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Schema einer Hochtemperaturwärmepumpe: Wärme aus einer Niedertemperaturquelle wandelt sie in Sattdampf um, der per Kompressor auf sechs bar gebracht wird. Bild: Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe
Energieeffizienz

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Wärmequellen besser nutzen

Text: Torsten Buddenberg und Christian Bergins, Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe
Die Energieeffizienz von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und Wärmenetzen kann noch gesteigert werden. Hochtemperaturwärmepumpen können nämlich aus der erzeugten Wärme Prozessdampf für die Industrie herstellen. Die Einsatzbereiche sind dabei vielfältig.

Wärmepumpen für Gebäudeheizungen, die Heizwärme aus Niedertemperaturwärmequellen erzeugen, sind heute weit verbreitet im Einsatz. Wärmepumpen um Prozessdampf zu erzeugen, werden dagegen noch nicht eingesetzt. Dabei sind technische Lösungen mit Pumpen und Dampfkompressoren einfach umzusetzen.

Das Wärmepumpenverfahren zur Prozessdampferzeugung ist in seinen Grundzügen schnell erklärt: Im Prinzip wird Wärme aus einer Niedertemperaturwärmequelle mit einer Wärmepumpe zu atmosphärischem Sattdampf umgewandelt. Dieser Sattdampf wird mit einem ein- oder mehrstufigen Dampfkompressor auf ein höheres Druckniveau gebracht und mit einer Wasserinjektionskühlung auf das gewünschte Temperaturniveau eingestellt.

Einfluss des Arbeitsmediums

Der Prozess ist abhängig von der Temperatur der Wärmequelle im Vorlauf, der Auskühlung der Wärmequelle im Rücklauf, der Grädigkeit der Wärmetauscher und dem gewählten Arbeitsmedium der Wärmepumpe. So kann diese etwa mit dem Wärmeträgermedium Ammoniak (R717) ausgelegt werden. In dem Fall arbeitet sie mit einem maximalen Verdichtungsdruck von zirka 80 bar, wobei das Medium nicht bis zum atmosphärischen Druck entspannt wird. Bei anderen Randbedingungen kann auch Kohlendioxid (R744) als Arbeitsmedium verwendet werden.

Bei höheren Vorlauftemperaturen bietet R744 Vorteile gegenüber einem Betrieb mit R717. Bei der Verwendung von R744 sind maximale Verdichtungsdrücke bis 200 bar notwendig, die heute sicher beherrscht werden. Die hohen Drücke sind nötig, um mit dem Arbeitsmedium an den entsprechenden Zustandspunkten des Prozesses über der Verdampfungstemperatur von Wasser zu bleiben. Beide genannten Arbeitsmedien sind industriell seit langem bekannt und können überall sicher verwendet werden. Auch Luft, Argon oder andere Arbeitsmedien sind möglich, führen aber im Allgemeinen nicht zur kostenverbesserten technischen Lösung.

Bei Vorlauftemperaturen kleiner als 100 °C sollte R717 verwendet werden, bei höheren Vorlauftemperaturen ist R744 vorteilhafter. Im Einzelfall sollte aber je nach Auskühlrate der Wärmequelle das bestmögliche Arbeitsmedium ausgesucht werden. Details hierzu können in der Masterarbeit von Simon Waldburg nachgeschlagen werden: Dampfkompressoren und Wärmepumpenprozesse im industriellen Maßstab, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen, TU Dortmund 2015.

Eine Hochtemperaturwärmepumpe ist bis dato noch nicht in Betrieb, allerdings sind bereits vielfältig Großkompressoren für R717, R744 sowie Dampfkompressoren im schweren industriellen Betrieb. Hierbei sind Antriebsleistungen von bis zu 40 MW möglich. Das bedeutet, dass diese Technik als großtechnisch verfügbar angesehen werden kann.

