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IER Universität Stuttgart

Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung

Analyse des Potenzials

von Industrie-

wärmepumpen in

Deutschland

IER

S. Wolf, U. Fahl, M. Blesl, A. Voß

IZW R. Jakobs

Dezember 2014

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......................

Forschungsbericht

Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen

in Deutschland

Forschungsprojekt gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und

Energie (BMWi) und der Energie Baden-Württemberg AG (EnBW)

Endbericht

Institutes für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER)

S. Wolf, U. Fahl, M. Blesl, A. Voß

Informationszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik (IZW)

R. Jakobs

Dezember 2014

Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. K. Hufendiek

Abteilung Energiewirtschaft und Systemtechnische Analysen (ESA)

Dr. rer. pol. U. Fahl

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben

wurde mit Mitteln der Energie Baden-Württemberg AG

und des Bundesministeriums für Wirtschaft und

Energie unter dem Förderkennzeichen 0327514A

gefördert. Verantwortung für den Inhalt dieser

Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Inhaltsverzeichnis I

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung............................................................................................................................. 1

2 Grundlagen .......................................................................................................................... 3

2.1 Wärmepumpentypen ............................................................................................... 3

2.2 Kennzahlen und Definitionen .................................................................................. 6

3 Energiesituation in Deutschland ........................................................................................ 12

3.1 Endenergieverbrauch ............................................................................................. 12

3.2 Energieträgerpreise ................................................................................................ 14

3.3 Wärmebedarf im GHD Sektor in Deutschland ..................................................... 15

3.4 Kältebedarf im GHD Sektor in Deutschland ......................................................... 16

3.5 Wärmebedarf in der deutschen Industrie............................................................... 16

3.6 Kältebedarf in der deutschen Industrie .................................................................. 18

3.7 Analyse industrieller Prozesse bezüglich des Einsatzes von Wärmepumpen ....... 19

3.8 Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der deutschen Industrie ............ 21

4 Stand der Wärmepumpentechnik ....................................................................................... 23

4.1 Entwicklung der Kosten von Wärmepumpen ....................................................... 23

4.2 Entwicklung der Effizienz von Wärmepumpen .................................................... 25

4.3 Marktübersicht für Wärmepumpen ....................................................................... 27

4.4 Bewertung des Stands der Wärmepumpentechnik ................................................ 27

5 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik ................................................................. 29

5.1 Entwicklung der Forschungsaktivität .................................................................... 29

5.2 Kältemittel ............................................................................................................. 31

5.3 Verdichter .............................................................................................................. 34

5.4 Wärmepumpen ...................................................................................................... 36

6 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe ............ 42

6.1 Anwendungsfall Teilereinigung ............................................................................ 42

6.2 Fallstudie Galvanik ............................................................................................... 52

6.3 Fallstudie Fertighaushersteller .............................................................................. 56

7 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor ........................................................... 61

7.1 Praxisanwendungen in der Industrie ..................................................................... 61

7.2 Zusammenfassende Betrachtung der ausgewählten Wärmepumpenanwendungen

in der Industrie in Deutschland ............................................................................................ 91

7.3 Auswahl umgesetzter Anlagen in der Industrie außerhalb Deutschlands ............. 93

7.4 Praxisanwendungen im GHD-Sektor .................................................................... 95

8 Planung von Industriewärmepumpen .............................................................................. 112

8.1 Kriterien für die Integration einer Wärmepumpe ................................................ 112

8.2 Software .............................................................................................................. 115

9 Fazit und Ausblick ........................................................................................................... 125

II Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis III

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Technische Implementierungen des Wärmepumpenprinzips ............................... 3

Abbildung 2: Funktionsprinzip der Kompressionswärmepumpe ............................................... 4

Abbildung 3: Funktionsprinzip des mechanischen und thermischen Brüdenverdichters ........... 4

Abbildung 4: Funktionsprinzip der Absorptionswärmepumpe ................................................... 5

Abbildung 5: Funktionsprinzip der Adsorptionswärmepumpe ................................................... 6

Abbildung 6: Die Leistungszahl als Funktion des Temperaturhubs ........................................... 8

Abbildung 7: Eingesparte Treibhausgasemissionen bezogen auf die Leistungszahl der

Wärmepumpe..................................................................................................... 10

Abbildung 8: Endenergiebedarf in Deutschland 2012 aufgeschlüsselt nach Sektoren

und Energieträgern ............................................................................................ 13

Abbildung 9: Bruttostromerzeugung in Deutschland nach eingesetzten Energieträgern

von 1990 bis 2012 ............................................................................................. 13

Abbildung 10: Nettostromverbrauch und spezifische CO2-Emissionen der

Stromerzeugung in Deutschland ........................................................................ 14

Abbildung 11: Entwicklung der Brennstoffpreise in Deutschland von 1991 bis 2012 ............. 14

Abbildung 12: Entwicklung der Strompreise in Deutschland von 1991 bis 2012 .................... 15

Abbildung 13: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung im GHD Sektor in Deutschland

2012 ................................................................................................................... 15

Abbildung 14: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung in der Industrie in Deutschland

2012 ................................................................................................................... 16

Abbildung 15: Aufschlüsselung des Wärmeeinsatzes in der deutschen Industrie nach

Anwendungsbereichen für das Jahr 2012 .......................................................... 17

Abbildung 16: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung in der deutschen Industrie

aufgeschlüsselt nach eingesetzten Energieträgern und Industriebranchen ........ 17

Abbildung 17: Stromeinsatz zur Kälteerzeugung in der deutschen Industrie 2012 .................. 18

Abbildung 18: Temperaturen und auf die jeweilige Produktmenge bezogene

Wärmeverbräuche industrieller Prozesse .......................................................... 20

Abbildung 19: Technisches Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der

Industrie in Deutschland im Jahr 2012 .............................................................. 22

Abbildung 20: Kosten von Sole/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012 .................................... 23

Abbildung 21: Kosten von Wasser/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012 ............................... 24

Abbildung 22: Kosten für Luft/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012 ..................................... 24

Abbildung 23: Historische Entwicklung der Preise von Sole/Wasser Wärmepumpen ............ 25

Abbildung 24: Historische Entwicklung der Preise von Wasser/Wasser Wärmepumpen ........ 25

Abbildung 25: Historische Entwicklung der Preise von Luft/Wasser Wärmepumpen ............. 25

Abbildung 26: Entwicklung der Leistungszahlen von Sole/Wasser Wärmepumpen von

1993 bis 2012 .................................................................................................... 26

Abbildung 27: Entwicklung der Leistungszahlen von Luft/Wasser Wärmepumpen von

1993 bis 2012 .................................................................................................... 26

IV Abbildungsverzeichnis

Abbildung 28: Forschungsprojekte des Bundes mit dem Fokus „Wärmepumpen

Gesamt“ ............................................................................................................. 30

Abbildung 29: Forschungsprojekte des Bundes mit dem Fokus „Industrie- und

Großwärmepumpen“ ......................................................................................... 30

Abbildung 30: Globale Verteilung der durch das European Patent Office (EPO)

erteilten Patente im Themenbereich Wärmepumpe .......................................... 31

Abbildung 31: Thematische Verteilung der durch das European Patent Office (EPO)

erteilten Patente im Themenbereich Wärmepumpe .......................................... 31

Abbildung 32: Einsatzbereich des Ammoniak Hochtemperatur-Verdichters .......................... 35

Abbildung 33: Aufbau des Prüfstands bei EDF ....................................................................... 37

Abbildung 34: Aufbau der Rotationswärmepumpe .................................................................. 38

Abbildung 35: Darstellung der beiden Kobe Steel Wärmepumpendampferzeuger

SGH120 und SGH165 ....................................................................................... 40

Abbildung 36: Hybridwärmepumpe in ein- und zweistufiger Ausführung .............................. 41

Abbildung 37: Schema der Teilereinigungsanlage mit Angabe der Temperaturniveaus ......... 43

Abbildung 38: Kennfeld des Verdichters ................................................................................. 45

Abbildung 39: Varianten für die Integration der Wärmepumpe in die

Teilereinigungsanlage ....................................................................................... 46

Abbildung 40: Bilanzgrößen in der energetischen Betrachtung der Anlage ............................ 47

Abbildung 41: COP und Gütegrad der Hochtemperaturwärmepumpe .................................... 48

Abbildung 42: Wärmebilanz der Teilereinigungsanlage mit integrierter

Hochtemperaturwärmepumpe ........................................................................... 48

Abbildung 43: Gesamtenergiebilanz der Teilereinigungsanlage .............................................. 49

Abbildung 44: Leistung der Badaufbereitung bei verschiedenen Betriebsweisen ................... 50

Abbildung 45: Spezifische Wärmeleistung der Badaufbereitung bei verschiedenen

Betriebsweisen .................................................................................................. 51

Abbildung 46: Vereinfachtes Anlagenschema der Kühlung im Galvanikbetrieb .................... 52

Abbildung 47: Wochenprofil der freien Kühlung .................................................................... 53

Abbildung 48: Anschluss der Trockenkammer an das Versorgungsnetz ................................. 57

Abbildung 49: Messdaten der Trocknungsanlage - Trocknungslauf 1 vom 13.05.2012

bis zum 28.05.2012 ........................................................................................... 58

Abbildung 50: Messdaten der Trocknungsanlage - Trocknungslauf 2 vom 29.05.2012

bis zum 19.06.2012 ........................................................................................... 58

Abbildung 51: Integration der Wärmepumpe ........................................................................... 59

Abbildung 52: Auswahl umgesetzter Wärmepumpenanlagen in der deutschen Industrie ....... 61

Abbildung 53: Verteilung der dokumentierten Anlagen auf industrielle Branchen ................. 62

Abbildung 54: Verteilung der dokumentierten Anlagen auf Leistungsklassen ........................ 62

Abbildung 55: Baujahr der dokumentierten Anlagen ............................................................... 63

Abbildung 56: Wärmesenken- und Wärmequellentemperaturen der

Wärmepumpensysteme ..................................................................................... 63

Abbildung 57: Amortisationszeit und interne Verzinsung der Wärmepumpensysteme .......... 64

Abbildung 58: Einbindung der Absorptionswärmepumpe in das Nahwärmenetz ................... 65

Abbildungsverzeichnis V

Abbildung 59: Anlagenschema des CO2-Extraktionsverfahren mit Kennzeichnung der

Integrationspunkte der Wärmepumpe ............................................................... 69

Abbildung 60: Luft/Wasser Wärmepumpe neben dem Glasofen ............................................. 71

Abbildung 61: Optimierte Temperaturspreizung an der Wärmepumpe durch einen

Verbund aus zwei Warmwasserspeichern ......................................................... 73

Abbildung 62: Integrierte Wärme- und Kältebereitstellung der Gebr. Kemmerich

GmbH ................................................................................................................ 74

Abbildung 63: Anlagenschema der integrierten Wärme- und Kältebereitstellung der

Ludwig Michl GmbH ........................................................................................ 77

Abbildung 64: Seecontainer mit Notkühlaggregat, Wärmepumpen und

Kaltwasserspeicher ............................................................................................ 77

Abbildung 65: Wärme- und Kältebereitstellung in einem Metallverarbeitungsbetrieb im

Ausgangszustand (schwarz) und nach dem Umbau (schwarz/grau) ................. 79

Abbildung 66: Anlagenschema der integrierten Wärme- und Kältebereitstellung bei

Thoma Metallveredelung GmbH ....................................................................... 82

Abbildung 67: Abwärmenutzung von Laserschneidanlagen zur

Prozesswärmebereitstellung bei der Walter Th. Hennecke GmbH ................... 84

Abbildung 68: Einbindung von BHKW und Wärmepumpe in den Trocknungsprozess

einer Mälzerei .................................................................................................... 87

Abbildung 69: Integriertes Heiz- und Kühlsystem der Treibacher Schleifmittel GmbH ......... 89

Abbildung 70: Wärmerückgewinnung der PONGS Seidenweberei GmbH ............................. 90

Abbildung 71: Auswahl umgesetzter Wärmepumpenanlagen im GHD-Sektor ....................... 95

Abbildung 72: Wärmeversorgung der Mensa auf dem Campus in Soest ................................. 96

Abbildung 73: Anlagenschema der Wärme- und Kälteversorgung in der IKEA Filiale

Berlin-Lichtenberg............................................................................................. 98

Abbildung 74: Wärmeentnahmestelle und CO2-Wärmepumpe in Lauterecken ....................... 99

Abbildung 75: Kopplung von Solarabsorber und Wärmepumpe für die

Wärmeversorgung eines Schwimmbades ........................................................ 101

Abbildung 76: Einbindung der Wärmepumpen in die Wärme- und Kältebereitstellung

bei Vattenfall ................................................................................................... 102

Abbildung 77: Monatliche Wärme- und Kälteerzeugung durch das installierte

Wärmepumpensystem bei Vattenfall .............................................................. 103

Abbildung 78: Deckungsraten der Wärmepumpen für den Wärme- und Kältebedarf des

Gebäudes bei Vattenfall................................................................................... 103

Abbildung 79: Monatsarbeitszahlen der Wärmepumpen bei Vattenfall ................................. 104

Abbildung 80: Integration der Wärmepumpen in die Wärme- und Kälteerzeugung in

der EnBW City ................................................................................................ 105

Abbildung 81: Nutzung des Erdsondenfelds in der EnBW City im Jahresverlauf KW 33

2012 bis KW 32 bis 2013 ................................................................................ 107

Abbildung 82: Jahresgang der Kälteerzeugung durch die Wärmepumpenanlage in der

EnBW City ...................................................................................................... 107

VI Abbildungsverzeichnis

Abbildung 83: Jahresgang der Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpenanlage in der

EnBW City ...................................................................................................... 107

Abbildung 84: Leistungszahl der Wärmepumpenanlage in der EnBW City .......................... 108

Abbildung 85: Einbindung der Wärmepumpe in die Wärme-/Kälteerzeugung bei ifm

ecomatic .......................................................................................................... 109

Abbildung 86: Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpe bei ifm ecomatic über den

Zeitraum eines Monats .................................................................................... 110

Abbildung 87: Kälteerzeugung durch die Wärmepumpe bei ifm ecomatic über den

Zeitraum eines Monats .................................................................................... 110

Abbildung 88: Tagesarbeitszahlen über den Zeitraum eines Monats ..................................... 111

Abbildung 89: PinCH Benutzeroberfläche ............................................................................. 116

Abbildung 90: EINSTEIN Software-Tool .............................................................................. 118

Abbildung 91: TRNSYS Modellgenerator ............................................................................. 119

Abbildung 92: eSim Modul in TOP Energy ........................................................................... 121

Abbildung 93: Benutzeroberfläche der Prozessparametereingabe der KOARiiS-

Software .......................................................................................................... 122

Abbildung 94: Software-Bewertungsmatrix ........................................................................... 123

Tabellenverzeichnis VII

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: CO2 Äquivalent-Emissionsfaktoren für Energieträger bei vollständiger

Verbrennung mit Vorkette ................................................................................... 9

Tabelle 2: Studienvergleich zur Kälteerzeugung in der Industrie in Deutschland .................... 19

Tabelle 3: Marktübersicht für Industriewärmepumpen ............................................................. 28

Tabelle 4: Eigenschaften von Kältemitteln für Hochtemperaturanwendungen ........................ 33

Tabelle 5: Technische Eigenschaften von Wärmepumpenverdichtern ..................................... 34

Tabelle 6: Übersicht über die erschließbaren Wärmesenken in der Produktion des

Galvanikbetriebs ................................................................................................ 53

Tabelle 7: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für Variante 1

der Integration einer Wärmepumpe in einem Galvanikbetrieb ......................... 56

Tabelle 8: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für Variante 2

der Integration einer Wärmepumpe in einem Galvanikbetrieb ......................... 56

Tabelle 9: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für die

Integration einer Wärmepumpe bei einem Fertighaushersteller........................ 60

Tabelle 11: Datenblatt zur Vivo GmbH .................................................................................... 66

Tabelle 12: Datenblatt zum Volkswagen Werk Emden ............................................................ 67

Tabelle 13: Datenblatt zur Emil Frei GmbH ............................................................................. 68

Tabelle 14: Datenblatt zur Flavex Naturextrakte GmbH .......................................................... 69

Tabelle 15: Datenblatt zur Dunkermotoren GmbH ................................................................... 70

Tabelle 16: Datenblatt zur Glasfabrik Thiele AG ..................................................................... 71

Tabelle 17: Datenblatt zur BIG Spielwarenfabik GmbH & Co. KG ........................................ 73

Tabelle 18: Datenblatt zur Gebr. Kemmerich GmbH ............................................................... 75

Tabelle 19: Datenblatt zur Flamm GmbH ................................................................................. 76

Tabelle 20: Datenblatt zur Ludwig Michl GmbH ..................................................................... 78

Tabelle 21: Datenblatt zur Purkart Systemkomponenten GmbH & Co. KG ............................ 80

Tabelle 22: Datenblatt zur Schraubenwerk Zerbst GmbH ........................................................ 81

Tabelle 23: Datenblatt zur Thoma Metallveredelung GmbH ................................................... 83

Tabelle 24: Datenblatt zur Walter Th. Hennecke GmbH .......................................................... 84

Tabelle 25: Datenblatt zur Hanspeter Graßl KG ....................................................................... 86

Tabelle 26: Datenblatt zur Tivoli Malz GmbH ......................................................................... 88

Tabelle 27: Datenblatt zur Treibacher Schleifmittel GmbH ..................................................... 89

Tabelle 28: Datenblatt zur PONGS Seidenweberei GmbH ...................................................... 91

Tabelle 29:Wärmepumpenprojekte in Deutschland .................................................................. 92

Tabelle 30: Wärmepumpenprojekte außerhalb Deutschlands ................................................... 94

Tabelle 31: Datenblatt zur Mensa der FH Südwestfalen in Soest ............................................. 97

Tabelle 32: Datenblatt zu IKEA in Berlin-Lichtenberg ............................................................ 99

Tabelle 33: Datenblatt zum Nahwärmenetz in Lauterecken ................................................... 100

Tabelle 34: Datenblatt zum Meerwassererlebnisbad Juist ...................................................... 101

Tabelle 35: Datenblatt zu EHA/Vattenfall .............................................................................. 104

VIII Tabellenverzeichnis

Tabelle 36: Datenblatt zur EnBW-City .................................................................................. 108

Tabelle 37: Datenblatt zur ifm ecomatic GmbH .................................................................... 111

Tabelle 38: Die interne Verzinsung als Funktion von Amortisationszeit und

Anlagennutzungsdauer .................................................................................... 114

Glossar IX

Glossar

BHKW Blockheizkraftwerk

COP Coefficient of Performance (Leistungszahl einer Wärmepumpe)

EER Energy Efficiency Ratio (Leistungszahl einer Kälteanlage)

GHD Gewerbe, Handel und Dienstleistung

GWP Global Warming Potential (Treibhauspotenzial)

JAZ Jahresarbeitszahl

KW Kalenderwoche

ODP Ozone Depletion Potential (Ozonabbaupotenzial)

POCP Photochemical Ozone Creation Potential (Photochemische Ozonbildung)

PW Prozesswärme

SEER Seasonal Energy Efficincy Ratio (Jahresarbeitszahl)

TEWI Total Equivalent Warming Impact (Gesamter äquivalenter Erwärmungsbei-

trag)

VOC Volatile Organic Compounds (Flüchtige organische Verbindungen)

WP Wärmepumpe

X Glossar

Einleitung 1

1 Einleitung

In der Beheizung von Wohngebäuden konnte sich die Wärmepumpe in den vergangenen Jah-

ren als Standardlösung etablieren. Im Gebäudeneubau beläuft sich der Marktanteil von Wär-

mepumpen an der Gesamtzahl der abgesetzten Wärmeerzeuger auf 30 %. Bezogen auf den

gesamten Absatz von Wärmeerzeugern liegt der Marktanteil seit 2007 stabil bei ca. 9 %

/BDH 2014/. Die in der Gebäudebeheizung eingesetzten Wärmepumpen nutzen zumeist

Umweltwärme als Wärmequelle. Daher werden diese Anlagen zumeist den erneuerbaren

Energien zugeordnet.

Wie /Lambauer et al. 2008/ gezeigt hat, lassen sich Wärmepumpen auch in Industrie und

Gewerbe einsetzen. Hier werden in der Regel Niedertemperatu-Abwärmeströme genutzt, um

diese auf einem höheren Temperaturniveau wieder einem Nutzen zuzuführen. Industriewär-

mepumpen werden daher meist den Effizieztechnologien zugeordnet. Die Marktdurchdrin-

gung in diesem Segment ist insbesondere in Deutschland noch gering.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, einen umfassenden Überblick über die Potenzi-

ale der Wärmepumpentechnik in der Industrie in Deutschland und die Möglichkeiten zu de-

ren Erschließung zu geben.

Die theoretischen Grundlagen zu dieser Arbeit werden in den Kapiteln 2 und 3 gelegt. In Ka-

pitel 2 werden verschiedene technische Umsetzungen des Wärmepumpenprinzips beschrie-

ben. Zudem erfolgt die Definition von Fachbegriffen. Zur Einordnung der Rolle der Wärme-

pumpe in den Kontext des Energiesystems wird in Kapitel 3 detailliert auf die Situation des

Energiebedarfs in Deutschland eingegangen. Der Fokus der Betrachtung liegt auf den Sekto-

ren Gewerbe, Handel und Dienstleistungen und der Industrie. Für die Industrie wird eine Pro-

zessanalyse vorgenommen, aus der das technische Potenzial für den Einsatz von Wärmepum-

pen abgeleitet wird.

Der aktuelle Stand der Wärmepumpentechnik wird in Kapitel 4 beschrieben. Hier wird zum

einen auf die Entwicklung von Investitionskosten und Effizienz eingegangen, zum anderen

wird eine Marktüberischt zu Industrie- und Großwärmepumpen aufgegliedert nach Herstel-

lern und Produkten präsentiert.

Darauf folgt in Kapitel 5 eine Übersicht über aktuelle Forschungsprojekte zur Entwicklung

neuer Wärmepumpenanalgen für die Anwendung in Industrie und Gewerbe. Besonderes Au-

genmerk wird auf die Entwicklung von Hochtemperaturwärmepumpen gelegt.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde in Kooperation mit einem Wärmepumpenher-

steller und einem Anlagenbauer eine Hochtemperaturwärmepumpe entwickelt, die nach er-

folgreichem Test in eine industrielle Teilereinigungsanlage integriert wurde. Kapitel 6 be-

schreibt den Entwicklungsprozess und die Integration der Hochtemperaturwärmepumpe. Zu-

dem werden in diesem Kapitel Fallstudien zur Anwendung von Wärmepumpen bei einem

Fertighaushersteller und in einem Galvanikbetrieb vorgestellt.

Neben den Fallstudien werden in Kapitel 7 25 Wärmepumpenanwendungen aus den Sektoren

Industrie und Gewerbe, Handel und Dienstleistungen beschrieben. Von den dokumentierten

2 Einleitung

Anlagen werden 18 in Industriebetrieben aus 9 verschiedenen Industriezweigen eingesetzt.

Sieben weitere Beispiele zeigen die Anwendung von Wärmepumpen in einem Schwimmbad,

einer Großküche, einem Nahwärmenetz, einem Möbelhaus und in drei Bürogebäuden. Zu den

drei letztgenannten Anlagen wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein Anlagenmoni-

toring durchgeführt.

Basierend auf den Erkenntnissen aus den durchgeführten Fallstudien und den dokumentierten

Wärmepumpenanlagen aus Industrie und Gewerbe wurde ein Planungsleitfaden für Wärme-

pumpen in Industriebetrieben entwickelt, der in Kapitel 8 vorgestellt wird. Darüber hinaus

enthält das Kapitel eine Analyse gängiger Software zur Energieeffizienzberatung von Indust-

riebetrieben hinsichtlich ihrer Eignung zur Auslegung und Integration von Wärmepumpen.

In Kapitel 9 findet eine Einordnung der Wärmepumpentechnik hinsichtlich ihrer Eignung zur

Wärme- und Kältebereitstellung in Industrie und Gewerbe statt. Es werden Treiber und

Hemmnisse für eine verstärkte Anwendung von Industrie- und Großwärmepumpen sowie

konstruktive Strategien für den Umgang mit Hemmnissen beschrieben. Ausgehend von den

vorgenommenen Analysen wird zum Schluss des Berichts ein Ausblick auf weiterhin offene

Forschungsfragen gegeben.

Grundlagen 3

2 Grundlagen

Das Kapitel bietet einen Überblick über die Funktionsweise von Wärmepumpen. Zudem

werden Kennzahlen und Begriffe definiert, die für die Einordnung der Wärmepumpentechno-

logie benötigt werden.

2.1 Wärmepumpentypen

Eine Wärmepumpe nimmt Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aus einer Wärme-

quelle auf, hebt die Temperatur der Wärme unter Zuführung hochwertiger Energie an und

gibt sie dann auf einem höheren Temperaturniveau an eine Wärmesenke ab. Die technische

Umsetzung dieses Prinzips kann technisch auf vielfältige Art und Weise umgesetzt werden.

Das Schema in Abbildung 1 gibt einen Überblick über die gebräuchlichsten Umsetzungen

dieses Prinzips. Die dargestellten Wärmepumpentypen unterscheiden sich hinsichtlich der

verwendeten Antriebsenergie, dem Antrieb, der Ausführung des Verdichters und der Gestal-

tung des Wärmepumpenkreislaufs. Neben den vier aufgeführten Wärmepumpentypen kann

das Wärmepumpenprinzip auch durch Nutzung des thermoakustischen, des elektrothermi-

schen oder des magnetokalorischen Effekts umgesetzt werden. Diese Wärmepumpentypen

befinden sich derzeit noch in der Erforschung und werden daher in dieser Studie nicht näher

betrachtet.

Abbildung 1: Technische Implementierungen des Wärmepumpenprinzips /Wolf et al. 2012/

2.1.1 Kompressionswärmepumpe

In der Kompressionswärmepumpe zirkuliert ein Arbeitsmedium, auch Kältemittel genannt.

Im Verdampfer wechselt das Kältemittel den Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. Es

verdampft und nimmt die dazu nötige Verdampfungsenthalpie auf niedrigem Temperaturni-

veau aus einer Wärmequelle auf. Das nun gasförmige Kältemittel wird durch einen mechani-

schen Verdichter komprimiert. Der Verdichter wird zumeist durch einen Elektromotor ange-

trieben. Wird stattdessen ein brennstoffbetriebener Motor verwendet, kann zusätzlich zum

Wärmepumpenkreislauf auch die Motorabwärme zur Wärmeerzeugung genutzt werden.

Antriebsenergie Antrieb Verdichter offener/geschlossener Kreislauf

Strom

Endenergie

Abwärme

Elektromotor

Verbrennungs-

motor,

Dampfturbine

Thermischer Verdichter:

- Absorption

- Adsorption

- Jet Verdichter

geschlossen

(Kompressionswärmepumpe)

offen

(mechanischer

Brüdenverdichter)

geschlossen

(Adsorptions/Absorptions

Wärmepumpe)

offen

(themischer

Brüdenverdichter)

Mechanischer Verdichter:

- axial

- zentrifugal

- Rollkolben

- Hubkolben

- Schrauben

- Scroll

Brenner

4 Grundlagen

Durch die Kompression im Verdichter steigen Druck und Temperatur des Kältemittelgases

an. Das heiße Kältemittelgas strömt in den Verflüssiger. Dort kondensiert das Kältemittel und

gibt die Kondensationswärme auf einem hohen Temperaturniveau an die Wärmesenke ab.

Durch ein Expansionsventil wird das Kältemittel wieder auf das niedrige Druckniveau ent-

spannt.

Der Kreislauf einer Kompressionswärmepumpe ist in Abbildung 2 dargestellt. Kompressi-

onswärmepumpen sind aufgrund der Entkopplung von Wärmequelle und Wärmesenke durch

den zwischengeschalteten Kältemittelkreislauf und ihren einfachen Aufbau sehr vielseitig

einsetzbar. Durch die serielle Verschaltung von mehreren Wärmepumpenstufen können

Kompressionswärmepumpen große Temperaturhübe (Differenz zwischen Wärmesenken- und

Wärmequellentemperatur) erreichen.

Abbildung 2: Funktionsprinzip der Kompressionswärmepumpe

2.1.2 Brüdenverdichter

Der Brüdenverdichter entspricht einer Kompressionswärmepumpe mit einem offenen Kreis-

lauf. Hier ist das Wärmequellenmedium zugleich das Arbeitsmedium. Daher kommen Brü-

denverdichter nur für Anwendungen in Frage, bei denen sich das Wärmequellenmedium be-

reits im gasförmigen Aggregatzustand befindet. Dieses ist insbesondere bei industriellen

Koch-, Verdampfungs- und Destillationsprozessen der Fall. Die Verdichtung des Arbeitsme-

diums kann durch einen mechanischen Verdichter oder einen Dampfstrahlverdichter erfolgen.

Mechanische Verdichter erreichen höhere Temperaturhübe, während Dampfstrahlverdichter

durch ihren simplen Aufbau geringere Anschaffungs- und Wartungskosten verursachen. Bei-

de Brüdenverdichtertypen sind in Abbildung 3 abgebildet.

Abbildung 3: Funktionsprinzip des mechanischen und thermischen Brüdenverdichters

Verdichter

Expansionsventil

Arbeit

Verflüssiger Verdampfer

Wärme-Senke

Wärme-quelle

Expansionsventil

Verdichter

Arbeit

Verflüssiger

Wärme-senke

Wärmesenke

Wärmequelle

Expansionsventil

Verdichter

Dampf

Verflüssiger

Wärme-senke

Wärmesenke

Wärmequelle

Grundlagen 5

2.1.3 Absorptionswärmepumpe

Absorptionswärmepumpen verfügen wie Kompressionswärmepumpen über einen geschlos-

senen Kältemittelkreislauf. Lediglich die Verdichtung des Kältemittels läuft nach einem an-

deren Prinzip ab. Das gasförmige Kältemittel (Sorbtiv) aus dem Verdampfer strömt in den

Absorber und löst sich dort in einer Flüssigkeit (Sorbens). Die dabei freiwerdende Sorpti-

onswärme kann in einer Wärmesenke genutzt werden. Die Stoffpaarung in einer Absorpti-

onswärmepumpe besteht aus einer leicht- und einer schwersiedenden Komponente. Die

meistverwendeten Stoffpaarungen sind LiBr/H2O und H2O/NH3. Die Lösung aus beiden Stof-

fen (Sorbat) wird durch eine Pumpe aus dem Absorber in den Austreiber gepumpt. Vor dem

Eintritt in den Austreiber nimmt die Lösung in einem internen Wärmeübertrager zusätzliche

Wärme auf. Im Austreiber wird die leichtsiedende Komponente durch Wärmezufuhr bei ho-

her Temperatur verdampft, während die schwersiedende zurückbleibt und über den internen

Wärmeübertrager und das Expansionsventil zurück in den Absorber geführt wird. Die leicht-

siedende Komponente wird dem Verflüssiger zugeführt, wo sie Wärme auf einem mittleren

Temperaturniveau an die Wärmesenke abgibt. Der Kreislauf einer Absorptionswärmepumpe

ist in Abbildung 4 dargestellt. Absorptionswärmepumpen können sowohl durch die Verbren-

nung von Brennstoffen, als auch durch industrielle Abwärme angetrieben werden.

Abbildung 4: Funktionsprinzip der Absorptionswärmepumpe

Exkurs: Korrosionsverhalten von Lithiumbromid

Das als Absorbent eingesetzte Lithiumbromid (LiBr) ist ein stark hygroskopisches Salz mit

korrosiven Eigenschaften. In der Absorptionswärmepumpe ist das Lithiumbromid in Wasser

gelöst. In der Vergangenheit kam es zumeist bedingt durch Konstruktionsfehler zu Korrosi-

onsschäden. Zur Vermeidung dieser Schäden ist der Zusatz von Korrosionsinhibitoren heute

Stand der Technik. Der Inhibitor adsorbiert an metallischen Oberflächen und schützt diese

vor dem Lithiumbromid. Eine Überschreitung der Löslichkeitsgrenze ist trotzdem in jedem

Fall zu vermeiden. Durch die Abstimmung von eingesetzten Materialien und Inhibitor sowie

die sorgfältige Auslegung der Anlagen ist die Korrosionsproblematik beherrschbar

/ASUE 2009/.

6 Grundlagen

2.1.4 Adsorptionswärmepumpe

Die Adsorptionswärmepumpe wird anders als die zuvor genannten Wärmepumpentypen dis-

kontinuierlich betrieben. Das Kältemittel wird zunächst verdampft und gelangt in die Sorpti-

onskammer, wo es sich an einen Feststoff (Adsorber) anlagert. Dabei wird Adsorptionswär-

me abgegeben, die in einer Wärmesenke genutzt werden kann. Als Adsorber werden mikro-

poröse Stoffe eingesetzt, die durch ihre große Oberfläche viel Kältemittel binden können.

Häufige Verwendung finden die Materialpaarungen Zeolith/Wasser, Silicagel/Wasser und

Aktivkohle/Methanol. Kann der Adsorber kein weiteres Kältemittel mehr anlagern, wird die

Verbindungsklappe zum Verdampfer geschlossen und die zum Verflüssiger geöffnet. Nun

wird der Adsorber durch Zufuhr von Wärme mit hoher Temperatur beheizt, wodurch sich das

Kältemittel vom Adsorber löst und in die Verflüssigerkammer strömt. Dort kondensiert es

und gibt seine Wärme auf mittlerem Temperaturniveau an eine Wärmesenke ab. Das konden-

sierte Kältemittel wird in die Verdampferkammer zurückgeführt. Damit die Adsorptionswär-

mepumpe trotz des diskontinuierlichen Prozessablaufs kontinuierlich Wärme erzeugen kann,

werden zumeist zwei Adsorber verbaut, die abwechselnd Kältemittel anlagern und freisetzen.

Der Prozessablauf einer Adsorptionswärmepumpe ist in Abbildung 5 dargestellt. Wie Ab-

sorptionswärmepumpen können auch Adsorptionswärmepumpen sowohl durch die Verbren-

nung von Brennstoffen als auch durch industrielle Abwärme angetrieben werden.

Abbildung 5: Funktionsprinzip der Adsorptionswärmepumpe

2.2 Kennzahlen und Definitionen

Für die Bewertung verschiedener Wärmepumpensysteme ist der Vergleich einiger Kennzah-

len notwendig, die im Folgenden definiert werden. Zudem werden Definitionen zu energie-

wirtschaftlichen Begriffen gegeben, die für die Einordnung der Wärmepumpe hinsichtlich

ihrer energiewirtschaftlichen Bedeutung benötigt werden.

2.2.1 Primärenergie

Als Primärenergie wird jene Energie bezeichnet, die in ihrer natürlich vorkommenden Form

zur Verfügung steht. Primärenergie kommt chemisch (Brennstoffe) oder physikalisch (Wind,

Verdampfer

Verflüssiger

Pumpe

Adsorption

Desorption

Verdampfer

Verflüssiger

Pumpe

Adsorption

Desorption

Wechsel-zyklen

Wärme-senke

Wärme-quelle

Antriebs-Wärme

Wärme-quelle

Wärme-senke

Antriebs-Wärme

Grundlagen 7

Sonnenlicht, Kernkraft) gebunden vor. Zu ihrer Nutzung ist eine verlustbehaftete Umwand-

lung notwendig.

2.2.2 Endenergie

Primärenergie gelangt durch Umwandlung, Aufbereitung und Transport zum Endverbrau-

cher. Dieser Prozess ist mit Verlusten behaftet. Die beim Endverbraucher ankommende

Energieform wird als Endenergie bezeichnet.

2.2.3 Nutzenergie

Endenergie wird vom Energieverbraucher in einem finalen Umwandlungsschritt in die Form

überführt, die für ihn einen Nutzen darstellt. Diese Energieform wird Nutzenergie genannt.

Beispiele hierfür sind Bewegung, Licht und Wärme.

2.2.4 Leistungszahl (COP, EER)

Die Leistungszahl 𝜀 berechnet sich aus dem Verhältnis von aufgewendeter Arbeit 𝑤 zur

Nutzarbeit 𝑞𝑁𝑢𝑡𝑧. Die Leistungszahl ist folglich ein Maß für die Effizienz einer Anlage in

einem definierten Betriebspunkt.

𝜀 =𝑞𝑁𝑢𝑡𝑧

𝑤=

�̇�𝑁𝑢𝑡𝑧

𝑃

Bei der Betrachtung von Wärmepumpen wird die Leistungszahl als Coefficient of Perfor-

mance (COP) bezeichnet. Für Kälteanlagen wird die Bezeichnung Energy Efficiency Ratio

(EER) verwendet. Erzeugt eine Wärmepumpe neben Nutzwärme auch Nutzkälte, so werden

beide Energieströme als Nutzen bilanziert, wodurch der COP höher ausfällt als bei alleiniger

Betrachtung der Wärmeerzeugung. Zur Kennzeichnung der integrierten Betrachtung der

Wärmepumpe wird die integrierte Leistungszahl als COPint bezeichnet.

Die Leistungszahl einer idealen Anlage entspricht dem reziproken Carnot-Wirkungsgrad 𝜂𝐶 ,

der aus Verflüssigungstemperatur 𝑇1 und der Verdampfungstemperatur 𝑇2 berechnet wird.

𝜀𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =1

𝜂𝐶=

𝑇2

𝑇1 − 𝑇2

Dieser Idealwert wird in der Praxis nicht erreicht, da der reale Kaltdampfprozess vom idealen

durch Druckverluste, endliche Temperaturdifferenzen in Wärmeübertragern, nicht isentrope

Verdichtung und nicht isenthalpe Drosselung entstehende Verluste abweicht. Das Verhältnis

von realer und idealer Leistungszahl wird Gütegrad 𝐺𝑊𝑃 genannt.

8 Grundlagen

Ist der Gütegrad bekannt, kann die reale Leistungszahl auf Basis von Verdampfungs- und

Verflüssigungstemperatur abgeschätzt werden. Der Gütegrad moderner Wärmepumpen liegt

bei 0,45 bis 0,50 für Wasser/Wasser Wärmepumpen und bei 0,35 bis 0,40 für Luft/Wasser

Wärmepumpen.

𝜀𝑟𝑒𝑎𝑙 =1

𝜂𝐶⋅ 𝐺𝑊𝑃 =

𝑇2

𝑇1 − 𝑇2⋅ 𝐺𝑊𝑃

Die Abschätzung der Leistungszahl über den Gütegrad der Wärmepumpe ist insbesondere bei

kleinen Temperaturdifferenzen mit Unsicherheiten belegt, da der Gütegrad bei verschiedenen

Temperaturdifferenzen nicht konstant ist. Für eine einfache Abschätzung genügt diese Be-

trachtung jedoch. In Abbildung 6 ist die Leistungszahl einer Kompressionswärmepumpe mit

einem Gütegrad von 0,45 über die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärme-

senke aufgetragen.

Abbildung 6: Die Leistungszahl als Funktion des Temperaturhubs

2.2.5 Jahresarbeitszahl (JAZ, SEER)

Die Jahresarbeitszahl 𝛽 wird aus dem Verhältnis aus Nutzenergie 𝑄𝑁𝑢𝑡𝑧 und aufgewendeter

Energie 𝐸𝐴𝑢𝑓𝑤𝑎𝑛𝑑 über den Verlauf eines Jahres berechnet.

𝛽 =𝑄𝑁𝑢𝑡𝑧

𝐸𝐴𝑢𝑤𝑎𝑛𝑑

Die Jahresarbeitszahl (JAZ), im englischen auf Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER)

genannt, beinhaltet aufgrund des langen Betrachtungszeitraums die Effizienz der Anlage in

allen aufgetretenen Betriebspunkten gewichtet mit der jeweils erzeugten Wärmemenge. Der

JAZ erhält insbesondere dann eine hohe Relevanz, wenn die Betriebsbedingungen jahreszeit-

lichen Veränderungen unterworfen sind.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

20 30 40 50 60 70 80 90 100

CO

P [

-]

Temperaturdifferenz (Wärmesenke-Wärmequelle) [K]

COP_Heiz COP_integriert

Gütegrad: 0,45

Grundlagen 9

2.2.6 Treibhauspotenzial (GWP)

Das Global Warming Potential (GWP) ist ein Maß für die Treibhauswirksamkeit eines Stof-

fes. Die Kennzahl wird bezogen auf die Treibhauswirksamkeit von CO2, dessen GWP Wert

auf 1 festgelegt ist. Das GWP wird zumeist über einen Betrachtungszeitraum von 100 Jahren

ermittelt. Je nach Betrachtungszeitraum unterscheiden sich die GWP-Werte für einen Stoff in

Abhängigkeit seiner atmosphärischen Verweildauer. Der Betrachtungszeitraum wird übli-

cherweise als Index angegeben. Der IPCC gibt in seinem fünften Sachstandsbericht neben

dem üblichen GWP100 auch das GWP20 und das GWP500 für eine große Anzahl an Stoffen an

/Forster et al. 2007/.

Kältemittel entfalten ihren treibhauswirksamen Effekt, wenn sie freigesetzt werden und in die

oberen Schichten der Atmosphäre aufsteigen, wo sie die Wärmeabstrahlung der Erde behin-

dern. Insbesondere synthetische Kältemittel haben häufig sehr hohe GWP-Werte. Das Treib-

hauspotential der Kältemittelgemische erhält man, indem man die GWP-Werte der Kompo-

nenten entsprechend ihren Anteilen summiert.

