Industriewärmepumpe erzeugt Prozesswärme mit 100 Grad

Prozesswärme gehört zu den größten Energieverbrauchern in der Industrie. In zahlreichen Betrieben übernehmen Gas- und Dampfkessel die Versorgung mit heißem Wasser für Produktionsprozesse. Eine Elektrifizierung dieser Wärmeerzeugung ist technisch anspruchsvoll, insbesondere wenn hohe Temperaturen benötigt werden und die Anlagen nahezu ununterbrochen laufen.

Industrielle Wärmepumpen eröffnen hier eine Alternative, indem sie vorhandene Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau bringen und erneut nutzbar machen. Eine neue Isobutan-Wärmepumpe von 2G ist auf diese Anforderungen ausgelegt. Sie erzeugt Heißwasser mit bis zu 100 Grad Celsius und erreicht zwischen Wärmequelle und Wärmesenke einen Temperaturhub von bis zu 80 Kelvin. Bemerkenswert ist, dass dafür ein einstufiger Verdichter eingesetzt wird. Die Anlage wurde für industrielle Anwendungen mit bis zu 8.500 Betriebsstunden jährlich entwickelt.

Isobutan-Wärmepumpe von 2G mit 80 Kelvin Temperaturhub

Der Temperaturhub beschreibt die Differenz zwischen dem Temperaturniveau der Wärmequelle und der benötigten Nutzwärme. Je größer dieser Unterschied ausfällt, desto anspruchsvoller wird die technische Umsetzung. Die auf der Chillventa in Nürnberg vorgestellte Wärmepumpe erreicht nach Herstellerangaben einen Temperaturhub von bis zu 80 Kelvin. Das bedeutet beispielsweise, dass Wärme auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau aufgenommen und auf ein deutlich höheres Niveau für industrielle Prozesse gebracht werden kann. Die Besonderheit liegt im einstufigen Verdichter. Bei großen Temperaturunterschieden kommen häufig aufwendigere Verdichterkonzepte oder mehrstufige Prozesse zum Einsatz. Die hier vorgestellte Konstruktion soll den hohen Temperaturhub mit einem vergleichsweise einfachen Verdichteraufbau ermöglichen. Als Kältemittel verwendet die Anlage Isobutan. Der Kohlenwasserstoff gehört zu den natürlichen Kältemitteln und besitzt ein sehr geringes Treibhauspotenzial. Aufgrund seiner Brennbarkeit stellt er allerdings besondere Anforderungen an Konstruktion, Sicherheitstechnik und Aufstellbedingungen.

Industrielle Dauerläufer für bis zu 8.500 Betriebsstunden

Anders als Wärmepumpen in Wohngebäuden müssen Anlagen für industrielle Prozesswärme häufig nahezu das gesamte Jahr über verfügbar sein. Produktionsbetriebe benötigen ihre Wärmeversorgung teilweise rund um die Uhr. Die Isobutan-Wärmepumpe ist deshalb für jährlich etwa 8.000 bis 8.500 Betriebsstunden konzipiert. Bei einer solchen Auslastung gewinnt neben der Energieeffizienz vor allem die Betriebssicherheit an Bedeutung. Bereits kurze Stillstände können erhebliche wirtschaftliche Folgen haben, wenn dadurch Produktionsprozesse unterbrochen werden. Entsprechend wurde bei der Konstruktion besonderer Wert auf robuste Komponenten und einen möglichst geringen Wartungsaufwand gelegt. Ein Beispiel dafür ist die Anordnung der Sensorik im Kältemittelkreislauf. Statt Sensoren unmittelbar in die Kältemittelleitung einzubauen, verwendet 2G vorgeschaltete Schraderventile. Muss ein Sensor ausgetauscht werden, lässt er sich dadurch entfernen, ohne zuvor das Kältemittel aus dem gesamten Kreislauf abzulassen. Nach Angaben des Herstellers verkürzt sich ein solcher Eingriff von einem möglicherweise ganztägigen Anlagenstillstand auf ungefähr fünf Minuten. Ergänzt wird die wartungsfreundliche Konstruktion durch Serviceventile, Edelstahlkomponenten und geschützte Kabelverbindungen. Die Ausführung ist auf die hohen Belastungen eines langfristigen industriellen Einsatzes ausgerichtet.

