Effiziente Wärmepumpen als Teil des Energiekreislaufs

Thermische Systeme müssen langfristig elektrifiziert werden, wenn sie klimaneutral funktionieren sollen.

So weit sind sich Politik, Wirtschaft und Verbraucher in Deutschland nahezu einig. Dass die damit einhergehende Transformation erfolgreich bewältigt werden kann, braucht es tragfähige Lösungen für den Strom: Wärmepumpen benötigen davon eine Menge. Aus diesem Grund rücken zunehmend solche Lösungen ins Blickfeld von Verantwortungsträgern, die die Wärmepumpentechnologie mit dem Kreislaufgedanken kombinieren.

Das Technologieunternehmen Trane Technologies hat unter seiner Marke Trane mit den „Exergy“-Wärmepumpen eine Modellserie auf den Markt gebracht, die Abwärme aus Abwässern oder Kühlanlagen effizient weiterverwendet. Die Technologie will damit einen wertvollen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten und gleichzeitig eine rentable Investition für Wirtschaft und kommunale Betreiber bieten.

Handlungsbedarf

Spätestens seit der Debatte um das von Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck unterstützte Gebäudeenergiegesetz (GEG) sind Wärmepumpen bundesweit in aller Munde. Der Gesetzentwurf hat das Elektrifizieren der Heizung als einen der zentralen Hebel auf dem Weg zu einer klimaneutralen Volkswirtschaft in den Fokus gerückt. Während Heizsysteme gegenwärtig noch in erheblichem Maße von fossilen Energieträgern abhängig sind, sollen sie bis spätestens 2045 deutschlandweit von grünem Strom angetrieben werden. Wärmepumpen (WP) werden damit sowohl bei Gebäuden als auch bei Industrieprozessen eine entscheidende Rolle spielen.

Um die Energieversorgungssicherheit und die Rentabilität von nachhaltigen Anlagen zu gewährleisten, sollten WP möglichst ressourcenschonend betrieben werden. Dies gelingt, indem sie in eine ökologische Kreislaufwirtschaft integriert werden, die gebrauchte Energie wiederverwendet und so keine unnötigen Ressourcen verbraucht. Dafür bringt Trane Technologies ein auf dem Design des finnischen Cleantech-Unternehmen Oilon basierendes Wärmepumpenmodell auf den Markt, das nicht nur auf bis zu 120 °C aufgeheizt werden kann, sondern vor allem effizient mit der Rückgewinnung von Wärme arbeitet. Dank ihrer Heizkapazität von mehr als 100 °C können die Wärmepumpen der sogenannten Trane „Exergy P“-Serie Öl- und Gaskessel in Gebäuden, Fernwärmeanwendungen und Industrieprozessen ersetzen.

Die Geräte gewinnen beispielsweise Energie in einem Temperaturbereich von -20 bis +45 °C aus industriellen oder kommunalen Abwässern, aus Industrieprozessen oder der Abwärme von Kühlanlagen. Sie dient anschließend zur Warmwasseraufbereitung sowie als Ersatz für wertvolle Primärenergie, was die „Exergy“-Wärmepumpe attraktiv macht, um die Dekarbonisierung der industriellen Wärmeversorgung voranzutreiben. Ein wichtiges Vorhaben, denn gegenwärtig entfällt mehr als die Hälfte des Wärmeverbrauchs in Europa auf industrielle Prozesse.

Rahmenbedingungen

Hinzu kommt, dass aktuell etwa 66 Prozent der Wärmeenergie aus fossilen Brennstoffen stammen – nur 13 Prozent aus erneuerbaren Energien. Ohne das Umstellen auf eine emissionsarme industrielle Wärmeversorgung kann die Transformation hin zu einer klimaneutralen Industrie und Gesellschaft nicht erfolgreich bewältigt werden. Vor allem Niedertemperatur-Prozesse wie sie in der Lebensmittel- und Getränkebranche vonnöten sind, setzen große Mengen an Wärme frei, die bislang noch zu häufig ausgestoßen und so verschwendet wird.

Die gleiche Industrie ist auf fossile Brennstoffe angewiesen, um ihren Heizbedarf zu decken. Dabei bietet die dauerhafte Notwendigkeit einer Prozesskühlung die Möglichkeit, die Abwärme der Kälteanlagen aufzufangen und in eine Wärmepumpe einzuspeisen. Anstatt den Wärmebedarf durch separat betriebene Heizkessel zu decken, ermöglicht die Wärmepumpentechnologie somit das Weiterverwenden von thermischer Energie aus Kühlanlagen und bedient die gleiche Heizkapazität bei deutlich geringerem Energie- und Ressourcen-Aufwand.