2.2.7 Emissionsfaktoren

Der Emissionsfaktor ist das Verhältnis aus der Masse des emittierten Stoffs zu der eingesetz-

ten Masse des Ausgangsstoffs. Emissionen entstehen durch die Verbrennung chemischer

Energieträger. Emissionsfaktoren werden in der Literatur für eine große Anzahl an Stoffen

angegeben. Für die Bewertung aller Treibhausgasemissionen, die durch die vollständige Ver-

brennung von Energieträgern entstehen, werden diese in einer Kennzahl, dem

CO2-Äquivalent, zusammengefasst. Die einzelnen Treibhausgase werden entsprechend ihres

Treibhauspotenzials und ihres Anteils an den Verbrennungsprodukten gewichtet und zum

CO2-Äquivalent aufaddiert. In Tabelle 1 sind die spezifischen CO2-Äquivalent-

Emissionsfaktoren verschiedener Endenergieträger gegeben.

Tabelle 1: CO2 Äquivalent-Emissionsfaktoren für Energieträger bei vollständiger Verbrennung mit Vor-

kette

Endenergieträger CO2-Emissionsfaktor

[g CO2-Äq/kWh]

Kohle 438

Heizöl 313

Erdgas 233

Biomasse 1,5

Fernwärme 220

Müll 140

Strom (D-Mix in 2012) 598

Datenquellen: /UBA 2014a/, /UBA 2014b/ Elektrisch angetriebene Wärmepumpen verursachen keine lokalen Emissionen. Allerdings

werden bei der Stromerzeugung Treibhausgase freigesetzt, die der Wärmepumpe in Abhän-

gigkeit des Stromverbrauchs zugerechnet werden. Da der Stromverbrauch der Wärmepumpe,

wie in Kapitel 2.2.4 beschrieben, von der Leistungszahl abhängt, ergibt sich für die verur-

10 Grundlagen

sachten Treibhausgasemissionen ein nicht-linearer Verlauf. In Abbildung 7 sind die Einspa-

rungen von Treibhausgasemissionen durch Verwendung einer Wärmepumpe gegenüber der

vollständigen Verbrennung der in Tabelle 1 aufgeführten Energieträger dargestellt. Während

gegenüber der Verbrennung von Heizöl bereits eine Leistungszahl von 1,9 genügt, so ist ge-

genüber der Verbrennung von Erdgas eine Leistungszahl von 2,6 nötig, damit die Wärme-

pumpe emissionsmindernd wirkt. Das Diagramm in Abbildung 7 ist bezogen auf die CO2-

Äquivalent-Emissionen für den deutschen Strom-Mix im Jahr 2012. Da in der Stromerzeu-

gung zukünftig mit sinkenden Treibhausgasemissionen gerechnet werden kann, werden

Wärmepumpen auch bei niedrigeren Leistungszahlen zur Vermeidung von Treibhaus-

gasemissionen beitragen.

Abbildung 7: Eingesparte Treibhausgasemissionen bezogen auf die Leistungszahl der Wärmepumpe

2.2.8 Ozonabbaupotenzial (ODP)

Das Ozone Depletion Potential (ODP) ist ein Maß für den Ozonabbau, der durch einen Stoff

in der Ozonschicht verursacht wird. Als Referenz für die Bewertung des Ozonabbaupotenzi-

als dient das Kältemittel R-11, dessen ODP-Wert mit 1 bewertet wird.

R-11 wie auch andere Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) verfügen über ein ODP grö-

ßer null und fallen damit unter die Bestimmungen des Montreal-Protokolls. Verantwortlich

für die Abbauwirkung ist das Element Chlor. Aufgrund seiner langen atmosphärischen Ver-

weildauer wirkt Chlor wie ein Katalysator. Ein Chloratom ist in der Lage bis zu 100.000 O3-

Moleküle in O2-Moleküle umzuwandeln.

2.2.9 Photochemische Ozonbildung (POCP)

Das Photochemical Ozone Creation Potential (POCP) beziffert den Beitrag zur Bildung von

Ozon in Bodennähe (Sommersmog). Die direkten Verursacher der Ozonbildung in Bodennä-

he sind Stickoxide (NOx) und leichtflüchtige organische Verbindungen (VOC) wie beispiels-

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ein

gesp

arte

Tre

ibau

sgas

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issi

on

en

[g

CO

2-Ä

q/k

Wh

]

Leistungszahl der Wärmepumpe

Strom Kohle Heizöl Erdgas Fernwärme

Quelle: Eigene Berechnungen basierend auf /UBA 2014/

Grundlagen 11

weise Kohlenwasserstoffe in Verbindung mit intensiver Sonneneinstrahlung. Das POCP wird

auf Methan (CH4) bezogen, dessen Wert mit 1,0 als Basis gesetzt ist. Die flüchtigen organi-

schen Verbindungen tragen in höchst unterschiedlichem Maße zur Ozonbildung in Bodennä-

he bei. Einen entscheidenden Einfluss hat die Stabilität des Stoffes. Eine allgemeine Tendenz

ist, je kurzlebiger der Stoff ist, desto höher ist sein photochemisches Ozonbildungspotenzial.

2.2.10 Theoretisches Potenzial für den Einsatz einer Technologie

Das theoretische Potenzial beschreibt die durch Naturgesetze gegebenen Grenzen für den

Einsatz einer Technologie. Bezogen auf die Anwendung von Wärmepumpen in der Industrie

beschreibt das theoretische Potenzial diejenige Energiemenge, die von Wärmepumpen unter

Einhaltung natürlicher Restriktionen bereitgestellt werden kann.

2.2.11 Technisches Potenzial für den Einsatz einer Technologie

Das technische Potenzial beschreibt eine Teilmenge des theoretischen Potenzials. Die Ein-

grenzung des technischen Potenzials erfolgt durch die Berücksichtigung technischer Restrik-

tionen. In Bezug auf die Anwendung von Wärmepumpen in der Industrie umfasst es diejeni-

ge Wärmemenge, die bei Verwendung der am Markt verfügbaren Anlagen und Anlagenkom-

ponenten erzeugt werden kann. Ökonomische und ökologische Faktoren finden in dieser Po-

tenzialbetrachtung keine Berücksichtigung.

12 Energiesituation in Deutschland


Zur späteren Einordnung der Wärmepumpentechnologie in das Energiesystem wird in diesem

Kapitel die Energiesituation in Deutschland aufbereitet. Besonderes Augenmerk gilt dem

Wärme- und Kältebedarf der Sektoren Gewerbe, Handel und Dienstleistungen und der In-

dustrie.

Der Primärenergieverbrauch Deutschlands zeigt seit Ende der 1990er Jahre eine rückläufige

Tendenz mit einer Abnahme von durchschnittlich 1 % pro Jahr. Im Jahr 2012 betrug der Pri-

märenergieverbrauch der Bundesrepublik Deutschland 13.757 PJ /BMWi 2014/.

Mit dem Energiekonzept aus dem Jahr 2010 hat die Bunderegierung die Rahmenbedingungen

für die Energiepolitik der kommenden Jahre festgelegt. Bis zum Jahr 2020 sollen die Treib-

hausgasemissionen in Deutschland gegenüber dem Referenzjahr 1990 um 40 %, bis 2050

sogar um 80 bis 95 % gesenkt werden. Der Primärenergieverbrauch soll bis 2050 um 50 %

sinken. Der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch soll 2020 18 % er-

reichen. Für das Jahr 2030 wird ein Anteil von 30 % angestrebt mit einer danach folgenden

Steigerung von 15 % pro Dekade bis auf einen Anteil von 60 % im Jahr 2050. Neben diesen

übergeordneten Zielen hat die Bundesregierung auch Ziele für einzelne Teilbereiche der

Energieversorgung definiert. So soll der Anteil des aus erneuerbaren Quellen erzeugten

Stroms am Bruttostromverbrauch Deutschlands bis 2050 auf 80 % steigen. Der Stromver-

brauch selbst soll bis 2020 bezogen auf den Verbrauch des Jahres 2008 um 8 % und bis 2050

um 25 % sinken. Zudem soll die Sanierungsrate für Gebäude bezogen auf den gesamten Ge-

bäudebestand auf 2 % erhöht werden. Im Verkehrssektor sollen der Endenergieverbrauch bis

2050 gegenüber dem Jahr 2005 um 40 % gesenkt werden /BMWi 2010/.

3.1 Endenergieverbrauch

Aus dem Primärenergieverbrauch von 13.757 PJ in 2012 wurden 8.998 PJ Endenergie er-

zeugt (siehe Abbildung 8). Der Endenergieverbrauch teilt sich zu je 29 % auf Industrie und

Verkehr auf. Auf private Haushalte entfallen 27 %. Die verbleibenden 15 % entfallen auf

Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD). Der Endenergieverbrauch wird von fossilen

Energieträgern dominiert. Die größten Anteile entfallen auf Kraftstoffe (27 %; 2.479 PJ), Gas

(26 %; 2.317 PJ) und Strom (21 %; 1.869 PJ). Erneuerbare Energien werden unter Sonstige

gruppiert /BMWi 2014/.

Energiesituation in Deutschland 13

Abbildung 8: Endenergiebedarf in Deutschland 2012 aufgeschlüsselt nach Sektoren und Energieträgern

Der Bruttostromverbrauch in Deutschland zeigt einen kontinuierlichen Anstieg, der sich seit

Mitte der 2000er abgeschwächt hat. Seit Ende der 1990er Jahre steigt die Stromerzeugung

aus erneuerbaren Quellen an. Dieser Anstieg wurde zunächst durch den Ausbau der Wind-

energie ausgelöst. Seit Anfang der 2000er Jahre kam die Stromerzeugung aus Biomasse hin-

zu. Für die Photovoltaik kann seit Ende der 2000er ein starker Anstieg verbucht werden. In

der Folge des Kernkraft-Ausstiegs vom August 2011 verloren acht deutsche Kernreaktoren

ihre Betriebserlaubnis, wodurch sich die aus Kernkraft erzeugte Strommenge verminderte.

Dieser Ausfall wurde hauptsächlich durch die verstärkte Verstromung von Braunkohle kom-

pensiert. Die Entwicklung der Bruttostromerzeugung ist in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9: Bruttostromerzeugung in Deutschland nach eingesetzten Energieträgern von 1990 bis 2012

Durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien sowie durch Effizienzverbesserungen in

konventionellen Kraftwerken sind sinkende spezifische CO2-Emissionen zu verzeichnen.

Betrug der spezifische CO2-Emissionsfaktor ohne Vorketten im Jahr 1990 noch 743 g/kWhel,

so wurde im Jahr 2010 das bisherige Minimum von 559 g/kwhel erreicht. In den Jahren 2011

und 2012 sind die spezifischen CO2-Emissionen, bedingt durch die verstärkte Braunkohlever-

stromung, wieder bis auf einen Wert von 586 g/kWhel (ohne Vorketten) angestiegen /UBA

2014/. Die Entwicklung von spezifischen CO2-Emissionen und Nettostromverbrauch in

Deutschland sind in Abbildung 10 dargestellt. Den energiepolitischen Zielen der Bundesre-

29%

15%27%

29%

Industrie

Gewerbe, Handel,Dienstleistungen

Private Haushalte

Verkehr

8.998 PJ(2012)

4%1%

27%

0%8%

26%

21%

5%8%

Steinkohle

Braunkohle

Kraftstoff

Heizöl schwer

Heizöl leicht

Gas

Strom

Fernwärme

Sonstige

8.998 PJ(2012)

Datenquelle: /BMWi 2014/

0

100

200

300

400

500

600

700

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

Bru

tto

stro

me

rze

ugu

ng

[TW

h]

Müll

Photovoltaik

Biomasse

Wasserkraft

Windkraft

Kernenergie

Erdgas

Mineralöl

Braunkohlen

Steinkohlen

Sonstige



gierung folgend ist mit einer weiteren Verringerung der spezifischen CO2-Emissionen zu

rechnen. Dieser Umstand wirkt sich positiv auf die Umweltverträglichkeit strombetriebener

Technologien aus.

Abbildung 10: Nettostromverbrauch und spezifische CO2-Emissionen der Stromerzeugung in Deutsch-

land

3.2 Energieträgerpreise

Nach einer langen stabilen Periode in den 1990er Jahren sind die meisten Brennstoffpreise in

Deutschland seit Beginn der 2000er Jahre im Steigen begriffen. Abbildung 11 zeigt die Preis-

entwicklung von 1991 bis 2012. Die Entwicklung der Strompreise ist in Abbildung 12 darge-

stellt. Hier ist bedingt durch die Liberalisierung des Strommarktes Ende der 1990er Jahre ein

Absinken der Preise zu vernehmen. Seit Beginn der 2000er Jahre folgt darauf jedoch ein kon-

tinuierlicher Anstieg der Preise, der zum einen durch die Entwicklung der Brennstoffpreise

und zum anderen durch steigende Steuern und Abgaben ausgelöst wurde. Diese Entwicklung

setzt Anreize für effiziente Energiewandlungstechnologien.

Abbildung 11: Entwicklung der Brennstoffpreise in Deutschland von 1991 bis 2012

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

100

200

300

400

500

600

700

800

19

90

19

91

19

92

19

93

19

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95

19

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19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

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20

07

20

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20

09

20

10

20

11

20

12

CO

2-E

mis

sio

nsf

akto

r [g

/kW

h]

Stro

mve

rbra

uch

[TW

h]

Stromverbrauch inkl. Stromhandelssaldo CO2-Emissionsfaktor Strommix

Datenquelle: /UBA 2014/

0

2

4

6

8

10

Ene

rgie

träg

erp

rie

s [€

ct./

kWh

]

Heizöl (private Haushalte) schweres Heizöl (Industrie) leichtes Heizöl (Industrie)

Erdgas (private Haushalte) Erdgas (Industrie) Briketts (private Haushalte)

Fernwärme (private Haushalte)



Abbildung 12: Entwicklung der Strompreise in Deutschland von 1991 bis 2012

3.3 Wärmebedarf im GHD Sektor in Deutschland

In Deutschland wurden im Jahr 2012 55 % (4.960 PJ) der verbrauchten Endenergie für die

Erzeugung von Wärme eingesetzt. Diese wird zu 44 % in privaten Haushalten, zu 17 % im

GHD Sektor, zu 39 % in der Industrie und nur zu marginalen Anteilen im Verkehrssektor

eingesetzt. In Abbildung 13 ist der Endenergieeinsatz in der Wärmeerzeugung für den GHD

Sektor nach Unterkategorien aufgeschlüsselt. Mehr als 72 % des Wärmebedarfs im GHD

Sektor besteht in den vier Bereichen Büroähnliche Betriebe, Beherbergung, Handel und

Landwirtschaft.

Abbildung 13: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung im GHD Sektor in Deutschland 2012

Im GHD Sektor entfallen 77 % des Endenergieeinsatzes zur Wärmeerzeugung auf die Bereit-

stellung von Raumwärme. Die Erzeugung von Prozesswärme hat einen Anteil von 13 %, der

Anteil von Raumwärme beträgt 10 %.

0

5

10

15

20

25

30

Ene

rgie

träg

erp

rie

s [€

ct./

kWh

]Strom (private Haushalte) Strom (Industrie)


45%

0%

39%

4%

3%

2%

2%2%

1%1%0%0%0%

1%

16%

Private Haushalte

Verkehr

Industrie

Büroähnliche Betriebe

Beherbergung, Gaststätten, Heime

Handel

Landwirtschaft

Krankenhäuser, Schulen, Bäder

Baugewerbe

Herstellungsbetriebe

Gartenbau

Textil, Bekleidung, Spedition

Flughäfen

Sonstige

4.861 PJ(2012)

764 PJ(2012)

Datenquellen: /BMWi 2014/, /AGEB 2013a/

Gesamt GHD Sektor

Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung


3.4 Kältebedarf im GHD Sektor in Deutschland

Im GHD Sektor werden bezogen auf das Jahr 2012 51,7 PJ Endenergie zur Erzeugung von

Kälte eingesetzt. Auf die Erzeugung von Prozesskälte entfallen 37,8 PJ (73 %) des Endener-

gieeinsatzes. Die übrigen 13,9 PJ werden für die Bereitstellung von Klimakälte verwendet

/BMWi 2014/. Eine weitere Studie des VDMA hat den Endenergiebedarf für die Kälteerzeu-

gung im GHD Sektor für das Jahr 2009 mittels einer Bottom-Up Betrachtung ausgehend von

der Anzahl installierter Kältesysteme auf 67,5 PJ abgeschätzt /VDMA 2011/. Der Unter-

schied zu den BMWi Energiedaten entsteht durch einen mit 50,7 PJ bedeutend größer abge-

schätzten Endenergieeinsatz zur Erzeugung von Prozesskälte. Die Prozesskälteerzeugung zu

62 % von Kühlgeräten im Lebensmitteleinzelhandel verursacht. Der Endenergiebedarf für die

Erzeugung von Klimakälte wird in der Studie des VDMA mit 16,8 PJ abgeschätzt, von denen

4,1 PJ auf die Klimatisierung von Serverräumen und Rechenzentren entfallen. Aufgrund des

sich stark unterscheidenden Detailierungsgrades sind die genannten Datensätze nur schwer

miteinander vergleichbar. Dennoch ermöglicht die kombinierte Betrachtung die Einordnung

des Kältebedarfs im GHD Sektor.

3.5 Wärmebedarf in der deutschen Industrie

Ein großer Teil (39 %) der Wärmeerzeugung findet in der Industrie satt. In Abbildung 14 ist

der industrielle Wärmebedarf nach Branchen aufgeschlüsselt. Den größten Anteil am indust-

riellen Wärmebedarf haben die energieintensiven Branchen Metall, Chemie, Steine und Er-

den und Papier. Auf sie entfallen 65 % der erzeugten Wärme.

Abbildung 14: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung in der Industrie in Deutschland 2012

In der Industrie besteht der größte Teil (87 %) des Wärmebedarfs in Form von Prozesswär-

me, die zumeist bei hohen Temperaturen jenseits von 100 °C benötigt wird. Die Erzeugung

von Raumwärme und Warmwasser spielt lediglich eine untergeordnete Rolle. Abbildung 15

schlüsselt den Wärmeeinsatz für einzelne Industriezweige nach Anwendungsbereichen auf.

Lediglich in den Branchen Automobil, Maschinenbau und Gummi und Kunststoffindustrie

45%

16%

0%

13%

9%4%

3%

3%

1%1%

1%1%

3%

39%

Private Haushalte

Gewerbe, Handel, Dienstleistungen

Verkehr

Metall

Chemie

Steine und Erden

Papier

Nahrungsmittel

Glas und Keramik

Automobil

Maschinenbau

Gummi und Kunststoff

Sonstige

4.861 PJ(2012)

1.909 PJ(2012)

Datenquellen: /BMWi 2014/, /AGEB 2013b/

Gesamt Industrie

Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung


kommt der Raumwärmeerzeugung eine größere Bedeutung zu, wenn auch die absoluten Ver-

bräuche verhältnismäßig gering sind.

Abbildung 15: Aufschlüsselung des Wärmeeinsatzes in der deutschen Industrie nach

Anwendungsbereichen für das Jahr 2012

Die absoluten Größen des Wärmebedarfs sind für die Industrie in Deutschland in Abbildung

16 nach eingesetzten Energieträgern und Industriebranchen aufgeschlüsselt. Heizöl wird in

der Industrie nur zu geringen Anteilen eingesetzt. Vor allem in der Nahrungsmittelindustrie

besteht ein signifikanter Heizölverbrauch, der allerdings auch hier lediglich einen Anteil von

9 % hat. Kohle wird insbesondere in der Stahlerzeugung und in der Zementherstellung zu

bedeutenden Anteilen zur Befeuerung von Öfen genutzt. In der deutschen Industrie ist Gas

der dominierende Energieträger für die Erzeugung von Wärme.

Abbildung 16: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung in der deutschen Industrie aufgeschlüsselt nach

eingesetzten Energieträgern und Industriebranchen

Mehr als 40 % des Wärmebedarfs in der Industrie werden durch die Verbrennung von Natur-

gasen gedeckt. Insbesondere in den Branchen Papier, Nahrungsmittel, Glas und Keramik und

Automobil wird mehr als die Hälfte der erzeugten Wärme aus der Verbrennung von Naturga-

sen gewonnen. In diesen Branchen bestehen demzufolge nur geringe Potenziale, die energie-

bezogenen CO2-Emissionen durch die Substitution von Kohle und Öl durch Naturgase zu

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

End

en

erg

iee

insa

tz z

ur

Wär

me

erz

eu

gun

g

Raumwärme

Warmwasser

Prozesswärme

Datenquelle: /AGEB 2013/

638

438

179 160 155

72 65 50 34

144

0

100

200

300

400

500

600

700

800

End

en

erg

iee

insa

tz [

PJ]

Kohlen

Heizöl (schwer)

Heizöl (leicht)

sonstige Mineralöle

Naturgase

sonstige Gase

Erneuerbare

Strom

Fernwärme

Sonstige Brennstoffe

Datenquelle: /AGEB 2013/


senken. Die hier bestehenden Optionen für eine weitere Reduktion der CO2-Emissionen be-

schränken sich auf den Einsatz erneuerbarer Energieträger sowie die Durchführung von

Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz.

3.6 Kältebedarf in der deutschen Industrie

Für die Kälteerzeugung wurden im Jahr 2012 in Deutschlands Industrie 8,8 TWh (31,5 PJ)

Strom verbraucht. Davon entfielen 3,9 TWh (14 PJ) auf die Erzeugung von Klimakälte und

4,7 TWh (16,9 PJ) auf die Erzeugung von Prozesskälte /AGEB 2013b/. In Abbildung 17 ist

der Stromeinsatz zur Kälteerzeugung nach Industriezweigen aufgeschlüsselt. Den größten

Anteil (41 %) nimmt die Nahrungsmittelindustrie ein. Vor allem in der Milch- und Fleisch-

verarbeitung besteht ein großer Kältebedarf zur Konservierung von Nahrungsmitteln. In den

vergangenen Jahren ist darüber hinaus ein steigender Kältebedarf in der Backwarenindustrie

zu verzeichnen, der durch die vermehrte Umstellung der Produktion von Frischware auf

Tiefkühlprodukte verursacht wird. In der chemischen Industrie besteht ein Kältebedarf zur

Kühlung von Fluiden und Reaktoren im Produktionsprozess. In den übrigen Industriezweigen

wird Kälte vorwiegend für Klimatisierung und Maschinenkühlung eingesetzt.

Abbildung 17: Stromeinsatz zur Kälteerzeugung in der deutschen Industrie 2012

Zum Kältebedarf der Industrie in Deutschland liegen nur wenige Studien vor, die zum Teil zu

erheblich voneinander abweichenden Ergebnissen kommen. Zu nennen wäre neben den Zah-

len der AG Energiebilanzen /AGEB 2013b/ und /AGEB 2011/ die bereits in Kapitel 3.4 er-

wähnte Studie des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau /VDMA 2011/. Tabelle

2 zeigt eine Übersicht zu den Zahlen von AGEB und VDMA für das Jahr 2009. Die Abschät-

zung des Kältebedarfs erfolgte in beiden Studien über eine Bottom-Up Analyse. In der AGEB

Studie bilden Kennzahlen zum Kältebedarf der Industriezweige die Basis der Berechnung.

Die Hochrechnung erfolgt für die Klimakälte über die Anzahl und Art der Beschäftigten so-

wie über spezifische Kältekennzahlen. Für die Prozesskälte erfolgt die Hochrechnung über

Produktionskennzahlen und den spezifischen Energieaufwand von Produktionsschritten. Die

Studie des VDMA baut auf einer Auswertung von Absatzstatistiken von Kälteanlagen sowie

einer Auswertung verschiedenster Quellen auf und berechnet ebenfalls im Bottom-Up Ansatz

den Endenergiebedarf für die Kälteerzeugung in der Industrie. Der Kältebedarf der Nah-

3.500

2.500

694 500 472 444 38956 28

694

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

Stro

me

insa

tz z

ur

Kä

lte

erz

eu

gun

g [G

Wh

]

Klimakälte

Prozesskälte

Datenquelle:/AGEB 2013/


rungsmittelindustrie wird in der VDMA Studie für die Unterbranchen Fleischverarbeitung

und Brauereien einzeln ausgewiesen. Zudem weist die VDMA Studie den Kältebedarf für

Luftverflüssigung, Drucklufterzeugung und –trocknung sowie für Schaltschrankkühlung ge-

sondert aus.

Der Vergleich der Studien zeigt, dass insbesondere in der Prozesskälteerzeugung in der Nah-

rungsmittelindustrie und in der Klimakälteerzeugung in den Branchen Nahrungsmittel,

Gummi und Kunststoffe sowie Maschinenbau größere Unsicherheiten bestehen. Zudem wird

in der AGEB Studie die Luftzerlegung nicht der Kälteerzeugung zugerechnet.

Tabelle 2: Studienvergleich zur Kälteerzeugung in der Industrie in Deutschland

Branche Endenergieeinsatz zur Kälteerzeugung im Jahr 2009 [GWh]

/AGEB 2011/ /VDMA 2011/

Nahrungsmittel 3.472 6.886

Chemie 2.250 2.311

Metall 667 keine Angabe

Gummi und Kunststoffe 444 700

Maschinenbau 444 117

Automobil 417 370

Papier 306 145

Glas und Keramik 56 keine Angabe

Steine und Erden 28 170

Sonstige 667 6.191

- davon Luftzerlegung keine Angabe 5.200

- davon Druckluft keine Angabe 94

- davon Serverschränke keine Angabe 313

3.7 Analyse industrieller Prozesse bezüglich des Einsatzes von Wärmepumpen

Die Vorlauftemperatur eines Wärmeverteilsystems ist abhängig von Art und Energiebedarf

der angeschlossenen Wärmeverbraucher. Üblicherweise wird die Vorlauftemperatur von

Wärmeverteilsystemen in der Industrie nach dem Bedarf des Prozesses mit der höchsten Be-

triebstemperatur gewählt. Lassen sich verschiedene Prozesse bündeln oder gibt es einzelne

Prozesse mit einem sehr hohen Wärmebedarf, so werden meist getrennte Wärmeverteilsys-

teme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben.

Wärmepumpen können derzeit bis zu einer Vorlauftemperatur von 100 °C eingesetzt werden.

Für Temperaturen bis zu 125 °C existieren Prototypen. Höchsttemperaturwärmepumpen, die

Vorlauftemperaturen von mehr als 125 °C liefern können werden derzeit noch erforscht. Ein-

zelne Anlagen in diesem Bereich wurden allerdings schon realisiert.

Bei der Betrachtung des Potenzials der Wärmepumpentechnologie in der Industrie ist die

lieferbare Vorlauftemperatur der wesentliche Parameter, der das technische Einsatzpotenzial

in der Industrie bestimmt. In Abbildung 18 sind die typischen Betriebstemperaturen von in-

dustriellen Wärmeverbrauchern nach Industriezeigen aufgegliedert dargestellt. Für die Be-

triebstemperaturen sind jeweils Bandbreiten angegeben, da sie vom jeweils eingesetzten Ver-


fahren abhängen. Die verwendeten Daten stammen aus den Studien /Aidonis et al. 2005/ und

/Lauterbach et al. 2012/, die basierend auf Literaturanalysen eine Zusammenstellung von

Temperaturbereichen industrieller Prozesse erstellt haben.

Abbildung 18: Temperaturen und auf die jeweilige Produktmenge bezogene Wärmeverbräuche industri-

eller Prozesse

Die Temperaturbänder sind entsprechend der verfügbaren Wärmepumpentechnik eingefärbt.

Die Einfärbung verdeutlicht, dass ein Großteil der aufgeführten Prozesse bereits mit heutiger

Wärmepumpentechnik versorgt werden können. Neben der Temperaturübersicht sind auch

die auf das jeweilige Produkt bezogenen spezifischen Wärmeverbräuche der betrachteten

Prozesse angegeben. Für Metallverarbeitung und Maschinenbau werden keine Werte ge-

nannt. In beiden Industriezweigen werden Prozesse der Oberflächenbehandlung aufgeführt,

die einen bedeutenden Wärmebedarf bei niedrigen Temperaturen haben. Da hier aber ledig-

lich die Oberfläche der Werkstücke behandelt wird, existiert nur eine sehr schwache Korrela-

tion zwischen Produktionsmenge und Wärmebedarf. Aus diesem Grund kann der produkti-

Branche Prozess von bis

Raumwärme 4 626

Warmwasser 4 515

Biochemische Reakt. 180 1.770

Destillation 468 612

Kochen 2.866 7.100

Blanchieren 367 464

Brühen 61 140

Eindampfen 216 4.634

Kochen 2.866 6.037

Pasteurisieren 47 783

Räuchern 72 864

Reinigen 1 54

Sterilisieren 55 1.116

Temperieren 16 72

Trocknen 547 14.749

Waschen 14 181

Bleichen 8.280 8.280

Entfärben 1.285 1.285

Kochen 7.100 7.100

Trocknen 3.600 4.321

Beizen

Verchromen

Entfetten

Galvanisieren

Phosphatieren

Spülen

Trocknen

Gummi und Kunststoff Trocknen 1.404 2.772

Oberflächenbehandlung

Reinigen

Bleichen 180 180

Färben 1.135 1.190

Trocknen 2.052 7.728

Waschen 324 3.738

Dämpfen 1.416 8.400

Pressen 360 636

Trocknen 324 4.800

heute Verfügbar (konventionelle Wärmepumpen)

heute Verfügbar (Hochtemperaturwärmepumpen)

Prototypen (Hochtemperaturwärmepumpen)

Laboranlagen (Höchsttemperaturwärmepumpen)

Datenquellen: /SolarFoods 2013/, /Lauterbach et al. 2012/, /Mandl, Kapusta 2011/, /Kapusta 2010/, /Reisenbichler 2009/, /Blesl et al. 2008/, /Vogt et al. 2008/,

/Aidonis et al. 2005/, /Tech et al. 2003/, /Gloor 2000/, /LfU 2002/, /LfU 2000/, /Layer et al. 1999/, eigene Berechnungen

10 20 30 40 50 60 70 80 90 160140 150

Metallverarbeitung

100 110 120 130

Branchenübergreifend

Chemie

Nahrungsmittel

Papier

Maschinenbau

Textil

Holz

Verfügbarkeit von

Wärmepumpentechnik


onsmengenspezifische Wärmebedarf in diesen Branchen nicht als Kennzahl verwendet wer-

den. Die Kennzahlen der übrigen Prozesse stammen aus einer Auswertung der verfügbaren

Literatur sowie eigenen Messungen.

In Abbildung 18 wird deutlich, dass in der Nahrungsmittel-, Papier- und Chemieindustrie

energieintensive Produktionsprozesse zu finden sind, die bei Temperaturen unterhalb von

160 °C betrieben werden. Insbesondere Trocknen, Eindampfen, Kochen, Waschen und Rei-

nigen sind Prozesse, die in der Regel bei Temperaturen unterhalb von 125 °C betrieben wer-

den. Zudem kommt vor allem beim Trocknen und Eindampfen die Abwärme des Prozesses

selbst als Wärmequelle in Frage. In der metallverarbeitenden Industrie sind zudem viele Pro-

zesse mit Betriebstemperaturen unterhalb von 100 °C zu finden. Diese Prozesse können mit

bereits heute verfügbarer Wärmepumpentechnik versorgt werden. Weitere bedeutende Wär-

mesenken bestehen in der Raumwärme- und Warmwassererzeugung, die zumeist ebenfalls

geringe Vorlauftemperaturen erfordern. Ein umfassender Überblick über den Stand der Wär-

mepumpentechnik wird in Kapitel 4 gegeben.

3.8 Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der deutschen Industrie

Aus der Analyse des Wärmebedarfs der Industrie in Deutschland wurde in Verbindung mit

der energetischen Analyse der industriellen Wärmeverbraucher das Technische Potenzial für

den Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie abgeschätzt. In Abbildung 19 ist das techni-

sche Potenzial nach Industriezweigen und Temperaturniveaus aufgeschlüsselt dargestellt.

Im Niedertemperaturbereich, der neben Raumwärme- und Warmwassererzeugung auch Pro-

zesswärme bis zu einer Temperatur von 70 °C umfasst, besteht ein Potenzial von 211 PJ

(11 % des industriellen Wärmebedarfs in Deutschland), das mit bereits erprobter und breit

verfügbarer Wärmepumpentechnik erschlossen werden könnte. Besondere Aufmerksamkeit

in diesem Temperatursegment gehört dem Maschinenbau und der Automobilindustrie, die

einen vergleichsweise hohen Raumwärmebedarf aufweisen. Mögliche Wärmequellen in die-

sen Branchen sind Druckluft- und Kälteanlagen sowie Abwärme aus der Maschinenkühlung.

Moderne Hochtemperaturwärmepumpen können Temperaturen von bis zu 100 °C liefern.

Weitet man die Potenzialbetrachtung auf dieses Temperatursegment aus, so kommen noch

einmal 226 PJ hinzu. Insgesamt beläuft sich das technische Potenzial unterhalb von 100 °C

auf 437 PJ (23 % des industriellen Wärmebedarfs in Deutschland). Zugewinne liegen vor

allem in der Papierindustrie im Bleichen, Entfärben und der Presstrocknung des Papiers. Als

Wärmequelle stehen in der Papierindustrie große Mengen Abwasser mit einer Temperatur

von 30 bis 35 °C zur Verfügung.


Abbildung 19: Technisches Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie in Deutschland

im Jahr 2012

Erweitert man die Temperaturobergrenze auf 140 °C, die bereits von einigen Wärmepumpen

erreicht wurden, so steigt das technische Potenzial auf insgesamt 611 PJ (32 % des industriel-

len Wärmebedarfs). Das zusätzliche Potenzial besteht hauptsächlich in der Nahrungsmittel-

und der chemischen Industrie. Der Wärmebedarf bei diesen Temperaturen besteht in der Nah-

rungsmittelindustrie zu großen Teilen in den Prozessen Pasteurisierung, Sterilisierung und

Trocknung. In der chemischen Industrie sind Destillationsprozesse für einen großen Anteil

des Wärmebedarfs in diesem Temperatursegment verantwortlich.

Bei dem in Abbildung 19 dargestellten Potenzial handelt es sich um das technische Potenzial

für Wärmepumpen in der Industrie in Deutschland. Daher unterliegen die gezeigten Zahlen

keinerlei ökonomischen und ökologischen Restriktionen. Bei der Planung von Wärmepum-

penanlagen in industriellen Betrieben ist das Vorhandensein einer geeigneten Wärmequelle

eine wesentliche Voraussetzung für die wirtschaftliche Umsetzbarkeit. Zudem fordern In-

dustriebetriebe Amortisationszeiten von 2 bis 5 Jahren ein, die sich aufgrund hoher Anschaf-

fungskosten von Wärmepumpenanlagen nicht in allen Fällen erreichen lassen. All diese Fak-

toren wirken sich limitierend auf das Potenzial aus, so dass davon auszugehen ist, dass das

wirtschaftliche Potenzial für Wärmepumpenanwendungen in der Industrie weitaus geringer

eingeschätzt werden kann. Doch selbst bei der Annahme, dass sich 20 % des technischen

Potenzials auch wirtschaftlich umsetzen lassen, so verbleibt ein Potenzial von 122 PJ, was

6,3 % des industriellen Endenergiebedarfs entspricht. Die bisher geringe Anzahl an doku-

mentierten Anlagen lässt vermuten, dass dieses Potenzial noch weitgehend unangetastet ist.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

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PJ

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zusätzliche PW* 140°C



PW* 70°C

Raumwärme

Warmwasser

*) PW = Prozesswärme

145

15

8

151

7

131

24

52

39 39

Stand der Wärmepumpentechnik 23

4 Stand der Wärmepumpentechnik

Das Kapitel beleuchtet die Entwicklung von Investitionskosten und Effizienz von Wärme-

pumpen über einen Zeitraum von knapp 20 Jahren. Ergänzt wird Beschreibung des Stands der

Wärmepumpentechnik durch eine Marktanalyse zu Industriewärmepumpen.

4.1 Entwicklung der Kosten von Wärmepumpen

Verglichen mit brennerbasierten Wärmeerzeugungstechnologien ist die technische Umset-

zung des Wärmepumpenprinzips mit einem höheren anlagentechnischen Aufwand verbun-

den. Dieser Umstand schlägt sich in vergleichsweise hohen Anschaffungskosten für eine

Wärmepumpenanlage aus. Das Wärmepumpenaggregat stellt üblicherweise die größte Kos-

tenkomponente dar. Zur Erfassung dieser Kostenkomponente wurden für das Jahr 2012 Kos-

ten- und Leistungsdaten von 254 Wärmepumpen von 8 Herstellern in einer Datenbank er-

fasst. Auf Basis dieser Daten wurden Kostenkurven für Wärmepumpenaggregate in Abhän-

gigkeit der Heizleistung erstellt. Die Kurven sind hinsichtlich der nutzbaren Wärmequellen-

medien Sole, Wasser und Luft aufgegliedert in Abbildung 20, Abbildung 21 und Abbildung

22 dargestellt. Für die Erstellung der Kurven wurden die Daten von

88 Sole/Wasser, 87 Wasser/Wasser und 79 Luft/Wasser Wärmepumpen ausgewertet. Die

Heizleistung der Wärmepumpen reicht von 4,7 bis 183 kW thermische Leistung. Kostendaten

zu Wärmepumpen mit größeren Heizleistungen liegen nicht vor. Da diese zumeist nach Kun-

denwunsch angepasst oder eigens auf Kundenanfrage individuell gebaut werden, geben die

Hersteller für diese Anlagen keine Preislisten heraus.

Abbildung 20: Kosten von Sole/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012

y = 3106,1x0,4421

R² = 0,83

y = 2610,2x-0,558

R² = 0,88

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

spez

ifis

che

Ko

ste

n [€

/kW

]

Ko

ste

n [€

]

Heizleistung [kW]

Wasser/Wasser Wärmepumpen

Kosten Wärmepumpe [€] spezifische Kosten Wärmepumpe [€/kW]


Abbildung 21: Kosten von Wasser/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012

Abbildung 22: Kosten für Luft/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012

Zur Betrachtung der historischen Entwicklung der Wärmepumpenpreise wurden zudem

Preislisten aus den Jahren 1990 bis 2012 analysiert. Als Betrachtungsgegenstand wurde

Haushaltswärmepumpen mit einer thermischen Leistung von 7,5 bis 12,5 kW gewählt, da für

diese Produktgruppe die beste Datenlage besteht. Die Preisentwicklungen in Abbildung 23,

Abbildung 24 und Abbildung 25 zeigen ein deutliches Absinken der Preise gegenüber den

1990er Jahren. Seit Einsetzen des zweiten Wärmepumpenbooms in den 2000er Jahren bewe-

gen sich die Preise auf konstantem Niveau innerhalb eines engen Bands.

y = 3106,1x0,4421

R² = 0,83

y = 2610,2x-0,558

R² = 0,88

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0

5.000

10.000

15.000

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25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

spez

ifis

che

Ko

ste

n [€

/kW

]

Ko

ste

n [€

]

Heizleistung [kW]

Wasser/Wasser Wärmepumpen


y = 4.127,33x0,47

R² = 0,59

y = 3.468,35x-0,53

R² = 0,64

0

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1.000

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2.500

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30.000

35.000

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45.000

50.000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200sp

ezif

isch

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[€

/kW

]

Ko

ste

n [€

]

Heizleistung [kW]

Luft/Wasser Wärmepumpen



Abbildung 23: Historische Entwicklung der Preise von Sole/Wasser Wärmepumpen

Abbildung 24: Historische Entwicklung der Preise von Wasser/Wasser Wärmepumpen

Abbildung 25: Historische Entwicklung der Preise von Luft/Wasser Wärmepumpen

4.2 Entwicklung der Effizienz von Wärmepumpen

Die Leistungszahl ist die wesentliche Effizienzkennzahl einer Wärmepumpe. Die Interstaatli-

che Hochschule für Technik in Buchs (Schweiz) verfügt über eine bis 1993 zurückreichende

Datenbank von Prüfstandsmessungen von Kleinwärmepumpen für den Haushaltsbereich. Die

Auswertung dieser Daten zeigt in Abbildung 26 und Abbildung 27 die historische Entwick-

lung der Leistungszahl gemessen nach DIN EN 255 und DIN EN 14511. Für Sole/Wasser

01.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000

02468

1012141618

19

90

19

91

19

92

19

93

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19

95

19

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19

97

19

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19

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20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

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06

20

07

20

08

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09

20

10

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11

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12

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[€

20

10/

kW]

Stic

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grö

ße

Stichprobengröße Durchschnittlicher Wärmepumpenpreis

01.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000

02468

1012141618

19

90

19

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20

01

20

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01.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000

02468

1012141618

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10/

kW]

Stic

hp

rob

en

grö

ße



Wärmepumpen sind die gemessenen Leistungszahlen in den vergangenen Jahren leicht ange-

stiegen. Ausgehend von der Messung nach DIN EN 14511 ist seit 2005 ein jährlicher Anstieg

der Leistungszahl von 0,5 % zu verzeichnen. Luft/Wasser Wärmepumpen zeigten im glei-

chen Zeitraum einen jährlichen Anstieg der Leistungszahl von 1,6 %. Insbesondere in den

Jahren 2011 und 2012 war ein deutlicher Anstieg zu verzeichnen der hauptsächlich auf ver-

kürzte Abtauzeiten oder eine gänzlichen Wegfall von Abtauperioden durch optimierte Rege-

lung zurückzuführen ist.

Abbildung 26: Entwicklung der Leistungszahlen von Sole/Wasser Wärmepumpen von 1993 bis 2012

Abbildung 27: Entwicklung der Leistungszahlen von Luft/Wasser Wärmepumpen von 1993 bis 2012

Die beobachteten Anstiege der Leistungszahlen werden getrieben durch ein verbessertes Ver-

ständnis der Wärmepumpentechnik und spezialisierte Komponenten. Dies gilt zu großen Tei-

len auch für Großwärmepumpen. Die Ergebnisse lassen sich daher auf diese Produktgruppe

übertragen. Die Leistungszahlen von Großwärmepumpen dürften indes bei identischen Be-

triebsbedingungen leicht höher liegen, da einige interne Verbraucher, wie beispielsweise die

Mess-Steuer-Regeltechnik, unterproportional mit der thermischen Leistung skalieren.

