Die Wärmepumpe (Hochtemperatur) für die Industrie

Viele produzierende Unternehmen möchten den Energieverbrauch und die CO2-Bilanz  senken und so die Wettbewerbsfähigkeit stärken. Dabei gibt es viele Stellschrauben, die es bei der energetischen Optimierung von Industrieprozessen zu beachten gibt. Wussten Sie, dass Hochtemperatur-Wärmepumpen dabei eine führende Rolle spielen können? Der Einsatz von Wärmepumpentechnologie ermöglicht nicht nur eine effiziente Nutzung von Abwärme, sondern hat auch das Potenzial, Kosten zu reduzieren und positive Auswirkungen auf die Umwelt und die Nachhaltigkeitsbillanz von Unternehmen zu erzielen.

In diesem Artikel geben wir einen genaueren Einblick in die Welt der Hochtemperatur-Wärmepumpen und zeigen auf, wie sie zu einem entscheidenden Faktor für den Erfolg Ihres Unternehmens werden können.

Wärmepumpen Hochtemperatur Industrie: Abwärme, die neu entdeckte Ressource

Das Wort "Abwärme" ist seit langer Zeit eher negativ behaftet. Dass gerade die bisher als ineffizient geltende industrielle Abwärme eine entscheidende Rolle in der Energiewende und bei der Senkung des CO2-Footprints spielen könnte, hätte sich wohl noch vor einigen Jahren kaum jemand denken können.

Welche Funktion haben Hochtemperatur-Wärmepumpen für die Industrie?

Das Grundprinzip der Hochtemperatur-Wärmepumpen ist einfach: Sie machen Abwärme, wie sie zum Beispiel an Druckluftkompressoren, Kältemaschine, Rückkühlanlagen und Industriekaminen anfällt, für Industrieprozesse nutzbar. Dabei wird das Prinzip der Wärmepumpentechnologie genutzt: Der Energieinhalt der Abwärme wird genutzt, um Wärme auf ein noch höheres Temperatur-Niveau zu bringen und sie für Industrieprozesse bereitzustellen. Der Hauptvorteil von Hochtemperatur-Wärmepumpen liegt darin, dass sie auch bei höheren Temperaturen effizient und wirtschaftlich arbeiten können. Dadurch sind sie vielseitig einsetzbar und eignen sich für Anwendungen, bei denen ein hoher Temperaturbereich erforderlich ist. 

Wärmepumpen für die Industrie: Was sind die Vorteile?

Kostenreduktion, effiziente Energieausnutzung & Dekabonisierung

Neben großem Kosteneinsparpotentialen ist dies ist für Unternehmen der erste Schritt in die energetische Unabhängigkeit. CO2-Emissionen werden nachhaltig gesenkt und man kommt den Zielen einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft bedeutend näher.

Flexibilität & Geringer Wartungsaufwand
Industrielle Wärmepumpen sind vielseitig einsetzbar und können in verschiedenen Branchen und Prozessen integriert werden, was ihre Anpassungsfähigkeit unterstreicht. Moderne Wärmepumpensysteme erfordern oft nur minimalen Wartungsaufwand, was die Betriebskosten weiter reduziert.

Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit:
Unternehmen, die auf innovative und nachhaltige Technologien wie industrielle Wärmepumpen setzen, können ihre Wettbewerbsfähigkeit stärken, indem sie  Produktions- und Energiekosten senken, modernen Umweltstandards entsprechen und den Weg in Richtung CO2-Neutrale Produktion einschlagen.

Wie funktioniert eine Industrie-Wärmepumpe (Hochtemperatur)?

Technisch gesehen gibt es in den Grundzügen zwischen dem Funktionsprinzip einer "normalen" Wärmepumpe und einer Hochtemperatur-Wärmepumpe keinen signifikanten Unterschied. Hochtemperatur-Wärmepumpen, wie sie in der Industrie eingesetzt werden, erreichen jedoch durch den Einsatz eines speziellen Kältemittels höhere Temperaturen und liefern in der Regel eine höhere thermische Leistung.

Die Funktionsweise einer Hochtemperatur-Wärmepumpe lässt sich in vier Phasen unterteilen:

Der Kreislauf einer Wärmepumpe hat 4 Phasen:

1. Verdampfung
2. Kompression
3. Kondensation
4. Expansion

Die Funktionsweise wird nachfolgend mithilfe der beigefügten Abbildung erläutert. Die Grafik zeigt beispielhaft die Kühlung eines Druckluftkompressors als Abwärmequelle, die als Prozesswärme bei höheren Temperaturen in der Industrie wieder genutzt wird.

