Abwärmenutzung mit Großwärmepumpen – die perfekte Kombination für mehr Energie- und Kosteneffizienz in Industrieprozessen

Die Energiewende gelingt nur im Energie-Dreisprung:

1. Ausbau und Nutzung der Erneuerbaren Energien
2. Senkung des Energiebedarfs durch innovative Lösungen
3. Steigerung der Energieeffizienz

Für die Maximierung der Energieeffizienz bieten sich clevere, innovative Technologien an wie u.a. Kraft-Wärme-Kopplung, ORC- (Organic Rankine Cycling) Power-to-Heat- und/oder Maßnahmen zur Prozessoptimierung und Digitalisierung. Die Kombination von Abwärme und Wärmepumpen ist in diesem Zusammenhang eine weitere Schlüsseltechnologie

Unterschiede zwischen herkömmlichen und industriellen Wärmepumpen

Wärmepumpen nutzen Energie aus ihrer Umgebung, um Wärme für Heizzwecke bereitzustellen. Während herkömmliche Wärmepumpen Umweltwärme aus der Luft, dem Wasser oder Erdreich verwenden, greifen industrielle Wärmepumpen auf überschüssige Wärme aus technischen Anlagen und Industrieprozessen zurück.

Sowohl herkömmliche als auch industrielle Wärmepumpen wurden speziell für ihre Einsatzbereiche entwickelt und optimiert. Wärmepumpen für industrielle Anwendungen erzeugen Wärme im Megawattbereich. Sie arbeiten mit erprobten Komponenten aus der Kältetechnik. Dagegen erzeugen Wärmepumpen im Immobiliensegment nur einige Kilowatt Heizleistung. Sie arbeiten besonders effizient bei kleinen Temperaturhüben und niedrigen Vorlauftemperaturen, z.B. 25 - 30 °C, während ihren industriellen Pendants Prozesstemperaturen von 80 °C und höher liefern.

Großwärmepumpen erobern den Immobiliensektor

Industrielle- und semi-industrielle Wärmepumpen werden heute vermehrt auch im Immobilienbereich eingesetzt, überall dort, wo der Bedarf an Heizwärme und Kühlung groß ist, wie in Kliniken, großen Bürogebäuden und Einkaufszentren. Entsprechend den Größendimensionen und Anforderungen der Immobilien ist der Übergang zwischen den Technologien fließend.

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Funktionsweise einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe funktioniert nach folgendem Kreislaufprinzip:

• Wärmeaufnahme und Verdampfung: Abwärme verdampft ein Kältemittel bei niedrigen Drücken und moderaten Temperaturen (z. B. 30-80 °C)
• Kompression: Ein Verdichter erhöht Druck und Temperatur des gasförmigen Kältemittels.
• Wärmeabgabe und Kondensation: Heißes Kältemittel gibt die Wärme im Verflüssiger an einen Sekundärkreislauf ab, dabei wird es verflüssigt
• Entspannung: Das verflüssigte Kältemittel wird über eine Drossel entspannt, dabei abgekühlt und größtenteils in die gasförmige Phase überführt

Technische Vorteile von industriellen Wärmepumpen 

Großwärmepumpen bieten strategische Vorteile und unmittelbare technische Vorteile in den Produktionsprozessen:

• Nutzung ungenutzter Abwärme: Bisher ungenutzte oder nur zum Teil genutzte Abwärme kann effizient und wirtschaftlich verwertet werden.
• Gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Kälte: Wärmepumpen können sowohl für Heizung als auch Kühlung eingesetzt werden, was sie besonders nützlich in Prozessen mit wechselnden Anforderungen macht.
• Stabile Prozesswärme: Wärmepumpen liefern konstante Temperaturen für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.
• Hoher Leistungskoeffizient (COP): Wärmepumpen sind effizient, da sie die eingesetzte Energie für den Antrieb des Kompressors in ein Mehrfaches an thermischer Energie wandeln. Das Verhältnis zwischen Nutzwärme und Antriebsenergie wird als „Coefficient of Performance“ (COP) bezeichnet, dieser sollte > 3 betragen.
• Modularität und Skalierbarkeit: Wärmepumpen können modular aufgebaut und problemlos in bestehende Systeme integriert werden, wodurch sie für kleine wie große Anwendungen geeignet sind und sich problemlos skalieren lassen.
• Flexibilität der Wärmequelle: Die Abwärme aus einer Vielzahl von Quellen lässt sich nutzen, z. B. aus Produktionsprozessen, Kühlsystemen, Luft oder Abwasser
• Langlebigkeit: Moderne Wärmepumpensysteme sind robust und wartungsarm
• Verbesserte Energiequalität: Wärmepumpen „veredeln“ Abwärme durch Temperaturanhebung, wodurch diese für Anwendungen nutzbar wird, die höhere Temperaturen erfordern.
• Reduzierte Emissionen: Durch die Nutzung vorhandener Wärmequellen und die Reduktion des Primärenergiebedarfs werden CO₂-Emissionen und andere Schadstoffe signifikant reduziert.
• Vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Wärmepumpen sind in allen Branchen einsetzbar und geeignet für Heizung, Kühlung und Energiegewinnung in der Industrie und großen Gebäuden.

LowEx-Systeme und Cross-Energy-Konzepte für maximale Effizienz

Ihr maximales Leistungs- und Nutzenpotenzial schöpfen Wärmepumpen im Bereich Haustechnik im Zusammenspiel mit anderen innovativen Technologien, Komponenten und Konzepte aus. Dazu gehören u.a.

