Wärmepumpen für die Industrie: Voraussetzungen, Vorteile, Nachteile

Wie heizen, wenn fossile Energieträger keine Option mehr sind, weil zu schmutzig, zu teuer oder schlicht nicht verfügbar? Diese Frage treibt zunehmend nicht nur private Haushalte um. Auch Industrieunternehmen sind auf der Suche nach neuen Lösungen. Eine davon heißt Strom und eine der effizientesten Formen mit Strom Wärme zu erzeugen ist die Wärmepumpe.

Wie funktioniert eine Wärmepumpe für die Industrie?

Sie nutzt dafür altbekannte Prinzipien. Wie in Druckluftanlagen ist der Kernprozess der meisten Wärmepumpen Kompression – allerdings unter umgekehrten Vorzeichen. Bei der Verdichtung fast aller Gase entsteht Wärme. Energetisch gesehen produzieren Druckluftanlagen deshalb mehr Wärme als Druckluft, der weitaus größere Teil der eingesetzten elektrischen Energie muss als Abwärme abgeführt werden.

Kompressions-Wärmepumpen nutzen Druck, um aus Umwelt- oder Abwärme nutzbare Wärme auf einem deutlich höheren Temperaturniveau als dem der Quelle zu erzeugen. Dank des Joule-Thomson-Effekts wandeln sie so ein Kilowatt elektrische in mehrere Kilowatt thermische Energie.

Wann lohnt sich für Industrieunternehmen der Einsatz einer Wärmepumpe?

Inwieweit es sich für produzierende Unternehmen tatsächlich lohnt, Wärmepumpen einzusetzen, hängt grundsätzlich von den Antworten auf zwei Fragenab:

1. Auf welchem Temperaturniveau wird Wärme gebraucht?
2. Gibt es geeignete Wärmequellen, die ausreichend Startenergie liefern? Denn auch Wärmepumpen brauchen "Material" mit dem sie arbeiten können.

Für das private Eigenheim reicht als Quelle oft schon die Wärme der Umgebungsluft - entweder für die Luft-Wasser- oder auch Luft-Luft-Wärmeübertragung. Für große Unternehmen sind solche Luftwärmepumpen in der Regel jedoch keine Option. Die Ausgangstemperatur ist vor allem im Winter eher zu niedrig, sie ist zu vielen Schwankungen unterlegen und auch die Schallemissionen einer großen Luftwärmepumpe wären ein Problem.

Wie unterscheiden sich Wärmepumpen für Haushalte von Industriewärmepumpen?

Abgesehen davon unterscheiden sich Wärmepumpen für das Eigenheim vom Prinzip her jedoch kaum von Wärmepumpen für Fernwärme, Nahwärme oder andere Großverbraucher. Der Hauptunterschied zwischen den kleineren Wärmepumpen (WP) für den Hausgebrauch und Groß- bzw. Hochtemperaturwärmepumpen (GWP bzw. HTWP) für die kommunale Wärmeversorgung, die Beheizung größerer Gebäudekomplexe oder die Erzeugung von Prozesswärme ist im Grunde die Verfügbarkeit: Wärmepumpen bis etwa 100 kW thermische Leistung gibt es von der Stange.

Spätestens ab 500 kW werden Wärmepumpen – zwar von immer mehr Anbietern – eher in Kleinserien produziert. Ab zwei Megawatt thermische Leistung sind Wärmepumpen derzeit in der Regel Sonderanfertigungen.

Abgesehen von wenigen Ausnahmen handelt es sich bei der Mehrheit der aktuell eingesetzten Wärmepumpen um geschlossene Kompressionswärmepumpen. Sie entziehen einer ohnehin vorhandenen Wärmequelle Wärme. Durch diese Wärme verdampft ein Kältemittel, das im Folgenden verdichtet wird. Die Temperatur im Gas steigt an. In einem zweiten Wärmetauscher kondensiert der Kältemitteldampf, gibt seine Wärmeenergie an das Heizsystem ab (Wärmesenke), wird entspannt und fließt zurück in den Wärmetauscher an der Wärmequelle.

Im Wesentlichen besteht eine Wärmepumpe aus

• Verdampfer,
• Verdichter,
• Verflüssiger und
• Expansionsventil.

Komponenten, wie sie unter anderem in Klimageräten längst in großen Stückzahlen eingesetzt werden. Das Herzstück einer Wärmepumpe ist der Verdichter. Er ist insbesondere bei den Großwärmepumpen nicht nur die teuerste Komponente und hat den größten Anteil am Stromverbrauch, sondern definiert neben der Effizienz auch den Temperatur- und Leistungsbereich, in dem sie arbeitet.

„Unterhalb von 500 kW thermischer Leistung dominieren Scrollverdichter, oberhalb kommen meist Schraubenverdichter und Kolbenverdichter zum Einsatz. In den größeren Wärmepumpen ab etwa zehn Megawatt Heizleistung sind es dann Turboverdichter“, erklärt Fabian Ahrendts, leitender Wissenschaftler im Forschungsfeld Hochtemperaturwärmepumpen an der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG.