1. Verdampfung

Die Wärmepumpe initiiert ihren Betriebszyklus mit der Verdampfungsphase. Hierbei erfolgt im Verdampfer die Umwandlung des zu Beginn flüssigen Kältemittels in einen gasförmigen Zustand durch die Zufuhr von Wärmeenergie von der Wärmequelle. Diese Wärmeübertragung erfolgt mit Hilfe eines Wärmeübertragers dadurch, dass die Temperatur des Kältemittels niedriger ist als die der Wärmequelle. Es wird somit erreicht, dass die Abwärme effektiv auf das Kältemittel übertragen wird, wodurch dieses verdampft.

2. Kompression

Das verdampfte Kältemittel wird nun in den Kompressor geleitet. In diesem Schritt wird dem Kältemitteldampf durch mechanische Arbeit Energie zugeführt, wodurch der Druck und die Temperatur des Kältemittels steigen. Durch die Kompression wird die aufgenommene Wärmeenergie in eine Temperaturerhöhung gewandelt, die für die Wärmeübertragung an den Verbraucher geeignet ist. Das gasförmige Kältemittel verlässt den Kompressor als heißes Medium.

3. Kondensation

Das aufgeheizte und komprimierte Gas gelangt im nächsten Schritt in den Kondensator. In diesem Wärmeübertrager wird die gespeicherte Wärmeenergie des Kältemittels an den Verbraucher oder eine Wärmesenke abgegeben. Die übertragene Wärme kann vielfältige Anwendungen finden, beispielsweise in einem Heizsystem oder als Prozesswärme in industriellen Prozessen. Während dieses Prozesses kondensiert das Kältemittel erneut und nimmt einen flüssigen Zustand an, der jedoch weiterhin unter hohem Druck steht.

4. Expansion

Der letzte Schritt ist die Expansion des flüssigen Kältemittels mit Hilfe eines Ventils. Hier wird der Druck des flüssigen Kältemittels vor dem erneuten Eintritt in den Verdampfer reduziert. Dieser Druckabfall bewirkt eine erneute Teil-Verdampfung des Kältemittels, wodurch es seinen ursprünglichen Zustand erreicht und der Zyklus von vorne beginnen kann. Diese Expansion erfolgt oft in einem Expansionsventil, das den Druck reguliert und somit die Menge des durch den Verdampfer fließenden Kältemittels steuert.

Zusammengefasst ermöglicht die Wärmepumpe durch die vier Phasen Verdampfung, Kompression, Kondensation und Expansion einen effizienten Transport von Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur zu einem Ort mit höherer Temperatur. Dieser Prozess ermöglicht eine umweltfreundliche und kosteneffiziente Nutzung von Umgebungswärme für Heiz- oder Kühlzwecke.

Welche Abwärmequellen eignen sich zur Nutzung mit der Hochtemperatur-Wärmepumpe ?

Um eine Hochtemperatur-Wärmepumpe effektiv einzusetzen, ist es entscheidend, Abwärmequellen zu identifizieren. Dies ermöglicht die Wärmerückgewinnung und Steigerung der Energieeffizienz in industriellen und gewerblichen Umgebungen. Ein Energiemanagementsystem mit Verbrauchsdaten ist ideal, um Energieströme zu analysieren, insbesondere bei komplexen Produktionsprozessen. Durch die Erstellung von Bilanzen können Abwärmepotentiale zur Nutzung leicht identifiziert werden.

Wenn bisher kein vollständiges Energiemanagementsystem vorhanden ist, können Ihnen die folgenden einfachen Fragen dabei helfen, Abwärmequellen für Ihre Abwärmenutzung zu identifizieren:

• Verfügen Sie über Kühlsysteme, Kondensatoren oder Abluftanlagen? Überall dort, wo Medien gekühlt oder an die Umgebung abgegeben werden, bleibt Abwärme ungenutzt!
• Haben Sie ableitendes Abwasser, Kondensat oder andere Medien? Oft bleibt die in diesen Prozessen erzeugte Abwärme ungenutzt.

Haben Sie eine der beiden Fragen mit „Ja“ beantwortet, dann schlummert bei Ihnen das Potential zur Effizienzsteigerung durch Abwärmenutzung.

Wie kann man Abwärme in Prozessen einsetzen? 