3,8 3,94,0

4,24,5 4,4

4,24,3 4,4 4,4 4,5

4,3 4,4 4,5 4,5 4,5 4,5 4,54,8 4,8

4,2 4,3 4,2 4,2 4,14,2

4,54,4

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2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

COP (EN 255) COP (EN 14511)

Datenquelle: /Eschmann 2013/

2,3

2,82,9

3,2 3,2 3,1 3,2 3,3 3,3 3,3 3,4 3,5 3,43,3

3,53,4

3,7 3,73,8

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3,23,0

3,33,1

3,43,5 3,5

3,7

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

COP (EN 255) COP (EN 14511)

Datenquelle: /Eschmann 2013/


4.3 Marktübersicht für Wärmepumpen

Das Angebot von Wärmepumpen mit großer Leistung und hohen Vorlauftemperaturen ist in

den vergangenen Jahren beständig gewachsen. Eine Auswahl an Produkten für den Einsatz in

Industrie und Gewerbe ist in Tabelle 3 aufgelistet. Die Tabelle beinhaltet Heizleistung, liefer-

bare Temperatur und Kältemittel für 44 Industriewärmepumpen von 14 Herstellern. Das Leis-

tungsspektrum der angebotenen Wärmepumpen reicht von 15 kW bis zu 20 MW. Durch Pa-

rallelbetrieb lassen sich auch größere Heizleistungen realisieren. 10 Hersteller bieten Hoch-

temperaturwärmepumpen an, die mehr als 80 °C Vorlauftemperatur liefern können. Drei Her-

steller erreichen sogar 100 °C oder mehr.

4.4 Bewertung des Stands der Wärmepumpentechnik

Die Marktstudie hat gezeigt, dass Heizungswärmepumpen in den vergangenen Jahren an Ef-

fizienz gewinnen konnten. Besonders ausgeprägt ist dieser Trend bei Luft/Wasser Wärme-

pumpen. Gleichzeitig konnten die Hersteller die spezifischen Investitionskosten auf einem

konstanten Niveau halten. Die erstellten Kostenkurven bis zu einer Heizleistung von

ca. 50 kW zeigen eine ausgeprägte Kostendegression. Für Industriewärmepumpen mit großen

Heizleitungen können spezifische Investitionskosten von 200 bis 250 €/kW angenommen

werden. Für die Integration der Wärmepumpe kommen noch einmal 60 % bis 100 % des

Wärmepumpenpreises hinzu. Die Marktübersicht zu Industriewärmepumpen in Tabelle 3

zeigt, dass eine steigende Anzahl von Herstellern Wärmepumpenlösungen für industrielle

Anwendungen anbietet.


L7 G

H [

…]

PP

Sch

rau

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R71

765

°C

L7 G

H [

…]

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Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik 29

5 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik

Das Kapitel gibt einen Überblick über die historische Entwicklung der Forschung an Wärme-

pumpen. Es wird aufgezeigt, wie sich das Forschungsinteresse und die Bedeutung der Wär-

mepumpentechnik im Verlauf der letzten Jahrzehnte entwickelt haben. Die Betrachtung dient

der Einordnung der Forschungsaktivität auf dem Gebiet der Wärmepumpentechnik in Bezug

auf die historische Entwicklung und deren Treiber.

Darüber hinaus werden bedeutende aktuelle Forschungsprojekte vorgestellt. Die Ausgewähl-

ten Projekte haben in großem Maße dazu beigetragen, die Wärmepumpentechnik für den Ein-

satz im industriellen Kontext vorzubereiten.

In Kapitel 5.1 erfolgt eine Auswertung der Forschungsaktivität auf dem Gebiet der Wärme-

pumpentechnik. Zudem wird eine Auswertung der in Europa auf diesem Gebiet erteilten Pa-

tente vorgenommen bevor in den Kapiteln 5.2, 0 und 5.4 auf einzelne aktuelle Forschungs-

vorhaben aus den Kategorien Kältemittel, Verdichter und Wärmepumpenanlagen eingegan-

gen wird.

5.1 Entwicklung der Forschungsaktivität

Der Förderkatalog der Bundesregierung /BMBF 2012/ enthält Daten zu mehr als 160.000

Forschungsprojekten, die seit 1970 in Deutschland gefördert wurden. Die Forschungsaktivität

im Forschungsfeld Wärmepumpen folgte historisch dem Niveau der Energiepreise, insbeson-

dere des Ölpreises. Induziert durch die Ölpreiskrisen von 1973 und 1979 wurde eine große

Zahl an Forschungsprojekten gestartet, die im Jahr 1982 mit 55 laufenden Projekten und ei-

nem Fördervolumen von 11,0 Mio. EUR2010 ein Maximum erreichte. Im Zuge der sinkenden

Energiepreise war im Laufe der 1990er und frühen 2000er Jahre auch das Forschungsinteres-

se an Wärmepumpen rückläufig. Seit 2007 ist wieder ein deutlicher Anstieg des Forschungs-

interesses zu verzeichnen. Im Jahr 2012 liefen 44 Forschungsprojekte mit einem Gesamtvo-

lumen von 7,6 Mio. EUR2010. Im Unterschied zum ersten Wärmepumpenboom in den frühen

1980er Jahren hat sich die heutige Forschung von den Haushalts- und Kleinwärmepumpen zu

den Industrie- und Großwärmepumpen verlagert. Der Anteil dieses Forschungsschwerpunkts

an der gesamten Wärmepumpenforschung ist in Abbildung 29 dargestellt. Im Jahr 2012 ent-

fielen 55 % der Forschungsprojekte und 52 % des Fördervolumens auf dieses Segment.


Abbildung 28: Forschungsprojekte des Bundes mit dem Fokus „Wärmepumpen Gesamt“

Abbildung 29: Forschungsprojekte des Bundes mit dem Fokus „Industrie- und Großwärmepumpen“

Die verstärkte Aktivität im Forschungsfeld Wärmepumpen schlägt sich auch in der Anzahl

angemeldeter Patente nieder. Eine Auswertung der Datenbank des European Patent

Office (EPO) zeigt einen Anstieg erteilter Patente im Bereich der Wärmepumpentechnik von

61 im Jahr 2008 bis auf 161 im Jahr 2012. Die Erteilung von Patenten an Erfinder aus

Deutschland stieg im selben Zeitraum von 16 auf 30. Über den Fünfjahreszeitraum von 2008

bis 2012 wurden 132 Patente an Erfinder aus Deutschland erteilt, 115 an Japan, 45 an Korea

und 34 an die USA. In Abbildung 30 sind die von 2008 bis 2012 erteilten Patente nach Her-

kunft der Erfinder aufgeschlüsselt.

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Anzahl der geförderten Forschungsprojekte (Industrie- und Großwärmepumpen)

Forschungsförderung (Industrie- und Großwärmepumpen)

Datenquelle: /BMBF 2012/, /Destatis 2014/


Abbildung 30: Globale Verteilung der durch das European Patent Office (EPO) erteilten Patente im

Themenbereich Wärmepumpe

Die Aufschlüsselung nach Technikkategorien in Abbildung 31 zeigt einen Anstieg der erteil-

ten Patente in fast allen Technikkategorien. Die stärkste Zunahme ist im Bereich der Mess-,

Steuer- und Regelungstechnik zu verzeichnen. Darauf folgen die Patente auf Systemlösun-

gen. Während bei der Raumwärme- und Warmwassererzeugung Patente vor allem auf Lö-

sungen zur Einbindung von Wärmequellen erteilt wurden, so sind in der Erzeugung von Pro-

zesswärme hauptsächlich neue Produkte mit integrierter Wärmepumpe aufgeführt. Hierzu

zählen vor allem Haushaltsprodukte wie Wäschetrockner und Geschirrspüler.

Die Entwicklung neuer Kältemittel und Verdichter sind der Schlüssel zur Entwicklung von

Industriewärmepumpen, die hohe Temperaturen erreichen und große Leistungsbereiche ab-

decken müssen. Im Folgenden wird eine Auswahl bedeutender Forschungsergebnisse auf

diesem Gebiet präsentiert.

Abbildung 31: Thematische Verteilung der durch das European Patent Office (EPO) erteilten Patente im

Themenbereich Wärmepumpe

5.2 Kältemittel

Als Kältemittel werden Arbeitsstoffe bezeichnet, die in Wärmepumpen den Wärmetransport

übernehmen und in der Regel einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufen. Grundsätzlich

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Kältemittel

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Systemauslegung - Warmwasser

Systemauslegung - Prozesswärme

Sonstige

Datenquelle: Auswertung des Europäischen Patentregisters /EPO 2013/


kann jeder Stoff als Kältemittel verwendet werden, der bei technisch erreichbaren Drücken

verflüssigt und bei den gewünschten tiefen Temperaturen verdampft werden kann. Voraus-

setzung ist im Allgemeinen lediglich, dass bei den im Folgenden dargestellten Kältemitteln

die kritische Temperatur und der kritische Druck ausreichend weit oberhalb und die Erstar-

rungstemperatur unterhalb der üblichen Betriebsbedingungen liegen. Ausnahmen hierzu sind

überkritische Anwendungen wie z. B. beim Einsatz von CO2. Eine entscheidende Rolle spie-

len ferner die physiologischen Eigenschaften der Kältemittel und ihrer Spaltprodukte in ihrer

Wirkung auf Mensch, Tier und die Umwelt sowie der mögliche Einfluss auf das zu kühlende

Gut. Die wirtschaftlichen Forderungen wie Preis, Verfügbarkeit und volumetrische Kälteleis-

tung als Maß für die benötigte Verdichtergröße sind weitere wichtige Kriterien. In der Praxis

erfüllen nur wenige Kältemittel diese Anforderungen. Eine Auswahl geeigneter Kältemittel

und ihrer technischen Eigenschaften ist in Tabelle 4 zusammengefasst. Die Kältemittel sind

nach der kritischen Temperatur sortiert. R744 (CO2) wurde trotz der niedrigen kritischen

Temperatur aufgenommen, da in überkritischen arbeitenden Wärmepumpen ebenfalls Tem-

peraturen bis zu 90 °C erreicht werden können.

Im Folgenden werden zwei Forschungsvorhaben zur Entwicklung neuer Kältemittel, die sich

für die Anwendung in Hochtemperaturwärmepumpen eignen, genauer vorgestellt.

5.2.1 Hochtemperaturkältemittel HFO-1336mzz-Z (DuPont)

DuPont entwickelt mit R1336mzz-Z ein neues Hochtemperaturkältemittel mit einer hohen

kritischen Temperatur von 171 °C, einem niedrigen GWP von 9 und guten Sicherheitseigen-

schaften. In Labortests wurde gezeigt, dass Materialverträglichkeit und Temperaturbestän-

digkeit ähnlich gut wie bei R245fa sind. Die Markteinführung wird voraussichtlich 2016/17

erfolgen /Kontomaris 2013/.

5.2.2 Hochtemperaturkältemittel LG6 (Siemens)

Ausgehend von einer breit angelegten Analyse hat Siemens einen bereits verfügbaren Stoff

gefunden, der sich als Kältemittel für Hochtemperaturwärmepumpen eignet. Das auf den Ar-

beitsnamen LG6 getaufte Kältemittel erreichte bei Labortests insbesondere bei Kondensati-

onstemperaturen von 110 bis 150 °C bessere COPs als R245fa. Für niedrigere Kondensati-

onstemperaturen ist es aufgrund seiner vergleichsweise geringen volumetrischen Heizleistung

allerdings nicht geeignet /Reissner et al. 2013/. Aufgrund der nur spärlich vorhandenen In-

formationen ist das Kältemittel nicht in Tabelle 4 enthalten.


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5.3 Verdichter

Der Verdichter ist die zentrale Komponente einer Wärmepumpe. Er ist wesentlich für die

Wirtschaftlichkeit verantwortlich. Bei der Wahl des Verdichters zählen nicht alleine die

Energieeffizienz des Verdichters, sondern auch die Anwendungsgrenzen hinsichtlich Ver-

dampfungs- und Verflüssigungstemperatur, eine langlebige Mechanik und ein geräuscharmer

Betrieb. Der Verdichter funktioniert in einer Wärmepumpenanwendung in gleicher Weise,

wie in einer Kälteanlage. Er bringt dampfförmiges Kältemittel von einem niedrigen Druck

und einer niederen Temperatur auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau. Als Antrieb

hierzu wird in aller Regel ein Elektromotor genutzt, der aus dem Stromversorgungsnetz ge-

speist wird.

In der Wärmepumpentechnik haben sich besonders Hubkolben-, Scroll-, Schrauben- und

Turboverdichter etabliert. Bei der Auswahl eines Wärmepumpenverdichters ist zunächst das

Kältemittel zu berücksichtigen. Der Verdichter muss für das gewünschte Kältemittel freige-

geben sein und dabei über einen breiten Anwendungsbereich verfügen, der den Anforderun-

gen des jeweiligen Anwendungsfalls entspricht. Eine Übersicht über die technischen Eigen-

schaften und die Anwendungsbereiche der einzelnen Verdichtertypen wird in Tabelle 5 gege-

ben. In den folgenden Kapiteln 5.3.1, 5.3.2 und 5.3.3 werden zwei Schrauben- und ein Tur-

boverdichter vorgestellt, die speziell für den Einsatz bei großen Leistungen und hohen Tem-

peraturen entwickelt wurden.

Tabelle 5: Technische Eigenschaften von Wärmepumpenverdichtern

Verdichterbauart Hubkolben Scroll Schraube Turbo

Antriebsprinzip Verdränger Verdränger Verdränger Strömungs-maschine

Verdichtung statisch statisch statisch dynamisch

Hubvolumen geometrisch geometrisch geometrisch abhängig vom Gegendruck

Förderung pulsierend stetig stetig stetig

Volumenstrom bis 1.000 m³/h bis 500 m³/h 100 bis

10.000 m³/h 100 bis

50.000 m³/h

Heizleistung bis 800 kW bis 400 kW 80 bis

8.000 kW 80 bis

40.000 kW

Druckverhältnis im Regelfall (einstufig)

bis 10 bis 10 bis 30 bis 5

Regelbarkeit bei kon-stanter Drehzahl

Stufen schwierig stufenlos stufenlos

Drehzahlregelung möglich möglich möglich möglich

Empfindlichkeit gegen Flüssigkeitsschläge

hoch gering gering gering

Verursacht Erschütte-rungen

ja nein nein nein


5.3.1 Einwelliger Schraubenverdichter für R717 (Emerson Climate Technologies)

In einer Kooperation bieten Emerson Climate Technologies und Star Refrigeration unter dem

Markennamen Neatpump Großwärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak

an. Die Anlagen sind modular aufgebaut und werden in Größen von 50 kW bis zu 8.000 kW

Heizleistung angeboten. Die größte installierte Anlage hat eine Heizleistung von 14,3 MW.

Die erreichbare Vorlauftemperatur beträgt 90 °C. Möglich wird die hohe Temperatur durch

die neue Vilter Schraubenverdichter-Generation von Emerson Climate Technologies. Die

Verdichterkonstruktion mit nur einer Schraube führt zu geringeren Belastungen des Rotors,

da die Zähne der beiden Rotoren von gegenüberliegenden Seiten in die Windungen der

Schraube greifen. Die abgeflachten Rotorzähne erlauben höhere Differenzdrücke. Die Kon-

struktion führt zu geringeren Lagerbelastungen. Daraus resultieren eine längere Lebensdauer

und eine höhere Zuverlässigkeit gegenüber einem Doppelschraubenverdichter /Nellissen

2012; Emerson 2010a; Emerson 2010b/.

Der Verdichter wird bereits in einer Vielzahl von Wärmepumpenanlagen eingesetzt. Dazu

zählt unter anderem eine Wärmepumpenanlage mit einer Heizleistung von 1,6 MW (2 Wär-

mepumpen mit je 800 kW Heizleistung), die in einer Schokoladenfabrik Prozesswärme mit

61 °C erzeugt und gleichzeitig einen Kühlkreislauf bei 0 °C kühlt. Die Anlage erreicht einen

COP von 3,39 /Pearson, Nellissen 13.06.2012/.

Abbildung 32: Einsatzbereich des Ammoniak Hochtemperatur-Verdichters /nach Emerson 2010b/

5.3.2 Zweiwelliger Schraubenverdichter für R717 (GEA Refrigeration Technologies)

GEA Refrigeration Technologies hat einen neuen Doppelschraubenverdichter für das Kälte-

mittel Ammoniak entwickelt. Die Konstruktion des Verdichters baut auf einem älteren Mo-

dell auf, mit dem Drücke von 52 bar erreicht werden konnten. Durch die Ausstattung des

Verdichters mit einem stärkeren Drucklager für den Hauptrotor, eine stärkere Antriebswelle

und weitere Hochdruckkomponenten kann die neue Version des Verdichters bis zu 63 bar

erreichen. Während die maximale Vorlauftemperatur des 52 bar Verdichters auf 82 °C be-

schränkt ist, kann der neue 63 bar Verdichter 90 °C liefern. Die Verdichter sind in verschie-

° °


denen Größen mit 165 bis 2.838 kW Antriebsleistung erhältlich. In einer Wärmepumpe mit

der Wärmequellentemperatur von 35 °C und der Wärmesenkentemperatur von 80 °C kann

der Verdichter einen COP von 5 bei einer Heizleistung von 14 MW erreichen. Die Technik

wurde bereits in mehreren Anlagen eingesetzt (z. B. Gewächshaus, Papierfabrik und eine

Gelatinefabrik) /Dietrich, Fredrich 13.06.2012/.

5.3.3 Große Turboverdichter (Friotherm)

Das Unternehmen Friotherm hat sich auf Wärmepumpenverdichter spezialisiert, die sehr gro-

ße Heizleistungen bis zu 20 MW ermöglichen. Die Turboverdichter der Uniturbo Serie sind

auf Betriebstemperaturen von -40 bis 90 °C ausgelegt. Friotherm fertigt komplette Verdich-

terbaugruppen bestehend aus dem Verdichter selbst, Schmier- und Dichtölsystemen,

Schmieröltank, Getriebe und mechanischer Kopplung. Die bisher größte Anlage besteht aus 6

Wärmepumpeneinheiten des Typs Unitop 50FY. Sie hat eine Heizleistung von insgesamt

180 MW und erzeugt Wärme bei 80 °C Vorlauftemperatur für das Stockholmer Fernwärme-

netz /Friotherm 2008/.

5.4 Wärmepumpen

Industrielle Anwendungen erfordern Wärmepumpenlösungen die in weiten Bereichen an die

individuellen Betriebsbedingungen angepasst werden können. Eine Besonderheit industrieller

Anwendungen ist die Nutzung von Abwärmeströmen als Wärmequelle, die verglichen mit

Umweltwärme bei viel höheren Temperaturniveaus zur Verfügung stehen. Zudem müssen für

die Bereitstellung von Prozesswärme zumeist hohe Temperaturen von mehr als 80 °C erreicht

werden. Ein weiteres Merkmal industrieller Prozesse ist die zu Teilen größere Temperatur-

spreizung zwischen Vor- und Rücklauf. Einige Wärmepumpenhersteller haben mit unter-

schiedlichen Ansätzen Lösungen für dieses neue Anwendungsgebiet entwickelt, die im Fol-

genden genauer vorgestellt werden. Einige der vorgestellten Forschungsergebnisse wurden

bereits in kommerzielle Produkte überführt. So sind beispielsweise die Hochtemperaturwär-

mepumpen von Ochsner (Kapitel 5.4.4) und Thermea (Kapitel 5.4.5) bereits in Tabelle 3 auf-

geführt.

5.4.1 Hochtemperaturwärmepumpen mit ECO3 (EDF)

Im Forschungsprojekt Alter ECO hat EDF in Zusammenarbeit mit Industriepartnern einen

Prüfstand für Hochtemperaturwärmepumpen mit großen Heizleistungen erstellt und darauf

verschiedene Prototypen getestet, die im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelt wurden.

Begonnen wurde die Entwicklung mit einem Screening der verfügbaren Kältemittel. Dabei

hat sich das Kältemittelgemisch ECO3 als vielversprechende Option herausgestellt. ECO3

wurde für Hochtemperaturanwendungen entwickelt. Eine Einstufung in die Sicherheitsklasse

B1 wird erwartet. Das GWP beträgt 980. Damit liegt es im Bereich konkurrierender Kälte-


mittel wie R245fa oder R365mfc. In Simulationen erreichte es allerdings bessere COPs als

R245fa, R1234ze, R236fa und R717. In Bezug auf den COP war es einzig R236mfc leicht

unterlegen. Mit Kenntnis von GWP und COP lassen sich die TEWI Werte berechnen, nach

denen ECO3 etwa gleich auf liegt mit R365mfc und R717.

Ausgehend von diesen theoretischen Überlegungen wurde ein Wärmepumpenprototyp mit

dem Kältemittel ECO3 gebaut und auf einem Prüfstand ausführlichen Tests unterzogen. Der

Prototyp wird durch zwei Scroll-Verdichter angetrieben. Die Wärmepumpe wurde mit einem

Economiser und einem elektronischen Expansionsventil ausgestattet. Auf der Wärmesenken-

seite ist nach dem Kondensator noch ein Unterkühler verbaut, der zur Vorerwärmung des

kalten Stroms genutzt wird. Abbildung 33 zeigt die Einbindung der Wärmepumpe in den

Prüfstandskreislauf. Auf dem Prüfstand wurde ein Kennfeld der Wärmepumpe ermittelt. Da-

bei wurden sämtliche Betriebszustände von 35 °C/80 °C bis 60 °C/140 °C angefahren und

Messdaten erhoben. Ein Dauertest mit 1.000 Betriebsstunden unter Volllast wurde bei

60 °C/120 °C absolviert. Bis zu einer Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wär-

mesenke von 60 K konnten COPs über 3 erreicht werden. Mit der marktverfügbaren Technik

lassen sich derzeit bis zu 125 °C erreichen. Für den zuverlässigen Betrieb bei höheren Tem-

peraturen fehlen derzeit noch temperaturstabile Expansionsventile und effiziente Verdichter

/Bobelin, Bourig, Peureux/.

Abbildung 33: Aufbau des Prüfstands bei EDF /Bobelin, Bourig, Peureux/

5.4.2 Rotationswärmepumpe (ECOP)

Das Start-Up Unternehmen ECOP schlägt mit der Entwicklung einer Rotationswärmepumpe

völlig neue Wege ein. Hoch- und Niederdruckbereich werden in der Rotationswärmepumpe

nicht durch einen mechanischen Verdichter sondern durch zentrifugale Kräfte erzeugt. Dieser


Ansatz führt im Vergleich zu einer konventionellen Kompressionswärmepumpe zu einer er-

heblich besseren Exergieausnutzung. Die Rotationswärmepumpe funktioniert nach dem Prin-

zip eines linksläufigen Joule-Prozesses. Als Arbeitsmedium kommt ein Edelgas zum Einsatz.

Durch die Rotation wird das Gas in den äußeren Bereichen komprimiert. Es gibt Wärme bei

hohen Temperaturen von bis zu 150 °C über einen Gaswärmeübertrager an die Wärmesenke

ab. In den inneren Bereichen stellt sich ein niedrigerer Druck ein. Hier wird Wärme ebenfalls

über einen Gaswärmeübertrager aufgenommen. Die Umwälzung des Wärmeträgergases er-

folgt durch einen Ventilator.

Abbildung 34 zeigt den Aufbau der Wärmepumpe. Sie besteht aus vier Wärmepumpenkreis-

läufen, die mit bis zu 2.500 U/min um ein gemeinsames Zentrum rotieren. Die Druckdiffe-

renz und damit auch der Temperaturhub der Wärmepumpe kann durch die Rotationsge-

schwindigkeit beeinflusst werden. Das Gas als Arbeitsmedium verwendet wird, weist die

Wärmepumpe sowohl auf der Wärmequellenseite als auch auf der Wärmesenkenseite einen

Temperaturgleit auf.

Das Prinzip der Rotationswärmepumpe wurde bereits in den 1970er Jahren diskutiert. ECOP

ist allerdings das erste Unternehmen, das sich an eine kommerzielle Umsetzung wagt. Derzeit

testet das Unternehmen Anlagen mit einer Heizleistung von 100 kW. Die Markteinführung

größerer Module mit bis zu 1 MW Heizleistung ist geplant /Riepl et al. 2013; Riepl 2014/.

Abbildung 34: Aufbau der Rotationswärmepumpe /Adler, Riepl, Ponweiser 2011; Riepl 2014/

5.4.3 Hochtemperaturwärmepumpe mit R600a (Huber-Kälte-Technik)

Der Verdichterhersteller Huber-Kälte-Technik (HKT) bietet Hochtemperaturwärmepumpen

mit Vorlauftemperaturen von 90 bis 110 °C in Größen von 10 bis 200 kW an. Die Anlagen

können einen Temperaturhub von bis zu 60 K pro Stufe bewältigen. Bei höheren Tempera-

turhüben kommen mehrstufige Anlagen mit R134a oder R290a im Niedertemperaturkreis und

R600a im Hochtemperaturkreis zum Einsatz. Mit zwei Hochtemperaturwärmepumpen liefert

HKT den Erfolgsbeleg für den Einsatz von Isobutan in Hochtemperaturanwendungen. Eine

Pilotablage mit einer Heizleistung von 54 kW wird in einer Brauerei zur Prozesswärmeerzeu-

gung eingesetzt. Bei einer Verdampfertemperatur von 67 °C und einer Kondensatortempera-

tur von 125 °C erreicht sie einen COP von 3,6. Die zweite Demonstrationsanlage ist zweistu-

fig ausgeführt. Sie hat eine Heizleistung von 10 kW und ist bereits mehr als 5.000 Stunden


gelaufen. Mit einer Wärmequellentemperatur von 17 °C und einer Wärmesenkentemperatur

von 100 °C überbrückt die Wärmepumpe einen Temperaturhub von 83 K. Der Verdichter der

Hochtemperaturstufe wird mit dem Kältemittelsauggasstrom der Niedertemperaturstufe ge-

kühlt. Dadurch konnte auf eine Zwangskonvektions-Luftkühlung verzichtet werden /Huber

2013/.

5.4.4 Hochtemperaturwärmepumpe mit ECO1 (Ochsner)

Die Firma Ochsner bietet neben einer einstufigen Wärmepumpe, die Abwärme bei 40 bis

50 °C nutzen kann, um Warmwasser mit bis zu 98 °C zu erzeugen, auch eine zweistufige

Version an. Diese kann sowohl Kälte bei 10 °C als auch Wärme bis zu 95 °C bereitstellen.

Die einstufige Variante verwendet das Kältemittel Öko1 und ist mit Heizleistungen von 60

bis 640 kW verfügbar. Die Wärmequellentemperaturen reichen von 35 bis 55 °C. Die zwei-

stufige Anlage verwendet im Niedertemperaturkreis das Kältemittel R134a. Im Hochtempera-

turkreis wird ebenso wie in der einstufigen Variante Öko1 genutzt. Die Wärmequellentempe-

raturen betragen 8 bis 25 °C bei Heizleistungen von 190 bis 750 kW /Ochsner 2014/.

5.4.5 Wärmepumpen mit R744 (Thermea)

Das Unternehmen Thermea setzt auf das Kältemittel CO2. Durch den überkritischen Prozess

und den hohen Temperaturgleit eignen sich diese Wärmepumpen vorwiegend für Anwendun-

gen mit großer Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Heizkreises. Die ange-

botenen Wärmepumpen arbeiten mit Wärmequellentemperaturen von 8 bis 35 °C und errei-

chen eine Wärmesenkentemperatur von bis zu 90 °C bei einer Heizleistung von bis zu

1.100 kW. Das Unternehmen bietet die Wärmepumpen in zwei Baureihen mit Hubkolben-

verdichter oder Schraubenverdichter an.

5.4.6 Wärmepumpendampferzeuger (Kobe Steel Ltd.)

Das japanische Unternehmen Kobe Steel hat zwei Hochtemperaturwärmepumpen auf den

Markt gebracht, mit denen sich Dampf erzeugen lässt. Die beiden Modelle werden in Abbil-

dung 35 gezeigt. Das Modell SGH120 hat einen halbhermetischen zweistufigen Doppel-

schraubenverdichter und arbeitet mit dem Kältemittel R245fa. Die Wärmepumpe erreicht bei

einer Wärmequellentemperatur von 65 °C und einer Wärmesenkentemperatur von 120 °C

einen COP von 3,5. Die Heizleistung beträgt 370 kW. Das zweite Modell SGH165 besteht

aus einer Kombination aus Hochtemperaturwärmepumpe und Brüdenverdichter. Die Hoch-

temperaturwärmepumpe wird durch einen halbhermetischen Doppelschraubenverdichter an-

getrieben. Das verwendete Kältemittel ist ein Gemisch aus R245fa und R134a. Die Wärme-

pumpe erzeugt Dampf, der anschließend vom Brüdenverdichter komprimiert und somit auf

Temperaturen von bis zu 165 °C angehoben wird. Die Anlage eignet sich prinzipiell auch zur

Überwindung großer Temperaturhübe. Bei einer Wärmequellentemperatur von 65 °C und


einer Wärmesenkentemperatur von 165 °C wird allerdings gerade noch ein COP von 2,5

erreicht /Kuromaki 2012/.

Abbildung 35: Darstellung der beiden Kobe Steel Wärmepumpendampferzeuger SGH120 und SGH165

/Kuromaki 2012/

5.4.7 Hybridwärmepumpe (Hybrid Energy)

Die Hybridwärmepumpe ist eine Kombination aus Absorptions- und Kompressions-

wärmepumpe, auch Osenbrück Prozess genannt. Das Konzept wurde an der Norwegian Uni-

versity of Science and Technology zur Marktreife entwickelt /Nordtvedt 2005/. Die kommer-

zielle Verwertung der Entwicklung erfolgt seit 2004 über die ausgegründete Hybrid Energy

A/S.

In Abbildung 36 ist der Kreisprozess der Hybridwärmepumpe in ein- und zweistufiger Aus-

führung angegeben. Die Wärmepumpe wird mit der Stoffpaarung Ammoniak (NH3) und

Wasser (H2O) betrieben. Aus einer Wärmequelle wird Wärme bei 30 bis 65 °C aufgenom-

men, wodurch das Ammoniak verdampft. Ein mechanischer Verdichter komprimiert das

Ammoniakgas und führt es dem Absorber zu. Parallel dazu wird das Wasser mit einer Pumpe

in den Absorber gepumpt. Dort löst sich das Ammoniakgas wieder im Wasser und gibt Wär-

me bei hoher Temperatur an eine Wärmesenke ab. Die NH3/H2O-Lösung strömt über ein Ex-

pansionsventil zurück in den Austreiber, wo der Kreislauf von neuem beginnt.


Abbildung 36: Hybridwärmepumpe in ein- und zweistufiger Ausführung /Goget 20.11.2012/

Dieses Anlagenkonzept bietet eine Reihe an Vorteilen gegenüber konventionellen Kompres-

sionswärmepumpen. Während Kompressionswärmepumpen mit dem Kältemittel Ammoniak

bei hohen Kondensationstemperaturen hohe Drücke erreichen müssen (siehe Kapitel 5.3.1

und 5.3.2), genügt der Hybridwärmepumpe je nach Mischungsverhältnis von Ammoniak und

Wasser im Absorber ein Druck von weniger als 25 bar, um Wärmesenken mit bis zu 115 °C

versorgen zu können. Bei gleichbleibendem Kondensationsdruck lässt sich die Wärmepumpe

durch Variation des Mischungsverhältnisses von Ammoniak und Wasser auf die Temperatur-

bedingungen des konkreten Anwendungsfalls einstellen. Zudem treten, bedingt durch das

Zweikomponentengemisch in Austreiber und Absorber, Temperaturgleits auf, die dem Tem-

peraturprofil in einem Wärmeübertrager entsprechen. Damit können bei guter Abstimmung

der Wärmepumpe auf Wärmequelle und Wärmesenke Exergieverluste vermieden werden.

Die Hybridwärmepumpe wird in einer einstufigen Variante angeboten, die einen Tempera-

turhub von bis zu 45 K bewältigen kann. In der zweistufigen Variante beträgt der maximale

Temperaturhub 90 K. Der Temperaturbereich der Wärmequelle liegt zwischen 30 und 65 °C.

In der Wärmesenke können 70 bis 115 °C erreicht werden. Hybrid Energy bietet Anlagen mit

Heizleistungen von 250 kW bis 2,5 MW an.

42 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe

6 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperatur-

wärmepumpe

In Kooperation mit dem Anlagenbauer Dürr Ecoclean GmbH und dem Wärmepumpenher-

steller Combitherm GmbH wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens unter Beteiligung

des IER eine Hochtemperaturwärmepumpe entwickelt. Die Wärmepumpe wurde direkt in

einer Teilereinigungsanlage der Firma Dürr EcoClean eingesetzt und getestet.

Zudem wurden Versuche unternommen Hochtemperaturwärmepumpen in die Wärmeerzeu-

gung eines Fertighausherstellers und eines Galvanikbetriebs zu integrieren. Die daraus ent-

standenen Fallstudien werden in den Kapiteln 6.2 und 6.3 beschrieben.

6.1 Anwendungsfall Teilereinigung

Teilereinigungsanlagen werden in der Industrie genutzt um Werkstücke von anhaftenden

Produktionsrückständen wie Ölen, Fetten und Partikeln zu befreien. Die betrachtete Teilerei-

nigungsanlage der Firma Dürr Ecoclean verfügt über eine integrierte Aufbereitungseinheit für

die Reinigungsbäder. Da insbesondere bei hoher Aufbereitungsleistung gleichzeitig ein

Kühlbedarf für die Anlage besteht, sind ideale Voraussetzungen für die Integration einer

Wärmepumpe in die Teilereinigungsanlage gegeben.

6.1.1 Ausgangslage der Teilereinigung

In der Produktionskette industrieller Güter entstehen durch verschiedene Bearbeitungsschritte

Verunreinigungen, die sich auf Werkstücken ablagern. Zur Entfernung dieser Verunreinigun-

gen werden Teilereinigungsanlagen eingesetzt. Die eingesetzten Anlagen unterscheiden sich

hinsichtlich Teiledurchsatz, Automatisierungsgrad, Reinigungsqualität, Wartungsaufwand

und Energiebedarf. Das Funktionsprinzip ist jedoch stets ähnlich. Durch Behandlung mit ei-

ner Reinigungslösung auf Basis von Wasser oder Kohlenwasserstoffen werden Fette, Öle,

Partikel, Späne oder andere Verunreinigungen vom Werkstück entfernt. Um eine hohe Reini-

gungsqualität zu erreichen, muss die Reinigungslösung selbst eine niedrige Partikeldichte

aufweisen. In konventionellen Anlagen reichern sich im Betrieb Verunreinigungen in der

Reinigungslösung an, was bei Überschreitung eines Schwellenwerts einen Wechsel des Rei-

nigungsbades notwendig macht. Hierzu muss die Anlage entleert, die verbrauchte Reini-

gungslösung entsorgt, neue Reinigungslösung beschafft und in die Anlage gefüllt werden.

Neben einer unvermeidbaren Stillstandszeit entstehen durch die Entsorgung der verbrauchten

und die Beschaffung neuer Reinigungslösung zusätzliche Kosten. Das Intervall zwischen

zwei Badwechseln wird als Badstandzeit bezeichnet. Vor dem Hintergrund des mit einem

Badwechsel verbundenen Aufwands wird nach Möglichkeiten gesucht, die Badstandzeit

durch Maßnahmen zur Badaufbereitung zu verlängern. Abhängig vom Qualitätsanspruch

kann sogar eine unbegrenzte Badstandzeit erreicht werden. Dürr Ecoclean setzt in den Teile-

reinigungsanlagen der Baureihe EcoCMax eine integrierte Badaufbereitung ein.

Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 43

In Abbildung 37 ist ein Schema der Teilereinigungsanlage dargestellt. Die wässrige Reini-

gungslösung wird in der Badaufbereitung unter atmosphärischem Druck bei 100 °C ver-

dampft. Dabei bleiben Verunreinigungen wie schwersiedende Öle zurück. Darüber hinaus

sind die einzelnen Flutbehälter mit einer Bypassfiltration ausgestattet, die weitere Verunrei-

nigungen entfernt. Statt vollständiger Badwechsel in kurzen Intervallen genügt bei dieser

Anlage ein regelmäßiger Wechsel der Filter sowie ein Ablassen der im Verdampfer aufkon-

zentrierten Verunreinigungen. Die im Verdampfer aufgewendete Energie wird genutzt, um

die Flutbehälter auf einer Temperatur von 60 bis 70 °C zu halten. Durch Abstrahlverluste der

Anlage und Energieaustrag durch Werkstücke sind kontinuierliche Wärmeverluste gegeben,

die auf diese Weise ausgeglichen werden. Durch die Regelung der Leistungszufuhr in der

Badaufbereitung lässt sich die eingebrachte Wärmemenge regulieren. Da die Aufbereitungs-

leistung des Verdampfers direkt von der zugeführten Wärmemenge abhängt, werden die

Wärmeverluste der Anlage beim Einstellen von hohen Aufbereitungsleistungen überkompen-

siert, was eine aktive Wärmeabgabe über ein Kühlsystem notwendig macht. Im wärmege-

führten Betrieb erreicht die Anlage bei vollständigem Ausgleich der Wärmeverluste eine

Aufbereitungsleistung von 5 Litern Reinigungslösung in der Stunde. Bei voller Aufberei-

tungsleistung mit 36 kW Wärmezufuhr werden bis zu 50 l/h erreicht. Durch die Integration

einer Hochtemperaturwärmepumpe in die Teilereinigungsanlage soll der Energieverbrauch

der Badaufbereitung bei gleichbleibender Aufbereitungsleistung reduziert werden.

Abbildung 37: Schema der Teilereinigungsanlage mit Angabe der Temperaturniveaus

Auch weitere Unternehmen beschreiten ähnliche Wege zur effizienten Aufbereitung von

Flüssigkeiten. Sie bieten separate Badaufbereitungsanlagen für größere Flüssigkeitsmengen

an. Verbrauchte Bäder werden gesammelt und einer Destillationsanlage zugeführt, in der die

Reinigungsflüssigkeit verdampft wird und Öle und Emulsionen zurückbleiben und abgeführt

werden können. Statt eines geschlossenen Wärmepumpenkreislaufs setzen die Hersteller

Brüdenverdichter ein, die den entstehenden Dampf komprimieren und damit den Verdampfer

beheizen. Auf diese Weise können sehr niedrige spezifische Energieverbräuche erreicht wer-

den. Große Anlagen mit einer Aufbereitungsleistung von 1.500 l/h benötigen 35 Wh/l, kleine-

re Anlagen mit einer Aufbereitungsleistung von 30 l/h benötigen 80 Wh/l. Da der Brüdenver-

dichter direkt in den Dampfstrom eingreift, sind die Betriebsbedingungen möglichst stationär

Flutbehälter 360 bis 70 °C Badaufbereitung

100 °C

Badaufbereitung und Beheizung

der Flutbehälter

Flutbehälter 260 bis 70 °C


elektrische Heizung36 kW

Waschkammer

Kühlung


zu halten. Dieses lässt sich bei einer anlagenintegrierten Badaufbereitung sehr viel schwieri-

ger realisieren, als bei separat betriebenen Aufbereitungsanlagen. Daher hat sich der Anla-

genhersteller Dürr Ecoclean für einen geschlossenen Wärmepumpenkreislauf entschieden.

Die Integration der Hochtemperaturwärmepumpe in die Teilereinigungsanlage soll eine hohe

Aufbereitungsleistung garantieren und gleichzeitig den Energiebedarf der Anlage reduzieren.

Eine weitere Vorgabe war das Erreichen einer Leistungszahl von 3 und einer Aufbereitungs-

leistung von 50 l/h.

6.1.2 Entwicklung der Hochtemperaturwärmepumpe und Integration in die Teilerei-

nigungsanlage

In der Badaufbereitung wird eine wässrige Reinigungslösung unter atmosphärischem Druck

bei 100 °C verdampft. Da der Bauraum für die Integration eines Wärmeübertragers in der

Badaufbereitung begrenzt ist, muss zur Übertragung der geforderten Leistung ein ausreichend

hohes treibendes Temperaturgefälle von 5 bis 15 K eingestellt werden. Die damit nötige

Kondensationstemperatur von 110 °C schränkt die Wahl des Kältemittels ein. Herkömmliche

Kältemittel aus der Wärmepumpentechnik (R410A, R134a) können dieses Kriterium nicht

erfüllen. Mit R245fa steht allerdings ein Kältemittel mit passenden Eigenschaften zur Verfü-

gung, das jedoch bisher nicht in Wärmepumpen zur Anwendung kam.

Durch die Combitherm GmbH wurde der Prototyp einer Hochtemperaturwärmepumpe herge-

stellt und mit R245fa befüllt. Als Verdichter wurde ein Kolbenverdichter gewählt. Da die

Arbeitstemperaturen des Prototyps deutlich über denen konventioneller Wärmepumpen lie-

gen, muss für eine ausreichende Kühlung des Verdichters gesorgt werden. Für das verwende-

te Öl gibt der Hersteller eine maximal zulässige Temperatur von 130 °C an. Bei höheren

Temperaturen droht das Öl zu verkoken. Beschädigungen des Verdichters wären die Folge.

