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IER Universität Stuttgart
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
Analyse des Potenzials
von Industrie-
wärmepumpen in
Deutschland
IER
S. Wolf, U. Fahl, M. Blesl, A. Voß
IZW R. Jakobs
Dezember 2014
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......................
Forschungsbericht
Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen
in Deutschland
Forschungsprojekt gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie (BMWi) und der Energie Baden-Württemberg AG (EnBW)
Endbericht
Institutes für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER)
S. Wolf, U. Fahl, M. Blesl, A. Voß
Informationszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik (IZW)
R. Jakobs
Dezember 2014
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. K. Hufendiek
Abteilung Energiewirtschaft und Systemtechnische Analysen (ESA)
Dr. rer. pol. U. Fahl
Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben
wurde mit Mitteln der Energie Baden-Württemberg AG
und des Bundesministeriums für Wirtschaft und
Energie unter dem Förderkennzeichen 0327514A
gefördert. Verantwortung für den Inhalt dieser
Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
Inhaltsverzeichnis I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung............................................................................................................................. 1
2 Grundlagen .......................................................................................................................... 3
2.1 Wärmepumpentypen ............................................................................................... 3
2.2 Kennzahlen und Definitionen .................................................................................. 6
3 Energiesituation in Deutschland ........................................................................................ 12
3.1 Endenergieverbrauch ............................................................................................. 12
3.2 Energieträgerpreise ................................................................................................ 14
3.3 Wärmebedarf im GHD Sektor in Deutschland ..................................................... 15
3.4 Kältebedarf im GHD Sektor in Deutschland ......................................................... 16
3.5 Wärmebedarf in der deutschen Industrie............................................................... 16
3.6 Kältebedarf in der deutschen Industrie .................................................................. 18
3.7 Analyse industrieller Prozesse bezüglich des Einsatzes von Wärmepumpen ....... 19
3.8 Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der deutschen Industrie ............ 21
4 Stand der Wärmepumpentechnik ....................................................................................... 23
4.1 Entwicklung der Kosten von Wärmepumpen ....................................................... 23
4.2 Entwicklung der Effizienz von Wärmepumpen .................................................... 25
4.3 Marktübersicht für Wärmepumpen ....................................................................... 27
4.4 Bewertung des Stands der Wärmepumpentechnik ................................................ 27
5 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik ................................................................. 29
5.1 Entwicklung der Forschungsaktivität .................................................................... 29
5.2 Kältemittel ............................................................................................................. 31
5.3 Verdichter .............................................................................................................. 34
5.4 Wärmepumpen ...................................................................................................... 36
6 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe ............ 42
6.1 Anwendungsfall Teilereinigung ............................................................................ 42
6.2 Fallstudie Galvanik ............................................................................................... 52
6.3 Fallstudie Fertighaushersteller .............................................................................. 56
7 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor ........................................................... 61
7.1 Praxisanwendungen in der Industrie ..................................................................... 61
7.2 Zusammenfassende Betrachtung der ausgewählten Wärmepumpenanwendungen
in der Industrie in Deutschland ............................................................................................ 91
7.3 Auswahl umgesetzter Anlagen in der Industrie außerhalb Deutschlands ............. 93
7.4 Praxisanwendungen im GHD-Sektor .................................................................... 95
8 Planung von Industriewärmepumpen .............................................................................. 112
8.1 Kriterien für die Integration einer Wärmepumpe ................................................ 112
8.2 Software .............................................................................................................. 115
9 Fazit und Ausblick ........................................................................................................... 125
II Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Technische Implementierungen des Wärmepumpenprinzips ............................... 3
Abbildung 2: Funktionsprinzip der Kompressionswärmepumpe ............................................... 4
Abbildung 3: Funktionsprinzip des mechanischen und thermischen Brüdenverdichters ........... 4
Abbildung 4: Funktionsprinzip der Absorptionswärmepumpe ................................................... 5
Abbildung 5: Funktionsprinzip der Adsorptionswärmepumpe ................................................... 6
Abbildung 6: Die Leistungszahl als Funktion des Temperaturhubs ........................................... 8
Abbildung 7: Eingesparte Treibhausgasemissionen bezogen auf die Leistungszahl der
Wärmepumpe..................................................................................................... 10
Abbildung 8: Endenergiebedarf in Deutschland 2012 aufgeschlüsselt nach Sektoren
und Energieträgern ............................................................................................ 13
Abbildung 9: Bruttostromerzeugung in Deutschland nach eingesetzten Energieträgern
von 1990 bis 2012 ............................................................................................. 13
Abbildung 10: Nettostromverbrauch und spezifische CO2-Emissionen der
Stromerzeugung in Deutschland ........................................................................ 14
Abbildung 11: Entwicklung der Brennstoffpreise in Deutschland von 1991 bis 2012 ............. 14
Abbildung 12: Entwicklung der Strompreise in Deutschland von 1991 bis 2012 .................... 15
Abbildung 13: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung im GHD Sektor in Deutschland
2012 ................................................................................................................... 15
Abbildung 14: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung in der Industrie in Deutschland
2012 ................................................................................................................... 16
Abbildung 15: Aufschlüsselung des Wärmeeinsatzes in der deutschen Industrie nach
Anwendungsbereichen für das Jahr 2012 .......................................................... 17
Abbildung 16: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung in der deutschen Industrie
aufgeschlüsselt nach eingesetzten Energieträgern und Industriebranchen ........ 17
Abbildung 17: Stromeinsatz zur Kälteerzeugung in der deutschen Industrie 2012 .................. 18
Abbildung 18: Temperaturen und auf die jeweilige Produktmenge bezogene
Wärmeverbräuche industrieller Prozesse .......................................................... 20
Abbildung 19: Technisches Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der
Industrie in Deutschland im Jahr 2012 .............................................................. 22
Abbildung 20: Kosten von Sole/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012 .................................... 23
Abbildung 21: Kosten von Wasser/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012 ............................... 24
Abbildung 22: Kosten für Luft/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012 ..................................... 24
Abbildung 23: Historische Entwicklung der Preise von Sole/Wasser Wärmepumpen ............ 25
Abbildung 24: Historische Entwicklung der Preise von Wasser/Wasser Wärmepumpen ........ 25
Abbildung 25: Historische Entwicklung der Preise von Luft/Wasser Wärmepumpen ............. 25
Abbildung 26: Entwicklung der Leistungszahlen von Sole/Wasser Wärmepumpen von
1993 bis 2012 .................................................................................................... 26
Abbildung 27: Entwicklung der Leistungszahlen von Luft/Wasser Wärmepumpen von
1993 bis 2012 .................................................................................................... 26
IV Abbildungsverzeichnis
Abbildung 28: Forschungsprojekte des Bundes mit dem Fokus „Wärmepumpen
Gesamt“ ............................................................................................................. 30
Abbildung 29: Forschungsprojekte des Bundes mit dem Fokus „Industrie- und
Großwärmepumpen“ ......................................................................................... 30
Abbildung 30: Globale Verteilung der durch das European Patent Office (EPO)
erteilten Patente im Themenbereich Wärmepumpe .......................................... 31
Abbildung 31: Thematische Verteilung der durch das European Patent Office (EPO)
erteilten Patente im Themenbereich Wärmepumpe .......................................... 31
Abbildung 32: Einsatzbereich des Ammoniak Hochtemperatur-Verdichters .......................... 35
Abbildung 33: Aufbau des Prüfstands bei EDF ....................................................................... 37
Abbildung 34: Aufbau der Rotationswärmepumpe .................................................................. 38
Abbildung 35: Darstellung der beiden Kobe Steel Wärmepumpendampferzeuger
SGH120 und SGH165 ....................................................................................... 40
Abbildung 36: Hybridwärmepumpe in ein- und zweistufiger Ausführung .............................. 41
Abbildung 37: Schema der Teilereinigungsanlage mit Angabe der Temperaturniveaus ......... 43
Abbildung 38: Kennfeld des Verdichters ................................................................................. 45
Abbildung 39: Varianten für die Integration der Wärmepumpe in die
Teilereinigungsanlage ....................................................................................... 46
Abbildung 40: Bilanzgrößen in der energetischen Betrachtung der Anlage ............................ 47
Abbildung 41: COP und Gütegrad der Hochtemperaturwärmepumpe .................................... 48
Abbildung 42: Wärmebilanz der Teilereinigungsanlage mit integrierter
Hochtemperaturwärmepumpe ........................................................................... 48
Abbildung 43: Gesamtenergiebilanz der Teilereinigungsanlage .............................................. 49
Abbildung 44: Leistung der Badaufbereitung bei verschiedenen Betriebsweisen ................... 50
Abbildung 45: Spezifische Wärmeleistung der Badaufbereitung bei verschiedenen
Betriebsweisen .................................................................................................. 51
Abbildung 46: Vereinfachtes Anlagenschema der Kühlung im Galvanikbetrieb .................... 52
Abbildung 47: Wochenprofil der freien Kühlung .................................................................... 53
Abbildung 48: Anschluss der Trockenkammer an das Versorgungsnetz ................................. 57
Abbildung 49: Messdaten der Trocknungsanlage - Trocknungslauf 1 vom 13.05.2012
bis zum 28.05.2012 ........................................................................................... 58
Abbildung 50: Messdaten der Trocknungsanlage - Trocknungslauf 2 vom 29.05.2012
bis zum 19.06.2012 ........................................................................................... 58
Abbildung 51: Integration der Wärmepumpe ........................................................................... 59
Abbildung 52: Auswahl umgesetzter Wärmepumpenanlagen in der deutschen Industrie ....... 61
Abbildung 53: Verteilung der dokumentierten Anlagen auf industrielle Branchen ................. 62
Abbildung 54: Verteilung der dokumentierten Anlagen auf Leistungsklassen ........................ 62
Abbildung 55: Baujahr der dokumentierten Anlagen ............................................................... 63
Abbildung 56: Wärmesenken- und Wärmequellentemperaturen der
Wärmepumpensysteme ..................................................................................... 63
Abbildung 57: Amortisationszeit und interne Verzinsung der Wärmepumpensysteme .......... 64
Abbildung 58: Einbindung der Absorptionswärmepumpe in das Nahwärmenetz ................... 65
Abbildungsverzeichnis V
Abbildung 59: Anlagenschema des CO2-Extraktionsverfahren mit Kennzeichnung der
Integrationspunkte der Wärmepumpe ............................................................... 69
Abbildung 60: Luft/Wasser Wärmepumpe neben dem Glasofen ............................................. 71
Abbildung 61: Optimierte Temperaturspreizung an der Wärmepumpe durch einen
Verbund aus zwei Warmwasserspeichern ......................................................... 73
Abbildung 62: Integrierte Wärme- und Kältebereitstellung der Gebr. Kemmerich
GmbH ................................................................................................................ 74
Abbildung 63: Anlagenschema der integrierten Wärme- und Kältebereitstellung der
Ludwig Michl GmbH ........................................................................................ 77
Abbildung 64: Seecontainer mit Notkühlaggregat, Wärmepumpen und
Kaltwasserspeicher ............................................................................................ 77
Abbildung 65: Wärme- und Kältebereitstellung in einem Metallverarbeitungsbetrieb im
Ausgangszustand (schwarz) und nach dem Umbau (schwarz/grau) ................. 79
Abbildung 66: Anlagenschema der integrierten Wärme- und Kältebereitstellung bei
Thoma Metallveredelung GmbH ....................................................................... 82
Abbildung 67: Abwärmenutzung von Laserschneidanlagen zur
Prozesswärmebereitstellung bei der Walter Th. Hennecke GmbH ................... 84
Abbildung 68: Einbindung von BHKW und Wärmepumpe in den Trocknungsprozess
einer Mälzerei .................................................................................................... 87
Abbildung 69: Integriertes Heiz- und Kühlsystem der Treibacher Schleifmittel GmbH ......... 89
Abbildung 70: Wärmerückgewinnung der PONGS Seidenweberei GmbH ............................. 90
Abbildung 71: Auswahl umgesetzter Wärmepumpenanlagen im GHD-Sektor ....................... 95
Abbildung 72: Wärmeversorgung der Mensa auf dem Campus in Soest ................................. 96
Abbildung 73: Anlagenschema der Wärme- und Kälteversorgung in der IKEA Filiale
Berlin-Lichtenberg............................................................................................. 98
Abbildung 74: Wärmeentnahmestelle und CO2-Wärmepumpe in Lauterecken ....................... 99
Abbildung 75: Kopplung von Solarabsorber und Wärmepumpe für die
Wärmeversorgung eines Schwimmbades ........................................................ 101
Abbildung 76: Einbindung der Wärmepumpen in die Wärme- und Kältebereitstellung
bei Vattenfall ................................................................................................... 102
Abbildung 77: Monatliche Wärme- und Kälteerzeugung durch das installierte
Wärmepumpensystem bei Vattenfall .............................................................. 103
Abbildung 78: Deckungsraten der Wärmepumpen für den Wärme- und Kältebedarf des
Gebäudes bei Vattenfall................................................................................... 103
Abbildung 79: Monatsarbeitszahlen der Wärmepumpen bei Vattenfall ................................. 104
Abbildung 80: Integration der Wärmepumpen in die Wärme- und Kälteerzeugung in
der EnBW City ................................................................................................ 105
Abbildung 81: Nutzung des Erdsondenfelds in der EnBW City im Jahresverlauf KW 33
2012 bis KW 32 bis 2013 ................................................................................ 107
Abbildung 82: Jahresgang der Kälteerzeugung durch die Wärmepumpenanlage in der
EnBW City ...................................................................................................... 107
VI Abbildungsverzeichnis
Abbildung 83: Jahresgang der Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpenanlage in der
EnBW City ...................................................................................................... 107
Abbildung 84: Leistungszahl der Wärmepumpenanlage in der EnBW City .......................... 108
Abbildung 85: Einbindung der Wärmepumpe in die Wärme-/Kälteerzeugung bei ifm
ecomatic .......................................................................................................... 109
Abbildung 86: Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpe bei ifm ecomatic über den
Zeitraum eines Monats .................................................................................... 110
Abbildung 87: Kälteerzeugung durch die Wärmepumpe bei ifm ecomatic über den
Zeitraum eines Monats .................................................................................... 110
Abbildung 88: Tagesarbeitszahlen über den Zeitraum eines Monats ..................................... 111
Abbildung 89: PinCH Benutzeroberfläche ............................................................................. 116
Abbildung 90: EINSTEIN Software-Tool .............................................................................. 118
Abbildung 91: TRNSYS Modellgenerator ............................................................................. 119
Abbildung 92: eSim Modul in TOP Energy ........................................................................... 121
Abbildung 93: Benutzeroberfläche der Prozessparametereingabe der KOARiiS-
Software .......................................................................................................... 122
Abbildung 94: Software-Bewertungsmatrix ........................................................................... 123
Tabellenverzeichnis VII
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: CO2 Äquivalent-Emissionsfaktoren für Energieträger bei vollständiger
Verbrennung mit Vorkette ................................................................................... 9
Tabelle 2: Studienvergleich zur Kälteerzeugung in der Industrie in Deutschland .................... 19
Tabelle 3: Marktübersicht für Industriewärmepumpen ............................................................. 28
Tabelle 4: Eigenschaften von Kältemitteln für Hochtemperaturanwendungen ........................ 33
Tabelle 5: Technische Eigenschaften von Wärmepumpenverdichtern ..................................... 34
Tabelle 6: Übersicht über die erschließbaren Wärmesenken in der Produktion des
Galvanikbetriebs ................................................................................................ 53
Tabelle 7: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für Variante 1
der Integration einer Wärmepumpe in einem Galvanikbetrieb ......................... 56
Tabelle 8: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für Variante 2
der Integration einer Wärmepumpe in einem Galvanikbetrieb ......................... 56
Tabelle 9: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für die
Integration einer Wärmepumpe bei einem Fertighaushersteller........................ 60
Tabelle 11: Datenblatt zur Vivo GmbH .................................................................................... 66
Tabelle 12: Datenblatt zum Volkswagen Werk Emden ............................................................ 67
Tabelle 13: Datenblatt zur Emil Frei GmbH ............................................................................. 68
Tabelle 14: Datenblatt zur Flavex Naturextrakte GmbH .......................................................... 69
Tabelle 15: Datenblatt zur Dunkermotoren GmbH ................................................................... 70
Tabelle 16: Datenblatt zur Glasfabrik Thiele AG ..................................................................... 71
Tabelle 17: Datenblatt zur BIG Spielwarenfabik GmbH & Co. KG ........................................ 73
Tabelle 18: Datenblatt zur Gebr. Kemmerich GmbH ............................................................... 75
Tabelle 19: Datenblatt zur Flamm GmbH ................................................................................. 76
Tabelle 20: Datenblatt zur Ludwig Michl GmbH ..................................................................... 78
Tabelle 21: Datenblatt zur Purkart Systemkomponenten GmbH & Co. KG ............................ 80
Tabelle 22: Datenblatt zur Schraubenwerk Zerbst GmbH ........................................................ 81
Tabelle 23: Datenblatt zur Thoma Metallveredelung GmbH ................................................... 83
Tabelle 24: Datenblatt zur Walter Th. Hennecke GmbH .......................................................... 84
Tabelle 25: Datenblatt zur Hanspeter Graßl KG ....................................................................... 86
Tabelle 26: Datenblatt zur Tivoli Malz GmbH ......................................................................... 88
Tabelle 27: Datenblatt zur Treibacher Schleifmittel GmbH ..................................................... 89
Tabelle 28: Datenblatt zur PONGS Seidenweberei GmbH ...................................................... 91
Tabelle 29:Wärmepumpenprojekte in Deutschland .................................................................. 92
Tabelle 30: Wärmepumpenprojekte außerhalb Deutschlands ................................................... 94
Tabelle 31: Datenblatt zur Mensa der FH Südwestfalen in Soest ............................................. 97
Tabelle 32: Datenblatt zu IKEA in Berlin-Lichtenberg ............................................................ 99
Tabelle 33: Datenblatt zum Nahwärmenetz in Lauterecken ................................................... 100
Tabelle 34: Datenblatt zum Meerwassererlebnisbad Juist ...................................................... 101
Tabelle 35: Datenblatt zu EHA/Vattenfall .............................................................................. 104
VIII Tabellenverzeichnis
Tabelle 36: Datenblatt zur EnBW-City .................................................................................. 108
Tabelle 37: Datenblatt zur ifm ecomatic GmbH .................................................................... 111
Tabelle 38: Die interne Verzinsung als Funktion von Amortisationszeit und
Anlagennutzungsdauer .................................................................................... 114
Glossar IX
Glossar
BHKW Blockheizkraftwerk
COP Coefficient of Performance (Leistungszahl einer Wärmepumpe)
EER Energy Efficiency Ratio (Leistungszahl einer Kälteanlage)
GHD Gewerbe, Handel und Dienstleistung
GWP Global Warming Potential (Treibhauspotenzial)
JAZ Jahresarbeitszahl
KW Kalenderwoche
ODP Ozone Depletion Potential (Ozonabbaupotenzial)
POCP Photochemical Ozone Creation Potential (Photochemische Ozonbildung)
PW Prozesswärme
SEER Seasonal Energy Efficincy Ratio (Jahresarbeitszahl)
TEWI Total Equivalent Warming Impact (Gesamter äquivalenter Erwärmungsbei-
trag)
VOC Volatile Organic Compounds (Flüchtige organische Verbindungen)
WP Wärmepumpe
X Glossar
Einleitung 1
1 Einleitung
In der Beheizung von Wohngebäuden konnte sich die Wärmepumpe in den vergangenen Jah-
ren als Standardlösung etablieren. Im Gebäudeneubau beläuft sich der Marktanteil von Wär-
mepumpen an der Gesamtzahl der abgesetzten Wärmeerzeuger auf 30 %. Bezogen auf den
gesamten Absatz von Wärmeerzeugern liegt der Marktanteil seit 2007 stabil bei ca. 9 %
/BDH 2014/. Die in der Gebäudebeheizung eingesetzten Wärmepumpen nutzen zumeist
Umweltwärme als Wärmequelle. Daher werden diese Anlagen zumeist den erneuerbaren
Energien zugeordnet.
Wie /Lambauer et al. 2008/ gezeigt hat, lassen sich Wärmepumpen auch in Industrie und
Gewerbe einsetzen. Hier werden in der Regel Niedertemperatu-Abwärmeströme genutzt, um
diese auf einem höheren Temperaturniveau wieder einem Nutzen zuzuführen. Industriewär-
mepumpen werden daher meist den Effizieztechnologien zugeordnet. Die Marktdurchdrin-
gung in diesem Segment ist insbesondere in Deutschland noch gering.
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, einen umfassenden Überblick über die Potenzi-
ale der Wärmepumpentechnik in der Industrie in Deutschland und die Möglichkeiten zu de-
ren Erschließung zu geben.
Die theoretischen Grundlagen zu dieser Arbeit werden in den Kapiteln 2 und 3 gelegt. In Ka-
pitel 2 werden verschiedene technische Umsetzungen des Wärmepumpenprinzips beschrie-
ben. Zudem erfolgt die Definition von Fachbegriffen. Zur Einordnung der Rolle der Wärme-
pumpe in den Kontext des Energiesystems wird in Kapitel 3 detailliert auf die Situation des
Energiebedarfs in Deutschland eingegangen. Der Fokus der Betrachtung liegt auf den Sekto-
ren Gewerbe, Handel und Dienstleistungen und der Industrie. Für die Industrie wird eine Pro-
zessanalyse vorgenommen, aus der das technische Potenzial für den Einsatz von Wärmepum-
pen abgeleitet wird.
Der aktuelle Stand der Wärmepumpentechnik wird in Kapitel 4 beschrieben. Hier wird zum
einen auf die Entwicklung von Investitionskosten und Effizienz eingegangen, zum anderen
wird eine Marktüberischt zu Industrie- und Großwärmepumpen aufgegliedert nach Herstel-
lern und Produkten präsentiert.
Darauf folgt in Kapitel 5 eine Übersicht über aktuelle Forschungsprojekte zur Entwicklung
neuer Wärmepumpenanalgen für die Anwendung in Industrie und Gewerbe. Besonderes Au-
genmerk wird auf die Entwicklung von Hochtemperaturwärmepumpen gelegt.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde in Kooperation mit einem Wärmepumpenher-
steller und einem Anlagenbauer eine Hochtemperaturwärmepumpe entwickelt, die nach er-
folgreichem Test in eine industrielle Teilereinigungsanlage integriert wurde. Kapitel 6 be-
schreibt den Entwicklungsprozess und die Integration der Hochtemperaturwärmepumpe. Zu-
dem werden in diesem Kapitel Fallstudien zur Anwendung von Wärmepumpen bei einem
Fertighaushersteller und in einem Galvanikbetrieb vorgestellt.
Neben den Fallstudien werden in Kapitel 7 25 Wärmepumpenanwendungen aus den Sektoren
Industrie und Gewerbe, Handel und Dienstleistungen beschrieben. Von den dokumentierten
2 Einleitung
Anlagen werden 18 in Industriebetrieben aus 9 verschiedenen Industriezweigen eingesetzt.
Sieben weitere Beispiele zeigen die Anwendung von Wärmepumpen in einem Schwimmbad,
einer Großküche, einem Nahwärmenetz, einem Möbelhaus und in drei Bürogebäuden. Zu den
drei letztgenannten Anlagen wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein Anlagenmoni-
toring durchgeführt.
Basierend auf den Erkenntnissen aus den durchgeführten Fallstudien und den dokumentierten
Wärmepumpenanlagen aus Industrie und Gewerbe wurde ein Planungsleitfaden für Wärme-
pumpen in Industriebetrieben entwickelt, der in Kapitel 8 vorgestellt wird. Darüber hinaus
enthält das Kapitel eine Analyse gängiger Software zur Energieeffizienzberatung von Indust-
riebetrieben hinsichtlich ihrer Eignung zur Auslegung und Integration von Wärmepumpen.
In Kapitel 9 findet eine Einordnung der Wärmepumpentechnik hinsichtlich ihrer Eignung zur
Wärme- und Kältebereitstellung in Industrie und Gewerbe statt. Es werden Treiber und
Hemmnisse für eine verstärkte Anwendung von Industrie- und Großwärmepumpen sowie
konstruktive Strategien für den Umgang mit Hemmnissen beschrieben. Ausgehend von den
vorgenommenen Analysen wird zum Schluss des Berichts ein Ausblick auf weiterhin offene
Forschungsfragen gegeben.
Grundlagen 3
2 Grundlagen
Das Kapitel bietet einen Überblick über die Funktionsweise von Wärmepumpen. Zudem
werden Kennzahlen und Begriffe definiert, die für die Einordnung der Wärmepumpentechno-
logie benötigt werden.
2.1 Wärmepumpentypen
Eine Wärmepumpe nimmt Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aus einer Wärme-
quelle auf, hebt die Temperatur der Wärme unter Zuführung hochwertiger Energie an und
gibt sie dann auf einem höheren Temperaturniveau an eine Wärmesenke ab. Die technische
Umsetzung dieses Prinzips kann technisch auf vielfältige Art und Weise umgesetzt werden.
Das Schema in Abbildung 1 gibt einen Überblick über die gebräuchlichsten Umsetzungen
dieses Prinzips. Die dargestellten Wärmepumpentypen unterscheiden sich hinsichtlich der
verwendeten Antriebsenergie, dem Antrieb, der Ausführung des Verdichters und der Gestal-
tung des Wärmepumpenkreislaufs. Neben den vier aufgeführten Wärmepumpentypen kann
das Wärmepumpenprinzip auch durch Nutzung des thermoakustischen, des elektrothermi-
schen oder des magnetokalorischen Effekts umgesetzt werden. Diese Wärmepumpentypen
befinden sich derzeit noch in der Erforschung und werden daher in dieser Studie nicht näher
betrachtet.
Abbildung 1: Technische Implementierungen des Wärmepumpenprinzips /Wolf et al. 2012/
2.1.1 Kompressionswärmepumpe
In der Kompressionswärmepumpe zirkuliert ein Arbeitsmedium, auch Kältemittel genannt.
Im Verdampfer wechselt das Kältemittel den Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. Es
verdampft und nimmt die dazu nötige Verdampfungsenthalpie auf niedrigem Temperaturni-
veau aus einer Wärmequelle auf. Das nun gasförmige Kältemittel wird durch einen mechani-
schen Verdichter komprimiert. Der Verdichter wird zumeist durch einen Elektromotor ange-
trieben. Wird stattdessen ein brennstoffbetriebener Motor verwendet, kann zusätzlich zum
Wärmepumpenkreislauf auch die Motorabwärme zur Wärmeerzeugung genutzt werden.
Antriebsenergie Antrieb Verdichter offener/geschlossener Kreislauf
Strom
Endenergie
Abwärme
Elektromotor
Verbrennungs-
motor,
Dampfturbine
Thermischer Verdichter:
- Absorption
- Adsorption
- Jet Verdichter
geschlossen
(Kompressionswärmepumpe)
offen
(mechanischer
Brüdenverdichter)
geschlossen
(Adsorptions/Absorptions
Wärmepumpe)
offen
(themischer
Brüdenverdichter)
Mechanischer Verdichter:
- axial
- zentrifugal
- Rollkolben
- Hubkolben
- Schrauben
- Scroll
Brenner
4 Grundlagen
Durch die Kompression im Verdichter steigen Druck und Temperatur des Kältemittelgases
an. Das heiße Kältemittelgas strömt in den Verflüssiger. Dort kondensiert das Kältemittel und
gibt die Kondensationswärme auf einem hohen Temperaturniveau an die Wärmesenke ab.
Durch ein Expansionsventil wird das Kältemittel wieder auf das niedrige Druckniveau ent-
spannt.
Der Kreislauf einer Kompressionswärmepumpe ist in Abbildung 2 dargestellt. Kompressi-
onswärmepumpen sind aufgrund der Entkopplung von Wärmequelle und Wärmesenke durch
den zwischengeschalteten Kältemittelkreislauf und ihren einfachen Aufbau sehr vielseitig
einsetzbar. Durch die serielle Verschaltung von mehreren Wärmepumpenstufen können
Kompressionswärmepumpen große Temperaturhübe (Differenz zwischen Wärmesenken- und
Wärmequellentemperatur) erreichen.
Abbildung 2: Funktionsprinzip der Kompressionswärmepumpe
2.1.2 Brüdenverdichter
Der Brüdenverdichter entspricht einer Kompressionswärmepumpe mit einem offenen Kreis-
lauf. Hier ist das Wärmequellenmedium zugleich das Arbeitsmedium. Daher kommen Brü-
denverdichter nur für Anwendungen in Frage, bei denen sich das Wärmequellenmedium be-
reits im gasförmigen Aggregatzustand befindet. Dieses ist insbesondere bei industriellen
Koch-, Verdampfungs- und Destillationsprozessen der Fall. Die Verdichtung des Arbeitsme-
diums kann durch einen mechanischen Verdichter oder einen Dampfstrahlverdichter erfolgen.
Mechanische Verdichter erreichen höhere Temperaturhübe, während Dampfstrahlverdichter
durch ihren simplen Aufbau geringere Anschaffungs- und Wartungskosten verursachen. Bei-
de Brüdenverdichtertypen sind in Abbildung 3 abgebildet.
