Die Hochtemperatur-Wärmepumpe

Die Hochtemperatur-Wärmepumpe

Im Temperaturbereich bis 200 °C fallen mit über 190 TWh etwa 37 % des industriellen Wärmebedarfs an.1 Aktuell dominieren dabei fossile Energieträger die Wärmeversorgung, obwohl in diesem Temperaturbereich bereits jetzt eine Vielzahl an klimaneutralen Alternativen zur Verfügung steht.2

Der Inhalt dieser Publikation entstand im Rahmen der Arbeit des Industriepakts. Es wird damit die Diskussion im Industriepakt abgebildet, wobei dies nicht zwingend die Position einzelner IN4climate.NRW-Partner oder des Ministeriums für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen wiedergibt.

Technologie-Übersicht: Funktionsweisen, Eigenschaften und Anwendungen

Durch die Einbindung von mit Grünstrom betriebenen HochtemperaturWärmepumpen können beispielsweise klimaneutral verfügbare Wärmequellen auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden und so bei deutlich mehr Prozessen Anwendung finden. Technisch lässt sich die gesamte Wärmenachfrage bis 200 °C durch Wärmepumpen decken.3 Diese Informationsbroschüre fokussiert sich auf elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen, die mit einer Vorlauftemperatur von mindestens 120 °C aus unterschiedlichsten Wärmequellen Prozessdampf bereitstellen können. Dies ist insbesondere von der mechanischen Dampfkompression abzugrenzen, mit der zwar noch höhere Temperaturen erreicht werden können, die aber als Input bereits eine dampfförmige Wärmequelle benötigt.

Funktionsweise3,4,6

Kompressionswärmepumpen werden mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf betrieben. Das Kältemittel wird unter Wärmezufuhr aus der Wärmequelle bei niedrigem Druck verdampft und anschließend verdichtet, wobei sich die Temperatur erhöht. Als Verdichter werden meist zweistufige Turbokompressoren, ein- oder zweiwellige Hochdruckschraubenverdichter oder mehrere parallelgeschaltete Hubkolbenkompressoren genutzt. Je größer die Druckdifferenz im Verdichter ist, desto größer ist auch der erzielte Temperaturhub und der Stromverbrauch.

Für einen effizienten Betrieb sollte die erforderliche Druckerhöhung daher nicht zu groß werden, so dass sich für marktgängige Systeme meist ein wirtschaftlicher Temperaturhub bis 70 K ergibt; einzelne Anbieter geben hier sogar bis zu 110 K an. Anschließend kondensiert das Kältemittel unter Abgabe der Nutzwärme an die Wärmesenke. Das nun flüssige Kältemittel wird abschließend an der Drossel von Hochdruck auf Niederdruck entspannt, wobei die Temperatur wieder absinkt. Zur Auswahl des Kältemittels siehe auch Abschnitt „Kältemittel“.

Hochtemperatur-Wärmepumpe in einer Ziegelfabrik in Uttendorf (Österreich)5

Hochtemperatur-Wärmepumpe bei den Stadtwerken Neuburg mit Anbindung an eine Mälzerei4

Wärmequelle

QuellenEingangstemperatur

Abwässer/ Gewässer

Geothermie Abwärme

(konzentrierende) Solarthermie

Temperaturdifferenz Quellenkreislauf

QuellenAusgangstemperatur

Verdichtung Entspannung

Wärmemenge aus der Wärmequelle

Abb. 1: Funktionsweise einer Wärmepumpe

Kennzahlen und relevante Größen7

Die Investitionskosten einer Hochtemperatur-Wärmepumpe, die aktuell im industriellen Umfeld immer eine individuell zugeschnittene Lösung darstellen, liegen typischerweise zwischen 300 € und 1.500 € pro kWth. Über die Lebensdauer gesehen stellen jedoch die Stromkosten den größten Anteil der Lebensdauerkosten dar (vgl. Abschnitt „Abhängigkeit der Betriebskosten vom COP“).

