Wärmenutzung mithilfe einer Temperaturerhöhung durch Wärmepumpen

Wenn die Abwärme kein ausreichendes Temperaturniveau für eine direkte Nutzung hat, kann das Temperaturniveau mithilfe von Wärmepumpen angehoben werden, und die Wärme genutzt werden.

Allgemeine Informationen über Wärmepumpen

Mit Wärmepumpen lässt sich Abwärme, die kein ausreichendes Temperaturniveau für eine direkte Nutzung hat,  indirekt nutzen. Die Abwärme wird von einem niedrigen Temperaturniveau mit Hilfe zugeführter Antriebsenergie auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und dadurch für andere Zwecke, wie z.B. zum Heizen, nutzbar gemacht. Zur Bereitstellung dieser Antriebsenergie gibt es zwei Verfahren: Bei Sorptionswärmepumpen wird sie in Form von Wärme und bei Kompressionswärmepumpen in Form von Strom zugeführt. Das Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung zu eingesetzter elektrischer Leistung beim Einsatz von Strom als Antriebsenergie wird über die Leistungszahl (COP – Coefficient Of Performance) definiert. So bedeutet eine Leistungszahl von 4, dass eine Wärme-pumpe mit 1kW elektrischer Anschlussleistung 4kW Heizleistung zur Verfügung stellen kann. Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt dabei allerdings entscheidend vom Temperaturunterschied zwischen dem Ausgangsmedium und dem zu errei-chenden Temperaturniveau ab. Je geringer dieser Unterschied ist, desto höher ist die Leistungszahl da weniger elektrische Leistung zur Erreichung der angestrebten Temperatur eingesetzt werden muss. Wird wie bei Sorptionswärmepumpen Wärme als Antriebsenergie verwendet wird das Verhältnis von angestrebter Wärmeleistung zum Energiegehalt des eingesetzten Brennstoffes oder der Abwärme über die Heizzahl ausgedrückt. Eine Heizzahl von beispielsweise 1,3 besagt dann, dass mit 1 kWh Abwärme 1,3 kWh Wärme auf einem höheren Temperaturniveau erzeugt werden können.

Beispielrechnung Temperaturerhöhung durch Wärmepumpen

 

Abwärmeleistung thermisch50kW
Leistungszahl3,8
Stromaufnahme Wärmepumpe13kW
Investition inklusive Planung und Installation28.750Euro
Voll-Laststunden3.300h
Kosteneinsparung5.889Euro/a
Kapitalrendite20%

Praxisbeispiel Wärmenutzung mithilfe einer Temperaturerhöhung durch Wärmepumpen

Hier können Sie sich ein Praxisbeispiel zur Wärmenutzung mithilfe einer Temperaturerhöhung durch Wärmepumpen in der dena Referenzprojekte-Datenbank ansehen:

  • Energieeffiziente Heizung und Kühlung mittels Prozesswärmenutzung bei der Roth Werke GmbH

Kompressionswärmepumpe

Kompressionswärmepumpen sind die am weitesten verbreiteten Wärmepumpen und zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau sowie durch breit verfügbaren Leistungsbereich aus. Sie entziehen einer Wärmequelle (z.B. Luft, Erdreich, Abwärme) Wärme, welche dann genutzt wird, um ein Kältemittel zu verdampfen. Das dann gasförmige Kältemittel wird in einem Verdichter komprimiert und dadurch erhitzt. Diesem warmen und unter Druck stehenden Medium kann über einen Wärmeübertrager thermische Energie entzogen werden, die dann an das Heizsystem abgegeben wird. Dabei kühlt sich das Kältemittel ab und kondensiert, wobei der hohe Druck durch ein Drosselventil wieder auf das Niveau des Verdampfers abgesenkt wird. Das Kältemittel kühlt sich wieder auf ein Temperaturniveau unterhalb der Wärmequelle ab, kann dann wieder Wärme aufnehmen und der Kreislauf beginnt von vorne. Ab einer Leistungszahl von 3,5 lassen sich Wärmepumpen wirtschaftlich betreiben. Es lassen sich Heißwassertemperaturen von 65 °C erreichen, mit speziellen Kältemitteln auch bis zu 90 °C.