Abbildung 3: Funktionsprinzip des mechanischen und thermischen Brüdenverdichters
Verdichter
Expansionsventil
Arbeit
Verflüssiger Verdampfer
Wärme-Senke
Wärme-quelle
Expansionsventil
Verdichter
Arbeit
Verflüssiger
Wärme-senke
Wärmesenke
Wärmequelle
Expansionsventil
Verdichter
Dampf
Verflüssiger
Wärme-senke
Wärmesenke
Wärmequelle
Grundlagen 5
2.1.3 Absorptionswärmepumpe
Absorptionswärmepumpen verfügen wie Kompressionswärmepumpen über einen geschlos-
senen Kältemittelkreislauf. Lediglich die Verdichtung des Kältemittels läuft nach einem an-
deren Prinzip ab. Das gasförmige Kältemittel (Sorbtiv) aus dem Verdampfer strömt in den
Absorber und löst sich dort in einer Flüssigkeit (Sorbens). Die dabei freiwerdende Sorpti-
onswärme kann in einer Wärmesenke genutzt werden. Die Stoffpaarung in einer Absorpti-
onswärmepumpe besteht aus einer leicht- und einer schwersiedenden Komponente. Die
meistverwendeten Stoffpaarungen sind LiBr/H2O und H2O/NH3. Die Lösung aus beiden Stof-
fen (Sorbat) wird durch eine Pumpe aus dem Absorber in den Austreiber gepumpt. Vor dem
Eintritt in den Austreiber nimmt die Lösung in einem internen Wärmeübertrager zusätzliche
Wärme auf. Im Austreiber wird die leichtsiedende Komponente durch Wärmezufuhr bei ho-
her Temperatur verdampft, während die schwersiedende zurückbleibt und über den internen
Wärmeübertrager und das Expansionsventil zurück in den Absorber geführt wird. Die leicht-
siedende Komponente wird dem Verflüssiger zugeführt, wo sie Wärme auf einem mittleren
Temperaturniveau an die Wärmesenke abgibt. Der Kreislauf einer Absorptionswärmepumpe
ist in Abbildung 4 dargestellt. Absorptionswärmepumpen können sowohl durch die Verbren-
nung von Brennstoffen, als auch durch industrielle Abwärme angetrieben werden.
Abbildung 4: Funktionsprinzip der Absorptionswärmepumpe
Exkurs: Korrosionsverhalten von Lithiumbromid
Das als Absorbent eingesetzte Lithiumbromid (LiBr) ist ein stark hygroskopisches Salz mit
korrosiven Eigenschaften. In der Absorptionswärmepumpe ist das Lithiumbromid in Wasser
gelöst. In der Vergangenheit kam es zumeist bedingt durch Konstruktionsfehler zu Korrosi-
onsschäden. Zur Vermeidung dieser Schäden ist der Zusatz von Korrosionsinhibitoren heute
Stand der Technik. Der Inhibitor adsorbiert an metallischen Oberflächen und schützt diese
vor dem Lithiumbromid. Eine Überschreitung der Löslichkeitsgrenze ist trotzdem in jedem
Fall zu vermeiden. Durch die Abstimmung von eingesetzten Materialien und Inhibitor sowie
die sorgfältige Auslegung der Anlagen ist die Korrosionsproblematik beherrschbar
/ASUE 2009/.
6 Grundlagen
2.1.4 Adsorptionswärmepumpe
Die Adsorptionswärmepumpe wird anders als die zuvor genannten Wärmepumpentypen dis-
kontinuierlich betrieben. Das Kältemittel wird zunächst verdampft und gelangt in die Sorpti-
onskammer, wo es sich an einen Feststoff (Adsorber) anlagert. Dabei wird Adsorptionswär-
me abgegeben, die in einer Wärmesenke genutzt werden kann. Als Adsorber werden mikro-
poröse Stoffe eingesetzt, die durch ihre große Oberfläche viel Kältemittel binden können.
Häufige Verwendung finden die Materialpaarungen Zeolith/Wasser, Silicagel/Wasser und
Aktivkohle/Methanol. Kann der Adsorber kein weiteres Kältemittel mehr anlagern, wird die
Verbindungsklappe zum Verdampfer geschlossen und die zum Verflüssiger geöffnet. Nun
wird der Adsorber durch Zufuhr von Wärme mit hoher Temperatur beheizt, wodurch sich das
Kältemittel vom Adsorber löst und in die Verflüssigerkammer strömt. Dort kondensiert es
und gibt seine Wärme auf mittlerem Temperaturniveau an eine Wärmesenke ab. Das konden-
sierte Kältemittel wird in die Verdampferkammer zurückgeführt. Damit die Adsorptionswär-
mepumpe trotz des diskontinuierlichen Prozessablaufs kontinuierlich Wärme erzeugen kann,
werden zumeist zwei Adsorber verbaut, die abwechselnd Kältemittel anlagern und freisetzen.
Der Prozessablauf einer Adsorptionswärmepumpe ist in Abbildung 5 dargestellt. Wie Ab-
sorptionswärmepumpen können auch Adsorptionswärmepumpen sowohl durch die Verbren-
nung von Brennstoffen als auch durch industrielle Abwärme angetrieben werden.
Abbildung 5: Funktionsprinzip der Adsorptionswärmepumpe
2.2 Kennzahlen und Definitionen
Für die Bewertung verschiedener Wärmepumpensysteme ist der Vergleich einiger Kennzah-
len notwendig, die im Folgenden definiert werden. Zudem werden Definitionen zu energie-
wirtschaftlichen Begriffen gegeben, die für die Einordnung der Wärmepumpe hinsichtlich
ihrer energiewirtschaftlichen Bedeutung benötigt werden.
2.2.1 Primärenergie
Als Primärenergie wird jene Energie bezeichnet, die in ihrer natürlich vorkommenden Form
zur Verfügung steht. Primärenergie kommt chemisch (Brennstoffe) oder physikalisch (Wind,
Verdampfer
Verflüssiger
Pumpe
Adsorption
Desorption
Verdampfer
Verflüssiger
Pumpe
Adsorption
Desorption
Wechsel-zyklen
Wärme-senke
Wärme-quelle
Antriebs-Wärme
Wärme-quelle
Wärme-senke
Antriebs-Wärme
Grundlagen 7
Sonnenlicht, Kernkraft) gebunden vor. Zu ihrer Nutzung ist eine verlustbehaftete Umwand-
lung notwendig.
2.2.2 Endenergie
Primärenergie gelangt durch Umwandlung, Aufbereitung und Transport zum Endverbrau-
cher. Dieser Prozess ist mit Verlusten behaftet. Die beim Endverbraucher ankommende
Energieform wird als Endenergie bezeichnet.
2.2.3 Nutzenergie
Endenergie wird vom Energieverbraucher in einem finalen Umwandlungsschritt in die Form
überführt, die für ihn einen Nutzen darstellt. Diese Energieform wird Nutzenergie genannt.
Beispiele hierfür sind Bewegung, Licht und Wärme.
2.2.4 Leistungszahl (COP, EER)
Die Leistungszahl 𝜀 berechnet sich aus dem Verhältnis von aufgewendeter Arbeit 𝑤 zur
Nutzarbeit 𝑞𝑁𝑢𝑡𝑧. Die Leistungszahl ist folglich ein Maß für die Effizienz einer Anlage in
einem definierten Betriebspunkt.
𝜀 =𝑞𝑁𝑢𝑡𝑧
𝑤=
�̇�𝑁𝑢𝑡𝑧
𝑃
Bei der Betrachtung von Wärmepumpen wird die Leistungszahl als Coefficient of Perfor-
mance (COP) bezeichnet. Für Kälteanlagen wird die Bezeichnung Energy Efficiency Ratio
(EER) verwendet. Erzeugt eine Wärmepumpe neben Nutzwärme auch Nutzkälte, so werden
beide Energieströme als Nutzen bilanziert, wodurch der COP höher ausfällt als bei alleiniger
Betrachtung der Wärmeerzeugung. Zur Kennzeichnung der integrierten Betrachtung der
Wärmepumpe wird die integrierte Leistungszahl als COPint bezeichnet.
Die Leistungszahl einer idealen Anlage entspricht dem reziproken Carnot-Wirkungsgrad 𝜂𝐶 ,
der aus Verflüssigungstemperatur 𝑇1 und der Verdampfungstemperatur 𝑇2 berechnet wird.
𝜀𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =1
𝜂𝐶=
𝑇2
𝑇1 − 𝑇2
Dieser Idealwert wird in der Praxis nicht erreicht, da der reale Kaltdampfprozess vom idealen
durch Druckverluste, endliche Temperaturdifferenzen in Wärmeübertragern, nicht isentrope
Verdichtung und nicht isenthalpe Drosselung entstehende Verluste abweicht. Das Verhältnis
von realer und idealer Leistungszahl wird Gütegrad 𝐺𝑊𝑃 genannt.
8 Grundlagen
Ist der Gütegrad bekannt, kann die reale Leistungszahl auf Basis von Verdampfungs- und
Verflüssigungstemperatur abgeschätzt werden. Der Gütegrad moderner Wärmepumpen liegt
bei 0,45 bis 0,50 für Wasser/Wasser Wärmepumpen und bei 0,35 bis 0,40 für Luft/Wasser
Wärmepumpen.
𝜀𝑟𝑒𝑎𝑙 =1
𝜂𝐶⋅ 𝐺𝑊𝑃 =
𝑇2
𝑇1 − 𝑇2⋅ 𝐺𝑊𝑃
Die Abschätzung der Leistungszahl über den Gütegrad der Wärmepumpe ist insbesondere bei
kleinen Temperaturdifferenzen mit Unsicherheiten belegt, da der Gütegrad bei verschiedenen
Temperaturdifferenzen nicht konstant ist. Für eine einfache Abschätzung genügt diese Be-
trachtung jedoch. In Abbildung 6 ist die Leistungszahl einer Kompressionswärmepumpe mit
einem Gütegrad von 0,45 über die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärme-
senke aufgetragen.
Abbildung 6: Die Leistungszahl als Funktion des Temperaturhubs
2.2.5 Jahresarbeitszahl (JAZ, SEER)
Die Jahresarbeitszahl 𝛽 wird aus dem Verhältnis aus Nutzenergie 𝑄𝑁𝑢𝑡𝑧 und aufgewendeter
Energie 𝐸𝐴𝑢𝑓𝑤𝑎𝑛𝑑 über den Verlauf eines Jahres berechnet.
𝛽 =𝑄𝑁𝑢𝑡𝑧
𝐸𝐴𝑢𝑤𝑎𝑛𝑑
Die Jahresarbeitszahl (JAZ), im englischen auf Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER)
genannt, beinhaltet aufgrund des langen Betrachtungszeitraums die Effizienz der Anlage in
allen aufgetretenen Betriebspunkten gewichtet mit der jeweils erzeugten Wärmemenge. Der
JAZ erhält insbesondere dann eine hohe Relevanz, wenn die Betriebsbedingungen jahreszeit-
lichen Veränderungen unterworfen sind.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
20 30 40 50 60 70 80 90 100
CO
P [
-]
Temperaturdifferenz (Wärmesenke-Wärmequelle) [K]
COP_Heiz COP_integriert
Gütegrad: 0,45
Grundlagen 9
2.2.6 Treibhauspotenzial (GWP)
Das Global Warming Potential (GWP) ist ein Maß für die Treibhauswirksamkeit eines Stof-
fes. Die Kennzahl wird bezogen auf die Treibhauswirksamkeit von CO2, dessen GWP Wert
auf 1 festgelegt ist. Das GWP wird zumeist über einen Betrachtungszeitraum von 100 Jahren
ermittelt. Je nach Betrachtungszeitraum unterscheiden sich die GWP-Werte für einen Stoff in
Abhängigkeit seiner atmosphärischen Verweildauer. Der Betrachtungszeitraum wird übli-
cherweise als Index angegeben. Der IPCC gibt in seinem fünften Sachstandsbericht neben
dem üblichen GWP100 auch das GWP20 und das GWP500 für eine große Anzahl an Stoffen an
/Forster et al. 2007/.
Kältemittel entfalten ihren treibhauswirksamen Effekt, wenn sie freigesetzt werden und in die
oberen Schichten der Atmosphäre aufsteigen, wo sie die Wärmeabstrahlung der Erde behin-
dern. Insbesondere synthetische Kältemittel haben häufig sehr hohe GWP-Werte. Das Treib-
hauspotential der Kältemittelgemische erhält man, indem man die GWP-Werte der Kompo-
nenten entsprechend ihren Anteilen summiert.
2.2.7 Emissionsfaktoren
Der Emissionsfaktor ist das Verhältnis aus der Masse des emittierten Stoffs zu der eingesetz-
ten Masse des Ausgangsstoffs. Emissionen entstehen durch die Verbrennung chemischer
Energieträger. Emissionsfaktoren werden in der Literatur für eine große Anzahl an Stoffen
angegeben. Für die Bewertung aller Treibhausgasemissionen, die durch die vollständige Ver-
brennung von Energieträgern entstehen, werden diese in einer Kennzahl, dem
CO2-Äquivalent, zusammengefasst. Die einzelnen Treibhausgase werden entsprechend ihres
Treibhauspotenzials und ihres Anteils an den Verbrennungsprodukten gewichtet und zum
CO2-Äquivalent aufaddiert. In Tabelle 1 sind die spezifischen CO2-Äquivalent-
Emissionsfaktoren verschiedener Endenergieträger gegeben.
Tabelle 1: CO2 Äquivalent-Emissionsfaktoren für Energieträger bei vollständiger Verbrennung mit Vor-
kette
Endenergieträger CO2-Emissionsfaktor
[g CO2-Äq/kWh]
Kohle 438
Heizöl 313
Erdgas 233
Biomasse 1,5
Fernwärme 220
Müll 140
Strom (D-Mix in 2012) 598
Datenquellen: /UBA 2014a/, /UBA 2014b/ Elektrisch angetriebene Wärmepumpen verursachen keine lokalen Emissionen. Allerdings
werden bei der Stromerzeugung Treibhausgase freigesetzt, die der Wärmepumpe in Abhän-
gigkeit des Stromverbrauchs zugerechnet werden. Da der Stromverbrauch der Wärmepumpe,
wie in Kapitel 2.2.4 beschrieben, von der Leistungszahl abhängt, ergibt sich für die verur-
10 Grundlagen
sachten Treibhausgasemissionen ein nicht-linearer Verlauf. In Abbildung 7 sind die Einspa-
rungen von Treibhausgasemissionen durch Verwendung einer Wärmepumpe gegenüber der
vollständigen Verbrennung der in Tabelle 1 aufgeführten Energieträger dargestellt. Während
gegenüber der Verbrennung von Heizöl bereits eine Leistungszahl von 1,9 genügt, so ist ge-
genüber der Verbrennung von Erdgas eine Leistungszahl von 2,6 nötig, damit die Wärme-
pumpe emissionsmindernd wirkt. Das Diagramm in Abbildung 7 ist bezogen auf die CO2-
Äquivalent-Emissionen für den deutschen Strom-Mix im Jahr 2012. Da in der Stromerzeu-
gung zukünftig mit sinkenden Treibhausgasemissionen gerechnet werden kann, werden
Wärmepumpen auch bei niedrigeren Leistungszahlen zur Vermeidung von Treibhaus-
gasemissionen beitragen.
Abbildung 7: Eingesparte Treibhausgasemissionen bezogen auf die Leistungszahl der Wärmepumpe
2.2.8 Ozonabbaupotenzial (ODP)
Das Ozone Depletion Potential (ODP) ist ein Maß für den Ozonabbau, der durch einen Stoff
in der Ozonschicht verursacht wird. Als Referenz für die Bewertung des Ozonabbaupotenzi-
als dient das Kältemittel R-11, dessen ODP-Wert mit 1 bewertet wird.
R-11 wie auch andere Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) verfügen über ein ODP grö-
ßer null und fallen damit unter die Bestimmungen des Montreal-Protokolls. Verantwortlich
für die Abbauwirkung ist das Element Chlor. Aufgrund seiner langen atmosphärischen Ver-
weildauer wirkt Chlor wie ein Katalysator. Ein Chloratom ist in der Lage bis zu 100.000 O3-
Moleküle in O2-Moleküle umzuwandeln.
2.2.9 Photochemische Ozonbildung (POCP)
Das Photochemical Ozone Creation Potential (POCP) beziffert den Beitrag zur Bildung von
Ozon in Bodennähe (Sommersmog). Die direkten Verursacher der Ozonbildung in Bodennä-
he sind Stickoxide (NOx) und leichtflüchtige organische Verbindungen (VOC) wie beispiels-
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ein
gesp
arte
Tre
ibau
sgas
em
issi
on
en
[g
CO
2-Ä
q/k
Wh
]
Leistungszahl der Wärmepumpe
Strom Kohle Heizöl Erdgas Fernwärme
Quelle: Eigene Berechnungen basierend auf /UBA 2014/
Grundlagen 11
weise Kohlenwasserstoffe in Verbindung mit intensiver Sonneneinstrahlung. Das POCP wird
auf Methan (CH4) bezogen, dessen Wert mit 1,0 als Basis gesetzt ist. Die flüchtigen organi-
schen Verbindungen tragen in höchst unterschiedlichem Maße zur Ozonbildung in Bodennä-
he bei. Einen entscheidenden Einfluss hat die Stabilität des Stoffes. Eine allgemeine Tendenz
ist, je kurzlebiger der Stoff ist, desto höher ist sein photochemisches Ozonbildungspotenzial.
2.2.10 Theoretisches Potenzial für den Einsatz einer Technologie
Das theoretische Potenzial beschreibt die durch Naturgesetze gegebenen Grenzen für den
Einsatz einer Technologie. Bezogen auf die Anwendung von Wärmepumpen in der Industrie
beschreibt das theoretische Potenzial diejenige Energiemenge, die von Wärmepumpen unter
Einhaltung natürlicher Restriktionen bereitgestellt werden kann.
2.2.11 Technisches Potenzial für den Einsatz einer Technologie
Das technische Potenzial beschreibt eine Teilmenge des theoretischen Potenzials. Die Ein-
grenzung des technischen Potenzials erfolgt durch die Berücksichtigung technischer Restrik-
tionen. In Bezug auf die Anwendung von Wärmepumpen in der Industrie umfasst es diejeni-
ge Wärmemenge, die bei Verwendung der am Markt verfügbaren Anlagen und Anlagenkom-
ponenten erzeugt werden kann. Ökonomische und ökologische Faktoren finden in dieser Po-
tenzialbetrachtung keine Berücksichtigung.
12 Energiesituation in Deutschland
3 Energiesituation in Deutschland
Zur späteren Einordnung der Wärmepumpentechnologie in das Energiesystem wird in diesem
Kapitel die Energiesituation in Deutschland aufbereitet. Besonderes Augenmerk gilt dem
Wärme- und Kältebedarf der Sektoren Gewerbe, Handel und Dienstleistungen und der In-
dustrie.
Der Primärenergieverbrauch Deutschlands zeigt seit Ende der 1990er Jahre eine rückläufige
Tendenz mit einer Abnahme von durchschnittlich 1 % pro Jahr. Im Jahr 2012 betrug der Pri-
märenergieverbrauch der Bundesrepublik Deutschland 13.757 PJ /BMWi 2014/.
Mit dem Energiekonzept aus dem Jahr 2010 hat die Bunderegierung die Rahmenbedingungen
für die Energiepolitik der kommenden Jahre festgelegt. Bis zum Jahr 2020 sollen die Treib-
hausgasemissionen in Deutschland gegenüber dem Referenzjahr 1990 um 40 %, bis 2050
sogar um 80 bis 95 % gesenkt werden. Der Primärenergieverbrauch soll bis 2050 um 50 %
sinken. Der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch soll 2020 18 % er-
reichen. Für das Jahr 2030 wird ein Anteil von 30 % angestrebt mit einer danach folgenden
Steigerung von 15 % pro Dekade bis auf einen Anteil von 60 % im Jahr 2050. Neben diesen
übergeordneten Zielen hat die Bundesregierung auch Ziele für einzelne Teilbereiche der
Energieversorgung definiert. So soll der Anteil des aus erneuerbaren Quellen erzeugten
Stroms am Bruttostromverbrauch Deutschlands bis 2050 auf 80 % steigen. Der Stromver-
brauch selbst soll bis 2020 bezogen auf den Verbrauch des Jahres 2008 um 8 % und bis 2050
um 25 % sinken. Zudem soll die Sanierungsrate für Gebäude bezogen auf den gesamten Ge-
bäudebestand auf 2 % erhöht werden. Im Verkehrssektor sollen der Endenergieverbrauch bis
2050 gegenüber dem Jahr 2005 um 40 % gesenkt werden /BMWi 2010/.
3.1 Endenergieverbrauch
Aus dem Primärenergieverbrauch von 13.757 PJ in 2012 wurden 8.998 PJ Endenergie er-
zeugt (siehe Abbildung 8). Der Endenergieverbrauch teilt sich zu je 29 % auf Industrie und
Verkehr auf. Auf private Haushalte entfallen 27 %. Die verbleibenden 15 % entfallen auf
Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD). Der Endenergieverbrauch wird von fossilen
Energieträgern dominiert. Die größten Anteile entfallen auf Kraftstoffe (27 %; 2.479 PJ), Gas
(26 %; 2.317 PJ) und Strom (21 %; 1.869 PJ). Erneuerbare Energien werden unter Sonstige
gruppiert /BMWi 2014/.
Energiesituation in Deutschland 13
Abbildung 8: Endenergiebedarf in Deutschland 2012 aufgeschlüsselt nach Sektoren und Energieträgern
Der Bruttostromverbrauch in Deutschland zeigt einen kontinuierlichen Anstieg, der sich seit
Mitte der 2000er abgeschwächt hat. Seit Ende der 1990er Jahre steigt die Stromerzeugung
aus erneuerbaren Quellen an. Dieser Anstieg wurde zunächst durch den Ausbau der Wind-
energie ausgelöst. Seit Anfang der 2000er Jahre kam die Stromerzeugung aus Biomasse hin-
zu. Für die Photovoltaik kann seit Ende der 2000er ein starker Anstieg verbucht werden. In
der Folge des Kernkraft-Ausstiegs vom August 2011 verloren acht deutsche Kernreaktoren
ihre Betriebserlaubnis, wodurch sich die aus Kernkraft erzeugte Strommenge verminderte.
Dieser Ausfall wurde hauptsächlich durch die verstärkte Verstromung von Braunkohle kom-
pensiert. Die Entwicklung der Bruttostromerzeugung ist in Abbildung 9 dargestellt.
Abbildung 9: Bruttostromerzeugung in Deutschland nach eingesetzten Energieträgern von 1990 bis 2012
Durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien sowie durch Effizienzverbesserungen in
konventionellen Kraftwerken sind sinkende spezifische CO2-Emissionen zu verzeichnen.
Betrug der spezifische CO2-Emissionsfaktor ohne Vorketten im Jahr 1990 noch 743 g/kWhel,
so wurde im Jahr 2010 das bisherige Minimum von 559 g/kwhel erreicht. In den Jahren 2011
und 2012 sind die spezifischen CO2-Emissionen, bedingt durch die verstärkte Braunkohlever-
stromung, wieder bis auf einen Wert von 586 g/kWhel (ohne Vorketten) angestiegen /UBA
2014/. Die Entwicklung von spezifischen CO2-Emissionen und Nettostromverbrauch in
Deutschland sind in Abbildung 10 dargestellt. Den energiepolitischen Zielen der Bundesre-
29%
15%27%
29%
Industrie
Gewerbe, Handel,Dienstleistungen
Private Haushalte
Verkehr
8.998 PJ(2012)
4%1%
27%
0%8%
26%
21%
5%8%
Steinkohle
Braunkohle
Kraftstoff
Heizöl schwer
Heizöl leicht
Gas
Strom
Fernwärme
Sonstige
8.998 PJ(2012)
Datenquelle: /BMWi 2014/
0
100
200
300
400
500
600
700
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
Bru
tto
stro
me
rze
ugu
ng
[TW
h]
Müll
Photovoltaik
Biomasse
Wasserkraft
Windkraft
Kernenergie
Erdgas
Mineralöl
Braunkohlen
Steinkohlen
Sonstige
Datenquelle: /BMWi 2014/
14 Energiesituation in Deutschland
gierung folgend ist mit einer weiteren Verringerung der spezifischen CO2-Emissionen zu
rechnen. Dieser Umstand wirkt sich positiv auf die Umweltverträglichkeit strombetriebener
Technologien aus.
Abbildung 10: Nettostromverbrauch und spezifische CO2-Emissionen der Stromerzeugung in Deutsch-
land
3.2 Energieträgerpreise
Nach einer langen stabilen Periode in den 1990er Jahren sind die meisten Brennstoffpreise in
Deutschland seit Beginn der 2000er Jahre im Steigen begriffen. Abbildung 11 zeigt die Preis-
entwicklung von 1991 bis 2012. Die Entwicklung der Strompreise ist in Abbildung 12 darge-
stellt. Hier ist bedingt durch die Liberalisierung des Strommarktes Ende der 1990er Jahre ein
Absinken der Preise zu vernehmen. Seit Beginn der 2000er Jahre folgt darauf jedoch ein kon-
tinuierlicher Anstieg der Preise, der zum einen durch die Entwicklung der Brennstoffpreise
und zum anderen durch steigende Steuern und Abgaben ausgelöst wurde. Diese Entwicklung
setzt Anreize für effiziente Energiewandlungstechnologien.
Abbildung 11: Entwicklung der Brennstoffpreise in Deutschland von 1991 bis 2012
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0
100
200
300
400
500
600
700
800
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
CO
2-E
mis
sio
nsf
akto
r [g
/kW
h]
Stro
mve
rbra
uch
[TW
h]
Stromverbrauch inkl. Stromhandelssaldo CO2-Emissionsfaktor Strommix
Datenquelle: /UBA 2014/
0
2
4
6
8
10
Ene
rgie
träg
erp
rie
s [€
ct./
kWh
]
Heizöl (private Haushalte) schweres Heizöl (Industrie) leichtes Heizöl (Industrie)
Erdgas (private Haushalte) Erdgas (Industrie) Briketts (private Haushalte)
Fernwärme (private Haushalte)
Datenquelle: /BMWi 2014/
Energiesituation in Deutschland 15
Abbildung 12: Entwicklung der Strompreise in Deutschland von 1991 bis 2012
3.3 Wärmebedarf im GHD Sektor in Deutschland
In Deutschland wurden im Jahr 2012 55 % (4.960 PJ) der verbrauchten Endenergie für die
Erzeugung von Wärme eingesetzt. Diese wird zu 44 % in privaten Haushalten, zu 17 % im
GHD Sektor, zu 39 % in der Industrie und nur zu marginalen Anteilen im Verkehrssektor
eingesetzt. In Abbildung 13 ist der Endenergieeinsatz in der Wärmeerzeugung für den GHD
Sektor nach Unterkategorien aufgeschlüsselt. Mehr als 72 % des Wärmebedarfs im GHD
Sektor besteht in den vier Bereichen Büroähnliche Betriebe, Beherbergung, Handel und
Landwirtschaft.
Abbildung 13: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung im GHD Sektor in Deutschland 2012
Im GHD Sektor entfallen 77 % des Endenergieeinsatzes zur Wärmeerzeugung auf die Bereit-
stellung von Raumwärme. Die Erzeugung von Prozesswärme hat einen Anteil von 13 %, der
Anteil von Raumwärme beträgt 10 %.
0
5
10
15
20
25
30
Ene
rgie
träg
erp
rie
s [€
ct./
kWh
]Strom (private Haushalte) Strom (Industrie)
Datenquelle: /BMWi 2014/
45%
0%
39%
4%
3%
2%
2%2%
1%1%0%0%0%
1%
16%
Private Haushalte
Verkehr
Industrie
Büroähnliche Betriebe
Beherbergung, Gaststätten, Heime
Handel
Landwirtschaft
Krankenhäuser, Schulen, Bäder
Baugewerbe
Herstellungsbetriebe
Gartenbau
Textil, Bekleidung, Spedition
Flughäfen
Sonstige
4.861 PJ(2012)
764 PJ(2012)
Datenquellen: /BMWi 2014/, /AGEB 2013a/
Gesamt GHD Sektor
Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung
16 Energiesituation in Deutschland
3.4 Kältebedarf im GHD Sektor in Deutschland
Im GHD Sektor werden bezogen auf das Jahr 2012 51,7 PJ Endenergie zur Erzeugung von
Kälte eingesetzt. Auf die Erzeugung von Prozesskälte entfallen 37,8 PJ (73 %) des Endener-
gieeinsatzes. Die übrigen 13,9 PJ werden für die Bereitstellung von Klimakälte verwendet
/BMWi 2014/. Eine weitere Studie des VDMA hat den Endenergiebedarf für die Kälteerzeu-
gung im GHD Sektor für das Jahr 2009 mittels einer Bottom-Up Betrachtung ausgehend von
der Anzahl installierter Kältesysteme auf 67,5 PJ abgeschätzt /VDMA 2011/. Der Unter-
schied zu den BMWi Energiedaten entsteht durch einen mit 50,7 PJ bedeutend größer abge-
schätzten Endenergieeinsatz zur Erzeugung von Prozesskälte. Die Prozesskälteerzeugung zu
62 % von Kühlgeräten im Lebensmitteleinzelhandel verursacht. Der Endenergiebedarf für die
Erzeugung von Klimakälte wird in der Studie des VDMA mit 16,8 PJ abgeschätzt, von denen
4,1 PJ auf die Klimatisierung von Serverräumen und Rechenzentren entfallen. Aufgrund des
sich stark unterscheidenden Detailierungsgrades sind die genannten Datensätze nur schwer
miteinander vergleichbar. Dennoch ermöglicht die kombinierte Betrachtung die Einordnung
des Kältebedarfs im GHD Sektor.
3.5 Wärmebedarf in der deutschen Industrie
Ein großer Teil (39 %) der Wärmeerzeugung findet in der Industrie satt. In Abbildung 14 ist
der industrielle Wärmebedarf nach Branchen aufgeschlüsselt. Den größten Anteil am indust-
riellen Wärmebedarf haben die energieintensiven Branchen Metall, Chemie, Steine und Er-
den und Papier. Auf sie entfallen 65 % der erzeugten Wärme.
Abbildung 14: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung in der Industrie in Deutschland 2012
In der Industrie besteht der größte Teil (87 %) des Wärmebedarfs in Form von Prozesswär-
me, die zumeist bei hohen Temperaturen jenseits von 100 °C benötigt wird. Die Erzeugung
von Raumwärme und Warmwasser spielt lediglich eine untergeordnete Rolle. Abbildung 15
schlüsselt den Wärmeeinsatz für einzelne Industriezweige nach Anwendungsbereichen auf.