Hochtemperaturwärmepumpe im Wärmenetz

Der Bedarf an Prozessdampf in der Industrie ist groß und wird heute zum großen Teil aus Dampferzeugern und KWK-Kraftwerken mittels fossiler Brennstoffe gedeckt. Der Prozessdampfbedarf übersteigt den an Warmwasser und Raumwärme bei Weitem und kann für die deutsche Industrie mit zirka 100 TWh pro Jahr angegeben werden. Das entspricht einer Leistung von etwa 25 GW Erzeugungspotenzial, wenn gewöhnliche Lastprofile und Redundanzen zugrunde gelegt werden. Daraus ergibt sich ein großes Einsparpotenzial für Treibhausgase, das mit Wärmepumpenanwendungen realisiert werden kann. So kann die Hochtemperaturwärmepumpe Fernwärme zum Erzeugen von Prozessdampf nutzen. Wobei als Fernwärmenetze auch die Kondensatnetze großer Chemiewerke in Betracht kommen.

Dampf wird heute meist nah am Verbrauchsstandort mit Dampferzeugern oder KWK-Anlagen erzeugt. Dies hat den Grund, dass Dampf im Ferntransport durch die Kompressibilität des gasförmigen Fluides einen hohen Druckverlust und damit verbundenen Wärmeverlust hat. Wirtschaftlich betreibbar sind Transportstrecken von maximal drei Kilometer in großen Verbundstandorten. Fernwärme dagegen wird heute schon in Ballungsgebieten wie etwa im Ruhrgebiet über weite Strecken transportiert. Transportstrecken von deutlich mehr als 50 Kilometer sind möglich und in Betrieb. Die Arbeitstemperaturen des Vorlaufs der Wärmenetze betragen 130 bis 180 °C für das Ferntransportnetz und 130 bis 90 °C für das Verteilnetz. Weiterhin können in ein solches Fernwärmenetz neben den heute üblichen KWK-Anlagen ohne Aufwand Solarwärmeerzeuger, Power-to-Heat-Anlagen und Heißwasserwärmespeicher eingebunden werden.

Rechnerisch lässt sich nachweisen, dass eine KWK-Anlage zur Dampfproduktion nicht wesentlich brennstoffeffizienter arbeitet als eine KWK-Anlage zur Fernwärmeproduktion, die gekoppelt mit einer Hochtemperaturwärmepumpe ist. Dies gilt auch bei Prozessdampfdrücken von mehr als 40 bar. Allerdings verschiebt sich das Strom/Wärme-Verhältnis hin zu einer höheren Wärmeproduktion. Bezogen auf den Strom wird die Must-run-Kapazität bei gleicher Brennstoffnutzung gesenkt. Dies kommt der steigenden Einspeisung aus erneuerbaren Energien in das Stromnetz entgegen und ermöglicht einen weiteren Zubau von Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen. Zudem lassen sich so auch erneuerbare Energien über EE-Strom und EE-Wärme in die Dampfproduktion und somit den Wärmesektor einbinden. Power-to-Heat-Anlagen können zur Netzregelung des Stromnetzes eingesetzt werden. Das spart in seiner Gesamtbilanz fossile Primärenergie und erschließt neue, effiziente Nutzungsmöglichkeiten für die existierenden Wärmenetze, deren Nutzungsgrad durch Wärmedämmung, Wärmepumpen und solare Heizungen bereits heute kontinuierlich reduziert wird.

Wärmenetze verschalten

Die Abbildung oben zeigt schematisch, welche Einsatzmöglichkeiten denkbar sind und wie Wärmenetze zukünftig verschaltet werden können. Weiterhin ist die Verbindung von signifikanten Abwärmen aus großen Industriestandorten wie zum Beispiel der Stahl- oder Chemieindustrie und deren Transport zu Standorten anderer Industrien wie zum Beispiel die Papier- und Lebensmittelindustrie möglich. Diese Industrien und auch kleinere Betriebe können – wenn sie über Wärmenetze verbunden sind – auch dezentral versorgt werden. Auf diese Weise ergeben sich vielfältige neue und alte Einsatzbereiche für Hochtemperaturwärmepumpen.

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