Wärmepumpentechnik in der Industrie
Nach Meinung von GEA sind Wärmepumpen die Technik der Wahl auf dem Weg in eine kohlenstoffneutrale Zukunft. Denn deren hohe Effizienz und der geringe Wartungsaufwand tragen zu einer kurzen Amortisationsdauer bei. Zudem können Anwender mit einer langen Lebensdauer von mindestens 20 Jahren rechnen.
Immer wichtiger wird es, dass durch den Wärmepumpeneinsatz die Verbrennung fossiler Brennstoffe und damit CO2-Emissionen vermieden werden. Ebenfalls der Umwelt zugute kommt, dass in Wärmepumpen nun umweltfreundliche natürliche Kältemittel wie Ammoniak zum Einsatz kommen.
Wärmepumpen in diversen Branchen
Zu den Branchen, für die der Wärmepumpeneinsatz in Produktionsprozessen klare finanzielle und ökologische Vorteile generieren kann, gehört die Lebensmittelindustrie.
Denn ein Großteil der Lebensmittelverarbeitung kombiniert heute Wärmebehandlung und anschließende Kühllagerung für eine lange Haltbarkeit. Diese Kombination von Heizung und Kühlung fördert den Nutzen von Wärmepumpenanlagen. Daneben schafft die Wärmepumpentechnik unabhängig von der Branche und dem Umfang ihres Einsatzes Energiesparvorteile.
Neben Anwendungen in der verarbeitenden Industrie werden Wärmepumpen auch häufig in umweltfreundlichen Fernwärmesystemen eingesetzt, wo sie nicht nur zur Bereitstellung von Wärme-Grundlast, sondern auch als regulierbare Wärmequelle verwendet werden.
Ihre schnelle Schaltzeit passt gut zu großen Fernwärmenetzen. In diesen Systemen spielen Wärmepumpen auch eine wichtige Rolle beim Schutz des Stromnetzes als Teil intelligenter Energiesysteme, bei denen die Lasten je nach Anfrage des Stromversorgers online angepasst werden können.
Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) macht Wärme mehr als die Hälfte des weltweiten Endenergieverbrauchs aus, wobei der größte Teil davon aus fossilen Brennstoffen erzeugt wird.
In Industrie und Gewerbe ist der Bedarf an Warmwasser und Prozesswärme sehr spezifisch, könnte allerdings oft mit Wärmepumpen gedeckt werden. Unter anderem, indem Prozessabwärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres gebracht wird.
Individuelle Planung notwendig
Bei Planung und Auswahl einer Wärmepumpenanlage ist die Anwendungsart entscheidend: Je kleiner der Temperatursprung, desto weniger elektrische Leistung wird für den Wärmepumpenantrieb benötigt. Daher ist es wichtig, die Wärmequelle mit der höchsten Temperatur zu finden und das Heizsystem so auszulegenen, dass es die niedrigste notwendige Warmwassertemperatur liefert.
Ändert sich der Heiz- und Kühlbedarf jahreszeitlich bedingt, typischerweise beispielsweise in Bürogebäuden oder Gewächshäusern, kann eine Wärmepumpe im Winter heizen und im Sommer kühlen. In den Jahreszeiten, in denen sowohl geheizt als auch gekühlt werden muss, kann der Wirkungsgrad mehr als zehnmal höher sein, als bei einer herkömmlichen Installation mit Kessel zum Heizen und Klimaanlage zum Kühlen.
Kühlsysteme und Wärmepumpen – zwei Seiten einer Medaille
Wärmepumpen und Kältesysteme nutzen das gleiche physikalische Prinzip – und sie bestehen alle aus den gleichen Hauptkomponenten wie Kompressoren und Wärmeübertragern. Das Prinzip der Wärmepumpe wird auch zum Kühlen verwendet (wie beim Kühlschrank), während der Begriff „Wärmepumpe" nur für die Heizeinheit verwendet wird.
Beim Kühlprozess ist die Nutzenergie die aus dem zu kühlenden Prozess/Kältespeicher aufgenommene Wärme, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung abgegeben wird.
Wenn eine Wärmepumpe mit einem Kühlaggregat kombiniert wird, ist sowohl Kühlen als auch Heizen möglich, sodass aus der einmaligen Nutzung ein kontinuierlicher Kreislauf wird, was die Energiekosten um 30 Prozent oder mehr reduziert.
Dies ist eine erhebliche Einsparung, wenn man bedenkt, dass zum Beispiel in der Lebensmittel-, Milch- und Getränkeindustrie bis zu 60 Prozent des Energieverbrauchs für Heizung und Kühlung verwendet werden.
Das Herz: Kolben- und Schraubenkompressoren
Sie sind das Herzstück und damit buchstäblich die Pumpe der Wärmepumpe: Kolben- und Schraubenkompressoren. Es ist daher vorteilhaft, wenn ein Hersteller eine große Palette an Hochdruck-Ammoniak-Schraubenkompressoren vorhalten kann, die sich für Wärmepumpenanwendungen eignen.
Mit einer für höhere Drücke ausgelegten Baureihe von V-Kolbenkompressoren mit kleinen Zylindern hat GEA besonders effiziente Ammoniakkompressor-Lösungen im Programm. Solche Kompressoren sind wie auch die Hochdruck-Schraubenverdichter-Baureihe des Herstellers speziell für den hohen Verdichtungsenddruck in einer Wärmepumpe ausgelegt. Sie erzeugen Kondensationstemperaturen, die je nach Auslegung für den Betrieb mit Niedertemperatur-Warmwasser ebenso geeignet sind wie für die Bereitstellung von Prozesswärme.