Lediglich in den Branchen Automobil, Maschinenbau und Gummi und Kunststoffindustrie
45%
16%
0%
13%
9%4%
3%
3%
1%1%
1%1%
3%
39%
Private Haushalte
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
Verkehr
Metall
Chemie
Steine und Erden
Papier
Nahrungsmittel
Glas und Keramik
Automobil
Maschinenbau
Gummi und Kunststoff
Sonstige
4.861 PJ(2012)
1.909 PJ(2012)
Datenquellen: /BMWi 2014/, /AGEB 2013b/
Gesamt Industrie
Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung
Energiesituation in Deutschland 17
kommt der Raumwärmeerzeugung eine größere Bedeutung zu, wenn auch die absoluten Ver-
bräuche verhältnismäßig gering sind.
Abbildung 15: Aufschlüsselung des Wärmeeinsatzes in der deutschen Industrie nach
Anwendungsbereichen für das Jahr 2012
Die absoluten Größen des Wärmebedarfs sind für die Industrie in Deutschland in Abbildung
16 nach eingesetzten Energieträgern und Industriebranchen aufgeschlüsselt. Heizöl wird in
der Industrie nur zu geringen Anteilen eingesetzt. Vor allem in der Nahrungsmittelindustrie
besteht ein signifikanter Heizölverbrauch, der allerdings auch hier lediglich einen Anteil von
9 % hat. Kohle wird insbesondere in der Stahlerzeugung und in der Zementherstellung zu
bedeutenden Anteilen zur Befeuerung von Öfen genutzt. In der deutschen Industrie ist Gas
der dominierende Energieträger für die Erzeugung von Wärme.
Abbildung 16: Endenergieeinsatz zur Wärmeerzeugung in der deutschen Industrie aufgeschlüsselt nach
eingesetzten Energieträgern und Industriebranchen
Mehr als 40 % des Wärmebedarfs in der Industrie werden durch die Verbrennung von Natur-
gasen gedeckt. Insbesondere in den Branchen Papier, Nahrungsmittel, Glas und Keramik und
Automobil wird mehr als die Hälfte der erzeugten Wärme aus der Verbrennung von Naturga-
sen gewonnen. In diesen Branchen bestehen demzufolge nur geringe Potenziale, die energie-
bezogenen CO2-Emissionen durch die Substitution von Kohle und Öl durch Naturgase zu
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%
100%
End
en
erg
iee
insa
tz z
ur
Wär
me
erz
eu
gun
g
Raumwärme
Warmwasser
Prozesswärme
Datenquelle: /AGEB 2013/
638
438
179 160 155
72 65 50 34
144
0
100
200
300
400
500
600
700
800
End
en
erg
iee
insa
tz [
PJ]
Kohlen
Heizöl (schwer)
Heizöl (leicht)
sonstige Mineralöle
Naturgase
sonstige Gase
Erneuerbare
Strom
Fernwärme
Sonstige Brennstoffe
Datenquelle: /AGEB 2013/
18 Energiesituation in Deutschland
senken. Die hier bestehenden Optionen für eine weitere Reduktion der CO2-Emissionen be-
schränken sich auf den Einsatz erneuerbarer Energieträger sowie die Durchführung von
Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz.
3.6 Kältebedarf in der deutschen Industrie
Für die Kälteerzeugung wurden im Jahr 2012 in Deutschlands Industrie 8,8 TWh (31,5 PJ)
Strom verbraucht. Davon entfielen 3,9 TWh (14 PJ) auf die Erzeugung von Klimakälte und
4,7 TWh (16,9 PJ) auf die Erzeugung von Prozesskälte /AGEB 2013b/. In Abbildung 17 ist
der Stromeinsatz zur Kälteerzeugung nach Industriezweigen aufgeschlüsselt. Den größten
Anteil (41 %) nimmt die Nahrungsmittelindustrie ein. Vor allem in der Milch- und Fleisch-
verarbeitung besteht ein großer Kältebedarf zur Konservierung von Nahrungsmitteln. In den
vergangenen Jahren ist darüber hinaus ein steigender Kältebedarf in der Backwarenindustrie
zu verzeichnen, der durch die vermehrte Umstellung der Produktion von Frischware auf
Tiefkühlprodukte verursacht wird. In der chemischen Industrie besteht ein Kältebedarf zur
Kühlung von Fluiden und Reaktoren im Produktionsprozess. In den übrigen Industriezweigen
wird Kälte vorwiegend für Klimatisierung und Maschinenkühlung eingesetzt.
Abbildung 17: Stromeinsatz zur Kälteerzeugung in der deutschen Industrie 2012
Zum Kältebedarf der Industrie in Deutschland liegen nur wenige Studien vor, die zum Teil zu
erheblich voneinander abweichenden Ergebnissen kommen. Zu nennen wäre neben den Zah-
len der AG Energiebilanzen /AGEB 2013b/ und /AGEB 2011/ die bereits in Kapitel 3.4 er-
wähnte Studie des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau /VDMA 2011/. Tabelle
2 zeigt eine Übersicht zu den Zahlen von AGEB und VDMA für das Jahr 2009. Die Abschät-
zung des Kältebedarfs erfolgte in beiden Studien über eine Bottom-Up Analyse. In der AGEB
Studie bilden Kennzahlen zum Kältebedarf der Industriezweige die Basis der Berechnung.
Die Hochrechnung erfolgt für die Klimakälte über die Anzahl und Art der Beschäftigten so-
wie über spezifische Kältekennzahlen. Für die Prozesskälte erfolgt die Hochrechnung über
Produktionskennzahlen und den spezifischen Energieaufwand von Produktionsschritten. Die
Studie des VDMA baut auf einer Auswertung von Absatzstatistiken von Kälteanlagen sowie
einer Auswertung verschiedenster Quellen auf und berechnet ebenfalls im Bottom-Up Ansatz
den Endenergiebedarf für die Kälteerzeugung in der Industrie. Der Kältebedarf der Nah-
3.500
2.500
694 500 472 444 38956 28
694
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
Stro
me
insa
tz z
ur
Kä
lte
erz
eu
gun
g [G
Wh
]
Klimakälte
Prozesskälte
Datenquelle:/AGEB 2013/
Energiesituation in Deutschland 19
rungsmittelindustrie wird in der VDMA Studie für die Unterbranchen Fleischverarbeitung
und Brauereien einzeln ausgewiesen. Zudem weist die VDMA Studie den Kältebedarf für
Luftverflüssigung, Drucklufterzeugung und –trocknung sowie für Schaltschrankkühlung ge-
sondert aus.
Der Vergleich der Studien zeigt, dass insbesondere in der Prozesskälteerzeugung in der Nah-
rungsmittelindustrie und in der Klimakälteerzeugung in den Branchen Nahrungsmittel,
Gummi und Kunststoffe sowie Maschinenbau größere Unsicherheiten bestehen. Zudem wird
in der AGEB Studie die Luftzerlegung nicht der Kälteerzeugung zugerechnet.
Tabelle 2: Studienvergleich zur Kälteerzeugung in der Industrie in Deutschland
Branche Endenergieeinsatz zur Kälteerzeugung im Jahr 2009 [GWh]
/AGEB 2011/ /VDMA 2011/
Nahrungsmittel 3.472 6.886
Chemie 2.250 2.311
Metall 667 keine Angabe
Gummi und Kunststoffe 444 700
Maschinenbau 444 117
Automobil 417 370
Papier 306 145
Glas und Keramik 56 keine Angabe
Steine und Erden 28 170
Sonstige 667 6.191
- davon Luftzerlegung keine Angabe 5.200
- davon Druckluft keine Angabe 94
- davon Serverschränke keine Angabe 313
3.7 Analyse industrieller Prozesse bezüglich des Einsatzes von Wärmepumpen
Die Vorlauftemperatur eines Wärmeverteilsystems ist abhängig von Art und Energiebedarf
der angeschlossenen Wärmeverbraucher. Üblicherweise wird die Vorlauftemperatur von
Wärmeverteilsystemen in der Industrie nach dem Bedarf des Prozesses mit der höchsten Be-
triebstemperatur gewählt. Lassen sich verschiedene Prozesse bündeln oder gibt es einzelne
Prozesse mit einem sehr hohen Wärmebedarf, so werden meist getrennte Wärmeverteilsys-
teme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben.
Wärmepumpen können derzeit bis zu einer Vorlauftemperatur von 100 °C eingesetzt werden.
Für Temperaturen bis zu 125 °C existieren Prototypen. Höchsttemperaturwärmepumpen, die
Vorlauftemperaturen von mehr als 125 °C liefern können werden derzeit noch erforscht. Ein-
zelne Anlagen in diesem Bereich wurden allerdings schon realisiert.
Bei der Betrachtung des Potenzials der Wärmepumpentechnologie in der Industrie ist die
lieferbare Vorlauftemperatur der wesentliche Parameter, der das technische Einsatzpotenzial
in der Industrie bestimmt. In Abbildung 18 sind die typischen Betriebstemperaturen von in-
dustriellen Wärmeverbrauchern nach Industriezeigen aufgegliedert dargestellt. Für die Be-
triebstemperaturen sind jeweils Bandbreiten angegeben, da sie vom jeweils eingesetzten Ver-
20 Energiesituation in Deutschland
fahren abhängen. Die verwendeten Daten stammen aus den Studien /Aidonis et al. 2005/ und
/Lauterbach et al. 2012/, die basierend auf Literaturanalysen eine Zusammenstellung von
Temperaturbereichen industrieller Prozesse erstellt haben.
Abbildung 18: Temperaturen und auf die jeweilige Produktmenge bezogene Wärmeverbräuche industri-
eller Prozesse
Die Temperaturbänder sind entsprechend der verfügbaren Wärmepumpentechnik eingefärbt.
Die Einfärbung verdeutlicht, dass ein Großteil der aufgeführten Prozesse bereits mit heutiger
Wärmepumpentechnik versorgt werden können. Neben der Temperaturübersicht sind auch
die auf das jeweilige Produkt bezogenen spezifischen Wärmeverbräuche der betrachteten
Prozesse angegeben. Für Metallverarbeitung und Maschinenbau werden keine Werte ge-
nannt. In beiden Industriezweigen werden Prozesse der Oberflächenbehandlung aufgeführt,
die einen bedeutenden Wärmebedarf bei niedrigen Temperaturen haben. Da hier aber ledig-
lich die Oberfläche der Werkstücke behandelt wird, existiert nur eine sehr schwache Korrela-
tion zwischen Produktionsmenge und Wärmebedarf. Aus diesem Grund kann der produkti-
Branche Prozess von bis
Raumwärme 4 626
Warmwasser 4 515
Biochemische Reakt. 180 1.770
Destillation 468 612
Kochen 2.866 7.100
Blanchieren 367 464
Brühen 61 140
Eindampfen 216 4.634
Kochen 2.866 6.037
Pasteurisieren 47 783
Räuchern 72 864
Reinigen 1 54
Sterilisieren 55 1.116
Temperieren 16 72
Trocknen 547 14.749
Waschen 14 181
Bleichen 8.280 8.280
Entfärben 1.285 1.285
Kochen 7.100 7.100
Trocknen 3.600 4.321
Beizen
Verchromen
Entfetten
Galvanisieren
Phosphatieren
Spülen
Trocknen
Gummi und Kunststoff Trocknen 1.404 2.772
Oberflächenbehandlung
Reinigen
Bleichen 180 180
Färben 1.135 1.190
Trocknen 2.052 7.728
Waschen 324 3.738
Dämpfen 1.416 8.400
Pressen 360 636
Trocknen 324 4.800
heute Verfügbar (konventionelle Wärmepumpen)
heute Verfügbar (Hochtemperaturwärmepumpen)
Prototypen (Hochtemperaturwärmepumpen)
Laboranlagen (Höchsttemperaturwärmepumpen)
Datenquellen: /SolarFoods 2013/, /Lauterbach et al. 2012/, /Mandl, Kapusta 2011/, /Kapusta 2010/, /Reisenbichler 2009/, /Blesl et al. 2008/, /Vogt et al. 2008/,
/Aidonis et al. 2005/, /Tech et al. 2003/, /Gloor 2000/, /LfU 2002/, /LfU 2000/, /Layer et al. 1999/, eigene Berechnungen
10 20 30 40 50 60 70 80 90 160140 150
Metallverarbeitung
100 110 120 130
Branchenübergreifend
Chemie
Nahrungsmittel
Papier
Maschinenbau
Textil
Holz
Verfügbarkeit von
Wärmepumpentechnik
Energiesituation in Deutschland 21
onsmengenspezifische Wärmebedarf in diesen Branchen nicht als Kennzahl verwendet wer-
den. Die Kennzahlen der übrigen Prozesse stammen aus einer Auswertung der verfügbaren
Literatur sowie eigenen Messungen.
In Abbildung 18 wird deutlich, dass in der Nahrungsmittel-, Papier- und Chemieindustrie
energieintensive Produktionsprozesse zu finden sind, die bei Temperaturen unterhalb von
160 °C betrieben werden. Insbesondere Trocknen, Eindampfen, Kochen, Waschen und Rei-
nigen sind Prozesse, die in der Regel bei Temperaturen unterhalb von 125 °C betrieben wer-
den. Zudem kommt vor allem beim Trocknen und Eindampfen die Abwärme des Prozesses
selbst als Wärmequelle in Frage. In der metallverarbeitenden Industrie sind zudem viele Pro-
zesse mit Betriebstemperaturen unterhalb von 100 °C zu finden. Diese Prozesse können mit
bereits heute verfügbarer Wärmepumpentechnik versorgt werden. Weitere bedeutende Wär-
mesenken bestehen in der Raumwärme- und Warmwassererzeugung, die zumeist ebenfalls
geringe Vorlauftemperaturen erfordern. Ein umfassender Überblick über den Stand der Wär-
mepumpentechnik wird in Kapitel 4 gegeben.
3.8 Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der deutschen Industrie
Aus der Analyse des Wärmebedarfs der Industrie in Deutschland wurde in Verbindung mit
der energetischen Analyse der industriellen Wärmeverbraucher das Technische Potenzial für
den Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie abgeschätzt. In Abbildung 19 ist das techni-
sche Potenzial nach Industriezweigen und Temperaturniveaus aufgeschlüsselt dargestellt.
Im Niedertemperaturbereich, der neben Raumwärme- und Warmwassererzeugung auch Pro-
zesswärme bis zu einer Temperatur von 70 °C umfasst, besteht ein Potenzial von 211 PJ
(11 % des industriellen Wärmebedarfs in Deutschland), das mit bereits erprobter und breit
verfügbarer Wärmepumpentechnik erschlossen werden könnte. Besondere Aufmerksamkeit
in diesem Temperatursegment gehört dem Maschinenbau und der Automobilindustrie, die
einen vergleichsweise hohen Raumwärmebedarf aufweisen. Mögliche Wärmequellen in die-
sen Branchen sind Druckluft- und Kälteanlagen sowie Abwärme aus der Maschinenkühlung.
Moderne Hochtemperaturwärmepumpen können Temperaturen von bis zu 100 °C liefern.
Weitet man die Potenzialbetrachtung auf dieses Temperatursegment aus, so kommen noch
einmal 226 PJ hinzu. Insgesamt beläuft sich das technische Potenzial unterhalb von 100 °C
auf 437 PJ (23 % des industriellen Wärmebedarfs in Deutschland). Zugewinne liegen vor
allem in der Papierindustrie im Bleichen, Entfärben und der Presstrocknung des Papiers. Als
Wärmequelle stehen in der Papierindustrie große Mengen Abwasser mit einer Temperatur
von 30 bis 35 °C zur Verfügung.
22 Energiesituation in Deutschland
Abbildung 19: Technisches Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie in Deutschland
im Jahr 2012
Erweitert man die Temperaturobergrenze auf 140 °C, die bereits von einigen Wärmepumpen
erreicht wurden, so steigt das technische Potenzial auf insgesamt 611 PJ (32 % des industriel-
len Wärmebedarfs). Das zusätzliche Potenzial besteht hauptsächlich in der Nahrungsmittel-
und der chemischen Industrie. Der Wärmebedarf bei diesen Temperaturen besteht in der Nah-
rungsmittelindustrie zu großen Teilen in den Prozessen Pasteurisierung, Sterilisierung und
Trocknung. In der chemischen Industrie sind Destillationsprozesse für einen großen Anteil
des Wärmebedarfs in diesem Temperatursegment verantwortlich.
Bei dem in Abbildung 19 dargestellten Potenzial handelt es sich um das technische Potenzial
für Wärmepumpen in der Industrie in Deutschland. Daher unterliegen die gezeigten Zahlen
keinerlei ökonomischen und ökologischen Restriktionen. Bei der Planung von Wärmepum-
penanlagen in industriellen Betrieben ist das Vorhandensein einer geeigneten Wärmequelle
eine wesentliche Voraussetzung für die wirtschaftliche Umsetzbarkeit. Zudem fordern In-
dustriebetriebe Amortisationszeiten von 2 bis 5 Jahren ein, die sich aufgrund hoher Anschaf-
fungskosten von Wärmepumpenanlagen nicht in allen Fällen erreichen lassen. All diese Fak-
toren wirken sich limitierend auf das Potenzial aus, so dass davon auszugehen ist, dass das
wirtschaftliche Potenzial für Wärmepumpenanwendungen in der Industrie weitaus geringer
eingeschätzt werden kann. Doch selbst bei der Annahme, dass sich 20 % des technischen
Potenzials auch wirtschaftlich umsetzen lassen, so verbleibt ein Potenzial von 122 PJ, was
6,3 % des industriellen Endenergiebedarfs entspricht. Die bisher geringe Anzahl an doku-
mentierten Anlagen lässt vermuten, dass dieses Potenzial noch weitgehend unangetastet ist.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Na
hru
ng
sm
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r
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ck
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nb
au
Au
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ob
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So
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Wä
rme
be
da
rf [
PJ
/a]
zusätzliche PW* 140°C
zusätzliche PW* 100°C
zusätzliche PW* 80°C
PW* 70°C
Raumwärme
Warmwasser
*) PW = Prozesswärme
145
15
8
151
7
131
24
52
39 39
Stand der Wärmepumpentechnik 23
4 Stand der Wärmepumpentechnik
Das Kapitel beleuchtet die Entwicklung von Investitionskosten und Effizienz von Wärme-
pumpen über einen Zeitraum von knapp 20 Jahren. Ergänzt wird Beschreibung des Stands der
Wärmepumpentechnik durch eine Marktanalyse zu Industriewärmepumpen.
4.1 Entwicklung der Kosten von Wärmepumpen
Verglichen mit brennerbasierten Wärmeerzeugungstechnologien ist die technische Umset-
zung des Wärmepumpenprinzips mit einem höheren anlagentechnischen Aufwand verbun-
den. Dieser Umstand schlägt sich in vergleichsweise hohen Anschaffungskosten für eine
Wärmepumpenanlage aus. Das Wärmepumpenaggregat stellt üblicherweise die größte Kos-
tenkomponente dar. Zur Erfassung dieser Kostenkomponente wurden für das Jahr 2012 Kos-
ten- und Leistungsdaten von 254 Wärmepumpen von 8 Herstellern in einer Datenbank er-
fasst. Auf Basis dieser Daten wurden Kostenkurven für Wärmepumpenaggregate in Abhän-
gigkeit der Heizleistung erstellt. Die Kurven sind hinsichtlich der nutzbaren Wärmequellen-
medien Sole, Wasser und Luft aufgegliedert in Abbildung 20, Abbildung 21 und Abbildung
22 dargestellt. Für die Erstellung der Kurven wurden die Daten von
88 Sole/Wasser, 87 Wasser/Wasser und 79 Luft/Wasser Wärmepumpen ausgewertet. Die
Heizleistung der Wärmepumpen reicht von 4,7 bis 183 kW thermische Leistung. Kostendaten
zu Wärmepumpen mit größeren Heizleistungen liegen nicht vor. Da diese zumeist nach Kun-
denwunsch angepasst oder eigens auf Kundenanfrage individuell gebaut werden, geben die
Hersteller für diese Anlagen keine Preislisten heraus.
Abbildung 20: Kosten von Sole/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012
y = 3106,1x0,4421
R² = 0,83
y = 2610,2x-0,558
R² = 0,88
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
spez
ifis
che
Ko
ste
n [€
/kW
]
Ko
ste
n [€
]
Heizleistung [kW]
Wasser/Wasser Wärmepumpen
Kosten Wärmepumpe [€] spezifische Kosten Wärmepumpe [€/kW]
24 Stand der Wärmepumpentechnik
Abbildung 21: Kosten von Wasser/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012
Abbildung 22: Kosten für Luft/Wasser Wärmepumpen im Jahr 2012
Zur Betrachtung der historischen Entwicklung der Wärmepumpenpreise wurden zudem
Preislisten aus den Jahren 1990 bis 2012 analysiert. Als Betrachtungsgegenstand wurde
Haushaltswärmepumpen mit einer thermischen Leistung von 7,5 bis 12,5 kW gewählt, da für
diese Produktgruppe die beste Datenlage besteht. Die Preisentwicklungen in Abbildung 23,
Abbildung 24 und Abbildung 25 zeigen ein deutliches Absinken der Preise gegenüber den
1990er Jahren. Seit Einsetzen des zweiten Wärmepumpenbooms in den 2000er Jahren bewe-
gen sich die Preise auf konstantem Niveau innerhalb eines engen Bands.
y = 3106,1x0,4421
R² = 0,83
y = 2610,2x-0,558
R² = 0,88
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
spez
ifis
che
Ko
ste
n [€
/kW
]
Ko
ste
n [€
]
Heizleistung [kW]
Wasser/Wasser Wärmepumpen
Kosten Wärmepumpe [€] spezifische Kosten Wärmepumpe [€/kW]
y = 4.127,33x0,47
R² = 0,59
y = 3.468,35x-0,53
R² = 0,64
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200sp
ezif
isch
e K
ost
en
[€
/kW
]
Ko
ste
n [€
]
Heizleistung [kW]
Luft/Wasser Wärmepumpen
Kosten Wärmepumpe [€] spezifische Kosten Wärmepumpe [€/kW]
Stand der Wärmepumpentechnik 25
Abbildung 23: Historische Entwicklung der Preise von Sole/Wasser Wärmepumpen
Abbildung 24: Historische Entwicklung der Preise von Wasser/Wasser Wärmepumpen
Abbildung 25: Historische Entwicklung der Preise von Luft/Wasser Wärmepumpen
4.2 Entwicklung der Effizienz von Wärmepumpen
Die Leistungszahl ist die wesentliche Effizienzkennzahl einer Wärmepumpe. Die Interstaatli-
che Hochschule für Technik in Buchs (Schweiz) verfügt über eine bis 1993 zurückreichende
Datenbank von Prüfstandsmessungen von Kleinwärmepumpen für den Haushaltsbereich. Die
Auswertung dieser Daten zeigt in Abbildung 26 und Abbildung 27 die historische Entwick-
lung der Leistungszahl gemessen nach DIN EN 255 und DIN EN 14511. Für Sole/Wasser
01.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000
02468
1012141618
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
spe
z. W
ärm
ep
um
pe
np
reis
[€
20
10/
kW]
Stic
hp
rob
en
grö
ße
Stichprobengröße Durchschnittlicher Wärmepumpenpreis
01.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000
02468
1012141618
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
spe
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um
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reis
[€
20
10/k
W]
Stic
hp
rob
en
grö
ße
Stichprobengröße Durchschnittlicher Wärmepumpenpreis
01.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000
02468
1012141618
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
spe
z. W
ärm
ep
um
pe
np
reis
[€
20
10/
kW]
Stic
hp
rob
en
grö
ße
Stichprobengröße Durchschnittlicher Wärmepumpenpreis
26 Stand der Wärmepumpentechnik
Wärmepumpen sind die gemessenen Leistungszahlen in den vergangenen Jahren leicht ange-
stiegen. Ausgehend von der Messung nach DIN EN 14511 ist seit 2005 ein jährlicher Anstieg
der Leistungszahl von 0,5 % zu verzeichnen. Luft/Wasser Wärmepumpen zeigten im glei-
chen Zeitraum einen jährlichen Anstieg der Leistungszahl von 1,6 %. Insbesondere in den
Jahren 2011 und 2012 war ein deutlicher Anstieg zu verzeichnen der hauptsächlich auf ver-
kürzte Abtauzeiten oder eine gänzlichen Wegfall von Abtauperioden durch optimierte Rege-
lung zurückzuführen ist.
Abbildung 26: Entwicklung der Leistungszahlen von Sole/Wasser Wärmepumpen von 1993 bis 2012
Abbildung 27: Entwicklung der Leistungszahlen von Luft/Wasser Wärmepumpen von 1993 bis 2012
Die beobachteten Anstiege der Leistungszahlen werden getrieben durch ein verbessertes Ver-
ständnis der Wärmepumpentechnik und spezialisierte Komponenten. Dies gilt zu großen Tei-
len auch für Großwärmepumpen. Die Ergebnisse lassen sich daher auf diese Produktgruppe
übertragen. Die Leistungszahlen von Großwärmepumpen dürften indes bei identischen Be-
triebsbedingungen leicht höher liegen, da einige interne Verbraucher, wie beispielsweise die
Mess-Steuer-Regeltechnik, unterproportional mit der thermischen Leistung skalieren.
3,8 3,94,0
4,24,5 4,4
4,24,3 4,4 4,4 4,5
4,3 4,4 4,5 4,5 4,5 4,5 4,54,8 4,8
4,2 4,3 4,2 4,2 4,14,2
4,54,4
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
COP (EN 255) COP (EN 14511)
Datenquelle: /Eschmann 2013/
2,3
2,82,9
3,2 3,2 3,1 3,2 3,3 3,3 3,3 3,4 3,5 3,43,3
3,53,4
3,7 3,73,8
4,1
3,23,0
3,33,1
3,43,5 3,5
3,7
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
COP (EN 255) COP (EN 14511)
Datenquelle: /Eschmann 2013/
Stand der Wärmepumpentechnik 27
4.3 Marktübersicht für Wärmepumpen
Das Angebot von Wärmepumpen mit großer Leistung und hohen Vorlauftemperaturen ist in
den vergangenen Jahren beständig gewachsen. Eine Auswahl an Produkten für den Einsatz in
Industrie und Gewerbe ist in Tabelle 3 aufgelistet. Die Tabelle beinhaltet Heizleistung, liefer-
bare Temperatur und Kältemittel für 44 Industriewärmepumpen von 14 Herstellern. Das Leis-
tungsspektrum der angebotenen Wärmepumpen reicht von 15 kW bis zu 20 MW. Durch Pa-
rallelbetrieb lassen sich auch größere Heizleistungen realisieren. 10 Hersteller bieten Hoch-
temperaturwärmepumpen an, die mehr als 80 °C Vorlauftemperatur liefern können. Drei Her-
steller erreichen sogar 100 °C oder mehr.
4.4 Bewertung des Stands der Wärmepumpentechnik
Die Marktstudie hat gezeigt, dass Heizungswärmepumpen in den vergangenen Jahren an Ef-
fizienz gewinnen konnten. Besonders ausgeprägt ist dieser Trend bei Luft/Wasser Wärme-
pumpen. Gleichzeitig konnten die Hersteller die spezifischen Investitionskosten auf einem
konstanten Niveau halten. Die erstellten Kostenkurven bis zu einer Heizleistung von
ca. 50 kW zeigen eine ausgeprägte Kostendegression. Für Industriewärmepumpen mit großen
Heizleitungen können spezifische Investitionskosten von 200 bis 250 €/kW angenommen
werden. Für die Integration der Wärmepumpe kommen noch einmal 60 % bis 100 % des
Wärmepumpenpreises hinzu. Die Marktübersicht zu Industriewärmepumpen in Tabelle 3
zeigt, dass eine steigende Anzahl von Herstellern Wärmepumpenlösungen für industrielle
Anwendungen anbietet.
28 Stand der Wärmepumpentechnik
L7 G
H [
…]
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Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik 29
5 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik
Das Kapitel gibt einen Überblick über die historische Entwicklung der Forschung an Wärme-
pumpen. Es wird aufgezeigt, wie sich das Forschungsinteresse und die Bedeutung der Wär-
mepumpentechnik im Verlauf der letzten Jahrzehnte entwickelt haben. Die Betrachtung dient
der Einordnung der Forschungsaktivität auf dem Gebiet der Wärmepumpentechnik in Bezug
auf die historische Entwicklung und deren Treiber.
Darüber hinaus werden bedeutende aktuelle Forschungsprojekte vorgestellt. Die Ausgewähl-
ten Projekte haben in großem Maße dazu beigetragen, die Wärmepumpentechnik für den Ein-
satz im industriellen Kontext vorzubereiten.
In Kapitel 5.1 erfolgt eine Auswertung der Forschungsaktivität auf dem Gebiet der Wärme-
pumpentechnik. Zudem wird eine Auswertung der in Europa auf diesem Gebiet erteilten Pa-
tente vorgenommen bevor in den Kapiteln 5.2, 0 und 5.4 auf einzelne aktuelle Forschungs-
vorhaben aus den Kategorien Kältemittel, Verdichter und Wärmepumpenanlagen eingegan-
gen wird.
5.1 Entwicklung der Forschungsaktivität
Der Förderkatalog der Bundesregierung /BMBF 2012/ enthält Daten zu mehr als 160.000
Forschungsprojekten, die seit 1970 in Deutschland gefördert wurden. Die Forschungsaktivität
im Forschungsfeld Wärmepumpen folgte historisch dem Niveau der Energiepreise, insbeson-
dere des Ölpreises. Induziert durch die Ölpreiskrisen von 1973 und 1979 wurde eine große
Zahl an Forschungsprojekten gestartet, die im Jahr 1982 mit 55 laufenden Projekten und ei-
nem Fördervolumen von 11,0 Mio. EUR2010 ein Maximum erreichte. Im Zuge der sinkenden
Energiepreise war im Laufe der 1990er und frühen 2000er Jahre auch das Forschungsinteres-
se an Wärmepumpen rückläufig. Seit 2007 ist wieder ein deutlicher Anstieg des Forschungs-
interesses zu verzeichnen. Im Jahr 2012 liefen 44 Forschungsprojekte mit einem Gesamtvo-
lumen von 7,6 Mio. EUR2010. Im Unterschied zum ersten Wärmepumpenboom in den frühen
1980er Jahren hat sich die heutige Forschung von den Haushalts- und Kleinwärmepumpen zu
den Industrie- und Großwärmepumpen verlagert. Der Anteil dieses Forschungsschwerpunkts
an der gesamten Wärmepumpenforschung ist in Abbildung 29 dargestellt. Im Jahr 2012 ent-
fielen 55 % der Forschungsprojekte und 52 % des Fördervolumens auf dieses Segment.
