Wärmepumpen für großtechnische Anlagen

Published On: 8. Dezember 2023By Tags: ,

Wärmepumpen für großtechnische Anlagen

Seit 2016 ist bei Heizungswärmepumpen ein konstantes Marktwachstum im zweistelligen Prozentbereich zu verzeichnen. Diese Zahlen liefert der Bundesverband Wärmepumpe, ein Großteil sind Luft-Wasser-Geräte für Anwendungen im Wohnbereich im unteren Leistungsbereich bis max.  100 kW. Durch den Hochlauf der Produktionsstädten vieler Hersteller und die langjährige Erfahrung bei diesen „Standard“ Wärmepumpen ist hier mit einer guten Marktabdeckung die nächsten Jahre zu rechnen. Doch wie ist die Situation bei Großwärmepumpen und Hochtemperaturanwendungen? Welche Lösungen bieten die Hersteller bereits heute und mit welchen Entwicklungen ist in naher Zukunft zu rechnen? Wie schaut die Förderlandschaft für diese Geräte derzeit aus, welche Projekte wurden bereits realisier? Nachfolgender Artikel soll hier einen aktuellen und kompakten Überblick geben.

Definition Großwärmepumpe – Ab wieviel kW Heizleistung ist eine Wärmepumpe groß?

Bei der Definition, ab welcher Leistung wir von einer Großwärmepumpe sprechen, scheiden sich die Geister. Im Gesetzentwurf der Bundesregierung für das GEG heißt es wörtlich: „Abgeleitet aus den Verkaufszahlen für große Wärmepumpen (> 20 kW), ..“. Etwas mutiger wird der BWP in seiner Broschüre „Wärme- und Kältekonzepte mit Großwärmepumpen“, hier gilt die Definition: „Großwärmepumpen, gelegentlich auch große Wärmepumpen genannt, starten bei ca. 100 kW und können Leistungen von mehreren MW erreichen“. Die Definition mit Leistungen > 100 kW ist auch in der VDI 4646 „Anwendung von Großwärmepumpen“ zu finden, welche ab Februar 2024 verfügbar sein sollte. https://www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-4646-anwendung-von-grosswaermepumpen

In der Branche liegt der Leistungsbereich deutlich höher. Bei dem Seminar „Großwärmepumpen und Hochtemperaturanwendungen“ im Mai 2023 waren sich die Teilnehmer ziemlich einig, dass ab 500 -1.000 kW von einer Großwärmepumpe gesprochen wird, diese Einschätzung teilt auch der Autor.

Marktstand

Die Versorgung von Industrie und Gebäuden beinhaltet ein riesiges Potential zur Einsparung fossiler Brennstoffe. Der BWP sowie die Agora Energiewenden in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IEG gehen davon aus, dass nur 20% des Wärmebedarfs aus erneuerbarer Energie stammen und ca. 80% weiterhin fossil erzeugt werden. Für den Gebäudesektor beträgt der Endenergieverbrauch für Raumwärme und Warmwasser rund 806 TWh, für die Prozesswärme im Industriesektor 543 TWh und für sonstige Anwendungen wie z.B. Klima- und Prozesskälte, mechanische Energie und Beleuchtung 1058 TWh. 2021 wurde für die Wärmenachfrage bis zu einem Temperaturniveau von 200°C 43% des deutschen Endenergieverbrauchs eingesetzt. Hierfür wurden ca. 75% des deutschen Erdgasverbrauchs notwendig. Diese Zahlen machen deutlich, welches Potential im Einsatz von Großwärmepumpen steckt. Anfang 2023 waren erst 60 Megawatt an Leistung installiert. McKinsey geht in einer Studie von einen Gesamtmarkt für Großwärmepumpen bis 2030 von 43 Mrd. € aus.

Welche Faktoren beeinflussen nun den Hochlauf?

