Industrielle Wärmepumpen

Für Gewerbehallen richtig planen

Effizient und wirtschaftlich: Wärmepumpen in Gewerbe und Industrie senken Kosten

Eine Wärmepumpe nimmt Wärmeenergie aus dem Boden, Wasser oder der Luft auf und bringt sie auf eine höhere Temperatur, um sie für Heizzwecke nutzbar zu machen.

Die Wärmepumpe verwendet ein Kältemittel, das im Kreislauf der Wärmepumpe verdichtet und damit heißer wird. Im Grunde funktioniert sie wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Anschließend wird die Wärme zur Nutzung an ein Heizsystem abgegeben und das Kältemittel kühlt wieder ab. Der Wirkungsgrad und die Effizienz einer Wärmepumpe hängen von vielen Faktoren ab und werden durch drei entscheidende Kennziffern bestimmt. Aktuelle Forschungsprojekte zeigen, dass Industrie-Wärmepumpen schon in drei bis fünf Jahren Prozesswärme von 200 bis 300 Grad Celsius bereitstellen könnten.

Energieeffizienzkenngrößen bei Wärmepumpen

Moderne Wärmepumpen können bei richtiger Auslegung aus einer Kilowattstunde (kWh) Strom vier kWh Wärme erzeugen. Wichtig sind drei Kennziffern, die für die Effizienz maßgeblich sind:

  1. COP (Coefficient of Performance):
    Der COP gibt an, wie viel Heizleistung die Wärmepumpe im Verhältnis zur aufgenommenen elektrischen Energie liefert. Ein höherer COP-Wert bedeutet, dass die Wärmepumpe effizienter arbeitet. 
     
  2. JAZ (Jahresarbeitszahl):
    Die Jahresarbeitszahl ist ebenfalls ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe, jedoch über ein ganzes Jahr betrachtet. Sie berechnet sich aus dem Verhältnis der gesamten Heizleistung, die die Wärmepumpe über ein Jahr hinweg liefert, zur gesamten elektrischen Energie, die sie in diesem Zeitraum verbraucht. 
     
  3. SCOP (Seasonal Coefficient of Performance)
    Der SCOP ist ähnlich wie die JAZ ein Maß für die saisonale Effizienz einer Wärmepumpe und ist eine Erweiterung des COP. Er wird unter Laborbedingungen an vier Betriebspunkten gemessen und gibt an, wie effizient die Wärmepumpe unter verschiedenen Klimabedingungen über die verschiedenen Jahreszeiten hinweg arbeitet. Der SCOP berücksichtigt die Effizienz der Wärmepumpe bei unterschiedlichen Außentemperaturen, die über das Jahr variieren können.
     

Je höher die drei Kennziffern ausfallen, desto effizienter ist die Anlage. COP und SCOP sind fix und verändern sich für eine einmal geplante Wärmepumpe nicht mehr. Eine korrekt dimensionierte und installierte Anlage, die auf die spezifischen Bedürfnisse des Gebäudes und dessen Nutzung abgestimmt ist, erreicht einen höheren COP. Deswegen sind die genaue Planung und Abstimmung auf das Nutzungsprofil so wichtig.

Vorteile von Wärmepumpen

Kosteneinsparungen

Durch die effiziente Umwandlung von Umgebungswärme in Heizenergie entstehen niedrigere Betriebskosten.

Primärenergieersparnis

Nutzt erneuerbare Energiequellen, wodurch der Bedarf an Primärenergien wie Öl oder Gas sinkt.
 

Reduktion des CO2-Fußabdrucks

Beitrag zur Senkung der CO2-Emissionen durch effizienten Energieeinsatz und Nutzung erneuerbarer Quellen.

Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen

Förderung der Energiesicherheit durch Rückgriff auf natürliche, erneuerbare Energiequellen.

Flexibilität und Vielseitigkeit

Breites Anwendungsspektrum für Heizung, Kühlung und Warmwasserbereitung.

Komfortsteigerung

Erhöhter Wohnkomfort durch konstante und gleichmäßige Wärmeabgabe.

Wärmepumpen sind effizient und trotz der hohen Investitionen über die Nutzungszeit betrachtet in der Regel wirtschaftlich. Die Verbindung mit einer Photovoltaikanlage und Batteriespeichern senkt zusätzlich die Betriebskosten.

Viele Variablen beeinflussen Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen im Gewerbe

Die Anfangsinvestition für eine Wärmepumpe für eine Gewerbehalle kann stark variieren, da sie von vielen Faktoren abhängt, einschließlich der spezifischen Anforderungen des Gebäudes, der Wärmedämmung, möglicherweise nutzbarer Abwärme und der Wärmepumpentechnologie.

Dennoch lässt sich berechnen, ob eine Wärmepumpe in einer Gewerbehalle wirtschaftlich betrieben werden kann. Ausgangspunkt ist der Wärmebedarf, der sich aus dem bisherigen Energieverbrauch ableiten lässt.