30 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik
Abbildung 28: Forschungsprojekte des Bundes mit dem Fokus „Wärmepumpen Gesamt“
Abbildung 29: Forschungsprojekte des Bundes mit dem Fokus „Industrie- und Großwärmepumpen“
Die verstärkte Aktivität im Forschungsfeld Wärmepumpen schlägt sich auch in der Anzahl
angemeldeter Patente nieder. Eine Auswertung der Datenbank des European Patent
Office (EPO) zeigt einen Anstieg erteilter Patente im Bereich der Wärmepumpentechnik von
61 im Jahr 2008 bis auf 161 im Jahr 2012. Die Erteilung von Patenten an Erfinder aus
Deutschland stieg im selben Zeitraum von 16 auf 30. Über den Fünfjahreszeitraum von 2008
bis 2012 wurden 132 Patente an Erfinder aus Deutschland erteilt, 115 an Japan, 45 an Korea
und 34 an die USA. In Abbildung 30 sind die von 2008 bis 2012 erteilten Patente nach Her-
kunft der Erfinder aufgeschlüsselt.
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Anzahl der geförderten Forschungsprojekte (Gesamt)
Anzahl der geförderten Forschungsprojekte (Industrie- und Großwärmepumpen)
Forschungsförderung (Industrie- und Großwärmepumpen)
Datenquelle: /BMBF 2012/, /Destatis 2014/
Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik 31
Abbildung 30: Globale Verteilung der durch das European Patent Office (EPO) erteilten Patente im
Themenbereich Wärmepumpe
Die Aufschlüsselung nach Technikkategorien in Abbildung 31 zeigt einen Anstieg der erteil-
ten Patente in fast allen Technikkategorien. Die stärkste Zunahme ist im Bereich der Mess-,
Steuer- und Regelungstechnik zu verzeichnen. Darauf folgen die Patente auf Systemlösun-
gen. Während bei der Raumwärme- und Warmwassererzeugung Patente vor allem auf Lö-
sungen zur Einbindung von Wärmequellen erteilt wurden, so sind in der Erzeugung von Pro-
zesswärme hauptsächlich neue Produkte mit integrierter Wärmepumpe aufgeführt. Hierzu
zählen vor allem Haushaltsprodukte wie Wäschetrockner und Geschirrspüler.
Die Entwicklung neuer Kältemittel und Verdichter sind der Schlüssel zur Entwicklung von
Industriewärmepumpen, die hohe Temperaturen erreichen und große Leistungsbereiche ab-
decken müssen. Im Folgenden wird eine Auswahl bedeutender Forschungsergebnisse auf
diesem Gebiet präsentiert.
Abbildung 31: Thematische Verteilung der durch das European Patent Office (EPO) erteilten Patente im
Themenbereich Wärmepumpe
5.2 Kältemittel
Als Kältemittel werden Arbeitsstoffe bezeichnet, die in Wärmepumpen den Wärmetransport
übernehmen und in der Regel einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufen. Grundsätzlich
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Kältemittel
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Systemauslegung - Warmwasser
Systemauslegung - Prozesswärme
Sonstige
Datenquelle: Auswertung des Europäischen Patentregisters /EPO 2013/
32 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik
kann jeder Stoff als Kältemittel verwendet werden, der bei technisch erreichbaren Drücken
verflüssigt und bei den gewünschten tiefen Temperaturen verdampft werden kann. Voraus-
setzung ist im Allgemeinen lediglich, dass bei den im Folgenden dargestellten Kältemitteln
die kritische Temperatur und der kritische Druck ausreichend weit oberhalb und die Erstar-
rungstemperatur unterhalb der üblichen Betriebsbedingungen liegen. Ausnahmen hierzu sind
überkritische Anwendungen wie z. B. beim Einsatz von CO2. Eine entscheidende Rolle spie-
len ferner die physiologischen Eigenschaften der Kältemittel und ihrer Spaltprodukte in ihrer
Wirkung auf Mensch, Tier und die Umwelt sowie der mögliche Einfluss auf das zu kühlende
Gut. Die wirtschaftlichen Forderungen wie Preis, Verfügbarkeit und volumetrische Kälteleis-
tung als Maß für die benötigte Verdichtergröße sind weitere wichtige Kriterien. In der Praxis
erfüllen nur wenige Kältemittel diese Anforderungen. Eine Auswahl geeigneter Kältemittel
und ihrer technischen Eigenschaften ist in Tabelle 4 zusammengefasst. Die Kältemittel sind
nach der kritischen Temperatur sortiert. R744 (CO2) wurde trotz der niedrigen kritischen
Temperatur aufgenommen, da in überkritischen arbeitenden Wärmepumpen ebenfalls Tem-
peraturen bis zu 90 °C erreicht werden können.
Im Folgenden werden zwei Forschungsvorhaben zur Entwicklung neuer Kältemittel, die sich
für die Anwendung in Hochtemperaturwärmepumpen eignen, genauer vorgestellt.
5.2.1 Hochtemperaturkältemittel HFO-1336mzz-Z (DuPont)
DuPont entwickelt mit R1336mzz-Z ein neues Hochtemperaturkältemittel mit einer hohen
kritischen Temperatur von 171 °C, einem niedrigen GWP von 9 und guten Sicherheitseigen-
schaften. In Labortests wurde gezeigt, dass Materialverträglichkeit und Temperaturbestän-
digkeit ähnlich gut wie bei R245fa sind. Die Markteinführung wird voraussichtlich 2016/17
erfolgen /Kontomaris 2013/.
5.2.2 Hochtemperaturkältemittel LG6 (Siemens)
Ausgehend von einer breit angelegten Analyse hat Siemens einen bereits verfügbaren Stoff
gefunden, der sich als Kältemittel für Hochtemperaturwärmepumpen eignet. Das auf den Ar-
beitsnamen LG6 getaufte Kältemittel erreichte bei Labortests insbesondere bei Kondensati-
onstemperaturen von 110 bis 150 °C bessere COPs als R245fa. Für niedrigere Kondensati-
onstemperaturen ist es aufgrund seiner vergleichsweise geringen volumetrischen Heizleistung
allerdings nicht geeignet /Reissner et al. 2013/. Aufgrund der nur spärlich vorhandenen In-
formationen ist das Kältemittel nicht in Tabelle 4 enthalten.
Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik 33
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34 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik
5.3 Verdichter
Der Verdichter ist die zentrale Komponente einer Wärmepumpe. Er ist wesentlich für die
Wirtschaftlichkeit verantwortlich. Bei der Wahl des Verdichters zählen nicht alleine die
Energieeffizienz des Verdichters, sondern auch die Anwendungsgrenzen hinsichtlich Ver-
dampfungs- und Verflüssigungstemperatur, eine langlebige Mechanik und ein geräuscharmer
Betrieb. Der Verdichter funktioniert in einer Wärmepumpenanwendung in gleicher Weise,
wie in einer Kälteanlage. Er bringt dampfförmiges Kältemittel von einem niedrigen Druck
und einer niederen Temperatur auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau. Als Antrieb
hierzu wird in aller Regel ein Elektromotor genutzt, der aus dem Stromversorgungsnetz ge-
speist wird.
In der Wärmepumpentechnik haben sich besonders Hubkolben-, Scroll-, Schrauben- und
Turboverdichter etabliert. Bei der Auswahl eines Wärmepumpenverdichters ist zunächst das
Kältemittel zu berücksichtigen. Der Verdichter muss für das gewünschte Kältemittel freige-
geben sein und dabei über einen breiten Anwendungsbereich verfügen, der den Anforderun-
gen des jeweiligen Anwendungsfalls entspricht. Eine Übersicht über die technischen Eigen-
schaften und die Anwendungsbereiche der einzelnen Verdichtertypen wird in Tabelle 5 gege-
ben. In den folgenden Kapiteln 5.3.1, 5.3.2 und 5.3.3 werden zwei Schrauben- und ein Tur-
boverdichter vorgestellt, die speziell für den Einsatz bei großen Leistungen und hohen Tem-
peraturen entwickelt wurden.
Tabelle 5: Technische Eigenschaften von Wärmepumpenverdichtern
Verdichterbauart Hubkolben Scroll Schraube Turbo
Antriebsprinzip Verdränger Verdränger Verdränger Strömungs-maschine
Verdichtung statisch statisch statisch dynamisch
Hubvolumen geometrisch geometrisch geometrisch abhängig vom Gegendruck
Förderung pulsierend stetig stetig stetig
Volumenstrom bis 1.000 m³/h bis 500 m³/h 100 bis
10.000 m³/h 100 bis
50.000 m³/h
Heizleistung bis 800 kW bis 400 kW 80 bis
8.000 kW 80 bis
40.000 kW
Druckverhältnis im Regelfall (einstufig)
bis 10 bis 10 bis 30 bis 5
Regelbarkeit bei kon-stanter Drehzahl
Stufen schwierig stufenlos stufenlos
Drehzahlregelung möglich möglich möglich möglich
Empfindlichkeit gegen Flüssigkeitsschläge
hoch gering gering gering
Verursacht Erschütte-rungen
ja nein nein nein
Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik 35
5.3.1 Einwelliger Schraubenverdichter für R717 (Emerson Climate Technologies)
In einer Kooperation bieten Emerson Climate Technologies und Star Refrigeration unter dem
Markennamen Neatpump Großwärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak
an. Die Anlagen sind modular aufgebaut und werden in Größen von 50 kW bis zu 8.000 kW
Heizleistung angeboten. Die größte installierte Anlage hat eine Heizleistung von 14,3 MW.
Die erreichbare Vorlauftemperatur beträgt 90 °C. Möglich wird die hohe Temperatur durch
die neue Vilter Schraubenverdichter-Generation von Emerson Climate Technologies. Die
Verdichterkonstruktion mit nur einer Schraube führt zu geringeren Belastungen des Rotors,
da die Zähne der beiden Rotoren von gegenüberliegenden Seiten in die Windungen der
Schraube greifen. Die abgeflachten Rotorzähne erlauben höhere Differenzdrücke. Die Kon-
struktion führt zu geringeren Lagerbelastungen. Daraus resultieren eine längere Lebensdauer
und eine höhere Zuverlässigkeit gegenüber einem Doppelschraubenverdichter /Nellissen
2012; Emerson 2010a; Emerson 2010b/.
Der Verdichter wird bereits in einer Vielzahl von Wärmepumpenanlagen eingesetzt. Dazu
zählt unter anderem eine Wärmepumpenanlage mit einer Heizleistung von 1,6 MW (2 Wär-
mepumpen mit je 800 kW Heizleistung), die in einer Schokoladenfabrik Prozesswärme mit
61 °C erzeugt und gleichzeitig einen Kühlkreislauf bei 0 °C kühlt. Die Anlage erreicht einen
COP von 3,39 /Pearson, Nellissen 13.06.2012/.
Abbildung 32: Einsatzbereich des Ammoniak Hochtemperatur-Verdichters /nach Emerson 2010b/
5.3.2 Zweiwelliger Schraubenverdichter für R717 (GEA Refrigeration Technologies)
GEA Refrigeration Technologies hat einen neuen Doppelschraubenverdichter für das Kälte-
mittel Ammoniak entwickelt. Die Konstruktion des Verdichters baut auf einem älteren Mo-
dell auf, mit dem Drücke von 52 bar erreicht werden konnten. Durch die Ausstattung des
Verdichters mit einem stärkeren Drucklager für den Hauptrotor, eine stärkere Antriebswelle
und weitere Hochdruckkomponenten kann die neue Version des Verdichters bis zu 63 bar
erreichen. Während die maximale Vorlauftemperatur des 52 bar Verdichters auf 82 °C be-
schränkt ist, kann der neue 63 bar Verdichter 90 °C liefern. Die Verdichter sind in verschie-
° °
36 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik
denen Größen mit 165 bis 2.838 kW Antriebsleistung erhältlich. In einer Wärmepumpe mit
der Wärmequellentemperatur von 35 °C und der Wärmesenkentemperatur von 80 °C kann
der Verdichter einen COP von 5 bei einer Heizleistung von 14 MW erreichen. Die Technik
wurde bereits in mehreren Anlagen eingesetzt (z. B. Gewächshaus, Papierfabrik und eine
Gelatinefabrik) /Dietrich, Fredrich 13.06.2012/.
5.3.3 Große Turboverdichter (Friotherm)
Das Unternehmen Friotherm hat sich auf Wärmepumpenverdichter spezialisiert, die sehr gro-
ße Heizleistungen bis zu 20 MW ermöglichen. Die Turboverdichter der Uniturbo Serie sind
auf Betriebstemperaturen von -40 bis 90 °C ausgelegt. Friotherm fertigt komplette Verdich-
terbaugruppen bestehend aus dem Verdichter selbst, Schmier- und Dichtölsystemen,
Schmieröltank, Getriebe und mechanischer Kopplung. Die bisher größte Anlage besteht aus 6
Wärmepumpeneinheiten des Typs Unitop 50FY. Sie hat eine Heizleistung von insgesamt
180 MW und erzeugt Wärme bei 80 °C Vorlauftemperatur für das Stockholmer Fernwärme-
netz /Friotherm 2008/.
5.4 Wärmepumpen
Industrielle Anwendungen erfordern Wärmepumpenlösungen die in weiten Bereichen an die
individuellen Betriebsbedingungen angepasst werden können. Eine Besonderheit industrieller
Anwendungen ist die Nutzung von Abwärmeströmen als Wärmequelle, die verglichen mit
Umweltwärme bei viel höheren Temperaturniveaus zur Verfügung stehen. Zudem müssen für
die Bereitstellung von Prozesswärme zumeist hohe Temperaturen von mehr als 80 °C erreicht
werden. Ein weiteres Merkmal industrieller Prozesse ist die zu Teilen größere Temperatur-
spreizung zwischen Vor- und Rücklauf. Einige Wärmepumpenhersteller haben mit unter-
schiedlichen Ansätzen Lösungen für dieses neue Anwendungsgebiet entwickelt, die im Fol-
genden genauer vorgestellt werden. Einige der vorgestellten Forschungsergebnisse wurden
bereits in kommerzielle Produkte überführt. So sind beispielsweise die Hochtemperaturwär-
mepumpen von Ochsner (Kapitel 5.4.4) und Thermea (Kapitel 5.4.5) bereits in Tabelle 3 auf-
geführt.
5.4.1 Hochtemperaturwärmepumpen mit ECO3 (EDF)
Im Forschungsprojekt Alter ECO hat EDF in Zusammenarbeit mit Industriepartnern einen
Prüfstand für Hochtemperaturwärmepumpen mit großen Heizleistungen erstellt und darauf
verschiedene Prototypen getestet, die im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelt wurden.
Begonnen wurde die Entwicklung mit einem Screening der verfügbaren Kältemittel. Dabei
hat sich das Kältemittelgemisch ECO3 als vielversprechende Option herausgestellt. ECO3
wurde für Hochtemperaturanwendungen entwickelt. Eine Einstufung in die Sicherheitsklasse
B1 wird erwartet. Das GWP beträgt 980. Damit liegt es im Bereich konkurrierender Kälte-
Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik 37
mittel wie R245fa oder R365mfc. In Simulationen erreichte es allerdings bessere COPs als
R245fa, R1234ze, R236fa und R717. In Bezug auf den COP war es einzig R236mfc leicht
unterlegen. Mit Kenntnis von GWP und COP lassen sich die TEWI Werte berechnen, nach
denen ECO3 etwa gleich auf liegt mit R365mfc und R717.
Ausgehend von diesen theoretischen Überlegungen wurde ein Wärmepumpenprototyp mit
dem Kältemittel ECO3 gebaut und auf einem Prüfstand ausführlichen Tests unterzogen. Der
Prototyp wird durch zwei Scroll-Verdichter angetrieben. Die Wärmepumpe wurde mit einem
Economiser und einem elektronischen Expansionsventil ausgestattet. Auf der Wärmesenken-
seite ist nach dem Kondensator noch ein Unterkühler verbaut, der zur Vorerwärmung des
kalten Stroms genutzt wird. Abbildung 33 zeigt die Einbindung der Wärmepumpe in den
Prüfstandskreislauf. Auf dem Prüfstand wurde ein Kennfeld der Wärmepumpe ermittelt. Da-
bei wurden sämtliche Betriebszustände von 35 °C/80 °C bis 60 °C/140 °C angefahren und
Messdaten erhoben. Ein Dauertest mit 1.000 Betriebsstunden unter Volllast wurde bei
60 °C/120 °C absolviert. Bis zu einer Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wär-
mesenke von 60 K konnten COPs über 3 erreicht werden. Mit der marktverfügbaren Technik
lassen sich derzeit bis zu 125 °C erreichen. Für den zuverlässigen Betrieb bei höheren Tem-
peraturen fehlen derzeit noch temperaturstabile Expansionsventile und effiziente Verdichter
/Bobelin, Bourig, Peureux/.
Abbildung 33: Aufbau des Prüfstands bei EDF /Bobelin, Bourig, Peureux/
5.4.2 Rotationswärmepumpe (ECOP)
Das Start-Up Unternehmen ECOP schlägt mit der Entwicklung einer Rotationswärmepumpe
völlig neue Wege ein. Hoch- und Niederdruckbereich werden in der Rotationswärmepumpe
nicht durch einen mechanischen Verdichter sondern durch zentrifugale Kräfte erzeugt. Dieser
38 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik
Ansatz führt im Vergleich zu einer konventionellen Kompressionswärmepumpe zu einer er-
heblich besseren Exergieausnutzung. Die Rotationswärmepumpe funktioniert nach dem Prin-
zip eines linksläufigen Joule-Prozesses. Als Arbeitsmedium kommt ein Edelgas zum Einsatz.
Durch die Rotation wird das Gas in den äußeren Bereichen komprimiert. Es gibt Wärme bei
hohen Temperaturen von bis zu 150 °C über einen Gaswärmeübertrager an die Wärmesenke
ab. In den inneren Bereichen stellt sich ein niedrigerer Druck ein. Hier wird Wärme ebenfalls
über einen Gaswärmeübertrager aufgenommen. Die Umwälzung des Wärmeträgergases er-
folgt durch einen Ventilator.
Abbildung 34 zeigt den Aufbau der Wärmepumpe. Sie besteht aus vier Wärmepumpenkreis-
läufen, die mit bis zu 2.500 U/min um ein gemeinsames Zentrum rotieren. Die Druckdiffe-
renz und damit auch der Temperaturhub der Wärmepumpe kann durch die Rotationsge-
schwindigkeit beeinflusst werden. Das Gas als Arbeitsmedium verwendet wird, weist die
Wärmepumpe sowohl auf der Wärmequellenseite als auch auf der Wärmesenkenseite einen
Temperaturgleit auf.
Das Prinzip der Rotationswärmepumpe wurde bereits in den 1970er Jahren diskutiert. ECOP
ist allerdings das erste Unternehmen, das sich an eine kommerzielle Umsetzung wagt. Derzeit
testet das Unternehmen Anlagen mit einer Heizleistung von 100 kW. Die Markteinführung
größerer Module mit bis zu 1 MW Heizleistung ist geplant /Riepl et al. 2013; Riepl 2014/.
Abbildung 34: Aufbau der Rotationswärmepumpe /Adler, Riepl, Ponweiser 2011; Riepl 2014/
5.4.3 Hochtemperaturwärmepumpe mit R600a (Huber-Kälte-Technik)
Der Verdichterhersteller Huber-Kälte-Technik (HKT) bietet Hochtemperaturwärmepumpen
mit Vorlauftemperaturen von 90 bis 110 °C in Größen von 10 bis 200 kW an. Die Anlagen
können einen Temperaturhub von bis zu 60 K pro Stufe bewältigen. Bei höheren Tempera-
turhüben kommen mehrstufige Anlagen mit R134a oder R290a im Niedertemperaturkreis und
R600a im Hochtemperaturkreis zum Einsatz. Mit zwei Hochtemperaturwärmepumpen liefert
HKT den Erfolgsbeleg für den Einsatz von Isobutan in Hochtemperaturanwendungen. Eine
Pilotablage mit einer Heizleistung von 54 kW wird in einer Brauerei zur Prozesswärmeerzeu-
gung eingesetzt. Bei einer Verdampfertemperatur von 67 °C und einer Kondensatortempera-
tur von 125 °C erreicht sie einen COP von 3,6. Die zweite Demonstrationsanlage ist zweistu-
fig ausgeführt. Sie hat eine Heizleistung von 10 kW und ist bereits mehr als 5.000 Stunden
Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik 39
gelaufen. Mit einer Wärmequellentemperatur von 17 °C und einer Wärmesenkentemperatur
von 100 °C überbrückt die Wärmepumpe einen Temperaturhub von 83 K. Der Verdichter der
Hochtemperaturstufe wird mit dem Kältemittelsauggasstrom der Niedertemperaturstufe ge-
kühlt. Dadurch konnte auf eine Zwangskonvektions-Luftkühlung verzichtet werden /Huber
2013/.
5.4.4 Hochtemperaturwärmepumpe mit ECO1 (Ochsner)
Die Firma Ochsner bietet neben einer einstufigen Wärmepumpe, die Abwärme bei 40 bis
50 °C nutzen kann, um Warmwasser mit bis zu 98 °C zu erzeugen, auch eine zweistufige
Version an. Diese kann sowohl Kälte bei 10 °C als auch Wärme bis zu 95 °C bereitstellen.
Die einstufige Variante verwendet das Kältemittel Öko1 und ist mit Heizleistungen von 60
bis 640 kW verfügbar. Die Wärmequellentemperaturen reichen von 35 bis 55 °C. Die zwei-
stufige Anlage verwendet im Niedertemperaturkreis das Kältemittel R134a. Im Hochtempera-
turkreis wird ebenso wie in der einstufigen Variante Öko1 genutzt. Die Wärmequellentempe-
raturen betragen 8 bis 25 °C bei Heizleistungen von 190 bis 750 kW /Ochsner 2014/.
5.4.5 Wärmepumpen mit R744 (Thermea)
Das Unternehmen Thermea setzt auf das Kältemittel CO2. Durch den überkritischen Prozess
und den hohen Temperaturgleit eignen sich diese Wärmepumpen vorwiegend für Anwendun-
gen mit großer Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Heizkreises. Die ange-
botenen Wärmepumpen arbeiten mit Wärmequellentemperaturen von 8 bis 35 °C und errei-
chen eine Wärmesenkentemperatur von bis zu 90 °C bei einer Heizleistung von bis zu
1.100 kW. Das Unternehmen bietet die Wärmepumpen in zwei Baureihen mit Hubkolben-
verdichter oder Schraubenverdichter an.
5.4.6 Wärmepumpendampferzeuger (Kobe Steel Ltd.)
Das japanische Unternehmen Kobe Steel hat zwei Hochtemperaturwärmepumpen auf den
Markt gebracht, mit denen sich Dampf erzeugen lässt. Die beiden Modelle werden in Abbil-
dung 35 gezeigt. Das Modell SGH120 hat einen halbhermetischen zweistufigen Doppel-
schraubenverdichter und arbeitet mit dem Kältemittel R245fa. Die Wärmepumpe erreicht bei
einer Wärmequellentemperatur von 65 °C und einer Wärmesenkentemperatur von 120 °C
einen COP von 3,5. Die Heizleistung beträgt 370 kW. Das zweite Modell SGH165 besteht
aus einer Kombination aus Hochtemperaturwärmepumpe und Brüdenverdichter. Die Hoch-
temperaturwärmepumpe wird durch einen halbhermetischen Doppelschraubenverdichter an-
getrieben. Das verwendete Kältemittel ist ein Gemisch aus R245fa und R134a. Die Wärme-
pumpe erzeugt Dampf, der anschließend vom Brüdenverdichter komprimiert und somit auf
Temperaturen von bis zu 165 °C angehoben wird. Die Anlage eignet sich prinzipiell auch zur
Überwindung großer Temperaturhübe. Bei einer Wärmequellentemperatur von 65 °C und
40 Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik
einer Wärmesenkentemperatur von 165 °C wird allerdings gerade noch ein COP von 2,5
erreicht /Kuromaki 2012/.
Abbildung 35: Darstellung der beiden Kobe Steel Wärmepumpendampferzeuger SGH120 und SGH165
/Kuromaki 2012/
5.4.7 Hybridwärmepumpe (Hybrid Energy)
Die Hybridwärmepumpe ist eine Kombination aus Absorptions- und Kompressions-
wärmepumpe, auch Osenbrück Prozess genannt. Das Konzept wurde an der Norwegian Uni-
versity of Science and Technology zur Marktreife entwickelt /Nordtvedt 2005/. Die kommer-
zielle Verwertung der Entwicklung erfolgt seit 2004 über die ausgegründete Hybrid Energy
A/S.
In Abbildung 36 ist der Kreisprozess der Hybridwärmepumpe in ein- und zweistufiger Aus-
führung angegeben. Die Wärmepumpe wird mit der Stoffpaarung Ammoniak (NH3) und
Wasser (H2O) betrieben. Aus einer Wärmequelle wird Wärme bei 30 bis 65 °C aufgenom-
men, wodurch das Ammoniak verdampft. Ein mechanischer Verdichter komprimiert das
Ammoniakgas und führt es dem Absorber zu. Parallel dazu wird das Wasser mit einer Pumpe
in den Absorber gepumpt. Dort löst sich das Ammoniakgas wieder im Wasser und gibt Wär-
me bei hoher Temperatur an eine Wärmesenke ab. Die NH3/H2O-Lösung strömt über ein Ex-
pansionsventil zurück in den Austreiber, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnik 41
Abbildung 36: Hybridwärmepumpe in ein- und zweistufiger Ausführung /Goget 20.11.2012/
Dieses Anlagenkonzept bietet eine Reihe an Vorteilen gegenüber konventionellen Kompres-
sionswärmepumpen. Während Kompressionswärmepumpen mit dem Kältemittel Ammoniak
bei hohen Kondensationstemperaturen hohe Drücke erreichen müssen (siehe Kapitel 5.3.1
und 5.3.2), genügt der Hybridwärmepumpe je nach Mischungsverhältnis von Ammoniak und
Wasser im Absorber ein Druck von weniger als 25 bar, um Wärmesenken mit bis zu 115 °C
versorgen zu können. Bei gleichbleibendem Kondensationsdruck lässt sich die Wärmepumpe
durch Variation des Mischungsverhältnisses von Ammoniak und Wasser auf die Temperatur-
bedingungen des konkreten Anwendungsfalls einstellen. Zudem treten, bedingt durch das
Zweikomponentengemisch in Austreiber und Absorber, Temperaturgleits auf, die dem Tem-
peraturprofil in einem Wärmeübertrager entsprechen. Damit können bei guter Abstimmung
der Wärmepumpe auf Wärmequelle und Wärmesenke Exergieverluste vermieden werden.
Die Hybridwärmepumpe wird in einer einstufigen Variante angeboten, die einen Tempera-
turhub von bis zu 45 K bewältigen kann. In der zweistufigen Variante beträgt der maximale
Temperaturhub 90 K. Der Temperaturbereich der Wärmequelle liegt zwischen 30 und 65 °C.
In der Wärmesenke können 70 bis 115 °C erreicht werden. Hybrid Energy bietet Anlagen mit
Heizleistungen von 250 kW bis 2,5 MW an.
42 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
6 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperatur-
wärmepumpe
In Kooperation mit dem Anlagenbauer Dürr Ecoclean GmbH und dem Wärmepumpenher-
steller Combitherm GmbH wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens unter Beteiligung
des IER eine Hochtemperaturwärmepumpe entwickelt. Die Wärmepumpe wurde direkt in
einer Teilereinigungsanlage der Firma Dürr EcoClean eingesetzt und getestet.
Zudem wurden Versuche unternommen Hochtemperaturwärmepumpen in die Wärmeerzeu-
gung eines Fertighausherstellers und eines Galvanikbetriebs zu integrieren. Die daraus ent-
standenen Fallstudien werden in den Kapiteln 6.2 und 6.3 beschrieben.
6.1 Anwendungsfall Teilereinigung
Teilereinigungsanlagen werden in der Industrie genutzt um Werkstücke von anhaftenden
Produktionsrückständen wie Ölen, Fetten und Partikeln zu befreien. Die betrachtete Teilerei-
nigungsanlage der Firma Dürr Ecoclean verfügt über eine integrierte Aufbereitungseinheit für
die Reinigungsbäder. Da insbesondere bei hoher Aufbereitungsleistung gleichzeitig ein
Kühlbedarf für die Anlage besteht, sind ideale Voraussetzungen für die Integration einer
Wärmepumpe in die Teilereinigungsanlage gegeben.
6.1.1 Ausgangslage der Teilereinigung
In der Produktionskette industrieller Güter entstehen durch verschiedene Bearbeitungsschritte
Verunreinigungen, die sich auf Werkstücken ablagern. Zur Entfernung dieser Verunreinigun-
gen werden Teilereinigungsanlagen eingesetzt. Die eingesetzten Anlagen unterscheiden sich
hinsichtlich Teiledurchsatz, Automatisierungsgrad, Reinigungsqualität, Wartungsaufwand
und Energiebedarf. Das Funktionsprinzip ist jedoch stets ähnlich. Durch Behandlung mit ei-
ner Reinigungslösung auf Basis von Wasser oder Kohlenwasserstoffen werden Fette, Öle,
Partikel, Späne oder andere Verunreinigungen vom Werkstück entfernt. Um eine hohe Reini-
gungsqualität zu erreichen, muss die Reinigungslösung selbst eine niedrige Partikeldichte
aufweisen. In konventionellen Anlagen reichern sich im Betrieb Verunreinigungen in der
Reinigungslösung an, was bei Überschreitung eines Schwellenwerts einen Wechsel des Rei-
nigungsbades notwendig macht. Hierzu muss die Anlage entleert, die verbrauchte Reini-
gungslösung entsorgt, neue Reinigungslösung beschafft und in die Anlage gefüllt werden.
