Wärmepumpen für große Anlagen

Definition Großwärmepumpe

Bei der Definition, ab welcher Leistung wir von einer Großwärmepumpe sprechen, scheiden sich die Geister. Im Gesetzentwurf der Bundesregierung für das GEG heißt es wörtlich: „Abgeleitet aus den Verkaufszahlen für große Wärmepumpen (> 20 kW), ...“. Etwas mutiger wird der BWP in seiner Broschüre „Wärme- und Kältekonzepte mit Großwärmepumpen“, hier gilt die Definition: „Großwärmepumpen, gelegentlich auch große Wärmepumpen genannt, starten bei ca. 100 kW und können Leistungen von mehreren MW erreichen“. Die Definition mit Leistungen > 100 kW ist auch in der VDI 4646 „Anwendung von Großwärmepumpen“ zu finden, welche ab Februar 2024 verfügbar sein sollte (weitere Infos unter dem Link https://t1p.de/tab-10-23-WP).

Marktstand

Die Versorgung von Industrie und Gebäuden beinhaltet ein riesiges Potenzial zur Einsparung fossiler Brennstoffe. Der BWP sowie die Agora Energiewende in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IEG gehen davon aus, dass nur 20 % des Wärmebedarfs aus erneuerbarer Energie stammen und ca. 80 % weiterhin fossil erzeugt werden. Für den Gebäudesektor beträgt der Endenergieverbrauch für Raumwärme und Warmwasser rund 806 TWh, für die Prozesswärme im Industriesektor 543 TWh und für sonstige Anwendungen wie Klima- und Prozesskälte, mechanische Energie und Beleuchtung 1058 TWh. Im Jahr 2021 wurde für die Wärmenachfrage bis zu einem Temperaturniveau von 200 °C 43 % des deutschen Endenergieverbrauchs eingesetzt. Hierfür wurden ca. 75 % des deutschen Erdgasverbrauchs notwendig. Diese Zahlen machen deutlich, welches Potential im Einsatz von Großwärmepumpen steckt. Anfang 2023 waren erst 60 MW an Leistung installiert. McKinsey geht in einer Studie von einen Gesamtmarkt für Großwärmepumpen bis 2030 von 43 Mrd. Euro aus.

Welche Faktoren beeinflussen nun den Hochlauf?

Stand heute dürften mehrere Faktoren verantwortlich sein. Die Gesetzgebung mit der Forderung von mindestens 65 % erneuerbarer Energien gibt ein klares Zeichen für den Einsatz von Wärmepumpen gegenüber Wärmeerzeuger mit fossiler Energie, jedoch braucht es hier Klarheit und langfristige Verlässlichkeit. Förderprogramme unterstützen finanziell bei der Investition. Diese sind aber leider teilweise kompliziert aufgebaut, werden laufend angepasst und wenn die Fördertöpfe leer sind, gibt es auch kein Geld. In diesem Bereich wird empfohlen, einen professionellen Förderberater hinzuzuziehen. Da die Anschaffungskosten für Großwärmepumpen i. d. R. höher sind als für herkömmliche Heizsysteme, kann dies auch ein Kriterium gegen diese Technologie sein. Die spezifischen Kosten werden mit ca. 200 bis 1.500 Euro/kW angesetzt, je nach Ausführung, Größe und Betriebsbedingungen. Gerade in Industrieunternehmen gibt es oftmals strenge Vorgaben zu den Amortisationszeiten, werden diese nicht erreicht, trotz niedrigerer Betriebskosten, wird meist keine Wärmepumpe angeschafft. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die hohe elektrische Anschlussleistung sowie ein langfristig planbarer niedriger Strompreis und eine gesicherte Stromversorgung.

Integration und Planungsgrundlagen

Noch wichtiger ist jedoch die Verfügbarkeit einer geeigneten Wärmequelle. Diese muss ausreichend und kontinuierlich Leistung haben und langfristig verfügbar sein, um diese sinnvoll nutzen zu können. Ist dies nicht der Fall, steigen die Anforderungen im Bereich der Speichersysteme, um einen zeitlichen Versatz zwischen Bedarf und Angebot auszugleichen. Um die energetische Verknüpfung von Prozessströmen zu optimieren, wird die Pinch-Analyse (Ansatz zur systematischen Optimierung des Energieverbrauches von Prozessen) empfohlen. Eine sorgfältige Bestandsaufnahme, gefolgt von einer Planung ist unabdingbar, jedoch fehlt es in diesem Bereich oftmals an Erfahrung, die VDI 4646 ist noch im Bearbeitungsstand. In der VDI wird ein Planungsprozess für die Integration von Wärmepumpen in Produktionsanlagen definiert werden. Es sollen eine Methodik mit Analyse der örtlichen Gegebenheiten, Rahmenbedingungen, geeigneter Integrationspunkte, Auswahl von Wärmepumpentypen und Systemauslegung, Dimensionierung der Systemkomponenten beschrieben werden.

Leistungsbereiche und Temperaturniveaus

Großwärmepumpen können je nach Verdichter Technologie, Kältemittel, Wärmequelle und Temperaturniveau auf Wärmesenken- und Wärmequellenseite bis zu rund 70 MW Heizleistung erzeugen, Vorlauftemperaturen von bis zu 200 °C sind bereits heute möglich.

