04108 Nachhaltige Wärmeversorgung in Industrie und Gewerbe durch den Einsatz von Wärmepumpen

Klimaschutzziele
Deutschland hat in den letzten Jahren mit der Umsetzung der im Kyoto-Protokoll festgeschriebenen Klimaschutzziele maßgebliche Schritte eingeleitet, um zu einer Reduktion der Treibhausgasemission beizutragen. Die Ziele der Bundesregierung sind ambitioniert, bis 2020 soll die Treibhausgasemission auf 40 % und bis 2050 sogar um 80 bis 95 % gegenüber dem Jahr 1990 gesenkt werden. Diese Ziele sollen durch Energieeffizienzmaßnahmen, Energieeinsparungen und vor allem durch einen nachhaltigen Umbau des Energiesektors – weg von fossilen Energieträgern hin zur Nutzung regenerativer Energiequellen – erreicht werden.

Der Anteil der regenerativen Energien am Primärenergieverbrauch in Deutschland ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Waren es 1990 noch rund 1,3 %, so liegt der Anteil heute bereits bei über 11 %. Mehr als die Hälfte des deutschen Energieverbrauchs wird für die Bereitstellung von Wärme verwendet. Dabei steht die Raumwärme mit ca. 30 % im Vordergrund, ca. 21 % findet für die Bereitstellung von Prozesswärme Verwendung, 5 % zur Warmwasserversorgung und ca. 2 % für die Klimatisierung von Räumen und die Bereitstellung von Kälte im industriellen Sektor (Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, BMWi).

Ausbau regenerativer Energien wirtschaftliche Chance
Der Anteil regenerativer Energien im Wärmesektor betrug 2013 ca. 9 %. Studien gehen von einer Steigerung des Anteils auf 25 % bis 2020 aus (Bundesverband Erneuerbare Energien, 2009). Aktiver Klimaschutz und der damit verbundene Ausbau von regenerativen Energien ist für Industrieunternehmen und Gewerbe eine wirtschaftliche Chance – sie stellen sich zukunftsweisend und wettbewerbsfähig auf und verringern die Abhängigkeit von steigenden Energiepreisen.

In der Industrie und im Gewerbe besteht ein vielfältiger Bedarf an Wärme. Dieser reicht von der Bereitstellung von Heizwärme für Gebäude, der Warmwasserbereitstellung, über Prozesswärme im industriellen Einsatz bis zur Klimatisierung von Räumen oder Erzeugung von Prozesskälte. Die verschiedenen Anwendungsbereiche haben unterschiedliche Nutztemperaturen (s. Abb. 1). Dabei unterscheidet man drei Temperaturbereiche [1]:

Optimierung der Wärmeversorgungssysteme
Die Unternehmen müssen für die Wärmebereitstellung oft hohe Kosten aufwenden. Durch verschiedene Maßnahmen können die Wärmeversorgungssysteme optimiert und die Betriebskosten der Anlage reduziert werden. Solche Maßnahmen sind nach Seidl (2012) [3]:

Diese Energieeffizienzmaßnahmen sind rentabel und amortisieren sich in der Regel innerhalb von wenigen Jahren.

Nutzungszwecke für Wärmepumpenanlagen
In der Industrie und im Gewerbe lassen sich große Wärmepumpenanlagen nach [1] für folgende Zwecke einsetzen:

Individuelle Planung und Abstimmung
Industriewärmepumpen können Heizleistungskapazitäten von 20 kW aufweisen. Demgegenüber stehen Großwärmepumpen, die Heizleistungen von 2.000 bis 50.000 kW aufweisen. Die Industrie- und Großwärmepumpen müssen individuell geplant und auf den jeweiligen Einzelfall optimal abgestimmt werden (Berücksichtigung des Wärmeverbrauchs, Vorhandensein geeigneter Wärmequellen etc.), um die Anlage wirtschaftlich betreiben zu können. Das Hauptanwendungsfeld von Wärmepumpen in Industrie und Gewerbe liegt in der Bereitstellung von Raumwärme für Verwaltungsgebäude, Industriehallen etc. sowie der Warmwasserbereitung. Prozesswärme kann nur im Niedertemperaturbereich (bis 100 °C) durch Wärmepumpen wirtschaftlich erzeugt werden. Potenzielle Industriezweige für einen Wärmepumpeneinsatz sind Metallverarbeitung, Lebensmittelindustrie, Papier- und Holzverarbeitung, Textilindustrie ( [4], s. Abb. 2).

Mit den am Markt vorhandenen herkömmlichen Wärmepumpen kann ein Temperaturbereich bis zu 70 °C abgedeckt werden. Laut Studien können Wärmepumpen ca. 230 PJ/a an Wärme für Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme bis 70 °C bereitstellen [4]. Kommen Hochtemperaturwärmepumpen hinzu, die einen Temperaturbereich bis 100 °C abdecken, steigt das potenzielle Einsatzfeld von Wärmepumpen.

Wärmepumpensysteme besitzen unterschiedliche charakteristische Eigenschaften, die ihre Anwendungsbereiche definieren. Im Folgenden wird eine Auswahl an physikalischen Größen und Kennzahlen von Wärmepumpensystemen dargestellt und erläutert.