Hubkolbenverdichter finden sich bei Großwärmepumpen in den Leistungsklassen mit niedrigeren Volumenströmen. Mit ihnen lassen sich die höchsten Drücke und damit auch die höchsten Temperaturen erzeugen. Der Preis dafür sind höhere Schallemissionen und Vibrationen. Schraubenverdichter punkten durch eine gute Kühlbarkeit, lassen sich ölfrei lagern und gelten als wartungsarm und robust.

Die größten Volumenströme und damit auch Heizleistungen lassen sich mit Turbokompressoren verwirklichen. Anders als Schrauben- oder Kolbenverdichter arbeiten sie nicht nach dem Verdrängungsprinzip, sondern mit Impulsübertragung und Verzögerung, was allerdings ihren Regel- und Betriebsbereich einschränkt.

Eine ebenso zentrale Rolle spielt das eingesetzte Kältemittel. Es bestimmt maßgeblich Effizienz und Arbeitsbereich einer Wärmepumpe mit. Dabei muss es jedoch nicht nur technischen Anforderungen genügen, es unterliegt zudem regulatorischen Vorgaben. „Das Kältemittel hat Auswirkungen auf Brandschutz oder Lüftungsanforderungen, etwa wenn es möglicherweise für den Menschen giftig oder umweltschädlich ist“, erklärt Ahrendts. Verdichter und Kältemittel sind die wichtigsten Ansatzpunkte für Innovationen bei künftigen Wärmepumpen: „Sie beeinflussen drei zentrale Kriterien: die erreichbaren Temperaturhübe und Zieltemperaturen, den COP und die Flexibilität“, fasst er zusammen.

Aktuelle Wärmepumpen arbeiten zumeist noch mit fluorierten Treibhausgasen, sogenannten F-Gasen. Diese wirken sich aber entweder schädlich auf das Klima aus (sogenannte HFCs) oder verschmutzen die Gewässer (sogenannte HFOs). Sie sind also keine ideale Lösung. Die nachhaltige Alternative sind natürliche Kältemittel, wie beispielsweise Propan/R290.  Natürliche Kältemittel einschließlich R290 und HFCs sind nicht giftig, während HFOs als giftig eingestuft werden. Hersteller wie Ochsner, Pillar oder Viessmann stellen perspektivisch alle Wärmepumpen, auch Großwärmepumpen auf natürliche Kältemittel um.

Flexibilität bedeutet Arbeiten in einem breiteren Leistungsbereich und die Fähigkeit zu schnellen Lastwechseln. In Verbindung mit einem ausreichend dimensionierten Energiespeicher kann dies Großwärmepumpen sogar die Teilnahme am Regelenergiemarkt eröffnen: Je höher der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung, desto größer ist der Bedarf an Lastmanagement – für den einzelnen Großverbraucher selbst ebenso wie für das Stromnetz insgesamt.

Wer in der Lage ist, seine Wärmepumpe mit einem thermischen Speicher kurzfristig hochlaufen zu lassen oder herunterzuschalten, zieht entsprechend mehr oder weniger elektrische Energie aus dem Netz. Ab einer gewissen Größenordnung können Anlagenbetreiber mit dieser Fähigkeit am Regelenergiemarkt teilnehmen und werden dafür vergütet. „Das kann den Business Case für Wärmepumpen in Unternehmen erheblich verschieben und dafür sorgen, dass der Betrieb einer Wärmepumpe einerseits deutlich wirtschaftlicher wird und gleichzeitig zur Netzstabilität insgesamt beiträgt“, betont er.

Grundsätzlich gilt, dass Wärmepumpen vor allem dann effizient arbeiten, wenn die Temperatur der Wärmequelle und der Temperaturbedarf an der Wärmesenke nicht zu weit auseinander liegen. „Eine Temperaturdifferenz von um die 50 Grad zwischen Quelle und Senke ist in der Regel eine hervorragende Voraussetzung für den effizienten Betrieb einer Wärmepumpe“, so Ahrendts.

Industriewärmepumpen nutzen unterschiedliche Wärmequellen:

• Umweltenergie aus Gewässern wie Flüssen, Seen oder dem Meer, dem Boden oder der Luft ebenso wie
• Abwärme aus U-Bahnschächten, Rechenzentren und industriellen Prozessen wie Kühlung, Drucklufterzeugung oder der großtechnischen Elektrolyse von Wasserstoff.

Das Temperaturniveau industrieller Abwärme ist in der Regel höher als das aus natürlichen Quellen, was Abwärme als Quelle doppelt interessant macht: Die Energiebilanz des wärmegebenden Prozesses verbessert sich und gleichzeitig kann Wärme auf einem höheren Temperaturniveau bereitgestellt werden, als durch eine einfache Nutzung der Abwärme ohne Wärmepumpe. Vor allem dort, wo höhere Temperaturen oder größere Wärmemengen benötigt werden, zahlt sich dies aus.