Neben einer unvermeidbaren Stillstandszeit entstehen durch die Entsorgung der verbrauchten
und die Beschaffung neuer Reinigungslösung zusätzliche Kosten. Das Intervall zwischen
zwei Badwechseln wird als Badstandzeit bezeichnet. Vor dem Hintergrund des mit einem
Badwechsel verbundenen Aufwands wird nach Möglichkeiten gesucht, die Badstandzeit
durch Maßnahmen zur Badaufbereitung zu verlängern. Abhängig vom Qualitätsanspruch
kann sogar eine unbegrenzte Badstandzeit erreicht werden. Dürr Ecoclean setzt in den Teile-
reinigungsanlagen der Baureihe EcoCMax eine integrierte Badaufbereitung ein.
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 43
In Abbildung 37 ist ein Schema der Teilereinigungsanlage dargestellt. Die wässrige Reini-
gungslösung wird in der Badaufbereitung unter atmosphärischem Druck bei 100 °C ver-
dampft. Dabei bleiben Verunreinigungen wie schwersiedende Öle zurück. Darüber hinaus
sind die einzelnen Flutbehälter mit einer Bypassfiltration ausgestattet, die weitere Verunrei-
nigungen entfernt. Statt vollständiger Badwechsel in kurzen Intervallen genügt bei dieser
Anlage ein regelmäßiger Wechsel der Filter sowie ein Ablassen der im Verdampfer aufkon-
zentrierten Verunreinigungen. Die im Verdampfer aufgewendete Energie wird genutzt, um
die Flutbehälter auf einer Temperatur von 60 bis 70 °C zu halten. Durch Abstrahlverluste der
Anlage und Energieaustrag durch Werkstücke sind kontinuierliche Wärmeverluste gegeben,
die auf diese Weise ausgeglichen werden. Durch die Regelung der Leistungszufuhr in der
Badaufbereitung lässt sich die eingebrachte Wärmemenge regulieren. Da die Aufbereitungs-
leistung des Verdampfers direkt von der zugeführten Wärmemenge abhängt, werden die
Wärmeverluste der Anlage beim Einstellen von hohen Aufbereitungsleistungen überkompen-
siert, was eine aktive Wärmeabgabe über ein Kühlsystem notwendig macht. Im wärmege-
führten Betrieb erreicht die Anlage bei vollständigem Ausgleich der Wärmeverluste eine
Aufbereitungsleistung von 5 Litern Reinigungslösung in der Stunde. Bei voller Aufberei-
tungsleistung mit 36 kW Wärmezufuhr werden bis zu 50 l/h erreicht. Durch die Integration
einer Hochtemperaturwärmepumpe in die Teilereinigungsanlage soll der Energieverbrauch
der Badaufbereitung bei gleichbleibender Aufbereitungsleistung reduziert werden.
Abbildung 37: Schema der Teilereinigungsanlage mit Angabe der Temperaturniveaus
Auch weitere Unternehmen beschreiten ähnliche Wege zur effizienten Aufbereitung von
Flüssigkeiten. Sie bieten separate Badaufbereitungsanlagen für größere Flüssigkeitsmengen
an. Verbrauchte Bäder werden gesammelt und einer Destillationsanlage zugeführt, in der die
Reinigungsflüssigkeit verdampft wird und Öle und Emulsionen zurückbleiben und abgeführt
werden können. Statt eines geschlossenen Wärmepumpenkreislaufs setzen die Hersteller
Brüdenverdichter ein, die den entstehenden Dampf komprimieren und damit den Verdampfer
beheizen. Auf diese Weise können sehr niedrige spezifische Energieverbräuche erreicht wer-
den. Große Anlagen mit einer Aufbereitungsleistung von 1.500 l/h benötigen 35 Wh/l, kleine-
re Anlagen mit einer Aufbereitungsleistung von 30 l/h benötigen 80 Wh/l. Da der Brüdenver-
dichter direkt in den Dampfstrom eingreift, sind die Betriebsbedingungen möglichst stationär
Flutbehälter 360 bis 70 °C Badaufbereitung
100 °C
Badaufbereitung und Beheizung
der Flutbehälter
Flutbehälter 260 bis 70 °C
Flutbehälter 160 bis 70 °C
elektrische Heizung36 kW
Waschkammer
Kühlung
44 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
zu halten. Dieses lässt sich bei einer anlagenintegrierten Badaufbereitung sehr viel schwieri-
ger realisieren, als bei separat betriebenen Aufbereitungsanlagen. Daher hat sich der Anla-
genhersteller Dürr Ecoclean für einen geschlossenen Wärmepumpenkreislauf entschieden.
Die Integration der Hochtemperaturwärmepumpe in die Teilereinigungsanlage soll eine hohe
Aufbereitungsleistung garantieren und gleichzeitig den Energiebedarf der Anlage reduzieren.
Eine weitere Vorgabe war das Erreichen einer Leistungszahl von 3 und einer Aufbereitungs-
leistung von 50 l/h.
6.1.2 Entwicklung der Hochtemperaturwärmepumpe und Integration in die Teilerei-
nigungsanlage
In der Badaufbereitung wird eine wässrige Reinigungslösung unter atmosphärischem Druck
bei 100 °C verdampft. Da der Bauraum für die Integration eines Wärmeübertragers in der
Badaufbereitung begrenzt ist, muss zur Übertragung der geforderten Leistung ein ausreichend
hohes treibendes Temperaturgefälle von 5 bis 15 K eingestellt werden. Die damit nötige
Kondensationstemperatur von 110 °C schränkt die Wahl des Kältemittels ein. Herkömmliche
Kältemittel aus der Wärmepumpentechnik (R410A, R134a) können dieses Kriterium nicht
erfüllen. Mit R245fa steht allerdings ein Kältemittel mit passenden Eigenschaften zur Verfü-
gung, das jedoch bisher nicht in Wärmepumpen zur Anwendung kam.
Durch die Combitherm GmbH wurde der Prototyp einer Hochtemperaturwärmepumpe herge-
stellt und mit R245fa befüllt. Als Verdichter wurde ein Kolbenverdichter gewählt. Da die
Arbeitstemperaturen des Prototyps deutlich über denen konventioneller Wärmepumpen lie-
gen, muss für eine ausreichende Kühlung des Verdichters gesorgt werden. Für das verwende-
te Öl gibt der Hersteller eine maximal zulässige Temperatur von 130 °C an. Bei höheren
Temperaturen droht das Öl zu verkoken. Beschädigungen des Verdichters wären die Folge.
Um die Druckgastemperatur nahe an der gewünschten Kondensationstemperatur zu halten,
wird eine Kühlung für den Verdichter verbaut. Da die Kühlung aber gleichzeitig die Effizienz
der Wärmepumpe negativ beeinflusst, stellt sie eine schwer zu kalkulierende Größe dar. Der
Prototyp wurde mit drei separat betriebenen Kühlsystemen ausgestattet.
Das Kennfeld des eingesetzten Hubkolbenverdichters ist in Abbildung 38 für den Betrieb mit
R245fa dargestellt. Die Kondensationstemperatur ist mit tc bezeichnet, die Verdampfungs-
temperatur mit to. Der vom Hersteller erprobte Einsatzbereich ist schwarz umrissen. Bei ho-
hen Kondensationstemperaturen wird eine Kühlung des Verdichters empfohlen. Mit einer
Verdampfungstemperatur zwischen 50 und 60 °C und einer Kondensationstemperatur von
110 °C liegt der gewählte Betriebspunkt außerhalb dieses Bereichs. Durch Tests der Wärme-
pumpe konnte bestätigt werden, dass sich der Verdichter auch in den gestichelt markierten
erweiterten Einsatzgrenzen zuverlässig betreiben lässt.
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 45
Für die Integration der Wärmepumpe in die Teilereinigungsanlage wurden die drei in Abbil-
dung 39 dargestellten Varianten diskutiert.
Variante 1: Die direkte Integration der Wärmepumpe in den Kondensatstrom der
Badaufbereitung bietet den Vorteil einer vergleichsweise hohen Verdampfertempera-
tur von 80 °C. Aus Ermangelung einer dämpfend wirkenden Speichermasse ist diese
Variante allerdings vergleichsweise störanfällig.
Variante 2: Durch Einbringen eines Rohrschlangenwärmeübertragers in den Flutbe-
hälter lässt sich das Volumen des Behälters als Speicher nutzen. Die Temperatur der
Reinigungslösung im Behälter wird auf 60 bis 70 °C gehalten.
Variante 3: Auch in Variante drei kann der Flutbehälter als Speicher genutzt werden.
Allerdings befindet sich der Verdampfer der Wärmepumpe außerhalb des Flutbehäl-
ters. Die Reinigungslösung aus dem Flutbehälter wird dem Verdampfer durch eine
Pumpe zugeführt.
Abbildung 38: Kennfeld des Verdichters /Combitherm 2013/
Die dritte Variante wurde schließlich umgesetzt, da sie die geringsten Eingriffe in die Anla-
gentechnik erfordert. Zudem ist der Umwälzkreislauf bereits vorhanden. Die elektrische
36 kW Heizung bleibt erhalten und dient dem Aufheizen der Anlage. Im laufenden Betrieb
übernimmt dann die Wärmepumpe die Wärmebereitstellung und schafft zwei Temperaturzo-
nen. Sie hält den Flutbehälter auf 60 bis 70 °C und verdampft gleichzeitig Reinigungslösung
in der Badaufbereitung bei 100 °C. So kann gleichzeitig der Energiebedarf für Heizung und
Kühlung der Anlage reduziert werden.
Erweiterte
Einsatzgrenzen
(Versuch)
46 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
Abbildung 39: Varianten für die Integration der Wärmepumpe in die Teilereinigungsanlage
6.1.3 Anlagentestläufe mit der integrierten Hochtemperaturwärmepumpe
In mehr als 70 Messreihen mit jeweils 99 erfassten Messwerten wurde die Teilereinigungsan-
lage mit integrierter Wärmepumpe getestet, um ein möglichst vollständiges Bild über Anla-
genverhalten, Zuverlässigkeit und Energieeinsparungen zu erhalten. Hierzu wurde die Anlage
in den Betriebszuständen Aufheizen, Dauerbetrieb, Stand-by und Abkühlen untersucht. Im
Dauerbetrieb wurde der Energieaustrag durch das Reinigungsgut mittels der verbauten Anla-
genkühlung simuliert.
Betriebserfahrungen
Die Wärmepumpe läuft seit Beginn der Tests ohne nennenswerte Probleme. Zur Bestimmung
der Einsatzgrenzen wurde der Verdichter in verschiedenen Leistungsstufen getestet. Über den
verbauten Frequenzumformer kann der Verdichter stufenlos mit einer Frequenz von 25 bis
70 Hz angesteuert werden. Im Rahmen der Tests konnte festgestellt werden, dass auf die
Wasserkühlung des Verdichters verzichtet werden kann. Der verbaute Ventilator liefert ge-
nügend Kühlleistung, um die Druckgastemperatur unter 130 °C zu halten. Einzig im 70 Hz
Dauerbetrieb reicht die alleinige Kühlung über den Ventilator nicht aus.
Im Verdampfer der Badaufbereitung kommt es bei Anwesenheit von Reiniger und Aminen zu
einem Siedeverzug am Verflüssiger der Wärmepumpe. Stoßweise kocht die wässrige Lösung
auf und verursacht Druckschwankungen in der Anlage. Als mögliche Ursache wird eine zu
große Dimensionierung des Wärmeübertragers angenommen. In weiteren Versuchen wurde
eine Lösung für das Problem erarbeitet.
Waschkammer
Flutbehälter 360 bis 70 °C Badaufbereitung
100 °C
Flutbehälter 260 bis 70 °C
Flutbehälter 160 bis 70 °C
Verflüssiger110 °C
VerdampferVariante 2
60 bis 70 °C
VerdampferVariante 1
80 °C
VerdampferVariante 3
60 bis 70 °C
Expansionsventil
elektrische Heizung(Unterstützung)
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 47
Effizienz der Wärmepumpe
Da die Wärmepumpe über keinen Volumenstromzähler verfügt, können die Energieströme
innerhalb der Wärmepumpe nicht bilanziert werden. Für die Bestimmung von COP und Gü-
tegrad wird daher die Spülbadaufbereitung in die Bilanz mit einbezogen. Die einzelnen Bi-
lanzgrößen sind in Abbildung 40 eingezeichnet.
Die gelieferte Wärmemenge wird über die Badaufbereitung bilanziert und zur elektrischen
Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ins Verhältnis gesetzt.
𝐶𝑂𝑃 = 𝑐𝑝 ∗ �̇�2 ∗ ∆𝑇2
𝑃𝑒𝑙
Die Wärmepumpe erreicht COPs zwischen 3,1 im Betrieb bei 25 oder 70 Hz und 3,4 im
50 Hz Betrieb. Bei den angegebenen COPs ist allerdings zu beachten, dass das beschriebene
Vorgehen die Wärmeverluste der Badaufbereitung mit bilanziert. Hierdurch erscheint der
COP geringfügig schlechter.
Um eine Aussage über die Effizienz der Wärmepumpe unter Berücksichtigung der Rahmen-
bedingungen treffen zu können, wird der Gütegrad berechnet. Er stellt den COP ins Verhält-
nis zum idealen Carnot COP. Dieser wird aus den Temperaturen am Verflüssiger bzw. Ver-
dampfer der Wärmepumpe gebildet.
𝐺ü𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑑 =𝐶𝑂𝑃
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡=
𝐶𝑂𝑃
𝑇𝑉𝑒𝑟𝑓𝑙ü𝑠𝑠𝑖𝑔𝑒𝑟
𝑇𝑉𝑒𝑟𝑓𝑙ü𝑠𝑠𝑖𝑔𝑒𝑟 − 𝑇𝑉𝑒𝑟𝑑𝑎𝑚𝑝𝑓𝑒𝑟
Der Gütegrad der Hochtemperaturwärmepumpe liegt je nach Leistungsstufe zwischen 29,8 %
und 32,7 % mit einem Optimum bei 50 Hz. Abbildung 41 zeigt die erreichten COPs und Gü-
tegrade in Abhängigkeit von der gefahrenen Leistungsstufe. Konventionelle Heizungswär-
mepumpen erreichen Werte zwischen 40 % und 50 %. Bei einem Vergleich der Werte ist
allerdings wieder zu berücksichtigen, dass die Verluste der Badaufbereitung mit bilanziert
wurden.
Abbildung 40: Bilanzgrößen in der energetischen Betrachtung der Anlage
Waschkammer
Flutbehälter 360 bis 70 °C Badaufbereitung
100 °C
Flutbehälter 260 bis 70 °C
Flutbehälter 160 bis 70 °C
Verflüssiger110 °C
Verdampfer50 bis 60 °C
Expansionsventil
elektrische Heizung(Unterstützung)
Kühlung
�̇�𝟏, ∆𝑻𝟏
𝑷𝒆𝒍
�̇�𝟐, ∆𝑻𝟐
48 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
Um das Potenzial zur Effizienzsteigerung der Hochtemperaturwärmepumpe zu bestimmen,
wurde eine Energiebilanz um Wärmepumpe und Badaufbereitung gezogen. Die am Ver-
dampfer aufgenommene Energiemenge wird aus dem Volumenstrom und den Temperaturen
der Reinigungslösung berechnet. Aus den über die Bilanzgrenzen zu- und abgeführten Ener-
giemengen (Q̇ein, Q̇aus) werden die Wärmeverluste (Q̇Verlust) bestimmt.
�̇�𝑒𝑖𝑛 − �̇�𝑎𝑢𝑠 = �̇�𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡
(𝑐𝑝 ∗ �̇�1 ∗ ∆𝑇1 + 𝑃𝑒𝑙) − (𝑐𝑝 ∗ �̇�2 ∗ ∆𝑇2) = �̇�𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡
Die Anlagenverluste betragen 14 % bis 22 % (siehe Abbildung 42). Ihre relative Höhe nimmt
mit steigender Leistung ab. Durch die Auswertung von Messreihen mit Beheizung über die
elektrischen Heizelemente, ohne den Betrieb der Wärmepumpe, lassen sich die Wärmeverlus-
te der Badaufbereitung auf 5 % bis 8 % abschätzen.
Abbildung 41: COP und Gütegrad der Hochtemperaturwärmepumpe
Abbildung 42: Wärmebilanz der Teilereinigungsanlage mit integrierter Hochtemperaturwärmepumpe
3,13,4 3,3
3,1
29,8% 32,7% 31,8% 30,0%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0
1
2
3
4
5
25 50 60 70
Gü
tegr
ad [
-]
CO
P [
-]
Frequenz des Verdichters [Hz]
COP Gütegrad
22%
18%
14%
14%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
25 50 60 70
He
izle
istu
ng
[kW
]
Frequenz [Hz]
el. Leistungsaufnahme Wärmequelle Verluste
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 49
Damit besteht für die Wärmepumpe ein Potenzial zur Effizienzsteigerung von 6 % bis 17 %.
Eine mögliche Maßnahme ist die Isolation der Zirkulationsleitung, die dem Verdampfer der
Wärmepumpe die Reinigungslösung aus Flutbehälter 1 zuführt. Diese ist, anders als die
Schemata in Abbildung 39 und Abbildung 40 vermuten lassen, mehrere Meter lang und bis-
lang ungedämmt.
Wird die Teilereinigungsanlage ohne Wärmepumpe mit voller Aufbereitungsleistung betrie-
ben, muss sie mit einer Leistung von 30 kW gekühlt werden. Die Kühlleistung wird übli-
cherweise von einem Kaltwassersatz bereitgestellt. 5,9 kW der Kühlleistung fallen für den
Betrieb einer Vakuumpumpe an. Ein weiterer Teil der Überschusswärme wird durch das Rei-
nigungsgut aus der Anlage geführt. Bei einer Reinigung von Stahlteilen mit einer Gesamt-
masse von 650 kg pro Stunde werden im Mittel 5 kW Wärme abgeführt. Die übrigen 19 kW
können von der Wärmepumpe über den Flutbehälter 1 als Wärmequelle genutzt werden. Ab-
bildung 43 zeigt die Verteilung der Energieströme in der Teilereinigungsanlage.
Abbildung 43: Gesamtenergiebilanz der Teilereinigungsanlage
Das Abwärmeaufkommen lässt sich durch den Einsatz der Wärmepumpe deutlich reduzieren.
In der untersten Leistungsstufe bei 25 Hz werden lediglich noch 0,4 kW Kühlleistung benö-
tigt. Berücksichtigt man den Wärmeaustrag durch das Reinigungsgut, so müssen die elektri-
schen Heizelemente mit geringer Leistung zusätzlich zur Wärmepumpe betrieben werden, um
die Wärmeverluste zu kompensieren. Dies ist auch im Betrieb bei 50 Hz notwendig, da die
überschüssige Wärmeleistung bei lediglich 3,6 kW liegt. Bei 60 Hz kehrt sich die Lage um.
In diesem Betriebspunkt müsste ca. 1 kW überschüssige Wärmeleistung abgeführt werden.
Aufgrund der geringen Kühlleistung wäre auch eine Abgabe der Wärme an die direkte Um-
gebung der Teilereinigungsanlage (Hallenluft) denkbar.
20 20 20 20 20
28
713 16
19
6
6
66
6
24
46
9
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
ohne WP 25 50 60 70
du
rch
sch
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tlic
he
Le
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ng
im D
aue
rlau
f [k
W]
Frequenz [Hz]
Kühlung Abwärme
Kühlung Vakuumpumpe
Strom Wärmepumpe
Strom Badaufbereitung
Strom Teilereinigungsanlage
50 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
Aufbereitungsleistung
Die Menge an aufbereiteter Reinigungslösung ist ein weiterer kritischer Parameter für den
Erfolg des Projekts. Im Dauerlauf-Betrieb beträgt die Aufbereitungsleistung durchschnittlich
40 l/h. Schon in der niedrigsten Leistungsstufe bei 25 Hz kommt die Anlage im Wärmepum-
penbetrieb mit 33 l/h nahe an diesen Wert heran. Bei 50 Hz beträgt die Aufbereitungsleistung
70 l/h (siehe Abbildung 44). Damit wird das Ziel von 50 l/h deutlich übertroffen. Bezogen
auf den 50 Hz Normalbetrieb kann bei einer Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme
der Badaufbereitung um 31 % und die Aufbereitungsleistung um 75 % gesteigert werden.
Betrachtet man die spezifische Aufbereitungsleistung in Abbildung 45, so wird deutlich, dass
die Badaufbereitung mit einer spezifischen Leistung von 182 Wh/l im 50 Hz Normalbetrieb
oberhalb der Konkurrenzprodukte liegt. Diese benötigen in einer vergleichbaren Leistungs-
stufe lediglich 80 Wh/l. Bei diesem Vergleich ist allerdings unbedingt zu berücksichtigen,
dass es sich bei den Konkurrenzprodukten um separate Badaufbereitungen handelt. Die inte-
grierte Aufbereitungsanlage der Dürr Ecoclean GmbH nutzt die zugeführte Wärmemenge zur
Beheizung der Teilereinigungsanlage. Die aufgenommene elektrische Leistung im 50 Hz
Normalbetrieb dient dem Ausgleich der Wärmeverluste durch das Reinigungsgut. Zusätzlich
ist keine Kühlung der Anlage mehr notwendig. Eine weitere Reduktion des Wärmebedarfs ist
lediglich durch die Verringerung der Wärmeverluste der Anlage möglich.
Abbildung 44: Leistung der Badaufbereitung bei verschiedenen Betriebsweisen
48 20 20 20 20
713 16
19
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ohne WP 25 50 60 70
Leis
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[kW
el]
spe
z. K
on
de
nsa
tme
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[l/
h]
Frequenz des Verdichters [Hz]
Leistung EcoCMax Leistung Wärmepumpe spez. Aufbereitungsleistung
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 51
Abbildung 45: Spezifische Wärmeleistung der Badaufbereitung bei verschiedenen Betriebsweisen
6.1.4 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Integration einer Hochtemperaturwär-
mepumpe in eine Teilereinigungsanlage
Die Messreihen haben gezeigt, dass die Hochtemperaturwärmepumpe auch in den erweiterten
Einsatzgrenzen zuverlässig arbeitet. Die zu Projektbeginn gesteckten Ziele wurden nicht nur
erreicht, sondern sogar übererfüllt. Im Normalbetrieb bei 50 Hz erreicht die Wärmepumpe
einen COP von 3,4. Bilanziert man auch die Kühlung des Flutbehälters als Nutzen, so liegt
der integrierte COP sogar bei 5,8. Bei einer Verminderung der Heizleistung von 31 % konnte
die Aufbereitungsleistung um 75 % gesteigert werden. Eine Kühlung der Anlage ist nicht
mehr notwendig. Bei Annahme des deutschen Strommix mit einem spezifischen CO2-
Ausstoß von 586 g/kWh /UBA 2014a/ und einer Anlagenbetriebsdauer von 4.500 h/a, kann
die Hochtemperaturwärmepumpe jährlich CO2-Emissionen in Höhe von bis zu 37 t vermei-
den.
Inzwischen wurde von Dürr Ecoclean eine zweite Anlage aufgebaut. Sie wird seit etwa einem
Jahr bei einem Kunden unter realen Produktionsbedingungen getestet und läuft bisher prob-
lemlos. Mit einem mittleren COP von 4 läuft die Wärmepumpe sogar effizienter als in den
Anlagentests. Allerdings treten höhere Wärmeverluste auf, die nicht im vollen Umfang von
der elektrisch zugeführten Antriebsenergie der Wärmepumpe kompensiert werden können.
Da die installierte Anlage über zwei parallel betriebene Waschkammern verfügt, ist ein mög-
licher Grund für die gesteigerten Wärmeverluste im stärkeren Wärmeaustrag durch die gerei-
nigten Werkstücke zu suchen. Trotzdem konnte die Leistungsaufnahme der Teilereinigungs-
anlage bei gesteigerter Badqualität um ca. 10 kW gesenkt werden.
48 20 20 20 20
7 13 16 19
198 182 189 204
696
0
5
10
15
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30
35
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50
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1.000
ohne WP 25 50 60 70
Leis
tun
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[kW
el]
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z. A
ufb
ere
itu
ngs
leis
tun
g [W
h/l
]
Frequenz des Verdichters [Hz]
Leistung EcoCMax Leistung Wärmepumpe spez. Aufbereitungsleistung
52 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
6.2 Fallstudie Galvanik
Galvanische Prozesse werden genutzt, um die Qualität von Werkstückoberflächen zu beein-
flussen. Durch das kombinierte Aufbringen dünner Metallschichten können Oberflächen für
bestimmte Einsatzzwecke optimiert werden.
6.2.1 Beschreibung der Produktionsprozesse im Galvanikbetrieb
In der Oberflächenveredelung werden die Oberflächen von Werkstücken durch galvanische
oder chemische Prozesse beschichtet. Durch die Beschichtung werden die Werkstücke op-
tisch aufgewertet und/oder in ihren technischen Eigenschaften verändert. Die Hartverchro-
mung ist dabei eines der am häufigsten angewendeten Verfahren. Eine Hartchromschicht
erhöht die Oberflächenhärte und schützt das Werkstück vor Korrosion. Hierzu wird das
Werkstück in ein Bad mit Chromelektrolyt getaucht. Durch das Anlegen einer elektrischen
Gleichspannung zwischen Elektroden und Werkstück entsteht ein Stromfluss der zur Ab-
scheidung von Chrom auf der Werkstückoberfläche führt. Gewöhnlich werden die Anlagen
mit einer Stromdichte von 50 A/dm² betrieben. In großtechnischen Anlagen können lediglich
20 % der eingesetzten elektrischen Energie zur Verchromung genutzt werden. Die übrige
Energie wird in Wärme umgesetzt und muss abgeführt werden.
6.2.2 Ausgangssituation im Galvanikbetrieb
In dem betrachteten Galvanikbetrieb werden die Chrombäder und die Stromgleichrichter von
einem Zentralen Kühlsystem mit Kühlwasser versorgt. Ein Schema der Kühlanlage ist in Ab-
bildung 46 dargestellt. Zwei 30 m³ große Speicher puffern Lastspitzen ab und garantieren
eine Vorlauftemperatur von maximal 37 °C. Die überschüssige Wärme wird über zwei
Tischkühler an die Außenluft abgegeben. Da keinerlei Daten über die abgeführte Wärme-
menge und die benötigte Kühlleistung zur Verfügung standen, mussten Messungen durchge-
führt werden. Abbildung 47 zeigt den Verlauf und die Stundenmittelwerte der benötigten
Kälteleistung über einen Messzeitraum von einer Woche. In diesem Zeitraum lag die durch-
schnittliche Vorlauftemperatur der freien Kühlung bei 36 °C. Das Kühlwasser aus den Spei-
chern wird den Tischkühlern über je drei Pumpen zugeführt. Diese sind nicht drehzahlgere-
gelt.
Abbildung 46: Vereinfachtes Anlagenschema der Kühlung im Galvanikbetrieb
Chrombäder
Gleichrichter
Speicher 30 m³
Speicher 30 m³
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 53
Abbildung 47: Wochenprofil der freien Kühlung
Durch ein kaskadiertes Zu- oder Abschalten der Pumpen kann die Kühlleistung dem Bedarf
angepasst werden. Dennoch erfolgt die Wärmeabgabe in kurzen 5 bis 10 Minuten Episoden,
sobald die Speichertemperatur 37 °C überschreitet. Das stündliche Leistungsmittel lag bei 50
bis 600 kW. Das Mittel der Kühlleistung über einen Arbeitstag in der betrachteten Woche lag
bei 376 kW.
Insgesamt wurde über den Zeitraum einer Woche 18,8 MWh Wärme abgeführt. Bei einem
Anlagenbetrieb von 10 Stunden am Tag und 250 Arbeitstagen im Jahr ergibt sich eine Ab-
wärmemenge von 671 MWh. Dieser Wert ist als konservativ einzuschätzen, da je nach Aus-
lastung auch am Wochenende produziert wird.
Tabelle 6: Übersicht über die erschließbaren Wärmesenken in der Produktion des Galvanikbetriebs
Art des Bades Temperatur Beheizungsart
Abkochentfettung 80 °C Heißwasser
Chrombad 55 °C Strom
Chemisch-Nickel-Bad 90 °C Heißwasser
Auf der Seite der Wärmeverbraucher existiert neben der Heizung von Werkshallen und des
Verwaltungsgebäudes ebenfalls ein großer Wärmebedarf für die Beheizung von Produktions-
anlagen. Diese bestehen aus einer Vielzahl von Bädern. Eine Übersicht über die im unter-
suchten Betrieb vorhandenen Bäder ist in Tabelle 6 gegeben.
Im Verchromungsprozess erzeugt das Chrombad einen Wärmeüberschuss, der weggekühlt
werden muss. In den Zwischenzeiten muss das Chrombad jedoch auf Temperatur gehalten
werden, wofür eine elektrische Badheizung eingesetzt wird. Die übrigen Bäder müssen stän-
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
200
400
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800
1000
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1400
1600
1800
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Mi 7
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11
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:01
Tem
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ratu
r [°
C]
Leis
tun
g [k
W]
Leistung [kW] mittlere Vorlauftemperatur [°C]
Rücklauftemperatur [°C] Leistung Stundenmittelwerte [kW]
54 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
dig beheizt werden, da hier keine nennenswerten internen Wärmegewinne, sehr wohl aber
Verluste durch Abstrahlung und Konvektion auftreten.
Da keinerlei Daten über den Wärmebedarf der einzelnen Bäder vorlagen, wurde je ein
Chrombad und ein Entfettungsbad vermessen. Für die Chemisch-Nickel-Bäder wurde auf-
grund der hohen erforderlichen Badtemperaturen keine Messung durchgeführt. Folgende Er-
kenntnisse konnten gewonnen werden:
Abkochentfettung: Das Entfettungsbad ist mit 7,3 m³ Reinigungslösung gefüllt, die
über 6.000 Betriebsstunden im Jahr auf einer Temperatur von 80 °C gehalten werden
müssen. Während des Einschaltvorgangs muss diese Temperatur innerhalb von 4
Stunden erreicht werden. Die maximal übertragene Leistung betrug 180 kW. Danach
sind lediglich noch 19,2 kW für den Ausgleich von thermischen Verlusten notwendig.
