Leuchtturm energieeffiziente Abwärmenutzung

Die Nutzung industrieller Abwärme zählt zu den wichtigsten Instrumenten der Energiewende. Der Konzern Aurubis, einer der weltweit größten Kupferproduzenten und -wiederverwerter, sowie der Energieversorger enercity haben sich daher zusammengetan und ein aufsehenerregendes Projekt realisiert: Mittels Wärmetauschern wird Industriewärme auf Wasser als Transportmittel übertragen und über eine Fernwärmetrasse in Richtung Hamburger HafenCity geleitet. Dort wird die Wärme des 90 °C heißen Wassers zur Energieversorgung erneut getauscht. Das Wasser fließt anschließend mit einer Temperatur von 60 °C wieder zurück. Die Industriewärme stammt aus der sogenannten Kontaktanlage der Kupferhütte Aurubis, wo in einer exothermen chemischen Reaktion gasförmiges Schwefeldioxid in flüssige Schwefelsäure umgewandelt wird. Schwefelsäure selbst gehört zu den wichtigsten industriell produzierten Chemikalien und wird unter anderem zur Herstellung von Düngemitteln, Farbstoffen und Arzneimitteln verwendet.
 
Hohe Ansprüche an Konstruktion und Material
Schwefeldioxid ist ein Nebenprodukt der Kupferraffination, das im weiteren Verfahren in Schwefelsäure umgewandelt wird. Dieser Prozess erfolgt im Zwischenabsorber, dem „Herzstück“ der Kontaktanlage. Die Nutzung der Industriewärme erfolgt über Wasser, das in die Kontaktanlage geleitet und dabei selbst erhitzt wird. Um das heiße Wasser anschließend für den Fernwärmetransport nutzen zu können, benötigt es eine Ausgangstemperatur von 90 °C. Um dies zu erreichen, musste Aurubis einen komplett neu konstruierten Zwischenabsorber errichten, in dem die Prozesstemperatur bei der Schwefelsäureherstellung von zuvor 50 auf 120 °C erhöht wurde. Dabei bewirkt die Erhöhung der Temperatur einen exponentiellen Anstieg des Korrosionspotenzials der Säure, dem herkömmliche Werkstoffe nicht lange standhalten würden. Dies stellte neben dem hohen Druck und der extremen Hitze eine besonders große Herausforderung dar: Die hochkonzentrierte Schwefelsäure ist so aggressiv, dass sie sogar Stahlblech perforiert. „Für so ein Projekt braucht man äußerst korrosionsbeständige Werkstoffe und ein extrem leistungsfähiges Equipment“, sagt Frank Lehnhoff, Key Account Manager bei Alfa Laval.


Bild: Der Weg der industriellen Abwärme vom Aurubis-Werksgelände zum Verteilnetz „Östliche HafenCity“ von enercity. 

Von der Säure zu Lösung
Alfa Laval (Link) lieferte daher acht halbgeschweißte Plattenwärmetauscher, die an die anspruchsvolle Prozessumgebung angepasst wurden. Die Plattenbleche der hochmodernen Sonderkonstruktionen bestehen aus Hastelloy D-205, einer Nickelbasislegierung, die besonders korrosionsbeständig ist. Die Plattenwärmetauscher überzeugen zudem mit besonders hoher Energieeffizienz, da sie konstruktionsbedingt eine Temperaturannäherung von 3 °C ermöglichen. Das Wasser ist damit nach dem Wärmetausch nur wenige Grad kühler als die Säure und kann für den Fernwärmetransport genutzt werden. Für das Ausmauern des neuen, 18 Meter hohen Zwischenabsorbers wurden 50.000 spezielle Keramiksteine verwendet, die ebenfalls besonders hitze- und säurebeständig sind. Auch die Lage der Kupferhütte auf der Elbinsel Peute war eine Herausforderung. Da sich die HafenCity auf der anderen Seite der Elbe befindet, wurde eine über drei Kilometer lange Fernwärmetrasse von der Kontaktanlage auf dem Werksgelände bis zum Wärmenetz von enercity gebaut. Malte Blombach, Pressesprecher von Aurubis, bilanziert: „Aurubis hat rund 20 Millionen Euro für den Umbau der Anlagen sowie die Verlegung der Wärmeleitung an die Werksgrenze investiert. Ähnlich hoch ist der Aufwand für enercity gewesen.“ Zur Finanzierung des Projektes erhielten beide Unternehmen circa 30 Prozent Fördermittel aus der öffentlichen Hand.