Praxisbeispiel: Wärmepumpe in Gewerbehalle mit 1.250 Quadratmetern

Kürzlich hat ein KMU eine Wärmepumpe in seiner Montagehalle (Meter: 50 lang x 25 breit x 7 hoch) installiert. Das Gebäude ist normal gedämmt und verfügt über zwei Tore mit Torluftschleier. Angenommen wurden Anwesenheitstemperaturen von 20 Grad und bei Abwesenheit 16 Grad. Errechnet wurde von dem beauftragten Energieberatenden eine Wärmelast von 50 Kilowatt (kW), die ohne die Torluftschleier fast 50 Prozent höher ausgefallen wäre. Für den Jahreswärmebedarf ergab sich der Wert von 130.000 kWh. Für diese Leistung investierte der Unternehmer in zwei Luft-Wärmepumpen mit vier Luftheizern. 

Aus dem Standort und dem Temperaturverlauf berechnete der Ingenieur eine JAZ von 3,8. Die Kosten für die Technik und die Installation betrugen 80.000 Euro. Als Förderung erhielt der Betrieb nach Vorlage der VALERI-Berechnung 40 Prozent der Gesamtinvestition, also 32.000 Euro.

Daraus resultiert die folgende Wirtschaftlichkeitsberechnung im Vergleich zu Öl und Gas:

 Eingesetzte Energie (kwh)Kosten pro kWh (Euro)Kosten pro Jahr (Euro)
Gas132.6530,1317.244,90 
Öl132.6530,10513.928,57 
Wärmepumpe34.2110,289.578,95 

 

Dieses erfreuliche Gesamtergebnis konnte in unserem Praxisbeispiel durch die Installation einer Wärmepumpe erreicht werden:

  • Einsparung pro Jahr: 7.665,95 Euro

  • Kosten nach Förderung: 48.000 Euro

  • Amortisationszeit: 6,3 Jahre


Wie sieht die Zukunft von Wärmepumpen aus?

Lesen Sie hier als Zusatz über den reinen Effizienztipp hinaus noch einen kleinen Ausblick in die Entwicklung hochgradiger Prozesswärme und die zukunftsweisende industrielle Prozesswärmeerzeugung. Es geht um neue Technologien aus der Raumfahrt.

Dass das Innovationspotenzial der Wärmepumpe noch nicht ausgereizt ist, zeigen zwei bemerkenswerte Forschungsprojekte vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Cottbus und Zittau. Das Team um Professor Dr. Uwe Riedel vom Institut für CO2-arme Industrieprozesse entwickelt zurzeit Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTWP), die künftig Prozesswärme bis 300 Grad bereitstellen sollen.

Die sehr praxisnah entwickelte Pilotanlage CoBra erreicht bereits eine Temperatur von 260 Grad Celsius bei 250 Kilowatt Leistung. Sie soll künftig Prozesswärme zwischen 200 und 300 Grad Celsius liefern, wie sie einem Drittel aller Industrieprozessen benötigt werden. Sie arbeitet mit der Abwärme aus Industrieprozessen, die als Gase anfallen und nutzt den sogenannten Brayton Prozess. Das ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der typischerweise in Gasturbinenanlagen zum Einsatz kommt. Der Name der Pilotanlage verbindet den Standort mit dem Prozess: CoBra steht für „Cottbus Brayton Prozess“. Da dieses Verfahren auch in Gasturbinen einsetzt wird, kommen Komponenten aus Luft- und Raumfahrttechnik zum Einsatz.

Eine zweite, ZiRa genannte, Pilotanlage wird ebenfalls mit Raumfahrtkomponenten aufgebaut und nimmt voraussichtlich ab Mitte 2024 den Probebetrieb auf. Sie arbeitet mit Wasserdampf nach dem sogenannten Rankine Prozess. Dieser Prozess ist ebenfalls ein thermodynamischer Kreislauf, der hauptsächlich in Dampfkraftwerken zum Einsatz kommt und aus vier Hauptphasen besteht: Verdampfung, adiabatische* Expansion, Kondensation und adiabatische Kompression. In ZiRa soll dieser Prozess Wärmeenergie effizient von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau übertragen, indem das Arbeitsmedium Wasserdampf zyklisch verdampft und kondensiert wird, um Wärme aufzunehmen und abzugeben.

* Adiabatisch bezieht sich auf einen Prozess, bei dem keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. In einem adiabatischen System findet also kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt, sei es durch Wärmeübertragung oder -abgabe.

Das DLR und Professor Uwe Riedel arbeiten bei beiden Projekten bereits mit Unternehmen zusammen, die nach Ende der Entwicklungsphase die Produktion der einzelnen Module übernehmen könnten. Für CoBra sind aktuell drei weitere Anlagen in Vorbereitung. „Allerdings“, betont Professor Riedel, „die Hochtemperatur-Wärmepumpe wird kein Massenprodukt, sondern muss an die Bedürfnisse der Kunden angepasst sein, damit sie effizient und wirtschaftlich betrieben werden kann“. Dann aber wird es erstmals möglich, industrielle Prozesswärmeerzeugung komplett zu dekarbonisieren. Und vor allem würden HTWP auch den Einsatz von Wasserstoff zur Dekarbonisierung des produzierenden Gewerbes überflüssig machen. Würden solche Anlagen zudem mit erneuerbaren Energien sowie Solar- oder Geothermie verbunden, dürfte das zu einer weiteren Effizienzsteigerung führen. Abhängig von der weiteren Entwicklung der beiden Pilotanlagen, die bereits für industrielle Rahmenbedingungen ausgelegt wurden, könnte die Marktreife in drei bis fünf Jahren erreicht werden.


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