Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger plus der kontinuierliche Anstieg des CO2-Anteils in der Atmosphäre sind die treibende Kraft für das Erreichen der Klimaziele. So beschließt die Bundesregierung, ab 2021 eine CO2-Bepreisung von zunächst 25 € pro Tonne CO2 einzuführen. Der Ausstoß von Emissionen beim Heizen und Autofahren erhält dadurch über einen nationalen Emissionshandel einen Preis. Bis zum Jahr 2025 wird eine Tonne CO2 bis zu 55 € kosten. Durch diese politischen Beschlüsse wird die Nutzung klimaschonender Technologien wie der Hochtemperatur-Wärmepumpe attraktiver. Besonders in der Industrie kann sie als nachhaltige Alternative zu konventionellen Wärmeerzeugern eingesetzt werden und zur Dekarbonisierung des Wärmesektors beitragen.
Mit dem von der Combitherm GmbH entwickelten Konzept ist es möglich, Temperaturen von größer 100 °C, wie sie für verschiedene industrielle Prozesse oftmals benötigt werden, effizient zu erzeugen. Die Hochtemperatur-Wärmepumpen verfügen dabei über eine Heizleistung zwischen 50 bis 2.500 kW. Die Standardanlagen decken einen Bereich von +25°C Wärmequellen-Eintrittstemperatur bis +110 °C Wärmesenken-Austrittstemperatur ab. Für andere Temperaturbereiche stehen Sonderlösungen bereit.
Potentiale und Anwendungsgebiete
Der Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen ist abhängig von der Wärmequelle und der Wärmesenke. Für eine ausfallsichere Erzeugung der Prozesswärme ist eine stabile Wärmequelle wichtig, die keiner jahreszeitlichen Schwankung unterliegt. Die Hauptanwendung der Hochtemperaturen fokussiert sich daher auf die Wärmerückgewinnung von Abwärme industrieller Prozesse. Anstatt die Abwärme ungenutzt an die Umgebung abzugeben, kann sie durch Hochtemperatur-Wärmepumpen rückgewonnen und dem Prozess erneut zugeführt werden. Alternativ kann die rückgewonnene Wärme in Nah- oder Fernwärmenetze eingespeist und zur Bereitstellung von Frischwasser genutzt werden. Abwärme auf einem für Hochtemperatur-Wärmepumpen nutzbaren Niveau liegt oftmals in der Lebensmittel-, Metall oder Papierindustrie beim Sterilisieren, Trocknen oder Bleichen vor. Das Temperaturniveau liegt dabei oftmals in einem Bereich von 40 bis 150 °C.
Combitherm
Konstruktionskriterien
Hauptkriterien für den effektiven Einsatz einer Hochtemperatur-Wärmepumpe sind die Leistungszahl und die Amortisationszeit. Je höher die Leistungszahl, desto attraktiver der Einsatz einer Wärmepumpe. Ausschlaggebend für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb ist die Wahl des Kältemittelverdichters. Grundsätzlich sind alle üblichen Verdichterbauarten für Hochtemperatur-Anwendungen denkbar, jedoch haben sich Verdrängungsverdichter wie der Kolben und die Schraube hinsichtlich Energieeffizienz und mechanischer Stabilität als vorteilhaft bewiesen. Auch die thermische Stabilität spielt eine große Rolle. Bedingt durch die hohe Verflüssigungstemperaturen ergeben sich in der Folge hohe Druckgastemperaturen, welche bei der Konstruktion und Materialauswahl zu berücksichtigen sind.
Weiterer Kernpunkt bei der Konzeption von Hochtemperatur-Wärmepumpen ist die Auswahl des Kältemittels und des Öls. Aufgrund der temperaturbedingt hohen Drucklage auf der Verflüssigerseite bietet sich die Verwendung eines Niederdruckkältemittels an. Soweit möglich empfiehlt sich der Einsatz eines sowohl für den Menschen als auch die Umwelt ungefährlichen Kältemittels mit hoher volumetrischer Heizleistung wie beispielsweise R1233zd(E). Die Auswahl des Öls erfolgt dabei in Abhängigkeit des Kältemittels. Neben der Verträglichkeit und Viskosität ist auch hier die thermische Stabilität von Bedeutung.
Fazit
Zusammenfassend können folgende Kriterien für Hochtemperatur-Wärmepumpen festgehalten werden:
§ Hochtemperatur-Wärmepumpen finden überwiegend im industriellen Bereich Anwendung
§ Kontinuierlich zur Verfügung stehende Wärmequellen bei nutzbarem Temperaturniveau sind für einen ausfallsicheren Betrieb essenziell
§ Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und Wärmequelle sollte bei kleiner 60 K liegen
§ Die Herstellung von Hochtemperatur-Wärmepumpe erfordert ein hohes Qualitätsniveau und hohe Flexibilität