Energie E
Die Energie E ist eine fundamentale Größe in den Naturwissenschaften. Ihre Einheit ist die Ws (Wattsekunde), äquivalent werden auch Nm (Newtonmeter) oder J (Joule) verwendet. Ein Joule entspricht einem Newtonmeter oder einer Wattsekunde. In der Technik wird die Einheit kWh (Kilowattstunde) verwendet, wobei 1 kWh = 1.000 Wh = 3.600.000 Ws entsprechen. Energie kann in verschiedenen Energieformen (z. B. mechanisch, thermisch, elektrisch, chemisch) auftreten und Verwendung finden. Es ist möglich, Energie von einer in eine andere Energieform umzuwandeln. Dabei ist die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems immer konstant (Energieerhaltungssatz).

Wärme Q
Die Wärme Q ist eine Form der inneren Energie, die zwischen zwei Systemen mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird. Dabei „fließt” bzw. „strömt” die Wärme immer vom System mit höherer Temperatur zum System mit niedriger Temperatur (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Dies geschieht so lange, bis sich die Temperaturen einander angleichen, die letztendlich erreichte Gleichgewichtstemperatur liegt zwischen den beiden Ausgangstemperaturen der Systeme. Die Einheit der Wärme ist Joule (J) oder Kilowattstunde (kWh). Eine Wärmeübertragung kann durch Konvektion, Wärmeleitung oder Wärmstrahlung vollzogen werden. Der Wärmestrom oder der Wärmefluss ist dabei die physikalische Größe, die quantitativ angibt, wie viel Wärme in einer Zeiteinheit von einem System hoher Temperatur auf ein System niedriger Temperatur übertragen werden kann.

Temperatur T
Die Temperatur T ist eine physikalische Größe, die in der Thermodynamik eine wichtige Rolle einnimmt. Die absolute Temperatur wird in Kelvin (K) angegeben, wobei die tiefste theoretisch mögliche Temperatur 0 K einer Temperatur von -273,15 °C entspricht. Die Temperatur ist ein Maß der ungeordneten Teilchenbewegung eines Systems und somit der inneren Energie. Sie kennzeichnet ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen zwei Systemen. Haben diese die gleiche Temperatur, so kommt es zu keinem Wärmeaustausch bzw. Wärmestrom zwischen beiden, auch wenn sie in unmittelbarem Kontakt zueinander stehen.

Verdampfungswärme Qverdampf
Solange ein chemisch-homogener Körper keinen Phasenübergang überschreitet (Bsp. Aggregatszustandsänderung von flüssig zu gasförmig, Wechsel der Kristallstruktur von monoklin zu triklin etc.), erhöht sich seine Temperatur bei Wärmezufuhr. Wird ein Phasenübergang erreicht, wie beim Übergang von einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand (Sieden), so bleibt die Temperatur der Flüssigkeit trotz Wärmezufuhr so lange konstant, bis die Flüssigkeit vollständig in den gasförmigen Zustand überführt wurde (s. Abb. 3). Erst dann kann die Temperatur des Gases bei Wärmezufuhr zunehmen. Die für das Sieden aufzuwendende Wärme wird als Verdampfungswärme Qverdampf bezeichnet. Sie wird dazu benötigt, die Moleküle in der Flüssigkeit auf wesentlich größere Abstände zueinander zu bringen. Dabei müssen die Van-der-Waals-Kräfte und ggf. Wasserstoffbrückenbindungen überwunden werden. Beim Übergang von flüssig zu gasförmig vollzieht sich eine beträchtliche Volumenvergrößerung. Um dies zu gewährleisten, muss dem System zusätzlich Ausdehnungsarbeit – ebenfalls ein Anteil der Verdampfungswärme – gegen den äußeren Druck zugeführt werden. Die bei einer Phasenänderung in eine Richtung aufgebrachte Wärme wird beim reversiblen Prozess wieder freigesetzt. Das heißt, die beim Kondensieren eines Gases freigesetzte Kondensationswärme (Qkond) hat den gleichen Betrag wie die Verdampfungswärme. Die Verdampfungs- und die Kondensationswärme sind stoffspezifische Größen. Werden diese auf die Masse eines Stoffes bezogen, so spricht man von der spezifischen Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme. Ihre Einheiten sind kJ/g oder analog Wh/kg.

Abbildung 3 zeigt den Temperaturverlauf von Wasser bei konstanter Wärmezufuhr. Bei steigender Wärmezufuhr geht Eis in den flüssigen Aggregatszustand (Schmelzen). Die Wärme, die für das komplette Schmelzen des Eises in Anspruch genommen wird, wird als Schmelzwärme bezeichnet und beträgt beim Wasser unter Normalbedingungen 93 Wh/kg. Bei weiterer Wärmezufuhr ändert das Wasser seinen Aggregatszustand von flüssig zu gasförmig (Verdampfen). Die hierfür nötige Wärme wird als Verdampfungswärme bezeichnet, die Verdampfungswärme von Wasser beträgt 627 Wh/kg.