Wärmepumpen - eine übersehene Chance?

Wärmepumpen - eine übersehene Chance?

Energie zurückgewinnen, nicht verschwenden!

Was haben ein norwegischer Fjord, eine belgische Brauerei, eine dänische Molkerei, ein finnisches Rechenzentrum, ein deutsches Bürogebäude und ein französisches Sportzentrum (und viele mehr) gemeinsam? Sie nutzen Wärmepumpen - und keiner weiß es.

Die Wärmepumpentechnologie ist bekannt für die effiziente und zuverlässige Bereitstellung von Heizung, Kühlung und Warmwasser in Wohngebäuden. Weniger bekannt sind die größeren Cousins der Wärmepumpen für Wohngebäude - industrielleund gewerbliche Einheiten. Sie erbringen zwar auch die gleichen primären Leistungen, fügen aber einen wichtigen Faktor zu Energiesystemen in Städten, großen Gebäuden oder industriellen Prozessen hinzu: Großwärmepumpen schließen Energiekreisläufe.

Überall dort, wo Menschen aktiv sind, benötigen sie Energie. Energie "fließt" immer von einem höheren zu einem niedrigeren Temperaturniveau. Das Ergebnis ist ein Überschuss an Energie auf einem Niveau, das in der Regel als nicht nutzbar gilt. In einem typischen Wohngebäude benötigen die Nutzer Heizung und Kühlung, Beleuchtung, Unterhaltung usw. und während die Bewohner diese Dienste genießen, geht letztendlich Energie verloren. Das Gleiche gilt für gewerbliche Gebäude, Krankenhäuser und Schulen.

Wärmepumpen können Energie liefern, aber sie können auch helfen, den absoluten Energiebedarf zu reduzieren, indem sie in Wärmerückgewinnungssysteme integriert werden. In größeren Gebäuden kann ein intelligentes, auf Wärmepumpen basierendes Energiemanagement die Energie zwischen den Teilen des Gebäudes, die geheizt werden müssen, und denen, die gekühlt werden müssen, verteilen. Dies könnte auch zwischen verschiedenen Gebäuden geschehen.

In der Industrie ist der Effekt noch größer. Abgesehen von der Notwendigkeit, Gebäude zu heizen/kühlen und Warmwasser für Küche und Duschen bereitzustellen, laufen viele industrielle Prozesse heute bei Temperaturen unter 100 °C ab. Das macht sie für den Einsatz von Wärmepumpen geeignet. Prototypen können sogar Temperaturen bis zu 170°C bereitstellen. Eine Bewertung des technischen Potenzials von Wärmepumpen in industriellen Anwendungen ergab ein Energieeinsparpotenzial von 174TWh oder etwa 10 % des Heizenergiebedarfs der Industrie. Der Einsparungsbetrag ist sogar noch größer, wenn man die Integration von Kühl- und Kälteprozessen in das System berücksichtigt.

Die Verknüpfung der Punkte ist eine zentrale Herausforderung, um das Potenzial voll auszuschöpfen.

Die Energieflüsse in der Industrie sind oft komplex. Sie benötigen und liefern Energie zu unterschiedlichen Zeiten, Orten und Temperaturniveaus sowie in unterschiedlichen Mengen.

Jeder Energieeinsatz führt zu Energieabfällen auf einem niedrigeren Niveau, jeder Kühl-/Kälteprozess erzeugt Abwärme und selbst wenn eine Wärmepumpe zum Heizen eingesetzt wird, entsteht Kälteabfall. Diese Energie kann entweder in die Umwelt entsorgt oder zurückgewonnen werden, um die Gesamtenergieeffizienz zu verbessern.

Die Menschen müssen diesen Prozess verstehen, um sich für seine Implementierung zu entscheiden. Experten, die für die Planung und den Betrieb von industriellen Prozessen verantwortlich sind, wissen möglicherweise auch nicht über die Möglichkeiten Bescheid. Ein typischer Kommentar eines Betriebsleiters war: "Ein Nebenprodukt unseres Hauptprozesses ist Energie bei 50°C, aber es ist für uns nutzlos. Schlimmer noch, es wird zu einem Kostenfaktor, da wir in Anlagen investieren müssen, um es loszuwerden".

