Wärmepumpen: Erfolgsrezept zur Dekarbonisierung der Industrie
21 Sept. 2022
Wärme ist Wärme, egal ob es minus 40 oder plus +140 °C sind. Sie zu verschwenden ist nichts anderes, als das Geld mit beiden Händen zum Fenster hinauszuwerfen. Mehr noch: Ungenutzte Wärme belastet die CO2-Bilanz in vielen industriellen Prozessen – speziell dort, wo zugleich geheizt und gekühlt werden muss. Daher überrascht es nicht, dass energieeffiziente Wärmepumpen sich zunehmend zur bevorzugten Technologie auf dem Weg in eine klimaneutrale Zukunft entwickeln. Diese Technologie ermöglicht Industrieunternehmen und Gemeinden, die immer strengeren Umweltvorgaben zu erfüllen, ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen und die Betriebskosten zu senken.
Der Klimawandel ist ein akutes Problem von weltweiter Bedeutung. So lautete die unmissverständliche Botschaft der UN-Klimakonferenz 2015. Der historische Gipfel führte zum Übereinkommen von Paris, in dem die Vertragsparteien die Reduzierung der Treibhausgasemissionen und die Begrenzung des Temperaturanstiegs auf 1,5 °C beschlossen. Inzwischen hat die Europäische Union mit dem europäischen Grünen Deal ein Konzept vorgelegt und beschlossen, die Vorreiterrolle beim globalen Klimaschutz einzunehmen und – was noch wichtiger ist – eindeutige Ziele zu formulieren. Ein Ziel ist, die Emission von Treibhausgasen bis 2030 um die Hälfte zu reduzieren und bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen.
Das ist kein leichtes Unterfangen, denn laut Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) verursacht Wärme mehr als die Hälfte des weltweiten Energieverbrauchs. Und Wärme wird größtenteils mit fossilen Brennstoffen erzeugt. Wenn diese ehrgeizigen Ziele erreicht werden sollen, muss die Dekarbonisierung von Wärme mit aller Konsequenz vorangetrieben werden. Gemäß der europäischen F-Gas-Verordnung zur Begrenzung der Treibhausgasemissionen hat die EU eine schrittweise Beschränkung der fluorierten Gase beschlossen. Diese Gase werden üblicherweise als Kältemittel eingesetzt.
Strengere Gesetze, technologische Fortschritte und der eigene Wunsch nach einer Reduzierung der Umweltbelastung sind für viele Hersteller die entscheidenden Impulse, um ihre Geschäftsstrategie und die Reduzierung von Kohlstoffemissionen miteinander in Einklang zu bringen. Lebensmittelhersteller, die sich bereits früh der Emissionsbegrenzung verschrieben und Wärmepumpen in ihre Produktionsprozesse integriert haben, dürfen sich schon jetzt über beträchtliche finanzielle Vorteile und ökologische Erfolge freuen. Dies gilt besonders für Fabriken, in denen zur Vorbereitung erst geheizt und später wieder gekühlt werden muss.
Heimlicher Held: die Wärmepumpe
Von der Trocknung des aus österreichischen Sumpfgebieten gewonnen Salzes in den 1850er-Jahren bis zu den heutigen Anwendungen im B2B-und-B2C-Bereich war es ein langer Weg für die Wärmepumpe. Nachdem sie bereits vielfach in Fernwärmesystemen und zum Beheizen von Wohnhäusern genutzt werden, etablieren sich Wärmepumpen zunehmend als bevorzugte Technologie bei Herstellern, die immer strengere Umweltvorgaben einhalten sowie eigene Emissionsziele und Kostensenkungen erreichen müssen.
Wärmepumpen wandeln erneuerbare bzw. Abfallenergie aus Gebäuden und Prozessen in Heizenergie um. Zum Beispiel: Während des Kühlvorgangs geben Kühlanlagen die Wärme des Verflüssigers direkt in die Umwelt ab. Wärmepumpen nehmen diese wertvolle Ressource auf, erhöhen die Temperatur und produzieren so Wärme, die in anderen Produktionsschritten eingesetzt werden kann.