Die „Exergy“-Technologie ist bis zu 400 Prozent effizienter als die meisten fossil befeuerten Kesselsysteme. Ihre Wärmepumpen sind dafür in unterschiedlichen Ausbaustufen verfügbar. Als Kältemittel lässt sich R1234ze (Hydrofluorolefin) mit einem Treibhauspotential von nahezu null einsetzen. Für eine Leistung von mehr als 2.000 kW können mehrere dieser WP parallelgeschaltet werden. Als Ergänzung lässt sich zum Beispiel auch die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme-/Kälteenergie sowie die Leistung und der Energieverbrauch der Wärmepumpe messen. Optionale Busschnittstellen (Modbus TCP, Profi bus, Profi net, Bacnet) und ein Gasdetektor, der mögliche Kältemittellecks aufspüren kann, bieten zusätzlichen Service.

Praxisbeispiel: Molkereibetrieb

Ein anschauliches Beispiel für den Einsatz einer „Exergy“-Wärmepumpe liefert eine Molkereifabrik aus der Bretagne im Nordwesten Frankreichs. Dort werden jährlich etwa 120 Millionen Liter Rohmilch von 280 lokalen Produzenten zu Käse, Cremes und anderen Milchprodukten weiterverarbeitet. Bislang setzte die Fabrik auf klassische Ammoniak-Kälteanlagen, die nicht in der Lage waren, produzierte Abwärme weiter zu nutzen. Stattdessen entwich die Wärme in die Atmosphäre, was den Energieverbrauch der Molkerei unnötig in die Höhe trieb.

Die neu installierten Kälteanlagen verfügen nun über die Option, gewonnene Abwärme direkt in den Produktionsprozess zu reintegrieren und in die Wärmepumpe einzuspeisen. Zu diesem Zeitpunkt verfügt die Abwärme über eine mittlere Temperatur und kann beispielsweise für eine Vorerwärmung des Wassers in der Wärmepumpe ein-gesetzt und das Gebäude damit erwärmt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Temperatur auf bis zu 120 °C zu erhöhen, womit die „Exergy“-Wärmepumpe aus der P-Serie (Heizleistung zwischen 30 und 450 kW) in etwa das Niveau heute eingesetzter Gas- oder Ölkessel in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie erreicht. Die emissionsreichen Anlagen lassen sich somit ohne Qualitätsverlust durch weitaus klimafreundlichere ersetzen.

Da bei der Milchverarbeitung immer sowohl Kühl- als auch Heizvorgänge benötigt werden, kann mithilfe der neuen Technologie ein hocheffizienter Kreislauf etabliert werden. Die Lagerung von Milch bedarf beispielsweise kühler Raumluft, während die Pasteurisierung, Fermentation oder Reinigung des Produkts höhere Temperaturen erfordert. Der gesamte Arbeitsvorgang ist somit grundlegend auf Kühl- und Heiztechnik angewiesen, weswegen der skizzierte Energiekreislauf hier besonders effizient funktioniert: Mit der neuen Kombination aus Kühlanlage und Wärmepumpe können in der Molkerei nun jährlich bis zu 350 t CO₂ eingespart werden.

Fazit und Ausblick

Noch steckt das Wiederverwenden von Abwärme aus industriellen, öffentlichen oder privaten Gebäuden in den Kinderschuhen. Moderne und effizient eingesetzte Wärmepumpentechnologie kann viel CO₂ einsparen und signifikant zur Dekarbonisierung der Industrie beitragen.

Unternehmen sind deshalb gut beraten, bereits heute zu überlegen, wie sie eine solche Umstellung der eigenen Wärmeversorgung nachhaltig realisieren können.

Trane Technologies versteht sich dabei als Partner der Industrie in der globalen Dekarbonisierung. Mit seiner „Gigaton Challenge“ hat das Unternehmen sich zum Ziel gesetzt, die CO₂-Emissionen seiner Kunden bis 2030 um eine Milliarde Tonnen zu reduzieren, was in etwa zwei Prozent der weltweiten, jährlichen Treibhausgasemissionen entspricht – oder dem kumulierten jährlichen CO₂-Ausstoß von Italien, Frankreich und Großbritannien.

Erik van Oossanen Portfolio Leader Applied Heat Pumps and Chillers EMEA ANZ Trane Technologies Co. Dublin, Ireland info@trane.de