Große Hochtemperatur-Wärmepumpen sind essenziell für die Dekarbonisierung der Industrie. Die Technik ist etabliert, das Angebot wächst. Doch die Integration in Produktionsprozesse ist komplex. Für eine optimale Lösung bietet dieser Leitfaden wertvolle Unterstützung.
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Was ist eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe ist ein technisches Gerät, das Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres fördert, genau wie eine Wasserpumpe Wasser von einem niedrigen auf einen höheren Druck pumpt. Dafür ist zwar etwas elektrische Energie notwendig, aber deutlich weniger, als man an nutzbarer Heizenergie herausbekommt. Daher ist eine Wärmepumpe deutlich effizienter als das direkte Heizen mit elektrischem Strom oder durch Verbrennen von Rohstoffen.
Gaskessel raus – Wärmepumpe rein? In Wohngebäuden ist es tatsächlich so einfach. Gaskessel können 1:1 durch Wärmepumpen ersetzt werden. Als Wärmequelle (das niedrige Temperaturniveau) dient kostenlose Umweltwärme aus der Luft im Vorgarten oder aus dem Erdreich. Und für die allermeisten Häuser reicht eine maximale Vorlauftemperatur von 65 °C selbst im kältesten Winter aus. Am Markt gibt es sehr viele verschiedene Wärmepumpen, die genau für diesen Einsatzzweck ausgelegt sind, und von der Stange gekauft werden können.
Bei Industriebetrieben sieht das allerdings ganz anders aus. Klar, man könnte auch hier kostenlose Erdwärme oder Umgebungsluftanzapfen und mit einer Wärmepumpe das Temperaturniveau auf die für das bestehende Dampfnetz benötigten 200 °C anheben. Nur wird das nicht zu wirtschaftlichen Lösungen führen. Sowohl Investitionskosten als auch Betriebskosten (Stromkosten) sind bei so einer Holzhammer-Methode viel zu hoch. Wärmepumpen sind technisch komplexer als Gaskessel. Eine optimale wirtschaftliche Integration in ein industrielles Energiesystem funktioniert nur mit einer umfassenden energetischen Analyse. Dazu in den folgenden Abschnitten mehr.
Neben den benötigten Temperaturen gibt es einen zweiten großen Unterschied zwischen Industrie und Wohnen: der spezifische Energiebedarf. Auf welche Vergleichsgröße auch immer man es bezieht – z.B. auf die genutzte Fläche – in der Industrie wird deutlich mehr Energie verbraucht. Und das führt zu unterschiedlichen Bewertungen bei der Wirtschaftlichkeit von Effizienzmaßnahmen.
Sie kennen sicherlich den weitverbreiteten Mythos: Damit eine Wärmepumpe in Wohnhäusern funktioniert, muss umfassend energetisch saniert werden. Das ist zwar Quatsch, denn eine Wärmepumpe kann natürlich auch einen schlecht gedämmten Altbau heizen. Aber sie muss entsprechend größer sein, ist damit teurer in der Anschaffung, und braucht im Betrieb natürlich mehr Strom, als wenn das Gebäude gut gedämmt ist. (Siehe Fraunhofer Studie „Wärmepumpen in Bestandsgebäuden“, 2020)
Rein wirtschaftlich betrachtet ist es sogar so, dass sich das Dämmen oft gar nicht lohnt. Amortisationszeiten von 30 Jahren sind keine Seltenheit. Das heißt die einfache Lösung Gaskessel raus, Wärmepumpe rein, macht hier tatsächlich Sinn.
In der Industrie ist das etwas anders. Zwar gelten auch hier die gleichen physikalischen Grundsätze wie im Wohngebäude:
Aber die Verhältnisse sind anders. Industriebetriebe haben einen sehr hohen und kontinuierlich anfallenden Energiebedarf. Die Betriebskostenfallen dadurch im Verhältnis zu Investitionskosten stärker ins Gewicht. Amortisationszeiten von Investitionen in Energieeffizienz sind daher viel geringer. Besonders wenn jahrelang nicht auf die Effizienz geschaut wurde, weil Gas sehr günstig war, sind Einsparungen von 30% bei Amortisationszeiten von <2 Jahren keine Seltenheit.