• Thermische Flüssigkeitsspeicher
• Aktivierte Betonwände
• Reversible Wärmepumpen (also für Wärme und Kälte)

Geniales Prinzip

In einem LowEx-System werden die energetischen Potenziale sehr niedrig gehalten und optimal ausgeglichen. Für eine Raumtemperatur von 20 °C wird also kein Heizwasser mit Erdgas auf 60 -70 °C erhitzt, sondern 10 °C kaltes Brunnenwasser mittels Wärmepumpen auf 30 °C erwärmt. Entsprechend gute Wärmestandard die Voraussetzung für Heizen mit Niedertemperatur. Damit spart man nicht nur Energie, sondern besonders hochwertige Energie, sog. Exergie. Ein intelligentes, KI-unterstütztes „Cross Energy Concept“ (CEC) managt das virtuose Zusammenspiel aller Energieträger und -speicher.

Praktische Anwendungsbeispiele in der Industrie

Die Nutzung von Abwärme durch Wärmepumpen bietet in der Industrie erhebliche Potenziale, um Energieverluste zu minimieren, Energieeffizienz zu maximieren und Betriebskosten zu senken. Die vielseitige Technologie ist in nahezu allen Produktionsprozessen und Branchen einsetzbar.

Getränke- und Brauindustrie: In Brauereien wird Abwärme aus der Würzekühlung oder dem Sudhaus genutzt, um Wasser zu erwärmen. In der Getränkeindustrie können Wärmepumpen die Energie für Pasteurisierungs- oder Abfüllprozesse effizient bereitstellen und so Produktionskosten senken.

Lebensmittelindustrie: Bei der Lebensmittelherstellung, wie z. B. in Molkereien, wird Abwärme aus Kälteanlagen oder Kochprozessen genutzt, um Prozesswärme bereitzustellen oder andere Produktionsschritte zu unterstützen.

Papierindustrie: Die Papierproduktion erzeugt große Mengen an Abwärme, z. B. beim Trocknen. Wärmepumpen können diese Wärme zurückgewinnen und für die Erwärmung von Wasser oder Luft wiederverwenden. Auch die Dampferzeugung mittels Wärmepumpe ist Stand der Technik. 

Rechenzentren: Die Abwärme von Serverräumen und Rechenzentren wird durch Wärmepumpen in Heizungssysteme oder in ein Nahwärmenetz eingespeist.

Schlüsseltechnologie für Wachstum und Marktstärke

Die Technologie der Abwärmenutzung leistet mit Blick auf die zentralen Erfolgsfaktoren – Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz und Wirtschaftlichkeit,– einen starken Beitrag. Das hilft den Unternehmen in ihren Bestrebungen, Wachstum und Marktstärke langfristig zu sichern.

Hohe Energie- und Kosteneffizienz. Die Nutzung von Abwärme reduziert den Bedarf an Primärenergie. Abwärme, die sonst ungenutzt an die Umgebung abgegeben würde, wird effektiv weiterverwendet. Die Integration von Wärmepumpen ermöglicht eine bessere Energieausnutzung in allen industriellen, thermischen Prozessen.

Unabhängige und flexible Energieversorgung: Durch die Einsparung fossiler Brennstoffe bzw. die Elektrifizierung der Wärmeerzeugung machen sich Betriebe unabhängiger von Marktpreisen für Erdgas, Heizöl und CO₂-Zertifikate. Gleichzeitig flexibilisieren sie ihre Versorgung. Zukünftig ist ein kostenoptimierter, marktpreisgesteuerter Einsatz der Wärmepumpe in Kombination mit dem konventionellen Back-Up möglich.

Produktivität und Wirtschaftlichkeit: Die Technologie armortisiert sich schnell, bedingt durch die geringeren Betriebskosten und die optimierten Produktionsprozesse. Die Langlebigkeit und der geringe Wartungsaufwand der Systeme reduzieren die Betriebsausgaben auf lange Sicht. Fördermittel verringern die Investitionskosten.

Staatliche Förderung: Umfangreiche Förderprogramme kompensieren die Kosten für die Anschaffung und den Betrieb von Abwärme-Wärmepumpen. Darauf wollen wir hier noch etwas detaillierter eingehen.

Förderungen von bis zu 60 Prozent

Wärmepumpen sind teurer als Gaskessel, profitieren aber von umfangreichen Förderprogrammen. Das Modul 4 des EEW-Förderprogramms unterstützt die Nutzung von Produktionsabwärme, etwa durch Wärmepumpen, mit Förderquoten von bis zu 45 Prozent für KMU und 25 Prozent für große Unternehmen. Der BMWK-Förderwettbewerb „Energie- und Ressourceneffizienz“ bietet sogar bis zu 60 Prozent Förderung, maximal 20 Millionen Euro pro Projekt. Für Wärmepumpen zur Raumwärmeerzeugung gibt es über die BEG-Förderung einen Zuschuss in Höhe von 30 Prozent.

Fazit

Die effiziente Nutzung von Abwärme aus Produktionsprozessen mittels Abwärme-Pumpen ist für moderne Industrieunternehmen eine der Schlüsseltechnologien in ihrem Energieversorgungskonzept, das wir gerne gemeinsam mit ihnen erarbeiten. Lassen Sie uns die Energieeffizienz in ihrem Unternehmen steigern, Nutzenpotentiale erschließen und gleichzeitig einen positiven Beitrag zum Umweltschutz leisten. Lassen Sie uns reden.