Hochtemperaturwärmepumpen für Industrieprozesse

Mit einem Anteil von insgesamt 25 Prozent des Energiebedarfs in der EU ist die Industrie ein wichtiger Akteur, um die Klimaziele zu erreichen. Zur Dekarbonisierung der industriellen Produktion sind sowohl Effizienzsteigerungen als auch neue Prozesse auf der Basis erneuerbarer Energien erforderlich.

Betrachtet man den Endenergieeinsatz für die verschiedenen industriellen Anwendungen, zeigt sich deutlich, dass Wärme mit 81 Prozent der gesamten Endenergie eine wesentliche Rolle spielt. Neben Raum- und Prozesskühlung sowie Raumwärme macht Prozesswärme mit 66 Prozent des Endenergiebedarfes davon den grössten Teil aus. Davon entfallen 11 Prozent auf Prozesse, die Temperaturen unter 100 Grad Celsius benötigen, und 26 Prozent auf Prozesse mit Temperaturen zwischen 100 bis 200 Grad Celsius.¹

Industrielle Wärmepumpen wandeln ungenutzte Abwärme in hochwertige Prozesswärme um und erhöhen so die Energieeffizienz der Prozesse und tragen zur Elektrifizierung bei. Dadurch lassen sich die CO₂-Emissionen und der Primärenergieverbrauch erheblich reduzieren. Eine aktuelle Studie stellt den Prozesswärmebedarf und die Verfügbarkeit von Abwärme in den Sektoren Papier, Chemie, Raffinerie und Lebensmittel gegenüber. Der Prozesswärmebedarf <150 Grad Celsius beläuft sich auf 745 Petajoule pro Jahr respektive 207 Terawattstunden pro Jahr (EU-28). Bei Temperaturen >100 Grad Celsius nimmt der Wärmebedarf in allen Branchen deutlich zu, dies wird auf den Dampfbedarf zurückgeführt. Es wurden 1039 Petajoule pro Jahr respektive 289 Terawattstunden pro Jahr Abwärme von <150 Grad Celsius ermittelt. Davon fällt der Grossteil in allen Sektoren im Temperaturbereich von 40 bis 100 Grad Celsius an (ca. 70 Prozent).²

Für die Industrie sind daher Hochtemperaturwärmepumpen, die Vorlauftemperaturen über 100 Grad Celsius liefern, von grossem Interesse. Hochtemperaturwärmepumpen, die Wärme mit bis zu 160 Grad Celsius bereitstellen können, werden derzeit in ersten Demonstrationsprojekten in industrieller Umgebung erprobt. Der Fokus des H2020-Projekts DryFiciency, das vom AIT Austrian Institute of Technology geleitet wird, liegt dabei auf industriellen Trocknungsprozessen. Die Wärmepumpen nutzen industrielle Abwärme als Wärmequelle und liefern Heisswasser mit bis zu 160 Grad Celsius. Zwei Prototypen der Wärmepumpen wurden in Trocknungsprozessen für Stärke und Ziegel integriert, dabei wurden bereits jeweils über 4000 Betriebsstunden der Anlagen erreicht.³ In weiteren Forschungsprojekten mit Beteiligung des AIT Austrian Institute of Technology wird an der Demonstration von dampferzeugenden Wärmepumpen gearbeitet. Im Projekt BAMBOO wird neben dem Betrieb dieser Technologie die Möglichkeit zur Flexibilisierung der Energieversorgung untersucht.⁴ Im Projekt LEAP werden die Dekarbonisierungsziele industrieller Leitbetriebe adressiert und multiplizierbare Einbindungskonzepte für dampferzeugende Wärmepumpen erarbeitet.⁵ Die Bereitstellung von Prozessdampf aus Abwärme mithilfe von Wärmepumpen hat grosses Potenzial, da Dampf als Energieträger in der Industrie weit verbreitet ist.

Wärmepumpen, die 120 bis 130 Grad Celsius bereitstellen können, sind bereits marktverfügbar oder stehen kurz vor der Markteinführung. Die Kommerzialisierung von Wärmepumpen mit noch höheren Nutzungstemperaturen wird in den kommenden Jahren erwartet. Wesentliche technologische Herausforderungen von Hochtemperaturwärmepumpen sind temperaturbeständige Materialien (beispielsweise Schmiermittel und Dichtungen) und Komponenten (beispielsweise Verdichter). Die industriellen Anwender fordern zudem eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit sowie wirtschaftliche Lösungen. Erfolgreiche Demonstrationsprojekte sind eine wichtige Grundlage, um Vertrauen in neue Technologien zu schaffen und diese weiterzuverbreiten.