Sobald Sie die Abwärmequellen identifiziert und quantifiziert haben, steht als nächster Schritt die effiziente Nutzung der Abwärme in der Industrie an (Abwärmenutzung). Eine beliebte Methode besteht darin, die Abwärme wieder in die industriellen Prozesse zu integrieren, indem sie beispielsweise in nutzbare Prozesswärme umgewandelt wird. Jetzt sollten Sie sich einen Überblick über die vorhandenen Wärmesenken verschaffen. Dafür beantworten Sie bitte die folgenden Fragen:

• Für welche Prozesse in Ihrem Unternehmen wird Wärme benötigt? Dies kann neben Prozesswärme-Anwendungen z.B: für Raumheizung oder Warmwasserversorgung sein

Machen Sie eine Liste mit Ihren Wärmequellen und Wärmesenken bzw. Verbraucher. Eine derartige vereinfachte Liste könnte folgendermaßen aussehen:

Um das volle Potenzial der Abwärmenutzung in der Industrie auszuschöpfen, ist es von großer Bedeutung, die Abwärmequellen und Wärmesenken geschickt miteinander zu verbinden. Neben der Effizienz spielen auch Faktoren wie die vorhandene Infrastruktur, mögliche Integrationspunkte und Entfernungen eine entscheidende Rolle, um festzustellen, wie gut sich die Wärmequellen und Wärmesenken miteinander verknüpfen lassen. Nur durch eine geschickte Verbindung dieser Elemente kann die Abwärme effektiv in industrielle Prozesse zurückgeführt werden und somit die Vorteile der Abwärmenutzung optimal genutzt werden.

Häufig befinden sich die Temperaturniveaus der Abwärmequellen unterhalb der erforderlichen Temperaturen der Wärmesenken, wodurch eine direkte Nutzung der Abwärme nicht möglich ist. Um das Temperaturniveau der Abwärme auf das der Wärmesenken anzuheben, ist der Einsatz einer Wärmepumpe unerlässlich. In welchen Branchen der Einsatz einer Wärmepumpe klassischerweise von Vorteil ist, erfahren Sie im folgenden Abschnitt.

Wärmepumpenlösungen von Atlas Copco

Atlas Copco bietet im industriellen Maßstab Wasser-Wärmepumpen an, mit denen die Temperaturniveaus von Abwärmequellen auf ein höheres Niveau transformiert werden können. Mit diesen Wärmepumpen ist es beispielsweise möglich, heißes Wasser bis zu einer maximalen Temperatur von maximal 120°C bereitzustellen. Die Wärmepumpe kann zudem auf der Seite der Abnahmestelle kühlen, umd wärmt auf der Seite der Wärmesenke das Prozesswasser auf.

Für noch höhere Temperaturniveaus kann das heiße Wasser in Niederdruckdampf umgewandelt werden, der dann mithilfe eines Dampfverdichters als Prozesswärme auf noch höhere Temperaturen gebracht werden kann (siehe folgende Abbildung).

Praktischer Einsatz der Wärmepumpe in Kombination mit Druckluftkompressoren:

Wärmetauscher oder Wärmepumpe. Was eignet sich besser?

Die vollständige Ausschöpfung des Potenzials der Wärmerückgewinnung ist bei der Verwendung eines simplen Wärmetauschers (Wärmeübertrager) oft eingeschränkt. Dies ist vor allem der Fall, wenn auf Grund der Temperaturniveaus die Abwärme nicht vollständig genutzt werden kann.
Betrachten wir beispielsweise die Anwendung von Wärmerückgewinnung bei einem wassergekühlten ölfreien Druckluftkompressor. Die nachfolgende Darstellung veranschaulicht exemplarisch diese Problematik:

Die Wärmenutzung ist stark abhängig von den Vor- und Rücklauftemperaturen. In dem gezeigten Beispiel wird für ein Heizsystem die Wärme ausgekoppelt, bei dem relativ hohe Vorlauf- (85°C und Rücklauftemperaturen (70°C) vorhanden sind. Das bedeutet, das Wasser muss in einem nachgeschalteten Rückkühler wieder auf akzeptable Kühlwassertemperatur von ca. 35°C gebracht werden. Hierbei geht 70% der Abwärme in die Umgebung verloren, während nur 30% der für das Heizsystem genutzt wird.

Mit Hilfe der Wärmepumpe lässt sich das Problem der Teilwärmenutzung lösen und das volle Potential nutzen. Das wird mit der folgenden Abbildung veranschaulicht.

Durch den Einsatz einer Wärmepumpe lässt sich die Abwärme des Kompressors nahezu vollständig auf die Wärmepumpe übertragen, ohne dass auf der nachgelagerten Seite, dem Rückkühler, Wärme in die Umgebung abgegeben wird. Dies ist möglich, da die Wärmepumpe nicht nur das Temperaturniveau anheben kann, sondern auch in der Lage ist, das Kühlwasser auf 35°C zu kühlen. Durch diese Vorgehensweise können auf der warmen Seite der Wärmepumpe, unter optimaler Nutzung der gesamten Abwärmeleistung des Kompressors, vergleichsweise hohe Vor- und Rücklauftemperaturen 85°C/70°C erreicht werden.