Die Vorlauftemperatur bleibt bei 115 °C, der Rücklauf bei 100 °C. Daher wird die
benötigte Wärme nur in kurzen Stößen von 1 bis 2 Minuten Länge zugeführt. Mit den
installierten Wärmeübertragerflächen könnte die Vorlauftemperatur im laufenden Be-
trieb auf 88 °C bis 90 °C abgesenkt werden. Bilanziert über ein Jahr werden
110 MWh bei niedriger Leistung und niedrigen Vorlauftemperaturen benötigt.
Chrombad: Das Chrombad erzeugt lediglich während der Verchromung einen Ener-
gieüberschuss. In den Zwischenzeiten wird das Bad über eine elektrische Heizung auf
der benötigten Temperatur von 55 °C gehalten. Für den Ausgleich der thermischen
Verluste des 12 m³ fassenden Bades wird eine Heizleistung von 20,8 kW benötigt. Da
die Verchromungsvorgänge lediglich 23 % der Betriebszeit in Anspruch nehmen, re-
sultiert bei insgesamt 6.000 Betriebsstunden im Jahr ein Wärmebedarf von 29 MWh.
Aufgrund der Verwendung elektrischen Stroms, wird diese Wärme zu vergleichswei-
se hohen Kosten erzeugt. Eine Umrüstung der Anlage auf eine Beheizung mit Heiß-
wasser ist möglich. Hierfür sind allerdings spezielle korrosionsbeständige Wärme-
übertrager notwendig.
Gebäudeheizung: Zum Gebäudebestand zählen zwei Produktionshallen, eine Lager-
halle und ein Verwaltungsgebäude. Die Wärmeversorgung geschieht über einen Öl-
kessel, der jährlich 2,1 GWh Wärme erzeugt. Sie wird zur Beheizung der Gebäude
sowie der Chemisch-Nickel-Bäder und der Abkochentfettung eingesetzt. Auf die Pro-
duktionshalle 2 entfällt ein Raumwärmebedarf von 700 MWh. Die Hallenheizung
wird mit einer Vorlauftemperatur von 70 °C betrieben. Da das Gebäude auch die zent-
rale Kälteversorgung beherbergt, könnte eine Wärmepumpe einen Teil des Raum-
wärmebedarfs decken.
6.2.3 Vorgeschlagene Integration einer Wärmepumpe im Galvanikbetrieb
Die bisher ungenutzte Abwärme kann durch eine Wärmepumpe nutzbar gemacht werden. Der
Kaltwasserrücklaufspeicher dient als Wärmequelle. Als Wärmesenke kommen im Winter die
Gebäudeheizung und ganzjährig das Chrombad und die Abkochentfettung in Frage.
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 55
Um das große Speichervolumen optimal durch eine Wärmepumpe ausnutzen zu können, sind
größere Temperaturamplituden nötig. Da die Pumpen des Kühlkreislaufs nicht drehzahlgere-
gelt sind, darf die Temperatur des Kühlwasservorlaufspeichers nur in sehr engen Grenzen
schwanken, um die Oberflächenqualität der Hartverchromung nicht negativ zu beeinflussen.
Eine Umrüstung des Kühlkreises auf eine drehzahlgeregelte Pumpe würde eine tiefere Aus-
kühlung des Speichers erlauben, wodurch die Wärmeentzugsleistung den in Abbildung 47
dargestellten Stundenmittelwerten angenähert werden kann.
Für die Integration einer Wärmepumpe in die Wärme- und Kälteerzeugung des Galvanikbe-
triebs wurden zwei Varianten untersucht. In Variante 1 wird eine Wärmepumpe untersucht,
die die Kühlung der Produktionsanlagen als Wärmequelle nutzt und 100 kW Heizleistung zur
Verfügung stellt. Als Wärmesenke dient die Hallenheizung, für die ein Wärmebedarf aller-
dings nur während der Heizperiode besteht. Hierdurch erreicht die Wärmepumpe nur geringe
Laufzeiten. In Variante 2 wird zusätzlich zur Hallenheizung noch ein Chrombad als Wärme-
senke erschlossen. Das Bad hat einen ganzjährigen Wärmeverbrauch und ermöglicht somit
lange Betriebszeiten der Wärmepumpe. Eine Umstellung des derzeit direkt mit Strom beheiz-
ten Bades auf eine indirekte Beheizung birgt ein erhebliches Potenzial zur Reduktion von
Betriebskosten und Treibhausgasemissionen. Allerdings stellt diese Umstellung auch einen
erheblichen Eingriff in die Produktionsanlage dar.
6.2.4 Wirtschaftlichkeit der vorgeschlagenen Wärmepumpenanlage im Galvanikbe-
trieb
Für beide vorgeschlagenen Varianten wurden bezüglich der verwendeten Kostenparameter
jeweils ein optimistisches und ein pessimistisches Szenario berechnet. Mit der modifizierten
internen Zinsfußmethode wurde eine dynamische Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchge-
führt. Neben der internen Verzinsung wurde auch die Amortisationszeit ermittelt. Die Be-
rechnung erfolgte gemäß VDI-Richtlinie 2067 /VDI 2067 2010/.
Variante 1:
Aufgrund der fehlenden Wärmeabnahme im Sommer kann lediglich eine Amortisationszeit
von 6 bis 7,5 Jahren erreicht werden. Die interne Verzinsung liegt zwischen 10 und 15 %.
Die Daten zur wirtschaftlichen Bewertung der Variante sind in Tabelle 7 angegeben.
Variante 2:
Gegenüber Variante 1 fallen zusätzliche Kosten für die Installation drehzahlgeregelter Pum-
pen im Kühlsystem und die Umstellung des Chrombades auf eine Beheizung mit Heißwasser
an (Tabelle 8). Da das Chrombad bisher mit Strom geheizt wurde, sind hier allerdings auch
die erzielbaren Einsparungen höher. Somit kann eine Amortisationszeit von 3 bis 4 Jahren
bzw. eine interne Verzinsung von 25 bis 35 % erreicht werden.
Die zweite Variante hat sich als deutlich wirtschaftlicher erwiesen. Das Konzept wurde zur
Detailplanung an einen Anlagenplaner übergeben. Trotz der guten Rahmendaten wurde die
Anlage aufgrund von anstehenden Umstrukturierungen im Unternehmen nicht umgesetzt.
56 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
Tabelle 7: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für Variante 1 der Integration
einer Wärmepumpe in einem Galvanikbetrieb
Szenarien (Variante 1)
optimistisch pessimistisch
Investitionskosten 50.000 € 60.000 €
Steigerung der Energiepreise 4 % p.a. 3 % p.a.
Ölpreis (2012) 7 ct/kWh 7 ct/kWh
Strompreis (2012) 14 ct/kWh 14 ct/kWh
Wärmeerzeugung 179 MWh/a 179 MWh/a
Anlagennutzungsdauer 15 Jahre 15 Jahre
interne Verzinsung 15 % 10 %
Amortisationszeit 6 Jahre 7,5 Jahre
Tabelle 8: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für Variante 2 der Integration
einer Wärmepumpe in einem Galvanikbetrieb
Szenarien (Variante 2)
optimistisch pessimistisch
Investitionskosten 65.000 € 85.000 €
Steigerung der Energiepreise 4 % p.a. 3 % p.a.
Ölpreis (2012) 7 ct/kWh 7 ct/kWh
Strompreis (2012) 14 ct/kWh 14 ct/kWh
Wärmeerzeugung 290 MWh 290 MWh
Anlagennutzungsdauer 15 Jahre 15 Jahre
interne Verzinsung 35 % 25 %
Amortisationszeit 3 Jahre 4 Jahre
6.3 Fallstudie Fertighaushersteller
Bei der Herstellung von Fertighäusern werden einzelne Hauselemente in Fabriken vorgefer-
tigt und auf der Baustelle lediglich noch zusammengefügt. Die Ausbauelemente werden vor-
wiegend in Leichtbauweise hergestellt. Einer der hauptsächlich verwendeten Rohstoffe ist
Holz.
6.3.1 Beschreibung der Produktionsprozesse beim Fertighaushersteller
Damit das Holz verarbeitet werden kann, muss es zuvor getrocknet werden. Der Restfeuchte-
gehalt des Holzes wird dabei auf 10 % bis 20 % reduziert. Er sollte möglichst genau dem
Klima entsprechen, dem das Holz später ausgesetzt ist. Zur Trocknung wird das Holz in eine
Trockenkammer verbracht, in der es über den Zeitraum von mehreren Tagen einer warmen
und trockenen Atmosphäre ausgesetzt wird. Die Trocknungstemperatur wird über den Zeit-
raum stufenweise von 50 °C bis auf 80 °C angehoben. Durch eine erzwungene Konvektion
wird ein guter Übergang der Feuchtigkeit in die Luft erreicht. Temperatur und Luftfeuchtig-
keit müssen während der Trocknung in einem genau definierten Rahmen gehalten werden,
um Trocknungsschäden zu vermeiden. In regelmäßigen Abständen wird die feuchtigkeitsge-
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 57
sättigte Luft gegen trockene Frischluft ausgetauscht. Der eigentlichen Trocknungsphase
schließt sich die Konditionierungsphase an. Sie dient dem Ausgleich von Feuchtedifferenzen
über den Querschnitt des Holzes. Anschließend muss das Holz auf mindestens 40 K über der
Außentemperatur abkühlen, da es sonst zur Rissbildung kommt /Trübswetter, Grohmann
2009/.
6.3.2 Ausgangssituation beim Fertighaushersteller
Der betrachtete Fertighaushersteller verwendet zur Produktion der Bauelemente große Men-
gen Holz. Um diesen Rohstoff optimal auszunutzen, hat er eine Verwertungskette vom Sä-
gewerk über die Holztrocknung bis zur Reststoffverwertung in einem Biomassekraftwerk
aufgebaut. Das Kraftwerk wird vornehmlich mit Reststoffen aus der Produktion befeuert. Es
besteht aus zwei unabhängigen Blöcken mit einer gesamten elektrischen Nettoleistung von
8,2 MW. Die elektrischen Nettowirkungsgrade der beiden Blöcke liegen bei 21,7 % bzw.
23,8 %. Block 1 ist mit einer Entnahmekondensationsturbine ausgestattet. Vor dem Eintritt in
den Niederdruckteil wird Dampf für die Wärmeversorgung des Betriebs abgezweigt. So kön-
nen bis zu 5 MW thermische Leistung bereitgestellt werden. In beiden Kraftwerksblöcken
wird der Dampf nach der Entspannung in freier Kühlung bei 55 °C gegen die Umgebungsluft
kondensiert.
Die ausgekoppelte Wärme wird zur Beheizung von 4 Holzpressen und 27 Trockenkammern
verwendet. Im Winter kommt die Beheizung von Fertigungshallen und Bürogebäuden hinzu.
Die Pressen benötigen eine Vorlauftemperatur von 120 °C und wurden daher nicht näher un-
tersucht. Die Trockenkammern werden ebenfalls mit einer Vorlauftemperatur von 120 °C
versorgt, obwohl die Prozesstemperaturen mit 50 bis 80 °C deutlich darunter liegen. Sie sind
mit einer Beimischung ausgestattet, über die der Vorlauf auf die benötigte Temperatur einge-
stellt wird. Abbildung 48 zeigt schematisch die Einbindung der Trockenkammer in das Ver-
sorgungsnetz. Da keinerlei Daten zum Energieverbrauch der Trockenkammer vorlagen wurde
eine Messung durchgeführt. Die Messstellen sind in Abbildung 48 rot markiert. Insgesamt
wurden zwei Trocknungsläufe analysiert. Die Diagramme in Abbildung 49 und Abbildung 50
zeigen die Verläufe von Vorlauftemperatur und benötigter Leistung über die Trocknungsdau-
er von 15 bzw. 21 Tagen.
Abbildung 48: Anschluss der Trockenkammer an das Versorgungsnetz
Trockenkammer
Pumpe
Hauptleitung Vorlauf
Hauptleitung Rücklauf
T
T
T V
Vorlauftemperatur
Volumenstrom
Rücklauftemperatur
Hauptleitung Vorlauftemperatur
58 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
Hohe Vorlauftemperaturen über 100 °C kommen lediglich in der Aufheizphase zu Beginn der
Trocknung und beim Anfahren der nächsten Temperaturstufe vor. Über die hohen Tempera-
turen und das resultierende große treibende Temperaturgefälle im Wärmeübertrager werden
in den Aufheizphasen Leistungen von bis zu 2,9 MW übertragen. Danach muss die Prozess-
temperatur über mehrere Tage hinweg konstant gehalten werden. Im Mittel stellt sich dabei
ein Leistungsbedarf von 175 kW ein. Die Vorlauftemperatur beträgt in diesen Phasen 60 bis
90 °C.
Abbildung 49: Messdaten der Trocknungsanlage - Trocknungslauf 1 vom 13.05.2012 bis zum 28.05.2012
Abbildung 50: Messdaten der Trocknungsanlage - Trocknungslauf 2 vom 29.05.2012 bis zum 19.06.2012
6.3.3 Vorgeschlagene Integration einer Wärmepumpe beim Fertighaushersteller
Da insbesondere im Winter die Grenzen der Wärmeerzeugung erreicht werden, können die
Trocknungsanlagen nicht mit voller Auslastung gefahren werden. Für die Erweiterung der
Wärmeerzeugungskapazitäten müsste ein zusätzlicher Wärmeerzeuger installiert werden. Mit
einer Wärmepumpe könnte die Abwärme des Kraftwerks als Wärmequelle genutzt werden,
um während der stationären Phasen die Trockenkammer auf Betriebstemperatur zu halten.
Hierfür müsste eine Temperaturdifferenz von 15 bis 45 K überwunden werden. Die Einbin-
0102030405060708090100110120130140150
0100200300400500600700800900
1.0001.1001.2001.3001.4001.500
Tem
pe
ratu
r [°
C]
Leis
tun
g [k
W]
Leistung [kW] Vorlauftemperatur [°C] Leistung 2 h Durchschnitt [kW]
Maximum: 2.700 kWMittelwert: 176 kW
0102030405060708090100110120130140150
0100200300400500600700800900
1.0001.1001.2001.3001.4001.500
Tem
pe
ratu
r [°
C]
Leis
tun
g [k
W]
Leistung [kW] Vorlauftemperatur [°C] Leistung 2 h Durchschnitt [kW]
Maximum: 2.866 kWMittelwert: 174 kW
Ausfall der Datenerfassung
Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe 59
dung einer Wärmepumpe würde wie in Abbildung 51 dargestellt geschehen. In den stationä-
ren Phasen kann die Wärmepumpe die komplette Wärmeversorgung übernehmen. In den
Aufheizphasen würde eine Beimischung aus dem Primärheizkreis erfolgen.
Da die Wärmeauskopplung des Kraftwerks auf 5 MW begrenzt ist, kommt es bei starker Aus-
lastung der Produktion insbesondere im Winter zu Engpässen in der Wärmeerzeugung. Ein
Ölkessel sorgt in diesen Spitzenlastfällen für ausreichend Wärme. Bei Auslastungserhöhung
der Trockenkammern müsste der Spitzenlastkessel das ganze Jahr über betrieben werden.
Diese Art der Wärmeerzeugung ist mit hohen Brennstoffkosten verbunden. Eine Wärme-
pumpe könnte wie in Abbildung 51 dargestellt die Abwärme des Biomasse Kraftwerks nut-
zen, um die Wärmeversorgung von zunächst einer Trockenkammer in der stationären Phase
zu übernehmen.
Abbildung 51: Integration der Wärmepumpe
6.3.4 Wirtschaftlichkeit der vorgeschlagenen Wärmepumpenanlage im Galvanikbe-
trieb
Da im Kraftwerk vor allem biogene Reststoffe aus der eigenen Produktion verbrannt werden,
kann eine Wärmepumpe weder in ökologischer noch in wirtschaftlicher Hinsicht mit der aus-
gekoppelten Wärme aus dem Kraftwerk konkurrieren.
Damit bleibt der Betrieb die Wärmepumpe auf Zeitfenster mit einer hohen Wärmenachfrage
beschränkt, was sich in einer vergleichsweise geringen Anzahl an Vollaststunden ausdrückt.
Unter der Annahme einer Produktionsausweitung in Verbindung mit einem gesteigerten
Wärmebedarf käme die Wärmepumpe auf 2.000 Vollaststunden. Für den beschriebenen Ver-
sorgungsfall wurde eine Wirtschaftlichkeitsrechnung nach VDI-Richtlinie 2067 /VDI 2067
2010/ durchgeführt. Als Referenzwärmeerzeuger wurde der Ölkessel betrachtet. Die Wärme-
pumpe wurde auf eine Heizleistung von 180 kW dimensioniert. Damit ließen sich 73 % des
Trockenkammer
Pumpe
Hauptleitung Vorlauf
Hauptleitung Rücklauf
Wärmepumpe
G
M
M
M
Luftkondensator
Entnahmekondensations-turbine
Speisewasserpumpe
Dampfkessel
Wärmeauskopplung
Biomasse Kraftwerk
ZwischenkreislaufM
60 Entwicklung und Anwendung einer industriellen Hochtemperaturwärmepumpe
Wärmebedarfs eines Trocknungsdurchgangs decken. Für die Analyse der Wirtschaftlichkeit
wurde eine Parametervariation vorgenommen, um ein pessimistisches und ein optimistisches
Szenario darzustellen. Die Daten der Szenarienrechnungen sind in Tabelle 9 angegeben.
Tabelle 9: Annahmen und Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für die Integration einer
Wärmepumpe bei einem Fertighaushersteller
Szenarien
optimistisch pessimistisch
Investitionskosten 64.200 € 85.000 €
Steigerung der Energiepreise 4 % p.a. 3 % p.a.
Ölpreis (2012) 7,5 ct/kWh 7,5 ct/kWh
Strompreis (2012) 9,5 ct/kWh 9,5 ct/kWh
Wärmeerzeugung 360 MWh 360 MWh
Anlagennutzungsdauer 15 Jahre 15 Jahre
interne Verzinsung 24 % 16 %
Amortisationszeit 4 Jahre 5,5 Jahre
Die interne Verzinsung liegt im wirtschaftlichen Bereich. Die Amortisationszeit liegt je nach
Betrachtung zwischen 4 und 5,5 Jahren. Da zum Ende der Untersuchung bis auf Weiteres von
einer Ausweitung der Produktion Abstand genommen wurde, wird die Wärmepumpenanlage
vorerst nicht umgesetzt. Sie käme unter diesen Bedingungen lediglich zur Deckung von Spit-
zenlasten zum Einsatz. Die kurzen Laufzeiten lassen die Wärmepumpe gegenüber dem Öl-
kessel im heutigen Preisgefüge der Energieträger unwirtschaftlich werden.
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 61
7 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Wärmepumpen kommen in der industriellen Praxis bisher noch selten zum Einsatz. Um die
Verbreitung von Wissen über die Integration von Wärmepumpen in die Wärme- und Kältebe-
reitstellung in Industrie und Gewerbe zu fördern werden in diesem Kapitel Anlagen aus die-
sen Anwendungsgebieten portraitiert.
7.1 Praxisanwendungen in der Industrie
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Wärme- und Kältebereitstellung in Indust-
riebetrieben untersucht, um Anwendungsfälle für die Integration einer Wärmepumpe zu fin-
den. Neben der Identifikation geeigneter Wärmequellen und -senken stellten sich auch die
hohen Investitionskosten von Wärmepumpen als bedeutendes Hemmnis heraus. In den fol-
genden Unterkapiteln wird eine Auswahl von 18 bestehenden Wärmepumpenanlagen in der
deutschen Industrie dokumentiert (Abbildung 52).
Abbildung 52: Auswahl umgesetzter Wärmepumpenanlagen in der deutschen Industrie
62 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Die Auswertung der Wärmepumpenanlagen bietet einen Überblick über Anwendungsmög-
lichkeiten in Industriebetrieben. Alle 18 Anlagen nutzen industrielle Abwärme als Wärme-
quelle. Fünf Anlagen erzeugen Prozesswärme, die übrigen erzeugen Raumwärme und
Warmwasser. Die Anlagen verteilen sich wie in Abbildung 53 dargestellt auf 11 Industrie-
branchen. Sechs Anlagen sind in der Metallverarbeitung angesiedelt. Neben konstruktiven
Metallbauunternehmen sind hier auch ein Schraubenhersteller, ein Drahthersteller und ein
Galvanikbetrieb zu finden. Aus der Nahrungsmittelindustrie wurden je eine Anlage in einer
Mälzerei und in einer Brauerei portraitiert. Die übrigen Projekte verteilen sich gleichmäßig
auf die Branchen Automobil, Grundstoffherstellung, Chemie, Elektronik, Textil, Glas und
Abfallentsorgung.
Abbildung 53: Verteilung der dokumentierten Anlagen auf industrielle Branchen
Die Bandbreite der installierten Heizleistung reicht von 20 kW in einem metallverarbeitenden
Betrieb bis zu einer prozessintegrierten Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 3.250 kW.
In Abbildung 54 sind die Anlagen in Größenklassen eingeordnet. Die meisten Anlagen sind
in der Größenklasse von 100 bis 500 kW zu finden.
Abbildung 54: Verteilung der dokumentierten Anlagen auf Leistungsklassen
11
2
1
1
11
6
2
11
Abfallentsorgung
Automobil
Chemie
Elektronik
Glas
Kunststoffprodukte
Maschinenbau
Metallverarbeitung
Nahrungsmittel
Steine & Erden
Textil
Gesamtanzahl: 18
1
4
8
32
0
2
4
6
8
10
< 50 kW 50 bis 100 kW 100 bis 500 kW 500 kW bis1.000 kW
> 1.000 kW
An
zah
l de
r W
ärm
ep
um
pe
n
Heizleistung
Summe: 18
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 63
Die dokumentieren Anlagen wurden vermehrt ab 2007 errichtet. Abbildung 55 zeigt die Ver-
teilung der zugebauten Anlagen auf die Jahre seit 2000. Die Entwicklung korreliert mit dem
Anstieg der Energiekosten /BMWi 2014/ und der steigenden Verbreitung der Wärmepumpe
in Haushalten /BDH 2012/.
Abbildung 55: Baujahr der dokumentierten Anlagen
Einer der wichtigsten Parameter für die Nutzung von Wärmepumpen sind die Temperaturen
von Wärmequelle und Wärmesenke sowie der Temperaturhub. Von ihnen hängen direkt die
Leistungszahl und damit auch die Wirtschaftlichkeit der Anlage ab.
Ein Überblick über die Einsatzbedingungen der dokumentierten Anlagen ist in Abbildung 56
gegeben. Die Mehrzahl der Systeme nutzt Kühlkreisläufe als Wärmequelle. Diese werden
meist bei Temperaturen zwischen 20 und 30 °C betrieben. Die erzeugten Vorlauftemperatu-
ren hängen von der Art der Wärmenutzung ab. Raumwärme und Warmwasser werden zu-
meist bei 55 bis 65 °C erzeugt.
Abbildung 56: Wärmesenken- und Wärmequellentemperaturen der Wärmepumpensysteme
Für die Prozesswärmeerzeugung kann kein Bereich angegeben werden, da sich die benötigten
Temperaturen je nach Produktionsprozess stark unterscheiden (35 bis 80 °C). Der durch-
schnittliche Temperaturhub beträgt 32 K, während der größte Temperaturhub bei 45 K liegt.
0 0 0 0 0 0 0
2
0
2
3
5
4
1 10
1
2
3
4
5
6
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
An
zah
l de
r A
nla
gen
Baujahr
Summe: 18Zwei Anlagen wurden bereits wieder stillgelegt.
82
70
4550
70
40
6055
6065
50
80
65 68
35
60
50
42
28
18 1825 25
15
2720
30
21
50
27 25 23
35 35
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Tem
pe
ratu
r [°
C]
kein
e A
nga
be
64 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Hochtemperaturwärmepumpen sind nicht unter den aufgeführten Anlagen, da diese erst seit
2012 auf den deutschen Markt verfügbar sind.
Die hohen Investitionskosten der Wärmepumpe führen zu vergleichsweise langen Amortisa-
tionszeiten von 2 bis 10 Jahren. Bei günstigen Bedingungen kann eine Amortisation inner-
halb von 5 Jahren oder weniger erreicht werden. Damit übersteigt die Lebensdauer von Wär-
mepumpenanlagen mit 15 bis 20 Jahren die in der Industrie geforderten Amortisationszeiten
um ein Vielfaches. Daher sollte für eine vollständige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung auch die
interne Verzinsung der Investition berücksichtigt werden. Bei einer angenommenen Anla-
gennutzungsdauer von 15 Jahren beträgt diese auch bei einer Amortisationszeit von 6 Jahren
beispielsweise noch 14 %. Lediglich zwei Anlagen erreichen keine Verzinsung im zweistelli-
gen Prozentbereich.
Abbildung 57: Amortisationszeit und interne Verzinsung der Wärmepumpensysteme
In den nachfolgenden Unterkapiteln sind die 18 Wärmepumpenanlagen jeweils in einem kur-
zen Text, gefolgt von einer Übersichtstabelle, dargestellt. Die Anlagen sind in erster Linie
nach Industriezweigen und innerhalb der Industriezweige nach dem Namen des Unterneh-
mens geordnet.
7.1.1 Abfallentsorgung (Vivo GmbH)
Die Vivo GmbH ist ein kommunales Unternehmen der Abfallwirtschaft. Jährlich verwertet
und deponiert das Unternehmen rund 20.000 t Restmüll und 48.000 t Wert- und Problemstof-
fe.
Im Jahr 1994 wurde in Warngau ein neues Kompostwerk gebaut, das bis zu 14.000 t organi-
sche Abfälle verarbeitet. In einem 21 tägigen Fermentationsprozess wird aus den organischen
Stoffen Biogas mit einem Methangehalt von 55 % gewonnen. Das Gas wird in einem Gas-
6,7
5,0
10,0
3,02,0
3,24,0
6,0
2,0
4,0
8,0
6,0
4,03,2
12% 18% 6% 50% 31% 24% 14% 50% 24% 9% 14% 24% 31%
0
2
4
6
8
10
12
Am
ort
isat
ion
sze
it [
a]
kein
e A
nga
ben
interne Verzinsung [-]
kein
e A
nga
ben
kein
e A
nga
ben
kein
e A
nga
ben
32%
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 65
speicher gesammelt und in einem BHKW zur Wärme- und Stromproduktion eingesetzt. Die
Abwärme des BHKW wird für die Beheizung der Fermenter eingesetzt. Überschüssige Wär-
me wird durch ein Nahwärmenetz an einen nahegelegenen Industriepark abgegeben.
Als zusätzlicher Wärmeerzeuger für das Nahwärmenetz wurde im Jahr 2005 eine
LiBr/Wasser Absorptionswärmepumpe installiert. Die Wärmepumpe hat eine Heizkapazität
von 500 kW und wird mit Erdgas befeuert. Als Wärmequelle wird die Abwärme von Rotte-
tunneln auf dem Werksgelände genutzt, die in einem Wasserspeicher bei 42 °C gesammelt
wird. Die Wärmepumpe hebt die Wärme auf eine Temperatur von bis zu 82 °C an und speist
damit das Nahwärmenetz. Die Einbindung der Absorptionswärmepumpe in das Nahwärme-
netz ist in Abbildung 58 dargestellt. Nach dem Ausräumen kleiner Schwierigkeiten im Ver-
teilsystem sowie einer Fehlfunktion der Wärmepumpensteuerung erreichte die Anlage in der
ersten Heizperiode von Oktober 2005 bis April 2006 3.500 Betriebsstunden. Unter Berück-
sichtigung der Abgasverluste arbeitete die Anlage mit einem COP von 1,31.
Abbildung 58: Einbindung der Absorptionswärmepumpe in das Nahwärmenetz /Keil, Schweigler 2006/
Der bisher genutzte Ölkessel konnte zu großen Teilen ersetzt werden. Gegenüber dem alten
System reduzierte sich der Brennstoffverbrauch um 37,5 %. Dadurch wurden jährlich rund
160 t CO2-Emissionen vermieden. Bei einer Wärmeerzeugung von 1.750 MWh beliefen sich
die jährlichen Einsparungen auf 26.000 €. Die Amortisationszeit wurde auf 6,7 Jahre berech-
net. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) hat die wissenschaftlich begleitete Erarbei-
tung und Umsetzung des Konzepts mit 60.000 € unterstützt /ZAE 2007; Keil, Schweigler
2006; DBU 2008/.
Seit 2011 ist die Anlage aufgrund eines Korrosionsschadens außer Betrieb. Da die Arbeits-
zahl der Wärmepumpe den geplanten Wert von 1,65 nicht erreichte, konnten zudem die wirt-
schaftlichen Ziele nicht erfüllt werden. Ein weiteres Problem bestand in der Kommunikation
mit dem Anlagenhersteller. Da es sich dabei um eine indische Firma handelte, musste bei
Abluft Rotte
HeizungRottehalle
Kaltwasser Pufferspeicher
gasbefeuerte Absorptions-
wärmepumpe
42 °C
33 °C35 bis 65 °C
82 °C
64 °C
BHKW und Antrieb der
Abluft-ventilatoren
Warmwasser Pufferspeicher
Nahwärmenetz
VerbraucherVIVO-Netz
SpitzenlastÖlkessel
15 m³
3,5 m³
Kühlturm
66 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Betriebsproblemen ein Techniker eingeflogen werden, mit dem nur über einen Dolmetscher
kommuniziert werden konnte. Aufgrund dieser Probleme wurde auf die Reparatur der Wär-
mepumpe verzichtet.
Tabelle 10: Datenblatt zur Vivo GmbH
Branche Abfallwirtschaft – Kompostwerk Wärmepumpentyp Gas Absorptionswärmepumpe Heizleistung 500 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus den Rottetunneln
plant Wärmequellentemperatur 42 °C Art der Wärmesenke Nahwärmenetz Wärmesenkentemperatur 82 °C COP 1,31 Kältemittel R718 (Wasser) Investitionssumme 268.000 € Inbetriebnahme 2005 Amortisationszeit 6,7 Jahre Kontakt ZAE Bayern, VIVO GmbH
7.1.2 Automobilherstellung (Volkswagen AG)
Das Volkswagen Werk in Emden wurde 1964 eröffnet. Derzeit wird in dem Werk der
Volkswagen Passat hergestellt. Die rund 8.600 Mitarbeiter produzieren täglich bis zu 1.200
Fahrzeuge /Volkswagen 2013/.
