Großwärmepumpen spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der Energiewende und bei der Dekarbonisierung von Industrieprozessen. Diese leistungsstarken Anlagen, die Wärmeleistungen im Megawattbereich erbringen können, finden besonders im kommunalen Wohnungsbau, in der Industrie und bei Energieversorgern Anwendung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmepumpen für den Hausgebrauch sind Großwärmepumpen speziell für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen konzipiert, um maximale Zuverlässigkeit und Effizienz zu gewährleisten.

Der Kältekreislauf in Industriewärmepumpen ist komplexer aufgebaut als bei kleineren Anlagen. Dies ermöglicht die Nutzung spezieller Kältemittel und die Anpassung an verschiedene Wärmequellen und -senken. In industriellen Anwendungen stehen oft hochwertige Wärmequellen zur Verfügung, die effizient genutzt werden können. Großwärmepumpen können Wärmesenken von bis zu 250°C bedienen, was sie für eine Vielzahl von Prozessen in der Industrie und Energieversorgung qualifiziert.

Die Wahl des richtigen Kältemittels ist entscheidend für die Effizienz und Umweltverträglichkeit von Großwärmepumpen. Natürliche Kältemittel wie Ammoniak (R717), CO₂ (R744) und Kohlenwasserstoffe wie Propan (R290) gewinnen zunehmend an Bedeutung. Diese Kältemittel bieten nicht nur eine hohe Zukunftssicherheit hinsichtlich Umweltregulierungen, sondern ermöglichen auch den Betrieb in höheren Temperaturbereichen. Wissenswertes zum HFO Kältemittel R1234ze mit Bezug zur TFA und PFAS Problematik findet ihr in dem Artikel Turboverdichter bei Kälteanwendungen mit HFO Kältemittel.

Ammoniak ist besonders für Anwendungen mit Vorlauftemperaturen bis 90°C geeignet. Für noch höhere Temperaturen bis 160°C und große Temperaturspreizungen zwischen Wärmequelle und -senke empfiehlt sich ein Ammoniak-Wasser-Gemisch. Dieses bietet eine höhere Effizienz und niedrigere Drücke im Vergleich zu reinem Ammoniak.

CO₂ als Kältemittel findet zunehmend Einsatz in Wärmepumpen mit Luft oder Wasser als Wärmequelle. Die besonderen thermodynamischen Eigenschaften von CO₂ ermöglichen effiziente Prozesse, insbesondere im über kritischen Bereich. Eine nähere Beschreibung und die Darstellung im log-p-h-Diagramm ist hier zum nachlesen.

Propan (R290) und andere Kohlenwasserstoffe bieten exzellente thermodynamische Eigenschaften. In der Wärmepumpentechnik können mit R290 höhere Wassertemperaturen erzielt werden als mit traditionellen Kältemitteln. Die Brennbarkeit (Klasse A3) ist bei Planung und Aufstellung zu brachten.

Ein vielversprechender Ansatz für Hochtemperaturanwendungen ist die Verwendung von Wasser (R718) als Kältemittel. Aktuelle Forschungsprojekte, wie das des Fraunhofer IEG, untersuchen das Potenzial von R718. Die Vorteile liegen auf der Hand: unbegrenzte Verfügbarkeit, geringe Kosten und keine Umweltgefährdung. Mit Wasser als Kältemittel sind sogar Vorlauftemperaturen über 300°C möglich. Richtig interessant sind die Anwendungen mit Wärmequellentemperaturen über 100°C.

Kommunale Wärmeversorgung: Großwärmepumpen können in Fernwärmenetzen eingesetzt werden, um erneuerbare Energien und Abwärme effizient zu nutzen.

Industrielle Prozesswärme: In der Lebensmittel-, Papier- und Chemieindustrie können Großwärmepumpen Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau bereitstellen. Der Entwurf der VDI 4646 gibt hierzu weiter Auskunft.

Rechenzentren: Die Abwärme von Servern kann mittels Großwärmepumpen auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben werden. Das Energieeffizienzgesetz EnEfG macht hier klare Vorgaben, der §11 beschäftigt sich mit „klimaneutrale Rechenzentren“.

Geothermische Anwendungen: In Kombination mit geothermischen Quellen wie Sonden, Kollektorfeldern oder Grundwassernutzung können Großwärmepumpen effizient zur Wärme- und Kälteversorgung eingesetzt werden.

Die Integration von Wärmespeichern erhöht die Flexibilität von Großwärmepumpenanlagen erheblich. Dies ermöglicht die Abdeckung thermischer Spitzen sowie die zeitliche und örtliche Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch. Durch intelligentes Lastmanagement, wie die Abschaltung bei Strompreisspitzen und Speicherladung bei niedrigen Strompreisen, kann die Gesamteffizienz und Wirtschaftlichkeit des Systems weiter gesteigert werden.

Die Entwicklung im Bereich der Großwärmepumpen schreitet rasch voran. Forschungsprojekte wie die Nutzung von Minen als geothermische Speicher zeigen innovative Wege auf, um die Effizienz und Anwendbarkeit weiter zu steigern. Zweistufige Hochtemperatur-Wärmepumpen, die verschiedene Kältemittel kombinieren, ermöglichen bereits heute Vorlauftemperaturen bis 120°C bei Nutzung von Niedertemperaturquellen. Je Verdichter Stufe beträgt der Temperaturhub in der Praxis bis zu 50 Kelvin.

Großwärmepumpen werden in Zukunft eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung von Industrie und Wärmeversorgung spielen. Ihre Fähigkeit, erneuerbare Energien und Abwärme effizient zu nutzen, macht sie zu einem unverzichtbaren Baustein in der Energiewende. Mit fortschreitender Technologie und der Entwicklung neuer Kältemittel werden die Einsatzmöglichkeiten weiter zunehmen, was Großwärmepumpen zu einer zentralen Technologie für eine nachhaltige und effiziente Energieversorgung macht.