Stand heute dürften mehrere Faktoren verantwortlich sein. Die Gesetzgebung mit der Forderung von mindestens 65% EE Energie gibt ein klares Zeichen für den Einsatz von Wärmepumpen gegenüber Wärmeerzeuger mit fossiler Energie, jedoch braucht es hier Klarheit und langfristige Verlässlichkeit. Förderprogramme unterstützen finanziell bei der Investition. Diese sind aber leider teilweise kompliziert aufgebaut, werden laufend angepasst und wenn die Fördertöpfe leer sind, gibt es auch kein Geld. In diesem Bereich wird empfohlen, einen professionellen Förderberater hinzuzuziehen. Da die Anschaffungskosten für Großwärmepumpen in der Regel höher sind als für herkömmliche Heizsysteme, kann dies auch ein Kriterium gegen diese Technologie sein. Die spezifischen Kosten werden mit 200 bis 1.500 €/kW angesetzt, je nach Ausführung, Größe und Betriebsbedingungen. Gerade in Industrieunternehmen gibt es oftmals strenge Vorgaben zu den Amortisationszeiten, werden diese nicht erreicht, trotz niedrigerer Betriebskosten, wird keine Wärmepumpe angeschafft.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die hohe elektrische Anschlussleistung sowie ein langfristig planbarer niedriger Strompreis und eine gesicherte Stromversorgung.

Integration und Planungsgrundlagen

Noch wichtiger ist jedoch die Verfügbarkeit einer geeigneten Wärmequelle. Diese muss ausreichend und kontinuierlich Leistung haben und langfristig verfügbar sein, um diese sinnvoll nutzen zu können. Ist dies nicht der Fall, steigen die Anforderungen im Bereich der Speichersysteme, um einen zeitlichen Versatz zwischen Bedarf und Angebot auszugleichen. Um die energetische Verknüpfung von Prozessströmen zu optimieren, wird die Pinch-Analyse empfohlen.  Eine sorgfältige Bestandsaufnahme, gefolgt von einer Planung ist unabdingbar, jedoch fehlt es in diesem Bereich oftmals an Erfahrung, die VDI 4646 ist noch im Bearbeitungsstand. In der VDI wird ein Planungsprozess für die Integration von Wärmepumpen in Produktionsanlagen definiert werden. Es wird eine Methodik mit Analyse der örtlichen Gegebenheiten, Rahmenbedingungen, geeigneter Integrationspunkte, Auswahl von Wärmepumentypen und Systemauslegung, Dimensionierung der Systemkomponenten beschrieben.

 Leistungsbereiche und Temperaturniveaus

Großwärmepumpen können je nach Verdichter Technologie, Kältemittel, Wärmequelle und Temperaturniveau auf Wärmesenken- und Wärmequellenseite bis zu 70 MW Heizleistung erzeugen, Vorlauftemperaturen von bis zu 200°C sind bereits heute möglich.

Bei Hubkolbenverdichter finden oft die natürlichen Kältemittel NH3 (R717) oder CO2 (R744) Verwendung. Schraubenverdichter werden meist mit NH3 oder mit den Kältemitteln R1234ze, R1233zd, R245fa oder R1366mzz(Z) betrieben. Bei einem hohen Temperaturhub kann dies auch durch zwei Kältekreisläufe in Kaskadenschaltung erreicht werden.  Bild 1 verdeutlicht den Betriebsbereich eines Schraubenverdichters in Abhängigkeit vom Temperaturniveau der Wärmequelle und Wärmesenke. Bei Turboverdichter größerer Leistung kann weiterhin der Einsatz von HFO-Kältemitteln beobachtet werden.

Bild 1: Einsatzbereich für Schraubenverdichter unterschiedlicher Kältemittel (BITZER Kühlmaschinenbau)

Eine pauschale Aussage, welches Kältemittel verwendet werden soll, ist nicht möglich. Bei einer für den Großwärmepumpenkongress im Mai 2023 durchgeführte Umfrage durch Dr. Cordin Arpagaus vom Institut für Energiesysteme (IES) an der Ostschweizer Fachhochschule (OST) unter 14 Herstellern gab es folgende Resultate:

  • Die Hauptkriterien für die Auswahl des Kältemittels sind die Thermodynamische Eignung, die Umweltauswirkungen und der Wirkungsgrad
  • Welche Kältemittel derzeit und in Zukunft verwendet werden, zeigt Bild 2:

Bild 2: Umfrageergebnis verwendetes Kältemittel derzeit und geplant für die Zukunft (Quelle: Dr. Cordin Arpagaus, Institut für Energiesysteme (IES), Ostschweizer Fachhochschule (OST), Stand Mai 2023)

  • Für die Entwicklungszeit, die Produktion von einem synthetischen auf ein natürliches Kältemittel umzustellen, wurden Zeiträume von 6 Monaten bis 5 Jahre genannt.