Vermeidung von 20.000 Tonnen CO2-Emissionen
Etwa ein Viertel der Abwärme wird direkt für interne Prozesse auf dem Werksgelände eingesetzt, der Rest wird über die Fernwärmetrasse in Richtung Hamburger HafenCity geleitet. In Zahlen ausgedrückt handelt es sich um 160 Millionen Kilowattstunden. Neben den wirtschaftlichen Vorteilen ergibt sich auch ein klarer positiver Effekt für die Umwelt. Malte Blombach: „Die Industriewärme ist nahezu frei von Kohlendioxid.“ So können insgesamt 20.000 Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr vermieden werden, davon rund die Hälfte bei Aurubis selbst. Des Weiteren muss kein Kühlwasser mehr aus der Elbe entnommen werden. Zu dem positiven ökologischen und wirtschaftlichen Fazit tragen auch die speziell an die anspruchsvolle Umgebung angepassten Wärmetauscher von Alfa Laval bei. Diese haben aufgrund der verwendeten Sonderwerkstoffe in der Erstanschaffung zwar einen höheren Preis, mittel- und langfristig sind sie jedoch die kostengünstigere Lösung, da sie eine lange Lebensdauer haben und nur minimalen Wartungsbedarf erfordern. Die Plattenwärmetauscher von Alfa Laval ermöglichen zudem eine signifikante Platzersparnis, da sie nur einen Bruchteil des Raumes herkömmlicher Rohrbündelwärmetauscher benötigen.
Potenzial für eine Verdreifachung


Bild: Die Wärmetauscher sind in unmittelbarer Nähe des Zwischenabsorbers (Hintergrund) installiert. 

Die Deutsche Energie-Agentur (dena) zählt das Fernwärmeprojekt von Aurubis und enercity zu den „Leuchttürmen energieeffiziente Abwärmenutzung“. Außerdem hat die dena den Kupferhersteller als Gewinner des Energy Efficiency Awards 2018 ausgezeichnet. Theoretisch könnte man beispielsweise 8.000 Vier-Personen-Haushalte mit der ausgekoppelten Industriewärme versorgen. Praktisch werden natürlich auch Büroräume, Hotels sowie eine Universität versorgt. Und ein Teil der Wärme wird bei Aurubis auf dem Werksgelände genutzt.

In Zukunft könnte die Menge der gelieferten Abwärme sogar nochmals deutlich gesteigert werden: Derzeit wird nur einer von drei Strängen der Kontaktanlage für die Lieferung industrieller Abwärme verwendet, da dieser für die Versorgung der östlichen HafenCity ausreicht. Insgesamt besteht also ein Potenzial von 480 Millionen Kilowattstunden und Vermeidung von bis zu 140.000 Tonnen CO2 pro Jahr. „Derzeit fehlen noch die technischen, finanziellen und vertraglichen Grundlagen, aber wir könnten deutlich mehr Industriewärme an die Stadt Hamburg liefern“, betont Aurubis-Sprecher Blombach.

Info: Wärmetauscher
Wärmetauscher, auch Wärmeübertrager, sind Apparate, die thermische Energie von einem Strömungsmedium auf ein anderes übertragen. Je nach Anwendungsgebiet handelt es sich um Flüssigkeiten, Gase oder Medien im Phasenübergang zwischen gasförmig und flüssig. Entscheidend für die Energieeffizienz und damit für den Anwender ist, wie viel Prozent der Energie tatsächlich von einem Medium auf das andere übertragen werden („Prozesswirkungsgrad“). Ein zweiter entscheidender Faktor ist die Höhe der Wärmeübertragung: Diese gibt an, wie stark der Wärmetauscher innerhalb einer bestimmten Zeitspanne ein Medium erwärmen und dem anderen hierfür Wärme entziehen (also „kühlen“), kann. Wärmetauscher werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, vom Kühlschrank bis zur Industrie. Für den Einsatz in der Kupferhütte Aurubis unter hohen Temperaturen, hohen Drücken und mit korrosiven Medien hat der Wärmetauschspezialist Alfa Laval eine der etablierten Baureihen eigens an das anspruchsvolle Anwendungsprofil angepasst. Durch die Verwendung exotischer Hastelloy-Sonderwerkstoffe sind die Geräte besonders korrosionsbeständig.