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Hochtemperatur-Wärmepumpen für die Industrie

Hochtemperatur-Wärmepumpen für die Industrie

Industriewärmepumpe ThermBooster™ in der Produktionshalle
Unternehmen

Meilensteine der Energieeffizienz

Kostensenkung durch Energieeinsparung und Wettbewerbsvorteile durch Nachhaltigkeit: Zwei deutliche Vorteile, die Hochtemperatur-Industriewärmepumpen für die Prozessindustrie bieten. Sie sind eine innovative Lösung für viele Branchen, wenn es um Energieeffizienz, Kosteneinsparung und CO2-Reduktion geht. Ihr Potenzial bleibt jedoch noch vielfach ungenutzt, denn bei Anwendern herrscht häufig Unsicherheit über ihre Anwendungsmöglichkeiten.

Alles Wissenswerte rund um Hochtemperatur-Industriewärmepumpen

Mit diesem Blogartikel möchten wir Ihnen alles Wissenswerte rund um Hochtemperatur-Industriewärmepumpen vermitteln und aufzeigen, warum sie für die Zukunft der Industrie so wichtig sind. Hochtemperatur-Industriewärmepumpen sorgen für Energieeffizienz, Kosteneinsparung und CO2-Reduktion und können damit einem Unternehmen höhere Wettbewerbsfähigkeit verschaffen – durch Wirtschaftlichkeit, aber auch durch eine bessere Klimabilanz. Denn in den kommenden Jahren wird kein Unternehmen mehr am Thema Nachhaltigkeit vorbeikommen.

Was leisten Hochtemperatur-Industriewärmepumpen?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Industriewärmepumpen können Hochtemperaturwärmepumpen Prozesswärme bis zu 200 Grad Celsius erzielen, indem sie Abwärme aus industriellen Prozessen effizient nutzen und in die benötigte Wärme in Form von Dampf oder Wasser umwandeln. Das heißt, die in vielen Industriebereichen erforderliche Prozesswärme zwischen 100 und 200 Grad Celsius kann mit der gleichen energieeffizienten Technologie erzeugt werden, die bei einer Wärmepumpe im Haus zum Einsatz kommt. Dies senkt den Energieverbrauch in der Industrie erheblich und reduziert gleichzeitig den Ausstoß von CO2. Das ist nicht nur ökologisch sinnvoll, sondern auch wirtschaftlich: Unternehmen unterliegen nicht mehr schwankenden Preisen bei der Energiebeschaffung, können ihre Energiekosten reduzieren und ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern.

Auch im Hinblick auf die Energiewende und den Klimaschutz spielen Hochtemperatur-Industriewärmepumpen eine wichtige Rolle. Durch die Senkung des CO2-Ausstoßes leisten sie einen entscheidenden Beitrag zur Nachhaltigkeit eines Unternehmens und damit auch zum Erreichen der Klimaziele – ein Aspekt, der zunehmend in den Fokus der Stakeholder rückt. In Kombination mit klimaneutral erzeugtem Ökostrom kann die Prozesswärme sogar CO2-neutral produziert werden.

  • Unabhängigkeit von fossilen Energien und schwankenden Energiepreisen
  • Senkung des Energieverbrauchs
  • Beitrag zur Nachhaltigkeit eines Unternehmens
  • Zukunftsfähigkeit bei steigenden CO2-Abgaben

So funktionieren Hochtemperatur-Industriewärmepumpen

Bei der Erzeugung von „herkömmlicher“ Prozesswärme durch fossile Brennstoffe verpufft die Restwärme oder muss sogar mit zusätzlichem Energieaufwand wieder gekühlt werden. Denn Niedertemperatur-Abwärme aus Produktionsprozessen unter 100 Grad Celsius ist in der Regel nicht weiter nutzbar und wird oftmals abgeführt. Das ist weder effizient noch umweltfreundlich. Hierin steckt das große Potenzial einer Wärmepumpe: Sie nutzt die Energie der Abwärme als Wärmequelle, wandelt sie mithilfe einer geringen Menge elektrischer Energie in die erforderliche Prozesswärme mit hohen Temperaturen um und stellt sie für die industriellen Produktionsprozesse zur Verfügung.