Derzeit ist die Novellierung der Verordnung (EU) 517/2014 im EU-Rat, EU-Parlament und der EU-Kommission im Trilog, eine Entscheidung wird noch in diesem Jahr erhofft. Es gilt als sehr wahrscheinlich, dass eine Reduzierung der in Verkehr zu bringenden CO2 Äquivalente beschlossen wird, die genaue Ausgestaltung ist aber weiterhin offen. Neben geringer GWP Werte sind verschiedene Kältemittel auch wegen der PFAS Beschränkung in starker Diskussion, es wären einige der HFC und HFO Kältemittel betroffen. Auch bei diesem Punkt ist eine zeitnahe Entscheidung notwendig, um Planungssicherheit zu erlangen. Natürliche Kältemittel und Kohlenwasserstoffe sind hiervon nicht betroffen, Tabelle 2 gibt weitere Informationen:

Eine Übersicht der Entwicklungsstufen, der Hersteller, eingesetztes Kältemittel und Verdichtertechnologie unter Berücksichtigung der Heizleistung und maximaler Vorlauftemperatur kann dem Annex 58 der Internetseite der Heat Pump Technologies entnommen werden:

https://heatpumpingtechnologies.org/annex58/task1/

Beim Anklicken der Hersteller öffnet sich ein Datenblatt mit weiteren Informationen zu der entsprechenden Wärmepumpe.

 

Standard und Tailor-made Wärmepumpen

Die bekannten Hersteller, welche im Leistungsbereich von 3 kW bis ca. 250 kW den Markt für Heizungswärmepumpen für Wohngebäude beherrschen, besitzen einen vernachlässigbaren Marktanteil. Für die „Standard-Großwärmepumpen“ kommen die Hersteller größtenteils aus dem Bereich der Kaltwassersätze. Bestehende Baureihen werden mit Fokus auf die Wärmeerzeugung optimiert. Mit Standard ist gemeint, dass eine Kaltwasserserienmaschine genutzt wird und diese an bestimmten Bauteilen (optimiertes Verdichter Volumenverhältnis, stärkerer Motor, optimierte Motorkühlung) auf höhere Drücke und Temperaturen angepasst wird. Bei Wasser-Wasser Wärmepumpen sind bereits Geräte bis ca. 2 MW mit Wärmequelleneintrittstemperaturen von bis zu 45°C und Wärmesenkenaustrittstemperaturen bis zum 85°C erhältlich. Ins besonders wurde der Betrieb mit hohen Verdampfungstemperaturen optimiert, um hohe Wärmequellentemperaturen, wie z.B. Abwärme von Rechenzentren, nutzen zu können (Bild 3).

Bild 3: Nutzung von Abwärme auf hohem Temperaturniveau (Quelle: Seminarunterlagen Lars Keller / greenDCision GmbH)

Unter Tailor-made Wärmepumpen definiert der Autor folgende Ausführungen:

  • Als Standardserie bestehen, aber trotzdem eine sehr große Anpassung der Bauteile an die Betriebsbedingungen erfolgt. Dies können z. B. sein:
  • Motorgröße / Motorspannung (0,4 – 20 kV)
  • Wärmetauscherkonfiguration betreffend Material, Rohranzahl, Passzahl, Durchmesser, Länge
  • Verdichterausführung Impeller, Getriebe, Kupplung
  • Vollkommen Projekt bezogen gebaut wird

Besonders bei Fernwärmeanwendungen kann eine Großwärmepumpe sinnvoll betrieben werden. Als Wärmequelle wird Abwärme, Grundwasser, Flusswasser oder Erdwärme genutzt, da diese über das gesamte Jahr ein einigermaßen gleichbleibendes Temperaturniveau zur Verfügung stellen. Als Projektbeispiel sei die Wärmepumpe im Restmüllheizkraftwerk Stuttgart-Münster genannt. Bei einem COP von 3 werden 20-24 MW Heizleistung produziert. Der Vorlauf von 90°C wird für die erste Aufheizstufe eingesetzt und mit einem weiteren Wärmeerzeuger auf 120°C gehoben. Der Rücklauf von 60°C tritt erneut in die Wärmepumpe ein. Nähere Informationen sind über diesen Link erhältlich:

https://www.enbw.com/unternehmen/konzern/energieerzeugung/neubau-und-projekte/kraftwerk-stuttgart-muenster/grosswaermepumpe.html

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