Neben den Kosten und Leistungs- sowie Temperaturbereichen sind einige technische Größen und Zusammenhänge relevant, die die Auslegung und die Anwendung der Wärmepumpen bestimmen (siehe Abschnitt „Funktionsweise“):

a COP (Coefficient of Performance) = erzielte Heizleistung/eingesetzte elektrische Leistung steigt: mit abnehmendem Temperaturhub mit steigender Temperaturdifferenz im Senkenkreislauf mit sinkender Temperaturdifferenz im Quellenkreislauf

a Jahresarbeitszahl: Ein weiteres Maß für die Effizienz (JAZ = Wärmemenge pro Jahr / Strom- und Hilfsenergie pro Jahr)

a Senken-Ausgangstemperatur: Bestimmt das Kältemittel

Verflüssigung

Senken-Ausgangstemperatur = Vorlauftemperatur

Temperaturdifferenz Quellenkreislauf

Wärmesenke

Senken-Ausgangstemperatur = Rücklauftemperatur

Erzielte Heizleistung

= COP

Benötigte elektrische Leistung der Wärmepumpe

Anwendungsbeispiele

Branche: Kunststoffherstellung

a Quelle: Kühlwasser

a Quellentemperatur: 75 °C

a Vorlauftemperatur Senke: 130 °C

a Leistung: 1,5 MW

a Zur Projektwebseite

Branche: Papier

a Quelle: Kühlwasser

a Quellentemperatur: 45 °C

a Vorlauftemperatur Senke: 124 °C

a Leistung: 0,8 MW

a Zur Projektwebseite

Branche: Mälzerei + Nahwärmenetz

a Quelle: BHKW-Abwärme

a Quellentemperatur: 85 °C

a Vorlauftemperatur Senke: 140 °C

a Leistung: 1,4 MW

a Zur Projektwebseite

Branche: Fernwärme

a Quelle: Abwärme

a Quellentemperatur: 30 °C

a Vorlauftemperatur Senke: 90 °C - 120 °C

a Leistung: 8 MW

a Zur Projektwebsite

Weitere Fallbeispiele finden sich hier.

Wärmequellen7,8

Mit Hilfe von Wärmepumpen kann die thermische Energie von verfügbaren Wärmequellen mit niedriger Temperatur aufgenommen und auf einem deutlich höheren Temperaturniveau wieder abgegeben und somit nutzbar gemacht werden. Neben dem Temperaturhub (siehe Abschnitt „Abhängigkeit COP und Leistung vom Temperaturhub“) stellt somit die Qualität - also die Verfügbarkeit, die Temperatur und die bereitgestellte Wärmemenge - der Wärmequelle eine signifikante Einflussgröße auf die Wirtschaftlichkeit jedes Projekts dar.

Die Tabelle (Abb. 2) gibt einen Überblick über verfügbare Wärmequellen sowie eine relative Bewertung der einzelnen Faktoren in Relation zu den anderen Quellen. Der Vergleich reicht von + über, 0, zu - und --)8 (in Anlehnung an [4]).

Abb. 2: Relative Bewertung von Wärmequellen

Insbesondere im industriellen Umfeld stellt die technisch nicht mehr nutzbare Abwärme im Niedertemperaturbereich eine vielversprechende Option zur Dekarbonisierung dar. Eine Herausforderung dabei kann jedoch die Bündelung verschiedener Abwärmequellen sein.

Kältemittel3,7

Die Wahl des Kältemittels wird maßgeblich durch die gewünschte Senkenausgangstemperatur bestimmt, da es im Standardprozess bei dieser Temperatur noch kondensierbar sein muss. Zusätzlich sollte auch die Quellentemperatur bei der Auslegung berücksichtigt werden, da bevorzugt ein Kältemittel Verwendung finden sollte, das unter den Arbeitsbedingungen stets einen höheren Druck als der Umgebungsdruck aufweist, um ein Eindringen von Luft zu vermeiden.