Um die Druckgastemperatur nahe an der gewünschten Kondensationstemperatur zu halten,

wird eine Kühlung für den Verdichter verbaut. Da die Kühlung aber gleichzeitig die Effizienz

der Wärmepumpe negativ beeinflusst, stellt sie eine schwer zu kalkulierende Größe dar. Der

Prototyp wurde mit drei separat betriebenen Kühlsystemen ausgestattet.

Das Kennfeld des eingesetzten Hubkolbenverdichters ist in Abbildung 38 für den Betrieb mit

R245fa dargestellt. Die Kondensationstemperatur ist mit tc bezeichnet, die Verdampfungs-

temperatur mit to. Der vom Hersteller erprobte Einsatzbereich ist schwarz umrissen. Bei ho-

hen Kondensationstemperaturen wird eine Kühlung des Verdichters empfohlen. Mit einer

Verdampfungstemperatur zwischen 50 und 60 °C und einer Kondensationstemperatur von

110 °C liegt der gewählte Betriebspunkt außerhalb dieses Bereichs. Durch Tests der Wärme-

pumpe konnte bestätigt werden, dass sich der Verdichter auch in den gestichelt markierten

erweiterten Einsatzgrenzen zuverlässig betreiben lässt.


Für die Integration der Wärmepumpe in die Teilereinigungsanlage wurden die drei in Abbil-

dung 39 dargestellten Varianten diskutiert.

Variante 1: Die direkte Integration der Wärmepumpe in den Kondensatstrom der

Badaufbereitung bietet den Vorteil einer vergleichsweise hohen Verdampfertempera-

tur von 80 °C. Aus Ermangelung einer dämpfend wirkenden Speichermasse ist diese

Variante allerdings vergleichsweise störanfällig.

Variante 2: Durch Einbringen eines Rohrschlangenwärmeübertragers in den Flutbe-

hälter lässt sich das Volumen des Behälters als Speicher nutzen. Die Temperatur der

Reinigungslösung im Behälter wird auf 60 bis 70 °C gehalten.

Variante 3: Auch in Variante drei kann der Flutbehälter als Speicher genutzt werden.

Allerdings befindet sich der Verdampfer der Wärmepumpe außerhalb des Flutbehäl-

ters. Die Reinigungslösung aus dem Flutbehälter wird dem Verdampfer durch eine

Pumpe zugeführt.

Abbildung 38: Kennfeld des Verdichters /Combitherm 2013/

Die dritte Variante wurde schließlich umgesetzt, da sie die geringsten Eingriffe in die Anla-

gentechnik erfordert. Zudem ist der Umwälzkreislauf bereits vorhanden. Die elektrische

36 kW Heizung bleibt erhalten und dient dem Aufheizen der Anlage. Im laufenden Betrieb

übernimmt dann die Wärmepumpe die Wärmebereitstellung und schafft zwei Temperaturzo-

nen. Sie hält den Flutbehälter auf 60 bis 70 °C und verdampft gleichzeitig Reinigungslösung

in der Badaufbereitung bei 100 °C. So kann gleichzeitig der Energiebedarf für Heizung und

Kühlung der Anlage reduziert werden.

Erweiterte

Einsatzgrenzen

(Versuch)


Abbildung 39: Varianten für die Integration der Wärmepumpe in die Teilereinigungsanlage

6.1.3 Anlagentestläufe mit der integrierten Hochtemperaturwärmepumpe

In mehr als 70 Messreihen mit jeweils 99 erfassten Messwerten wurde die Teilereinigungsan-

lage mit integrierter Wärmepumpe getestet, um ein möglichst vollständiges Bild über Anla-

genverhalten, Zuverlässigkeit und Energieeinsparungen zu erhalten. Hierzu wurde die Anlage

in den Betriebszuständen Aufheizen, Dauerbetrieb, Stand-by und Abkühlen untersucht. Im

Dauerbetrieb wurde der Energieaustrag durch das Reinigungsgut mittels der verbauten Anla-

genkühlung simuliert.

Betriebserfahrungen

Die Wärmepumpe läuft seit Beginn der Tests ohne nennenswerte Probleme. Zur Bestimmung

der Einsatzgrenzen wurde der Verdichter in verschiedenen Leistungsstufen getestet. Über den

verbauten Frequenzumformer kann der Verdichter stufenlos mit einer Frequenz von 25 bis

70 Hz angesteuert werden. Im Rahmen der Tests konnte festgestellt werden, dass auf die

Wasserkühlung des Verdichters verzichtet werden kann. Der verbaute Ventilator liefert ge-

nügend Kühlleistung, um die Druckgastemperatur unter 130 °C zu halten. Einzig im 70 Hz

Dauerbetrieb reicht die alleinige Kühlung über den Ventilator nicht aus.

Im Verdampfer der Badaufbereitung kommt es bei Anwesenheit von Reiniger und Aminen zu

einem Siedeverzug am Verflüssiger der Wärmepumpe. Stoßweise kocht die wässrige Lösung

auf und verursacht Druckschwankungen in der Anlage. Als mögliche Ursache wird eine zu

große Dimensionierung des Wärmeübertragers angenommen. In weiteren Versuchen wurde

eine Lösung für das Problem erarbeitet.

Waschkammer


100 °C



Verflüssiger110 °C

VerdampferVariante 2

60 bis 70 °C


80 °C


60 bis 70 °C

Expansionsventil

elektrische Heizung(Unterstützung)


Effizienz der Wärmepumpe

Da die Wärmepumpe über keinen Volumenstromzähler verfügt, können die Energieströme

innerhalb der Wärmepumpe nicht bilanziert werden. Für die Bestimmung von COP und Gü-

tegrad wird daher die Spülbadaufbereitung in die Bilanz mit einbezogen. Die einzelnen Bi-

lanzgrößen sind in Abbildung 40 eingezeichnet.

Die gelieferte Wärmemenge wird über die Badaufbereitung bilanziert und zur elektrischen

Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ins Verhältnis gesetzt.

𝐶𝑂𝑃 = 𝑐𝑝 ∗ �̇�2 ∗ ∆𝑇2

𝑃𝑒𝑙

Die Wärmepumpe erreicht COPs zwischen 3,1 im Betrieb bei 25 oder 70 Hz und 3,4 im

50 Hz Betrieb. Bei den angegebenen COPs ist allerdings zu beachten, dass das beschriebene

Vorgehen die Wärmeverluste der Badaufbereitung mit bilanziert. Hierdurch erscheint der

COP geringfügig schlechter.

Um eine Aussage über die Effizienz der Wärmepumpe unter Berücksichtigung der Rahmen-

bedingungen treffen zu können, wird der Gütegrad berechnet. Er stellt den COP ins Verhält-

nis zum idealen Carnot COP. Dieser wird aus den Temperaturen am Verflüssiger bzw. Ver-

dampfer der Wärmepumpe gebildet.

𝐺ü𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑑 =𝐶𝑂𝑃

𝐶𝑂𝑃𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡=

𝐶𝑂𝑃

𝑇𝑉𝑒𝑟𝑓𝑙ü𝑠𝑠𝑖𝑔𝑒𝑟

𝑇𝑉𝑒𝑟𝑓𝑙ü𝑠𝑠𝑖𝑔𝑒𝑟 − 𝑇𝑉𝑒𝑟𝑑𝑎𝑚𝑝𝑓𝑒𝑟

Der Gütegrad der Hochtemperaturwärmepumpe liegt je nach Leistungsstufe zwischen 29,8 %

und 32,7 % mit einem Optimum bei 50 Hz. Abbildung 41 zeigt die erreichten COPs und Gü-

tegrade in Abhängigkeit von der gefahrenen Leistungsstufe. Konventionelle Heizungswär-

mepumpen erreichen Werte zwischen 40 % und 50 %. Bei einem Vergleich der Werte ist

allerdings wieder zu berücksichtigen, dass die Verluste der Badaufbereitung mit bilanziert

wurden.

Abbildung 40: Bilanzgrößen in der energetischen Betrachtung der Anlage

Waschkammer


100 °C



Verflüssiger110 °C

Verdampfer50 bis 60 °C

Expansionsventil

elektrische Heizung(Unterstützung)

Kühlung

�̇�𝟏, ∆𝑻𝟏

𝑷𝒆𝒍

�̇�𝟐, ∆𝑻𝟐


Um das Potenzial zur Effizienzsteigerung der Hochtemperaturwärmepumpe zu bestimmen,

wurde eine Energiebilanz um Wärmepumpe und Badaufbereitung gezogen. Die am Ver-

dampfer aufgenommene Energiemenge wird aus dem Volumenstrom und den Temperaturen

der Reinigungslösung berechnet. Aus den über die Bilanzgrenzen zu- und abgeführten Ener-

giemengen (Q̇ein, Q̇aus) werden die Wärmeverluste (Q̇Verlust) bestimmt.

�̇�𝑒𝑖𝑛 − �̇�𝑎𝑢𝑠 = �̇�𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡

(𝑐𝑝 ∗ �̇�1 ∗ ∆𝑇1 + 𝑃𝑒𝑙) − (𝑐𝑝 ∗ �̇�2 ∗ ∆𝑇2) = �̇�𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡

Die Anlagenverluste betragen 14 % bis 22 % (siehe Abbildung 42). Ihre relative Höhe nimmt

mit steigender Leistung ab. Durch die Auswertung von Messreihen mit Beheizung über die

elektrischen Heizelemente, ohne den Betrieb der Wärmepumpe, lassen sich die Wärmeverlus-

te der Badaufbereitung auf 5 % bis 8 % abschätzen.

Abbildung 41: COP und Gütegrad der Hochtemperaturwärmepumpe

Abbildung 42: Wärmebilanz der Teilereinigungsanlage mit integrierter Hochtemperaturwärmepumpe

3,13,4 3,3

3,1

29,8% 32,7% 31,8% 30,0%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0

1

2

3

4

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25 50 60 70

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tegr

ad [

-]

CO

P [

-]

Frequenz des Verdichters [Hz]

COP Gütegrad

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18%

14%

14%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

25 50 60 70

He

izle

istu

ng

[kW

]

Frequenz [Hz]

el. Leistungsaufnahme Wärmequelle Verluste


Damit besteht für die Wärmepumpe ein Potenzial zur Effizienzsteigerung von 6 % bis 17 %.

Eine mögliche Maßnahme ist die Isolation der Zirkulationsleitung, die dem Verdampfer der

Wärmepumpe die Reinigungslösung aus Flutbehälter 1 zuführt. Diese ist, anders als die

Schemata in Abbildung 39 und Abbildung 40 vermuten lassen, mehrere Meter lang und bis-

lang ungedämmt.

Wird die Teilereinigungsanlage ohne Wärmepumpe mit voller Aufbereitungsleistung betrie-

ben, muss sie mit einer Leistung von 30 kW gekühlt werden. Die Kühlleistung wird übli-

cherweise von einem Kaltwassersatz bereitgestellt. 5,9 kW der Kühlleistung fallen für den

Betrieb einer Vakuumpumpe an. Ein weiterer Teil der Überschusswärme wird durch das Rei-

nigungsgut aus der Anlage geführt. Bei einer Reinigung von Stahlteilen mit einer Gesamt-

masse von 650 kg pro Stunde werden im Mittel 5 kW Wärme abgeführt. Die übrigen 19 kW

können von der Wärmepumpe über den Flutbehälter 1 als Wärmequelle genutzt werden. Ab-

bildung 43 zeigt die Verteilung der Energieströme in der Teilereinigungsanlage.

Abbildung 43: Gesamtenergiebilanz der Teilereinigungsanlage

Das Abwärmeaufkommen lässt sich durch den Einsatz der Wärmepumpe deutlich reduzieren.

In der untersten Leistungsstufe bei 25 Hz werden lediglich noch 0,4 kW Kühlleistung benö-

tigt. Berücksichtigt man den Wärmeaustrag durch das Reinigungsgut, so müssen die elektri-

schen Heizelemente mit geringer Leistung zusätzlich zur Wärmepumpe betrieben werden, um

die Wärmeverluste zu kompensieren. Dies ist auch im Betrieb bei 50 Hz notwendig, da die

überschüssige Wärmeleistung bei lediglich 3,6 kW liegt. Bei 60 Hz kehrt sich die Lage um.

In diesem Betriebspunkt müsste ca. 1 kW überschüssige Wärmeleistung abgeführt werden.

Aufgrund der geringen Kühlleistung wäre auch eine Abgabe der Wärme an die direkte Um-

gebung der Teilereinigungsanlage (Hallenluft) denkbar.

20 20 20 20 20

28

713 16

19

6

6

66

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10

20

30

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80

90

ohne WP 25 50 60 70

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aue

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f [k

W]

Frequenz [Hz]

Kühlung Abwärme

Kühlung Vakuumpumpe

Strom Wärmepumpe

Strom Badaufbereitung

Strom Teilereinigungsanlage


Aufbereitungsleistung

Die Menge an aufbereiteter Reinigungslösung ist ein weiterer kritischer Parameter für den

Erfolg des Projekts. Im Dauerlauf-Betrieb beträgt die Aufbereitungsleistung durchschnittlich

40 l/h. Schon in der niedrigsten Leistungsstufe bei 25 Hz kommt die Anlage im Wärmepum-

penbetrieb mit 33 l/h nahe an diesen Wert heran. Bei 50 Hz beträgt die Aufbereitungsleistung

70 l/h (siehe Abbildung 44). Damit wird das Ziel von 50 l/h deutlich übertroffen. Bezogen

auf den 50 Hz Normalbetrieb kann bei einer Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme

der Badaufbereitung um 31 % und die Aufbereitungsleistung um 75 % gesteigert werden.

Betrachtet man die spezifische Aufbereitungsleistung in Abbildung 45, so wird deutlich, dass

die Badaufbereitung mit einer spezifischen Leistung von 182 Wh/l im 50 Hz Normalbetrieb

oberhalb der Konkurrenzprodukte liegt. Diese benötigen in einer vergleichbaren Leistungs-

stufe lediglich 80 Wh/l. Bei diesem Vergleich ist allerdings unbedingt zu berücksichtigen,

dass es sich bei den Konkurrenzprodukten um separate Badaufbereitungen handelt. Die inte-

grierte Aufbereitungsanlage der Dürr Ecoclean GmbH nutzt die zugeführte Wärmemenge zur

Beheizung der Teilereinigungsanlage. Die aufgenommene elektrische Leistung im 50 Hz

Normalbetrieb dient dem Ausgleich der Wärmeverluste durch das Reinigungsgut. Zusätzlich

ist keine Kühlung der Anlage mehr notwendig. Eine weitere Reduktion des Wärmebedarfs ist

lediglich durch die Verringerung der Wärmeverluste der Anlage möglich.

Abbildung 44: Leistung der Badaufbereitung bei verschiedenen Betriebsweisen

48 20 20 20 20

713 16

19

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ohne WP 25 50 60 70

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Leistung EcoCMax Leistung Wärmepumpe spez. Aufbereitungsleistung


Abbildung 45: Spezifische Wärmeleistung der Badaufbereitung bei verschiedenen Betriebsweisen

6.1.4 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Integration einer Hochtemperaturwär-

mepumpe in eine Teilereinigungsanlage

Die Messreihen haben gezeigt, dass die Hochtemperaturwärmepumpe auch in den erweiterten

Einsatzgrenzen zuverlässig arbeitet. Die zu Projektbeginn gesteckten Ziele wurden nicht nur

erreicht, sondern sogar übererfüllt. Im Normalbetrieb bei 50 Hz erreicht die Wärmepumpe

einen COP von 3,4. Bilanziert man auch die Kühlung des Flutbehälters als Nutzen, so liegt

der integrierte COP sogar bei 5,8. Bei einer Verminderung der Heizleistung von 31 % konnte

die Aufbereitungsleistung um 75 % gesteigert werden. Eine Kühlung der Anlage ist nicht

mehr notwendig. Bei Annahme des deutschen Strommix mit einem spezifischen CO2-

Ausstoß von 586 g/kWh /UBA 2014a/ und einer Anlagenbetriebsdauer von 4.500 h/a, kann

die Hochtemperaturwärmepumpe jährlich CO2-Emissionen in Höhe von bis zu 37 t vermei-

den.

Inzwischen wurde von Dürr Ecoclean eine zweite Anlage aufgebaut. Sie wird seit etwa einem

Jahr bei einem Kunden unter realen Produktionsbedingungen getestet und läuft bisher prob-

lemlos. Mit einem mittleren COP von 4 läuft die Wärmepumpe sogar effizienter als in den

Anlagentests. Allerdings treten höhere Wärmeverluste auf, die nicht im vollen Umfang von

der elektrisch zugeführten Antriebsenergie der Wärmepumpe kompensiert werden können.

Da die installierte Anlage über zwei parallel betriebene Waschkammern verfügt, ist ein mög-

licher Grund für die gesteigerten Wärmeverluste im stärkeren Wärmeaustrag durch die gerei-

nigten Werkstücke zu suchen. Trotzdem konnte die Leistungsaufnahme der Teilereinigungs-

anlage bei gesteigerter Badqualität um ca. 10 kW gesenkt werden.

48 20 20 20 20

7 13 16 19

198 182 189 204

696

0

5

10

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900

1.000

ohne WP 25 50 60 70

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[kW

el]

spe

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ufb

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itu

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leis

tun

g [W

h/l

]


Leistung EcoCMax Leistung Wärmepumpe spez. Aufbereitungsleistung


6.2 Fallstudie Galvanik

Galvanische Prozesse werden genutzt, um die Qualität von Werkstückoberflächen zu beein-

flussen. Durch das kombinierte Aufbringen dünner Metallschichten können Oberflächen für

bestimmte Einsatzzwecke optimiert werden.

6.2.1 Beschreibung der Produktionsprozesse im Galvanikbetrieb

In der Oberflächenveredelung werden die Oberflächen von Werkstücken durch galvanische

oder chemische Prozesse beschichtet. Durch die Beschichtung werden die Werkstücke op-

tisch aufgewertet und/oder in ihren technischen Eigenschaften verändert. Die Hartverchro-

mung ist dabei eines der am häufigsten angewendeten Verfahren. Eine Hartchromschicht

erhöht die Oberflächenhärte und schützt das Werkstück vor Korrosion. Hierzu wird das

Werkstück in ein Bad mit Chromelektrolyt getaucht. Durch das Anlegen einer elektrischen

Gleichspannung zwischen Elektroden und Werkstück entsteht ein Stromfluss der zur Ab-

scheidung von Chrom auf der Werkstückoberfläche führt. Gewöhnlich werden die Anlagen

mit einer Stromdichte von 50 A/dm² betrieben. In großtechnischen Anlagen können lediglich

20 % der eingesetzten elektrischen Energie zur Verchromung genutzt werden. Die übrige

Energie wird in Wärme umgesetzt und muss abgeführt werden.

6.2.2 Ausgangssituation im Galvanikbetrieb

In dem betrachteten Galvanikbetrieb werden die Chrombäder und die Stromgleichrichter von

einem Zentralen Kühlsystem mit Kühlwasser versorgt. Ein Schema der Kühlanlage ist in Ab-

bildung 46 dargestellt. Zwei 30 m³ große Speicher puffern Lastspitzen ab und garantieren

eine Vorlauftemperatur von maximal 37 °C. Die überschüssige Wärme wird über zwei

Tischkühler an die Außenluft abgegeben. Da keinerlei Daten über die abgeführte Wärme-

menge und die benötigte Kühlleistung zur Verfügung standen, mussten Messungen durchge-

führt werden. Abbildung 47 zeigt den Verlauf und die Stundenmittelwerte der benötigten

Kälteleistung über einen Messzeitraum von einer Woche. In diesem Zeitraum lag die durch-

schnittliche Vorlauftemperatur der freien Kühlung bei 36 °C. Das Kühlwasser aus den Spei-

chern wird den Tischkühlern über je drei Pumpen zugeführt. Diese sind nicht drehzahlgere-

gelt.

Abbildung 46: Vereinfachtes Anlagenschema der Kühlung im Galvanikbetrieb

Chrombäder

Gleichrichter

Speicher 30 m³

Speicher 30 m³


Abbildung 47: Wochenprofil der freien Kühlung

Durch ein kaskadiertes Zu- oder Abschalten der Pumpen kann die Kühlleistung dem Bedarf

angepasst werden. Dennoch erfolgt die Wärmeabgabe in kurzen 5 bis 10 Minuten Episoden,

sobald die Speichertemperatur 37 °C überschreitet. Das stündliche Leistungsmittel lag bei 50

bis 600 kW. Das Mittel der Kühlleistung über einen Arbeitstag in der betrachteten Woche lag

bei 376 kW.

Insgesamt wurde über den Zeitraum einer Woche 18,8 MWh Wärme abgeführt. Bei einem

Anlagenbetrieb von 10 Stunden am Tag und 250 Arbeitstagen im Jahr ergibt sich eine Ab-

wärmemenge von 671 MWh. Dieser Wert ist als konservativ einzuschätzen, da je nach Aus-

lastung auch am Wochenende produziert wird.

Tabelle 6: Übersicht über die erschließbaren Wärmesenken in der Produktion des Galvanikbetriebs

Art des Bades Temperatur Beheizungsart

Abkochentfettung 80 °C Heißwasser

Chrombad 55 °C Strom

Chemisch-Nickel-Bad 90 °C Heißwasser

Auf der Seite der Wärmeverbraucher existiert neben der Heizung von Werkshallen und des

Verwaltungsgebäudes ebenfalls ein großer Wärmebedarf für die Beheizung von Produktions-

anlagen. Diese bestehen aus einer Vielzahl von Bädern. Eine Übersicht über die im unter-

suchten Betrieb vorhandenen Bäder ist in Tabelle 6 gegeben.

Im Verchromungsprozess erzeugt das Chrombad einen Wärmeüberschuss, der weggekühlt

werden muss. In den Zwischenzeiten muss das Chrombad jedoch auf Temperatur gehalten

werden, wofür eine elektrische Badheizung eingesetzt wird. Die übrigen Bäder müssen stän-

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

200

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r [°

C]

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W]

Leistung [kW] mittlere Vorlauftemperatur [°C]

Rücklauftemperatur [°C] Leistung Stundenmittelwerte [kW]


dig beheizt werden, da hier keine nennenswerten internen Wärmegewinne, sehr wohl aber

Verluste durch Abstrahlung und Konvektion auftreten.

Da keinerlei Daten über den Wärmebedarf der einzelnen Bäder vorlagen, wurde je ein

Chrombad und ein Entfettungsbad vermessen. Für die Chemisch-Nickel-Bäder wurde auf-

grund der hohen erforderlichen Badtemperaturen keine Messung durchgeführt. Folgende Er-

kenntnisse konnten gewonnen werden:

Abkochentfettung: Das Entfettungsbad ist mit 7,3 m³ Reinigungslösung gefüllt, die

über 6.000 Betriebsstunden im Jahr auf einer Temperatur von 80 °C gehalten werden

müssen. Während des Einschaltvorgangs muss diese Temperatur innerhalb von 4

Stunden erreicht werden. Die maximal übertragene Leistung betrug 180 kW. Danach

sind lediglich noch 19,2 kW für den Ausgleich von thermischen Verlusten notwendig.

Die Vorlauftemperatur bleibt bei 115 °C, der Rücklauf bei 100 °C. Daher wird die

benötigte Wärme nur in kurzen Stößen von 1 bis 2 Minuten Länge zugeführt. Mit den

installierten Wärmeübertragerflächen könnte die Vorlauftemperatur im laufenden Be-

trieb auf 88 °C bis 90 °C abgesenkt werden. Bilanziert über ein Jahr werden

110 MWh bei niedriger Leistung und niedrigen Vorlauftemperaturen benötigt.

Chrombad: Das Chrombad erzeugt lediglich während der Verchromung einen Ener-

gieüberschuss. In den Zwischenzeiten wird das Bad über eine elektrische Heizung auf

der benötigten Temperatur von 55 °C gehalten. Für den Ausgleich der thermischen

Verluste des 12 m³ fassenden Bades wird eine Heizleistung von 20,8 kW benötigt. Da

die Verchromungsvorgänge lediglich 23 % der Betriebszeit in Anspruch nehmen, re-

sultiert bei insgesamt 6.000 Betriebsstunden im Jahr ein Wärmebedarf von 29 MWh.

Aufgrund der Verwendung elektrischen Stroms, wird diese Wärme zu vergleichswei-

se hohen Kosten erzeugt. Eine Umrüstung der Anlage auf eine Beheizung mit Heiß-

wasser ist möglich. Hierfür sind allerdings spezielle korrosionsbeständige Wärme-

übertrager notwendig.

Gebäudeheizung: Zum Gebäudebestand zählen zwei Produktionshallen, eine Lager-

halle und ein Verwaltungsgebäude. Die Wärmeversorgung geschieht über einen Öl-

kessel, der jährlich 2,1 GWh Wärme erzeugt. Sie wird zur Beheizung der Gebäude

sowie der Chemisch-Nickel-Bäder und der Abkochentfettung eingesetzt. Auf die Pro-

duktionshalle 2 entfällt ein Raumwärmebedarf von 700 MWh. Die Hallenheizung

wird mit einer Vorlauftemperatur von 70 °C betrieben. Da das Gebäude auch die zent-

rale Kälteversorgung beherbergt, könnte eine Wärmepumpe einen Teil des Raum-

wärmebedarfs decken.

6.2.3 Vorgeschlagene Integration einer Wärmepumpe im Galvanikbetrieb

Die bisher ungenutzte Abwärme kann durch eine Wärmepumpe nutzbar gemacht werden. Der

Kaltwasserrücklaufspeicher dient als Wärmequelle. Als Wärmesenke kommen im Winter die

Gebäudeheizung und ganzjährig das Chrombad und die Abkochentfettung in Frage.


Um das große Speichervolumen optimal durch eine Wärmepumpe ausnutzen zu können, sind

größere Temperaturamplituden nötig. Da die Pumpen des Kühlkreislaufs nicht drehzahlgere-

gelt sind, darf die Temperatur des Kühlwasservorlaufspeichers nur in sehr engen Grenzen

schwanken, um die Oberflächenqualität der Hartverchromung nicht negativ zu beeinflussen.

Eine Umrüstung des Kühlkreises auf eine drehzahlgeregelte Pumpe würde eine tiefere Aus-

kühlung des Speichers erlauben, wodurch die Wärmeentzugsleistung den in Abbildung 47

dargestellten Stundenmittelwerten angenähert werden kann.

Für die Integration einer Wärmepumpe in die Wärme- und Kälteerzeugung des Galvanikbe-

triebs wurden zwei Varianten untersucht. In Variante 1 wird eine Wärmepumpe untersucht,

die die Kühlung der Produktionsanlagen als Wärmequelle nutzt und 100 kW Heizleistung zur

Verfügung stellt. Als Wärmesenke dient die Hallenheizung, für die ein Wärmebedarf aller-

dings nur während der Heizperiode besteht. Hierdurch erreicht die Wärmepumpe nur geringe

Laufzeiten. In Variante 2 wird zusätzlich zur Hallenheizung noch ein Chrombad als Wärme-

senke erschlossen. Das Bad hat einen ganzjährigen Wärmeverbrauch und ermöglicht somit

lange Betriebszeiten der Wärmepumpe. Eine Umstellung des derzeit direkt mit Strom beheiz-

ten Bades auf eine indirekte Beheizung birgt ein erhebliches Potenzial zur Reduktion von

Betriebskosten und Treibhausgasemissionen. Allerdings stellt diese Umstellung auch einen

erheblichen Eingriff in die Produktionsanlage dar.

6.2.4 Wirtschaftlichkeit der vorgeschlagenen Wärmepumpenanlage im Galvanikbe-

trieb

Für beide vorgeschlagenen Varianten wurden bezüglich der verwendeten Kostenparameter

jeweils ein optimistisches und ein pessimistisches Szenario berechnet. Mit der modifizierten

internen Zinsfußmethode wurde eine dynamische Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchge-

führt. Neben der internen Verzinsung wurde auch die Amortisationszeit ermittelt. Die Be-

rechnung erfolgte gemäß VDI-Richtlinie 2067 /VDI 2067 2010/.

Variante 1:

Aufgrund der fehlenden Wärmeabnahme im Sommer kann lediglich eine Amortisationszeit

von 6 bis 7,5 Jahren erreicht werden. Die interne Verzinsung liegt zwischen 10 und 15 %.

Die Daten zur wirtschaftlichen Bewertung der Variante sind in Tabelle 7 angegeben.

Variante 2:

Gegenüber Variante 1 fallen zusätzliche Kosten für die Installation drehzahlgeregelter Pum-

pen im Kühlsystem und die Umstellung des Chrombades auf eine Beheizung mit Heißwasser

an (Tabelle 8). Da das Chrombad bisher mit Strom geheizt wurde, sind hier allerdings auch

die erzielbaren Einsparungen höher. Somit kann eine Amortisationszeit von 3 bis 4 Jahren

bzw. eine interne Verzinsung von 25 bis 35 % erreicht werden.

Die zweite Variante hat sich als deutlich wirtschaftlicher erwiesen. Das Konzept wurde zur

Detailplanung an einen Anlagenplaner übergeben. Trotz der guten Rahmendaten wurde die

Anlage aufgrund von anstehenden Umstrukturierungen im Unternehmen nicht umgesetzt.


Tabelle 7: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für Variante 1 der Integration

einer Wärmepumpe in einem Galvanikbetrieb

Szenarien (Variante 1)

optimistisch pessimistisch

Investitionskosten 50.000 € 60.000 €

Steigerung der Energiepreise 4 % p.a. 3 % p.a.

Ölpreis (2012) 7 ct/kWh 7 ct/kWh

Strompreis (2012) 14 ct/kWh 14 ct/kWh

Wärmeerzeugung 179 MWh/a 179 MWh/a

Anlagennutzungsdauer 15 Jahre 15 Jahre

interne Verzinsung 15 % 10 %

Amortisationszeit 6 Jahre 7,5 Jahre

Tabelle 8: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für Variante 2 der Integration

einer Wärmepumpe in einem Galvanikbetrieb

Szenarien (Variante 2)




Ölpreis (2012) 7 ct/kWh 7 ct/kWh

Strompreis (2012) 14 ct/kWh 14 ct/kWh

Wärmeerzeugung 290 MWh 290 MWh



Amortisationszeit 3 Jahre 4 Jahre

6.3 Fallstudie Fertighaushersteller

Bei der Herstellung von Fertighäusern werden einzelne Hauselemente in Fabriken vorgefer-

tigt und auf der Baustelle lediglich noch zusammengefügt. Die Ausbauelemente werden vor-

wiegend in Leichtbauweise hergestellt. Einer der hauptsächlich verwendeten Rohstoffe ist

Holz.

6.3.1 Beschreibung der Produktionsprozesse beim Fertighaushersteller

Damit das Holz verarbeitet werden kann, muss es zuvor getrocknet werden. Der Restfeuchte-

gehalt des Holzes wird dabei auf 10 % bis 20 % reduziert. Er sollte möglichst genau dem

Klima entsprechen, dem das Holz später ausgesetzt ist. Zur Trocknung wird das Holz in eine

Trockenkammer verbracht, in der es über den Zeitraum von mehreren Tagen einer warmen

und trockenen Atmosphäre ausgesetzt wird. Die Trocknungstemperatur wird über den Zeit-

raum stufenweise von 50 °C bis auf 80 °C angehoben. Durch eine erzwungene Konvektion

wird ein guter Übergang der Feuchtigkeit in die Luft erreicht. Temperatur und Luftfeuchtig-

keit müssen während der Trocknung in einem genau definierten Rahmen gehalten werden,

um Trocknungsschäden zu vermeiden. In regelmäßigen Abständen wird die feuchtigkeitsge-


sättigte Luft gegen trockene Frischluft ausgetauscht. Der eigentlichen Trocknungsphase

schließt sich die Konditionierungsphase an. Sie dient dem Ausgleich von Feuchtedifferenzen

über den Querschnitt des Holzes. Anschließend muss das Holz auf mindestens 40 K über der

Außentemperatur abkühlen, da es sonst zur Rissbildung kommt /Trübswetter, Grohmann

2009/.

6.3.2 Ausgangssituation beim Fertighaushersteller

Der betrachtete Fertighaushersteller verwendet zur Produktion der Bauelemente große Men-

gen Holz. Um diesen Rohstoff optimal auszunutzen, hat er eine Verwertungskette vom Sä-

gewerk über die Holztrocknung bis zur Reststoffverwertung in einem Biomassekraftwerk

aufgebaut. Das Kraftwerk wird vornehmlich mit Reststoffen aus der Produktion befeuert. Es

besteht aus zwei unabhängigen Blöcken mit einer gesamten elektrischen Nettoleistung von

8,2 MW. Die elektrischen Nettowirkungsgrade der beiden Blöcke liegen bei 21,7 % bzw.

23,8 %. Block 1 ist mit einer Entnahmekondensationsturbine ausgestattet. Vor dem Eintritt in

den Niederdruckteil wird Dampf für die Wärmeversorgung des Betriebs abgezweigt. So kön-

nen bis zu 5 MW thermische Leistung bereitgestellt werden. In beiden Kraftwerksblöcken

wird der Dampf nach der Entspannung in freier Kühlung bei 55 °C gegen die Umgebungsluft

kondensiert.

Die ausgekoppelte Wärme wird zur Beheizung von 4 Holzpressen und 27 Trockenkammern

verwendet. Im Winter kommt die Beheizung von Fertigungshallen und Bürogebäuden hinzu.

Die Pressen benötigen eine Vorlauftemperatur von 120 °C und wurden daher nicht näher un-

tersucht. Die Trockenkammern werden ebenfalls mit einer Vorlauftemperatur von 120 °C

versorgt, obwohl die Prozesstemperaturen mit 50 bis 80 °C deutlich darunter liegen. Sie sind

mit einer Beimischung ausgestattet, über die der Vorlauf auf die benötigte Temperatur einge-

stellt wird. Abbildung 48 zeigt schematisch die Einbindung der Trockenkammer in das Ver-

sorgungsnetz. Da keinerlei Daten zum Energieverbrauch der Trockenkammer vorlagen wurde

eine Messung durchgeführt. Die Messstellen sind in Abbildung 48 rot markiert. Insgesamt

wurden zwei Trocknungsläufe analysiert. Die Diagramme in Abbildung 49 und Abbildung 50

zeigen die Verläufe von Vorlauftemperatur und benötigter Leistung über die Trocknungsdau-

er von 15 bzw. 21 Tagen.

Abbildung 48: Anschluss der Trockenkammer an das Versorgungsnetz

Trockenkammer

Pumpe

Hauptleitung Vorlauf

Hauptleitung Rücklauf

T

T

T V

Vorlauftemperatur

Volumenstrom

Rücklauftemperatur

Hauptleitung Vorlauftemperatur


Hohe Vorlauftemperaturen über 100 °C kommen lediglich in der Aufheizphase zu Beginn der

Trocknung und beim Anfahren der nächsten Temperaturstufe vor. Über die hohen Tempera-

turen und das resultierende große treibende Temperaturgefälle im Wärmeübertrager werden

in den Aufheizphasen Leistungen von bis zu 2,9 MW übertragen. Danach muss die Prozess-

temperatur über mehrere Tage hinweg konstant gehalten werden. Im Mittel stellt sich dabei

ein Leistungsbedarf von 175 kW ein. Die Vorlauftemperatur beträgt in diesen Phasen 60 bis

90 °C.

Abbildung 49: Messdaten der Trocknungsanlage - Trocknungslauf 1 vom 13.05.2012 bis zum 28.05.2012

Abbildung 50: Messdaten der Trocknungsanlage - Trocknungslauf 2 vom 29.05.2012 bis zum 19.06.2012

6.3.3 Vorgeschlagene Integration einer Wärmepumpe beim Fertighaushersteller

Da insbesondere im Winter die Grenzen der Wärmeerzeugung erreicht werden, können die

Trocknungsanlagen nicht mit voller Auslastung gefahren werden. Für die Erweiterung der

Wärmeerzeugungskapazitäten müsste ein zusätzlicher Wärmeerzeuger installiert werden. Mit

einer Wärmepumpe könnte die Abwärme des Kraftwerks als Wärmequelle genutzt werden,

um während der stationären Phasen die Trockenkammer auf Betriebstemperatur zu halten.

Hierfür müsste eine Temperaturdifferenz von 15 bis 45 K überwunden werden. Die Einbin-

0102030405060708090100110120130140150

0100200300400500600700800900

1.0001.1001.2001.3001.4001.500

Tem

pe

ratu

r [°

C]

Leis

tun

g [k

W]

Leistung [kW] Vorlauftemperatur [°C] Leistung 2 h Durchschnitt [kW]

Maximum: 2.700 kWMittelwert: 176 kW

0102030405060708090100110120130140150

0100200300400500600700800900

1.0001.1001.2001.3001.4001.500

Tem

pe

ratu

r [°

C]

Leis

tun

g [k

W]

Leistung [kW] Vorlauftemperatur [°C] Leistung 2 h Durchschnitt [kW]

Maximum: 2.866 kWMittelwert: 174 kW

Ausfall der Datenerfassung


dung einer Wärmepumpe würde wie in Abbildung 51 dargestellt geschehen. In den stationä-

ren Phasen kann die Wärmepumpe die komplette Wärmeversorgung übernehmen. In den

Aufheizphasen würde eine Beimischung aus dem Primärheizkreis erfolgen.

Da die Wärmeauskopplung des Kraftwerks auf 5 MW begrenzt ist, kommt es bei starker Aus-

lastung der Produktion insbesondere im Winter zu Engpässen in der Wärmeerzeugung. Ein

Ölkessel sorgt in diesen Spitzenlastfällen für ausreichend Wärme. Bei Auslastungserhöhung

der Trockenkammern müsste der Spitzenlastkessel das ganze Jahr über betrieben werden.

Diese Art der Wärmeerzeugung ist mit hohen Brennstoffkosten verbunden. Eine Wärme-

pumpe könnte wie in Abbildung 51 dargestellt die Abwärme des Biomasse Kraftwerks nut-

zen, um die Wärmeversorgung von zunächst einer Trockenkammer in der stationären Phase

zu übernehmen.

Abbildung 51: Integration der Wärmepumpe

6.3.4 Wirtschaftlichkeit der vorgeschlagenen Wärmepumpenanlage im Galvanikbe-

trieb

Da im Kraftwerk vor allem biogene Reststoffe aus der eigenen Produktion verbrannt werden,

kann eine Wärmepumpe weder in ökologischer noch in wirtschaftlicher Hinsicht mit der aus-

gekoppelten Wärme aus dem Kraftwerk konkurrieren.

Damit bleibt der Betrieb die Wärmepumpe auf Zeitfenster mit einer hohen Wärmenachfrage

beschränkt, was sich in einer vergleichsweise geringen Anzahl an Vollaststunden ausdrückt.

Unter der Annahme einer Produktionsausweitung in Verbindung mit einem gesteigerten

Wärmebedarf käme die Wärmepumpe auf 2.000 Vollaststunden. Für den beschriebenen Ver-

sorgungsfall wurde eine Wirtschaftlichkeitsrechnung nach VDI-Richtlinie 2067 /VDI 2067

2010/ durchgeführt. Als Referenzwärmeerzeuger wurde der Ölkessel betrachtet. Die Wärme-

pumpe wurde auf eine Heizleistung von 180 kW dimensioniert. Damit ließen sich 73 % des

Trockenkammer

Pumpe

Hauptleitung Vorlauf

Hauptleitung Rücklauf

Wärmepumpe

G

M

M

M

Luftkondensator

Entnahmekondensations-turbine

Speisewasserpumpe

Dampfkessel

Wärmeauskopplung

Biomasse Kraftwerk

ZwischenkreislaufM


Wärmebedarfs eines Trocknungsdurchgangs decken. Für die Analyse der Wirtschaftlichkeit

wurde eine Parametervariation vorgenommen, um ein pessimistisches und ein optimistisches

Szenario darzustellen. Die Daten der Szenarienrechnungen sind in Tabelle 9 angegeben.

Tabelle 9: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für die Integration einer

Wärmepumpe bei einem Fertighaushersteller

Szenarien




Ölpreis (2012) 7,5 ct/kWh 7,5 ct/kWh

Strompreis (2012) 9,5 ct/kWh 9,5 ct/kWh

Wärmeerzeugung 360 MWh 360 MWh



Amortisationszeit 4 Jahre 5,5 Jahre

Die interne Verzinsung liegt im wirtschaftlichen Bereich. Die Amortisationszeit liegt je nach

Betrachtung zwischen 4 und 5,5 Jahren. Da zum Ende der Untersuchung bis auf Weiteres von

einer Ausweitung der Produktion Abstand genommen wurde, wird die Wärmepumpenanlage

vorerst nicht umgesetzt. Sie käme unter diesen Bedingungen lediglich zur Deckung von Spit-

zenlasten zum Einsatz. Die kurzen Laufzeiten lassen die Wärmepumpe gegenüber dem Öl-

kessel im heutigen Preisgefüge der Energieträger unwirtschaftlich werden.

Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 61

7 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor

Wärmepumpen kommen in der industriellen Praxis bisher noch selten zum Einsatz. Um die

Verbreitung von Wissen über die Integration von Wärmepumpen in die Wärme- und Kältebe-

reitstellung in Industrie und Gewerbe zu fördern werden in diesem Kapitel Anlagen aus die-

sen Anwendungsgebieten portraitiert.

7.1 Praxisanwendungen in der Industrie

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Wärme- und Kältebereitstellung in Indust-

riebetrieben untersucht, um Anwendungsfälle für die Integration einer Wärmepumpe zu fin-

den. Neben der Identifikation geeigneter Wärmequellen und -senken stellten sich auch die

hohen Investitionskosten von Wärmepumpen als bedeutendes Hemmnis heraus. In den fol-

genden Unterkapiteln wird eine Auswahl von 18 bestehenden Wärmepumpenanlagen in der

deutschen Industrie dokumentiert (Abbildung 52).

