Dekarbonisierung in der Industrie voranbringen

Wärmepumpen in der Industrie zur Abwärmenutzung

Wärmepumpen in der Industrie sind eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg der Dekarbonisierung, da sie die Elektrifizierung der Wärmeerzeugung ermöglichen und somit Öl und Gas als Energieträger ablösen können. Das Interesse und die konkrete Nachfrage bei Unternehmen steigen merklich. Wir fassen für Sie Einsatzmöglichkeiten, Potenziale und unsere Empfehlungen zusammen.

Wärmepumpen – Was steckt dahinter?

Wärmepumpen werden als Kompressionswärmepumpen, Ab- und Adsorptionswärmepumpen, aber auch als offene Prozesse zum Beispiel in Form der Dampfkompression angeboten. Man unterscheidet in konventionelle Wärmepumpen bis circa 70 °C Nutztemperaturniveau, Hochtemperaturwärmepumpen bis circa 90 °C und Höchsttemperaturwärmepumpen bis derzeit circa 165 °C Nutztemperaturniveau, die je nach Anforderungsprofil zum Einsatz kommen können.

Als Wärmequellen dienen klassischerweise die Umgebungsluft, das Grundwasser oder das Erdreich, wobei auch Abwasser und Abluft und andere Prozessabwärme gezielt als Wärmequelle genutzt werden können. Jede Wärmequelle birgt verschiedene Vor- und Nachteile beziehungsweise Vorgaben, die zu berücksichtigen sind.

So ist es zum Beispiel sehr einfach und ohne große Erdarbeiten machbar, die Umgebungsluft als Wärmequelle für die Raumheizung zu nutzen. Dies verringert deutlich den zeitlichen und finanziellen Aufwand und lässt sich auch bei Bestandsgebäuden in der Regel problemlos umsetzen. Allerdings wirken sich die schwankenden Außentemperaturen und eine möglicherweise auftretende Vereisung des Verdampfers nachteilig auf die Leistungsfähigkeit der Luft-Wärmepumpe aus.

„Erdwärmepumpen nutzen den Vorteil der gleichbleibenden Temperatur des Erdreichs, sind jedoch in der Installation und Flächennutzung deutlich anspruchsvoller und kostenintensiver. Ich empfehle daher, je nach Anwendungsfall eine Abwägung zu treffen, welche Wärmequelle und somit welche Wärmepumpe den bestmöglichen Kosten-Nutzen-Wert bietet.“
Sylvia Jacobi, Expertin für Kälte- und Wärmeversorgungssysteme bei ÖKOTEC

Je nach Wärmepumpe müssen auch die Aufstellungsoptionen, der Lärmschutz, wasser- und bergbaurechtliche Belange und das Nachbarschaftsrecht geprüft werden.

Um die kostenlosen Wärmequellen über die Wärmepumpe nutzbar zu machen, wird für den Betrieb der Wärmepumpe Strom benötigt. Unternehmen sollten hierfür ausschließlich Grünstrom einsetzen, aus Eigenerzeugung oder durch den Bezug von Grünstrom, um einen Beitrag zur Dekarbonisierung zu leisten.

Effizienz im Fokus behalten

Um den Strombedarf und somit die Betriebskosten der Wärmepumpe so gering wie möglich zu halten, ist es entscheidend, wie effizient die Wärmepumpe arbeiten kann. Bei der Einschätzung der Effizienz ist vor allem die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle, also beispielsweise der Umgebungsluft, und der Zieltemperatur, die zur Raumheizung oder für industrielle Prozesse benötigt wird, zu beachten. Mit zunehmendem Temperaturhub sinkt der Wirkungsgrad. Je höher die Temperatur der Wärmequelle ist und, umso niedriger die Zieltemperatur, desto höher ist auch der Wirkungsgrad. Daher empfiehlt unsere Expertin Sylvia Jacobi, auf eine möglichst geringe Temperaturdifferenz und eine Minimierung des Nutztemperaturniveaus zu achten.

Wärmepumpen für die Gebäudeheizung – Was ist zu beachten?

Die Gebäudeheizung ist ein interessanter Anwendungsfall für eine Wärmepumpe in der Industrie, da die benötigten Temperaturen in der Regel nicht besonders hoch sind und die Wärmepumpe somit effizient arbeiten kann. Doch auch hier wird die Wirtschaftlichkeit der Umsetzung von einer Vielzahl an Faktoren beeinflusst.

Ganz entscheidend sind der Gebäudezustand, die Auslegung der Heizungssysteme und die Installationsbedingungen, weshalb der Einsatz in Bestandsgebäuden mitunter herausfordernd sein kann. Vor der Planung des neuen Heizsystems empfehlen wir daher, den energetischen Zustand zu prüfen, Heizungssysteme anzupassen und gegebenenfalls die Gebäudehülle zu sanieren. Denn so lässt sich der Wärmebedarf mitunter drastisch senken, sodass die anschließend benötigte Wärmepumpe kleiner ausgelegt werden kann und effizienter arbeitet.

