich Wärmepumpen problemlos in Wärmenetze, Gebäudetechnik oder Industrieprozesse integrieren.
Eine Simulationssoftware wie Polysun bringt dabei großen Mehrwert: Sie bildet reale Betriebszustände ab, berechnet COP und JAZ unter typischen Lastprofilen und zeigt die optimale Steuerung und Dimensionierung von Wärmepumpen. Die Simulation macht Wechselwirkungen zwischen Kühlung, Wärmepumpe und Wärmenetz sichtbar und verhindert teure Planungsfehler. So entsteht ein robustes, wirtschaftliches und nachhaltiges Gesamtsystem.
FAQ
Lässt sich die verfügbare Abwärme überhaupt technisch in unser Fern- oder Nahwärmenetz integrieren?
Ja, aber das hängt stark von drei Faktoren ab: Temperaturniveau, Leistungsmenge und zeitlicher Verfügbarkeit der Abwärmequelle. Viele Quellen – etwa Rechenzentren, Industrieprozesse oder Abwasser – liefern Wärme mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen. Eine Anlagensimulation hilft zu prüfen, ob die Abwärme direkt ins Netz eingespeist werden kann oder ob eine Wärmepumpe bzw. ein Temperatur-Boosting notwendig ist.
Stadtwerke und Energie-Contractoren gewinnen dadurch Sicherheit, ob das Projekt technisch machbar ist und wie die optimale hydraulische Einbindung aussieht.
Wie wirkt sich Abwärme aus einem Rechenzentrum auf unser bestehendes Wärmenetz aus?
Rechenzentren liefern eine sehr konstante, aber niedrig temperierte Bandlast (typisch 25–40 °C). Nicht jedes Wärmenetz kann diese Temperaturen verwerten. Simulationen ermöglichen, Temperaturhub, erforderliche Wärmepumpenleistung, COP/JAZ und Einfluss auf Vor- und Rücklauftemperaturen realistisch zu berechnen.
Durch unterschiedliche Szenarien (mit und ohne Speicher oder Booster) zeigt die Simulation, wie die Abwärme optimal genutzt werden kann – oder ob Anpassungen im Netzbetrieb notwendig sind.
Welche Speicher oder Netzkomponenten benötigen wir, um schwankende Abwärme (z. B. aus Industrieprozessen) zuverlässig nutzbar zu machen?
Volatile Abwärmequellen – etwa aus Batch-Prozessen, Trocknung, Abluft oder saisonalen Quellen wie Eisspeichern – lassen sich ohne Speicher oft nur teilweise nutzen. Eine Simulation berechnet, welche Speichergröße, welcher Temperaturbereich und welcher Speichertyp (Kurzzeit- oder Saisonalspeicher) die höchste nutzbare Wärmemenge ermöglicht.
Stadtwerke vermeiden dadurch Überdimensionierung und erhalten eine datengestützte Empfehlung für Puffer, Netzpumpen und Regelstrategien.
Wie zuverlässig ist die Abwärmequelle, und wie wirkt sich ihre Verfügbarkeit auf Verträge und Wirtschaftlichkeit aus?
Abwärmequellen können unterschiedlich verlässlich sein: Rechenzentren sind meist sehr stabil, Industrieprozesse und Faulgas hingegen oft stark schwankend. Simulationen liefern jährliche Einsatzstunden, Lastprofile, Ausfallszenarien und saisonale Schwankungen. Diese Werte sind entscheidend für Einspeiseverträge, Investitionsentscheidungen und die Dimensionierung der Zusatzwärmeerzeugung (z. B. Spitzenkessel).
Energie-Contractoren nutzen diese Daten, um Risiken zu quantifizieren, Garantien zu definieren und wirtschaftliche Modelle realistisch zu bewerten.
Welche Jahresarbeitszahlen (JAZ/COP) und Betriebskosten können wir bei einer Abwärme-Wärmepumpe erwarten?
Die Effizienz einer Abwärme-Wärmepumpe hängt direkt vom Temperaturniveau der Quelle, Lastprofilen, Teillastverhalten und Netztemperaturen ab. Eine Simulation bildet diese Faktoren stundenweise ab und liefert realistische JAZ und Stromverbräuche – deutlich präziser als statische Berechnungen.
Dadurch lassen sich die Betriebskosten, die Wirtschaftlichkeit der Einspeisung, und die optimale Dimensionierung besser beurteilen. Stadtwerke können auf Basis dieser Daten sicher entscheiden, ob ein Abwärmeprojekt langfristig wirtschaftlich tragfähig ist.