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Die am meisten verbreiteten Wärmepumpen sind sogenannte Kompressionswärmepumpen. Dies ist eine bewährte Technologie, wie sie in Heizungen oder in umgekehrter Form in Kühlschränken seit Jahrzehnten zum Einsatz kommt: Ein flüssiges Kältemittel entzieht der Wärmequelle (also der Abluft oder im Kühlschrank den Lebensmitteln) Energie und erwärmt sich dadurch. Aufgrund seines niedrigen Siedepunktes verdampft das Kühlmittel, und wird anschließend in einem Kompressor auf einen höheren Druck verdichtet, wobei es sich stark erhitzt. Ein Wärmetauscher überträgt die entstandene hohe Wärme auf das Anwendungssystem (Dampf oder Heißwasser), die Wärmesenke. Dabei verflüssigt sich das Kältemittel wieder und kühlt dabei weiter ab. Das flüssige, warme und unter hohem Druck stehende Kältemittel wird anschließend wieder auf niedrigen Druck und niedrige Temperatur entspannt. Da dies ein stetiger Kreislauf ist, kann das Kältemittel danach erneut Wärme aufnehmen. Als Kältemittel werden umweltfreundliche Medien, wie zum Beispiel Propan, oder moderne synthetische Kältemittel mit niedrigem GWP (Global Warming Potential) eingesetzt. Faktoren für die Auswahl des Kältemittels sind thermische Eignung, Umweltverträglichkeit, Sicherheit, Preis und Effizienz.

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Einsatzgebiete für Hochtemperatur-Industriewärmepumpen

Bislang waren Industriewärmepumpen auf Temperaturen bis etwa 100 Grad Celsius beschränkt und damit für viele industrielle Prozesse nicht nutzbar. Die SPH GmbH hat nun mit einer innovativen Kompressortechnik und einem modularen Aufbau der Wärmepumpe, kombiniert mit speziellen Kältemitteln, eine überzeugende Lösung für unterschiedlichste Anwendungsszenarien entwickelt. Die Einsatzgebiete sind vielfältig: Von der Produktion von Lebensmitteln (z.B. Sterilisierung und Pasteurisierung) über die Destillation in der Chemie- oder Pharmaindustrie bis hin zu Trocknungsprozessen in der Papierherstellung – überall dort, wo Prozesswärme benötigt wird, können Hochtemperatur-Industriewärmepumpen für mehr Effizienz und niedrigeren Energieverbrauch sorgen. Dank der innovativen Kolbenkompressor-Technologie können sie inzwischen Temperaturen bis 200 Grad Celsius erzeugen und werden damit auch für Unternehmen interessant, die hohe Temperaturen für ihre Prozesse benötigen.

  • Vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Lebensmittel-, Chemie-, Pharma- oder Papierindustrie
  • Hohe Temperaturen dank innovativer Kolbenkompressor-Technologie
  • Auch dort, wo hohe Temperaturen bis 200 Grad Celsius benötigt werden

Vorteile von Hochtemperatur-Industriewärmepumpen

Hochtemperatur-Industriewärmepumpen bieten zahlreiche Vorteile gegenüber Heizsystemen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Einer der größten Vorteile ist ihre hohe Effizienz: Im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen verbraucht eine Wärmepumpe bis zu 70 Prozent weniger Energie. Darüber hinaus lässt sie sich flexibel für verschiedene Anwendungen einsetzen, die Prozesswärme benötigen. Sie kommt grundsätzlich überall dort infrage, wo Prozesswärme bis maximal 200 Grad Celsius erforderlich ist.

Ein weiterer Vorteil ist ihre Umweltfreundlichkeit: Die Hochtemperatur-Industriewärmepumpe nutzt Abwärme aus eigenen industriellen Prozessen und reduziert somit den CO2-Ausstoß. Die einzige Energiequelle, die eine Wärmepumpe benötigt, ist ein kleiner Anteil Strom für ihren Antrieb und einige Nebenagregate. Das bedeutet: Bezieht ein Unternehmen Strom aus erneuerbaren Energien, kann es den CO2-Ausstoß seiner Anlage sogar gen Null senken! Das bedeutet nicht nur Unabhängigkeit von der Ressource Gas, sondern ermöglicht auch zukünftige Ersparnisse, angesichts der steigenden Preise für CO2-Abgaben, deren Höhe sich voraussichtlich bis 2026 verdoppeln werden.

Anwendungen in verschiedenen Branchen

In verschiedenen Branchen werden Hochtemperatur-Industriewärmepumpen bereits erfolgreich eingesetzt. Die spezifischen Anwendungen können je nach den Anforderungen und Prozessen der einzelnen Branchen variieren. Einige typische Anwendungsfälle für industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpen stellen wir Ihnen hier vor. Sie zeichnen sich alle durch einen hohen Wärmebedarf bei einzelnen Prozessschritten bei gleichzeitig hoher Abwärme aus.

Lebensmittelverarbeitende Industrie:

  • Erhitzen und Pasteurisieren von Lebensmitteln wie Milch, Säften und Soßen
  • Trocknen und Dehydrieren von Lebensmitteln, wie Obst, Gemüse, Getreide und Fleisch
  • Kochen, Backen und andere thermische Prozesse in der Lebensmittelproduktion

Chemische Fertigungsindustrie:

  • Chemische Reaktionen in Prozessen wie Polymerisation, Destillation und katalytischen Reaktionen
  • Trocknen und Verdampfen, um Feuchtigkeit aus chemischen Lösungen, Suspensionen und Schlämmen zu entfernen

Papierindustrie:

  • Trocknungsprozesse entlang der gesamten Produktionskette. 