In der Prozesskette der Automobilherstellung ist die Lackieranlage einer der größten Ver-
braucher thermischer Energie. Insbesondere für die Vorbehandlungsbecken sowie für die
Trocknung des Lackierguts werden große Wärmemengen benötigt. Beim Lackiervorgang
selbst wird abhängig vom Lackierverfahren zum Teil sogar überschüssige Wärme freigesetzt.
Im VW-Werk in Emden wird die Kathodische Tauchlackierung (KTL) aus der Gruppe der
elektrochemischen Lackierverfahren eingesetzt. Das Lackiergut wird in ein Bad mit
elektrisch leitendem wässrigem Lack eingetaucht. Zwischen Lackiergut und einer Gegen-
elektrode wird ein Gleichspannungsfeld angelegt. Das wasserlösliche Bindemittel wird durch
eine Elektrochemische Reaktion an der Oberfläche des Lackierguts ausgefällt. Hierdurch
wird ein geschlossener Lackfilm von gleichmäßiger Stärke aufgetragen. Als Lösungsmittel
wird heute überwiegend vollentsalztes Wasser eingesetzt. Daher ist das Verfahren ver-
gleichsweise umweltfreundlich. Zudem ist die Lackausbeute mit bis zu 98,5 % sehr hoch. Die
zur Abscheidung des Lacks eingesetzte elektrische Energie wird größtenteils in Wärme um-
gewandelt. Diese muss über ein Kühlsystem bei rund 30 °C abgeführt werden.
Im VW-Werk in Emden wird eine elektrische Kompressionswärmepumpe eingesetzt, um die
Abwärme der KTL auf ein höheres Temperaturniveau zu heben und somit wieder nutzbar zu
machen. Die Wärmepumpe stellt mit einer Heizleistung von 1.683 kW Warmwasser bei
75 °C für verschiedene Prozesse bereit. Die maximale erreichbare Vorlauftemperatur der
Wärmepumpe beträgt 88 °C. Der integrierte COP der Anlage beträgt 5,6. Die jährliche Be-
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 67
triebszeit wurde auf 6.720 Stunden angesetzt. Abgesehen von unbedeutenden Anpassungen
der Anlage in der Startphase läuft die Wärmepumpe ohne Probleme /Volkswagen 2013/.
Tabelle 11: Datenblatt zum Volkswagen Werk Emden
Branche Automobil – Lackieranlage Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 1.683 kW Art der Wärmequelle Lackieranlage (KTL – Verfahren) Wärmequellentemperatur 26 bis 29 °C Art der Wärmesenke Warmwasser für verschiedene Anwendungen Wärmesenkentemperatur 65 bis 75 °C COP 5,6 (integriert) Kältemittel Fluid XPro II Investitionssumme keine Angaben Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit keine Angaben Kontakt Simaka Energie- und Umwelttechnik GmbH
7.1.3 Chemie A (Emil Frei GmbH)
Die Emil Frei GmbH wurde 1926 in Döggingen als Großhandel für Lacke, Farben und Ma-
lerzubehör gegründet und entwickelte sich zum einem international vertretenen Hersteller
von Lacken mit zwei Standorten in Deutschland und drei weiteren in Großbritannien, Russ-
land und Schweden. Heute erwirtschaftet das Unternehmen mit rund 400 Mitarbeitern einen
Umsatz von mehr als 90 Mio. €. Hauptproduktgruppe sind Pulverlacke, gefolgt von Industrie-
lack, Elektrotauchlack und weiteren Speziallacken. Die Exportquote liegt seit Anfang der
2000er Jahre stabil bei 30 % /Emil Frei 2013/.
Im Jahr 2009 wurde in Bräunlingen ein neues Logistikzentrum mit Hochregallager in Betrieb
genommen. Im Zuge dessen wurde auch die Wärme- und Kältebereitstellung am Standort
modernisiert. Durch den Einsatz einer Wärmepumpe wird die Abwärme aus verschiedenen
Prozessen der Pulverlackproduktion genutzt, um Raumwärme für Produktions-, Lager- und
Versandgebäude bereitzustellen.
Durch die Produktionsabwärme wird Kühlwasser auf 18 °C erwärmt. Zwei Wärmepumpen
mit einer Heizleistung von je 120 kW erzeugen warmes Wasser bei 45 °C und sorgen gleich-
zeitig für die Kühlung der Produktion. Die Deckung der Heizlastspitzen übernimmt ein Öl-
kessel. Bis zu einer Außentemperatur von 0 °C kann auf diesen allerdings vollständig ver-
zichtet werden. In den ersten 6 Betriebsmonaten konnten rund 42.000 Liter Heizöl eingespart
werden. Aktuellere Informationen zu Energieeinsparungen liegen nicht vor. Die Amortisati-
onszeit der Wärmepumpenanlage beträgt 5 Jahre.
68 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Tabelle 12: Datenblatt zur Emil Frei GmbH
Branche Chemie – Herstellung von Lacken Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 240 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus der Pulverlackproduktion Wärmequellentemperatur 18 °C Art der Wärmesenke Raumwärme Wärmesenkentemperatur 45 °C COP 5 Kältemittel R404A Investitionssumme 210.000 € Inbetriebnahme 2010 Amortisationszeit 5 Jahre interne Verzinsung 18 % Kontakt Glen Dimplex GmbH
7.1.4 Chemie B (Flavex Naturextrakte GmbH)
Die im Jahr 1986 gegründete Flavex Naturextrakte GmbH ist auf die Gewinnung von emp-
findlichen pflanzlichen Wirk- und Aromastoffen spezialisiert.
Zur Extraktion von Wirk- und Aromastoffen aus den pflanzlichen Rohstoffen können ver-
schiedene Verfahren angewendet werden, die sich vor allem durch das verwendete Extrakti-
onsmittel unterscheiden. Die Flavex GmbH setzt CO2 als Extraktionsmittel ein. Aufgrund
seiner geringen Oberflächenspannung, seiner geringen Reaktivität und der vergleichsweise
niedrigen Prozesstemperaturen, können die Pflanzenextrakte sehr schonend hergestellt wer-
den. Das CO2 Gas wird gekühlt und verflüssigt. Eine Pumpe steigert dann den Druck auf bis
zu 500 bar. Vor dem Eintritt in den Extraktor wird das flüssige CO2 erwärmt. Im Extraktor
kommt es mit den pflanzlichen Rohstoffen in Kontakt und löst wertvolle Inhaltsstoffe heraus.
Ein Entspannungsventil reduziert den Druck wieder und das CO2 verdampft unter Wärmezu-
fuhr. Im Abscheider werden die gelösten Inhaltsstoffe vom CO2 getrennt und abgeführt. Eine
Skizze des Verfahrensablaufs ist in Abbildung 59 zu sehen. Im Kondensator wird der Extrak-
tionsanlage über einen Kühlkreislauf Wärme entzogen.
Ein 30 m³ großer Pufferspeicher deckt den Kältebedarf. Dieser Speicher wird von der Wär-
mepumpe als Wärmequelle genutzt, um ein im Jahr 2009 neu errichtetes Produktionsgebäude
mit ca. 2.000 m² Nutzfläche zu beheizen. Damit die Wärmeversorgung auch an Wochenen-
den und Feiertagen aufrechterhalten werden kann, wurde ein 45 m³ großer Warmwasserspei-
cher gebaut. Das große Speichervolumen sorgt dafür, dass auch bei mehrtägigen Anlagen-
stillständen genügend Heizleistung zur Verfügung steht. Durch die Installation der Wärme-
pumpenanlage kann das Unternehmen jährlich ca. 80 t CO2 Emissionen einsparen. Das Un-
ternehmen betreibt bereits seit 15 Jahren eine ähnliche Anlage für ein weiteres Gebäude. Bis-
her traten keine nennenswerten Probleme auf /Bosch Thermotechnik GmbH 2011/.
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 69
Abbildung 59: Anlagenschema des CO2-Extraktionsverfahren mit Kennzeichnung der Integrationspunk-
te der Wärmepumpe
Tabelle 13: Datenblatt zur Flavex Naturextrakte GmbH
Branche Chemie – Herstellung von Planzenextrakten Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 61,5 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus einer CO2-Extraktionsanlage Wärmequellentemperatur 16 bis 20 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 50 °C COP keine Angaben Kältemittel R407c Investitionssumme keine Angaben Inbetriebnahme 2009 Amortisationszeit 10 interne Verzinsung 6 % Kontakt Junkers - Bosch Thermotechnik GmbH
7.1.5 Elektronikherstellung (Dunkermotoren GmbH)
Die Dunkermotoren GmbH wurde 1950 in Bad Godesberg gegründet und bezog 1955 den
heutigen Hauptstandort in Bonndorf. Das Unternehmen ist auf die Herstellung von elektri-
schen Präzisionsantrieben spezialisiert. Mit ca. 1.000 Mitarbeitern erwirtschaftet es einen
Jahresumsatz von über 150 Mio. €. Seit 2012 ist das Unternehmen Teil des amerikanischen
Elektronikherstellers Ametek.
Im Jahr 2001 wurde der Standort Bonndorf um 6.000 m² Produktionsräume sowie Sozial-
und Nebenräume erweitert. Zur Beheizung der Räume wurde eine Wärmepumpe mit Ab-
wärmerückgewinnung installiert. Auf eine Erweiterung der bestehenden Kesselanlage konnte
Extraktor
Abscheider
CO2
Speichertank
Extrakt
Drosselventil
Verdampfer
Kondensator
UnterkühlerVorwärmer Pumpe
Wärmezufuhr
Wärmezufuhr Wärmeabfuhr
Wärmeabfuhr
70 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
somit verzichtet werden. Zudem wurde der gesamte Neubau mit einer Sprinkleranlage ausge-
rüstet.
In der Produktion wird von Spritzgussmaschinen Abwärme mit einer Temperatur von 25 °C
generiert. Der Tank der Sprinkleranlage dient als Speicher für die Abwärme. Das große Spei-
chervolumen entkoppelt die Kühlung der Spritzgussmaschinen vom Wärmebedarf. Die Wär-
mepumpe nutzt das 25 °C warme Wasser als Wärmequelle und erzeugt Heizwärme mit
70 °C. Die Wärmepumpe hat eine Heizleistung von 90 kW. Sie arbeitet mit einem COP von
3,7. In der ersten Heizperiode konnte eine Reduktion des Heizölverbrauchs um 25 % erreicht
werden.
Inzwischen wurde die Anlage stillgelegt, da am Standort keine Spritzgussmaschinen mehr
betrieben werden. Damit gab es für die Wärmepumpenanlage keine geeignete Wärmequelle
mehr.
Tabelle 14: Datenblatt zur Dunkermotoren GmbH
Branche Elektronik – Herstellung von Elektromotoren Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 90 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus Spritzgussmaschinen Wärmequellentemperatur 25 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 70 °C COP 3,7 Kältemittel keine Angaben Investitionssumme keine Angaben Inbetriebnahme 2001 Amortisationszeit keine Angaben interne Verzinsung keine Angaben Kontakt Combitherm GmbH
7.1.6 Glasherstellung (Glasfabrik Thiele AG)
Die Glasfabrik Thiele AG wurde 1984 in Schrozberg in Baden-Württemberg gegründet und
betreibt heute 7 Standorte in ganz Deutschland. Im Jahr 2002 wurde in Wermsdorf ein neues
Werk zur Flachglasveredelung eröffnet. Mit 14.500 m² Produktionsfläche ist es der größte
Standort. Hauptgeschäftsfeld der Glasfabrik Thiele AG ist die Veredelung von Flachglas für
Bauprojekte auf der ganzen Welt.
Im Zuge eines Ausbaus des Standorts Wermsdorf im Jahre 2007 wurden der ursprünglich
200 m² umfassende Bürotrakt auf 450 m² erweitert. Einhergehend mit dieser Umbaumaß-
nahme wurde die Gasheizung durch eine Wärmepumpenanlage ersetzt. Während die Wärme-
verteilung im Bestandsgebäude über Heizkörper erfolgt, wird im Neubau eine Fußbodenhei-
zung eingesetzt. Neben der Gebäudeheizung deckt die Wärmepumpenanlage auch den
Warmwasserbedarf für die Mitarbeiterduschen. Der Warmwasserverbrauch beträgt 1.200 bis
1.600 Liter pro Tag bei einer Zapftemperatur von 40 °C. Das Wärmepumpensystem besteht
aus 2 Luft/Wasser Wärmepumpen. Die Wärmepumpen kühlen die Produktionshalle und sor-
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 71
gen so für angenehme Arbeitsbedingungen. Sie saugen die 15 bis 30 °C warme Hallenluft an
und kühlen diese um ca. 10 K ab. Das System hat eine Kühlleistung von bis zu 40 kW. Eine
der Wärmepumpen übernimmt vorrangig die Versorgung der Gebäudeheizung, während die
zweite Warmwasser bereitstellt. Sie kann bei Spitzenlasten allerdings auch in den Heizkreis
zugeschaltet werden. Zwei Warmwasserspeicher dienen der Entkopplung von Heiz- und
Kühlbedarf. Ein 500 l Speicher ist in den Heizkreis integriert, während ein 400 l Speicher
Warmwasser für die Duschen bereithält. Die Fotos in Abbildung 60 zeigen die Aufstellung
einer Wärmepumpe direkt neben einem Fertigungsofen sowie die Aufstellung der Speicher in
der Produktionshalle.
Das Wärmepumpensystem übernimmt integriert sowohl die Kühlung der Produktionshalle,
als auch die Wärmeversorgung der Bürogebäude. Die Anschaffungskosten für die gesamte
Anlage betrugen 82.000 €. Davon entfielen 58.000 € auf die Wärmepumpen. Mit einem COP
von 3,8 und ca. 4.400 Vollaststunden pro Jahr können bis zu 11 t CO2-Emissionen vermieden
werden /Dimplex 2012/.
Abbildung 60: Luft/Wasser Wärmepumpe neben dem Glasofen /Dimplex 2012/
Tabelle 15: Datenblatt zur Glasfabrik Thiele AG
Branche Glas - Flachglasveredelung Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 64 kW Art der Wärmequelle Hallenluft (Abwärme aus der Glasveredelung) Wärmequellentemperatur 25 °C Art der Wärmesenke Heizung und Warmwasser für Duschen Wärmesenkentemperatur 40 °C COP 3,8 Kältemittel R404A Investitionssumme 82.000 € Inbetriebnahme 2007 Amortisationszeit keine Angaben interne Verzinsung keine Angaben Kontakt Glen Dimplex GmbH
72 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
7.1.7 Kunststoffprodukte (BIG Spielwaren)
Gegründet im Jahr 1923 stellte das Unternehmen zunächst Spielwaren aus Metall her. Im Jahr
1956 erfolgte die Umstellung auf Kunststoffprodukte. Das erfolgreichste Produkt des Unter-
nehmens ist das seit 1972 hergestellte Bobby Car. Im Jahr 2001 wurde die neue Produktions-
stätte in Burghaslach eröffnet. Gearbeitet wird im 3-Schicht-Betrieb.
Die Kunststoffprodukte des Unternehmens werden hauptsächlich im Blasform- und Spritz-
gussverfahren produziert. In den 15 vollautomatischen Blasformmaschinen wird zunächst
Polyetylen aufgeschmolzen und in Schlauchform extrudiert. Dieser Schlauch wird in das
Werkzeug einer Blasformmaschine eingeklemmt. Durch das Einblasen von Druckluft wird
der Schlauch gegen die Werkzeugkonturen gepresst und gleichzeitig abgekühlt. Innerhalb
von 60 Sekunden entsteht auf diese Weise eine Bobby Car Karosserie. Ein Robotergreifarm
nimmt das Kunststoffteil aus der Form und glättet über einer Flamme den Grat. In Spritz-
gussmaschinen werden massive Kunststoffteile hergestellt. Auch hier wird das Kunststoff-
granulat zuerst geschmolzen und dann in eine Form gespritzt. Der Kunststoff kühlt aus, die
Form öffnet sich und die Kunststoffteile werden ausgeworfen.
In der BIG Spielwarenfabrik sorgt ein Kaltwassersystem für die Kühlung von Spritzguss und
Blasmaschinen sowie von Maschinenhydrauliken. Für eine Dämpfung der Lasten sorgen fünf
in das System integrierte Wasserspeicher mit einem Fassungsvermögen von je 5.000 l. Drei
Kältemaschinen sorgen für ausreichende Kühlkapazitäten. Die überschüssige Wärme wird
über drei Rückkühlwerke an die Umwelt abgegeben.
Im Jahr 2012 mussten zwei der Kälteanlagen ersetzt werden. Als Ersatz wurden zwei Wär-
mepumpen mit einer Kühlleistung von je 382 kW verbaut. Die Wärmepumpen kühlen das
Kühlwasser von 20 auf 10 °C ab. Im Sommer fungieren die Wärmepumpen als normale Käl-
temaschinen. Die Abwärme wird dann nach wie vor über die Rückkühlwerke an die Umge-
bung abgegeben. Im Winter wird die Wärme allerdings zur Gebäudeheizung genutzt. Die
Heizungsanlage wird mit einer hohen Temperaturspreizung bei 60 °C Vorlauf- und 40 °C
Rücklauftemperatur betrieben. Da hohe Temperaturspreizungen und geringe Massenströme
im Verflüssiger der Wärmepumpe den Wärmeübergang negativ beeinflussen, wurde ein Sys-
tem aus zwei Pufferspeichern installiert. Ein Schema der Anlage ist in Abbildung 61 darge-
stellt.
Die Wärmepumpe belädt den Ladepuffer mit einer optimalen Temperaturspreizung von 4 K.
Das komplette Speichervolumen wird fünfmal zirkuliert, bis die Speichertemperatur von
40 °C auf 60 °C angehoben wurde. In dieser Zeit wird der Entladepuffer durch das Heizungs-
system ausgekühlt. Kann der Entladepuffer nicht mehr die nötige Vorlauftemperatur liefern,
wird das ausgekühlte Speicherwasser in den Ladepuffer gepumpt. Dabei passiert es zuerst die
Wärmepumpe, wo es um 4 K erwärmt wird. Gleichzeitig wird das 60 °C warme Speicher-
wasser des Ladepuffers in den Entladepuffer gepumpt. Zwischen beiden Speichern findet ein
vollständiger Wasseraustausch statt.
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 73
Abbildung 61: Optimierte Temperaturspreizung an der Wärmepumpe durch einen Verbund aus zwei
Warmwasserspeichern
Durch diese Verschaltung der beiden Speicher können Heizsystem und Wärmepumpe mit
unterschiedlichen Temperaturspreizungen arbeiten. Hierdurch steigt die Effizienz der Wär-
mepumpe, da diese nicht die gesamte Zeit dazu gezwungen ist, 60 °C Vorlauftemperatur zu
liefern. So kann trotz der hohen Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur
ein COP von 3,7 erreicht werden.
Die Idee zu zur Kopplung der zwei Speicher geht auf Veröffentlichungen des KIT zurück
/Löffler, Griessbaum 2014/. Die Wärmepumpenanlage amortisiert sich bereits nach 5 Jahren.
Werden die entfallenden Kühlkosten während der Heizperiode mit in die Bilanz aufgenom-
men, beträgt die Amortisationszeit nur 3 Jahre.
Tabelle 16: Datenblatt zur BIG Spielwarenfabik GmbH & Co. KG
Branche Kunststoffherstellung - Spielwaren Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 922 kW Art der Wärmequelle Prozesskühlung Wärmequellentemperatur 10 bis 20 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 40 bis 60 °C COP 3,7 Kältemittel R134a Investitionssumme 330.689 € (Wärmepumpen) Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit 3 bis 5 Jahre interne Verzinsung 32 % Kontakt Tritherm, Sanitär Union GmbH
7.1.8 Maschinenbau (Gebr. Kemmerich GmbH)
Das im Jahr 1897 gegründete Unternehmen Gebr. Kemmerich GmbH beschäftigt heute über
1.000 Mitarbeiter an fünf Standorten. Seit 1996 operiert die Werkzeugbau Sparte des Unter-
nehmens am Standort Niederau-Gröbern in Sachsen. Im Werkzeugbau hat sich die Gebr.
74 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Kemmerich GmbH auf Umformtechniken und die Montage von Schrauben und Muttern im
Stanzprozess spezialisiert.
In der Produktion werden unter anderem Laserschneidmaschinen, CNC-Bearbeitungszentren
und Erodiermaschinen eingesetzt, die jeweils über ein eigenes Kühlsystem verfügten, um die
prozessbedingt entstehende Abwärme abzuführen. Mit der Installation einer Kompressions-
wärmepumpe im Jahr 2012 wurden die Anlagen zu einem Kälteverbundsystem zusammenge-
fasst. Die Wärmepumpe übernimmt als Zentraleinheit zum einen die Kühlung der Maschinen,
zum anderen hebt sie die entstehende Abwärme auf ein für die Gebäudeheizung nutzbares
Temperaturniveau an. Wie in der Anlagendarstellung in Abbildung 62 zu sehen, wird die
Maschinenkühlung aus einem Kaltwasserspeicher versorgt. Hierdurch können Spitzenlasten
gedämpft werden, was eine kleinere Dimensionierung der Wärmepumpe erlaubt.
Mit einer Heizleistung von 20 kW erzeugt die Wärmepumpe Warmwasser mit einer Tempe-
ratur von 60 °C. Die erzeugte Wärme wird in eine Sammelschiene gespeist, aus der die
Raumheizung versorgt wird. Reicht die Heizleistung der Wärmepumpe nicht aus, wird ein
Ölkessel zugeschaltet. Zusätzlich wurde ein Warmwasserspeicher installiert, der sowohl di-
rekt von der Wärmepumpe als auch aus der Sammelschiene versorgt werden kann.
Abbildung 62: Integrierte Wärme- und Kältebereitstellung der Gebr. Kemmerich GmbH /Klima Jentz-
sch GmbH 2013/
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 75
Tabelle 17: Datenblatt zur Gebr. Kemmerich GmbH
Branche Maschinenbau - Werkzeugbau Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 20 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus der Produktion Wärmequellentemperatur keine Angabe Art der Wärmesenke Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung Wärmesenkentemperatur 60 °C COP 3,7 Kältemittel keine Angabe Investitionssumme 25.000 € Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit 2 Jahre Interne Verzinsung 50 % Kontakt Klima Jentzsch GmbH
Das Anlagenlayout sorgt für eine maximale Ausnutzung der anfallenden Abwärme aus der
Produktion. Wird mehr Abwärme erzeugt als genutzt werden kann, so wird diese über einen
Außenkühleinheit an die Umgebung abgegeben. Mit einer Investitionssumme von 25.000 €
amortisiert sich die Anlage im Vergleich zur getrennten Wärme- und Kälteerzeugung schon
nach 2 Jahren /Klima Jentzsch GmbH 2013; FORM + Werkzeug 2013/.
7.1.9 Metallverarbeitung A (Flamm GmbH)
Die Flamm GmbH hat ihren Tätigkeitsschwerpunkt in der Großserienfertigung von Sicher-
heitsteilen für die Automobilindustrie sowie von Baugruppen für die Hausgeräteindustrie und
von Präzisionsdrahtteilen für die Elektroindustrie. Das Unternehmen wurde im Jahr 1982
gegründet und beschäftigt am Standort Aachen 45 Mitarbeiter im 3-Schicht Betrieb. Der
Standort hat eine Produktions- und Lagerfläche von 8.000 m².
Die im Produktionsprozess anfallende Abwärme wird über ein Kühlsystem bei 27 °C abge-
führt. Zur Rückgewinnung dieser Wärme wurde eine Wärmepumpe integriert, die Heizungs-
wärme bei einer Vorlauftemperatur von 55 °C bereitstellt. Die Wärmepumpe hat eine Heiz-
leistung von 230 kW und kann so die komplette Gebäudeversorgung übernehmen. Die Inves-
titionskosten für die gesamte Anlage betrugen ca. 70.000 €. Mit einer jährlichen Kostener-
sparnis in der Wärme- und Kältebereitstellung von 22.000 € amortisiert sich die Anlage in
3,2 Jahren.
76 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Tabelle 18: Datenblatt zur Flamm GmbH
Branche Metallverarbeitung – Zulieferung von Metallbauteilen Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 220 kW Art der Wärmequelle Prozessabwärme Wärmequellentemperatur 27 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 55 °C COP 5 Kältemittel R134a Investitionssumme 70.000 € Inbetriebnahme 2010 Amortisationszeit 3,2 Jahre Interne Verzinsung 30 % Kontakt Güstrower Wärmepumpen GmbH
7.1.10 Metallverarbeitung B (Ludwig Michl GmbH)
Die Ludwig Michl GmbH aus Wattersdorf ist ein mittelständisches Unternehmen der metall-
verarbeitenden Industrie. Mit ca. 80 Mitarbeitern verarbeitet das Unternehmen jährlich ca.
1.000 t Blech und erwirtschaftet einen Jahresumsatz von 9 bis 10 Mio. €. Das Unternehmen
bietet die vollständige Produktionskette von der Konstruktion über die Fertigung bis zur
Montage an /Ludwig Michl GmbH 2013/.
In der Fertigung kommen diverse Maschinen vom Kantautomat über Pressen, Schneidma-
schinen, Zerspanungsmaschinen und Schweißanlagen bis hin zu einer Pulverbeschichtungs-
anlage zu Einsatz. Die Maschinen wurden vornehmlich durch lokale Kompressionskälteanla-
gen gekühlt, was zu einer erheblichen Wärmebelastung der Produktionshalle führte. Insbe-
sondere an heißen Sommertagen konnte die Temperatur so weit ansteigen, dass Steuerungs-
module der Maschinen überhitzen. Mit der Anschaffung einer neuen Laser-
schneid/schweißanlage, die einen zusätzlichen Kühlbedarf von 60 kW aufweist, wurde der
Entschluss zu einer Neugestaltung der Kälteversorgung gefasst.
Im Jahr 2007 wurde ein Konzept für eine integrierte Wärme- und Kältebereitstellung erarbei-
tet und umgesetzt. Abbildung 63 zeigt ein Schema der Anlage. Zentraler Bestandteil des
Heiz- und Kühlsystems sind fünf parallel betriebene Absorptionswärmepumpen der Firma
Robur. Da in der Produktionshalle nicht genügend Platz zur Verfügung steht, sind diese zu-
sammen mit einem Heißwasserspeicher und einer Notkühlung in einem Seecontainer neben
der Halle untergebracht (Abbildung 64). Die Wärmepumpen haben je eine Heizleistung von
34 kW und eine Kühlleistung von 16 kW. Sie sind jeweils mit einer Pumpe im Vorlauf und
einer im Rücklauf ausgestattet, die von der Steuerung der Wärmepumpe selbst geregelt wer-
den. Eine übergeordnete Regelung schaltet abhängig vom Kältebedarf Wärmepumpen zu
oder ab.
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 77
Abbildung 63: Anlagenschema der integrierten Wärme- und Kältebereitstellung der Ludwig Michl
GmbH /Ludwig Michl 2007/
Aufgrund der thermodynamisch nachteiligen Eigenschaften von Glykol/Wasser-Gemischen
wird die Anlage mit reinem Wasser betrieben. Da der Seecontainer weder gedämmt ist, noch
beheizt wird, müssen Frostschäden im Winter durch einen aktiven Frostschutz verhindert
werden. Hierzu überwacht die Regelung die Temperaturen in der Anlage. Bei Unterschreiten
einer kritischen Temperatur wird das Wasser umgewälzt, wodurch die Wärmeverluste ausge-
glichen werden können. Um eine Wärmezufuhr im Kühlkreis sicherzustellen, wurde der Ser-
verraum in das Kühlsystem eingebunden. Dieser liefert das gesamte Jahr hindurch Abwärme.
Abbildung 64: Seecontainer mit Notkühlaggregat, Wärmepumpen und Kaltwasserspeicher /Ludwig Mi-
chl 2007/
Neben dem Serverraum werden auch die Klimatisierung der Fertigungshalle sowie zwei La-
serschneid/schweißanlagen mit einem Kältebedarf von 60 bzw. 40 kW und ein Kantautomat
mit Kälte versorgt. Die Kälteverbraucher sind parallel eingebunden, da sie alle auf ähnlich
niedrige Kühltemperaturen angewiesen sind. Der Rücklauf des Kühlkreises liegt im Mittel
bei 20 °C. Ein 3 m³ großer Kaltwasserspeicher entkoppelt den Volumenstrom des Wärme-
pumpenkreises von dem des Kühlkreises. Das große Volumen des Speichers dämpft Spitzen-
lasten ab. Die Wärmepumpen kühlen den Speicher und heben die zurückgewonnene Energie
Absorptions-wärmepumpe
Klimatisierung
Serverkühlung
Laser 2
Laser 1
Kantautomat 5 AbsorptionswärmepumpenKühlleistung: je 16 kWHeizleistung: je 34 kW
Kaltwasser-speicher
3 m³
Heißwasser-speicher
1 m³
Luftregister
Kammer-waschanlage
Haftwasser-trocknung
Seekontainer
Absorptions-wärmepumpe
Absorptions-wärmepumpe
Absorptions-wärmepumpe
Absorptions-wärmepumpe
Basierend auf /Ludwig Michl GmbH 2007/
78 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
auf 60 °C an. Das heiße Wasser wird in einen 1 m³ Speicher gespeist. Von hier aus werden
die Kammerwaschanlage und die nachgelagerte Trocknung mit Wärme versorgt. Im Unter-
schied zur Trocknung ist die Waschanlage auf eine hohe Vorlauftemperatur angewiesen, da
es sonst beim Waschen zu massiver Schaumbildung kommt. Die Anlagen sind in Reihe ein-
gebunden und benötigen eine Heizleistung von 200 kW.