Wenn Sie schon über den Einsatz einer Wärmepumpe nachdenken, sollten Sie sich unbedingt auch die Effizienz der gesamten Wärme- und Kälteversorgung anschauen. Erstens schlummern hier häufig niedrighängende Früchte, um Energie und Geld zu sparen. Zweitens vermeiden Sie so, eine unnötig große und ineffiziente Wärmepumpe zu installieren.
Dieses Potenzial sollten Sie nutzen. Das Problem dabei ist, die größten Effizienzhebel erkennt man nur, wen man herauszoomt und den gesamten Wärme- und Kältebedarf eines Standorts systematisch analysiert. Kleinteilige Einzelmaßnahmen wie Glühbirnen durch LED ersetzen oder die Abwärme von Druckluftkompressoren nutzen machen für sich genommen zwar Sinn, aber die großen Hebel findet man so nicht.
Um erfolgreich Wärmepumpen in Industrieprozesse zu integrieren, führt kein Weg daran vorbei, ein Grundverständnis über die physikalischen Zusammenhänge zu haben. Genau das wollen wir hier mit der bereits verwendeten Analogie zwischen Wärme- und Wasserpumpe vermitteln.
Will man Wasser 50 m hochpumpen, braucht man dafür eine größere, kräftigere Pumpe, als wenn man es nur 2 m hochpumpt. Für den gleichen Volumenstrom benötigt die größere Pumpe deutlich mehr Antriebsleistung.
Was bei der Wasserpumpe die Förderhöhe ist, ist bei Wärmepumpe der Temperaturhub. Die Haushaltswärmepumpe im Vorgarten muss an einem durchschnittlichen Wintertag, die Umgebungswärme aus der Außenluft 0 °C auf die im Heizsystembenötigen 40 °C hochpumpen. Das wäre ein Temperaturhub von 40 K. Würden wir die gleiche Wärmemenge auf eine Temperatur von 200 °C bringen, bräuchten wir dafür viel mehr elektrische Energie.
Der Temperaturhub einer Wärmepumpe ist also analog zur Förderhöhe einer Wasserpumpe die entscheidende Größe, wenn es um den benötigten Energieaufwand geht. Natürlich steigt der Energieaufwand auch mit der erforderlichen Heizleistung. Um eine dimensionslose Vergleichsgröße zu bekommen, setzt man Nutzen (Heizleistung) und Aufwand (elektrische Leistung) ins Verhältnis und erhält den sogenannten COP (Coefficient Of Performance). Je größer die Zahl, desto besser. Ein COP von 1 entspricht der direkten Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme. Das ist keine Kunst, das geht sehr einfach mit einem elektrischen Heizstab. Dafür braucht man keine Wärmepumpe.
Schauen wir uns an, wie sich der COP mit zunehmenden Temperaturhub ändert:
Bei kleinen Temperaturhüben bekommt man sehr hohe COPs. Aber schon bei einem Temperaturhub von 50 K sind wir deutlich unter 4 und bei 100 K bei etwa 2. Das bedeutet, jedes Grad Reduktion der Zieltemperatur und Erhöhung der Quellentemperatur führt direkt zu weniger Stromkosten. Hinterfragen Sie bestehende Temperaturanforderungen. Braucht der Prozess wirklich Dampf mit 200 °C oder reichen nicht auch 150 °C?
Was sind die größten Hebel um bei der Wärme- und Kälteversorgung effizienter zu werden, und dadurch mit eine kleineren Wärmepumpe Investitions- und Betriebskosten zu sparen?
Industrielle Produktionsprozesse benötigen viel Energie. Von der eingesetzten Energie (Strom und Gas) verlässt höchstens ein Bruchteil das Werk als gespeicherte Energie im Produkt. Es gilt das Prinzip der Energieerhaltung. Das heißt, der größte Teil der eingesetzten Energie gelangt in die Umwelt, z.B. über Abgasströme, Kühltürme, Abluft oder unkontrollierte Wärmeverluste.
Die Wiederverwendung von Abwärme, die in den Prozessschritten anfällt, ist der mit Abstand größte Hebel zu mehr Energieeffizienz. Das hat auch der Gesetzgeber erkannt und hat mit dem Energieeffizienzgesetz (EnEfG) die Pflicht eingeführt, Abwärmeströme systematisch zu erfassen und zu nutzen.
Abwärme sinnvoll zu nutzen ist aber gar nicht so einfach, wie es klingt. In Industrieprozessen gibt es eine Vielzahl an Wärmequellen und-senken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Und die beste Gesamteffizienz erreicht man nur, wenn man Wärmeströme geschickt miteinander verschaltet.
