Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform |
| Elektrischer Strom | Wärme (T<100°C), Wärme (T>100°C) |
Kurzbeschreibung
Die Infrarotstrahlung, im Kürze IR-Strahlung – auch als Wärmestrahlung bezeichnet – ist Teil der optischen Strahlung und damit Teil des elektromagnetischen Spektrums. Sie schließt sich in Richtung größerer Wellenlängen an das sichtbare Licht an. Ihr Wellenlängenbereich reicht von 780 Nanometer bis 1 Millimeter.
Infrarotstrahlung wird unterteilt in
- die kurzwellige IR-A-Strahlung mit einem Wellenlängenbereich von 780 bis 1400 Nanometer,
- die IR-B-Strahlung (1.400 bis 3000 Nanometer) und den langwelligen Teilbereich,
- die IR-C-Strahlung (3000 Nanometer bis 1 Millimeter).
Durch das Aussenden von Wärme findet ein Strahlungsaustausch statt. Sämtliche Körper im Raum werden dabei gleichmäßig von der Heizquelle erwärmt (Energieheld; Heizungsfinder 2019). Infrarotheizungen sind also Heizsysteme, die vorwiegend Wärmestrahlung abgeben, anstatt z. B. Luft zu erwärmen und durch Konvektion im Raum zu verteilen. Der Begriff klärt also nur die Art der Wärmeabgabe, aber nicht die der Wärmeerzeugung (Energie-Lexikon 2018).Häufig ist mit dem Begriff Infrarotheizung jedoch die elektrisch betriebene Variante gemeint, weswegen im Weiteren auch nur auf diese eingegangen wird.
Die abgestrahlte Leistung einer Infrarotheizung berechnet sich entsprechend des Stefan-Boltzmann-Gesetzes und ist proportional zur vierten Potenz der Oberflächentemperatur. (Baehr; Stefan 2010)
Je nach Temperatur der Oberfläche wird zwischen Hell- und Dunkelstrahlern unterschieden. Hellstrahler senden einen Teil der Strahlung auch als sichtbares Licht (rot/orange) aus und haben Oberflächentemperaturn von bis zu 800°C. Die Wärmeerzeugung kann durch einen elektrischen Heizdraht (häufig innerhalb einer transparenten Quarzröhre) oder indirekt z.B. durch eine erhitzte Keramikplatte erfolgen. Die Oberflächentemperatur von Dunkelstrahlern liegt bei unter 300°C. Häufig handelt es sich um erhitzte Keramik- oder Metallplatten. (Energie-Lexikon 2018)
Funktionsskizze
aquila2664, Carbon heater, CC BY-SA 3.0
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Der Wirkungsgrad von Infrarotheizung liegt bei ca. 100%.
Betriebs-Charakteristika
| Typische Anfahrzeiten | Sehr schnelle Reaktionszeiten (wenige Sekunden) |
| Mindestlaufzeiten | Geringe Mindestlaufzeiten |
| Regelbarkeit | Stufenlose Regelbarkeit |
(Heraeus 2019)
Energetische Kennwerte
| Verfügbare Leistungsstufen/
-klassen |
Industrieprozesse: Bis 200 W/m² |
| Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung | Der Wirkungsgrad ist unabhängig von der Auslastung |
(Bundesamt für Strahlenschutz)
Wirtschaftliche Kennwerte
| Nutzenergiekosten / kWh | Abhängig vom Strompreis |
| Investkosten/kW | Gebäudeheizung: ca. 700€/m² [IR Experten] |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Best Available Technology
Nein – Infrarotheizung sind meist direkt in den Prozess integriert, weil sie die Bauteile direkt erwärmen sollen. Ein Abschalten der Heizung hätte also unmittelbare Auswirkungen, weshalb diese Anlagen zur Bereitstellung von Energieflexibilität eher ungeeignet sind.
Entwicklungstendenz
Die Technologie ist weit entwickelt.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Strom in Wärme
- Direkte Erwärmung des Mediums/der Flüssigkeit ohne Erwärmung der umgebenden Luft
- Sehr gleichmäßige Erwärmung (Führt zu hoher Behaglichkeit beim Einsatz als Gebäudeheizung)
- Kostengünstig
- Geringer Wartungsaufwand (Majumdar 2006)
- Geringer Bauraum (Majumdar 2006; Energieheld)
- Viele verschiedene Leistungsstufen verfügbar
Nachteile
- Aufgrund der derzeitigen Strompreissituation hohe Betriebskosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern
- Je nach spezifischen Emissionen des Netzstromes werden pro kWh erzeugter Wärme mehr Treibhausgase emittiert als bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern vor Ort. Dies ändert sich jedoch mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien im Netz.
Anwendungsbeispiele
- In der Industrie finden Infrarotheizung meistens dort Anwendung, wo eine kontaktlose Übertragung von Wärme benötigt wird. Dies ist z.B. bei Trocknungsprozessen der Fall (z.B. Beschichtung in der Automobilindustrie, Lebensmittelindustrie, ..) (Bundesamt für Strahlenschutz)
- Zunehmend werden Infrarot-Systeme in Form von Paneelen oder Folien auch als Wand- oder Deckenheizung eingesetzt
Literaturverzeichnis
- BAEHR, H. D. ; STEPHAN K.(2010): Wärme- und Stoffübertragung. 7. Aufl. : Springer
- Bundesamt für Strahlen: http://www.bfs.de/DE/themen/opt/ir/anwendung/technik/technik.html
- Energieheld: Die Infrarotheizung – Kosten, Größe, Vorteile und Nachteile. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- Energie Lexikon (2018): Infrarotheizung Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- Heraeus: Infrarot Strahler für industrielle Prozesse. zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF Download)
- Heizungsfinder: Infrarotstrahlung verstehen. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- IR Experten: Infrarotheizung Kosten und Rechenbeispiele. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- MUJUMDAR, A. S. (2006): Handbook of Industrial Drying : Taylor & Francis Group, LLC