Kombiniert man eine Wärmepumpe mit einer Kühlanlage, sind sowohl Kühlung als auch Heizung möglich: Aus der einmaligen Nutzung wird so ein Kreislauf, mit dem die Energiekosten um 30 Prozent oder mehr gesenkt werden können. Das ist eine erhebliche Einsparung, wenn man bedenkt, dass in der Lebensmittel-, Milch- und Getränkeindustrie bis zu 60 Prozent des Energieverbrauchs auf Heiz- und Kühlvorgänge entfallen.
GEA-Wärmepumpensystem am Produktionsstandort für Mars-Schokolade im niederländischen Veghel. Die kundenspezifisch gefertigte Anlage nutzt GEA-Kolbenverdichter zur Extraktion und Aufheizung der anderweitig nicht nutzbaren geringen Wärme aus den Kühlanlagen und verwendet sie zum Erhitzen von Wasser. (Bildquelle: RCC K&L)
Weniger CO2- und Kältemittelemissionen
Im Zuge der schrittweisen Beschränkung fluorierter Gase erfreuen sich natürliche Kältemittel immer größerer Beliebtheit. Das gilt besonders für das umweltfreundliche, leicht verfügbare und kostengünstige Ammoniak, das sich nicht auf die globale Erwärmung auswirkt oder zum Ozonabbau beiträgt.
Ammoniak kommt vielfach in lebensmittelverarbeitenden Betrieben, in der Getränke- und Milchindustrie sowie in Brauereien oder in Kühlhäusern zum Einsatz. Dank optimierter Verdichtertechnologie können Ammoniak-Wärmepumpen inzwischen auch höhere Temperaturen produzieren. Entsprechend häufiger werden sie inzwischen in der Lebensmittel-, Getränke- und Milchindustrie genutzt, wo Abwärme wiederverwendet und erhitzt werden kann. Beispielsweise zum Waschen, Reinigen und Trocknen von Produkten oder zum Erhitzen von Wasser für Reinigungs- und Verarbeitungszwecke oder auch zur Pasteurisierung.
Traditionell nutzte man in diesen Branchen Heizkessel zum Kochen oder Pasteurisieren der Produkte, um sie dann wieder abzukühlen. Die Folge war eine massive Energieverschwendung, da die Temperatur der Abwärme aus dem Kühlprozess für eine Wiederverwendung zu niedrig war. Eine Wärmepumpe dagegen ist in der Lage, Abwärme auf 90 °C und höher zu erhitzen, sodass sie in das System zurückgespeist werden kann. Das Ergebnis: Fossil befeuerte Heizkessel sind überflüssig, Wärme wird nicht länger vergeudet und CO2-Emissionen werden deutlich reduziert – in vielen Fällen um bis zu 50 Prozent oder mehr. Bei Verwendung von Ökostrom können die CO2-Emissionen sogar auf Null reduziert werden.
Kundenspezifische Lösungen ermöglichen der Lebensmittelindustrie einen Riesenschritt nach vorn
„Die industriellen Wärmepumpen von GEA erreichen eine Leistung zwischen 300 kW und 10.000 kW. Damit decken wir praktisch jede Anwendung ab – von heißem Reinigungswasser bis zur städtischen Fernwärme“, so Kenneth Hoffmann, Product Manager Heat Pumps, GEA Refrigeration Technologies. „Aber jede Anwendung ist anders und erfordert einen individuellen Ansatz. Unser Vorteil besteht darin, dass wir umfangreiche Prozesskenntnisse mit Know-how bei integrierten Heiz- und Kühllösungen kombinieren können. Bei der Planung achten wir darauf, dass die Wärmequelle stabil und dauerhaft verfügbar bleibt, sodass die Nutzung der Abwärme optimiert werden kann.“
Konventionelle Anlagen mit Gaskesseln arbeiten in der Regel mit einer viel zu hohen Wärmeträgertemperatur. Dies führt zu ungenauen Wärmelastberechnungen und folglich zu einer völlig unnötigen Verschwendung von Energie. Die Integration eines Wärmepumpensystems erfordert neben einer umfassenden Analyse der benötigten Temperaturen auch eine Bewertung der richtigen Prozessparameter. Aber die Mühe lohnt sich: Je genauer der Erstentwurf, desto größer die Energieeinsparung – jedes Grad zählt. Andere Konzepte setzen auf kleine Rohre mit signifikantem Temperaturunterschied, um die Anfangskosten niedrig zu halten. Die Investition in eine Wärmepumpe sichert jedoch kontinuierliche Einsparungen, Tag für Tag.