Prozesswärme aus Abwärme statt aus Gas erzeugen

Ein wichtiger Einsatzbereich industrieller Hochtemperatur-Wärmepumpen ist die Ablösung bestehender Gasheizkessel. Besonders interessant sind Betriebe, in denen bereits nutzbare Abwärme anfällt. Diese Wärme kann beispielsweise aus Produktionsanlagen oder anderen technischen Prozessen stammen. Statt sie ungenutzt an die Umgebung abzugeben, wird sie von der Wärmepumpe aufgenommen und auf die erforderliche Temperatur angehoben. Ob sich die Investition wirtschaftlich rechnet, hängt wesentlich vom verfügbaren Temperaturniveau der Wärmequelle, den Strom- und Gaspreisen sowie der jährlichen Betriebsdauer ab. Auch der Wirkungsgrad spielt eine zentrale Rolle. Der sogenannte COP-Wert beschreibt das Verhältnis zwischen eingesetzter elektrischer Energie und bereitgestellter Wärmeleistung. Bei einem COP von fünf liefert eine Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom rechnerisch fünf Kilowattstunden Wärme. Solche Werte sind jedoch vom jeweiligen Betriebspunkt abhängig. Insbesondere bei sehr hohen Vorlauftemperaturen und großen Temperaturunterschieden verändert sich die Effizienz. Für industrielle Dauerläufer sind diese Unterschiede wirtschaftlich besonders relevant, weil sich der Energiebedarf über mehrere Tausend Betriebsstunden summiert.

Wärmepumpe oder Elektroboiler: Die Laufzeit entscheidet

Eine elektrische Wärmeerzeugung lässt sich auch mit einem Elektroboiler realisieren. Dieser wandelt Strom unmittelbar in Wärme um. Aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie entsteht dabei ungefähr eine Kilowattstunde Wärme. Für Anwendungen mit wenigen Betriebsstunden kann ein solcher Elektroboiler durchaus sinnvoll sein. Im Interview nennt der Hersteller beispielhaft einen Wärmebedarf von jährlich 100 oder 1.000 Stunden. Bei einer kontinuierlichen industriellen Wärmeversorgung verändert sich die wirtschaftliche Betrachtung. Eine Wärmepumpe nutzt zusätzlich zur elektrischen Antriebsenergie die vorhandene Umwelt- oder Abwärme und stellt dadurch ein Mehrfaches der eingesetzten elektrischen Energie als Nutzwärme bereit. Bei 8.500 Betriebsstunden im Jahr entstehen daraus erhebliche Unterschiede beim Stromverbrauch. Voraussetzung ist allerdings eine geeignete Wärmequelle, deren Temperatur und verfügbare Leistung zum jeweiligen Produktionsprozess passen. Eine pauschale Entscheidung zugunsten einer bestimmten Technologie ist deshalb wenig sinnvoll. Die Auslegung muss den tatsächlichen Wärmebedarf, die Betriebszeiten und die örtlichen Energiepreise berücksichtigen.

Natürliche Kältemittel und Dekarbonisierung der Industrie

Neben der Wirtschaftlichkeit beeinflussen langfristige Klimaziele zunehmend die Investitionsentscheidungen industrieller Unternehmen. Für manche Betriebe steht die Verringerung des CO₂-Fußabdrucks ihrer Produkte im Vordergrund. Andere beschäftigen sich vor allem mit künftigen Kosten fossiler Energieträger und der langfristigen Planungssicherheit ihrer Wärmeversorgung. Auch die Wahl des Kältemittels spielt dabei eine Rolle. Während ein Teil des Marktes auf synthetische HFO-Kältemittel setzt, gewinnen natürliche Alternativen an Bedeutung. Isobutan ist eine solche Option, die mit Blick auf die Regulierung fluorierter Kältemittel interessant ist. Allerdings erfordern natürliche, brennbare Kältemittel entsprechende Sicherheitsmaßnahmen und können die Anfangsinvestition erhöhen. Ihre Verwendung ist daher sowohl technisch als auch wirtschaftlich zu bewerten. Über industrielle Produktionsstätten hinaus sieht 2G zusätzliche Einsatzmöglichkeiten bei kommunalen Wärmequellen. Dazu gehören insbesondere Abwasseranlagen, deren Wärme bislang vielerorts ungenutzt bleibt. Im Zusammenhang mit der kommunalen Wärmeplanung könnten solche Quellen künftig stärker erschlossen werden. Für die Dekarbonisierung industrieller Prozesswärme sind Hochtemperatur-Wärmepumpen damit eine technisch interessante Lösung. Entscheidend für ihren Einsatz bleibt, ob ausreichend Abwärme verfügbar ist und sich die benötigten Temperaturen bei wirtschaftlich vertretbarem Stromverbrauch bereitstellen lassen.