Abbildung 52: Auswahl umgesetzter Wärmepumpenanlagen in der deutschen Industrie


Die Auswertung der Wärmepumpenanlagen bietet einen Überblick über Anwendungsmög-

lichkeiten in Industriebetrieben. Alle 18 Anlagen nutzen industrielle Abwärme als Wärme-

quelle. Fünf Anlagen erzeugen Prozesswärme, die übrigen erzeugen Raumwärme und

Warmwasser. Die Anlagen verteilen sich wie in Abbildung 53 dargestellt auf 11 Industrie-

branchen. Sechs Anlagen sind in der Metallverarbeitung angesiedelt. Neben konstruktiven

Metallbauunternehmen sind hier auch ein Schraubenhersteller, ein Drahthersteller und ein

Galvanikbetrieb zu finden. Aus der Nahrungsmittelindustrie wurden je eine Anlage in einer

Mälzerei und in einer Brauerei portraitiert. Die übrigen Projekte verteilen sich gleichmäßig

auf die Branchen Automobil, Grundstoffherstellung, Chemie, Elektronik, Textil, Glas und

Abfallentsorgung.

Abbildung 53: Verteilung der dokumentierten Anlagen auf industrielle Branchen

Die Bandbreite der installierten Heizleistung reicht von 20 kW in einem metallverarbeitenden

Betrieb bis zu einer prozessintegrierten Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 3.250 kW.

In Abbildung 54 sind die Anlagen in Größenklassen eingeordnet. Die meisten Anlagen sind

in der Größenklasse von 100 bis 500 kW zu finden.

Abbildung 54: Verteilung der dokumentierten Anlagen auf Leistungsklassen

11

2

1

1

11

6

2

11

Abfallentsorgung

Automobil

Chemie

Elektronik

Glas

Kunststoffprodukte

Maschinenbau

Metallverarbeitung

Nahrungsmittel

Steine & Erden

Textil

Gesamtanzahl: 18

1

4

8

32

0

2

4

6

8

10

< 50 kW 50 bis 100 kW 100 bis 500 kW 500 kW bis1.000 kW

> 1.000 kW

An

zah

l de

r W

ärm

ep

um

pe

n

Heizleistung

Summe: 18


Die dokumentieren Anlagen wurden vermehrt ab 2007 errichtet. Abbildung 55 zeigt die Ver-

teilung der zugebauten Anlagen auf die Jahre seit 2000. Die Entwicklung korreliert mit dem

Anstieg der Energiekosten /BMWi 2014/ und der steigenden Verbreitung der Wärmepumpe

in Haushalten /BDH 2012/.

Abbildung 55: Baujahr der dokumentierten Anlagen

Einer der wichtigsten Parameter für die Nutzung von Wärmepumpen sind die Temperaturen

von Wärmequelle und Wärmesenke sowie der Temperaturhub. Von ihnen hängen direkt die

Leistungszahl und damit auch die Wirtschaftlichkeit der Anlage ab.

Ein Überblick über die Einsatzbedingungen der dokumentierten Anlagen ist in Abbildung 56

gegeben. Die Mehrzahl der Systeme nutzt Kühlkreisläufe als Wärmequelle. Diese werden

meist bei Temperaturen zwischen 20 und 30 °C betrieben. Die erzeugten Vorlauftemperatu-

ren hängen von der Art der Wärmenutzung ab. Raumwärme und Warmwasser werden zu-

meist bei 55 bis 65 °C erzeugt.

Abbildung 56: Wärmesenken- und Wärmequellentemperaturen der Wärmepumpensysteme

Für die Prozesswärmeerzeugung kann kein Bereich angegeben werden, da sich die benötigten

Temperaturen je nach Produktionsprozess stark unterscheiden (35 bis 80 °C). Der durch-

schnittliche Temperaturhub beträgt 32 K, während der größte Temperaturhub bei 45 K liegt.

0 0 0 0 0 0 0

2

0

2

3

5

4

1 10

1

2

3

4

5

6

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

An

zah

l de

r A

nla

gen

Baujahr

Summe: 18Zwei Anlagen wurden bereits wieder stillgelegt.

82

70

4550

70

40

6055

6065

50

80

65 68

35

60

50

42

28

18 1825 25

15

2720

30

21

50

27 25 23

35 35

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tem

pe

ratu

r [°

C]

kein

e A

nga

be


Hochtemperaturwärmepumpen sind nicht unter den aufgeführten Anlagen, da diese erst seit

2012 auf den deutschen Markt verfügbar sind.

Die hohen Investitionskosten der Wärmepumpe führen zu vergleichsweise langen Amortisa-

tionszeiten von 2 bis 10 Jahren. Bei günstigen Bedingungen kann eine Amortisation inner-

halb von 5 Jahren oder weniger erreicht werden. Damit übersteigt die Lebensdauer von Wär-

mepumpenanlagen mit 15 bis 20 Jahren die in der Industrie geforderten Amortisationszeiten

um ein Vielfaches. Daher sollte für eine vollständige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung auch die

interne Verzinsung der Investition berücksichtigt werden. Bei einer angenommenen Anla-

gennutzungsdauer von 15 Jahren beträgt diese auch bei einer Amortisationszeit von 6 Jahren

beispielsweise noch 14 %. Lediglich zwei Anlagen erreichen keine Verzinsung im zweistelli-

gen Prozentbereich.

Abbildung 57: Amortisationszeit und interne Verzinsung der Wärmepumpensysteme

In den nachfolgenden Unterkapiteln sind die 18 Wärmepumpenanlagen jeweils in einem kur-

zen Text, gefolgt von einer Übersichtstabelle, dargestellt. Die Anlagen sind in erster Linie

nach Industriezweigen und innerhalb der Industriezweige nach dem Namen des Unterneh-

mens geordnet.

7.1.1 Abfallentsorgung (Vivo GmbH)

Die Vivo GmbH ist ein kommunales Unternehmen der Abfallwirtschaft. Jährlich verwertet

und deponiert das Unternehmen rund 20.000 t Restmüll und 48.000 t Wert- und Problemstof-

fe.

Im Jahr 1994 wurde in Warngau ein neues Kompostwerk gebaut, das bis zu 14.000 t organi-

sche Abfälle verarbeitet. In einem 21 tägigen Fermentationsprozess wird aus den organischen

Stoffen Biogas mit einem Methangehalt von 55 % gewonnen. Das Gas wird in einem Gas-

6,7

5,0

10,0

3,02,0

3,24,0

6,0

2,0

4,0

8,0

6,0

4,03,2

12% 18% 6% 50% 31% 24% 14% 50% 24% 9% 14% 24% 31%

0

2

4

6

8

10

12

Am

ort

isat

ion

sze

it [

a]

kein

e A

nga

ben

interne Verzinsung [-]

kein

e A

nga

ben

kein

e A

nga

ben

kein

e A

nga

ben

32%


speicher gesammelt und in einem BHKW zur Wärme- und Stromproduktion eingesetzt. Die

Abwärme des BHKW wird für die Beheizung der Fermenter eingesetzt. Überschüssige Wär-

me wird durch ein Nahwärmenetz an einen nahegelegenen Industriepark abgegeben.

Als zusätzlicher Wärmeerzeuger für das Nahwärmenetz wurde im Jahr 2005 eine

LiBr/Wasser Absorptionswärmepumpe installiert. Die Wärmepumpe hat eine Heizkapazität

von 500 kW und wird mit Erdgas befeuert. Als Wärmequelle wird die Abwärme von Rotte-

tunneln auf dem Werksgelände genutzt, die in einem Wasserspeicher bei 42 °C gesammelt

wird. Die Wärmepumpe hebt die Wärme auf eine Temperatur von bis zu 82 °C an und speist

damit das Nahwärmenetz. Die Einbindung der Absorptionswärmepumpe in das Nahwärme-

netz ist in Abbildung 58 dargestellt. Nach dem Ausräumen kleiner Schwierigkeiten im Ver-

teilsystem sowie einer Fehlfunktion der Wärmepumpensteuerung erreichte die Anlage in der

ersten Heizperiode von Oktober 2005 bis April 2006 3.500 Betriebsstunden. Unter Berück-

sichtigung der Abgasverluste arbeitete die Anlage mit einem COP von 1,31.

Abbildung 58: Einbindung der Absorptionswärmepumpe in das Nahwärmenetz /Keil, Schweigler 2006/

Der bisher genutzte Ölkessel konnte zu großen Teilen ersetzt werden. Gegenüber dem alten

System reduzierte sich der Brennstoffverbrauch um 37,5 %. Dadurch wurden jährlich rund

160 t CO2-Emissionen vermieden. Bei einer Wärmeerzeugung von 1.750 MWh beliefen sich

die jährlichen Einsparungen auf 26.000 €. Die Amortisationszeit wurde auf 6,7 Jahre berech-

net. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) hat die wissenschaftlich begleitete Erarbei-

tung und Umsetzung des Konzepts mit 60.000 € unterstützt /ZAE 2007; Keil, Schweigler

2006; DBU 2008/.

Seit 2011 ist die Anlage aufgrund eines Korrosionsschadens außer Betrieb. Da die Arbeits-

zahl der Wärmepumpe den geplanten Wert von 1,65 nicht erreichte, konnten zudem die wirt-

schaftlichen Ziele nicht erfüllt werden. Ein weiteres Problem bestand in der Kommunikation

mit dem Anlagenhersteller. Da es sich dabei um eine indische Firma handelte, musste bei

Abluft Rotte

HeizungRottehalle

Kaltwasser Pufferspeicher

gasbefeuerte Absorptions-

wärmepumpe

42 °C

33 °C35 bis 65 °C

82 °C

64 °C

BHKW und Antrieb der

Abluft-ventilatoren

Warmwasser Pufferspeicher

Nahwärmenetz

VerbraucherVIVO-Netz

SpitzenlastÖlkessel

15 m³

3,5 m³

Kühlturm


Betriebsproblemen ein Techniker eingeflogen werden, mit dem nur über einen Dolmetscher

kommuniziert werden konnte. Aufgrund dieser Probleme wurde auf die Reparatur der Wär-

mepumpe verzichtet.

Tabelle 10: Datenblatt zur Vivo GmbH

Branche Abfallwirtschaft – Kompostwerk Wärmepumpentyp Gas Absorptionswärmepumpe Heizleistung 500 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus den Rottetunneln

plant Wärmequellentemperatur 42 °C Art der Wärmesenke Nahwärmenetz Wärmesenkentemperatur 82 °C COP 1,31 Kältemittel R718 (Wasser) Investitionssumme 268.000 € Inbetriebnahme 2005 Amortisationszeit 6,7 Jahre Kontakt ZAE Bayern, VIVO GmbH

7.1.2 Automobilherstellung (Volkswagen AG)

Das Volkswagen Werk in Emden wurde 1964 eröffnet. Derzeit wird in dem Werk der

Volkswagen Passat hergestellt. Die rund 8.600 Mitarbeiter produzieren täglich bis zu 1.200

Fahrzeuge /Volkswagen 2013/.

In der Prozesskette der Automobilherstellung ist die Lackieranlage einer der größten Ver-

braucher thermischer Energie. Insbesondere für die Vorbehandlungsbecken sowie für die

Trocknung des Lackierguts werden große Wärmemengen benötigt. Beim Lackiervorgang

selbst wird abhängig vom Lackierverfahren zum Teil sogar überschüssige Wärme freigesetzt.

Im VW-Werk in Emden wird die Kathodische Tauchlackierung (KTL) aus der Gruppe der

elektrochemischen Lackierverfahren eingesetzt. Das Lackiergut wird in ein Bad mit

elektrisch leitendem wässrigem Lack eingetaucht. Zwischen Lackiergut und einer Gegen-

elektrode wird ein Gleichspannungsfeld angelegt. Das wasserlösliche Bindemittel wird durch

eine Elektrochemische Reaktion an der Oberfläche des Lackierguts ausgefällt. Hierdurch

wird ein geschlossener Lackfilm von gleichmäßiger Stärke aufgetragen. Als Lösungsmittel

wird heute überwiegend vollentsalztes Wasser eingesetzt. Daher ist das Verfahren ver-

gleichsweise umweltfreundlich. Zudem ist die Lackausbeute mit bis zu 98,5 % sehr hoch. Die

zur Abscheidung des Lacks eingesetzte elektrische Energie wird größtenteils in Wärme um-

gewandelt. Diese muss über ein Kühlsystem bei rund 30 °C abgeführt werden.

Im VW-Werk in Emden wird eine elektrische Kompressionswärmepumpe eingesetzt, um die

Abwärme der KTL auf ein höheres Temperaturniveau zu heben und somit wieder nutzbar zu

machen. Die Wärmepumpe stellt mit einer Heizleistung von 1.683 kW Warmwasser bei

75 °C für verschiedene Prozesse bereit. Die maximale erreichbare Vorlauftemperatur der

Wärmepumpe beträgt 88 °C. Der integrierte COP der Anlage beträgt 5,6. Die jährliche Be-


triebszeit wurde auf 6.720 Stunden angesetzt. Abgesehen von unbedeutenden Anpassungen

der Anlage in der Startphase läuft die Wärmepumpe ohne Probleme /Volkswagen 2013/.

Tabelle 11: Datenblatt zum Volkswagen Werk Emden

Branche Automobil – Lackieranlage Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 1.683 kW Art der Wärmequelle Lackieranlage (KTL – Verfahren) Wärmequellentemperatur 26 bis 29 °C Art der Wärmesenke Warmwasser für verschiedene Anwendungen Wärmesenkentemperatur 65 bis 75 °C COP 5,6 (integriert) Kältemittel Fluid XPro II Investitionssumme keine Angaben Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit keine Angaben Kontakt Simaka Energie- und Umwelttechnik GmbH

7.1.3 Chemie A (Emil Frei GmbH)

Die Emil Frei GmbH wurde 1926 in Döggingen als Großhandel für Lacke, Farben und Ma-

lerzubehör gegründet und entwickelte sich zum einem international vertretenen Hersteller

von Lacken mit zwei Standorten in Deutschland und drei weiteren in Großbritannien, Russ-

land und Schweden. Heute erwirtschaftet das Unternehmen mit rund 400 Mitarbeitern einen

Umsatz von mehr als 90 Mio. €. Hauptproduktgruppe sind Pulverlacke, gefolgt von Industrie-

lack, Elektrotauchlack und weiteren Speziallacken. Die Exportquote liegt seit Anfang der

2000er Jahre stabil bei 30 % /Emil Frei 2013/.

Im Jahr 2009 wurde in Bräunlingen ein neues Logistikzentrum mit Hochregallager in Betrieb

genommen. Im Zuge dessen wurde auch die Wärme- und Kältebereitstellung am Standort

modernisiert. Durch den Einsatz einer Wärmepumpe wird die Abwärme aus verschiedenen

Prozessen der Pulverlackproduktion genutzt, um Raumwärme für Produktions-, Lager- und

Versandgebäude bereitzustellen.

Durch die Produktionsabwärme wird Kühlwasser auf 18 °C erwärmt. Zwei Wärmepumpen

mit einer Heizleistung von je 120 kW erzeugen warmes Wasser bei 45 °C und sorgen gleich-

zeitig für die Kühlung der Produktion. Die Deckung der Heizlastspitzen übernimmt ein Öl-

kessel. Bis zu einer Außentemperatur von 0 °C kann auf diesen allerdings vollständig ver-

zichtet werden. In den ersten 6 Betriebsmonaten konnten rund 42.000 Liter Heizöl eingespart

werden. Aktuellere Informationen zu Energieeinsparungen liegen nicht vor. Die Amortisati-

onszeit der Wärmepumpenanlage beträgt 5 Jahre.


Tabelle 12: Datenblatt zur Emil Frei GmbH

Branche Chemie – Herstellung von Lacken Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 240 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus der Pulverlackproduktion Wärmequellentemperatur 18 °C Art der Wärmesenke Raumwärme Wärmesenkentemperatur 45 °C COP 5 Kältemittel R404A Investitionssumme 210.000 € Inbetriebnahme 2010 Amortisationszeit 5 Jahre interne Verzinsung 18 % Kontakt Glen Dimplex GmbH

7.1.4 Chemie B (Flavex Naturextrakte GmbH)

Die im Jahr 1986 gegründete Flavex Naturextrakte GmbH ist auf die Gewinnung von emp-

findlichen pflanzlichen Wirk- und Aromastoffen spezialisiert.

Zur Extraktion von Wirk- und Aromastoffen aus den pflanzlichen Rohstoffen können ver-

schiedene Verfahren angewendet werden, die sich vor allem durch das verwendete Extrakti-

onsmittel unterscheiden. Die Flavex GmbH setzt CO2 als Extraktionsmittel ein. Aufgrund

seiner geringen Oberflächenspannung, seiner geringen Reaktivität und der vergleichsweise

niedrigen Prozesstemperaturen, können die Pflanzenextrakte sehr schonend hergestellt wer-

den. Das CO2 Gas wird gekühlt und verflüssigt. Eine Pumpe steigert dann den Druck auf bis

zu 500 bar. Vor dem Eintritt in den Extraktor wird das flüssige CO2 erwärmt. Im Extraktor

kommt es mit den pflanzlichen Rohstoffen in Kontakt und löst wertvolle Inhaltsstoffe heraus.

Ein Entspannungsventil reduziert den Druck wieder und das CO2 verdampft unter Wärmezu-

fuhr. Im Abscheider werden die gelösten Inhaltsstoffe vom CO2 getrennt und abgeführt. Eine

Skizze des Verfahrensablaufs ist in Abbildung 59 zu sehen. Im Kondensator wird der Extrak-

tionsanlage über einen Kühlkreislauf Wärme entzogen.

Ein 30 m³ großer Pufferspeicher deckt den Kältebedarf. Dieser Speicher wird von der Wär-

mepumpe als Wärmequelle genutzt, um ein im Jahr 2009 neu errichtetes Produktionsgebäude

mit ca. 2.000 m² Nutzfläche zu beheizen. Damit die Wärmeversorgung auch an Wochenen-

den und Feiertagen aufrechterhalten werden kann, wurde ein 45 m³ großer Warmwasserspei-

cher gebaut. Das große Speichervolumen sorgt dafür, dass auch bei mehrtägigen Anlagen-

stillständen genügend Heizleistung zur Verfügung steht. Durch die Installation der Wärme-

pumpenanlage kann das Unternehmen jährlich ca. 80 t CO2 Emissionen einsparen. Das Un-

ternehmen betreibt bereits seit 15 Jahren eine ähnliche Anlage für ein weiteres Gebäude. Bis-

her traten keine nennenswerten Probleme auf /Bosch Thermotechnik GmbH 2011/.


Abbildung 59: Anlagenschema des CO2-Extraktionsverfahren mit Kennzeichnung der Integrationspunk-

te der Wärmepumpe

Tabelle 13: Datenblatt zur Flavex Naturextrakte GmbH

Branche Chemie – Herstellung von Planzenextrakten Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 61,5 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus einer CO2-Extraktionsanlage Wärmequellentemperatur 16 bis 20 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 50 °C COP keine Angaben Kältemittel R407c Investitionssumme keine Angaben Inbetriebnahme 2009 Amortisationszeit 10 interne Verzinsung 6 % Kontakt Junkers - Bosch Thermotechnik GmbH

7.1.5 Elektronikherstellung (Dunkermotoren GmbH)

Die Dunkermotoren GmbH wurde 1950 in Bad Godesberg gegründet und bezog 1955 den

heutigen Hauptstandort in Bonndorf. Das Unternehmen ist auf die Herstellung von elektri-

schen Präzisionsantrieben spezialisiert. Mit ca. 1.000 Mitarbeitern erwirtschaftet es einen

Jahresumsatz von über 150 Mio. €. Seit 2012 ist das Unternehmen Teil des amerikanischen

Elektronikherstellers Ametek.

Im Jahr 2001 wurde der Standort Bonndorf um 6.000 m² Produktionsräume sowie Sozial-

und Nebenräume erweitert. Zur Beheizung der Räume wurde eine Wärmepumpe mit Ab-

wärmerückgewinnung installiert. Auf eine Erweiterung der bestehenden Kesselanlage konnte

Extraktor

Abscheider

CO2

Speichertank

Extrakt

Drosselventil

Verdampfer

Kondensator

UnterkühlerVorwärmer Pumpe

Wärmezufuhr

Wärmezufuhr Wärmeabfuhr

Wärmeabfuhr


somit verzichtet werden. Zudem wurde der gesamte Neubau mit einer Sprinkleranlage ausge-

rüstet.

In der Produktion wird von Spritzgussmaschinen Abwärme mit einer Temperatur von 25 °C

generiert. Der Tank der Sprinkleranlage dient als Speicher für die Abwärme. Das große Spei-

chervolumen entkoppelt die Kühlung der Spritzgussmaschinen vom Wärmebedarf. Die Wär-

mepumpe nutzt das 25 °C warme Wasser als Wärmequelle und erzeugt Heizwärme mit

70 °C. Die Wärmepumpe hat eine Heizleistung von 90 kW. Sie arbeitet mit einem COP von

3,7. In der ersten Heizperiode konnte eine Reduktion des Heizölverbrauchs um 25 % erreicht

werden.

Inzwischen wurde die Anlage stillgelegt, da am Standort keine Spritzgussmaschinen mehr

betrieben werden. Damit gab es für die Wärmepumpenanlage keine geeignete Wärmequelle

mehr.

Tabelle 14: Datenblatt zur Dunkermotoren GmbH

Branche Elektronik – Herstellung von Elektromotoren Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 90 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus Spritzgussmaschinen Wärmequellentemperatur 25 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 70 °C COP 3,7 Kältemittel keine Angaben Investitionssumme keine Angaben Inbetriebnahme 2001 Amortisationszeit keine Angaben interne Verzinsung keine Angaben Kontakt Combitherm GmbH

7.1.6 Glasherstellung (Glasfabrik Thiele AG)

Die Glasfabrik Thiele AG wurde 1984 in Schrozberg in Baden-Württemberg gegründet und

betreibt heute 7 Standorte in ganz Deutschland. Im Jahr 2002 wurde in Wermsdorf ein neues

Werk zur Flachglasveredelung eröffnet. Mit 14.500 m² Produktionsfläche ist es der größte

Standort. Hauptgeschäftsfeld der Glasfabrik Thiele AG ist die Veredelung von Flachglas für

Bauprojekte auf der ganzen Welt.

Im Zuge eines Ausbaus des Standorts Wermsdorf im Jahre 2007 wurden der ursprünglich

200 m² umfassende Bürotrakt auf 450 m² erweitert. Einhergehend mit dieser Umbaumaß-

nahme wurde die Gasheizung durch eine Wärmepumpenanlage ersetzt. Während die Wärme-

verteilung im Bestandsgebäude über Heizkörper erfolgt, wird im Neubau eine Fußbodenhei-

zung eingesetzt. Neben der Gebäudeheizung deckt die Wärmepumpenanlage auch den

Warmwasserbedarf für die Mitarbeiterduschen. Der Warmwasserverbrauch beträgt 1.200 bis

1.600 Liter pro Tag bei einer Zapftemperatur von 40 °C. Das Wärmepumpensystem besteht

aus 2 Luft/Wasser Wärmepumpen. Die Wärmepumpen kühlen die Produktionshalle und sor-


gen so für angenehme Arbeitsbedingungen. Sie saugen die 15 bis 30 °C warme Hallenluft an

und kühlen diese um ca. 10 K ab. Das System hat eine Kühlleistung von bis zu 40 kW. Eine

der Wärmepumpen übernimmt vorrangig die Versorgung der Gebäudeheizung, während die

zweite Warmwasser bereitstellt. Sie kann bei Spitzenlasten allerdings auch in den Heizkreis

zugeschaltet werden. Zwei Warmwasserspeicher dienen der Entkopplung von Heiz- und

Kühlbedarf. Ein 500 l Speicher ist in den Heizkreis integriert, während ein 400 l Speicher

Warmwasser für die Duschen bereithält. Die Fotos in Abbildung 60 zeigen die Aufstellung

einer Wärmepumpe direkt neben einem Fertigungsofen sowie die Aufstellung der Speicher in

der Produktionshalle.

Das Wärmepumpensystem übernimmt integriert sowohl die Kühlung der Produktionshalle,

als auch die Wärmeversorgung der Bürogebäude. Die Anschaffungskosten für die gesamte

Anlage betrugen 82.000 €. Davon entfielen 58.000 € auf die Wärmepumpen. Mit einem COP

von 3,8 und ca. 4.400 Vollaststunden pro Jahr können bis zu 11 t CO2-Emissionen vermieden

werden /Dimplex 2012/.

Abbildung 60: Luft/Wasser Wärmepumpe neben dem Glasofen /Dimplex 2012/

Tabelle 15: Datenblatt zur Glasfabrik Thiele AG

Branche Glas - Flachglasveredelung Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 64 kW Art der Wärmequelle Hallenluft (Abwärme aus der Glasveredelung) Wärmequellentemperatur 25 °C Art der Wärmesenke Heizung und Warmwasser für Duschen Wärmesenkentemperatur 40 °C COP 3,8 Kältemittel R404A Investitionssumme 82.000 € Inbetriebnahme 2007 Amortisationszeit keine Angaben interne Verzinsung keine Angaben Kontakt Glen Dimplex GmbH


7.1.7 Kunststoffprodukte (BIG Spielwaren)

Gegründet im Jahr 1923 stellte das Unternehmen zunächst Spielwaren aus Metall her. Im Jahr

1956 erfolgte die Umstellung auf Kunststoffprodukte. Das erfolgreichste Produkt des Unter-

nehmens ist das seit 1972 hergestellte Bobby Car. Im Jahr 2001 wurde die neue Produktions-

stätte in Burghaslach eröffnet. Gearbeitet wird im 3-Schicht-Betrieb.

Die Kunststoffprodukte des Unternehmens werden hauptsächlich im Blasform- und Spritz-

gussverfahren produziert. In den 15 vollautomatischen Blasformmaschinen wird zunächst

Polyetylen aufgeschmolzen und in Schlauchform extrudiert. Dieser Schlauch wird in das

Werkzeug einer Blasformmaschine eingeklemmt. Durch das Einblasen von Druckluft wird

der Schlauch gegen die Werkzeugkonturen gepresst und gleichzeitig abgekühlt. Innerhalb

von 60 Sekunden entsteht auf diese Weise eine Bobby Car Karosserie. Ein Robotergreifarm

nimmt das Kunststoffteil aus der Form und glättet über einer Flamme den Grat. In Spritz-

gussmaschinen werden massive Kunststoffteile hergestellt. Auch hier wird das Kunststoff-

granulat zuerst geschmolzen und dann in eine Form gespritzt. Der Kunststoff kühlt aus, die

Form öffnet sich und die Kunststoffteile werden ausgeworfen.

In der BIG Spielwarenfabrik sorgt ein Kaltwassersystem für die Kühlung von Spritzguss und

Blasmaschinen sowie von Maschinenhydrauliken. Für eine Dämpfung der Lasten sorgen fünf

in das System integrierte Wasserspeicher mit einem Fassungsvermögen von je 5.000 l. Drei

Kältemaschinen sorgen für ausreichende Kühlkapazitäten. Die überschüssige Wärme wird

über drei Rückkühlwerke an die Umwelt abgegeben.

Im Jahr 2012 mussten zwei der Kälteanlagen ersetzt werden. Als Ersatz wurden zwei Wär-

mepumpen mit einer Kühlleistung von je 382 kW verbaut. Die Wärmepumpen kühlen das

Kühlwasser von 20 auf 10 °C ab. Im Sommer fungieren die Wärmepumpen als normale Käl-

temaschinen. Die Abwärme wird dann nach wie vor über die Rückkühlwerke an die Umge-

bung abgegeben. Im Winter wird die Wärme allerdings zur Gebäudeheizung genutzt. Die

Heizungsanlage wird mit einer hohen Temperaturspreizung bei 60 °C Vorlauf- und 40 °C

Rücklauftemperatur betrieben. Da hohe Temperaturspreizungen und geringe Massenströme

im Verflüssiger der Wärmepumpe den Wärmeübergang negativ beeinflussen, wurde ein Sys-

tem aus zwei Pufferspeichern installiert. Ein Schema der Anlage ist in Abbildung 61 darge-

stellt.

Die Wärmepumpe belädt den Ladepuffer mit einer optimalen Temperaturspreizung von 4 K.

Das komplette Speichervolumen wird fünfmal zirkuliert, bis die Speichertemperatur von

40 °C auf 60 °C angehoben wurde. In dieser Zeit wird der Entladepuffer durch das Heizungs-

system ausgekühlt. Kann der Entladepuffer nicht mehr die nötige Vorlauftemperatur liefern,

wird das ausgekühlte Speicherwasser in den Ladepuffer gepumpt. Dabei passiert es zuerst die

Wärmepumpe, wo es um 4 K erwärmt wird. Gleichzeitig wird das 60 °C warme Speicher-

wasser des Ladepuffers in den Entladepuffer gepumpt. Zwischen beiden Speichern findet ein

vollständiger Wasseraustausch statt.


Abbildung 61: Optimierte Temperaturspreizung an der Wärmepumpe durch einen Verbund aus zwei

Warmwasserspeichern

Durch diese Verschaltung der beiden Speicher können Heizsystem und Wärmepumpe mit

unterschiedlichen Temperaturspreizungen arbeiten. Hierdurch steigt die Effizienz der Wär-

mepumpe, da diese nicht die gesamte Zeit dazu gezwungen ist, 60 °C Vorlauftemperatur zu

liefern. So kann trotz der hohen Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur

ein COP von 3,7 erreicht werden.

Die Idee zu zur Kopplung der zwei Speicher geht auf Veröffentlichungen des KIT zurück

/Löffler, Griessbaum 2014/. Die Wärmepumpenanlage amortisiert sich bereits nach 5 Jahren.

Werden die entfallenden Kühlkosten während der Heizperiode mit in die Bilanz aufgenom-

men, beträgt die Amortisationszeit nur 3 Jahre.

Tabelle 16: Datenblatt zur BIG Spielwarenfabik GmbH & Co. KG

Branche Kunststoffherstellung - Spielwaren Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 922 kW Art der Wärmequelle Prozesskühlung Wärmequellentemperatur 10 bis 20 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 40 bis 60 °C COP 3,7 Kältemittel R134a Investitionssumme 330.689 € (Wärmepumpen) Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit 3 bis 5 Jahre interne Verzinsung 32 % Kontakt Tritherm, Sanitär Union GmbH

7.1.8 Maschinenbau (Gebr. Kemmerich GmbH)

Das im Jahr 1897 gegründete Unternehmen Gebr. Kemmerich GmbH beschäftigt heute über

1.000 Mitarbeiter an fünf Standorten. Seit 1996 operiert die Werkzeugbau Sparte des Unter-

nehmens am Standort Niederau-Gröbern in Sachsen. Im Werkzeugbau hat sich die Gebr.


Kemmerich GmbH auf Umformtechniken und die Montage von Schrauben und Muttern im

Stanzprozess spezialisiert.

In der Produktion werden unter anderem Laserschneidmaschinen, CNC-Bearbeitungszentren

und Erodiermaschinen eingesetzt, die jeweils über ein eigenes Kühlsystem verfügten, um die

prozessbedingt entstehende Abwärme abzuführen. Mit der Installation einer Kompressions-

wärmepumpe im Jahr 2012 wurden die Anlagen zu einem Kälteverbundsystem zusammenge-

fasst. Die Wärmepumpe übernimmt als Zentraleinheit zum einen die Kühlung der Maschinen,

zum anderen hebt sie die entstehende Abwärme auf ein für die Gebäudeheizung nutzbares

Temperaturniveau an. Wie in der Anlagendarstellung in Abbildung 62 zu sehen, wird die

Maschinenkühlung aus einem Kaltwasserspeicher versorgt. Hierdurch können Spitzenlasten

gedämpft werden, was eine kleinere Dimensionierung der Wärmepumpe erlaubt.

Mit einer Heizleistung von 20 kW erzeugt die Wärmepumpe Warmwasser mit einer Tempe-

ratur von 60 °C. Die erzeugte Wärme wird in eine Sammelschiene gespeist, aus der die

Raumheizung versorgt wird. Reicht die Heizleistung der Wärmepumpe nicht aus, wird ein

Ölkessel zugeschaltet. Zusätzlich wurde ein Warmwasserspeicher installiert, der sowohl di-

rekt von der Wärmepumpe als auch aus der Sammelschiene versorgt werden kann.

Abbildung 62: Integrierte Wärme- und Kältebereitstellung der Gebr. Kemmerich GmbH /Klima Jentz-

sch GmbH 2013/


Tabelle 17: Datenblatt zur Gebr. Kemmerich GmbH

Branche Maschinenbau - Werkzeugbau Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 20 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus der Produktion Wärmequellentemperatur keine Angabe Art der Wärmesenke Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung Wärmesenkentemperatur 60 °C COP 3,7 Kältemittel keine Angabe Investitionssumme 25.000 € Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit 2 Jahre Interne Verzinsung 50 % Kontakt Klima Jentzsch GmbH

Das Anlagenlayout sorgt für eine maximale Ausnutzung der anfallenden Abwärme aus der

Produktion. Wird mehr Abwärme erzeugt als genutzt werden kann, so wird diese über einen

Außenkühleinheit an die Umgebung abgegeben. Mit einer Investitionssumme von 25.000 €

amortisiert sich die Anlage im Vergleich zur getrennten Wärme- und Kälteerzeugung schon

nach 2 Jahren /Klima Jentzsch GmbH 2013; FORM + Werkzeug 2013/.

7.1.9 Metallverarbeitung A (Flamm GmbH)

Die Flamm GmbH hat ihren Tätigkeitsschwerpunkt in der Großserienfertigung von Sicher-

heitsteilen für die Automobilindustrie sowie von Baugruppen für die Hausgeräteindustrie und

von Präzisionsdrahtteilen für die Elektroindustrie. Das Unternehmen wurde im Jahr 1982

gegründet und beschäftigt am Standort Aachen 45 Mitarbeiter im 3-Schicht Betrieb. Der

Standort hat eine Produktions- und Lagerfläche von 8.000 m².

Die im Produktionsprozess anfallende Abwärme wird über ein Kühlsystem bei 27 °C abge-

führt. Zur Rückgewinnung dieser Wärme wurde eine Wärmepumpe integriert, die Heizungs-

wärme bei einer Vorlauftemperatur von 55 °C bereitstellt. Die Wärmepumpe hat eine Heiz-

leistung von 230 kW und kann so die komplette Gebäudeversorgung übernehmen. Die Inves-

titionskosten für die gesamte Anlage betrugen ca. 70.000 €. Mit einer jährlichen Kostener-

sparnis in der Wärme- und Kältebereitstellung von 22.000 € amortisiert sich die Anlage in

3,2 Jahren.


Tabelle 18: Datenblatt zur Flamm GmbH

Branche Metallverarbeitung – Zulieferung von Metallbauteilen Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 220 kW Art der Wärmequelle Prozessabwärme Wärmequellentemperatur 27 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 55 °C COP 5 Kältemittel R134a Investitionssumme 70.000 € Inbetriebnahme 2010 Amortisationszeit 3,2 Jahre Interne Verzinsung 30 % Kontakt Güstrower Wärmepumpen GmbH

7.1.10 Metallverarbeitung B (Ludwig Michl GmbH)

Die Ludwig Michl GmbH aus Wattersdorf ist ein mittelständisches Unternehmen der metall-

verarbeitenden Industrie. Mit ca. 80 Mitarbeitern verarbeitet das Unternehmen jährlich ca.

1.000 t Blech und erwirtschaftet einen Jahresumsatz von 9 bis 10 Mio. €. Das Unternehmen

bietet die vollständige Produktionskette von der Konstruktion über die Fertigung bis zur

Montage an /Ludwig Michl GmbH 2013/.

In der Fertigung kommen diverse Maschinen vom Kantautomat über Pressen, Schneidma-

schinen, Zerspanungsmaschinen und Schweißanlagen bis hin zu einer Pulverbeschichtungs-

anlage zu Einsatz. Die Maschinen wurden vornehmlich durch lokale Kompressionskälteanla-

gen gekühlt, was zu einer erheblichen Wärmebelastung der Produktionshalle führte. Insbe-

sondere an heißen Sommertagen konnte die Temperatur so weit ansteigen, dass Steuerungs-

module der Maschinen überhitzen. Mit der Anschaffung einer neuen Laser-

schneid/schweißanlage, die einen zusätzlichen Kühlbedarf von 60 kW aufweist, wurde der

Entschluss zu einer Neugestaltung der Kälteversorgung gefasst.

Im Jahr 2007 wurde ein Konzept für eine integrierte Wärme- und Kältebereitstellung erarbei-

tet und umgesetzt. Abbildung 63 zeigt ein Schema der Anlage. Zentraler Bestandteil des

Heiz- und Kühlsystems sind fünf parallel betriebene Absorptionswärmepumpen der Firma

Robur. Da in der Produktionshalle nicht genügend Platz zur Verfügung steht, sind diese zu-

sammen mit einem Heißwasserspeicher und einer Notkühlung in einem Seecontainer neben

der Halle untergebracht (Abbildung 64). Die Wärmepumpen haben je eine Heizleistung von

34 kW und eine Kühlleistung von 16 kW. Sie sind jeweils mit einer Pumpe im Vorlauf und

einer im Rücklauf ausgestattet, die von der Steuerung der Wärmepumpe selbst geregelt wer-

den. Eine übergeordnete Regelung schaltet abhängig vom Kältebedarf Wärmepumpen zu

oder ab.


Abbildung 63: Anlagenschema der integrierten Wärme- und Kältebereitstellung der Ludwig Michl

GmbH /Ludwig Michl 2007/

Aufgrund der thermodynamisch nachteiligen Eigenschaften von Glykol/Wasser-Gemischen

wird die Anlage mit reinem Wasser betrieben. Da der Seecontainer weder gedämmt ist, noch

beheizt wird, müssen Frostschäden im Winter durch einen aktiven Frostschutz verhindert

werden. Hierzu überwacht die Regelung die Temperaturen in der Anlage. Bei Unterschreiten

einer kritischen Temperatur wird das Wasser umgewälzt, wodurch die Wärmeverluste ausge-

glichen werden können. Um eine Wärmezufuhr im Kühlkreis sicherzustellen, wurde der Ser-

verraum in das Kühlsystem eingebunden. Dieser liefert das gesamte Jahr hindurch Abwärme.

Abbildung 64: Seecontainer mit Notkühlaggregat, Wärmepumpen und Kaltwasserspeicher /Ludwig Mi-

chl 2007/

Neben dem Serverraum werden auch die Klimatisierung der Fertigungshalle sowie zwei La-

serschneid/schweißanlagen mit einem Kältebedarf von 60 bzw. 40 kW und ein Kantautomat

mit Kälte versorgt. Die Kälteverbraucher sind parallel eingebunden, da sie alle auf ähnlich

niedrige Kühltemperaturen angewiesen sind. Der Rücklauf des Kühlkreises liegt im Mittel

bei 20 °C. Ein 3 m³ großer Kaltwasserspeicher entkoppelt den Volumenstrom des Wärme-

pumpenkreises von dem des Kühlkreises. Das große Volumen des Speichers dämpft Spitzen-

lasten ab. Die Wärmepumpen kühlen den Speicher und heben die zurückgewonnene Energie

Absorptions-wärmepumpe

Klimatisierung

Serverkühlung

Laser 2

Laser 1

Kantautomat 5 AbsorptionswärmepumpenKühlleistung: je 16 kWHeizleistung: je 34 kW

Kaltwasser-speicher

3 m³

Heißwasser-speicher

1 m³

Luftregister

Kammer-waschanlage

Haftwasser-trocknung

Seekontainer





Basierend auf /Ludwig Michl GmbH 2007/


auf 60 °C an. Das heiße Wasser wird in einen 1 m³ Speicher gespeist. Von hier aus werden

die Kammerwaschanlage und die nachgelagerte Trocknung mit Wärme versorgt. Im Unter-

schied zur Trocknung ist die Waschanlage auf eine hohe Vorlauftemperatur angewiesen, da

es sonst beim Waschen zu massiver Schaumbildung kommt. Die Anlagen sind in Reihe ein-

gebunden und benötigen eine Heizleistung von 200 kW.

Die Gasversorgung erfolgte in den ersten Monaten über einen Flüssiggastank. Im Zuge einer

Erweiterung des Gasnetzes entschied sich der lokale Versorger zu einem Anschluss der Lud-

wig Michl GmbH. Für die 600 m lange Erdgasleitung wurden 50.000 € investiert. Insgesamt

beliefen sich die Kosten des Projekts auf 125.000 €. Die deutsche Bundesstiftung Umwelt

(DBU) förderte das Projekt mit 30.000 €.

Tabelle 19: Datenblatt zur Ludwig Michl GmbH

Branche Metallverarbeitung – Herstellung von Blechprodukten Wärmepumpentyp 5 gasbetriebene Absorptionswärmepumpen Heizleistung 194 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus Serverraum, Hallenluft und Maschinen Wärmequellentemperatur 20 °C Art der Wärmesenke Prozesswärme für eine Teilereinigungsanlage Wärmesenkentemperatur 60 °C COP 2,3 (integriert) Kältemittel R717 (Ammoniak) Investitionssumme 125.000 € (Gesamtinvestition) Inbetriebnahme 2007 Amortisationszeit 4 Jahre Interne Verzinsung 24 % Kontakt Ludwig Michl GmbH, Robur GmbH

Mit einem integrierten COP von 2,3 erreicht die Anlage eine Amortisationszeit von 4 Jahren.

Bezogen auf die bisherige Wärme- und Kältebereitstellung lassen sich 40 % der CO2-

Emissionen einsparen /Ludwig Michl 2007/, /Robur 2008; Lehnhardt 2008/.