Generell werden meist synthetische ((teil-)fluorierte Kohlenwasserstoffe) sowie natürliche Kältemittel (reine Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Butan) und anorganische, nicht brennbare Alternativen wie Ammoniak, Kohlendioxid oder Wasser eingesetzt. Je nach Wahl ergeben sich dadurch teils signifikante sicherheitstechnische oder auch rechtliche Folgen; insbesondere durch den Einsatz von (teil-)fluorierten Kohlenwasserstoffen und die diesbezügliche Novelle der F-Gas-Verordnung.9 Hier findet sich eine Übersicht über zukunftsfähige, natürliche Kältemittel.10

Marktübersicht3,7,11

Für Vorlauftemperaturen unterhalb von 120 °C existiert auf dem Markt ein breites Angebot an unterschiedlichen (Hochtemperatur-)Großwärmepumpen. Bei höheren Temperaturen fällt ihre Bandbreite hingegen weitaus geringer aus. Abb. 3 gibt einen Überblick über aktuell marktverfügbare Wärmepumpen, die Vorlauftemperaturen von mindestens 120 °C erzielen können. Der angebotene Leistungsbereich liegt zwischen 0,1 MWth und 100 MWth. Es wird kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben.

Leistungsbereich [MW]

Spilling

PILLER

Turboden

Heaten

SPHeat

Kobelco

MAN

Siemens Energy

EPCON

AGO Energie

Star Refrigeration

OCHSNER

Enertime

Hybrid Energy

Johnson Controls

Fenagy

Oilon

COMBITHERM Kolbenverdichter Andere

Abb. 3: Marktübersicht Hochtemperatur-Wärmepumpe

Tendenziell werden im kleineren Leistungsbereich eher Hubkolbenverdichter angeboten und im oberen Leistungsbereich Turboverdichter. Dazwischen liegen Wärmepumpen mit Schraubenverdichtern. Einen weiteren, aktuellen Überblick über – zum Teil noch in der Entwicklung stehende –Wärmepumpen findet sich in dem Projekt „Annex 58“

Abhängigkeit der Betriebskosten vom COP7

Die laufenden Kosten einer Wärmepumpe hängen in hohem Maße von den Stromkosten ab. Je nach veranschlagtem Strompreis können über eine Lebensdauer von zehn Jahren 70 bis 90 % der gesamten Lebensdauerkosten darauf zurückgeführt werden. Dabei hat der realisierte COP – zumindest im Bereich niedrigerer COP < 2 – einen sehr großen Einfluss auf diese Stromkosten. Stellt sich jedoch ein großer COP ein (> 3,5), so reduziert sich dessen Einfluss auf die Stromkosten progressiv. Daraus folgend ist eine Optimierung des COP im unteren COP-Bereich im Rahmen der Projektentwicklung notwendig und eine Grundvoraussetzung für die Wirtschaftlichkeit. Kann ein Projekt einen hohen COP realisieren, lässt der Einfluss dieser Optimierung stark nach. Zur Veranschaulichung dieses Zusammenhangs sind in Abb. 4 die überschlägigen Stromkosten für eine Wärmepumpe über eine Lebensdauer von zehn Jahren in Abhängigkeit vom COP und für drei unterschiedliche Strompreise abgebildet. Die weiteren Annahmen sind eine thermische Leistung von 1 MW, eine Laufzeit von 8000 h/a, Investitionskosten von 0,5 Mio. €, Installationskosten von 0,25 Mio. € und jährliche Wartungskosten von 25.000 €. Weitere Informationen zur Umrüstbarkeit: Abschnitt „Abgeleitete Forschungsbedarfe“.

10 €/MWh

20

30

Abb. 4: Abhängigkeit der Stromkosten von Strompreis und COP

Die Abhängigkeit von COP und Leistung vom Temperaturhub7,12

Mit steigendem Temperaturhub nehmen sowohl COP als auch die thermische Leistung von Wärmepumpen ab. Abb. 7 zeigt diesen Zusammenhang für unterschiedliche Senken-Ausgangstemperaturen (zwischen 112 °C und 160 °C) und dem dabei vorgenommenen Temperaturhub zwischen 20 und 70 K. Die skizzierten Beispiele stellen jeweils einen spezifischen Anwendungsfall dar. So senkt eine Erhöhung des Temperaturhubs um 20 Kelvin den COP durchschnittlich um nahezu eine Einheit, während sie die erzeugte thermische Leistung um 30 % - 50 % reduziert. Prinzipiell ist der Einsatz einer Wärmepumpe effizienter, je geringer die erforderliche Temperaturdifferenz ist. Der ideale Wirkungsgrad ist bei gleichem Temperaturhub proportional zur absoluten Temperatur der Senke, bspw. ist er bei 150 °C um etwa 15 Prozent besser als bei 100 °C.