Das EnEfG drückt das so aus:
„Um größtmögliche Effizienzgewinne zu erzielen, soll die rückgewonnene Abwärme kaskadenförmig in […] abfallenden Temperaturschritten, mehrfach wiederverwendet werden.“
Um das für Nicht-Thermodynamiker verständlicher zu machen: Bei Wärmeströmen ist nicht nur die Menge (Energie in kWh) sondern vor allem die Temperatur entscheidend. Mit 1 kWh Abwärme bei 300 °C lässt sich sehr viel mehranfangen als mit 1 kWh bei 50 °C. Daher sollte die Abwärme eines Teilprozesses immer bei möglichst hoher Temperatur im nächsten Teilprozess genutzt werden. Dabei fällt dann Abwärme bei niedrigerer Temperatur an, die in einem dritten Teilprozess genutzt werden kann.
Dass dieses Vorgehen sinnvoll ist und zur bestmöglichen Gesamteffizienz führt, versteht man am besten wieder mit der Analogie zwischen Wasser und Wärme. Stellen wir uns Wasserräder auf unterschiedlichen Höhen vor, die von oben mit Wasser angetrieben werden. Die einfachste Lösung wäre, alle Wasserräder direkt von einer gemeinsamen Wasserquelle zu versorgen. Das funktioniert, aber eine Wiederverwendung von Wasser, von höher- zu tiefergelegenen Wasserrädern, führt zu einem Gesamtsystem mit deutlich weniger Wasserverbrauch. Und das aller effizienteste Gesamtsystem bekommt man nur dann, wenn man kein Potenzial verschenkt, sondern streng auf eine kaskadenförmige Verschaltung achtet.
Das heißt, bevor Sie eine Wärmepumpe in Ihr Energiesystem integrieren, schauen Sie sich systematisch Wärmebedarfe und Abwärmeströme an (Pinch-Analyse). Eine Wärmepumpe sollte nur das an Wärme erzeugen, was nach der direkten Abwärmenutzung übrigbleibt.
Was ist eine Pinch-Analyse?
DiePinch-Analyse, entwickelt in den 1970er Jahren von Bodo Linnhoff und weiteren, ist eine bewährte Methode zur Optimierung des Energieverbrauchs in industriellen Prozessen. Sie identifiziert Punkte maximalen Wärmeaustauschs, um Energieeffizienz zu steigern und Kosten zu senken. Hauptschritte sind Datensammlung, Erstellung von Composite Curves, Identifikation desPinch-Punktes und Optimierung des Wärmeaustauschs.
Eine Wärmepumpe ist technisch gesehen nichts anderes als eine Kältemaschine. Es gibt eine warme und eine kalte Seite. Bisher haben wir nur darüber gesprochen, die warme Seite zur Erzeugung von Prozesswärme zu nutzen. Mit der kalten Seite könnten wir wie in Wohngebäuden Umgebungsluft, Erdreich oder Flusswasser kühlen, und damit kostenlose Umweltwärme nutzen. Oder wir machen es noch besser und kühlen damit einen Teilprozess, der ohnehin gekühlt werden muss. Damit sparen wir zusätzlich zur erzeugten Prozesswärme auch noch Kälte ein, die bisher mit elektrischem Strom erzeugt wurde.
In Wohngebäuden würde so eine Doppelnutzung eigentlich auch funktionieren. Der Kühlschrank könnte theoretisch als Wärmequelle für die Heizungswärmepumpe dienen. Allerdings ist die Leistung eines Kühlschranks viel zu gering, als dass sich der Aufwand lohnen würden.
In Industriebetrieben sieht das ganz anders aus. Neben Prozesswärme wird häufig auch Kälte in nennenswertem Umfang benötigt. Ob es insgesamt Sinn macht, diese Kälteanforderungen als Quelle für eine Industriewärmepumpe zu nutzen, ist alles andere als trivial zu beantworten. Diese Frage hängt eng mit der im Abschnitt davor diskutierten Abwärmenutzung zusammen.
Als generelle Regel gilt: Passende Wärmeströme besser direkt miteinander verschalten. Nur was übrig bleibt als Quelle für eine Wärmepumpe nutzen.
Mit der Pinch-Analyse gibt es eine etablierte Methode, um ein optimales Konzept zur Abwärmenutzung und Wärmepumpenintegration zu entwerfen. Durch so ein systematisches Vorgehen erhöht sich die Rentabilität einer Investition in eine Wärmepumpe und passendem Wärmerückgewinnungssystem deutlich.