7.1.11 Metallverarbeitung C (Purkart Systemkomponenten GmbH & Co. KG)

Seit der Gründung 1995 ist die Purkart Systemkomponenten GmbH & Co. KG beständig ge-

wachsen und beschäftigt heute mehr als 380 Mitarbeiter an vier Standorten in Deutschland.

Die Haupttätigkeitsfelder des Unternehmens sind die Bearbeitung von Blechen, die Beschich-

tung von Oberflächen und die Montage von Systemkomponenten.

Am Hauptstandort in Großrückerswalde (Sachsen) wird von einer Vielzahl an Maschinen

Abwärme erzeugt, die über ein Kühlsystem abgeführt werden muss. Um diese Wärme zur

Beheizung von Gebäuden und Prozessen nutzbar zu machen, wurde im Jahr 2011 eine Wär-

mepumpe installiert (Abbildung 65).

Vor der Umstellung der Wärme- und Kälteerzeugung betrug der Endenergiebedarf

3.960 MWh/a Gas und 2.860 MWh/a Strom. 1.960 MWh Gas wurde in zwei 2 MW Kesseln


verbrannt, um Raum- und Prozesswärme mit 90 °C bereitzustellen. Die Prozesswärme ver-

sorgte die Entfettung und die Phosphatierung von Teilen, wobei die Bäder hierfür auf einer

Temperatur von maximal 55 °C gehalten werden mussten. Weitere 2.000 MWh Gas wurden

in direktbefeuerten Wärmebehandlungsöfen verbraucht. Elektrische Energie wurde sowohl

für Maschinenantriebe, Laserschweißanlagen und die Drucklufterzeugung als auch für den

Betrieb einer Kompressionskältemaschine zur Laserkühlung verwendet. Auf die Kälteerzeu-

gung entfielen mit 201 MWh ca. 7 % des Stromverbrauchs.

Abbildung 65: Wärme- und Kältebereitstellung in einem Metallverarbeitungsbetrieb im Ausgangszu-

stand (schwarz) und nach dem Umbau (schwarz/grau) /Preuß, André 2011/

Durch die Einbindung einer Wärmepumpe und die Optimierung der bestehenden Anlage

konnte der Gasverbrauch um 38 % auf 2.470 MWh gesenkt werden. Der Stromverbrauch

blieb mit nun 2.856 MWh (+ 0,4 %) annähernd gleich. Das neue Anlagenkonzept ist in Ab-

bildung 65 zu sehen. Die heißen Abgase der Wärmebehandlungsöfen werden nun als Wär-

mequelle für die Wärmepumpe genutzt. Durch diese Maßnahme konnten die Abgasverluste

von 200 MWh auf 47 MWh reduziert werden. Als zweite Wärmequelle wurde die Abwärme

der Laserschweißanlagen erschlossen. Die Kompressionskälteanlage kommt nur noch dann

zum Einsatz, wenn kein Wärmebedarf besteht. So konnte der Energieaufwand für den Betrieb

der Kältemaschine um 82 % auf 36 MWh reduziert werden. Insgesamt werden durch die

Wärmepumpe 706 MWh Wärme zurückgewonnen. Bei einem Stromverbrauch von

261 MWh stellt diese mit einem COP von 3,7 967 MWh Wärme bei 65 °C bereit. Die Wär-

mepumpe hat eine Heizleistung von 274 kW. Sowohl auf der kalten als auch auf der warmen

Seite ist die Wärmepumpe mit Pufferspeichern verbunden, die jeweils ein Volumen von

16.000 l haben. Durch die Speicher kann die Wärme- und Kälteversorgung auch ohne Wär-

mezufuhr- bzw. Wärmeabnahme 30 bis 60 Minuten lang aufrechterhalten werden. Neben der

Wärmepumpe wurde auch die Drucklufterzeugung als weitere Quelle für die Wärmebereit-


stellung erschlossen. Hier kann mehr als die Hälfte der eingesetzten elektrischen Energie als

Wärme genutzt werden.

Durch ein Monitoring konnte die Betriebsdauer der Wärmepumpe von 5 auf 8 Stunden ge-

steigert werden. Die Temperatursensibilität der Laserkühlung erforderte mehrere hydrauli-

sche Abgleiche bis ein stabiler Anlagenbetrieb erreicht wurde. Die Investitionskosten für den

Anlagenumbau betrugen 570.000 €. 30 % der Investition wurden mit Mitteln des europäi-

schen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Mit einem angenommenen Anstieg

der Energiepreise um 3 % im Jahr amortisiert sich die Anlage nach 6 Jahren. Aufgrund der

hohen Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren ist eine Rendite von 18 % zu erwarten /Preuß,

André 2011; SAENA 2012; Brandenburg 2011/.

Tabelle 20: Datenblatt zur Purkart Systemkomponenten GmbH & Co. KG

Branche Metallverarbeitung – Blechbearbeitung Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 274 kW Art der Wärmequelle Laserkühlung und Abgas von Wärmebehandlungsöfen Wärmequellentemperatur 25 to 35 °C Art der Wärmesenke Raum- und Prozesswärme Wärmesenkentemperatur 65 °C COP 3,8 Kältemittel R134a Investitionssumme 567.000 € (Gesamtinvestition) Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit 6 Jahre Kontakt FWU Ingenieurbüro GmbH, Combitherm GmbH

7.1.12 Metallverarbeitung D (Schraubenwerk Zerbst GmbH)

Ursprünglich im Jahr 1919 unter dem Namen Schraubenfabrik Meinecke & Co KG gegrün-

det. ist das Schraubenwerk Zerbst heute ein etablierter Hersteller von Norm- und Spezial-

schrauben. Wichtigstes Produktfeld sind Schrauben für Schienenbefestigungssysteme und

Gleisbauartikel sowie Schrauben für die Anwendung im Stahlbau und in der Windkraft. Das

Unternehmen erwirtschaftet mit 195 Beschäftigten einen Jahresumsatz von 38 Mio. €.

Die Schraubenfertigung beginnt mit dem Herstellen von Rohmaterialabschnitten (Pinnen) aus

6 m langen Rundmaterialstangen im Durchmesser von ca. 20 mm bis 80 mm. Aus diesen

wird durch Umformung und Zerspanung die Schraube hergestellt. Anschließend folgen noch

die Veredelung und die Verpackung.

Das Schraubenwerk Zerbst stellt überwiegend Schrauben mit großen Durchmessern durch

Warmumformprozesse her. Dazu werden die Rohmaterialabschnitte vor dem Schmieden der

Schraubenköpfe durch induktive Erwärmung auf Umformtemperatur gebracht. Dabei entsteht

in den Induktionsspulen so viel Abwärme, dass diese über ein Kühlsystem abgeführt werden

muss. Der 23 bis 25 °C warme Kühlwasserrücklauf wird in einem Becken gesammelt. Das

Wasser wird in Kühltürmen verrieselt und kühlt so auf 20 bis 23 °C ab. Seit dem Jahr 2011

nutzen zwei Wärmepumpen das Kühlwasser als Wärmequelle. Die Wärmepumpen sind pa-


rallel zu den Kühltürmen angeordnet. Durch die Entwicklung eines speziellen, auf die Kühl-

wassereigenschaften optimierten Verdampfers konnte auf einen Zwischenkreis verzichtet

werden, was sich positiv auf die Effizienz der Anlage auswirkt.

Tabelle 21: Datenblatt zur Schraubenwerk Zerbst GmbH

Branche Metallverarbeitung – Schraubenherstellung Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 584 kW Art der Wärmequelle Abwärme von Induktionspressen Wärmequellentemperatur 20 bis 23 °C Art der Wärmesenke Heizung von Produktionshallen und Sozialgebäuden Wärmesenkentemperatur 40 °C bis 58 °C COP 3,5 Kältemittel keine Angabe Investitionssumme 180.000 € Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit 2 Jahre interne Verzinsung 50 % Kontakt Klima Jentzsch GmbH

Die Wärmepumpen haben eine maximale Kühlleistung von 436 kW. Sie werden mit einer

Kaskadensteuerung betrieben, wodurch die Leistung der Wärmepumpen in 8 Stufen der be-

nötigten Leistung angepasst werden kann. Mit einer Heizleistung von bis zu 292 kW pro

Wärmepumpe werden Produktionshallen, Verwaltungs- und Sozialgebäude mit Raumwärme

versorgt. Die Vorlauftemperatur der Heizung beträgt abhängig von der Außentemperatur

zwischen 40 und 58 °C. Um die Produktionshallen bei diesen niedrigen Vorlauftemperaturen

mit ausreichend Wärme versorgen zu können, wurde die komplette Heizungsanlage moderni-

siert und den niedrigen Vorlauftemperaturen angepasst. Steht an Wochenenden keine Ab-

wärme zur Verfügung, übernimmt ein Gaskessel mit einer Leistung von 300 kW die Grund-

wärmeversorgung /Klima Jentzsch GmbH 2013; Schraubenwerk Zerbst 2013/.

7.1.13 Metallverarbeitung E (Thoma Metallveredelung GmbH)

Die Thoma Metallveredelung GmbH wurde im Jahr 1924 gegründet und zog im Jahr 1960 an

den derzeitigen Standort Heimertingen um. Der in dritter Generation geführte Familienbe-

trieb beschäftigt heute ca. 100 Mitarbeiter. Als Oberflächenveredler bietet das Unternehmen

eine große Bandbreite von Metallbeschichtungen an.

In einem Forschungsprojekt wurde 2009 in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Pro-

duktionstechnik und Automatisierung (IPA) eine neue Hartverchromungsanlage entwickelt,

die durch Verbesserungen im Verchromungsprozess sowie durch eine Nutzung der entste-

henden Abwärme sehr effizient betrieben werden kann.

In der neu entwickelten Anlage wird der Chromelektrolyt in Zwangskonvektion versetzt.

Hierdurch kann die Stromdichte ohne Qualitätseinbußen auf bis zu 90 A/dm² gesteigert wer-


den. Die Stromausbeute steigt auf 22 % bis 24 %. Außerdem muss die Elektrolyttemperatur

auf 58 bis 60 °C angehoben werden.

Neben hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist eine gleichförmige Qualität des Elektrolys

notwendig, um gleichmäßige Schichtdicken erzeugen zu können. Daher wird das Verchro-

mungsbad aus einem Vorratsbehälter versorgt, in dem zum einen die Qualität des Elektrolyts

überwacht wird und zum anderen über einen sekundären Kühlkreislauf die Abwärme abge-

führt wird. Zusammen mit Abwärme von Stromgleichrichtern wird diese einem Kühlwasser-

rücklaufbecken zugeführt. Abbildung 66 zeigt ein Anlagenschema.

Eine Wärmepumpe hebt die Abwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau von 75 bis 80 °C

an und sorgt gleichzeitig für die Kühlung der Chrombäder. Ein 7,5 m³ großer Heißwasser-

speicher nimmt einen Teil der erzeugten Wärme auf und versorgt die Gebäude mit Warm-

wasser und Heizwärme. Die übrige Wärme wird einem Pufferspeicher zugeführt. Sie wird

zum Aufheizen der Chrombäder beim Anfahren der Produktion verwendet. Um die Betriebs-

temperaturen von bis zu 60 °C schnell erreichen zu können, wird eine große Wärmeleistung

benötigt. Aus diesem Grund ist der Pufferspeicher mit 40 m³ sehr groß dimensioniert. Besteht

nicht genügend Wärmebedarf, so kann die Anlage über einen Grundwasserbrunnen gekühlt

werden. Damit ist eine hohe Versorgungssicherheit gewährleistet. Auch für die Wärmever-

sorgung besteht im Notfall die Möglichkeit auf einen Ölkessel zurückzugreifen.

Abbildung 66: Anlagenschema der integrierten Wärme- und Kältebereitstellung bei Thoma Metallvere-

delung GmbH /Zimmer 2009/

Das Wärmepumpensystem deckt 50 % des gesamten Wärmebedarfs des Werks und führt

damit zu Einsparungen im Heizölverbrauch von 150.000 l/a. Durch Prozessverbesserungen

und die Integration von Heiz- und Kühlsystem konnte die Energieausbeute von 20 % auf

90 % gesteigert werden. Setzt man einen 24-Stundenbetrieb mit 98 % Verfügbarkeit an, kann


die Wärmepumpe rund 1,4 MWh Wärme im Jahr liefern. Im Vergleich zum Ölkessel können

damit bis zu 450 t CO2-Emissionen vermieden werden.

Tabelle 22: Datenblatt zur Thoma Metallveredelung GmbH

Branche Metallverarbeitung - Galvanik Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 143 kW Art der Wärmequelle Prozesskühlung Wärmequellentemperatur 50 bis 60 °C Art der Wärmesenke Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme Wärmesenkentemperatur 75 bis 80 °C COP 3 Kältemittel keine Angaben Investitionssumme keine Angaben Inbetriebnahme 2009 Amortisationszeit weniger als 4 Jahre Kontakt Thoma Metallveredelung GmbH

Über die energiebezogenen Vorteile hinaus konnte durch die Umstellung des Prozesses die

Schichthärte um 10 % und gleichzeitig die Abscheidungsgeschwindigkeit um bis zu 80 %

gesteigert werden. Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt mit einer

Summe von 110.000 € gefördert. Insgesamt ergibt sich eine Amortisationszeit von unter 4

Jahren /Zimmer 2009, Zimmer 2010a, Zimmer 2010b; Hlavica 2010/.

7.1.14 Metallverarbeitung F (Walter Th. Hennecke GmbH)

Die Walter Th. Hennecke GmbH ist ein Unternehmen der Blechverarbeitenden Industrie mit

mehr als 250 Mitarbeitern an zwei Standorten in Deutschland.

Im Jahr 2011 investierte das Unternehmen in eine neue integrierte Wärme- und Kälteerzeu-

gung. Herzstück der Anlage ist eine elektrische Kompressionswärmepumpe. Diese nutzt Ab-

wärme aus der Produktion zur Bereitstellung von Prozesswärme. Fünf CO2-

Laserschneidanlagen mit einer elektrischen Anschlussleistung laufen im 3-Schicht-Betrieb.

Da lediglich 5 bis 6 kW dieser Leistung für die Arbeit am Bauteil genutzt werden können

entstehen hohe Wärmelasten, die durch ein Kühlsystem abgeführt werden müssen. Bis zum

Umbau der Anlage wurde diese Wärme über ein integriertes Kühlaggregat an die Umge-

bungsluft abgegeben, was bei fünf Laserschneidanlagen insbesondere im Sommer zu unan-

genehm hohen Raumlufttemperaturen in der Produktion führte.

Ein Schema der neuen integrierten Wärme- und Kälteerzeugung ist in Abbildung 67 darge-

stellt. Die Laserschneidanlagen wurden an ein Kühlsystem angeschlossen, dass aus einem

8.000 l fassenden Pufferspeicher versorgt wird. Die drehzahlgeregelte Pumpe des Kühlkreises

variiert den Volumenstrom so, dass bereits eine Laserschneidanlage die Kühlwassertempera-

tur von 22 °C auf 27 °C anheben kann. Der Speicher dient als Wärmequelle für die Wärme-

pumpe. Sie kühlt den Speicher und liefert auf der warmen Seite eine Vorlauftemperatur von


60 °C. Mit einer maximalen Heizleistung von 260 kW erzeugt die Wärmepumpe 1,3 GWh

Wärme im Jahr. Die Wärme wird in einen ebenfalls 8.000 l fassenden Schichtspeicher ge-

speist. Aus diesem werden eine Entfettungs- und eine Phosphatierungsanlage mit Wärme

versorgt. Der alte 400 kW Gasbrenner ist als Notfallaggregat in den Heizkreis eingebunden,

wird aber im Normalbetrieb nicht mehr benötigt.

Abbildung 67: Abwärmenutzung von Laserschneidanlagen zur Prozesswärmebereitstellung bei der Wal-

ter Th. Hennecke GmbH

Die Planungs- und Bauzeit für die Anlage betrug drei Monate. Aufgrund geringer Wärmeab-

nahme durch die Entfettung und Phosphatierung erreicht die Wärmepumpe derzeit lediglich

eine Auslastung von 45 % bis 50 %. Perspektivisch sollen weitere Wärmesenken an den

Heizkreis angeschlossen werden, um die Auslastung der Wärmepumpe zu erhöhen. Ein neues

Bürogebäude mit Sozialräumen und Duschen ist derzeit in Planung. Zudem bestehen noch

Potenziale für die Nutzung weiterer Abwärmequellen. So könnte noch Wärme aus dem Ab-

gas der Trockner in der Pulverbeschichtung zurückgewonnen werden. In der finalen Ausbau-

stufe soll die Anlage 1.400 m² Sozialräume sowie 2.500 m² Hallenflächen beheizen. Gegen-

über einer getrennten Wärme- und Kältebereitstellung könnten dann bis zu

500 t CO2-Emissionen im Jahr vermieden werden /Hennecke GmbH 2013/.

Tabelle 23: Datenblatt zur Walter Th. Hennecke GmbH

Branche Metallverarbeitung – Blechbearbeitung Wärmepumpentyp elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 260 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus fünf Laserschneidanlagen Wärmequellentemperatur 27 °C Art der Wärmesenke Prozesswärme für Entfettung und Phosphatierung Wärmesenkentemperatur 65 °C COP 4 Kältemittel keine Angaben Investitionssumme 85.000 € (nur für die Wärmepumpe) Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit ca. 8 Jahre (für die Gesamtinvestition) Kontakt iQma energy GmbH & Co. KG;

SmartHeat Deutschland GmbH; Henneke GmbH

Laserschneid-anlage

Laserschneid-anlage

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Basierend auf /Hennecke GmbH 2013/


7.1.15 Nahrungsmittelherstellung A (Hanspeter Graßl KG)

Die Hanspeter Graßl KG vertreibt unter dem Namen Schäffler Bräu Bier, Bierbrände und

diverse alkoholfreie Getränke. An die Brauerei ist ein Gasthof mit Hotelbetrieb angegliedert.

Seit Juni 2012 wird die im Brauprozess freiwerdende Abwärme zur Bereitstellung von Heiz-

wärme und Warmwasser eingesetzt.

Das Bierbrauen ist ein mehrstufiger Prozess für den große Energiemengen benötigt werden.

Zunächst wird Malz geschrotet und zusammen mit Wasser in die Maischepfanne gegeben.

Hier wird unter Zufuhr von Wärme die im Malz enthaltene Stärke gelöst und von Enzymen in

Zucker umgewandelt. Danach werden im Läuterbottich die Enzyme deaktiviert und wasser-

unlösliche Stoffe (Malztreber) entfernt. Unter Zugabe von Hopfen wird der Sud in der

Würzepfanne gekocht. Durch Abführen des entstehenden Wasserdampfs wird der Sud auf die

für jede Biersorte spezifische Stammwürze aufkonzentriert. In einem Whirlpool werden die

unlöslichen Bestandteile des Hopfens abgeschieden, bevor die Würze in Gärtanks gepumpt

wird. Dort wird durch Zugabe von Hefe der Zucker in Alkohol umgesetzt. Je nach Hefeart

wird das Bier bei Temperaturen von 4 bis 9 °C für untergärige Hefen bzw. 15 bis 20 °C für

obergärige Hefen vergoren. Die dabei entstehende Wärme wird über eine Kälteanlage abge-

führt. Anschließend wird das Bier filtriert und in Flaschen abgefüllt, die zuvor in einer Fla-

schenwaschmaschine gereinigt wurden.

In der Schäffler Brauerei wird die Abwärme der Kältemaschinen in einem speziell konstruier-

ten 12 m³ fassenden Tank gesammelt. Zudem wird das Abwasser der Flaschenwasch- und

Befüllungsanlage durch diesen Speicher geführt, um zusätzliche Abwärme zurückzugewin-

nen. Durch die Ausnutzung des Höhenunterschieds von 2 m zwischen Abfüllanlage und

Speicher wird keine Pumpe im Abwasserstrom benötigt. Die Abwärmeströme bringen den

Speicher auf eine Temperatur von 25 °C. Eine Wärmepumpe mit 77 kW Heizleistung nutzt

den Speicher als Wärmequelle und hebt die Abwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau

von 65 bis 72 °C. Steht keine Abwärme für den Betrieb der Wärmepumpe zur Verfügung,

kann der hauseigene Brunnen als Wärmequelle genutzt werden. Die Wärmepumpe versorgt

Brauhaus und Gaststätte mit Warmwasser und Heizenergie. Ein 50 kW Ölbrenner deckt die

Spitzenlasten. Mit einer jährlichen Wärmeerzeugung von 200 MWh deckt die Wärmepumpe

mehr als 80 % des Wärmebedarfs.

Die Investitionskosten der Anlage setzen sich aus den Kosten der Wärmepumpe (26.667 €)

und den Kosten für Speicher und Wärmeübertrager (5.000 €) zusammen. Die Anlage erreicht

eine Amortisationszeit von weniger als 6 Jahren /Arwego e.K. 2013; Brauwelt 2012/.


Tabelle 24: Datenblatt zur Hanspeter Graßl KG

Branche Nahrungsmittel - Brauerei Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 77 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus der Produktion und Quellwasser Wärmequellentemperatur 25 °C Art der Wärmesenke Raumwärme, Warmwasser Wärmesenkentemperatur 65 bis 72 °C COP 4,3 Kältemittel R134a Investitionssumme 31.667 € Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit weniger als 6 Jahre Interne Verzinsung 14 % Kontakt Arwego e.K.

7.1.16 Nahrungsmittelherstellung B (Tivoli Malz GmbH)

Die Tivoli Malz GmbH ist alleiniger Gesellschafter der GlobalMalt GmbH & Co KG und

Mehrheitsgesellschafter der GlobalMalt Polska Sp z o.o. Mit einer Jahresproduktion von rund

200.000 t Malz ist Global Malt einer der führenden Malzproduzenten in Deutschland und

Polen. Am Produktionsstandort Hamburg werden jährlich 105.000 t Malz hergestellt

/GlobalMalt 2013; Tivoli Malz 2012/.

Malz ist ein Vorprodukt der Bierproduktion. Es wird aus Getreide (vornehmlich Gerste) her-

gestellt. Das Getreide wird gereinigt, in Wasser eingeweicht und bei einer Temperatur von ca.

15 °C zur Keimung gebracht. Durch die Keimung werden Enzyme gebildet, die während des

späteren Brauprozesses Eiweiße und Stärke aus dem Getreidekorn abbauen. Ein Teil der

Stärke wird schön während des Mälzens in kleinere Moleküle (Zucker) zerlegt. Nach fünf bis

sieben Tagen wird der Keimprozess abgebrochen. Unter konstanter Wärmezufuhr wird das

gekeimte Getreide (Grünmalz) getrocknet, wodurch die Keimlinge absterben. Im ersten Pro-

zessschritt, dem Schwelken, findet bei 50 bis 65 °C der größte Feuchtigkeitsaustrag statt.

Durch die Wasseraufnahme kühlt die Luft auf 22 bis 28 °C ab. Im Anschluss folgt das eigent-

liche Darren. Hierzu wird die Temperatur in der Trockenkammer, der sogenannten Darre,

erhöht. Über die Dauer und Temperatur des Darrens lassen sich die späteren Eigenschaften

des Bieres beeinflussen. Während helles Malz bei Temperaturen bis zu 85 °C gedarrt wird,

werden für dunkles Malz Temperaturen bis zu 100 °C benötigt. Nach dem Darren wird das

Malz von den abgestorbenen Keimen befreit und in Silos eingelagert.

Am Produktionsstandort in Hamburg betreibt GlobalMalt mehrere solcher Darren. Um die

eingesetzte Energie möglichst gut auszunutzen, sind zwei Trocknungskammern wie in Abbil-

dung 68 dargestellt miteinander verschaltet.


Abbildung 68: Einbindung von BHKW und Wärmepumpe in den Trocknungsprozess einer Mälzerei

/Tivoli Malz 2012/

Während das Malz in der einen Kammer geschwelkt wird, wird eine weitere Charge in einer

zweiten Kammer gedarrt. Die Wärmezufuhr findet in der Darre statt. Die warme Abluft der

Darre wird für das Schwelken in der zweiten Kammer genutzt. Die nun feuchtigkeitsgesättig-

te Abluft verlässt die Kammer mit einer Temperatur von 28 °C. Über einen speziell konstru-

ierten Glasröhrenwärmeübertrager wird die Zuluft auf 22 °C vorgewärmt während sich die

Abluft auf 26 °C abkühlt. Durch diese Maßnahmen konnte der spezifische Energiebedarf von

1.300 kWh/t Malz auf 600 bis 650 kWh/t Malz gesenkt werden.

Um den Energiebedarf des Prozesses weiter zu reduzieren, hat GlobalMalt im Jahr 2010 ne-

ben einem BHKW eine elektrische Kompressionswärmepumpe installiert. Die vorgenomme-

nen Umbauten sind in Abbildung 68 rot eingefärbt. Nach der Wärmerückgewinnung durch

den Glasröhrenwärmeübertrager wird die Abluft von der Wärmepumpe weiter auf 23 °C ab-

gekühlt und an die Umgebung abgegeben. Der Verdampfer der Wärmepumpe hat eine Ge-

samtfläche von 13.500 m². Stündlich kondensieren in ihm bis zu 3.000 l Wasser aus der Ab-

luft. Die Wärmepumpe hebt die entzogene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau und

erwärmt die Zuluft von 22 °C auf 35 °C. Die Wärmepumpe liefert eine maximale Heizleis-

tung von 3.250 kW. Sie wird von einem Schraubenverdichter angetrieben. Aufgrund der ge-

ringen Temperaturdifferenz wird ein durchschnittlicher COP von 6,3 erreicht. Als Kältemittel

wurde Ammoniak gewählt. Aufgrund seiner hohen volumetrischen Heizleistung können die

Komponenten der Wärmepumpe verhältnismäßig klein dimensioniert werden. Darüber hin-

aus wurde auch auf die geringe Treibhauswirksamkeit von Ammoniak Wert gelegt. Da Am-

moniak in Luft eine Zündgrenze von lediglich 15,3 Vol. % hat, wurden Detektoren und

Schnellverschlussventile am Kondensator der Wärmepumpe installiert. Damit kann die Aus-

trittsmenge im Fall einer Leckage so gering gehalten werden, dass kein explosionsfähiges

Gasgemisch entstehen kann. Im Betrachtungszeitraum von Juni 2010 bis Mai 2011 erzeugte

die Wärmepumpe 24.500 MWh Prozesswärme.


Neben der Wärmepumpe wurde ein BHKW installiert. Dieses sorgt für eine weitere Erwär-

mung der Zuluft. Darüber hinaus erzeugt es Strom für die Wärmepumpe und weitere Ver-

braucher. Das BHKW hat eine elektrische Leistung von 2.000 kW und erzeugt bei ca. 8.000

Vollaststunden 16 GWh Strom und 20 GWh Wärme pro Jahr. Dem BHKW nachgeschaltet ist

ein Gasbrenner, der die Temperatur der Zuluft schließlich auf bis zu 85 °C anhebt.

Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) mit 340.000 € geför-

dert. Die Investitionskosten für Wärmepumpe und BHKW betrugen nach Abzug der KWK-

Förderung 3.077.000 €. Mit jährlichen Einsparungen von 579.000 € amortisiert sich die An-

lage innerhalb von 5,3 Jahren. Durch die Umsetzung dieser Maßnahme kann die GlobalMalt

GmbH am Standort Hamburg jährlich den Ausstoß von 6.300 t CO2 vermeiden. Bezogen auf

die gesamten CO2-Emissionen des Standorts entspricht das einer Einsparung von ca. 25 %.

Der spezifische Energiebedarf für die Herstellung einer Tonne Malz sank auf 350 bis 500

kWh/t. Die Anlage erfüllt die Anforderungen im vollen Umfang, so dass seit Inbetriebnahme

keine Änderungen vorgenommen werden mussten /Mönch 2011; Brauindustrie 2009; Mönch

2012; Tivoli Malz 2012; Brauwelt 2010/.

Tabelle 25: Datenblatt zur Tivoli Malz GmbH

Branche Lebensmittel - Herstellung von Braumalz Wärmepumpentyp elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 3.250 kW Art der Wärmequelle feuchte Prozessabluft Wärmequellentemperatur 23 °C Art der Wärmesenke Prozesswärme für eine Darre Wärmesenkentemperatur 35 °C COP 6,3 Kältemittel R717 (Ammoniak) Investitionssumme 1.820.000 € (Wärmepumpe) Inbetriebnahme 2010 Amortisationszeit 5,3 Jahre Interne Verzinsung 24 % Kontakt Tivoli Malz GmbH

7.1.17 Steine und Erden (Treibacher Schleifmittel Zschornewitz GmbH)

Die Treibacher Schleifmittel AG ist ein weltweit operierender Hersteller von Schleifmitteln

mit Sitz in Villach (Österreich). Am Standort Zschornewitz wird bereits seit 1918 der Grund-

stoff Korund im Elektroschmelzverfahren hergestellt. Im Jahr 2001 wurde die Elektrosch-

melze in Zschornewitz von Treibacher Schleifmittel erworben. In den folgenden Jahren wur-

de die Produktpalette um die Herstellung weiterer Korundprodukte und Zirkonmullit erwei-

tert. Heute beschäftigt das Unternehmen am Standort Gräfenhainichen-Zschornewitz rund

170 Mitarbeiter.

In der Korundherstellung werden aluminiumhaltige Tonerden bei 2.000 bis 3.000 °C in ei-

nem Lichtbogenofen aufgeschmolzen. Das Aluminiumoxid wird in Blöcke gegossen. Nach

dem Erkalten werden diese Blöcke gebrochen und in weiteren Prozessschritten zerkleinert


und homogenisiert. Vor dem Verpacken wird der Korund ein letztes Mal gesiebt und mit Zu-

satzstoffen vermischt. Die Schmelzöfen benötigen eine konstante Kühlung bei 35 °C. Ein

kleiner Teil dieser Wärme wird von einer Wärmepumpe genutzt, um die Unternehmensge-

bäude zu beheizen. Die Wärmepumpe ist über einen Zwischenkreis in das Kühlsystem einge-

bunden. Mit dieser Maßnahme kann der Verdampfer vor einer Beschädigung durch Verun-

reinigungen geschützt werden. Die Abwärme wird auf eine Temperatur von 60 °C angehoben

und im Heizungssystem verwendet. Zwei parallel geschaltete Heizungswasserspeicher ent-

koppeln Heizwärme- und Kühlbedarf. Abbildung 69 zeigt ein Schema der integrierten Heiz-

und Kühlanlage /Klima Jentzsch GmbH 2013/.

Abbildung 69: Integriertes Heiz- und Kühlsystem der Treibacher Schleifmittel GmbH /Klima Jentzsch

GmbH 2013/

Tabelle 26: Datenblatt zur Treibacher Schleifmittel GmbH

Branche Grundstoffherstellung – Korundherstellung Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 110 kW Art der Wärmequelle Kühlung der Schmelzöfen Wärmequellentemperatur 35 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 60 °C COP 3,7 Kältemittel keine Angabe Investitionssumme 72.760 € Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit 3,2 Jahre interne Verzinsung 32 % Kontakt Klima Jentzsch GmbH


7.1.18 Textilherstellung (PONGS Seidenweberei GmbH)

Ausgehend von der Gründung der Baumwollweberei PONGS im Jahr 1910 hat sich das Un-

ternehmen in den vergangenen Jahrzehnten zu einem führenden Anbieter von Textilien für

Werbung und Dekoration entwickelt. An zwei Standorten sind mehr als 200 Mitarbeiter be-

schäftigt.

Die Firma PONGS betreibt eine Wärmerückgewinnungsanlage für die Abluft von Färbema-

schine und weiteren Prozessen. Beim Färben von Textilien werden große Mengen Wärme

benötigt. Eine Farbstofflösung wird zunächst auf das Textil aufgebracht. In einem zweiten

Schritt wird die Farbe unter Wärmeanwendung fixiert.

Im Jahr 2008 wurde in einem ersten Schritt eine Frischluftvorerwärmung für die Trockenab-

teile von zwei Anlagen in Betrieb genommen. Die Luft wird dann über einen Thermoölkreis-

lauf mit einer Vorlauftemperatur von 240 bis 260 °C weiter erhitzt. Im zweiten Schritt wurde

die Wärmerückgewinnung um eine Wärmepumpe erweitert. Über einen speziell konstruierten

Verdampfer entzieht eine Wärmepumpe der Abluft 110 kW Wärme auf einem Temperaturni-

veau von 30 bis 40 °C. Mit einem mittleren COP von 5,1 liefert sie Heizungswärme bei 50 °C

für die Fußbodenheizung einer Lagerhalle. In Notfällen kann ein Ölkessel die Wärmeversor-

gung mit übernehmen. Um den Bedarf an Heizwärme vom Abwärmeaufkommen zu entkop-

peln, wurde ein Heißwasserspeicher mit 3.000 l Volumen installiert. Abbildung 70 zeigt ein

Schema der Wärmerückgewinnungsanlage. Das Unternehmen ist mit der Anlage sehr zufrie-

den und hat bereits eine weitere Wärmerückgewinnung installiert /Klima Jentzsch GmbH

2013; PONGS 2014/.

Abbildung 70: Wärmerückgewinnung der PONGS Seidenweberei GmbH /Klima Jentzsch GmbH 2013/


Tabelle 27: Datenblatt zur PONGS Seidenweberei GmbH

Branche Textil – Färben und Bedrucken von Textilien Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 137 kW Art der Wärmequelle Abluft einer Färbemaschine Wärmequellentemperatur 30 bis 40 °C Art der Wärmesenke Heizung der Produktionshalle Wärmesenkentemperatur 50 °C COP 5,1 Kältemittel keine Angaben Investitionssumme 195.000 € (gesamte WRG Anlage) Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit keine Angaben interne Verzinsung keine Angaben Kontakt Klima Jentzsch GmbH

7.2 Zusammenfassende Betrachtung der ausgewählten Wärmepumpenanwendungen

in der Industrie in Deutschland

Die beschriebenen Anlagen zeigen, dass auch in Deutschland unter den hiesigen Rahmenbe-

dingungen industrielle Wärmepumpenanlagen erfolgreich realisiert und betrieben werden

können. Eine zusammenfassende Übersicht der Anlagen findet sich in Tabelle 29.

Aus der Tabelle geht hervor, dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Wärmequellen in der

Industrie vorhanden ist. Soweit keine direkte Nutzung möglich ist, können diese Wärmeströ-

me durch den Einsatz von Wärmepumpen wieder nutzbar gemacht werden. 13 der 18 be-

schriebenen Anlagen versorgen Büro- und Produktionsgebäude mit Raumwärme. Die Hei-

zungsanlage ist eine für die Integration von Wärmepumpen interessante Wärmesenke, da die

benötigten Temperaturen in einem niedrigen Bereich zwischen 40 und 80 °C liegen. Über-

schusswärme aus Kühlkreisläufen liegt zumeist bei Temperaturen von 10 bis 40 °C vor. Bei

den hier realisierbaren Temperaturhüben von weniger als 50 K erreichen Wärmepumpen

noch COP von über 3. Wenn auch die Heizung nicht ganzjährig Wärme nutzen kann, so stellt

der Einsatz einer Wärmepumpe in dieser Konstellation eine meist wirtschaftliche Energieef-

fizienzmaßnahme dar. Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet für Wärmepumpen sind

Trocknungsprozesse. In konvektiven Trocknungsprozessen, die im Umluftverfahren betrie-

ben werden, muss die Trocknungsluft zunächst abgekühlt und danach wieder erhitzt werden.

Sowohl Wärmequelle als auch Wärmesenke sind im Trocknungsprozess selbst vorhanden.

Bedingt durch geringe Temperaturhübe in Verbindung mit langen Betriebszeiten ist der Ein-

satz von Wärmepumpen in Trocknungsprozessen oft wirtschaftlich.


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7.3 Auswahl umgesetzter Anlagen in der Industrie außerhalb Deutschlands

Wie in Deutschland, so ist auch auf internationaler Ebene ein wachsendes Interesse an indust-

riellen Wärmepumpen zu verzeichnen. In den nordischen Ländern Finnland, Schweden,

Norwegen und Kanada hat sich die Wärmepumpe bereits in der industriellen Anwendung

etabliert. Diese Entwicklung ist bedingt durch bessere wirtschaftliche Rahmenbedingungen

für den Einsatz von Wärmepumpen.

In Tabelle 30 ist eine Übersicht über gut dokumentierte industrielle Wärmepumpenprojekte

außerhalb Deutschlands gegeben. Viele der aufgeführten Anlagen sind in der Nahrungsmit-

telindustrie zu finden. Sie nutzen die Abwärme von Kältemaschinen. Zum Teil wird die Kälte

auch direkt von der Wärmepumpe erzeugt. Aufgrund des großen Kältebedarfs und eines

gleichzeitigen Wärmebedarfs bei niedrigen Temperaturen ist die fleischverarbeitende Indust-

rie besonders gut für die Anwendung von Industriewärmepumpen geeignet. In Molkereien

herrschen ähnliche Bedingungen weshalb auf diese beiden Branchen 9 der 25 in Tabelle 30

erfassten Anlagen entfallen.

In Deutschland sind vornehmlich einfache Wärmepumpenanwendungen zu finden. Häufig

wird industrielle Abwärme genutzt um Raumwärme zu erzeugen. Wärmepumpen direkt in

die Produktionsprozesse integriert sind, sind selten zu finden. Zudem werden diese Anlagen

von den Betreiberunternehmen meist geheim gehalten.

Blick man in andere Industrienationen so fällt auf, dass insbesondere in den nordischen Län-

dern bereits viele Wärmepumpen existieren, die direkt in Produktionsprozesse integriert sind.

Mögliche Gründe sind die aufgrund niedriger Strom- und hoher Gaspreise generell stärkere

Verbreitung von Wärmepumpen sowie eine möglicherweise offenere Informationspolitik der

Betreiberunternehmen.


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7.4 Praxisanwendungen im GHD-Sektor

Im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen wurde bereits eine Vielzahl von Großwär-

mepumpenprojekten erfolgreich umgesetzt. Im Rahmen dieses Kapitels werden sieben größ-

tenteils sehr unterschiedliche Anlagen beschrieben. Alle beschriebenen Großwärmepumpen

erzeugen Raumwärme und/oder Warmwasser. Dazu nutzen sie allerdings höchst unterschied-

liche Wärmequellen, wie Abwasser, Serverabwärme, Erdwärme oder Solarwärme. Für drei

der in Abbildung 71 aufgeführten Anlagen wurde im Rahmen dieser Studie ein Anlagenmo-

nitoring durchgeführt. In den folgenden Unterkapiteln werden zunächst die Anwendungsfälle

dargestellt, bevor die Ergebnisse der Anlagenmonitorings beschrieben werden.

Abbildung 71: Auswahl umgesetzter Wärmepumpenanlagen im GHD-Sektor


7.4.1 Großküche (FH Südwestfalen Campus Soest)

An der Fachhochschule (FH) Südwestfalen sind mehr als 12.000 Studierende eingeschrieben.

Davon studieren etwa 3.000 am Campus Soest. Die Mensa des FH Campus in Soest wird

über ein Nahwärmenetz mit Wärme versorgt. Die Wärmeverluste von Erzeugung und Vertei-

lung liegen im Jahresmittel bei 30 %. Insbesondere in den Sommermonaten, wenn die Mensa

der einzige Wärmeerzeuger ist, steigen die Verluste auf bis zu 80 %. Der Betrieb des Nah-

wärmenetzes ist in dieser Zeit nicht wirtschaftlich. Durch die Installation einer Wärmepum-

penanlage im Jahr 2011 kann sich die Mensa außerhalb der Heizperiode selbst mit Wärme

versorgen. Damit kann das Nahwärmenetz über die Sommermonate stillgelegt werden.

Als Wärmequellen nutzt die Wärmepumpe einen bisher ungenutzten Abluftstrom und die

Abwärme einer kleinen Kälteanlage. Das Wärmerückgewinnungssystem mit integrierter

Wärmepumpe ist in Abbildung 72 schematisch dargestellt. Der Abluftstrom hat ein Volumen

von 19.300 m³/h. Er wird durch die Wärmepumpe von 23 °C auf 17 °C abgekühlt. Die entzo-

gene Wärme wird in einen 300 l fassenden Abwärmespeicher geleitet. An diesen ist auch die

kleine Kälteanlage angeschlossen. Sie speist kontinuierlich 3,8 kW Abwärme in den Speicher

ein. Ist die Wärmepumpe nicht in Betrieb, so kann die Speichertemperatur auf bis zu 50 °C

steigen. Während des Wärmepumpenbetriebs beträgt die Rückkühltemperatur der Kälteanla-

ge lediglich noch ca. 20 °C, wodurch sich die Effizienz der Anlage deutlich steigern lässt.

Abbildung 72: Wärmeversorgung der Mensa auf dem Campus in Soest /thermea 2014a/

Die Wärmepumpe hat eine Heizleistung von 45 kW. Sie versorgt die Mensa mit Raumwärme

und Warmwasser. Während der Heizperiode kann über das Nahwärmenetz zusätzliche Wär-

me bezogen werden. Die Heizleistung der Wärmepumpe kann über einen Frequenzumformer

dem Bedarf angepasst werden. Das Heizungssystem verfügt über zwei Pufferspeicher mit

einem Volumen von je 1.500 l. Pufferspeicher 1 wird von der Wärmepumpe auf bis zu 80 °C

erwärmt. Aus diesem Pufferspeicher wird die Trinkwasseraufbereitung versorgt. Zudem kann

über eine Beimischung die Vorlauftemperatur der Heizung angehoben werden. Pufferspei-

cher 2 versorgt die Heizung mit Wärme. Die Heizkörper werden mit der Temperatursprei-

zung 70/55 °C betrieben. Die Fußbodenheizung wird aus der Rücklaufsammelschiede mit

Kälteanlage

Abwärme-speicher

ca. 20 °C

20 bis 50 °C

Wärmepumpe

Abluftstrom

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80 °C

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Puffer-speicher 1

Vorlauf Heizung

Vorlauf Warmwasser und Heizung

Rücklauf


40/30 °C versorgt. Bei zu niedrigen Temperaturen kann aus der Vorlaufschiene wärmeres

Wasser beigemischt werden. Durch diese Anlagenverschaltung wird eine größtmögliche

Auskühlung des Rücklaufs erreicht.