Umweltfreundliche Kältemittel sind ein Muss
Da fluorierte Gase weltweit schrittweise aus dem Verkehr gezogen werden, um den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern, werden natürliche Kältemittel zunehmend nachgefragt.
Insbesondere ist hier Ammoniak zu nennen, ein umweltfreundliches, effizientes und kostengünstiges Kältemittel, das keine Auswirkungen auf die globale Erwärmung hat und keine schädliche Anhäufung von Fluoridverbindungen in der Natur verursacht.
Ammoniak wird unter anderem in der Lebensmittelverarbeitung, in der Getränke- und Milchindustrie sowie in Brauereien und Kühlhäusern weit verbreitet eingesetzt. Mithilfe von Verbesserungen in der Kompressortechnik können Ammoniak-Wärmepumpen mittlerweile höhere Temperaturen erzeugen.
Dies hat den Weg für ihren breiteren Einsatz in den genannten Einsatzbereichen geebnet, wo Abwärme für das Waschen, Reinigen und Trocknen von Produkten, die Erwärmung von Wasser für Reinigungs- und Verarbeitungszwecke und die Pasteurisierung nun besser genutzt werden kann.
Prozesswissen dringend erforderlich
Traditionell verwendeten die genannten Branchen Kessel zum Kochen oder Pasteurisieren von Produkten, die dann wieder abgekühlt wurden, was zu einer massiven Energieverschwendung führte. Die Wärme aus dem Kühlprozess war zu gering, um wiederverwendet zu werden.
Eine Wärmepumpe kann jedoch die Temperatur der Abwärme der Kühlanlage auf bis zu 90 °C erhöhen, sodass die Wärme in den Kreislauf zurückgeführt werden kann.
Industrielle Wärmepumpen von GEA decken eine Leistungspalette von 300 kW bis 10 MW ab, eignen sich also für fast jede Anwendung von heißem Brauchwasser bis zu stadtweiter Fernwärme. Allerdings ist jede Anwendung anders und erfordert einen maßgeschneiderten Ansatz.
Daher ist es vorteilhaft, umfangreiches Prozesswissen mit Know-how für integrierte Heiz- und Kühllösungen kombinieren zu können. Oberstes Ziel muss es sein, dass die Wärmequelle stabil und dauerhaft verfügbar bleibt.
Ein Wärmepumpensystem erfordert eine umfassende Analyse der erforderlichen Temperaturen und die Bewertung der richtigen Prozessparameter. In einer Wärmepumpe zählt jedes Grad. Je genauer die ursprüngliche Auslegung, desto mehr Energie kann eingespart werden.
Anstatt sich auf kleine Rohrsysteme mit großen Temperaturdifferenzen zu konzentrieren, um die Anfangskosten niedrig zu halten, basiert eine Wärmepumpen-Investition auf kontinuierlichen Einsparungen, die täglich erzielt werden.
Für hohe Heizleistungen
RedAstrum von GEA ist eine Baureihe kompakter Ammoniak-Wärmepumpen (R 717). Es gibt sieben Baugrößen basierend auf den einstufigen Schraubenverdichtern der M- und LT-Serie von GEA Grasso für 52-bar-Anwendungen.
Die Wärmepumpe liefert auf der warmen Seite ein Temperaturniveau zwischen 55 und 80 °C und eignet sich damit z. B. für die Heißwasseraufbereitung in industriellen Prozessen oder für die Einspeisung von Wärme in Nah- und Fernwärmenetze. Die kompakte Wärmepumpe liegt als eine Einheit vor, beinhaltet eine kontinuierliche Leistungsregulierung per Frequenzumrichter und deckt Heizleistungen von 600 bis 2.000 kW ab.
Die Eintrittstemperatur der Wärmequelle (sekundärer Kühlkreislauf) kann zwischen –7 und +40 °C liegen, die Austrittstemperatur der Wärmequelle (sekundärer Kühlkreislauf) zwischen –10 und +37 °C. Der vollverschweißte Plattenwärmeübertrager liegt mit verschiedenen Plattenmaterialien vor, ein Unterkühler ist optional. Die Wärmepumpe ist auch als kombiniertes Heiz- und Kühlsystem auslegbar.
Module flexibel kombinierbar
Kompaktes Design, ein effizienter Hubkolbenverdichter und eine niedrige Ammoniak-Kältemittelfüllmenge kennzeichnen die Wärmepumpenserie RedGenium von GEA für kleine bis mittlere Wärmelasten. Flexibel wählbare Module unterstützen unterschiedliche Leistungsgrößen für Wärmeübertragungstemperaturen bis 70 °C.
Herzstück der auf bis zu 39 bar ausgelegtenWärmepumpe ist der zuverlässige, effiziente Kolbenverdichter V HP von GEA Grasso für kleinere Leistungen. Der reziproke Verdichter unterstützt eine kontinuierliche Kapazitätsanpassung. Es werden Heizkapazitäten von 500 bis 1.100 kW erreicht. Alle Wärmepumpen haben eine stufenlose Drehzahlregelung und die Steuerung Omni mit Touchpanel.
Dieser Artikel von Dr. Michael Golek ist zuerst erschienen in Die Kälte + Klimatechnik 09/2020. Dr. Michael Golek ist zuständig im Bereich Corporate Media & Press bei der GEA Group AG, Düsseldorf.