Absorptionswärmepumpe

Absorptionswärmepumpen werden mittels eines thermischen Antriebs angetrieben, welcher aus einem Absorber, einem Austreiber, einer Lösungsmittelpumpe und einem Expansionsventil besteht. Die restlichen Komponenten Verdampfer, Verflüssiger und Expansionsventil entsprechen denen in Kompressions-wärmepumpen. Der Absorptionsprozess lässt sich wie folgt beschreiben: Im Verdampfer wird das Arbeitsmittel mithilfe von Wärme, die z.B. aus industrieller Abwärme stammt, verdampft. Das nun gasförmige Arbeitsmittel gelangt daraufhin in den Absorber und wird dort vom flüssigen Lösungsmittel aufgenommen. Während dieses Prozessschrittes wird Wärme abgegeben, die an das Heizsystem abgegeben werden kann. Durch eine Pumpe wird die Lösung anschließend auf einen höheren Druck gebracht und zum Austreiber transportiert. Im Austreiber wird das Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr, welche entweder durch einen Brenner mit Öl- oder Gasverfeuerung oder durch industrielle Abwärme mit einem Temperaturniveau höher als 500 °C bereitgestellt wird, verdampft und kondensiert dann im Verflüssiger. Dort wird Nutzwärme mit hohem Temperaturniveau an das Heizsystem abgegeben. Das Arbeitsmittel gelangt über ein Expansionsventil wieder in den Verdampfer und kann wieder Wärme aufnehmen. Das Lösungsmittel wird vom Austreiber über ein Drosselventil wieder dem Absorber zugeführt und steht ebenfalls wieder zur Verwendung bereit. Als Arbeitsmittel wird in Absorptionswärmepumpen meist Ammoniak als Lösungsmittel meist Wasser verwendet. Es können üblicherweise Heißwassertemperaturen von bis zu 65 °C erreicht werden. Durch die wenigen beweglichen Bauteile zeichnet sich das System durch eine lange Haltbarkeit und einen geringen Wartungsaufwand aus. Es können Wärmequellen mit Temperaturniveaus zwischen -20 und 90 °C genutzt werden und es sind Leistungsklassen zwischen 1,5 kW und 20 MW verfügbar. Die Investitionskosten liegen zwischen 500 und 1.200 € je installiertem kW Heizleistung.

Adsorptionswärmepumpe

Adsorptionswärmepumpen funktionieren mit einem thermischen Antrieb, bei dem ein Adsorbermedium ein Kältemittel unter Wärmeabgabe adsorbiert und diese Kältemittel anschließend durch Wärmezufuhr vom Adsorber getrennt wird. In zwei mit Adsorptionsmitteln gefüllten Arbeitskammern läuft dabei wechselweise der Adsorptions- und der Desorptionsprozess ab, was einen kontinuierlichen Ablauf des Prozesses ermöglicht. Während der ersten Phase, dem Desorptionsprozess, wird dem Adsorptionsmittel, welches auf einem Wärmeübertrager angebracht ist, durch einen Gasbrenner oder eine andere Hochtemperaturquelle Wärme zugeführt. Dadurch wird das im Adsorptionsmittel gebundene Kältemittel als Dampf freigesetzt, welcher zu einem zweiten Wärmeübertrager strömt und dort kondensiert wird. Die dabei entstehende Wärme kann als Heizwärme abgegeben werden. Ist das gesamte Kältemittel kondensiert, wird der Brenner abgeschaltet und die zweite Phase beginnt. Dort wird durch Wärmezufuhr, welche aus einer Abwärmequelle stammen kann, das Kondensat wieder verdampft. Der Kältemitteldampf strömt wieder zum Wärmeübertrager und wird adsorbiert, wobei wieder Wärme entsteht, welche an das Heizsystem abgegeben werden kann. Ist das gesamte Wasser verdampft und adsorbiert ist der Prozess beendet. Für hohe Temperaturen kommen Zeolithe als Sorptionsmittel zum Einsatz, bei niedrigeren Temperaturen Silikagel. Mit bis zu 300 °C lassen sich wesentlich höhere Temperaturen erreichen als bei anderen Wärmepumpen. Das Temperaturniveau der Wärmequellen ist mit dem der Absorptionswärmepumpen vergleichbar. Die verfügbaren Leistungsklassen sind mit 1,5 bis 10 kW deutlich geringer und die Investionskosten mit 1.500 € je kW installierter Heizleistung höher als bei Absorptionswärmepumpen.