Die Leistungszahl bzw. COP (Coefficient of Performance) einer Wärmepumpe.

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch den sogenannten COP (Coefficient of Performance) beschrieben. Der COP ist das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung und der dafür aufgewendeten elektrischen Antriebsenergie. Je höher der COP, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. COP wird häufig auch als Leistungszahl bezeichnet.

Es gibt mehrere Faktoren, die die Effizienz einer Wärmepumpe beeinflussen können. Der wichtigste Faktor ist die Temperatudifferenz zwischen der Abwärmequelle und der Nutzwärme. Je größer die Temperaturdifferenz, desto kleiner wird der COP und somit die Effizienz der Wärmepumpe.

In dem letzten Beispiel ergibt sich der Wärmepumpe für die Wärmerückgewinnung von Kompressorabwärme ergibt sich ein COP von 3,3.

Wie berechnet man die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe?

Ein erster Indikator für die Feststellung der Wirtschaftlichkeit kann mithilfe der folgenden Überprüfung ermittelt werden.

Eine positive Wirtschaftlichkeit liegt vor, wenn der Coefficient of Performance (COP) größer ist als das Verhältnis zwischen Strompreis und Erdgaspreis.

Für die Überprüfung der Wirtschaftlichkeit wird der Erdgaspreis berücksichtigt, unter der Annahme, dass in der Ausgangssituation die Wärme durch Erdgas bereitgestellt wird. Zusätzlich beeinflusst der elektrische Strompreis die Wirtschaftlichkeit, da dieser für den Betrieb der Wärmepumpe notwendig ist.

Ist eine positive Wirtschaftlichkeit gegeben? Falls Sie die Frage mit ja beantwortet haben, dann möchten Sie sicherlich noch wissen, wie groß die Amortisationszeit ist. Das erfahren Sie im nächsten Abschnitt.

Wie schnell amortisiert sich der Einsatz einer Hochtemperatur-Wärmepumpe?

Wir bleiben bei dem Beispiel der Wärmerückgewinnung der Kompressorabwärme mit Wärmepumpe, das wir oben bereits beschrieben haben:

Wir gehen davon aus, dass es sich beim ölfreien wassergekühlten Kompressor eine Kühlleistung bzw. Kompressorabwärme von etwa 320 kW anfallen (ZR315). Die Leistungszahl bzw. COP beträgt für die oben dargestellte Abbildung 3,3.

Des Weiteren werden folgende Annahmen für die Bereitstellung der Wärme mittels Erdgas getroffen:

• Erdgaspreis 0,06   €/kWh
• Kesselwirkungsgrad 90 %
• Betriebsstunden 6500 h

Im folgenden Diagramm sind die Gewinnverläufe über die Jahre für eine Investition in die (Hochtemperatur-) Wärmepumpe bei drei verschiedenen elektrischen Strompreisen dargestellt:

Die Amortisationszeiten für die entsprechende Wärmepumpe bei verschiedenen Strompreisen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Zusätzliche Vorteile umfassen die Einsparung an Energiekosten für den Rückkühler des Kompressors sowie die positive CO2-Bilanz, die im Folgenden dargestellt ist:

Aus welchen Komponenten besteht eine Wärmepumpenanlage?

Die Effizienz und Funktionalität einer Wärmepumpe hängen im Wesentlichen von der spezifischen Anwendung und Konfiguration ab. In vielen Fällen können zusätzliche Komponenten erforderlich sein, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Dazu gehören beispielsweise Wärmeübertrager für die Systemtrennung, Pumpenstationen für die Wärmequelle und Wärmesenke, Pufferspeicher (Wasserbehälter) oder hydraulische Weichen sowie eine übergeordnete Steuerung.

Die Integration dieser Komponenten ermöglicht es, den Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Systemen zu optimieren und eine effiziente Nutzung der Wärmepumpe zu gewährleisten. Die Verwendung von Pufferspeichern kann dazu beitragen, Spitzenlasten auszugleichen und die Effizienz der Wärmepumpe zu verbessern.

Eine sorgfältige Auswahl und Konfiguration dieser zusätzlichen Komponenten ist entscheidend, um die Gesamtleistung der Wärmepumpe zu maximieren und eine zuverlässige Integration in bestehende oder neue Systeme zu gewährleisten. Daher ist es ratsam, bei der Planung und Umsetzung von Wärmepumpensystemen auf die Expertise von Fachleuten zurückzugreifen, um eine maßgeschneiderte Lösung zu gewährleisten, die den spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten gerecht wird.