Jede Anwendung ist anders und erfordert einen individuellen Ansatz. Unser Vorteil besteht darin, dass wir umfangreiche Prozesskenntnisse mit Know-how bei integrierten Heiz- und Kühllösungen kombinieren können.“ - Kenneth Hoffmann, Product Manager Heat Pumps, GEA Refrigeration Technologies
- Kenneth Hoffmann, Product Manager Heat Pumps, GEA Refrigeration Technologies
„Wir verfügen über erstklassige, teilweise jahrzehntelange Beziehungen zu unseren Kunden aus der Verarbeitungsbranche. Ausgangspunkt war in vielen Fällen eine Kühlanlage, die wir geliefert haben. Genau hier liegen unsere Wurzeln und unser Know-how“, erklärt Maarten Gelens, Kältetechnik-Experte bei GEA Refrigeration Technologies, Niederlande. Robert Unsworth, Technical Sales Director GEA Refrigeration Technologies UK, ergänzt: „Wir möchten unsere Kunden bei der Realisierung ihrer Nachhaltigkeitsziele unterstützen und ihnen zu Energieeinsparungen und einer Reduzierung der CO2-Emissionen verhelfen. Der Einsatz von Wärmepumpen in der Lebensmittel-, Milch- und Getränkeindustrie wird der größte Fortschritt sein, den es in der Lebensmittelproduktion und -kühlung je gegeben hat.“
Geschäftserfolg und Nachhaltigkeit: Das passt zusammen
Zur Umsetzung der Nachhaltigkeitsziele muss der Anteil sauberer Energietechnologien, wie z. B. Wärmepumpen und solarthermische Heizsysteme, bis 2030 auf mehr als ein Viertel aller verkauften neuen Heizanlagen verdreifacht werden. So jedenfalls lautet die Einschätzung der IEA. Die Wärmepumpentechnologie ermöglicht Energie- und Kosteneinsparungen – unabhängig von der Branche oder ihrem Nutzungsumfang. Dabei erfüllen Wärmepumpen einfache Aufgaben, z. B. das Heizen und Kühlen einer kleinen Vorstadtwohnung, ebenso zuverlässig wie komplexe Anforderungen: etwa als zentrales Element einer hochintelligenten Null-Emissions-Strategie zur Lieferung von Fernwärme oder beim Einsatz in einer Großanlage für die Lebensmittelproduktion. GEA unterstützt herstellende Unternehmen auch bei der ganzheitlichen Analyse ihrer Anlagen: Jeder Prozess wird einer genauen Prüfung unterzogen, um Chancen für eine Effizienzsteigerung und Kosteneinsparung zu identifizieren. Dieses Leistungsangebot heißt bei uns NEXUS und steht kurz für ganzheitliche Engineeringlösungen von GEA. Dazu zählt natürlich auch die Integration von Wärmepumpen zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von Abwärme, wie sie bereits in vielen Produktionsumgebungen zum Einsatz kommen.
Der Einsatz von Wärmepumpen in der Lebensmittel-, Milch- und Getränkeindustrie wird der größte Fortschritt sein, den es in der Lebensmittelproduktion und -kühlung je gegeben hat.“ – Robert Unsworth, Technical Sales Director GEA Refrigeration Technologies UK
– Robert Unsworth, Technical Sales Director GEA Refrigeration Technologies UK
