Einsatzgebiete und Vorteile industrieller Wärmepumpen für hohe Temperaturen bis 200°C

Zwei Drittel der von der Industrie benötigten Energie fallen für die Erzeugung von Prozesswärme an, davon etwa 36 % auf Prozesswärme bis 200°C – also insgesamt rund ein Fünftel des industriellen Gesamt­energiebedarfs. Ein bedeutender Hebel der Industrie, um die Klimaziele zu erreichen und den CO₂-Ausstoß zu senken, liegt somit in einer effizienten Wärmeerzeugung bzw. -nutzung und Aufbereitung von vorhandener Abwärme. Diese steht jedoch überwiegend als Niedertemperatur-Abwärme zur Verfügung, die für viele industrielle Prozesse nicht nutzbar ist. Daher verpufft sie oft ungenutzt oder muss sogar mit zusätzlichem Energieaufwand wieder gekühlt werden. Prozesswärme über 100°C wird bislang noch überwiegend mittels fossiler Brennstoffe erzeugt. Industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpen, die aus der vorhandenen Niedertemperatur-Abwärme Temperaturen bis 200°C erzeugen können, schließen genau diese Lücke.

Wärmepumpen nutzen Nieder­temperatur-Abwärme effizient

Das System der Wärmepumpe ist effizient und hat sich bei der Beheizung von Wohngebäuden vielfach bewährt. Wird die Wärmepumpe mit Strom aus regenerativen Energiequellen betrieben, ist sogar eine CO₂-freie Wärmeerzeugung möglich.

Bislang waren Wärmepumpen in der Industrie auf Temperaturen bis etwa 100°C beschränkt und damit für viele industrielle Prozesse nicht nutzbar. Die große Herausforderung war, das System auf die hohen Temperaturen bis 200°C (etwa der energieintensiven Trocknungsprozesse) auszulegen, die in vielen Branchen benötigt werden.

Für genau diese Anforderungen hat die SPH Sustainable Process Heat GmbH aus Overath eine innovative und effiziente Hochtemperaturwärmepumpe entwickelt: Der ThermBooster erzeugt dank eines speziell entwickelten Kolbenverdichter derzeit Temperaturen bis zu 165°C (zukünftig bis 200°C) oder Sattdampfdrücke bis zu 6 bar absolut. Durch seinen modularen Aufbau lässt er sich flexibel an die Bedingungen und Anforderungen der jeweiligen Produktionsumgebungen anpassen. Alle Komponenten wie Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger lassen sich wie in einem Baukastensystem auswählen und individuell zusammenstellen. Bei sehr hohem Leistungsbedarf können sie auch mehrfach zusammengeschaltet werden, um hohe Anforderungsprofile zu erfüllen.

Erzeugung von Dampf und/oder Heißwasser

Das ThermBooster-System ist als Kompressionswärmepumpe mit einem internen Wärmeübertrager konzipiert. Als Wärmeübertrager werden überwiegend hocheffiziente Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Diese werden zum einen als Verdampfer für den Kältekreislauf und zum anderen als interne Wärmeübertrager eingesetzt. Der Verflüssiger kann ebenfalls als Plattenwärmeübertrager ausgeführt sein, oder alternativ für die Produktion von Dampf als Plate-and-Shell-Wärmeübertrager, der gleichzeitig auch als Dampferzeuger für die Wärmesenke dient.

Zur weiteren Effizienzsteigerung kann ein zusätzlicher Unterkühler integriert werden. Dieser entzieht dem Kältemittel weitere Energie, die beispielsweise als Heißwasser zur Vorwärmung von Speisewasser oder zur Einspeisung in einen anderen Heizkreislauf genutzt werden kann. Eine spezielle Ölkonditionierung, die das Öl in einem optimalen Temperaturbereich hält, sorgt für eine lange Lebensdauer und geringen Wartungsaufwand.

Der Verdichter – das Herz des ThermBoosters

Das Herzstück der Hochtemperatur-Wärmepumpe ThermBooster ist ein speziell entwickelter 4-Zylinder-Kolbenverdichter mit einem Hubvolumen von ca. 540 m³/h bei 1500 U/min. Der Verdichter ist für bis zu 35 bar auf der Hochdruckseite und 18 bar auf der Niederdruckseite ausgelegt. Heißgastemperaturen von 250°C und Sauggastemperaturen von 200°C sind problemlos möglich. Der Verdichter wurde optimiert für synthetische, umweltfreundliche HFO-(Hydrofluorolefin-)Kältemittel der neuesten Generation (z.B. R1233zd, R1336mzz-Z) sowie natürliche Kältemittel (z.B. Kohlenwasserstoffe) und erzielt hohe Wirkungsgrade. Das patentierte Ventilsystem nutzt die verfügbare Fläche optimal aus und minimiert den Druckverlust, während gleichzeitig das Totraumvolumen geringgehalten wird.

Anwendungsbeispiele aus der Praxis

Industrielle Hochtemperaturwärmepumpen lassen sich überall dort einsetzen, wo Prozesswärme bis zu 200°C benötigt wird und konstante Abwärme zur Verfügung steht. Besonders in der Lebensmittel-, Papier- und Chemieindustrie besteht Bedarf für zahlreiche Prozesse, wie beispielsweise für Trocknung, Sterilisierung, Pasteurisierung oder Destillation. Der ThermBooster wurde bereits an einige Unternehmen ausgeliefert und wird im Rahmen von zwei internationalen Forschungsprojekten eingesetzt und weiterentwickelt.

