Industrial excess heat utilisation for residential heating

The use of excess heat is an important aspect of providing residential heating and reducing greenhouse gas emissions. Although some research has determined the excess heat potential for Germany and analysed different technologies for the transportation of excess heat, no study has identified the economic site-specific excess heat potential from industrial exhaust gases in Germany, its possible contribution to residential heating and the suitable technologies for its use. This dissertation aims to determine the excess heat potential for residential heating based on different heat transport technologies, estimate the cost of excess heat transport and provide recommendations for the future dissemination of excess heat use. The focus is on which technologies suit transporting industrial excess heat, what potential the respective technologies have and how high the costs are for transporting the excess heat. Therefore, a bottom-up optimisation model is developed, that enables a site-specific modelling of the industrial excess heat potentials. Furthermore, an analysis of enabling factors for and barriers to using excess heat for residential heating is carried out. This method allows a comprehensive assessment of the excess heat potential for the provision of residential heating. In conclusion, Germany has a significant excess heat potential of 37 TWh/a. In some municipalities, the annual excess heat potential exceeds the annual heat demand. Excess heat should be used more in these municipalities. It should be noted, though, that heat storage is necessary for full utilisation, as many industrial plants do not operate continuously throughout the year. Currently, district heating is mainly used to transport heat. The results of this dissertation indicated that district heating is technically feasible and the most economical of the technologies for many applications. Nonetheless, in some cases, other technologies can also be advantageous. Finally, the results showed that many companies believe there are too few “best-practice” examples for the successful external use of excess heat. Consequently, successful projects should be further promoted and advertised through funding and communication programmes.

Die Nutzung von Abwärme kann einen wichtigen Baustein für die Wärmeversorgung von Haushalten und die Reduzierung von Treibhausgasemissionen darstellen. Zwar gibt es in der Literatur Studien, welche das Abwärmepotenzial für Deutschland ermitteln und verschiedene Technologien für den Transport von Überschusswärme analysieren, allerdings gibt es keine Studie, die das wirtschaftliche standortscharfe Abwärmepotenzial aus Industrieabgasen in Deutschland, dessen möglichen Beitrag zur Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser und die geeigneten Technologien für dessen Nutzung ermittelt hat. Ziel dieser Dissertation ist es, das Abwärmepotenzial für die Beheizung von Wohngebäuden auf der Grundlage verschiedener Wärmetransporttechnologien zu ermitteln, die Kosten für den Abwärmetransport abzuschätzen und Empfehlungen für die künftige Verbreitung der Abwärmenutzung zu geben. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, welche Technologien sich für den Transport von industrieller Abwärme eignen, welches Potenzial die jeweiligen Technologien haben und wie hoch die Kosten für den Transport der Abwärme sind. Dazu wird ein Bottom-up-Optimierungsmodell entwickelt, das eine standortspezifische Modellierung der industriellen Abwärmepotenziale ermöglicht. Darüber hinaus wird eine Analyse der fördernden Faktoren und Hemmnisse für die Nutzung von Abwärme durchgeführt. Diese Methode ermöglicht eine umfassende Bewertung des Abwärmepotenzials für die Wärmeversorgung von Haushalten. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass in Deutschland ein Abwärmepotenzial von 37 TWh/a besteht. In einigen Kommunen übersteigt das jährliche Abwärmepotenzial den jährlichen Wärmebedarf, weshalb vor allem in diesen Kommunen die Abwärme stärker genutzt werden sollte. Es ist jedoch zu beachten, dass für eine vollständige Nutzung eine Wärmespeicherung erforderlich ist, da viele Industrieanlagen nicht das ganze Jahr über in Betrieb sind. Gegenwärtig wird für den Transport von Abwärme hauptsächlich Fernwärme genutzt. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass Fernwärme für viele Anwendungen die wirtschaftlichste Technologie ist. In einigen Fällen können jedoch auch andere Technologien vorteilhaft sein. Abschließend zeigen die Ergebnisse, dass es nach Ansicht vieler Unternehmen zu wenige "Best-Practice"-Beispiele für die erfolgreiche externe Nutzung von Abwärme gibt. Daher sollten erfolgreiche Projekte durch Förder- und Kommunikationsprogramme weiter gefördert und bekannter gemacht werden.