Verfahrenstechnik 5/2023

WÄRMEPUMPEN
SCHLÜSSEL ZUR
DEKARBONISIERUNG
Wärmepumpen werden auch für die Prozessindustrie wirtschaftlich immer
interessanter. Dank Fördermitteln lassen sich verkürzte Amortisationszeiten
erreichen, zudem sind sie eine Schlüsseltechnologie zur Dekarbonisierung im
Wärmebereich. Entscheidend ist jedoch die durchdachte, individuelle Planung.
Aus dem Gebäudebereich sind Wärmepumpen bekannt,
die eine Vorlauftemperatur von etwa 40 °C erreichen. Für
den Industrieeinsatz stehen Großwärmepumpen mit Vorlauftemperaturen
von 60 bis 80 °C zur Verfügung. Für die
Substitution von Prozessdampf wurden Hochtemperatur-Wärmepumpen
(HTWP) mit Vorlauftemperaturen bis zu 140 °C zur Marktreife
gebracht. Erste Modelle mit einer Temperatur bis zu 160 °C
zeigen, dass die Entwicklung noch längst nicht abgeschlossen ist.
Bei der Betrachtung der Temperaturen gilt es jedoch, einen
entscheidenden Unterschied zur klassischen Wärmeversorgung
zu bedenken: Während diese zentral ausgelegt ist, und damit in
der Regel auf die höchste benötigte Temperatur, wird die Wärmepumpe
sinnvollerweise dezentral eingesetzt. Damit geht es hier
darum, möglichst genau die für spezifische Prozesse erforderlichen
Temperaturen sicher zur Verfügung zu stellen.
Wer die Projektierung einer Wärmepumpe im eigenen Unternehmen
verfolgen möchte, sollte im ersten Schritt die möglichen
Wärmequellen und -senken des Unternehmens lokalisieren. Als
Wärmequelle kommen (Ab-)Luft und (Ab-)Wasser sowie Abwärme
aus Produktionsprozessen, Kälteanlagen oder Kühlsystemen,
Blockheizkraftwerken oder aus der Drucklufterzeugung in Frage.
Als Wärmesenken bieten sich standardmäßig alle Prozesse mit
Warmwasserbedarf an. Bei HTWP kommen beispielsweise Trocknungs-,
Pasteurisier- und Destillationsprozesse in Frage.
SCHRITTWEISE UMSTELLUNG
Eine erste Herausforderung ist die räumliche Entfernung zwischen
Wärmequelle und -senke. Um zu beurteilen, welche sinnvoll
verbunden werden können, sind Fragen zu beantworten: Wie viel
Wärme steht an der Quelle zur Verfügung? Mit welcher Temperatur?
Wie sieht der Lastgang der verfügbaren Abwärme aus? Wie
zugänglich sind Wärmequellen und -senken? Unternehmen, die
ISO-50001-zertifiziert sind, verfügen in der Regel bereits über die
hierfür notwendigen Daten. Ist das nicht der Fall, sollten an den
betreffenden Stellen Messungen durchgeführt werden. Diese sind
auch mit non-invasiven Messmethoden möglich, sodass der zeitliche
und investive Aufwand überschaubar bleibt. Vor allem für
die größeren Quellen-Potenziale beginnt nun die Überlegung, wie
sich diese sinnvoll mit den Senken verbinden lassen.
Wichtig ist es, die Fragestellungen nicht nach dem Motto Alles
oder Nichts anzugehen. Es geht in der Regel nicht darum, die
ganze Wärmeversorgung durch Wärmepumpen zu gewährleisten.
Vielmehr wird die Wärmepumpe in (fast) jedem Anwendungsfall
dazu beitragen, einen Teil der benötigten Prozesswärme zur Verfügung
zu stellen, sei es durch Erreichen der Zieltemperatur oder
für eine Vorwärmung von Prozessen.
Für die Integration von Wärmepumpen sind in der Regel zwei
begleitende Maßnahmen hilfreich: die Umstellung von Dampf
auf Warmwasser (wo prozessual möglich) und ein ausreichender
Pufferspeicher.
Kann die erforderliche Temperatur mit einer Wärmepumpe
nicht erreicht werden, lassen sich mehrere Wärmepumpen in einer
Kaskadenschaltung kombinieren (bei Bedarf durch Zwischenschaltung
eines Speichers). So wird nicht nur ein höheres Temperaturniveau
erzielt, sondern auch die Flexibilität, einzelne Geräte nach
Bedarf zu- und abzuschalten.
WÄRMEPUMPEN ERZEUGEN AUCH KÄLTE
Generell haben moderne Wärmepumpen einen hervorragenden
Wirkungsgrad – einer ihrer Hauptvorteile. Er wird als COP (Coefficient
of Performance) angegeben. Eine Wärmepumpe arbeitet
umso effizienter, je geringer der Temperaturhub ist, den sie liefert.
Bei einem Temperaturhub von 40 Kelvin kommen sie auf einen
COP zwischen vier und fünf, das bedeutet: Aus einer Kilowattstunde
elektrischer Energie erzeugt die Wärmepumpe vier bis fünf Kilowattstunden
thermische Energie. Beträgt der Hub nur 20 Kelvin,
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