Die Herausforderung besteht darin, Anwendungsbereiche zu verbinden und eine Verwendung für Abwärme aus einem Kühlprozess oder für Abkälte aus einem Heizprozess zu finden. Manchmal braucht es nur etwas kreatives Denken, manchmal kann es nur durch eine Neugestaltung des gesamten Produktionsprozesses erreicht werden. Wenn das gelingt, sind die Effizienzsteigerungen enorm. Und zwar in einem Maße, dass die Nutznießer dieser Verbesserungen nicht wollen, dass andere davon erfahren; sie ziehen es vor, den Kostenvorteil so lange wie möglich zu ernten.

Wärmepumpen werden im gewerblichen Bereich zum Stand der Technik

Bürogebäude, Hotels, Restaurants, Krankenhäuser und Sportstätten müssen geheizt und gekühlt werden - nicht selten mehr geheizt als gekühlt. Die meisten von ihnen benötigen auch Warmwasser für verschiedene Zwecke. Die Installation einer Wärmepumpe als Einzellösung oder in einer Hybridkonfiguration wird immer häufiger eingesetzt. Der Einsatz von nur einer Maschine zum Heizen und Kühlen ist wirtschaftlich noch effizienter

Industrielle Prozesse

Wärmepumpen können in vielen industriellen Produktionsprozessen eingesetzt werden. Zu den Anwendungsbereichen gehören:

• Heizung/Kühlung von Gebäuden
• Reinigung
• Trocknen- in der Regel werden Energiekreisläufe geschlossen, indem die Abwärmenergieseite mit der Quellenenergieseite verbunden und die Temperaturdifferenz über die Wärmepumpe überbrückt wird. Bei Bedarf wird ein fossiler Brenner als Reserveenergiequelle oder zur Deckung von Bedarfsspitzen zugeschaltet.
• Lebensmittelherstellung und -verarbeitung (Flocken, Brauerei, Mälzerei, Obst und Gemüse, Hefenudeln, Kartoffeln sowie Fleisch, Milch und Käse),
• Allgemeine Produktion (z. B. Textilien, Holzindustrie, Gummi und Kunststoff, Papier, Brauerei, Mälzerei, Ziegelherstellung und Metallbeschichtung).

Das Schließen von Energiekreisläufen, indem die Abfallenergie eines Prozesses genutzt, auf ein nutzbares Niveau gebracht und einem anderen Prozess zur Verfügung gestellt wird, ist der heilige Gral der effizienten Prozessgestaltung.

Die folgenden Beispiele geben Einblicke in die realisierten Vorteile von Großwärmepumpenanlagen in den verschiedensten Anwendungsbereichen für Bürogebäude, Fernwärme, Papierfabrik, Hotellerie und Milchproduktion. Sie können nur eine Anregung sein, Wärmepumpenanwendungen weiter zu betrachten. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, bedarf es nicht nur der Weiterentwicklung der Technologie durch die Industrie, sondern auch der politischen Einflussnahme. Die politischen Entscheidungsträger müssen Rahmenbedingungen und Märkte schaffen, die wärmepumpenbasierte Systeme als nachhaltigste Lösungen begünstigen. Sie sollten die Senkung des Energiebedarfs durch zurückgewonnene Energie in ähnlicher Weise begünstigen, wie sie heute die Nutzung erneuerbarer Energie begünstigen.

Nicht zuletzt ist die Behebung des aktuellen Marktmechanismus der Elefant im Raum. Amortisationszeiten von Wärmepumpen, die für die Industrie akzeptabel sind, sowie die Verfügbarkeit von Finanzierungsoptionen hängen weitgehend vom Vergleich mit den Kosten fossiler Brennstoffalternativen ab. Wenn die politischen Entscheidungsträger den Marktmechanismus für die Energiewende nutzen wollen, müssen sie ein korrektes Preissignal setzen.