5: Zusammenhang zwischen Temperaturhub, Leistung und COP

Einbindungsmöglichkeiten

Generell ist die Wärmepumpe nicht als eine isolierte Technologie zu verstehen, sondern muss immer in Kombination mit anderen Technologien betrachtet werden. Neben den Technologien zur Erschließung erneuerbarer Wärmequellen (bspw. Geothermie, (konzentrierende) Solarthermie oder auch industrielle Abwärme) ist insbesondere auch die Kombination mit Wärmespeichertechnologien relevant. Je nach Anwendungsbereich können Saisonalspeicher infrage kommen, die zur Speicherung von im Sommer gewonnener Energie für die Wintermonate genutzt werden können, oder auch (Hochtemperatur-) Tagesspeicher, um kurzfristige Schwankungen auszugleichen. Generell lassen sich mit Speichern einerseits die Betriebszeiten der Wärmepumpen verlängern und andererseits zeitliche Divergenzen zwischen Wärmeangebot und Nachfrage überbrücken.

Bezugsquellen3

Ein erster Anlaufpunkt zur Identifikation potentieller Hersteller von Hochtemperaturwärmepumpen ist der Anhang der Studie der Agora Industriewende, in dem zahlreiche Marktteilnehmer hinsichtlich Temperatur- und Leistungsangebot aufgelistet sind (siehe Abschnitt „Marktübersicht“). Zusätzlich bietet das Projekt „Annex 58“ einen aktuellen Überblick über Hersteller und Leistungsdaten. Der Bundesverband Wärme informiert in seiner Fachpartnersuche über Wärmepumpenhersteller.

Abb.

Technologie-Implementierung:

Umsetzungsstrategien und Herausforderungen

Im Rahmen des Industriepaktes sind Technologien zur Prozesswärmeerzeugung von besonderer Relevanz. Daher werden im Folgenden wichtige Aspekte bei der Implementierung von Hochtemperatur-Wärmepumpen in industriellen Prozessen behandelt. Aufgrund des geringeren Bekanntheitsgrades, der höheren Komplexität sowie der erzielbaren Temperaturen beziehen sich die nachfolgenden Angaben auf Anlagen mit mehr als 120 °C Senkentemperatur. Viele der unten genannten Punkte gelten aber auch für Niedertemperatur – sowie Großwärmepumpen.

Umsetzung7,11,12

a Wärmebedarf der Prozesse reduzieren (durch Effizienzmaßnahmen, Low-Ex-Konzepte, etc.)

a Residuale Datengrundlage ermitteln (Temperaturen, Lastkurven und Wärmemengen):

Welche Senken sollen bedient werden?

Welche Quellen stehen intern zur Verfügung?

Welche Quellen stehen extern zur Verfügung?

a Konzepterstellung:

Zeitliche und örtliche Deckung überprüfen: Passen Wärmebedarf und Wärmequellen zusammen?

Optional: Speichereinbindung und Verteilnetze Zeitliche Auslastung der Wärmepumpe ermitteln

a Folgen der Umstellung abschätzen:

Platzbedarfe für Aggregate und Leitungen ermitteln

Zusätzlicher Strombedarf → neue Trafostation

Lärmschutz berücksichtigen

Zukunftsfähiges Kältemittel wählen

Gegebenenfalls Sicherheitsauflagen berücksichtigen

a Förderung beantragen

Gegebenenfalls kann sich der Einsatz mehrerer kleiner dimensionierter Wärmepumpen, die auf die jeweiligen Bedingungen von Quelle und Senke optimiert laufen, rentieren. Insgesamt kann sich dabei ein höherer COP einstellen als bei einer Bündelung der Wärmequellen und Senken und dem Betrieb einer einzelnen Wärmepumpe (siehe Abb. 6).