Bei der Suche nach Wärmequellen für eine Wärmepumpe wird eine Möglichkeit häufig übersehen: feuchte Abluft aus Trocknungsprozessen.
Die Verdampfungsenthalpie von Wasser ist sehr hoch. Das bedeutet, dass beim Trocknen (= Verdampfen von Wasser) sehr viel Energie in den Prozess eingebracht wird, die dann mit der feuchten Abluft ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Durch die Kondensation der in der Abluft enthaltenen Feuchtigkeit kann diese Energie zurückgewonnen, also Abwärme genutzt werden. Je niedriger die Temperatur der Abwärmenutzung ist, desto mehr Feuchtigkeit kann kondensieren und desto mehr Energie kann zurückgewonnen werden.
Falls die Abwärme an irgendeiner Stelle des Gesamtprozesses mit entsprechend niedriger Temperatur sinnvoll genutzt werden kann, ist das direkt über einen Wärmetauscher möglich. Ansonsten eignet sich feuchte Abluft eben auch sehr gut als Wärmequelle für eine Wärmepumpe. Mit der Wärmepumpe wird das Temperaturniveau angehoben, und die Kondensationswärme kann zum Beispiel direkt im Trocknungsprozess wiederverwendet werden. Genau das machen Wärmepumpen-Wäschetrockner und verbrauchen dadurch 60% weniger Strom als Abluft-Wäschetrockner.
Trocknen Sie noch mit Abluft?
Für eine wirtschaftlich und energetisch effiziente Wärmepumpe ist eine detaillierte Analyse des Wärme- und Kältebedarfs und der verfügbaren Abwärmeströme erforderlich. Dafür benötigt man Daten.
In vielen Industriebetrieben werden die Energiemengen nur zentral an wenigen Stellen durch Zähler erfasst. Damit fehlt sowohl die detaillierte zeitliche Auflösung als auch die Aufteilung der Energieströme auf einzelne Teilprozesse.
Das neue EnEfG fordert die detaillierte Erfassung und Meldung aller Abwärmeströme. Daher besteht ohnehin ein gesetzlicher Handlungsdruck, den Sie nutzen sollten, das Thema anzugehen und eine wertvolle Datenquelle für eine deutlich Erhöhung der Energieeffizienz zu schaffen.
Industrielle Messtechnik und Datenerfassungssysteme sind teuer und aufwendig zu installieren. Auf der anderen Seite gibt es durch den Trend zu Hausautomatisierung gute und günstige Sensoren mit einfacher Konnektivität. Wir haben solche Sensoren bereits erfolgreich bei Kundeneingesetzt. Kontaktieren Sie uns, wenn Sie mehr darüber erfahren wollen.
Zusätzlich zu neuen oder bestehenden Sensoren, kann durch einemathematische Modellierung der wichtigsten Verbraucher die Datenqualität deutlicherhöht werden. Massen- und Energiebilanzen helfen, Messfehler zu reduzieren und zusätzliche Einblicke zu erhalten. Das EnEfG erlaubt ausdrücklich dieVerwendung solcher Modellierungen:
Merkblatt für die Plattform für Abwärme zu dengesetzlichen Regelungen des § 17 Energieeffizienzgesetz (EnEfG) Version 1.2
„Damit ist die Modellierung grundsätzlich ebenfalls immer in dem Maße erlaubt, in demauch eine Schätzung angewendet werden darf. Zudem muss auch eine Modellierung immer plausibel und nachvollziehbar erfolgen. Plausibel ist eine Modellierung dann, wenn die zugrundeliegenden Methoden, Berechnungen, Annahmen und Eingangsparameter dem tatsächlichen Sachverhalt sowie den physikalischen Gesetzmäßigkeiten gerecht werden. Darüber hinaus muss auch die Modellierung,beispielsweise im Fall einer Stichprobenkontrolle, für Dritte nachvollziehbar sein.“
Systemsimulation und Modellierung ist die zentrale Kompetenz bei TLK Energy. Wir helfen Ihnen gerne dabei, Datenlücken gut dokumentiert zu füllen.