Gelatineherstellung: Einsparung von 4,8 GWh Erdgas und 550 t CO₂ pro Jahr

Bei der Herstellung von Gelatine erfordern insbesondere die abschließenden Trocknungsprozesse hohe Temperaturen. Bislang lieferten ein gasbefeuerter Dampferzeuger und mehrere Blockkraftheizwerke (BHKW) die benötigte Wärme auf zwei Wärmeschienen: Eine Dampfschiene mit 2 bar absolut (etwa 120°C) wurde ausschließlich für Prozesswärme genutzt. Ein Teil der Prozesswärme sowie die Raumheizung wurde über eine Heißwasserschiene mit 85°C erzeugt, die sich aus der Kühlwasserwärme der BHKWs speist. Da der Bedarf an Raumheizung saisonal schwankt, blieb ein Großteil der Abwärme aus der Heißwasserschiene bisher ungenutzt. Hier wird der ThermBooster in den bestehenden Kreislauf integriert und sorgt dafür, dass die komplette Heißwasserschiene für die Produktion und die Raumheizung genutzt wird. Die Anlage erzeugt im Jahr rund 6.500 Tonnen Dampf. Das entspricht 4,1 GWh thermischer Energie. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 85 % – bezogen auf einen gasbefeuerten Standard-Dampfkessel – werden jährlich ca. 4,8 GWh Erdgas und damit etwa 550 Tonnen CO₂ eingespart. Mit Strombezug aus regenerativen Quellen ist sogar eine noch höhere CO₂-Einsparung möglich.

Recycling-Industrie: Einsparung von 10,8 GWh Erdgas und 2.400 t CO₂ pro Jahr

Ein innovatives Recycling-Verfahren zerlegt bislang unverwertbaren Hausmüll in seine Grundbestandteile und setzt sie zu einem thermoplastischen Verbundwerkstoff zusammen. Für die Materialtrocknung werden Temperaturen von 130°C benötigt. Das Wärmenutzungskonzept der Recycling-Anlage bündelt verschiedene Abwärmeströme und nutzt sie als Quelle für eine Hochtemperaturwärmepumpe. Es umfasst verschiedene Kühl- und Heizkreisläufe auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, die alle miteinander verbunden sind. Am Ende steht der ThermBooster, der mit 130°C heißem Wasser 1,5 MW Heizleistung für die Trocknung produziert. Bei einer geplanten Jahresnutzungsdauer von ca. 8.000 Stunden entspricht dies einer Einsparung von 10,8 GWh Erdgas pro Jahr. Da die Anlage ausschließlich mit CO₂-neutral erzeugtem Strom betrieben wird, werden im Vergleich zu einer erdgasbefeuerten Prozesswärmeerzeugung 2.400 Tonnen CO₂ pro Jahr vermieden.

Projekt AHEAD: Temperaturen bis 200°C für die Pharmaproduktion

Ein großer Teil des Prozesswärmebedarfs in der Arzneimittelproduktion wird bis dato hauptsächlich durch Erdgas gedeckt. Das Forschungsprojekt AHEAD (Advanced Heat Pump Demonstrator) in Österreich zielt auf eine nachhaltige Arzneimittelproduktion am Produktionsstandort des biopharmazeutischen Unternehmens Takeda in Wien ab. AHEAD wird künftig die vorhandene Wärme des Takeda-Heizungswassersystems zur Dampferzeugung mithilfe des ThermBoosters nutzen. Dieser wird dabei für den Einsatz ausschließlich natürlicher Kältemittel adaptiert und erzeugt Dampf, der mittels Dampfkompression auf die benötigten 11 bar(a) und die bei Takeda benötigten 184°C gebracht wird. Mit dieser Lösung wird eine CO₂-Reduktion von bis zu 90 % und über etwa sieben Monate völlige CO₂-Emissionsfreiheit pro Jahr erreicht – das entspricht einer jährlichen Einsparung von 1.900 Tonnen CO₂.

Projekt PUSH2HEAT: Papiertrocknung mit aufbereiteter Abwärme

Das EU-Projekt PUSH2HEAT fördert die Abwärmenutzung in der Industrie. Einer der Projektpartner ist ein Hersteller von Spezialpapieren. Dort wird der für die Papiermaschine benötigte Dampf (etwa 130.000 MWh pro Jahr) derzeit mit einem zentralen, erdgasbefeuerten Kessel erzeugt. Bereits heute wird ein Teil der Abwärme aus der Papiermaschine in einem Wasser-Glykol-Kreislauf effizient zur Wärmerückgewinnung genutzt. In Zukunft wird ein weiterer Teil im Bereich von 30-50°C genutzt, um mit einem zweistufigen ThermBooster-System Dampf bei 2,2 bar und 123°C zu erzeugen und direkt in die Papiermaschine einzuspeisen. Hierbei liegt der erzielbare COP bei ca. 2,3.

Fazit

Ein großer Teil der in der Industrie benötigten Energie wird für die Erzeugung von Prozesswärme benötigt. Besonders für Trocknungsprozesse besteht branchenübergreifend hoher Energiebedarf. Industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpen wie der ThermBooster ermöglichen die effektive Umwandlung bzw. Aufbereitung von Abwärme in hochwertige Prozesswärme, auch für hohe Temperaturen. Dank seines modularen Aufbaus lässt sich der ThermBooster den jeweiligen Anforderungen individuell anpassen und flexibel in verschiedenste Produktionsprozesse integrieren. Derzeit sind Temperaturen bis 165°C – in Zukunft sogar bis 200°C – möglich. Damit spart der ThermBooster nicht nur Energiekosten in erheblichem Umfang, sondern reduziert auch massiv CO₂-Emissionen und ist somit ein maßgeblicher Faktor zur Erreichung der Klimaziele in der Industrie.