Die Wärmepumpe kann mit der großen Spreizung von 40 K sehr effizient arbeiten, da CO2

als Kältemittel verwendet wird. Durch den überkritischen Prozess entsteht ein großer Tempe-

raturgleit auf der Wärmesenkenseite. Durch die hohe Temperaturspreizung kann dieser Effekt

optimal genutzt werden. Die Anlage erreicht eine Jahresarbeitszahl von 3,2. Die besten COPs

sind in der Übergangszeit, bei laufender Fußbodenheizung, zu verzeichnen. Die Anlage steu-

ert 152 MWh/a zum Heizwärmebedarf der Mensa bei /thermea 2014a/.

Tabelle 30: Datenblatt zur Mensa der FH Südwestfalen in Soest

Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 45 kW Art der Wärmequelle Flusswasser Wärmequellentemperatur 21/10 °C Art der Wärmesenke Beheizung von Gebäuden über ein Nahwärmenetz Wärmesenkentemperatur 40/80 °C COP 3,0 Kältemittel R744 (Kohlendioxid) Investitionssumme keine Angabe Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit keine Angabe interne Verzinsung keine Angabe Kontakt Thermea Energiesysteme GmbH

7.4.2 Möbelhaus (IKEA Berlin-Lichtenberg)

Das im Jahr 2010 errichtete Einrichtungshaus in Berlin-Lichtenberg ist mit einer Bruttoge-

schossfläche von 45.000 m² die größte IKEA-Filiale in Deutschland. Die überbaute Fläche

beträgt 28.000 m².

Das Gebäude wurde mit dem Ziel errichtet, die durch den Gebäudebetrieb verursachten

Treibhausgasemissionen auf ein Minimum zu reduzieren. Eine Photovoltaikanlage mit einer

Leistung von 575 kWp trägt zum Stromverbrauch bei. Der Warmwasserbedarf wird während

der Sommermonate von einer 50 m² großen Solarthermieanlage gedeckt. Der Heizwärmebe-

darf wird zu ca. 70 % von einem Wärmepumpensystem mit einer Heizleistung von 1.476 kW

gedeckt. Zu Spitzenlastzeiten wird das Wärmepumpensystem durch zwei gasbefeuerte Heiz-

kessel mit einer Heizleistung von je 510 kW unterstützt.

In Abbildung 73 ist die Wärme und Kälteversorgung des Gebäudes schematisch dargestellt.

Zentrales Element des Heiz- und Kühlsystems sind drei Wärmepumpen mit einer Heizleis-

tung von je 492 kW und einer Kühlleistung von je 379 kW.


Abbildung 73: Anlagenschema der Wärme- und Kälteversorgung in der IKEA Filiale Berlin-Lichtenberg

Eine Besonderheit der Anlage ist die Nutzung von Abwasser als Wärmequelle im Winter und

als Wärmesenke im Sommer. In 150 m Entfernung zur Heizzentrale des Gebäudes verläuft

eine Abwasserdruckleitung (DN 1000), die ganzjährig eine Abwassermenge von 500 bis

1.400 m³/h führt. Die Temperatur des Abwassers schwankt im Jahresverlauf zwischen 10 und

15 °C. Unter der Zufahrt zu den Parkplätzen wurde ein 204 m langer Bypass zur Abwasser-

druckleitung verlegt. Der Bypass besteht aus einem Kernrohr (DN 700) und einem Mantel-

rohr (DN 800). Der Spalt zwischen Kern- und Mantelrohr wird von Wasser durchströmt. Die-

ser Wasserkreislauf ist sowohl an die Kälteverteilschiene wie auch die Wärmeverteilschiene

angebunden. Im Winter dient das Abwasser als Wärmequelle für die Wärmepumpen. Sie

kühlen das Abwasser um bis zu 2 K aus und versorgen Fußbodenheizung und Betonkernakti-

vierung des Gebäudes mit 35 bis 40 °C warmem Heizwasser. Die drei Sprinklerbecken der

Feuerlöschanlage mit einem Gesamtvolumen von 1.250 m³ werden Wärmequellenseitig als

Speicher genutzt, um negative Temperaturspitzen des Abwassers während der Schnee-

schmelze auszugleichen. Im Sommer wird das System in umgekehrter Weise betrieben. Die

Wärmepumpen kühlen das Gebäude und geben die Abwärme an das Abwasser ab. Da sich

das Abwasser im weiteren Verlauf noch mit weiteren Abwasserströmen vermischt und zudem

im Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdreich steht, wird der Klärwerksbetrieb durch

den Wärmeentzug bzw. die Wärmeeinleitung nicht beeinflusst.

Die Wärmepumpen erreichen eine Jahresarbeitszahl von 4,35. Gegenüber einer ausschließli-

chen Wärmeversorgung über Gaskessel können durch die Wärmepumpenanlage

CO2-Emissionen in Höhe von 770 t/a vermieden werden. Die Amortisationszeit der Anlage

wurde auf ca. 7 Jahre berechnet /Schitkowsky 13.12.2010; IKEA 06.05.2010; Wohlhagen

Wernik, Paulus 2010/.

Wärme-pumpe

Wärme-pumpe

Wärme-pumpe

Gas-kessel

Gas-kessel

Sprinklerbecken

Sprinklerbecken

Sprinklerbecken

HeizungsverteilerAbwasserwärme-

übertragerKaltwasserverteiler


Tabelle 31: Datenblatt zu IKEA in Berlin-Lichtenberg

Wärmepumpentyp Elektrische Kompression Heizleistung 3 mal 492 kW Art der Wärmequelle Abwasserdruckleitung Wärmequellentemperatur 10 bis 15 °C Art der Wärmesenke Gebäudeheizung Wärmesenkentemperatur 35 bis 40 °C JAZ 4,35 Kältemittel R134a Investitionssumme keine Angabe Inbetriebnahme 2010 Amortisationszeit 7 Jahre interne Verzinsung 12 %

Kontakt Ochsner GmbH, Ingenieurbüro Lang, Ingenieurbüro Paulus

7.4.3 Nahwärme (Lauterecken)

In dem 2.155 Einwohner Dorf Lauterecken im Pfälzer Bergland wird das Wasser des Flusses

Lauter für die Wärmeversorgung öffentlicher Gebäude genutzt. Das Flusswasser wird zwar

auch im Sommer nur 10 °C warm, dafür fällt es im Winter nur selten unter 4 °C. Eine Wär-

mepumpe mit einer Heizleistung von 232 kW nutzt das Flusswasser als Wärmequelle. Die

Wasserentnahmestelle befindet sich im Abstrom einer Wassermühle. Der Standort ist äußerst

vorteilhaft, da das Wasser hier frei von Treibgut ist. Mit einer Tauchpumpe werden ca. 10

Liter Flusswasser pro Sekunde entnommen und zur 150 m entfernten Wärmepumpe geleitet.

Diese entzieht dem Wasser Wärme und kühlt es dadurch um 3 K ab, bevor es in die Lauter

zurückfließt. Aufgrund der verhältnismäßig geringen entnommenen Wassermenge und der

Tatsache, dass die Lauter wenig später in den Glan mündet, ist praktische keine Veränderung

der Wassertemperaturen im Fluss messbar. Entnahmestelle und Wärmepumpe sind in Abbil-

dung 74 abgebildet.

Abbildung 74: Wärmeentnahmestelle und CO2-Wärmepumpe in Lauterecken /thermea 2014b/


Die Wärmepumpe bringt die entzogene Wärme auf eine Vorlauftemperatur von 65 °C. Als

Kältemittel wird CO2 eingesetzt, da es aufgrund seines hohen Temperaturgleits im Gaskühler

besonders geringe Exergieverluste bei der Wärmeabgabe verursacht. Damit kann die

CO2-Wärmepumpe immer noch eine Jahresarbeitszahl von 3,5 erreichen. Die erzeugte Wär-

me wird über ein 200 m langes Nahwärmenetz an öffentliche Gebäude sowie eine Sparkasse

und ein Einfamilienhaus verteilt. Insgesamt sind 11 Verbraucher an das Netz angeschlossen.

Aufgrund der niedrigen Rücklauftemperatur von 30 bis 40 °C kann die CO2-Wärmepumpe

besonders effizient arbeiten. Sinkt die Flusswassertemperatur unter 4 °C, wird die Wärme-

pumpe abgeschaltet und ein Gas-Brennwertkessel übernimmt die Wärmeversorgung.

Insgesamt erzeugt die Wärmepumpe 520 MWh/a Heizwärme. Damit können bis zu 53 t CO2-

Emissionen im Jahr vermieden werden. Die Errichtung des Nahwärmenetzes und der zentra-

len Wärmeerzeugung kostete rund 840.000 €. Das Land Rheinland-Pfalz und der Bund haben

die Investition im Rahmen des Konjunkturpakets II mit rund 360.000 € gefördert /thermea

2014b/.

Tabelle 32: Datenblatt zum Nahwärmenetz in Lauterecken

Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 232 kW Art der Wärmequelle Flusswasser Wärmequellentemperatur 4 bis 10 °C Art der Wärmesenke Beheizung von Gebäuden über ein Nahwärmenetz Wärmesenkentemperatur 65 °C COP 3,5 Kältemittel R744 (Kohlendioxid) Investitionssumme 840.000 € Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit keine Angabe interne Verzinsung keine Angabe Kontakt Thermea Energiesysteme GmbH

7.4.4 Schwimmbad (Meerwassererlebnisbad Juist)

Die Nordseeinsel Juist plant in Kooperation mit dem Grundversorger EWE ihren CO2-

Ausstoß nachhaltig zu senken /Kurverwaltung Juist 2013/. Im Rahmen dieser Bemühungen

wurde das Meerwasser Erlebnisbad im Jahr 2007 mit einer neuen Wärmeversorgung ausge-

stattet.

Der Erdgaskessel wird nun von einer 821 m² große Solarabsorber-Anlage und einer Wärme-

pumpe unterstützt. Abbildung 75 zeigt schematisch den Aufbau des neuen Wärmeversor-

gungssystems. Die Anlage heizt das Beckenwasser auf 30 °C. Während der Sommermonate

kann der Solarabsorber allein die nötige Temperatur liefern. In den Übergangszeiten reicht

die Sonneneinstrahlung nicht aus, um die nötigen Temperaturen zu erzeugen. Ab 27 °C Vor-

lauftemperatur erhöht die Wärmepumpe die Temperatur. Das Absorberfeld wird von der Be-

ckenheizung getrennt und fungiert als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Durch den gerin-


gen Temperaturhub erreicht die Wärmepumpe eine Arbeitszahl von 8. In den Wintermonaten

übernimmt der Gaskessel die Wärmeversorgung.

Abbildung 75: Kopplung von Solarabsorber und Wärmepumpe für die Wärmeversorgung eines

Schwimmbades

Für die Vorerwärmung der Zuluft wurde auf dem Dach des Bades eine 170 m² große Solar-

Luftkollektor-Anlage installiert. Beide Anlagen zusammen bewirken eine Reduktion des

Energieverbrauchs um 35 %. Hierdurch kann der Ausstoß von jährlich 480 t CO2 vermieden

werden. Die Betriebskosten der Wärmeerzeugung konnten um 35.000 €/a reduziert werden.

Damit amortisiert sich die Anlage voraussichtlich in weniger als 10 Jahren /Büschner 2008;

BWP 2011; Grammer Solar 2009; Dobelmann 2008/.

Tabelle 33: Datenblatt zum Meerwassererlebnisbad Juist

Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 198 kW Art der Wärmequelle Solarwärme Wärmequellentemperatur 4 bis 27 °C Art der Wärmesenke Beheizung von Badewasser Wärmesenkentemperatur 30 °C COP 8,0 Kältemittel R407C Investitionssumme keine Angabe Inbetriebnahme 2007 Amortisationszeit < 10 Jahre interne Verzinsung keine Angabe Kontakt Meerwassererlebnisbad Juist

7.4.5 Bürogebäude A (EHA/Vattenfall Hamburg)

In Verbindung mit der Erweiterung von Serverräumen installierte der Energiedienstleister

Energie-Handels-Gesellschaft mbH & Co. KG (EHA) im Hauptgebäude der Vattenfall Euro-

pe Business Services GmbH in Hamburg eine Wärmepumpenanlage. Das Bürogebäude ver-

fügt mit einer Länge von 153 m, einer Breite von 31 m und einer Höhe von 44 m über eine

Bruttogeschossfläche von ca. 48.600 m² auf 13 Stockwerken. Die Maximalbelegung sind ca.

2.000 Menschen bei 25.700 m² Büronutzfläche. Vor der Installation des Wärmepumpensys-

Wärmepumpe

Solarabsorber

Wärmeversorgung Schwimmbad


tems wurde der komplette Wärme- und Kältebedarf des Gebäudes über ein Fernwärme- bzw.

Fernkältenetz gedeckt. Die Jahresenergieverbräuche des Gebäudes betragen 6.100 MWh

Wärme, 5.700 MWh Kälte und 7.800 MWh Strom. Das recht ausgeglichene Verhältnis von

Wärme- und Kältebedarf und die Tatsache, dass einige Bereiche des Gebäudes auch im Win-

ter gekühlt werden müssen, stellen eine ideale Voraussetzung für die Integration einer Wär-

mepumpenanlage zur gekoppelten Wärme- und Kälteerzeugung dar. Der Kältebedarf beträgt

während der Wintermonate mindestens 306 kW. Durch die neuen Serverräume kommen noch

einmal ca. 190 kW hinzu.

Das im Jahr 2011 in Betrieb genommenen Wärmepumpensystem besteht aus zwei bauglei-

chen Wärmepumpen mit Turboverdichter. Jede der Wärmepumpen hat unter den Ausle-

gungsparametern eine Heizleistung von 313 kW bei einer Kühlleistung von 241 kW. Die

magnetgelagerten Turboverdichter der Wärmepumpen arbeiten ölfrei und mit geringen Rei-

bungsverlusten. Die Leistung kann über einen Frequenzumformer von 50 bis 100 % variiert

werden. Die Wärmepumpen sind parallel verschaltet und speisen sowohl auf der Heiz- als

auch auf der Kühlseite einen je 3.000 l großen Pufferspeicher. Abbildung 76 zeigt die Ver-

schaltung der beiden Wärmepumpen.

Abbildung 76: Einbindung der Wärmepumpen in die Wärme- und Kältebereitstellung bei Vattenfall

Die Wärmepumpenanlage wurde im Rahmen des Forschungsprojekts über einen Zeitraum

von zwei Jahren messtechnisch ausgewertet. Wie Abbildung 77 zeigt, schwankt die monat-

lich erzeugte Wärmemenge zwischen 150 und 270 MWh. Im Juli 2011 fällt die erzeugte

Wärme- und Kältemenge geringer aus. Ursächlich hierfür waren Betriebsstörungen der Wär-

mepumpenanlage, die auf einen defekten Differenzdruckschalter zurückzuführen waren. In

den Wintermonaten sinkt der Kältebedarf des Gebäudes, so dass die Serverräume zum Teil

den einzig verbliebenen Kälteverbraucher darstellen. Daher steigen in diesen Monaten die

Deckungsraten für die Kälteerzeugung, während die Deckungsraten für die Wärmeerzeugung

aufgrund eines höheren Wärmebedarfs sinken. Abbildung 78 verdeutlicht diese Zusammen-

hänge. In den Sommermonaten wird die Kälteerzeugung durch den Wärmebedarf des Gebäu-

des determiniert. Da ein Teil der Wärme auf einem höheren Temperaturniveau für den Be-

trieb der Lüftungsanlage benötigt wird, steigen die Deckungsraten für die Wärmebereitstel-

lung nur vereinzelt über 60 %. Im Mittel des Jahres 2012 betrug die Deckungsrate für die

Wärmeerzeugung 37 %. Für die Kälteerzeugung betrug sie 41 %.

Wärmepumpe

Wärmepumpe

6 °C

10 °C

40 °C

45 °C

Pufferspeicher Heizung 3 m³

Pufferspeicher Kühlung 3 m³

Kältenetz

Heizungsnetz


Abbildung 77: Monatliche Wärme- und Kälteerzeugung durch das installierte Wärmepumpensystem bei

Vattenfall

Abbildung 78: Deckungsraten der Wärmepumpen für den Wärme- und Kältebedarf des Gebäudes bei

Vattenfall

Die Leistungszahlen variieren im Jahresverlauf nur leicht. Anhand von Abbildung 79 ist ein

leichtes Absinken der Leistungszahlen während der Wintermonate festzustellen. Grund hier-

für ist eine leichte Anhebung der Heizungsvorlauftemperatur. Bezogen auf das Jahr 2012

betrug die Jahresarbeitszahl 4,45 für die Wärmeerzeugung und 3,45 für die Kälteerzeugung.

Aufgrund der wärme- und kälteseitigen Integration der Wärmepumpen können die gesamte

erzeugte Wärme und Kälte als Nutzen bilanziert werden. Damit ergibt sich eine integrierte

Jahresarbeitszahl von 7,87 für das Jahr 2012.

56

118 127 137

176 178 188155

206 193

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227 236251

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Deckungsrate Kälte Deckungsrate Wärme

Deckungsrate Kälte (30 Tage Mittelwert) Deckungsrate Wärme (30 Tage Mittelwert)


Abbildung 79: Monatsarbeitszahlen der Wärmepumpen bei Vattenfall

Tabelle 34: Datenblatt zu EHA/Vattenfall

Wärmepumpentyp Elektrische Kompression Heizleistung 626 kW (2 mal 313 kW) Art der Wärmequelle Rechenzentrum Wärmequellentemperatur 6 bis 10 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 40 bis 45 °C JAZ 7,9 (integriert) Kältemittel R134a Investitionssumme 315.000 € Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit 2,2 Jahre interne Verzinsung 45 % Kontakt Ochsner GmbH, IER Universität Stuttgart

7.4.6 Bürogebäude B (EnBW-City Stuttgart)

Im Jahr 2008 entstand im Gewerbegebiet Fasanenhof-Ost in Stuttgart-Möhringen ein neuer

Bürokomplex der Energie Baden-Württemberg AG (EnBW). Das Bürogebäude hat eine Brut-

togeschoßfläche von 114.871 m2, von denen 87.283 m

2 beheizt werden. Es bietet Platz für

2.100 Mitarbeiter. Bei der Planung des Gebäudes wurde auf hohe Energieeffizienzstandards

geachtet, so dass die Vorgaben der damalig gültigen Energieeinsparverordnung (EnEV 2004)

um 21 % unterschritten wurden. Dieses wurde durch hohe Wärmedämmstandards und eine

zentrale Wärme- und Kälteerzeugung mit Einbindung von Erdwärme erreicht.

Herzstück der Heiz- und Kältezentrale sind zwei Wärmepumpen mit einer Heizleistung von

je 730 kW. Die Wärmepumpen sind mit leistungsgeregelten Schraubenverdichtern ausgestat-

tet. Als Kältemittel wird R134a verwendet. Die Wärmepumpenanlage ist an ein Erdsonden-

feld angebunden, das mit 96 Sonden mit je 130 m Tiefe zu den größten Geothermieanlagen in

Deutschland zählt. In den Sommermonaten erfolgt über die Sonden die Rückkühlung des

Gebäudes. Abbildung 80 zeigt die Einbindung der Wärmepupen und des Sondenfelds in die

Wärme- und Kälteerzeugung.

4,4 4,3 4,4 4,4 4,3 4,2 4,1 4,4 4,3 4,4 4,6 4,6 4,7 4,7 4,6 4,6 4,4 4,2 4,3 4,4 4,3 4,5 4,64,2

3,4 3,3 3,4 3,2 3,4 3,2 3,13,4 3,3 3,3

3,6 3,6 3,7 3,6 3,6 3,63,4

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CO

P

COP_Heiz COP_Kühl


Abbildung 80: Integration der Wärmepumpen in die Wärme- und Kälteerzeugung in der EnBW City

Die Wärmepumpen sind parallel verschaltet und auf der Wärmequellenseite über einen Was-

ser/Glykol Kreislauf direkt an das Sondenfeld angebunden. Im Wärmequellenkreis befindet

sich zudem ein Plattenwärmeübertrager, über den die Wärmepumpen Kälte an das Hydrau-

likmodul 1 liefern können. Aus dem Hydraulikmodul werden die verschiedenen Kühlkreise

auf den Temperaturschienen 6/12 °C, 10/16 °C und 16/19 °C versorgt. Auf der Wärmesen-

kenseite sind die Wärmepumpen direkt an das Hydraulikmodul 2 angebunden. Parallel zu den

Wärmepumpen sind vier Kältemaschinen installiert, die keine direkte Anbindung an die Erd-

sonden haben. Zwei der Kälteanlagen versorgen die obere Temperaturebene des Hydraulik-

moduls 2 und geben die erzeugte Wärme wie auch die Wärmepumpen an das Hydraulikmo-

dul 2 ab. Die übrigen beiden Kältemaschinen versorgen die untere Temperaturebene des

Hydraulikmoduls 1 und geben ihre Wärme an Hydraulikmodul 3 ab. Im Hydraulikmodul 3

vereinen sich die Abwärmeströme der Kälteerzeugung, die dann über die Erdsonden oder

über sechs Rückkühlwerke abgegeben werden. Die Deckung der Spitzenlast sowie die Anhe-

bung der Vorlauftemperatur für die 75/52 °C Heizschiene übernehmen zwei Niedertempera-

tur-Gaskessel mit 2.300 und 1.900 kW Heizleistung.

In den Abgasstrom des leistungsstärkeren Kessels ist ein Wärmeübertrager eingebunden der

den Abgasstrom auskühlt und kondensiert. Die rückgewonnene Wärme wird in die unterste

Temperaturebene des Hydraulikmoduls 2 eingespeist.

Wärmepumpen und Erdsonden können in sechs verschiedenen Modi betrieben werden:

1. WP heizen: Die Wärmepumpen nutzen das Sondenfeld als Wärmequelle. Der Plat-

tenwärmeübertrager zum Kühlkreis wird überbrückt.

2. WP Wärmenutzung aus Kühlkreis: Die Wärmepumpen nutzen den Kühlkreis als

Wärmequelle. Das Sondenfeld wird überbrückt.

3. Frei Kühlung über Sonden: Die Wärmepumpen sind abgeschaltet. Die Kühlung er-

folgt über das Sondenfeld. Können die Erdsonden die geforderte Temperatur nicht

mehr liefern, schaltet die Anlage in Betriebsmodus 2.

Wärmepumpe 1

Wärmepumpe 2

Kältemaschine 1

Kältemaschine 2

Kältemaschine 3

Kältemaschine 4

Erdsondenfeld

Rückkühlwerke

Hydraulik-modul 1

Hydraulik-modul 2

Hydraulik-modul 3

GaskesselAnlagen

19 °C

6 °C 35 °C

75 °C

40 °C

45 °C


4. Rückkühlung über Rückkühlwerke: Wird mehr Wärme erzeugt, als vom Gebäude ge-

nutzt werden kann, so kann diese über die Rückkühlwerke abgegeben werden.

5. Rückkühlung über Erdsonden: Alternativ kann die überschüssige Wärme über das

Sondenfeld rückgekühlt werden. Das Sondenfeld wird durch die Wärmeeinleitung

regeneriert.

6. Rückkühlung der Erdsonden: Das Sondenfeld kann über die Rückkühlwerke auch di-

rekt gekühlt werden, um die Jahreswärmebilanz des Sondenfelds auszugleichen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Anlage über einen Zeitraum von zwei Jahren

messtechnisch ausgewertet. Da der Anlagenbetrieb zu Beginn der Messungen durch Stö-

rungsbedingte Abschaltungen geprägt war, wird im Folgenden lediglich der Zeitraum von

KW 33 in 2012 bis KW 32 in 2013 betrachtet. Die Störungen der Wärmepumpenanlage

konnten auf Fehler in der Regelung zurückgeführt werden. Nach deren Behebung traten keine

nennenswerten Störungen des Anlagenbetriebs mehr auf.

Basierend auf den Messdaten wurde eine Wärmebilanz für das Erdsondenfeld erstellt. Die

Bilanz über die genannte Auswertungsperiode ist in Abbildung 81 grafisch dargestellt. Wäh-

rend der Wintermonate entziehen die Wärmepumpen dem Sondenfeld Wärme, um Raum-

wärme zu erzeugen. Übersteigt das Wärmeangebot im System die Wärmenachfrage kommt

es während der Wintermonate zu geringfügigen Wärmeeinleitungen ins Sondenfeld. Wird die

Außentemperatur von 15 °C dauerhaft überschritten (siehe KW 33 bis 37 2012 sowie KW 26

bis 32 2013), übersteigt das Abwärmeaufkommen den Wärmebedarf, weshalb das Sondenfeld

fast ausschließlich zur Rückkühlung genutzt wird. In der Bilanz von KW 33 2012 bis KW 32

2013 werden aus dem Erdreich 1,1 GWh Wärme entzogen und 1,3 GWh Wärme ins Erd-

reich eingeleitet. Damit werden dem Erdreich über den Betrachtungszeitraum von einem Jahr

pro Meter Sondenlänge 86,2 kWh Wärme entzogen und 100,8 kWh Wärme zugeführt. Über

den Jahreszeitraum von Januar bis September kann mit der installierten Anlagenkonfiguration

ein ausgewogenes Verhältnis von Wärmeentzug und Wärmeeinleitung in das Erdreich er-

reicht werden.

Während Abbildung 81 Auskunft über die Nutzung des Erdsondenfelds durch Wärmepumpen

und Kältemaschinen gibt, zeigt Abbildung 82 und Abbildung 83 die Nutzung des Erdsonden-

felds sowie die Nutzwärme- und Nutzkälteerzeugung durch die Wärmepumpen. In den Som-

mermonaten genügt die Kälteversorgung als alleinige Wärmequelle. Während der Über-

gangszeiten und der Heizperiode wird zudem Wärme aus dem Sondenfeld genutzt. Im Jah-

resverlauf von KW 33 2012 bis KW 32 2013 werden 1.765 MWh Nutzkälte erzeugt. Dem

Sondenfeld werden durch die Wärmepumpen im gleichen Zeitraum 749 MWh Wärme entzo-

gen. Auf der Wärmesenkenseite erzeugen die Wärmepumpen 3.084 MWh Nutzwärme. Im

Kühlmodus werden von den Wärmepumpen 580 MWh Wärme an das Sondenfeld abgegeben.


Abbildung 81: Nutzung des Erdsondenfelds in der EnBW City im Jahresverlauf KW 33 2012 bis KW 32

bis 2013

Abbildung 82: Jahresgang der Kälteerzeugung durch die Wärmepumpenanlage in der EnBW City

Abbildung 83: Jahresgang der Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpenanlage in der EnBW City

Auf Basis der vorliegenden Messdaten wurden für die Wärmepumpenanlage die in Abbil-

dung 84 dargestellten Arbeitszahlen mit zeitlicher Auflösung auf Kalenderwochen berechnet.

In der Darstellung wird zwischen der Arbeitszahl Heizen und der Arbeitszahl Kühlen unter-

schieden, die jeweils aus dem Verhältnis der erzeugten Nutzwärme bzw. –kälte und der ein-

gesetzten elektrischen Antriebsenergie gebildet werden. In den Sommermonaten nimmt die

-5

0

5

10

15

20

25

0

20

40

60

80

100

120

33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Au

ße

nte

mp

era

tur

[°C

]

Ene

rgie

[M

Wh

]

Kalenderwoche

Kälteeinleitung Wärmeeinleitung Außentemperatur

Jahr 2013Jahr 2012

0

20

40

60

80

100

33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Wär

me

[M

Wh

]

Kalenderwoche

Kälteeinleitung ins Erdreich Nutzkälte

Jahr 2013Jahr 2012

0

20

40

60

80

100

120

140

33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Wär

me

[M

Wh

]

Kalenderwoche

Wärmeeinleitung ins Erdreich Nutzwärme

Jahr 2013Jahr 2012


Arbeitszahl Heizen sehr geringe Werte an, da ein Großteil der erzeugten Wärme an das Erd-

reich abgegeben wird und somit nicht als Nutzen bilanziert werden kann. Ähnliches gilt für

die Kälte während der Übergangszeiten und der Wintermonate. Hier dient das Erdreich als

Wärmequelle, dessen Abkühlung ebenfalls nicht als Nutzen bilanziert wird. In Summe erge-

ben die beiden Arbeitszahlen die integrierte Arbeitszahl der Wärmepumpenanlage. Im be-

trachteten Jahreszeitraum liegt das Minimum bei 3,5 in KW 34 2012. Das Maximum beträgt

5,9 in KW 25 2013. Der deutliche Anstieg der integrierten Arbeitszahl in den Kalenderwo-

chen 23 bis 25 2013 entsteht durch die konstruktive Überlagerung von Wärme- und Kältebe-

darf. In dieser Zeitperiode werden sowohl die erzeugte Wärme als auch die Kälte in vollem

Umfang genutzt. Die Wärmepumpenanlage erreicht eine integrierte Jahresarbeitszahl von 4,2.

Abbildung 84: Leistungszahl der Wärmepumpenanlage in der EnBW City

Tabelle 35: Datenblatt zur EnBW-City

Wärmepumpentyp Elektrische Kompression Heizleistung 2 mal 730 kW (1.460 kW) Art der Wärmequelle Geothermie, Klimatisierung Wärmequellentemperatur 10 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 50 °C JAZ 4,2 (integriert) Kältemittel R134a Investitionssumme keine Angabe Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit keine Angabe interne Verzinsung keine Angabe Kontakt IER Universität Stuttgart

7.4.7 Bürogebäude und Produktionshalle (ifm ecomatic GmbH)

Die ifm ecomatic Gmbh ist ein eigenständiges Tochterunternehmen der ifm electronic

GmbH. Im Jahr 2003 bezog das Unternehmen ein neues Firmengebäude in Kressbronn, das

Platz für 165 Mitarbeiter bot und Produktentwicklung, Fertigung, Verwaltung für den Ge-

schäftsbereich Network & Control unter einem Dach vereinte. Im Jahr 20012 wurde das Ge-

0

1

2

3

4

5

6

7

33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Arb

eit

szah

l

Kalenderwoche

Arbeitszahl Kühlen Arbeitszahl Heizen

Jahr 2013Jahr 2012


bäude in einjähriger Bauzeit auf eine Gebäudenutzfläche von 10.000 m² erweitert. Damit

bietet es nun Platz für 350 Mitarbeiter. Zudem wurde für die Mitarbeiter ein Betriebsrestau-

rant errichtet /ifm ecomatic 2014/.

Verbunden mit der Gebäudeerweiterung investierte die ifm ecomatic GmbH rund 1 Mio. € in

eine neue Heizungs- und Lüftungsanlage, deren Herzstück eine Wärmepumpe mit 252 kW

Heizleistung bildet /ifm ecomatic 23.10.2014/. Die vorhandene Gaskesselanlage bleibt beste-

hen. Die Anlage ist in Abbildung 85 schematisch dargestellt. Auf der Wärmesenkenseite be-

dient die Wärmepumpe die Niedertemperaturheizschiene bei 40 °C. Als Wärmequelle dienen

Gebäudeklimatisierung und Maschinenkühlung bei einer Temperatur von 10 °C. Als zusätzli-

che Wärmequelle bzw. Wärmesenke wird ein Erdsondenfeld mit 30 Sonden zu je 140 m Tie-

fe genutzt. Die Zuschaltung des Sondenfelds erfolgt über stufenlos geregelte Ventile.

Abbildung 85: Einbindung der Wärmepumpe in die Wärme-/Kälteerzeugung bei ifm ecomatic

Bei der verbauten Wärmepumpe handelt es sich um eine elektrisch betriebene Kompressi-

onswärmepumpe mit halbhermetischem Hubkolbenverdichter. Als Kältemittel wird R290

(Propan) verwendet, was in dieser Leistungsklasse eine Neuerung darstellt. Die Kältemittel-

füllmenge beträgt 28,8 kg. Während der ersten Betriebsmonate kam es zweimal zu mehrwö-

chigen Ausfällen der Wärmepumpenanlage, die durch Schäden an der Verdichtereinheit ver-

ursacht wurden. Ein Fall war auf einen Kurzschluss im Antrieb des Verdichters zurückzufüh-

ren. Im anderen Fall versagte der Verdichter, da bereits nach kurzer Betriebszeit Verschleiß-

schäden auftraten. Die Ursache hierfür war ein falsch gesetzter Sensor, wodurch unvollstän-

dig verdampftes Kältemittel in den Verdichter gelangte. In Verbindung mit dem verwendeten

Öl bildete sich Schaum im Verdichter, wodurch dieser beschädigt wurde. Nach Austausch

des Verdichters und korrekter Positionierung des Sensors läuft die Anlage seit Ende Juni

2013 ohne Probleme. Aufgrund der genannten Ausfallzeiten wurde die Vermessung der An-

lage stark behindert. Somit konnte kein aussagekräftiger Jahresgang erfasst werden.

Der ausgewertete Messzeitraum erstreckt sich vom 15. November 2013 bis zum 12. Dezem-

ber 2013. In Abbildung 86 ist die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme aufgetragen. Das

Diagramm unterscheidet zwischen tatsächlich im Heizungssystem genutzter Wärme und Ab-

wärme, die über das Sondenfeld ins Erdreich abgegeben wird.

Wärmepumpe

30 Erdsonden mit je 140 m Tiefe

9 °C

7 °C

40 °C

42 °C

Kälteschiene Heizungsschiene


Abbildung 86: Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpe bei ifm ecomatic über den Zeitraum eines

Monats

In Abbildung 87 ist die von der Wärmepumpe erzeugte Kälte, ebenfalls untergliedert nach

Nutzkälte und Wärmeentzug aus dem Erdreich, aufgetragen. Der Kühlbedarf für Maschinen-

kühlung und die Klimatisierung der Küche des Betriebsrestaurants besteht fast ganzjährig

und dient der Wärmepumpe als Wärmequelle. So können die von der Wärmepumpe erzeugte

Wärme und Kälte gleichzeitig genutzt werden. Ein Umstand der sich in einer hohen integrier-

ten Leistungszahl wiederspiegelt.

Abbildung 87: Kälteerzeugung durch die Wärmepumpe bei ifm ecomatic über den Zeitraum eines Mo-

nats

In Abbildung 88 sind die Arbeitszahlen der Wärmepumpe auf Tagesbasis angegeben. Da die

erzeugte Wärme über den Verlauf der Messung fast vollständig genutzt werden kann, wird

über den Betrachtungszeitraum eine konstant hohe Heizarbeitszahl von 4,0 erreicht. Da der

Kältebedarf vom 1. bis zum 4. Dezember 2013 aufgrund niedriger Außentemperaturen ein-

brach, werden verstärkt die Erdsonden als Wärmequelle genutzt. Daher kann die in diesem

Zeitraum erzeugte Kälte nur zu geringen Teilen als Nutzen kalkuliert werden. Trotzdem wird

über den gesamten Messzeitraum eine Kühlarbeitszahl von 3,0 erreicht. Damit ergibt sich

eine integrierte Arbeitszahl von 7,0. In der Gesamtbetrachtung der Jahres 2013 beträgt die

integrierte Jahresarbeitszahl 6,2.

020406080

100120140160180200

Fr 1

5.1

1.1

3

Sa 1

6.1

1.1

3

So 1

7.1

1.1

3

Mo

18

.11

.13

Di 1

9.1

1.1

3

Mi 2

0.1

1.1

3

Do

21

.11

.13

Fr 2

2.1

1.1

3

Sa 2

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1.1

3

So 2

4.1

1.1

3

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25

.11

.13

Di 2

6.1

1.1

3

Mi 2

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1.1

3

Do

28

.11

.13

Fr 2

9.1

1.1

3

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0.1

1.1

3

So 0

1.1

2.1

3

Mo

02

.12

.13

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3.1

2.1

3

Mi 0

4.1

2.1

3

Do

05

.12

.13

Fr 0

6.1

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3

Sa 0

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3

So 0

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2.1

3

Mo

09

.12

.13

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0.1

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3

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1.1

2.1

3

Do

12

.12

.13

Leis

tun

g [k

W]

Wärmeabgabe ins Heizsystem Wärmeabgabe in die Sonden

Ausfall der Messung

020406080

100120140160180200

Fr 1

5.1

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3

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25

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28

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3

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3

Mo

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3.1

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6.1

2.1

3

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3

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3

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09

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2.1

3

Do

12

.12

.13

Leis

tun

g [k

W]

Wärmeaufnahme aus der Klimatisierung Wärmeaufnahme aus den Sonden

Ausfall der Messung


Abbildung 88: Tagesarbeitszahlen über den Zeitraum eines Monats

Im Vergleich zu einem getrennten System, bestehend aus einem Gaskessel und einer Kom-

pressionskälteanlage, wird durch die integrierte Wärmepumpenanlage 179,3 t weniger CO2

freigesetzt. Das entspricht einer Einsparung von 41 %. Vergleicht man den Energieverbrauch

des Unternehmens vor und nach der Gebäudeerweiterung, so ist festzustellen, dass der Gas-

verbrauch um 54 % zurückgegangen ist. Trotz des zusätzlichen Strombedarfs für die Wärme-

pumpe ist auch der Stromverbrauch um 18 % zurückgegangen. Grund hierfür sind Investitio-

nen in effizientere Antriebe und Fertigungsanlagen.

Tabelle 36: Datenblatt zur ifm ecomatic GmbH

Wärmepumpentyp Elektrische Kompression Heizleistung 256 kW Art der Wärmequelle Geothermie, Klimatisierung Wärmequellentemperatur 10 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 40 °C JAZ 6,2 (integriert) Kältemittel R290 Investitionssumme 1.000.000 € (gesamte Heizungs- und Kälteanlage) Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit keine Angabe interne Verzinsung keine Angabe Kontakt ifm ecomatic GmbH - Kressbronn

-5-4-3-2-1012345

0123456789

10

Arb

eit

szah

lArbeitszahl Kühlen Arbeitszahl Heizen Außentemperatur

112 Planung von Industriewärmepumpen


Im folgenden Kapitel wird ein Handlungsleitfaden zur Integration einer Wärmepumpe in ei-

nem Industriebetrieb beschrieben. Zudem wird eine Übersicht zu verfügbarer Planungssoft-

ware gegeben, die den Planungsprozess erleichtern kann.

8.1 Kriterien für die Integration einer Wärmepumpe

Die erfolgreiche Integration einer Wärmepumpenanlage in einen Industriebetrieb ist eine

komplexe Aufgabe, die neben Kenntnissen der Wärmepumpentechnik auch Verständnis für

die industriellen Produktionsprozesse erfordert. Zur Reduktion der Komplexität für die In-

tegration einer Wärmepumpe sollte das Vorgehen in die fünf folgenden Schritte gegliedert

werden:

1. Grobanalyse der technischen Rahmenbedingungen

2. Detailanalyse der technischen Rahmenbedingungen

3. Abschätzung der Wirtschaftlichkeit

4. Planung und Installation der Wärmepumpenanlage

5. Überprüfung von Kennwerten

Nach den Schritten eins bis vier ist jeweils die Frage nach der technischen bzw. wirtschaftli-

chen Machbarkeit zu stellen. Fällt die Antwort negativ aus, besteht die Möglichkeit, alterna-

tive Lösungen zu betrachten oder den Planungsvorgang abzubrechen.

8.1.1 Grobanalyse der technischen Rahmenbedingungen

In diesem ersten Schritt werden Rahmendaten zum betrachteten Industriebetrieb erfasst.

Hierzu zählen die folgenden Datenpunkte:

Strom-/Brennstoffverbrauch des Betriebs im vergangenen Jahr

Leistung und Laufzeiten der Wärme- und Kälteerzeuger

Vor- und Rücklauftemperaturen der Wärme- und Kälteerzeuger

Art des Wärmeträgermediums

Räumliche Entfernung von Wärme- und Kälteerzeugern

Mit den erhobenen Daten können Wärmequellen identifiziert werden. Zunächst ist zu prüfen,

ob die Abwärme durch einen anderen Prozess direkt genutzt werden kann. Ist dieses nicht der

Fall, sollte passende Wärmesenken für die Integration einen Wärmepumpe gesucht werden.

Die Bewertung der möglichen Integrationspunkte ist abhängig von der Vorlauftemperatur der

Wärmesenke, der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und der

Gleichzeitigkeit von Wärmenachfrage und Wärmeangebot. Liegen die nötigen Vorlauftempe-

raturen unterhalb von 100 °C, können am Markt verfügbare Anlagen verwendet werden. Für

Vorlauftemperaturen von 100 °C bis 120 °C können Sonderanlagen gebaut werden. Höhere

Temperaturen können derzeit lediglich Brüdenverdichter erreichen.

Planung von Industriewärmepumpen 113

Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke sollte 90 K nicht über-

schreiten, wenn neben der erzeugten Wärme auch die Kälte genutzt werden kann. Wird nur

die Wärme genutzt sollte die Temperaturdifferenz 50 K nicht überschreiten.

Ist die Wärmequelle nicht immer dann verfügbar, wenn in der Wärmesenke Wärme benötigt

wird, kann ein Speicher Zeiträume von bis zu einem Tag überbrücken.