Die Staats- und Regierungschefs haben im vergangenen Dezember in Paris die COP21-Vereinbarungen zur Begrenzung der globalen Erwärmung auf deutlich unter 2 Grad Celsius unterzeichnet.

Die volle Ausschöpfung des Potenzials von Großwärmepumpen in Wohn- und Gewerbegebäuden, Industrieprozessen und Städten wird das Erreichen dieses Ziels erheblich erleichtern.Aber noch mehr als das: Eine Dekarbonisierung des Energiesystems ist ohne Dekarbonisierung des Wärmesektors nicht möglich; eine Dekarbonisierung des Heiz- und Kühlsektors ist ohne Wärmepumpen nicht möglich.

Hintergrund: Wärmepumpentechnologie

Wärmepumpen wandeln Luft, Erdwärme und Wasser in Energie um - so einfach ist das! Das allgemeine Prinzip der Technologie ist identisch und unabhängig von der Anwendung. Eine Wärmepumpe kann Heizen, Kühlen und sanitäres Warmwasser für Wohn-, Gewerbe- und Industrieanwendungen bereitstellen. Wärmepumpen wandeln Energie aus erneuerbaren Energiequellen (Luft | Aerothermie, Erdreich | Geothermie und Wasser | Hydrothermie) in Nutzwärme um. Sie können auch zurückgewonnene Energie aus industriellen Prozessen, Infrastruktureinrichtungen (Kanalisation, U-Bahn, Tiefgarage) oder Abluft von Gebäuden nutzen. Die Umwandlung erfolgt über den Kältekreislauf. Er besteht aus einer Wärmequelle, der Wärmepumpeneinheit und einem Verteilungssystem zum Heizen/Kühlen des Gebäudes, in der Regel entweder Luftkanäle oder Wasserleitungen.

Es gibt zwar eine Reihe von technischen Varianten für die Wärmepumpentechnologie, aber der elektrische Kompressionszyklus wird am häufigsten verwendet. In einer elektrischen Kompressionswärmepumpe transportiert eine Übertragungsflüssigkeit (Kältemittel) die Wärme von einer Quelle mit niedriger Energie zu einer Senke mit höherer Energie. Für den Betrieb des Kompressors und der Wärmepumpen wird Hilfsenergie - meist Strom oder Gas - benötigt.

Der Kältemittelkreislauf sorgt für Heizung und Kühlung, kontinuierlich

Wärmepumpensysteme sind für den Heiz- oder Kühlbetrieb optimiert. Im Heizbetrieb ist die Umgebungsenergie die Wärmequelle und das Gebäude/der Prozess die Wärmesenke. Im Kühlbetrieb wird das Gebäude/der Prozess gekühlt, wobei die Außenluft als Wärmesenke dient. Es liegt auf der Hand, dass die Effizienz eines Systems in Anwendungsbereichen mit parallelem Heiz- und Kühlbedarf stark ansteigt, was solchen Systemen einen zusätzlichen wirtschaftlichen Vorteil verschafft.

Positive Nebeneffekte des Einsatzes von Wärmepumpen sind die Schaffung von Arbeitsplätzen vor Ort, die Verringerung der Abhängigkeit von Importen, die Stabilisierung und Vorhersagbarkeit der Energiekosten und die Überbrückung des Strom- und Wärmesektors durch die Bereitstellung eines Bedarfsreaktionspotenzials und die Stabilisierung des Stromnetzes.

Wärmepumpen sind ein Querschnitt durch das moderne, zukunftsorientierte Energiesystem. Die erforderliche Dekarbonisierung des Energiesystems kann nicht ohne die Dekarbonisierung des Wärmesektors erreicht werden. Der Wärmesektor kann ohne Wärmepumpen nicht dekarbonisiert werden!

Dieser Artikel wurde erstmals in Revolve "Renewing Energy", Sommer 2016, veröffentlicht.