In Abb. 6 findet sich eine Beispielrechnung für die Erschließung von zwei Wärmequellen und zwei Senken mit einer großen oder zwei kleineren Wärmepumpen (Annahme: Carnot-Wirkungsgrad von 50%):

Wärmequelle 1

100 °C/90 °C

Wärmequelle 2

65 °C/60 °C

Wärmequelle 1

100 °C/90 °C

Wärmequelle 2

65 °C/60 °C

Wärmepumpe

Verdampfung 57 °C

Kondensation 149 °C

COP 2,3

Wärmepumpe

Verdampfung 87 °C

Kondensation 149 °C

COP 3,4

Wärmepumpe

Verdampfung 57 °C

Kondensation 125 °C

COP 2,9

Wärmesenke 1

3 bar Dampf 144 °C

Wärmesenke 2

1 bar Dampf 120 °C

Wärmesenke 1

3 bar Dampf 144 °C

Wärmesenke 2

1 bar Dampf 120 °C

Abb. 6: Erhöhung des COP durch optimierte Zuordnung von Quellen, Senken und spezifisch ausgelegten Wärmepumpen

Neben einer höheren spezifischen Leistung erhöht sich durch eine derartige Quellenerschließung die Flexibilität hinsichtlich a) der Standortwahl und b) der zeitlichen und örtlichen Zuordnung zueinander passender Quellen und Senken. Zusätzlich bietet dieser Ansatz größere Möglichkeiten bei den infrage kommenden Kältemitteln.

Fördermöglichkeiten (Stand 10/2023)

Das Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie (MWIKE) fördert über das NRW-Landesprogramm „progres.nrw“ umfangreiche Fördermaßnahmen unter www.bra.nrw.de.

Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) bietet über das Programm „Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft“ ebenfalls Fördermaßnahmen unter www.bafa.de

Darüber hinausgehende sowie teilweise zu diesen Förderprogrammen passende Kreditangebote gibt es von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) unter www.kfw.de

Ein passendes Kreditangebot gibt es ebenfalls von der NRW.Bank unter www.nrwbank.de

Eine aktuelle Übersicht über alle Fördermöglichkeiten findet sich unter www.foerderdatenbank.de und www.energy4climate.nrw

Einschränkungen

a Verfügbarkeit von Wärmequellen

a Fehlendes Know-How bei Industrie und Beratern

Lösungsansätze

a Dezentrale Nutzung von Quellen und Senken

a Bündelung von Quellen

a Aufbau von Wärmenetzen ggf. unter Einbezug des Wärmekatasters des LANUV

a Existierende Kühleinrichtungen ersetzen

a Förderung durch Fortbildungsprämie

a Förderung zur Qualifizierung „Bildungsprämie Wärmepumpe“ über progres.nrw

a Strompreis a Infrastruktur

a Hybridisierung mit anderen Wärmetechnologien

a Keine Erfahrungen mit der Wartung a Wärmepumpen sind Kältemaschinen, die Wartung ist im Prinzip bekannt und leicht vor Ort verfügbar

a Unklare rechtliche Zukunft bezüglich der Kältemittel a Schon jetzt auf natürliche Kältemittel setzen [12]

Erfolgsfaktoren für den Einsatz von Wärmepumpen

Ein wichtiges Kriterium für die Wirtschaftlichkeit und somit für eine erfolgreiche Marktdurchdringung von Hochtemperatur-Wärmepumpen liegt in dem Verhältnis der Strombezugs- zu den Gasbezugskosten. Um ihre Wirtschaftlichkeit zu sichern, muss dieses Verhältnis kleiner als der realisierte COP sein, weswegen energie- und wirtschaftspolitische Rahmenbedingungen hier einen großen Hebel haben.