Bei Hubkolbenverdichter finden oft die natürlichen Kältemittel NH₃ (R717) oder CO₂ (R744) Verwendung. Schraubenverdichter werden meist mit NH₃ oder mit den Kältemitteln R1234ze, R1233zd, R245fa oder R1366mzz(Z) betrieben. Bei einem hohen Temperaturhub kann dies auch durch zwei Kältekreisläufe in Kaskadenschaltung erreicht werden. Bild 1 verdeutlicht den Betriebsbereich eines Schraubenverdichters in Abhängigkeit vom Temperaturniveau der Wärmequelle und Wärmesenke. Bei Turboverdichter größerer Leistung kann weiterhin der Einsatz von HFO-Kältemitteln beobachtet werden.

Eine pauschale Aussage, welches Kältemittel verwendet werden soll, ist nicht möglich. Bei einer für den Großwärmepumpenkongress im Mai 2023 durchgeführten Umfrage durch Dr. Cordin Arpagaus vom Institut für Energiesysteme (IES) an der Ostschweizer Fachhochschule unter 14 Herstellern gab es folgende Resultate:

Die Hauptkriterien für die Auswahl des Kältemittels sind die Thermodynamische Eignung, die Umweltauswirkungen und der Wirkungsgrad.

Welche Kältemittel derzeit und in Zukunft verwendet werden, zeigt Bild 2.

Für die Entwicklungszeit, die Produktion von einem synthetischen auf ein natürliches Kältemittel umzustellen, wurden Zeiträume von 6 Monaten bis 5 Jahre genannt.

Derzeit ist die Novellierung der Verordnung (EU) 517/2014 im EU-Rat, EU-Parlament und der EU-Kommission im Trilog, eine Entscheidung wird noch in diesem Jahr erhofft. Es gilt als sehr wahrscheinlich, dass eine Reduzierung der in Verkehr zu bringenden CO₂-Äquivalente beschlossen wird, die genaue Ausgestaltung ist aber weiterhin offen. Neben geringer GWP-Werte sind verschiedene Kältemittel auch wegen der PFAS-Beschränkung in starker Diskussion, es wären einige der HFC- und HFO-Kältemittel betroffen. Auch bei diesem Punkt ist eine zeitnahe Entscheidung notwendig, um Planungssicherheit zu erlangen. Natürliche ­Kältemittel und Kohlenwasserstoffe sind hiervon nicht betroffen.

Eine Übersicht der Entwicklungsstufen, der Hersteller, eingesetzten Kältemittel und Verdichtertechnologien, unter Berücksichtigung der Heizleistung und maximaler Vorlauftemperatur, kann dem Annex 58 der Internetseite der „Heat Pump Technologies“ unter dem Link https://t1p.de/tab-10-23-Annex58 entnommen werden. Beim Anklicken der Hersteller öffnet sich ein Datenblatt mit weiteren Informationen zu der entsprechenden Wärmepumpe.

Standard und Tailor-made Wärmepumpen

Für Standard-Großwärmepumpen kommen die Hersteller größtenteils aus dem Bereich der Kaltwassersätze. Bestehende Baureihen werden mit Fokus auf die Wärmeerzeugung optimiert. Mit Standard ist gemeint, dass eine Kaltwasserserienmaschine genutzt wird und diese an bestimmten Bauteilen (Verdichterratio, stärkerer Motor, optimierte Motorkühlung) auf höhere Drücke und Temperaturen angepasst wird. Bei Wasser-Wasser Wärmepumpen sind bereits Geräte bis ca. 2 MW mit Wärmequelleneintrittstemperaturen von bis zu 45 °C und Wärmesenkenaustrittstemperaturen bis zu 85 °C erhältlich. Insbesonders wurde der Betrieb mit hohen Verdampfungstemperaturen optimiert, um hohe Wärmequellentemperaturen, z. B. Abwärme von Rechenzentren, nutzen zu können (Bild 3).

Unter Tailor-made Wärmepumpen definiert der Autor zwei Ausführungsarten:

Wärmepumpen, die als Standardserie bestehen, bei denen aber trotzdem eine sehr große Anpassung der Bauteile an die Betriebsbedingungen erfolgt. Dies können z. B. sein: Motorgröße/Motorspannung (0,4 – 20 kV), Wärmeübertragerkonfiguration (betreffend Material, Rohranzahl, Passzahl, Durchmesser und Länge), Verdichterausführung Impeller, Getriebe oder Kupplung.

Wärmepumpen, die vollkommen Projekt bezogen gebaut werden.

Einsatzgebiete

Besonders bei Fernwärmeanwendungen kann eine Großwärmepumpe sinnvoll betrieben werden. Als Wärmequelle wird z. B. Abwärme, Grundwasser, Flusswasser oder Erdwärme genutzt, da diese über das gesamte Jahr ein einigermaßen gleichbleibendes Temperaturniveau zur Verfügung stellen. Als Projektbeispiel sei die Wärmepumpe im Restmüllheizkraftwerk Stuttgart-Münster genannt. Bei einem COP von 3 werden 20 bis 24 MW Heizleistung produziert. Der Vorlauf von 90 °C wird für die erste Aufheizstufe eingesetzt und mit einem weiteren Wärmeerzeuger auf 120 °C gehoben. Die Rücklauftemperatur zur Wärmepumpe beträgt 60 °C. Nähere Informationen sind über den Link https://t1p.de/tab-10-23-Heizkraftwerk erhältlich.