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Heiztechnik für die Fabrik der Zukunft

Wärmepumpen
Heiztechnik für die Fabrik der Zukunft

In Wohngebäuden sind sie mittlerweile längst Standard – aber warum tut sich die Industrie noch so schwer mit dem Einsatz von Wärmepumpen? ❧

Sabine Koll

Mit einem Marktwachstum von 17 % gegenüber dem Vorjahr und einem Absatz von insgesamt 78 000 Heizungswärmepumpen war 2017 ein neues Rekordjahr für Wärmepumpen in Deutschland. Dies geht aus den aktuellen Zahlen hervor, die der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V. vorgelegt hat.

Im vergangenen Jahr haben die Denkfabrik Agora Energiewende, die Deutsche Energieagentur (dena) und der Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI) umfassende Studien zur Energiewende erstellt. Aus allen dreien ergibt sich laut BWP, dass ein deutlich stärkerer Ausbau des Wärmepumpen‐Bestands – der heute bei rund 800 000 Anlagen liegt – notwendig ist, um die Klimaziele zu erreichen. Die Experten gehen dabei von rund 4 bis 8 Millionen Anlagen bis 2030 und rund 8 bis 17 Millionen bis 2050 aus, damit Deutschland seine Verpflichtungen aus dem Pariser Klimaabkommen erfüllen kann.

„Der Wärmepumpenabsatz pro Jahr steigt in den Trendszenarien zwar um rund 60 Prozent gegenüber dem heutigen Stand, er müsste sich aber für die Erreichung der Zielszenarien im Mittel mehr als verfünffachen“, stellt beispielweise Matthias Deutsch in der Studie „Wärmewende 2030“ von Agora Energiewende fest.

In der Beheizung von Wohngebäuden konnte sich die Wärmepumpe in den vergangenen Jahren somit als Standardlösung etablieren. Im Gebäudeneubau beläuft sich der Marktanteil von Wärmepumpen an der Gesamtzahl der abgesetzten Wärmeerzeuger auf 30 %.

Doch die Ausrüstung von Wohngebäuden reicht dafür nach Expertenmeinung bei Weitem nicht aus: Großwärmepumpen, die von der Industrie eingesetzt werden, gelten Agora Energiewende vielmehr als Schlüsseltechnologie: „Großwärmepumpen sind heute schon wirtschaftlich, wenn Kühlung und Wärmbedarf gleichzeitig anfallen, und sie haben ein großes Potenzial für Wärmenetze. Insbesondere wenn höhere Quelltemperaturen und damit eine höhere Effizienz möglich ist, ist auch eine frühere Wirtschaftlichkeit gegeben“, heißt es in der Studie.

Der Vorteil von Wärmepumpen in der Industrie: Die im Rahmen der industriellen Produktion eingesetzte Energie wird zu überwiegenden Teilen letztlich in Wärme gewandelt. Ist das Temperaturniveau dieser Wärme zu gering, als dass man sie weiterhin direkt nutzen könnte, so wird sie als Abwärme an die Umgebung abgegeben. Mit der Wärmepumpentechnik besteht indes die Möglichkeit, diese Wärme auf ein nutzbares Temperaturniveau anzuheben und sie so erneut zu nutzen.

So haben Roth Werke, Hersteller von Energie- und Sanitärsystemen mit Sitz in Dautphetal, durch die betriebsinterne Nutzung von Prozessabwärme mithilfe von Wärmepumpen den Energieverbrauch der Heizung um knapp 1,7 GWh pro Jahr reduzieren können. Im Rahmen einer energetischen Optimierung der Heizung für die Behälterfertigung wurde einer von zwei Ölkesseln stillgelegt und durch drei Sole/ Wasser-Wärmepumpen (Kompressionswärmepumpen) ersetzt. Durch die Wärmepumpen kann die Prozessabwärme auf ein Temperaturniveau von etwa 50 °C angehoben und zu Heizzwecken genutzt werden. Die Wärmepumpen heizen die Halle heute während der Produktionszeit. Der noch vorhandene Ölkessel wird nur noch als Spitzenlastkessel eingesetzt. Dadurch spart Roth mehr als 150 000 Euro jährlich ein.

Marktdurchdringung von
Industriewärmepumpen noch sehr gering

Trotz solcher Leuchtturmprojekte ist die Marktdurchdringung von Industriewärmepumpen in Deutschland noch sehr gering, stellt die Studie „Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen in Deutschland“ fest, die das Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart vor drei Jahren vorgelegt hat. An diesem Status hat sich bis heute nicht viel verändert.

Dies gilt auch für die Schweiz, wie die Wissenschaftler des IER ermittelt haben. Dem Grund dafür sind sie mit einer nicht-repräsentativen Umfrage Ende 2016 nachgegangen. Das Ergebnis: Das größte Hemmnis stellen mit 37 % die aktuellen Energiepreise dar, gefolgt von den hohen Erwartungen an die Amortisationszeit, der Produktakzeptanz und hohen Investitionen (je 22 %). Ein weiteres Hemmnis stellt mit 19 % der Mangel an Wissen über Möglichkeiten der Wärmepumpentechnik in der Industrie dar.

Die Skepsis bei der Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpenanwendungen ist für die IER-Forscher nachvollziehbar: „Zum einen handelt es sich bei Großwärmepumpen um individuelle Sonderanfertigungen oder Produkte, die in sehr kleinen Losgrößen gefertigt werden. Durch größere Losgrößen ließen sich Produktivitätsgewinne aufgrund von Skaleneffekten realisieren“, sagt Professor Peter Radgen, Inhaber des Lehrstuhls für Energieeffizienz am IER.

Einen Ausweg sieht er in einer stärkeren Modularisierung der Wärmepumpen, sodass einige Teile des Kältekreises oder der hydraulischen Einbindung in größeren Stückzahlen gefertigt werden können: „Soweit am Aufstellungsort genügend Bauraum verfügbar ist, könnten auch mehrere Standardwärmepumpen zu einer Großwärmepumpenanlage verschaltet werden.“

Im Niedertemperaturbereich, der neben Raumwärme- und Warmwassererzeugung auch Prozesswärme bis zu einer Temperatur von 70 °C umfasst, besteht laut IER ein Potenzial von 11 % des industriellen Wärmebedarfs in Deutschland, das mit bereits erprobter und breit verfügbarer Wärmepumpentechnik erschlossen werden könnte. Prädestiniert für dieses Temperatursegment sind demnach der Maschinenbau und die Automobilindustrie, die einen vergleichsweise hohen Raumwärmebedarf aufweisen. Mögliche Wärmequellen in diesen Branchen sind Druckluft- und Kälteanlagen sowie Abwärme aus der Maschinenkühlung.

Das Angebot von Wärmepumpen mit großer Leistung und hohen Vorlauftemperaturen ist laut IER in den vergangenen Jahren ständig gewachsen. Deren Leistungsspektrum reicht von 15 kW bis zu 20 MW. Durch Parallelbetrieb lassen sich größere Heizleistungen realisieren. Eine Reihe von Herstellern bieten Hochtemperaturwärmepumpen an, die 100 °C oder mehr Vorlauftemperatur liefern können.

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