Der Nachteil: Abwärme ist in Menge und Temperatur immer an Prozesse gekoppelt. Natürliche Wärmequellen wie Luft oder Gewässer unterliegen dagegen zwar jahreszeitlichen oder witterungsbedingten Schwankungen, sind jedoch stetig verfügbar.

Eine besondere Rolle bei den Umweltwärmequellen spielt die Geothermie: Sie garantiert konstante und stetige Ausgangstemperaturen, die je nach Standort deutlich über denen anderer natürlicher Quellen liegen. „Am Rheingraben beispielsweise, im Norddeutschen Becken oder um München herum sind schon früh viele geothermale Reservoire erschlossen worden. Sie liefern zuverlässig relativ hohe Vorlauftemperaturen. Dafür ist aber auch der Aufwand für die Erschließung deutlich größer als für andere Quellen. Vor allem für tiefe Geothermie“, schränkt Ahrendts ein.

Standard-Großwärmepumpen haben ein Leistungsspektrum zwischen 27 und 240 Kilowatt Wärmeleistung. Mittels Kaskadenfunktion, also der Parallelschaltung mehrerer Wärmepumpen, lässt sich diese Wärmeleistung auf mehrere Megawatt erhöhen.

Ein Eisspeicher als Heizung

Eine besondere Form der Wärmeerzeugung ist der Eis-Energiespeicher, wie ihn beispielsweise Viessmann anbietet. Dieser Eisspeicher besteht aus einer unterirdischen, mit Wasser gefüllten Zisterne, in der mehrere große Leitungsspiralen verlegt sind. Diese teilen sich in einen Entzugswärmetauscher und einen Regenerationswärmetauscher auf, beide enthalten  eine frostsichere Sole. Der Entzugswärmetauscher entzieht dem Wasser die Wärme und gibt sie an eine angeschlossene Großwärmepumpe weiter. Der Wärmeentzug lässt das Wasser langsam von innen nach außen gefrieren. Genutzt wird dabei auch die sogenannte Kristallisationsenergie, die beim Wechsel des Aggregatszustands des Wassers frei wird.

Der Regenerationswärmetauscher führt der Zisterne wiederum Wärme zu, damit das Wasser flüssig wird - entweder aus einem Solar-Luftabsorber oder aus einer anderen Wärmequelle. Da die Zisterne unter der Erde liegt, nimmt das Wasser unter anderem Erdwärme auf. Im Gegensatz zur klassischen Geothermiebohrung ist diese Lösung genehmigungsfrei. Geeignet ist die Lösung vor allem für Gebäude bzw. Prozesse mit hohem Wärme- oder Kältebedarf.

Wirtschaftliche und ökologische Vorteile von Industriewärmepumpen

Besonders in der energieintensiven Prozessindustrie mit ihrem hohem Dampfbedarf bewähren sich Industriewärmepumpen in Sachen Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Überall dort, wo thermische Trennverfahren stattfinden und es zu einem Wärmeüberschuss kommt, besteht die Möglichkeit, diesen zu nutzen und eine Wärmepumpe nachzurüsten. Dadurch steigt die Effizienz der Anlage, da die Energiekosten drastisch sinken.

Außerdem muss weniger Abwärme in die Umwelt geleitet werden und die CO₂-Emissionen werden ebenfalls reduziert. Wird die Industriewärmepumpe zudem mit einem natürlichen Kältemittel betrieben, steigert das die Effizienz zusätzlich. Einige Investitionen amortisieren sich bereits nach einem bis drei Jahren.

Das größte Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen ergibt sich dort, wo Temperaturen bis 200°C gefragt sind – von der klassischen Raumheizung und Warmwasserbereitstellung über Waschen, Trocknen, Vorheizen oder Kühlen in der Produktion bis hin zu speziellen Prozessen wie Pasteurisierung in der Lebensmittelindustrie oder der Galvanisierung von Metallen.

Eine Studie des Fraunhofer IEG im Auftrag von Agora Energiewende kommt zu dem Ergebnis, dass im unteren Temperaturbereich das in Deutschland verfügbare und durch Wärmepumpen erschließbare Angebot von Umwelt- und Abwärme den Wärmebedarf für Gebäudeheizung und Industrieprozesse „bei weitem“ übersteigt. „Deutschland verfügt über mehr Umwelt- und Abwärmequellen als wir brauchen, um den gesamten Wärmebedarf für Temperaturen bis 200°C zu decken“, sagt Simon Müller, Direktor Deutschland von Agora Energiewende.

Kein Wunder: Macht doch (Stand 2023) die Wärmeerzeugung bis 200°C für Gebäude und Industrie über drei Viertel des deutschen Erdgasverbrauchs aus und ist für mehr als ein Viertel der Treibhausgasemissionen verantwortlich - ein enormes Einsparpotenzial.