Streng genommen ist der Begriff Wärmepumpe sehr allgemein und umfasst die unterschiedlichsten Technologien, um Wärme von niedrigen auf höhere Temperaturen zu bringen. Wir beschränken uns hier jedoch auf Kompressionswärmepumpen. Diese mit Abstand am weitesten verbreitete Technologie basiert auf der Verdichtung von Gasen. Unterschiede ergeben sich durch:
Die effizienteste Konfiguration unterscheidet sich je nach Anwendung. Entscheidende Parameter dafür sind die Temperaturniveaus (Wärmequelle und -senke) aber auch die sogenannte Spreizung auf den Sekundärseiten. Das ist die Temperaturdifferenz der Wärmeträgerfluide. Zum Beispiel macht es thermodynamisch gesehen einen großen Unterschied, ob man Luft von 20 °C auf 120 °C oder mit der gleichen Leistung einen Wasserkreislauf von110 °C auf 120 °C aufheizen will. Für hohe Spreizungen auf der warmen Seite eignet sich zum Beispiel CO2 (R-744) als Kältemittel hervorragend.
Der Markt für Industrie-Wärmepumpen entwickelt sich gerade sehr stark. Zum einen gibt es etablierte Hersteller aus der Kältetechnik, aber auch neue Start-ups, die Wärmepumpen entwickeln. Wenn Sie Hilfe beim Vergleich der Angebote und bei der Auswahl benötigen, lassen Sie sich am besten von herstellerunabhängigen Experten beraten.
Durch den zunehmenden Anteil an erneuerbaren Energien wird der Strommarkt immer volatiler. Die Preise schwanken stark im Tages- und Jahresverlauf. Gleichzeitig wird immer mehr in die Weiterentwicklung und Kostenreduktion bei elektrischen Batterien investiert. Diese globalen Megatrends werden sich in den nächsten Jahren verstärken. Dadurch werden Energiespeicher für Industriebetriebe wirtschaftlich immer attraktiver.
Energiebeschaffung und Strommarkt ist ein komplexes Thema, das über den Fokus dieses Ratgebers hinausgeht. Zusammenfassend kann man sagen, dass es die folgenden Möglichkeiten gibt, mit Energiespeichern Geld zu sparen oder zu verdienen:
Durch den Einbau einer Wärmepumpe verändern sich in Bezug auf Energiespeicherung zwei grundlegende Dinge:
Punkt 1 ist leicht verständlich, schließlich werden große Mengen des Gasverbrauchs durch Strom ersetzt. Aber bei Punkt 2 ist vielleicht nicht ganz so offensichtlich. Die Wärmepumpe wandelt Strom in Wärme um. Anstatt den Strom in Batterien vor dieser Umwandlung zu speichern, kann man genau so gut auch die Wärme nach der Umwandlung speichern. Und wenn man die kalte Seite einer Wärmepumpe nutzt, funktioniert auch ein Kältespeicher wunderbar. Eisspeicherwerden seit Jahrzehnten in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, um Lastspitzender Kältemaschinen zu vermeiden.
Die einfachste Lösung für Wärmespeicher sind großeWassertanks. Bei drucklosen Wassertanks ist die Temperatur naturgemäß auf 100°C begrenzt. Für höhere Temperaturen gibt es inzwischen mehrere Start-ups, die entsprechendeTechnologien entwickeln.
Der Unterschied zwischen elektrischen und thermischen Speichern ist, dass elektrische Speicher auch zurück ins Stromnetz einspeisen können. Die gespeicherte thermische Energie kann in der Regel nur selbst genutzt werden.
Neben den technischen Optionen ist die zukünftige Entwicklung des Strommarktes entscheidend für die Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern. Aber die globalen Trends und die Physik sind eindeutig: Auf dem Weg zu 100% erneuerbaren Energien wird das Angebot immer stärker schwanken. Speicher werden sich lohnen.
Wir helfen Ihnen gerne, verschiedene technische Optionen für unterschiedliche Szenarien mit Simulationsstudien zu bewerten.
Für Wärmepumpen in der Industrie gelten grundsätzlich andere Randbedingungen als in Wohngebäuden. Die wirtschaftlich und energetisch optimale Einbindung von Wärmepumpen in Industrieprozesse ist daher deutlich schwieriger. Andererseits sind dadurch auch die Möglichkeiten und Chancen größer, ein effizientes Gesamtsystem zu entwickeln, das sich durch niedrige Betriebskosten schnell amortisiert. Mit der Pinch-Analyse steht eine etablierte Methode zur Verfügung, um das Thema systematisch anzugehen.
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