8.1.2 Detailanalyse der technischen Rahmenbedingungen

Wenn im ersten Schritt auf der Versorgungsebene kein Integrationspunkt für eine Wärme-

pumpe gefunden werden konnte oder wenn der Produktionsprozess über eine Vielzahl an

Wärme- und Kälteströmen verfügt, lohnt ein detaillierterer Blick auf die Prozessebene. Dabei

werden die im ersten Schritt genannten Datenpunkte für die Wärme- und Kälteströme im

Betrieb erfasst. Bei einfachen Produktionsprozessen lassen sich passende Wärmequellen und

Wärmesenken verhältnismäßig anhand der im ersten Schritt genannten Richtwerte identifizie-

ren. Bei komplexen Produktionsprozessen mit einer Vielzahl an Wärme- und Kälteströmen

ist die Durchführung einer Pinch-Analyse zu empfehlen. Die Integration der Wärmepumpe

sollte stets über den Pinch erfolgen, um sowohl den Heiz- als auch den Kühlbedarf zu senken.

Sind die Daten nicht bekannt, sollten Messungen angestellt werden, da einfache Abschätzun-

gen basierend auf Erfahrungswerten nicht immer zutreffend sind.

8.1.3 Abschätzung der Wirtschaftlichkeit

Konnte in Schritt eins oder zwei ein Integrationspunkt für eine Wärmepumpe gefunden wer-

den, ist eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchzuführen. Eine Hilfestellung hierfür bietet

die /VDI 2067 2012/. Die Leistungszahl der Wärmepumpe sowie die erzeugte Wärme- und

Kältemenge können aus den in Schritt eins und zwei erfassten Daten berechnet werden. Zur

Durchführung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung müssen zusätzlich die folgenden Daten

erfragt werden:

Strom-/Brennstoffkosten des Betriebs

Kalkulationszins des Betriebs

Die Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer Maßnahme erfolgt in Unternehmen häufig an-

hand der Amortisationszeit. Diese Kennzahl markiert den Zeitpunkt an dem der Kapitalwert

der Investition den Wert null erreicht. Die Gewinne aus der verbleibenden Anlagennutzungs-

dauer werden vernachlässigt. Bei langlebigen Investitionen wie der in eine Wärmepumpe

sollte zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit die interne Verzinsung der Investition verwendet

werden. Ist die interne Verzinsung höher als der Kalkulationszins des Unternehmens, so wird

die Investition wirtschaftlich. Die Amortisationszeit kann zusätzlich zur Abschätzung des

Risikos der Investition verwendet werden.

In Tabelle 37 ist die interne Verzinsung in Abhängigkeit von Amortisationszeit und Anlagen-

nutzungsdauer angegeben. Es wird deutlich, dass auch bei langen Amortisationszeiten von


mehr als drei Jahren attraktive Verzinsungen von mehr als 15 % p.a. erzielt werden können.

Gibt sich der Investor auch mit einer Verzinsung von 10 % p.a. zufrieden, so können bei ei-

ner 20 jährigen Nutzungsdauer sogar Investitionen mit einer Amortisationszeit von 8 Jahren

lohnenswert werden.

Tabelle 37: Die interne Verzinsung als Funktion von Amortisationszeit und Anlagennutzungsdauer

Amortisa-tionszeit [a]

Anlagennutzungsdauer [a]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20

1 62% 84% 93% 97% 98% 99% 100% 100% 100% 100% 100%

2 0% 23% 35% 41% 45% 47% 48% 49% 49% 50% 50%

3

0% 13% 20% 24% 27% 29% 30% 31% 33% 33%

4

0% 8% 13% 16% 19% 20% 21% 24% 25%

5

0% 5% 9% 12% 14% 15% 18% 19%

6

0% 4% 7% 9% 11% 14% 16%

7

0% 3% 5% 7% 11% 13%

8

0% 2% 4% 9% 11%

8.1.4 Planung und Installation der Wärmepumpenanlage

Fällt die Wirtschaftlichkeitsprüfung im Rahmen der Machbarkeitsstudie positiv aus, kann mit

der Planung begonnen werden. Die Auslegung der Wärmepumpenanlage hat eine lange Be-

triebszeit bei gleichbleibender Last zum Ziel. Die Volatilität des Wärme- und Kältebedarfs

kann in der Regel durch Speicher gedämpft werden. Die Auswahl der Wärmepumpe richtet

sich nach der geforderten Wärmesenkentemperatur (𝑇𝑂), der Temperaturspreizung zwischen

Vor- und Rücklauf auf Wärmesenkenseite (Δ𝑇𝑂) sowie nach dem Wärmequellenmedium.

Kompressionswärmepumpen mit Standardkältemitteln:

Standardkältemittel können bis zu einer Wärmesenkentemperatur von 75 °C einge-

setzt werden. Je nach verwendetem Kältemittel eignen sich diese Wärmepumpen für

kleine bis mittlere Δ𝑇𝑂.

Kompressionswärmepumpe mit Hochtemperaturkältemitteln:

Wärmepumpen mit dem Kältemittel Ammoniak erreichen derzeit eine Vorlauftempe-

ratur von bis zu 90 °C. Wärmepumpen mit R245fa erreichen bis zu 120 °C. Diese

Einstoffkältemittel haben im Verflüssiger eine konstante Kondensationstemperatur

und eignen sich daher für Anwendungen mit kleinem Δ𝑇𝑂.

Kompressionswärmepumpen mit dem Kältemittel CO2:

Aufgrund des auftretenden hohen Temperaturgleits bei der Wärmeabgabe eignen sich

Wärmepumpen mit dem Kältemittel CO2 vornehmlich für Aufheizvorgänge, bei de-

nen große Δ𝑇𝑂 bewältigt werden müssen. Die maximale Wärmesenkentemperatur be-

trägt 90 °C. Die Wärmequellentemperatur sollte unterhalb von 35 °C liegen.

Absorptionswärmepumpe:

Absorptionswärmepumpen eignen sich für Anwendungen mit großer Leistung

(> 40 kW). Soll die Absorptionswärmepumpe mit Abwärmeangetrieben werden, muss

eine Wärmequelle mit mindestens 85 °C zur Verfügung stehen. Die erreichbare Vor-

lauftemperatur beträgt maximal 80 °C.


Mechanischer Brüdenverdichter:

Brüdenverdichter können eingesetzt werden, wenn ein gasförmiges Wärmequellen-

medium (zumeist Wasserdampf) vorliegt. Brüdenverdichter erreichen je nach Ver-

dichterbauweise Temperaturhübe von 10 K bis 15 K. Für höhere Temperaturhübe

können mehrere Brüdenverdichter seriell verschaltet werden.

Da die Integration von Wärmepumpen in Wärme- und Kälteerzeugungssysteme oder indust-

rielle Produktionsprozesse eine komplexe Aufgabe darstellt, sollten erfahrene Anlagenplaner

eingebunden werden. Darüber hinaus bieten viele Wärmepumpenhersteller ihre Unterstüt-

zung bei der Anlagenplanung an.

8.1.5 Überprüfung von Kennwerten

Nach Inbetriebnahme der Wärmepumpe sollte eine Kontrolle der Leistungszahl erfolgen.

Zudem sollte die erzeugte Wärme- und Kältemenge mit der Prognose aus der Planung abge-

glichen und gegebenenfalls die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung angepasst werden. Wird die

Wärmepumpe in ein Leitsystem integriert, so kann der ordnungsgemäße Betrieb laufend

überprüft werden.

8.2 Software

Die energetische Analyse eines Industriebetriebs sowie die Planung der Wärmepumpenanla-

ge kann durch den Einsatz von Software unterstützt werden. Es wird zwischen drei Software-

kategorien mit unterschiedlichen Zielgruppen unterschieden:

Energie-Auditierung (Schritt 1 und 2):

Energie-Audit-Software unterstützt die Erfassung und Analyse der Rahmenbedingun-

gen in einem Industriebetrieb. Zur Auffindung von Energieeffizienzpotenzialen wer-

den die Pinch-Methode und die Benchmark-Methode verwendet.

Anlagenauslegung (Schritt 4):

Wärmepumpenhersteller bieten vielfach eine einfache Auslegungssoftware an, mit der

die richtige Wärmepumpe für den jeweiligen Einsatzzweck gefunden werden kann.

Simulation und Optimierung (Schritt 4):

Bei größeren Anlagen kann zur Auslegung der Anlage eine Simulations- oder Opti-

mierungsrechnung durchgeführt werden. Dieses Vorgehen ermöglicht die optimale

Abstimmung von Wärmepumpen, Wärmeübertrager und Speichergrößen, setzt aber

eine gute Datenbasis zum Wärme- und Kälteverbrauch voraus.

8.2.1 PinCH

PinCH wurde von der Hochschule Luzern mit Unterstützung des Schweizer Bundesamtes für

Energie (BFE) sowie der Energieagentur der Wirtschaft (EnAW) entwickelt. Die Software

unterstützt Energieberater und Anlagenplaner bei der Durchführung einer Pinch-Analyse zur


Optimierung thermischer Energieflüsse in einem Unternehmen. Die Erfassung der Eingangs-

daten liegt außerhalb des Funktionsumfangs. Die Auswahl der relevanten Datenpunkte sowie

die Erfassung der benötigten Daten obliegt dem Anwender. Erfahrungen in der Durchführung

der Pinch-Analyse werden daher vorausgesetzt.

Mit den gesammelten Daten können in der Software Prozesse definiert werden, denen Wär-

me- bzw. Kälteströme zugeordnet werden können. Zusätzlich können die Betriebsstunden der

einzelnen Prozesse angegeben werden.

Basierend auf diesen Daten führt die Software eine Pinch-Analyse durch und bereitet die Er-

gebnisse in Form von Composite Curve (CC), Grand Composite Curve (GCC), Balanced

Composite Curve (BCC) und Balanced Grand Composite Curve (GBCC) auf. Zusätzlich be-

steht die Möglichkeit die GCCs zweier Prozesse in der Split Grand Composite Curve mitei-

nander zu vergleichen. Dem erfahrenen Anwender bieten die Diagramme eine gute Grundla-

ge zur Auswahl von geeigneten Maßnahmen zur Reduktion des thermischen Energiebedarfs.

Durch eine übersichtliche grafische Aufbereitung der Daten unterstützt PinCH den Anwender

bei der Erstellung eines Wärmeübertragernetzwerks. Auch die Einbindung von Wärmepum-

pen ist möglich. Der Entwurf des Wärmeübertragernetzwerks geschieht durch einfache

Drag&Drop Operationen. Die Einbindung einer Wärmepumpe unterstützt PinCH mit einer

Eingabemaske für die technischen Daten. Eine Datenbank zu aktuellen Wärmepumpenmodel-

len ist nicht vorhanden. Der Anwender muss demzufolge über gute Kenntnisse der Wärme-

pumpentechnologie verfügen. Eine Optimierung der Wärmepumpenanlage wird durch die

Software nicht angeboten. Da die Composite Curves allerdings nach jeder Eingabenänderung

neu gerendert werden, kann eine manuelle Optimierung vorgenommen werden. Das Interface

der Software wird in Abbildung 89 gezeigt.

Abbildung 89: PinCH Benutzeroberfläche /PinCH 2012/

Die PinCH-Software beschränkt sich gänzlich auf die Durchführung der Pinch-Analyse und

die Integration der Wärme- und Kälteströme. Sie kann für die Analyse komplexer Produkti-


onsprozesse in Schritt 2 der Vorgehensweise aus Kapitel 8.1 eingesetzt werden. Die Kosten

für eine Einzelplatzlizenz betragen 4.200 CHF (ca. 4.450 €), ab zwei Lizenzen wird ein Ra-

batt von 10 % eingeräumt, der für jede weitere Lizenz um 5 % bis auf maximal 25 % steigt.

8.2.2 EINSTEIN

EINSTEIN ist ein softwaregestütztes Tool-Kit zur Unterstützung einer standardisierten und

umfassenden Energieeffizienzanalyse in industriellen Betrieben. Das Akronym EINSTEIN

steht für “Expert-system for an Intelligent Supply of Thermal Energy in INdustry and other

large scale applications”. Hervorgegangen ist dieses Tool-Kit aus einem gleichnamigen EU-

Projekt, welches in Kooperation von wissenschaftlichen Institutionen aus Österreich, Luxem-

burg, Irland, Deutschland, Italien, Frankreich, Belgien, Bulgarien, Spanien und der Slowakei

durchgeführt wurde. Das Tool-Kit setzt sich zusammen aus einem standardisierten Fragebo-

gen zur Datenerfassung und einem Software-Tool zur Analyse der erhobenen Daten sowie

einem Guide mit Informationen zur Vorbereitung und Durchführung der Datenerfassung.

Darüber hinaus beinhaltet der Guide Informationen über die Interpretation der Ergebnisse.

Die Software erfasst Daten zum Energieverbrauch des Unternehmens, zur Wärme- und Käl-

teerzeugung sowie zu deren Vernetzung und zur Wärme- und Kälteverteilung. Zudem können

Parameter für die Wirtschaftlichkeitsrechnung definiert werden. Die Datenerfassung wird

durch eine Konsistenzprüfung abgeschlossen. Sind nicht alle Daten zum Energieverbrauch

verfügbar, können diese mit Hilfe der Software abgeschätzt werden. Die Software bereitet die

erfassten Daten in Form von Diagrammen auf. Zudem führt das Programm eine Pinch-

Analyse durch und visualisiert die Ergebnisse in einer Grand Composite Curve (GCC) (siehe

Abbildung 90).

Ein weiterer Teil des Programms ermöglicht die Bewertung des Energieverbrauchs des Un-

ternehmens anhand von Benchmark-Daten. Über die Datenauswertung hinaus kann die Soft-

ware auch für die Ausarbeitung von Alternativvorschlägen für eine Umgestaltung der betrieb-

lichen Energieversorgung verwendet werden. Auf Basis einer Datenbank von energieintensi-

ven industriellen Prozessen unterbreitet die Software Vorschläge zur Verbesserung des Pro-

duktionsprozesses.

Darüber hinaus unterstützt sie den Anwender bei der Auslegung von Wärmeübertragernetz-

werken und bei der Dimensionierung alternativer Wärme- und Kälteerzeuger. Konkret um-

fasst die Dimensionierungshilfe KWK-Anlagen, Solarthermie, Wärmepumpen, Kältemaschi-

nen und Heizkessel. Die Dimensionierung erfolgt entweder manuell oder mit Hilfe eines

Entwurfsassistenten. Der Entwurfsassistent schlägt passende Wärme- oder Kälteerzeuger aus

einer Datenbank heraus vor. Im Falle der Wärmepumpe beschränkt sich die Datenbank auf

elektrische Kompressionswärmepumpen unterschiedlicher Größen. Negativ fällt auf, dass die

in der Datenbank geführten Wärmepumpen eine maximale Vorlauftemperatur von 52 °C lie-

fern können. Damit liegen sie weit unterhalb dessen, was heutige Industriewärmepumpen zu

leisten im Stande sind. Sorptionswärmepumpen und Brüdenverdichter sind in der Datenbank

nicht enthalten. Diese Wärmepumpentypen können nur in der manuellen Dimensionierung


ausgewählt werden. Für den neuen Anlagenentwurf kann in der EINSTEIN-Software eine

Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt werden. Die Ergebnisse dieser energetischen

Betriebsanalyse werden von der Software automatisiert in einem Bericht zusammengefasst.

Abbildung 90: EINSTEIN Software-Tool

Das EINSTEIN Software-Tool hat einen großen Funktionsumfang und versucht alle Aspekte

der energetischen Analyse von Industriebetrieben bis hin zur Entwicklung von Verbesse-

rungsmaßnahmen abzudecken. Die Software versucht den Anwender mit Informationen zu

Benchmarks oder zur Auslegung von alternativen Energieversorgungslösungen zu unterstüt-

zen. Die hierfür notwendigen Datenbanken sind jedoch nur mit großem Aufwand zu füllen

bzw. aktuell zu halten. In der aktuellen Version 2.2 bringen sie nur einen kleinen Mehrwert.

Zudem leidet die Bedienerfreundlichkeit des Programms an der komplexen Benutzeroberflä-

che. Der größte Vorteil des Software-Tools liegt im konsistenten Vorgehen von der Datener-

fassung bis zur Ausarbeitung von Alternativvorschlägen. Zudem erstellt sie automatisiert

einen Bericht über die Ergebnisse der Energieberatung.

Das EINSTEIN Software-Tool ist kostenlos unter der GNU General Public License (GNU

GPL) von der Projektwebsite beziehbar. Die Software ist in 11 Sprachen, darunter auch

Deutsch, verfügbar.


8.2.3 TRNSYS

Das Akronym TRNSYS steht für TRaNsient SYstems Simulation, was auf Deutsch „instatio-

näre Systemsimulation“ bedeutet. Die Software wurde 1975 an der Universität von Wis-

consin ursprünglich zur Simulation von solarthermischen Anlagen entwickelt. Aufgrund des

modularen Aufbaus der Simulationsumgebung können neue Anlagentypen mit geringem

Programmieraufwand hinzugefügt werden. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung der

Simulationsumgebung existieren heute wissenschaftlich validierte Module für die Simulation

von einer Vielzahl an Anlagen und Anlagenkomponenten, wie Öl- oder Gasbrenner, Block-

heizkraftwerke, verschiedene Wärmeübertrager, Brennstoffzellen, Kältemaschinen oder

Wärmepumpen. Diese Module lassen sich im Modellgenerator durch Drag&Drop Operatio-

nen schnell zu Anlagenmodellen zusammenfügen. Ein Screenshot des Modellgenerators ist in

Abbildung 91 abgebildet. Neben den einzelnen Anlagenkomponenten kann auch die Rege-

lung der Anlage nachgebildet werden. Die Lastprofile von Wärmequelle und Wärmesenke

können während der Simulation aus einer *.csv Datei eingelesen werden.

Abbildung 91: TRNSYS Modellgenerator /TESS 2010/

Die Modellierung einer Wärmepumpenanlage in TRNSYS ermöglicht die Optimierung der

Auslegung einzelner Komponenten. Zudem können Interaktionen zwischen verschiedenen

Wärmeerzeugern abgebildet werden. Die Optimierung kann manuell durch wiederholte Si-

mulationen erfolgen. Alternativ kann TRNSYS mit einem Optimierer gekoppelt werden, der

diesen Prozess automatisiert.

TRNSYS eignet sich zur Auslegung von Wärmepumpenanlagen und kann Schritt 4 der Vor-

gehensweise aus Kapitel 8.1 unterstützen. Der Aufwand für die Modellerstellung und die


Auswertung der Simulationsergebnisse rechtfertig eine Anwendung bei großen und komple-

xen Anlagen. Die Anlagensimulation ist insbesondere dann sinnvoll, wenn mehrere Wärme-

und Kälteerzeuger miteinander vernetzt werden sollen. Die Software setzt Fachwissen über

die Integration von Wärmepumpen in industrielle Prozesse voraus. Zudem ist die Simulation

nur sinnvoll, wenn hochaufgelöste Eingangsdaten (Lastprofile, Temperaturprofile, etc.) vor-

liegen, bzw. aus Messungen beschafft werden können.

In Deutschland wird TRNSYS von der Firma TRANSSOLAR Energietechnik GmbH vertrie-

ben. Eine Einzellizenz kostet 5.300 €. Ein Paket von 10 Lizenzen kostet 9.450 €. Hochschu-

len und andere Forschungseinrichtungen können das Paket vergünstigt für 4.550 € beziehen.

Die Basisversion beinhaltet jedoch noch kein Wärmepumpenmodul. Module für elektrische

und gasmotorische Kompressionswärmepumpen können zusätzlich für je 110 € erworben

werden. Module für Sorptionswärmepumpen oder Brüdenverdichter sind nicht verfügbar.

8.2.4 TOP-Energy

Die Software TOP-Energy wurde in Kooperation von drei Forschungsinstitutionen (Lehrstuhl

für technische Thermodynamik der RWTH Aachen, Gesellschaft zur Förderung angewandter

Informatik e.V. in Berlin, Institut für Energie- und Umwelttechnik in Duisburg) und zwei

Ingenieurbüros (EUtech GmbH, BFT GmbH) entwickelt. Begonnen hat die Arbeit an der

Software mit einem Forschungsprojekt im Jahr 2003. Die Kommerzialisierung der Software

erfolgte im Jahr 2013.

TOP-Energy ist ein modular aufgebautes Softwarepaket, das alle Schritte einer Energiebera-

tung unterstützt. Die Software gliedert sich in die Module eNtry (Erstanalyse), eSim (Model-

laufbau, Systemsimulation), eta (Zeitreiheneditor), eVariant (Bewertung von Varianten),

eValuate (Wirtschaftlichkeitsbetrachtung) und eSynthesis (Kostenoptimierung). Die Module

folgen einem gemeinsamen Framework in dem die Basisfunktionen wie das Öffnen, Schlie-

ßen und Exportieren von Projekten implementiert sind.

Das Modul eNtry erfasst Basisdaten wie Energiebezugsmengen und -kosten oder Art und

Leistungsdaten der eingesetzten Energiewandler. Nach der Dateneingabe führt die Software

eine Plausibilitätsprüfung durch und berechnet aus den erfassten Daten Kennzahlen, die im

Benchmark mit vergleichbaren Versorgungsfällen verglichen werden können.

Das Modul eSim ist der Modellgenerator der Software. Der Anwender erstellt, ähnlich wie

bei der Modellierung in TRNSYS, ein Modell aus vorgefertigten Komponenten, die in Form

eines Flussdiagramms miteinander verschaltet werden. Die Parameter der einzelnen Kompo-

nenten sind bereits vordefiniert, können aber vom Anwender neu gesetzt werden. Hierdurch

kann das Wärmepumpenmodell vom Anwender der Software so parametrisiert werden, dass

es die betrachtete Wärmepumpe abbilden kann. Zudem setzt der Anwender die Randbedin-

gungen der Simulation.

Zeitlich nicht konstante Rahmenbedingungen können mit dem Zeitreiheneditor eta bearbeitet

werden. Zur Durchführung der Simulationsrechnung wird das Modell in C++ Code überführt,


kompiliert und ausgeführt. Die Ergebnisse der Simulation wie beispielsweise Betriebsstun-

den, Vollaststundenzahl oder Nutzungsgrade werden im Modul eVariant grafisch aufbereitet.

Zudem werden in dem Modul die Simulationsergebnisse verschiedener Varianten dargestellt

und können miteinander verglichen werden. Im Modul eValuate können die Varianten hin-

sichtlich ökonomischer und ökologischer Kennzahlen miteinander Verglichen werden. Das

Modul stellt unter anderem Kennwerte wie die Kapitalwertentwicklung, die Amortisations-

zeit, Energiebezugs- und Wartungskosten oder Primärenergiebedarf oder CO2-Emissionen

grafisch dar. Über das Modul ePinch kann eine statische Pinch-Analyse durchgeführt werden.

Die Zeitkomponente der Energieströme wird in der vorliegenden Version der Software nicht

betrachtet. Das Modul eProperty enthält eine Datenbank zu Stoffeigenschaften.

TOP Energy wird von der Gesellschaft für angewandte Informatik vertrieben. Die Kosten für

das Basispaket betragen ca. 10.000 € pro Lizenz. Für Hochschulen besteht die Möglichkeit zu

diesem Preis zehn Lizenzen zu erhalten. Aufgrund des modularen Aufbaus der Software kön-

nen einzelne Module auch separat erworben werden. Die klar gestaltete Benutzeroberfläche

und der modular erweiterbare Funktionsumfang der Software machen Top Energy zu einem

interessanten Werkzeug für die Planung komplexer Energieversorgungsanlagen.

Abbildung 92: eSim Modul in TOP Energy

8.2.5 KOARiiS

Das am Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung der Universität

Stuttgart entwickelte KOARiiS-Verfahren (Kostenoptimale Abwärmerückgewinnung durch

integriert-iteratives Systemdesign) dient der technisch-ökonomischen Bewertung von Kopp-

lungen industrieller Abwärmequellen und -senken. Hierbei werden alle für eine Aus- und

Wiedereinkopplung der Abwärme erforderlichen Systemkomponenten fallspezifisch dimen-

sioniert und mit Kosten bewertet. Nach der Anwendung des Verfahrens auf eine Prozessland-


schaft liegt dessen zielgrößenoptimale Gesamtkonfiguration mit den für eine vollständige

Bedarfsdeckung aller Prozesse fallspezifisch dimensionierten Komponenten als Ergebnis vor.

Das KOARiiS-Verfahren basiert auf der Kopplung von Matrix-Struktur und rekursiver For-

mulierung der Ungarischen Methode des Mitte der 90er Jahre entwickelten

OMNIUM-Verfahrens. Dessen thermodynamische Vorgehensweise wurde zum einen metho-

disch um die Erzeugung verschiedener Lösungsmengen mittels iterativer Variation thermo-

dynamischer Systemparameter, einer Integrationsmöglichkeit von Wärmepumpen, Speichern,

Mehrfachkopplungen und optimal platzierter Zusatzenergie sowie einer Nutzung der bei de-

ren Bereitstellung anfallenden Abwärme erweitert. Zum anderen wurde es mit technischen

Restriktionen, Investitions- und Betriebskosten aller Komponenten verknüpft. Dies sind

Wärmeübertrager, Speicher, Pumpe/Ventilator, Leitungen, Gasbrenner, Wärmepumpe sowie

eine hydraulische Entkopplung. Neben Wärme- ist auch eine Bedarfsdeckung von Kältean-

wendungen mittels Absorptionskältemaschinen möglich.

Die Integration einer Wärmepumpe in eine Kopplung erfolgt, falls die Einhaltung der Ein-

satzbedingungen dieser Technologie und ein COP größer drei gewährleistet ist. Die maximale

Anhebung der Temperatur durch eine Wärmepumpe beträgt aktuell 70 K.

Nach der Eingabe der in Abbildung 93 dargestellten Prozessparameter sowie zeitlicher und

räumlicher Kopplungsparameter erfolgt die Anwendung des Verfahrens durch die software-

technische Umsetzung vollständig automatisiert.

Abbildung 93: Benutzeroberfläche der Prozessparametereingabe der KOARiiS-Software

Neben einer Kosten- und einer Stoffdatenbank existiert mit der Möglichkeit einer Speiche-

rung von Prozesslandschaften eine dritte mit dem Programm gekoppelte Datenbank, was eine

Durchführung von Sensitivitätsanalysen ermöglicht.


Die Ergebnisdarstellung erfolgt entsprechend des methodischen Verfahrensansatzes in Form

von mit Zielwerten besetzten Matrizen. Über diese Einzelwerte hinausgehende Informationen

zur Höhe von beispielsweise Leistungen diverser Komponenten liefert ein bei einer Bewe-

gung des Mauszeigers auf den jeweiligen Zielwert erscheinendes Fenster.

Über die Systembewertung auf Basis einer Zielgröße hinaus erfolgt eine zusätzliche Bereit-

stellung von Informationen zur Wirtschaftlichkeit aller Kopplungen in Form der jeweiligen

Annuität und der statischen Amortisationszeit.

Die KOARiiS-Software befindet sich seit Anfang 2014 in der Beta-Phase. Gegenwärtig er-

folgen erste praktische Anwendungen in Unternehmen unterschiedlicher Branchen. Die

Software ist somit nur indirekt über das IER als Dienstleister verfügbar.

8.2.6 Einordnung und Bewertung

Die vorgestellten Software-Tools haben individuelle Stärken und Schwächen. In Abbildung

94 sind die betrachteten Programme nach Zielgruppen auf der Abszisse und Funktionsum-

fang auf der Ordinate charakterisiert.

Abbildung 94: Software-Bewertungsmatrix

PinCH fokussiert sich stark auf die Unterstützung bei der Durchführung einer Pinch-Analyse.

In diesem Bereich hat die Software einen großen Funktionsumfang. Auch komplexe Indust-

rieanlagen mit einer Vielzahl von Wärme- und Kälteströmen können mit PinCH bearbeitet

werden. Die Software bietet zudem die einfache Möglichkeit nach dem Drag&Drop-Prinzip

Wärmeübertragernetzwerke zu erstellen. Auch Wärmepumpen können eingebunden werden.

Zudem überzeugt PinCH durch eine klare Struktur der Benutzeroberfläche.

EINSTEIN verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz zur Energieberatung in kleinen und mittel-

ständischen Unternehmen. Die Software bietet umfangreiche Unterstützung bei der Datener-

fassung und bietet zudem die Möglichkeit, die generierten Kennzahlen einem Benchmark zu

unterziehen. Zudem führt sie eine Pinch-Analyse durch, die im Vergleich zu PinCH aller-

dings einen geringeren Funktionsumfang bietet. Zudem können in EINSTEIN Alternativlö-


sungen für die Wärmeversorgung erstellt und Simuliert werden. Unter dem großen Funktion-

sumfang leidet allerdings die Übersichtlichkeit der Software.

TRNSYS ermöglicht detailreiche Simulationen. Zudem bietet die Software Schnittstellen

über die die Simulation an eine Optimierungssoftware gekoppelt werden kann. Die Pro-

grammbibliothek ist umfangreich mit wissenschaftlich validierten Komponenten bestückt. Es

existiert allerdings nur eine Komponente für Kompressionswärmepumpen, die zudem zusätz-

lich erworben werden muss. Bei korrekter Parametrisierung führen die Simulationen zu sehr

realitätsnahen Ergebnissen, was allerdings durch einen großen Zeitaufwand für die Modeller-

stellung erkauft wird. Daher findet TRNSYS vor allem im wissenschaftlichen Bereich An-

wendung.

TOP Energy wendet sich vor allem an Energieberater. Die Software vereint die strukturierte

Datenerfassung, wie sie EINSTEIN bietet, mit der Möglichkeit komplexe Systeme zu model-

lieren, zu simulieren und zu optimieren. Letzteres macht TOP Energy auch für akademische

Anwendungen interessant. TRNSYS bietet zwar den Vorteil einer großen Detailtiefe bei Si-

mulationen, TOP Energy schafft es aber mit etwas reduziertem Detailgrad die Simulation in

den Workflow des Beratungsprozesses zu integrieren.

KOARiiS unterstützt die Kopplung von Wärmequellen und Wärmesenken und ist dabei auf

Retrofit Anwendungen fokussiert, bei denen eine ganzheitliche Umstrukturierung der Wär-

meversorgung nicht möglich ist. Die Software befindet sich noch in der Betaphase wird der-

zeit nur im Rahmen von Energieberatungen durch das IER angeboten.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass vielfältige Softwarelösungen zur Energiebe-

ratung von Industriebetrieben verfügbar ist. Allerdings ist die Planung von integrierten Wär-

mepumpenanlagen zum Teil nur schwer möglich. Alle vorgestellten Programme setzen beim

Anwender umfassendes Fachwissen zur Integration vorn Wärmepumpen in Energieversor-

gungssysteme und Kenntnisse der verfügbaren Wärmepumpentechnik voraus. Es besteht wei-

terhin Bedarf an einer guten Informationsplattform zu Industriewärmepumpen, die dieses

Fachwissen vermitteln kann.

Fazit und Ausblick 125

9 Fazit und Ausblick

Die vorliegende Studie zeigt die Einsatzmöglichkeiten von Industriewärmepumpen in

Deutschland auf. Die Grundlage zum Verständnis der Arbeit wird in Kapitel 2 mit der Be-

schreibung der bedeutendsten Wärmepumpenkreisprozesse und der Definition von Fachbe-

griffen gelegt. Zudem wird ein Vergleich der Treibhausgasemissionen von Wärmepumpen

mit brennstoffbasierten Wärmeerzeugungssystemen vorgenommen. Wärmepumpen, die

elektrisch oder durch Abwärme angetrieben werden, verursachen keine lokalen Emissionen.

Damit kann auch eine Abgasführung verzichtet werden. Für die Bilanzierung der Treibhaus-

gasemissionen müssen bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen die Emissionen der

Stromerzeugung berücksichtigt werden. Bei Ansatz des deutschen Strom-Mix

(598 g CO2-Äq/kWh in 2012) muss die Wärmepumpen mindestens eine Leistungszahl von

2,6 erreichen, damit sich gegenüber der Verbrennung von Erdgas eine positive Treibhausgas-

bilanz einstellt. Setzt man Heizöl als Referenz an, so genügt eine Leistungszahl von 1,9.

Aufbauend auf der Analyse des Wärme- und Kältebedarfs wurde in Kapitel 3 das technische

Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie in Deutschland abgeschätzt.

Aktuelle Industriewärmepumpen mit einer Vorlauftemperatur von 100 °C können bis zu

23 % des industriellen Wärmebedarfs abdecken. Insbesondere in den Branchen Nahrungsmit-

tel, Papier und Chemie bestehen große Potenziale für Hochtemperaturanwendungen jenseits

von 80 °C. Im Maschinenbau und der Automobilindustrie existiert ein großer Bedarf an

Raumwärme, der von Wärmepumpen gedeckt werden kann. Zudem sind in vielen Betrieben

Abwärmeströme aus Kälteanlagen, Prozesskühlung, feuchtebeladenen Abluftströmen oder

Druckluftanlagen verfügbar, die von Wärmepumpen genutzt werden können.

Die Wärmepumpe hat sich in der Beheizung von Wohngebäuden bereits als Standardlösung

etabliert. Kapitel 4 gibt einen umfassenden Überblick über den Stand der Wärmepumpen-

technik. Die vorgestellte Marktanalyse zeigt, dass die Hersteller in den vergangen Jahren ihre

Produktpalette erweitert und Wärmepumpen auf den Markt gebracht haben, die zum einen

über große Heizleistungen verfügen und zum anderen hohe Temperaturen erreichen können.

Drei Hersteller können bereits Vorlauftemperaturen von 100 °C und mehr realisieren. Die

Heizleistung der angebotenen Wärmepumpen reicht von 15 kW bis zu 20 MW. Durch Paral-

lelschaltung mehrerer Wärmepumpen lassen sich noch deutlich leistungsstärkere Anlagen

realisieren. Im Rahmen der Markanalyse wurden darüber hinaus die Preislisten verschiedener

Hersteller ausgewertet. Dabei wurden Kosten- und Leistungsdaten von 254 Wärmepumpen

erfasst. Auf Basis dieser Daten wurden auf die Heizleistung bezogene Kostenkurven für

Wasser/Wasser, Sole/Wasser und Luft/Wasser Wärmepumpen erstellt. Im Vergleich zu Gas-

und Ölbrennern fallen für Wärmepumpen hohe Investitionskosten von ca. 200 €/kWth an.

Zudem müssen für Planung und Integration der Wärmepumpe noch einmal 60 bis 100 % des

Wärmepumpenpreises angesetzt werden. Daraus resultieren hohe Anschaffungskosten, denen

allerdings vergleichsweise geringe Wärmegestehungskosten gegenüberstehen. Da Wärme-

pumpen mit Nutzungsdauern zwischen 10 und 20 Jahren eine langlebige Technologie sind,

sollte die Bewertung der Wirtschaftlichkeit nach der internen Zinsfußmethode erfolgen. Bei

Verwendung der Amortisationszeitmethode wird die Generierung des positiven Kapitalwerts

126 Fazit und Ausblick

nach erfolgter Amortisation nicht berücksichtigt. Wärmepumpen erweisen sich insbesondere

dann als wirtschaftliche Option, wenn in der Referenzanlage die Wärme durch hochpreisige

Energieträger wie Heizöl oder die direkte Nutzung von Strom generiert wird. Für eine wirt-

schaftliche Substitution vergleichsweise günstiger Energieträger wie Erdgas muss die Wär-

mepumpe eine hohe Arbeitszahl erreichen. Dieses ist insbesondere dann möglich, wenn die

erzeugte Wärme und Kälte gleichzeitig genutzt werden können.

In Kapitel 5 wird der technische Fortschritt von Industrie- und Großwärmepumpen darge-

stellt. Neben der Auswertung der historischen Entwicklung der Forschung an Wärmepumpen

in Deutschland werden 11 besonders innovative Entwicklungsprojekte zur Entwicklung neuer

Kältemittel, Verdichter und Wärmepumpenanlagen im Detail diskutiert. Die beschriebenen

Anlagen sind auf die Anwendung in der Industrie zugeschnitten. Sie erreichen große Heiz-

leistungen und hohe Temperaturen. Mit der Weiterentwicklung von Verdichtern und Kälte-

mitteln können in Zukunft sogar Temperaturen jenseits der 120 °C erreicht werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens war das IER an der Entwicklung einer Hochtempera-

turwärmepumpe mit dem Kältemittel R245fa (Kapitel 6) beteiligt. Die Wärmepumpe wurde

in eine industrielle Teilereinigungsanlage integriert und inzwischen erfolgreich im Feld getes-

tet. Bei der Hochtemperaturwärmepumpe handelt es sich um eine der ersten in Deutschland

produzierten Anlagen, die Temperaturen über 100 °C erzeugen können. In zwei weiteren

Fallstudien wurde versucht, die Hochtemperaturwärmepumpe bei einem Hersteller von Fer-

tighäusern und in einem Galvanikbetrieb einzusetzen. Trotz der nachgewiesenen Umsetzbar-

keit konnten beide Projekte aus betriebsbedingten Gründen nicht realisiert werden.

Über die Fallstudien hinaus wird in Kapitel 7 einen Überblick über 25 umgesetzte Wärme-

pumpenanlagen in Industrie und Gewerbe gegeben. 18 der Anlagen befinden sich in Indust-

riebetrieben aus 11 verschiedenen Industriezweigen. Weitere 7 Anlagen sind in die Energie-

versorgungssysteme von Bürogebäuden, einer Großküche, einem Möbelhaus, einem

Schwimmbad sowie in ein Nahwärmenetz integriert. Drei dieser Anlagen wurden durch das

IER im Rahmen dieses Forschungsprojekts umfassend messtechnisch ausgewertet. Die do-

kumentierten Wärmepumpenprojekte geben einen konkreten Eindruck dessen, welchen Bei-

trag Industrie- und Großwärmepumpen zu einer rationellen Energienutzung leisten können.

Die Integration einer Wärmepumpe in die Wärme- und Kälteerzeugung ist vor allem in der

Industrie eine komplexe Aufgabe. Für die richtige Dimensionierung der Anlage sind genaue

Kenntnisse der Lastprofile von Wärmequelle und Wärmesenke nötig. Da der Planungspro-

zess wenig standardisiert ist und gute Kenntnisse von Heizungs-, Kälte- und industrieller

Prozesstechnik voraussetzt, bieten viele Wärmepumpenhersteller Unterstützung bei der Pla-

nung von Industriewärmepumpenanlagen an. Ausgehend von den Erfahrungen, die im Ver-

lauf des Projekts gesammelt wurden, wurde ein Leitfaden für die Integration von Wärme-

pumpen in Wärme- und Kälteerzeugungssysteme erstellt. In diesem Rahmen wird auch ein

Überblick über Software gegeben, die zur Unterstützung des Planungsprozesses eingesetzt

werden kann. Fünf Programme zur Durchführung von Energieberatungen wurden im Rahmen

des Forschungsvorhabens getestet und bewertet. Die betrachteten Programme sind zwar

durchweg für die Integration von Wärmepumpen geeignet, allerdings setzen sie zum Teil

Fazit und Ausblick 127

großes Fachwissen auf Seite des Anwenders voraus. Zudem ist insbesondere bei EINSTEIN

das Wärmepumpenmodell sehr einfach gestaltet. Für TRNSYS sind zwar Wärmepumpenmo-

dule vorhanden, diese müssen aber zusätzlich zur Software erworben werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Wärmepumpe bereit ist für den Einsatz in der

Industrie. Es bestehen große Potenziale und in den letzten Jahren wurden Wärmepumpen auf

den Markt gebracht, mit denen diese Potenziale erschlossen werden können. Das größte

Hemmnis für die Integration von Wärmepumpen in die Wärme- und Kälteerzeugung von

Industrieunternehmen stellen die im Vergleich zu brennstoffbasierten Wärmeerzeugern hohen

Investitionskosten dar. Im europäischen Vergleich besteht in der Industrie in Deutschland

zudem ein ungünstiges Verhältnis von relativ hohen Strompreisen zu relativ geringen Gas-

preisen. Dennoch zeigen die dokumentierten Anlagen, dass auch in Deutschland bei passen-

den Randbedingungen Wärmepumpenanlagen in der Industrie erfolgreich umgesetzt werden

können.

Um die komplexe Integration von Wärmepumpen in bestehende Anlagen zu vereinfachen, ist

die Entwicklung einer Informationsplattform zur Integration von Industrie- und Großwärme-

pumpen notwendig. Diese Plattform sollte neben einer Übersicht zur verfügbaren Wärme-

pumpentechnik auch Informationen zur Integration von Wärmepumpen in industrielle Pro-

zesse enthalten. Hierzu ist die Entwicklung von Branchenleitfäden notwendig.

Derzeit verfügbare Softwarelösungen können nur zum Teil die Planung von industriellen

Wärmepumpenanlagen unterstützen. Insbesondere Verknüpfungen von Wärmequellen und

Wärmesenken mit volatilen Lastprofilen lassen sich mit den in dieser Studie vorgestellten

Programmen, soweit überhaupt möglich, nur mit großem Fachwissen umsetzen. Notwendig

sind hier die Weiterentwicklung der Programme und die Bereitstellung von unabhängigen

Informationen zur verfügbaren Wärmepumpentechnik.

Ein weiteres interessantes Anwendungsfeld für Industrie- und Großwärmepumpen sind Nah-

und Fernwärmenetze. Während in den Skandinavischen Ländern bereits einige Wärmepum-

pen zur Versorgung dieser Netze eingesetzt werden, gibt es in Deutschland bisher nur wenige

Demonstrationsanlagen. Neben der reinen Wärmeerzeugung können Wärmepumpen auch zur

Kapazitätserhöhung von bestehenden Fernwärmenetzen eingesetzt werden. Auf diesem Ge-

biet besteht in Deutschland noch großer Forschungsbedarf zu Potenzialen und zu Leitlinien

zur Integration von Wärmepumpen in Nah- und Fernwärmesysteme.

128 Literaturverzeichnis

Literaturverzeichnis 129

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