Temperaturniveau senken, Effizienz erhöhen

Um die Effizienz der Wärmepumpe weiter zu erhöhen, empfehlen wir, die verschiedenen Wärmebedarfe genau zu betrachten. So kann die Effizienz der Wärmepumpe unserer Erfahrung nach häufig gesteigert werden, wenn die Warmwasserversorgung abgekoppelt werden kann, um das benötigte Temperaturniveau zu senken. Das Trinkwarmwasser wird in der Regel auf deutlich höherem Temperaturniveau benötigt und auch der Warmwasserspeicher kann erhebliche Wärmeverluste verursachen. Im Falle einer Abkopplung sind Alternativen zur Erhitzung des Trinkwassers zu prüfen, wie beispielsweise Solarthermie in Kombination mit einem Durchlauferhitzer oder einem Elektroboiler.

Die Quell- und die reale Systemtemperatur haben wie dargestellt einen großen Einfluss auf die Effizienz der Wärmepumpe, sodass sowohl Regelungsmöglichkeiten als auch das Nutzungsverhalten zu prüfen sind. Hinzukommen Faktoren wie die Qualität der Installation, die Instandhaltungsqualität und die Anlageneinstellung.

Wärmepumpen für Prozesswärme – Welche Potenziale gibt es?

In den allermeisten Industrieunternehmen erfolgt die klassische Bereitstellung von Wärme über fossile Brennstoffe. Die Elektrifizierung der Wärmeversorgung ist daher ein absolut wichtiger Ansatzpunkt bei der Dekarbonisierung. Aufgrund des guten Wirkungsgrades von Wärmepumpen sind diese prädestiniert, um die Wärmeversorgung – zumindest in großen Teilen – zu übernehmen.

„Es gibt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für Wärmepumpen in der Industrie. Derzeit sind diese allerdings begrenzt auf ein maximales Nutztemperaturniveau von circa 165 °C und die Wirtschaftlichkeitskriterien der Unternehmen. Um das volle Potenzial der Abwärmenutzung auszuschöpfen, sind im Vorfeld eine detaillierte Analyse der Wärmequellen und – senken und weiterführende Planungen erforderlich. Auf diesem Weg können Wärmepumpen ein hohes Einsparpotenzial für CO2 erschließen.“
Sylvia Jacobi, Expertin für Kälte- und Wärmeversorgungssysteme bei ÖKOTEC

Raum- und Prozesswärme durch Wärmepumpen (Copyright ÖKOTEC Energiemanagement GmbH)

Ein klassischer Anwendungsfall für Wärmepumpen ist zum Beispiel, Abwärmepotenziale nutzbar zu machen. Wenn das Temperaturniveau der Wärmequelle, also der (Prozess-)Abluft oder der (Prozess-)Abwärme, zur direkten Weiternutzung zu niedrig und so kein direkter Wärmeaustausch über Wärmeüberträger möglich ist, kann dieses mithilfe einer Wärmepumpe angehoben werden.

Auch hohe Temperaturen im Prozess-Wärme-Bereich sind mittlerweile über Wärmepumpen erreichbar und die Technologien werden kontinuierlich weiterentwickelt. Unsere Expertin Sylvia Jacobi rät hierfür, intern kaskadierte Wärmepumpenverschaltungen und die Reihenschaltung von Wärmepumpen zur Maximierung der Effizienz zu prüfen.

Besonders in Industrieunternehmen, in denen gleichzeitig Wärme und Kälte benötigt wird, bietet sich gegebenenfalls die Möglichkeit, herkömmliche Kälteerzeugungsanlagen als Wärmepumpen zu nutzen oder durch Wärmepumpen bei gleichzeitiger Wärme- und Kälteerzeugung zu ergänzen oder zu ersetzen. Durch die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Kälte erhöht sich die Gesamteffizienz und Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau wird vermieden.

Unser Fazit zu Wärmepumpen in der Industrie

Die Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen sind vielfältig – von der Gebäudeheizung bis zur Substituierung von fossilen Brennstoffen für die Prozesswärmebereitstellung. Um jedoch eine hohe Effizienz und somit ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis zu schaffen, empfehlen wir Ihnen eine genaue Analyse der Wärmequellen und -senken und die Ausschöpfung von Effizienzmaßnahmen. Nur so kann Ihr Wärmepumpen-System passgenau an Ihren Bedarf ausgerichtet werden.

Wir entwickeln mit Ihnen ein bedarfsgerechtes Konzept und klären mit Ihnen unter anderem folgende Fragen:

Welche Wärmequellen sind auf welchem Temperaturniveau verfügbar?
Gibt es Möglichkeiten die Abwärme direkt zu nutzen?
Wo können Wärmepumpen eingesetzt werden und welche Potenziale können genutzt werden?
Welche Randbedingungen und Temperaturniveaus sind für den Wärmepumpeneinsatz zu berücksichtigen?
Welche Wärmepumpenlösungen eignen sich für Ihre Standortbedingungen am besten?
Welche Effizienzmaßnahmen an der Gebäudehülle oder in der Produktion sollten vorher gehoben werden?
Ist es möglich, die Wärme- und Kälteerzeugung über einen Wärmepumpenbetrieb zu koppeln?

Erst, wenn diese Fragen beantwortet und ein stimmiges Gesamtkonzept für Ihre Wärme- und gegebenenfalls Kälteversorgung im Unternehmen aufgestellt wurde, empfehlen wir Ihnen die Umsetzung zu starten.

Bild: GEA