Voraussetzungen und Rahmenbedingungen

In der Vergangenheit war der Anwendungsbereich industrieller Wärmepumpen eingeschränkt. Sie konnten Ausgangstemperaturen von lediglich unter 100 Grad Celsius erzeugen, während ein Großteil des Prozesswärmebedarfs Temperaturen zwischen 100 bis 200 Grad Celsius erfordert. Dank eines speziell entwickelten Hochtemperaturkolbenkompressors in Verbindung mit der entsprechenden Prozesstechnik kann eine Wärmepumpe wie der ThermBoosterTM ausreichend hohe Ausgangstemperaturen bis 200 Grad Celsius erzeugen. Durch seinen mehrstufigen, modularen Aufbau bewältigt er auch große Temperaturhübe und hebt die Ausgangstemperatur auf das erforderliche Niveau. Zudem eignet sich diese innovative Technik nicht nur für Neuanlagen, sondern kann auch in bestehenden Anlagen nachgerüstet werden. Alle Infos zum ThermBoosterTM im Datenblatt nachlesen.

Wärmepumpentechnologie, auch mit größeren Leistungen in Gewerbe und Industrie, spielt im Hinblick auf Klimaschutz eine immer größere Rolle. Dass die Relevanz des Themas sowohl den Anwendern als auch der Politik immer mehr bewusst wird, zeigt die für Anfang 2024 geplante VDI-Richtlinie 4646 "Anwendung von Großwärmepumpen": Sie wird den Planungsprozess für die Integration von Wärmepumpen unter anderem in Produktionsanlagen definieren sowie eine Methodik zur Erfassung der Rahmenbedingungen und der Auswahl des geeigneten Wärmepumpensystems entwickeln.

Kosten für eine Hochtemperaturwärmepumpe

Im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen sind die Investitionskosten für industrielle Wärmepumpen höher. Allerdings gibt es Möglichkeiten, staatliche Förderung zu beantragen, beispielsweise im Rahmen des BAFA-/ KfW-Förderprogramms „Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft“.

Die Amortisationsdauer ist von verschiedenen Faktoren wie der Art der Wärmepumpe, ihrem Einsatzbereich und der Kostenentwicklung für Energieträger und CO2-Emissionen abhängig und lässt sich somit nicht pauschal veranschlagen. Grundsätzlich gilt jedoch: Je stärker die Kosten für Energie und CO2-Abgaben steigen, um so schneller amortisiert sich die Eingangsinvestition. Bei entsprechender Auslegung sind die weiteren Betriebskosten für eine Wärmepumpe geringer als bei herkömmlichen Heizsystemen, denn sie ist langlebig und wartungsarm.

  • Investitionskosten höher als in konventionelle Anlagen
  • Amortisationsdauer hängt von verschiedenen Faktoren ab
  • Betriebskosten niedriger als bei konventionellen Anlagen
  • Je höher die Energiekosten, desto schneller die Amortisation
  • Auch Nachrüstung in bestehenden Anlagen möglich

Auf einen Blick: Fazit

Hochtemperatur-Industriewärmepumpen sind ein zunehmend wichtiger Bestandteil einer nachhaltigen, effizienten und ressourcenschonenden Industrie. Ihre Stärken können sie in allen Branchen mit hohem Energiebedarf wie unter anderem der Chemie-, Papier- oder Lebensmittelindustrie ausspielen. Industrieunternehmen können mithilfe dieser Technologie ihre Energiekosten erheblich senken und sich unabhängig von schwankenden Preisen für fossile Energiequellen machen. Darüber hinaus senken sie ihren CO2-Ausstoß, leisten einen Beitrag zum Klimaschutz und machen die Produktion in Industrieunternehmen zukunftssicher.

Checkliste für den Einsatz einer Hochtemperatur-Wärmepumpe

  • Steht eine geeignete Wärmequelle in Form von Abwärme zur Verfügung?
  • Welche Prozesse mit Hochtemperatur-Wärmebedarf gibt es und wie hoch ist dieser?
  • Welche Temperatur wird hier gebraucht und wie groß ist der erforderliche Temperaturhub?
  • Ist der Stromanschluss ausreichend dimensioniert?
  • Ist die räumliche Nähe zwischen Wärmequelle und Wärmesenke gegeben?
  • Besteht Gleichzeitigkeit von Abwärme und Wärme-/Kältebedarf?
  • Können Fördermittel genutzt werden?
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