Einsatz von Wärmepumpen in der chemischen Industrie

Eine Wärmepumpe nutzt vorhandene Wärme mit geringem Temperaturniveau und bringt sie mithilfe von Strom und einem Kältemittel auf ein höheres Temperaturniveau. Eine geeignete Wärmequelle ist damit die Grundvoraussetzung für den Einsatz einer Wärmepumpe. Prinzipiell kommen hierfür (Ab-)Luft oder (Ab-)Wasser, der Boden sowie Abwärme aus Produktionsprozessen, Kälteanlagen oder Kühlsystemen, Blockheizkraftwerken oder aus der Drucklufterzeugung infrage. Hierfür reichen bereits Temperaturen von wenigen Plusgraden, so lässt sich auch bisher nicht genutzte Abwärme mit einer Wärmepumpe nutzbar machen.

Je nach Wärmequelle erzielen klassische Wärmepumpen ein Temperaturniveau von bis zu 60 °C, Hochtemperatur-Wärmepumpen (HT) erreichen bis zu 160 °C. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat kürzlich mit einer Wärmepumpen-Pilotanlage sogar eine Temperatur von 300 °C erzielt. Bis derartige Anlagen marktüblich sind, wird aber noch einige Zeit verstreichen. Doch auch die technisch ausgereiften Modelle können in der chemischen Industrie bereits in vielen Bereichen eingesetzt werden, etwa zur Kunststoffherstellung und -verarbeitung bei Temperaturen zwischen 80 und 140 °C, zur Erzeugung von Prozessdampf sowie für Trocknungs- Destillations- oder Heizprozesse.

Kann die erforderliche Temperatur mit einer Wärmepumpe allein nicht erreicht werden, können mehrere in einer Kaskadenschaltung kombiniert werden. So lässt sich nicht nur das Temperaturniveau erhöhen, sondern die einzelnen Geräte lassen sich auch bedarfsorientiert zu- und abschalten. Dadurch ist dies in manchen Fällen auch die bessere Variante als der Einsatz einer Großwärmepumpe. Manchmal ist es auch sinnvoll, eine Wärmepumpe lediglich zur Vorerwärmung zu nutzen und so den Einsatz fossiler Brennstoffe zu reduzieren.

Moderne Wärmepumpen haben einen besonders hohen Wirkungsgrad – einer ihrer Hauptvorteile. Als Daumenregel gilt: Je geringer der Temperaturhub – also die Differenz zwischen Wärmequelle und der erforderlichen Vorlauftemperatur, der sogenannten Wärmesenke – desto höher der Wirkungsgrad. Er wird als Coefficient of Performance (COP) angegeben, der Temperaturhub wird in Kelvin gemessen. Bei einem Hub von 40 K liegt der COP zwischen 4 und 5, das heißt aus einer kWh elektrischer Energie erzeugt die Wärmepumpe 4 bis 5 kWh thermische Energie. Beträgt der Hub 20 Kelvin steigt der COP auf 5 bis 6. Weitere Einflussfaktoren auf den COP sind etwa das eingesetzte Kältemittel – das maßgeblich die maximal erreichbare Temperatur bestimmt – oder der genutzte Verdichter.

Für die Wirtschaftlichkeit spielen aber noch andere Aspekte eine Rolle: So lässt sie sich noch einmal deutlich steigern, wenn die Wärmepumpe nicht nur zur Wärme-, sondern auch zur Kälteerzeugung genutzt wird. Denn die Wärmepumpe erzeugt immer beides: Kälte entsteht dort, wo die Wärme entzogen wird, also an der Wärmequelle. Voraussetzung für diese Doppelnutzung ist jedoch eine gewisse räumliche Nähe des Kälte- und Wärmebedarfs. Generell ist die Entfernung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zu betrachten, außerdem ob die Abwärme auch zu den Zeiten zur Verfügung steht, zu denen sie benötigt wird. Gibt es zeitliche oder räumliche Lücken, kann es lohnend sein, diese mit einem Speicher zu überbrücken.

Da die Wärmepumpe mit Strom betrieben wird, spielt für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung auch der Stromtarif eine Rolle. Weil der Stromverbrauch durch die Wärmepumpe steigt, können energieintensive Unternehmen aufgrund der 7.000-Stunden-Regelung möglicherweise zusätzlich profitieren. Das ist der Fall, wenn sie mindestens 7.000 Volllaststunden im Jahr erreichen. Dann müssen sie nur noch 20 % des Netzentgelts bezahlen, bei 7.500 Stunden sinkt der Anteil auf 15 Prozent, ab 8.000 Stunden auf zehn Prozent.

Durch den erhöhten Strombedarf gilt es vor der Entscheidung für eine Wärmepumpe jedoch auch zu prüfen, ob der Stromanschluss ausreichend ausgelegt ist. Stammt der Strom aus erneuerbaren Quellen, arbeitet die Wärmepumpe zudem klimaneutral, hilft Unternehmen also, CO2-Emissionen einzusparen.

Die Investitionskosten in eine Wärmepumpe liegen aktuell noch deutlich über denen für einen Gaskessel. Allerdings können Unternehmen Fördermittel nutzen: Im Rahmen des Förderprogramms „Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft“ (EEW), Modul 2, werden unter anderem Wärmepumpen gefördert, wenn ihre Wärme „zu über 50 Prozent für Prozesse, d. h. zur Herstellung, Weiterverarbeitung oder Veredelung von Produkten oder zur Erbringung von Dienstleistungen verwendet wird“. Förderfähig sind nicht nur die Kosten für die Wärmepumpe selbst, sondern auch für Wärmespeicher, erforderliche Baumaßnahmen und andere Zusatz- und Nebenkosten. Die Förderquote beträgt bis zu 45 %, bei kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) bis 55 %, maximal 15 Mio. Euro.

Wärmepumpen, die Raumwärme erzeugen, werden durch die Bundesförderung für energieeffiziente Gebäude (BEG) gefördert. Bei Nicht-Wohngebäuden beträgt die Fördersumme bis zu 1.000 Euro/m2 Nettogrundfläche, maximal 5 Mio. Euro pro Maßnahme. Für die Planung und Beratung im Zusammenhang mit der Installation einer Wärmepumpe erhalten Unternehmen einen Zuschuss von bis zu 2,50 Euro/m2 Nettogrundfläche bzw. bis zu 10.000 Euro pro Maßnahme.

Für die Wärmepumpe sprechen zudem ihre geringeren Betriebskosten. Denn sie ist sehr langlebig und wartungsarm. Aussagen zur Amortisationszeit bzw. zum Zeitraum, ab dem eine Wärmepumpe kostengünstiger ist als eine Gasheizung, lassen sich allerdings nicht pauschal treffen. Denn sie hängen nicht nur vom Typ der Wärmepumpe und ihren jeweiligen Einsatzbedingungen ab, sondern auch von der Kostenentwicklung der Energieträger und CO2-Emissionen. Simulationsprogramme und Betrachtungen zum Energiemarkt helfen dabei, das technische und wirtschaftliche Optimum für den Einsatz einer Wärmepumpe im jeweiligen Unternehmen zu ermitteln und auch für künftige Szenarien zu bewerten.