Einen weiteren zentralen Aspekt stellt die CO2-Bepreisung beim Strombezug dar. Aktuell unterliegt dieser für Wärmepumpen, sowohl als Einzellösung als auch wärmenetzgebunden, den CO2-Preisen aus dem europäischen Emissionshandel (ETS). Sollen Wärmepumpen in mittelständischen, nicht dem ETS unterliegenden Unternehmen eingesetzt werden, so konkurrieren sie dort jedoch meist mit Gasfeuerungsanlagen, die nach dem deutlich günstigeren Brennstoffemissionshandelsgesetz (BEHG) besteuert werden.

Darüber hinaus fehlen aktuell Anreize, um Wärmepumpen system- und netzdienlich einzusetzen. Durch eine Einführung zeitvariabler Netzentgelte sowie den Wegfall der Entgeltberechnung nach Jahreshöchstlast würde ein besonders hoher Leistungsabruf bei starkem, lokalem Aufkommen von erneuerbarem Strom unterstützt werden. Dies würde Anreize setzen, um Wärmepumpen im Hinblick auf den aktuellen Netzzustand zu optimieren.

Neue Herausforderungen11

Bei der Implementierung von Hochtemperatur-Wärmepumpen können diverse weitere bzw. neue Herausforderungen auftreten. Derzeit gibt es noch keinen etablierten Markt, was dazu führt, dass die Bauteile und die Wärmepumpe selbst individuell angefertigt werden müssen. Entscheidet man sich für den Einsatz einer Wärmepumpe, sollten Schulungen und Fortbildungen für das Personal durchgeführt oder alternativ eine Fachfirma mit der Wartung beauftragt werden, wobei aufgrund des steigenden Bedarfs und der damit verbundenen Nach-

frage Einschränkungen bei der Verfügbarkeit solcher Anbieter auftreten könnten. Ein weiterer noch ungeklärter rahmenpolitischer Aspekt ist die fehlende eindeutige Definition von Wärmequellen und -senken für die Zukunft. Es existieren noch keine ausreichenden Langzeitstudien zu den Betriebskosten und dem Verschleiß einzelner Komponenten, was ebenfalls zu Unsicherheiten führt. Zudem ist die Teilverfügbarkeit der Technologie genauso wie die Marktentwicklung – z. B. durch internationale Konkurrenten – in den nächsten 15 Jahren nicht vorhersehbar.

Quellenangaben

1 www.umweltbundesamt.de

2 www.energy4climate.nrw

3 static.agora-energiewende.de

4 www.energie.blog

5 www.dw.com

6 www.ost.ch

7 Experten-Interviews: Dr. Tim Hammacher, SPH Sustainable Process Heat GmbH; Marian Zengerle, AGO GmbH Energie + Anlagen

8 Abbildung in Anlehnung an: ww.waermepumpe.de

9 EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase | Umweltbundesamt

10 www.umweltbundesamt.de

11 static.agora-energiewende.de

12 www.co2-leuchttuerme-industrie.de

Kontakt

industriewaerme@energy4climate.nrw industriepakt@energy4climate.nrw

Diese Publikation entstand im Rahmen des Industriepakts. Sie dient der Orientierung, erhebt aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Richtigkeit. Der Industriepakt ist Teil der Landesinitiative IN4climate.NRW. IN4climate.NRW ist als Initiative der Landesregierung Nordrhein-Westfalens eine zentrale Arbeitsplattform rund um Klimaneutralität in der Industrie. Unter dem Dach der Landesgesellschaft für Energie und Klimaschutz NRW.Energy4Climate bringt der Thinktank Wirtschaft, Wissenschaft und Politik zusammen, um die klimaneutrale Transformation der produzierenden Branchen voranzutreiben. Mittlerweile engagieren sich mehr als 70 Industriepartner in verschiedenen Arbeitsformaten in der Bearbeitung der zentralen Transformationsthemen.

IN4climate.NRW lebt von der Diskussion und den verschiedenen Standpunkten der beteiligten Unternehmen, Verbände und Forschungseinrichtungen. Diese Diskussionen werden in unterschiedliche Arbeitsprodukte überführt und können innerhalb von Arbeitsgremien der Initiative von einzelnen Mitgliedern zur Veröffentlichung ausformuliert werden. Die Geschäftsstelle von IN4climate.NRW stellt Transparenz und Beteiligungsmöglichkeiten sicher.

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