Die Gasversorgung erfolgte in den ersten Monaten über einen Flüssiggastank. Im Zuge einer
Erweiterung des Gasnetzes entschied sich der lokale Versorger zu einem Anschluss der Lud-
wig Michl GmbH. Für die 600 m lange Erdgasleitung wurden 50.000 € investiert. Insgesamt
beliefen sich die Kosten des Projekts auf 125.000 €. Die deutsche Bundesstiftung Umwelt
(DBU) förderte das Projekt mit 30.000 €.
Tabelle 19: Datenblatt zur Ludwig Michl GmbH
Branche Metallverarbeitung – Herstellung von Blechprodukten Wärmepumpentyp 5 gasbetriebene Absorptionswärmepumpen Heizleistung 194 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus Serverraum, Hallenluft und Maschinen Wärmequellentemperatur 20 °C Art der Wärmesenke Prozesswärme für eine Teilereinigungsanlage Wärmesenkentemperatur 60 °C COP 2,3 (integriert) Kältemittel R717 (Ammoniak) Investitionssumme 125.000 € (Gesamtinvestition) Inbetriebnahme 2007 Amortisationszeit 4 Jahre Interne Verzinsung 24 % Kontakt Ludwig Michl GmbH, Robur GmbH
Mit einem integrierten COP von 2,3 erreicht die Anlage eine Amortisationszeit von 4 Jahren.
Bezogen auf die bisherige Wärme- und Kältebereitstellung lassen sich 40 % der CO2-
Emissionen einsparen /Ludwig Michl 2007/, /Robur 2008; Lehnhardt 2008/.
7.1.11 Metallverarbeitung C (Purkart Systemkomponenten GmbH & Co. KG)
Seit der Gründung 1995 ist die Purkart Systemkomponenten GmbH & Co. KG beständig ge-
wachsen und beschäftigt heute mehr als 380 Mitarbeiter an vier Standorten in Deutschland.
Die Haupttätigkeitsfelder des Unternehmens sind die Bearbeitung von Blechen, die Beschich-
tung von Oberflächen und die Montage von Systemkomponenten.
Am Hauptstandort in Großrückerswalde (Sachsen) wird von einer Vielzahl an Maschinen
Abwärme erzeugt, die über ein Kühlsystem abgeführt werden muss. Um diese Wärme zur
Beheizung von Gebäuden und Prozessen nutzbar zu machen, wurde im Jahr 2011 eine Wär-
mepumpe installiert (Abbildung 65).
Vor der Umstellung der Wärme- und Kälteerzeugung betrug der Endenergiebedarf
3.960 MWh/a Gas und 2.860 MWh/a Strom. 1.960 MWh Gas wurde in zwei 2 MW Kesseln
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 79
verbrannt, um Raum- und Prozesswärme mit 90 °C bereitzustellen. Die Prozesswärme ver-
sorgte die Entfettung und die Phosphatierung von Teilen, wobei die Bäder hierfür auf einer
Temperatur von maximal 55 °C gehalten werden mussten. Weitere 2.000 MWh Gas wurden
in direktbefeuerten Wärmebehandlungsöfen verbraucht. Elektrische Energie wurde sowohl
für Maschinenantriebe, Laserschweißanlagen und die Drucklufterzeugung als auch für den
Betrieb einer Kompressionskältemaschine zur Laserkühlung verwendet. Auf die Kälteerzeu-
gung entfielen mit 201 MWh ca. 7 % des Stromverbrauchs.
Abbildung 65: Wärme- und Kältebereitstellung in einem Metallverarbeitungsbetrieb im Ausgangszu-
stand (schwarz) und nach dem Umbau (schwarz/grau) /Preuß, André 2011/
Durch die Einbindung einer Wärmepumpe und die Optimierung der bestehenden Anlage
konnte der Gasverbrauch um 38 % auf 2.470 MWh gesenkt werden. Der Stromverbrauch
blieb mit nun 2.856 MWh (+ 0,4 %) annähernd gleich. Das neue Anlagenkonzept ist in Ab-
bildung 65 zu sehen. Die heißen Abgase der Wärmebehandlungsöfen werden nun als Wär-
mequelle für die Wärmepumpe genutzt. Durch diese Maßnahme konnten die Abgasverluste
von 200 MWh auf 47 MWh reduziert werden. Als zweite Wärmequelle wurde die Abwärme
der Laserschweißanlagen erschlossen. Die Kompressionskälteanlage kommt nur noch dann
zum Einsatz, wenn kein Wärmebedarf besteht. So konnte der Energieaufwand für den Betrieb
der Kältemaschine um 82 % auf 36 MWh reduziert werden. Insgesamt werden durch die
Wärmepumpe 706 MWh Wärme zurückgewonnen. Bei einem Stromverbrauch von
261 MWh stellt diese mit einem COP von 3,7 967 MWh Wärme bei 65 °C bereit. Die Wär-
mepumpe hat eine Heizleistung von 274 kW. Sowohl auf der kalten als auch auf der warmen
Seite ist die Wärmepumpe mit Pufferspeichern verbunden, die jeweils ein Volumen von
16.000 l haben. Durch die Speicher kann die Wärme- und Kälteversorgung auch ohne Wär-
mezufuhr- bzw. Wärmeabnahme 30 bis 60 Minuten lang aufrechterhalten werden. Neben der
Wärmepumpe wurde auch die Drucklufterzeugung als weitere Quelle für die Wärmebereit-
80 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
stellung erschlossen. Hier kann mehr als die Hälfte der eingesetzten elektrischen Energie als
Wärme genutzt werden.
Durch ein Monitoring konnte die Betriebsdauer der Wärmepumpe von 5 auf 8 Stunden ge-
steigert werden. Die Temperatursensibilität der Laserkühlung erforderte mehrere hydrauli-
sche Abgleiche bis ein stabiler Anlagenbetrieb erreicht wurde. Die Investitionskosten für den
Anlagenumbau betrugen 570.000 €. 30 % der Investition wurden mit Mitteln des europäi-
schen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Mit einem angenommenen Anstieg
der Energiepreise um 3 % im Jahr amortisiert sich die Anlage nach 6 Jahren. Aufgrund der
hohen Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren ist eine Rendite von 18 % zu erwarten /Preuß,
André 2011; SAENA 2012; Brandenburg 2011/.
Tabelle 20: Datenblatt zur Purkart Systemkomponenten GmbH & Co. KG
Branche Metallverarbeitung – Blechbearbeitung Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 274 kW Art der Wärmequelle Laserkühlung und Abgas von Wärmebehandlungsöfen Wärmequellentemperatur 25 to 35 °C Art der Wärmesenke Raum- und Prozesswärme Wärmesenkentemperatur 65 °C COP 3,8 Kältemittel R134a Investitionssumme 567.000 € (Gesamtinvestition) Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit 6 Jahre Kontakt FWU Ingenieurbüro GmbH, Combitherm GmbH
7.1.12 Metallverarbeitung D (Schraubenwerk Zerbst GmbH)
Ursprünglich im Jahr 1919 unter dem Namen Schraubenfabrik Meinecke & Co KG gegrün-
det. ist das Schraubenwerk Zerbst heute ein etablierter Hersteller von Norm- und Spezial-
schrauben. Wichtigstes Produktfeld sind Schrauben für Schienenbefestigungssysteme und
Gleisbauartikel sowie Schrauben für die Anwendung im Stahlbau und in der Windkraft. Das
Unternehmen erwirtschaftet mit 195 Beschäftigten einen Jahresumsatz von 38 Mio. €.
Die Schraubenfertigung beginnt mit dem Herstellen von Rohmaterialabschnitten (Pinnen) aus
6 m langen Rundmaterialstangen im Durchmesser von ca. 20 mm bis 80 mm. Aus diesen
wird durch Umformung und Zerspanung die Schraube hergestellt. Anschließend folgen noch
die Veredelung und die Verpackung.
Das Schraubenwerk Zerbst stellt überwiegend Schrauben mit großen Durchmessern durch
Warmumformprozesse her. Dazu werden die Rohmaterialabschnitte vor dem Schmieden der
Schraubenköpfe durch induktive Erwärmung auf Umformtemperatur gebracht. Dabei entsteht
in den Induktionsspulen so viel Abwärme, dass diese über ein Kühlsystem abgeführt werden
muss. Der 23 bis 25 °C warme Kühlwasserrücklauf wird in einem Becken gesammelt. Das
Wasser wird in Kühltürmen verrieselt und kühlt so auf 20 bis 23 °C ab. Seit dem Jahr 2011
nutzen zwei Wärmepumpen das Kühlwasser als Wärmequelle. Die Wärmepumpen sind pa-
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 81
rallel zu den Kühltürmen angeordnet. Durch die Entwicklung eines speziellen, auf die Kühl-
wassereigenschaften optimierten Verdampfers konnte auf einen Zwischenkreis verzichtet
werden, was sich positiv auf die Effizienz der Anlage auswirkt.
Tabelle 21: Datenblatt zur Schraubenwerk Zerbst GmbH
Branche Metallverarbeitung – Schraubenherstellung Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 584 kW Art der Wärmequelle Abwärme von Induktionspressen Wärmequellentemperatur 20 bis 23 °C Art der Wärmesenke Heizung von Produktionshallen und Sozialgebäuden Wärmesenkentemperatur 40 °C bis 58 °C COP 3,5 Kältemittel keine Angabe Investitionssumme 180.000 € Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit 2 Jahre interne Verzinsung 50 % Kontakt Klima Jentzsch GmbH
Die Wärmepumpen haben eine maximale Kühlleistung von 436 kW. Sie werden mit einer
Kaskadensteuerung betrieben, wodurch die Leistung der Wärmepumpen in 8 Stufen der be-
nötigten Leistung angepasst werden kann. Mit einer Heizleistung von bis zu 292 kW pro
Wärmepumpe werden Produktionshallen, Verwaltungs- und Sozialgebäude mit Raumwärme
versorgt. Die Vorlauftemperatur der Heizung beträgt abhängig von der Außentemperatur
zwischen 40 und 58 °C. Um die Produktionshallen bei diesen niedrigen Vorlauftemperaturen
mit ausreichend Wärme versorgen zu können, wurde die komplette Heizungsanlage moderni-
siert und den niedrigen Vorlauftemperaturen angepasst. Steht an Wochenenden keine Ab-
wärme zur Verfügung, übernimmt ein Gaskessel mit einer Leistung von 300 kW die Grund-
wärmeversorgung /Klima Jentzsch GmbH 2013; Schraubenwerk Zerbst 2013/.
7.1.13 Metallverarbeitung E (Thoma Metallveredelung GmbH)
Die Thoma Metallveredelung GmbH wurde im Jahr 1924 gegründet und zog im Jahr 1960 an
den derzeitigen Standort Heimertingen um. Der in dritter Generation geführte Familienbe-
trieb beschäftigt heute ca. 100 Mitarbeiter. Als Oberflächenveredler bietet das Unternehmen
eine große Bandbreite von Metallbeschichtungen an.
In einem Forschungsprojekt wurde 2009 in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Pro-
duktionstechnik und Automatisierung (IPA) eine neue Hartverchromungsanlage entwickelt,
die durch Verbesserungen im Verchromungsprozess sowie durch eine Nutzung der entste-
henden Abwärme sehr effizient betrieben werden kann.
In der neu entwickelten Anlage wird der Chromelektrolyt in Zwangskonvektion versetzt.
Hierdurch kann die Stromdichte ohne Qualitätseinbußen auf bis zu 90 A/dm² gesteigert wer-
82 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
den. Die Stromausbeute steigt auf 22 % bis 24 %. Außerdem muss die Elektrolyttemperatur
auf 58 bis 60 °C angehoben werden.
Neben hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist eine gleichförmige Qualität des Elektrolys
notwendig, um gleichmäßige Schichtdicken erzeugen zu können. Daher wird das Verchro-
mungsbad aus einem Vorratsbehälter versorgt, in dem zum einen die Qualität des Elektrolyts
überwacht wird und zum anderen über einen sekundären Kühlkreislauf die Abwärme abge-
führt wird. Zusammen mit Abwärme von Stromgleichrichtern wird diese einem Kühlwasser-
rücklaufbecken zugeführt. Abbildung 66 zeigt ein Anlagenschema.
Eine Wärmepumpe hebt die Abwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau von 75 bis 80 °C
an und sorgt gleichzeitig für die Kühlung der Chrombäder. Ein 7,5 m³ großer Heißwasser-
speicher nimmt einen Teil der erzeugten Wärme auf und versorgt die Gebäude mit Warm-
wasser und Heizwärme. Die übrige Wärme wird einem Pufferspeicher zugeführt. Sie wird
zum Aufheizen der Chrombäder beim Anfahren der Produktion verwendet. Um die Betriebs-
temperaturen von bis zu 60 °C schnell erreichen zu können, wird eine große Wärmeleistung
benötigt. Aus diesem Grund ist der Pufferspeicher mit 40 m³ sehr groß dimensioniert. Besteht
nicht genügend Wärmebedarf, so kann die Anlage über einen Grundwasserbrunnen gekühlt
werden. Damit ist eine hohe Versorgungssicherheit gewährleistet. Auch für die Wärmever-
sorgung besteht im Notfall die Möglichkeit auf einen Ölkessel zurückzugreifen.
Abbildung 66: Anlagenschema der integrierten Wärme- und Kältebereitstellung bei Thoma Metallvere-
delung GmbH /Zimmer 2009/
Das Wärmepumpensystem deckt 50 % des gesamten Wärmebedarfs des Werks und führt
damit zu Einsparungen im Heizölverbrauch von 150.000 l/a. Durch Prozessverbesserungen
und die Integration von Heiz- und Kühlsystem konnte die Energieausbeute von 20 % auf
90 % gesteigert werden. Setzt man einen 24-Stundenbetrieb mit 98 % Verfügbarkeit an, kann
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 83
die Wärmepumpe rund 1,4 MWh Wärme im Jahr liefern. Im Vergleich zum Ölkessel können
damit bis zu 450 t CO2-Emissionen vermieden werden.
Tabelle 22: Datenblatt zur Thoma Metallveredelung GmbH
Branche Metallverarbeitung - Galvanik Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 143 kW Art der Wärmequelle Prozesskühlung Wärmequellentemperatur 50 bis 60 °C Art der Wärmesenke Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme Wärmesenkentemperatur 75 bis 80 °C COP 3 Kältemittel keine Angaben Investitionssumme keine Angaben Inbetriebnahme 2009 Amortisationszeit weniger als 4 Jahre Kontakt Thoma Metallveredelung GmbH
Über die energiebezogenen Vorteile hinaus konnte durch die Umstellung des Prozesses die
Schichthärte um 10 % und gleichzeitig die Abscheidungsgeschwindigkeit um bis zu 80 %
gesteigert werden. Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt mit einer
Summe von 110.000 € gefördert. Insgesamt ergibt sich eine Amortisationszeit von unter 4
Jahren /Zimmer 2009, Zimmer 2010a, Zimmer 2010b; Hlavica 2010/.
7.1.14 Metallverarbeitung F (Walter Th. Hennecke GmbH)
Die Walter Th. Hennecke GmbH ist ein Unternehmen der Blechverarbeitenden Industrie mit
mehr als 250 Mitarbeitern an zwei Standorten in Deutschland.
Im Jahr 2011 investierte das Unternehmen in eine neue integrierte Wärme- und Kälteerzeu-
gung. Herzstück der Anlage ist eine elektrische Kompressionswärmepumpe. Diese nutzt Ab-
wärme aus der Produktion zur Bereitstellung von Prozesswärme. Fünf CO2-
Laserschneidanlagen mit einer elektrischen Anschlussleistung laufen im 3-Schicht-Betrieb.
Da lediglich 5 bis 6 kW dieser Leistung für die Arbeit am Bauteil genutzt werden können
entstehen hohe Wärmelasten, die durch ein Kühlsystem abgeführt werden müssen. Bis zum
Umbau der Anlage wurde diese Wärme über ein integriertes Kühlaggregat an die Umge-
bungsluft abgegeben, was bei fünf Laserschneidanlagen insbesondere im Sommer zu unan-
genehm hohen Raumlufttemperaturen in der Produktion führte.
Ein Schema der neuen integrierten Wärme- und Kälteerzeugung ist in Abbildung 67 darge-
stellt. Die Laserschneidanlagen wurden an ein Kühlsystem angeschlossen, dass aus einem
8.000 l fassenden Pufferspeicher versorgt wird. Die drehzahlgeregelte Pumpe des Kühlkreises
variiert den Volumenstrom so, dass bereits eine Laserschneidanlage die Kühlwassertempera-
tur von 22 °C auf 27 °C anheben kann. Der Speicher dient als Wärmequelle für die Wärme-
pumpe. Sie kühlt den Speicher und liefert auf der warmen Seite eine Vorlauftemperatur von
84 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
60 °C. Mit einer maximalen Heizleistung von 260 kW erzeugt die Wärmepumpe 1,3 GWh
Wärme im Jahr. Die Wärme wird in einen ebenfalls 8.000 l fassenden Schichtspeicher ge-
speist. Aus diesem werden eine Entfettungs- und eine Phosphatierungsanlage mit Wärme
versorgt. Der alte 400 kW Gasbrenner ist als Notfallaggregat in den Heizkreis eingebunden,
wird aber im Normalbetrieb nicht mehr benötigt.
Abbildung 67: Abwärmenutzung von Laserschneidanlagen zur Prozesswärmebereitstellung bei der Wal-
ter Th. Hennecke GmbH
Die Planungs- und Bauzeit für die Anlage betrug drei Monate. Aufgrund geringer Wärmeab-
nahme durch die Entfettung und Phosphatierung erreicht die Wärmepumpe derzeit lediglich
eine Auslastung von 45 % bis 50 %. Perspektivisch sollen weitere Wärmesenken an den
Heizkreis angeschlossen werden, um die Auslastung der Wärmepumpe zu erhöhen. Ein neues
Bürogebäude mit Sozialräumen und Duschen ist derzeit in Planung. Zudem bestehen noch
Potenziale für die Nutzung weiterer Abwärmequellen. So könnte noch Wärme aus dem Ab-
gas der Trockner in der Pulverbeschichtung zurückgewonnen werden. In der finalen Ausbau-
stufe soll die Anlage 1.400 m² Sozialräume sowie 2.500 m² Hallenflächen beheizen. Gegen-
über einer getrennten Wärme- und Kältebereitstellung könnten dann bis zu
500 t CO2-Emissionen im Jahr vermieden werden /Hennecke GmbH 2013/.
Tabelle 23: Datenblatt zur Walter Th. Hennecke GmbH
Branche Metallverarbeitung – Blechbearbeitung Wärmepumpentyp elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 260 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus fünf Laserschneidanlagen Wärmequellentemperatur 27 °C Art der Wärmesenke Prozesswärme für Entfettung und Phosphatierung Wärmesenkentemperatur 65 °C COP 4 Kältemittel keine Angaben Investitionssumme 85.000 € (nur für die Wärmepumpe) Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit ca. 8 Jahre (für die Gesamtinvestition) Kontakt iQma energy GmbH & Co. KG;
SmartHeat Deutschland GmbH; Henneke GmbH
Laserschneid-anlage
Laserschneid-anlage
Laserschneid-anlage
Laserschneid-anlage
Laserschneid-anlage
Kaltwasser-speicher
Heißwasser-speicher
Wärmepumpe
Gasbrenner
Entfettungsbad
Phosphatierungsbad
Basierend auf /Hennecke GmbH 2013/
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 85
7.1.15 Nahrungsmittelherstellung A (Hanspeter Graßl KG)
Die Hanspeter Graßl KG vertreibt unter dem Namen Schäffler Bräu Bier, Bierbrände und
diverse alkoholfreie Getränke. An die Brauerei ist ein Gasthof mit Hotelbetrieb angegliedert.
Seit Juni 2012 wird die im Brauprozess freiwerdende Abwärme zur Bereitstellung von Heiz-
wärme und Warmwasser eingesetzt.
Das Bierbrauen ist ein mehrstufiger Prozess für den große Energiemengen benötigt werden.
Zunächst wird Malz geschrotet und zusammen mit Wasser in die Maischepfanne gegeben.
Hier wird unter Zufuhr von Wärme die im Malz enthaltene Stärke gelöst und von Enzymen in
Zucker umgewandelt. Danach werden im Läuterbottich die Enzyme deaktiviert und wasser-
unlösliche Stoffe (Malztreber) entfernt. Unter Zugabe von Hopfen wird der Sud in der
Würzepfanne gekocht. Durch Abführen des entstehenden Wasserdampfs wird der Sud auf die
für jede Biersorte spezifische Stammwürze aufkonzentriert. In einem Whirlpool werden die
unlöslichen Bestandteile des Hopfens abgeschieden, bevor die Würze in Gärtanks gepumpt
wird. Dort wird durch Zugabe von Hefe der Zucker in Alkohol umgesetzt. Je nach Hefeart
wird das Bier bei Temperaturen von 4 bis 9 °C für untergärige Hefen bzw. 15 bis 20 °C für
obergärige Hefen vergoren. Die dabei entstehende Wärme wird über eine Kälteanlage abge-
führt. Anschließend wird das Bier filtriert und in Flaschen abgefüllt, die zuvor in einer Fla-
schenwaschmaschine gereinigt wurden.
In der Schäffler Brauerei wird die Abwärme der Kältemaschinen in einem speziell konstruier-
ten 12 m³ fassenden Tank gesammelt. Zudem wird das Abwasser der Flaschenwasch- und
Befüllungsanlage durch diesen Speicher geführt, um zusätzliche Abwärme zurückzugewin-
nen. Durch die Ausnutzung des Höhenunterschieds von 2 m zwischen Abfüllanlage und
Speicher wird keine Pumpe im Abwasserstrom benötigt. Die Abwärmeströme bringen den
Speicher auf eine Temperatur von 25 °C. Eine Wärmepumpe mit 77 kW Heizleistung nutzt
den Speicher als Wärmequelle und hebt die Abwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau
von 65 bis 72 °C. Steht keine Abwärme für den Betrieb der Wärmepumpe zur Verfügung,
kann der hauseigene Brunnen als Wärmequelle genutzt werden. Die Wärmepumpe versorgt
Brauhaus und Gaststätte mit Warmwasser und Heizenergie. Ein 50 kW Ölbrenner deckt die
Spitzenlasten. Mit einer jährlichen Wärmeerzeugung von 200 MWh deckt die Wärmepumpe
mehr als 80 % des Wärmebedarfs.
Die Investitionskosten der Anlage setzen sich aus den Kosten der Wärmepumpe (26.667 €)
und den Kosten für Speicher und Wärmeübertrager (5.000 €) zusammen. Die Anlage erreicht
eine Amortisationszeit von weniger als 6 Jahren /Arwego e.K. 2013; Brauwelt 2012/.
86 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Tabelle 24: Datenblatt zur Hanspeter Graßl KG
Branche Nahrungsmittel - Brauerei Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 77 kW Art der Wärmequelle Abwärme aus der Produktion und Quellwasser Wärmequellentemperatur 25 °C Art der Wärmesenke Raumwärme, Warmwasser Wärmesenkentemperatur 65 bis 72 °C COP 4,3 Kältemittel R134a Investitionssumme 31.667 € Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit weniger als 6 Jahre Interne Verzinsung 14 % Kontakt Arwego e.K.
7.1.16 Nahrungsmittelherstellung B (Tivoli Malz GmbH)
Die Tivoli Malz GmbH ist alleiniger Gesellschafter der GlobalMalt GmbH & Co KG und
Mehrheitsgesellschafter der GlobalMalt Polska Sp z o.o. Mit einer Jahresproduktion von rund
200.000 t Malz ist Global Malt einer der führenden Malzproduzenten in Deutschland und
Polen. Am Produktionsstandort Hamburg werden jährlich 105.000 t Malz hergestellt
/GlobalMalt 2013; Tivoli Malz 2012/.
Malz ist ein Vorprodukt der Bierproduktion. Es wird aus Getreide (vornehmlich Gerste) her-
gestellt. Das Getreide wird gereinigt, in Wasser eingeweicht und bei einer Temperatur von ca.
15 °C zur Keimung gebracht. Durch die Keimung werden Enzyme gebildet, die während des
späteren Brauprozesses Eiweiße und Stärke aus dem Getreidekorn abbauen. Ein Teil der
Stärke wird schön während des Mälzens in kleinere Moleküle (Zucker) zerlegt. Nach fünf bis
sieben Tagen wird der Keimprozess abgebrochen. Unter konstanter Wärmezufuhr wird das
gekeimte Getreide (Grünmalz) getrocknet, wodurch die Keimlinge absterben. Im ersten Pro-
zessschritt, dem Schwelken, findet bei 50 bis 65 °C der größte Feuchtigkeitsaustrag statt.
Durch die Wasseraufnahme kühlt die Luft auf 22 bis 28 °C ab. Im Anschluss folgt das eigent-
liche Darren. Hierzu wird die Temperatur in der Trockenkammer, der sogenannten Darre,
erhöht. Über die Dauer und Temperatur des Darrens lassen sich die späteren Eigenschaften
des Bieres beeinflussen. Während helles Malz bei Temperaturen bis zu 85 °C gedarrt wird,
werden für dunkles Malz Temperaturen bis zu 100 °C benötigt. Nach dem Darren wird das
Malz von den abgestorbenen Keimen befreit und in Silos eingelagert.
Am Produktionsstandort in Hamburg betreibt GlobalMalt mehrere solcher Darren. Um die
eingesetzte Energie möglichst gut auszunutzen, sind zwei Trocknungskammern wie in Abbil-
dung 68 dargestellt miteinander verschaltet.
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 87
Abbildung 68: Einbindung von BHKW und Wärmepumpe in den Trocknungsprozess einer Mälzerei
/Tivoli Malz 2012/
Während das Malz in der einen Kammer geschwelkt wird, wird eine weitere Charge in einer
zweiten Kammer gedarrt. Die Wärmezufuhr findet in der Darre statt. Die warme Abluft der
Darre wird für das Schwelken in der zweiten Kammer genutzt. Die nun feuchtigkeitsgesättig-
te Abluft verlässt die Kammer mit einer Temperatur von 28 °C. Über einen speziell konstru-
ierten Glasröhrenwärmeübertrager wird die Zuluft auf 22 °C vorgewärmt während sich die
Abluft auf 26 °C abkühlt. Durch diese Maßnahmen konnte der spezifische Energiebedarf von
1.300 kWh/t Malz auf 600 bis 650 kWh/t Malz gesenkt werden.
Um den Energiebedarf des Prozesses weiter zu reduzieren, hat GlobalMalt im Jahr 2010 ne-
ben einem BHKW eine elektrische Kompressionswärmepumpe installiert. Die vorgenomme-
nen Umbauten sind in Abbildung 68 rot eingefärbt. Nach der Wärmerückgewinnung durch
den Glasröhrenwärmeübertrager wird die Abluft von der Wärmepumpe weiter auf 23 °C ab-
gekühlt und an die Umgebung abgegeben. Der Verdampfer der Wärmepumpe hat eine Ge-
samtfläche von 13.500 m². Stündlich kondensieren in ihm bis zu 3.000 l Wasser aus der Ab-
luft. Die Wärmepumpe hebt die entzogene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau und
erwärmt die Zuluft von 22 °C auf 35 °C. Die Wärmepumpe liefert eine maximale Heizleis-
tung von 3.250 kW. Sie wird von einem Schraubenverdichter angetrieben. Aufgrund der ge-
ringen Temperaturdifferenz wird ein durchschnittlicher COP von 6,3 erreicht. Als Kältemittel
wurde Ammoniak gewählt. Aufgrund seiner hohen volumetrischen Heizleistung können die
Komponenten der Wärmepumpe verhältnismäßig klein dimensioniert werden. Darüber hin-
aus wurde auch auf die geringe Treibhauswirksamkeit von Ammoniak Wert gelegt. Da Am-
moniak in Luft eine Zündgrenze von lediglich 15,3 Vol. % hat, wurden Detektoren und
Schnellverschlussventile am Kondensator der Wärmepumpe installiert. Damit kann die Aus-
trittsmenge im Fall einer Leckage so gering gehalten werden, dass kein explosionsfähiges
Gasgemisch entstehen kann. Im Betrachtungszeitraum von Juni 2010 bis Mai 2011 erzeugte
die Wärmepumpe 24.500 MWh Prozesswärme.
88 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Neben der Wärmepumpe wurde ein BHKW installiert. Dieses sorgt für eine weitere Erwär-
mung der Zuluft. Darüber hinaus erzeugt es Strom für die Wärmepumpe und weitere Ver-
braucher. Das BHKW hat eine elektrische Leistung von 2.000 kW und erzeugt bei ca. 8.000
Vollaststunden 16 GWh Strom und 20 GWh Wärme pro Jahr. Dem BHKW nachgeschaltet ist
ein Gasbrenner, der die Temperatur der Zuluft schließlich auf bis zu 85 °C anhebt.
Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) mit 340.000 € geför-
dert. Die Investitionskosten für Wärmepumpe und BHKW betrugen nach Abzug der KWK-
Förderung 3.077.000 €. Mit jährlichen Einsparungen von 579.000 € amortisiert sich die An-
lage innerhalb von 5,3 Jahren. Durch die Umsetzung dieser Maßnahme kann die GlobalMalt
GmbH am Standort Hamburg jährlich den Ausstoß von 6.300 t CO2 vermeiden. Bezogen auf
die gesamten CO2-Emissionen des Standorts entspricht das einer Einsparung von ca. 25 %.
Der spezifische Energiebedarf für die Herstellung einer Tonne Malz sank auf 350 bis 500
kWh/t. Die Anlage erfüllt die Anforderungen im vollen Umfang, so dass seit Inbetriebnahme
keine Änderungen vorgenommen werden mussten /Mönch 2011; Brauindustrie 2009; Mönch
2012; Tivoli Malz 2012; Brauwelt 2010/.
Tabelle 25: Datenblatt zur Tivoli Malz GmbH
Branche Lebensmittel - Herstellung von Braumalz Wärmepumpentyp elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 3.250 kW Art der Wärmequelle feuchte Prozessabluft Wärmequellentemperatur 23 °C Art der Wärmesenke Prozesswärme für eine Darre Wärmesenkentemperatur 35 °C COP 6,3 Kältemittel R717 (Ammoniak) Investitionssumme 1.820.000 € (Wärmepumpe) Inbetriebnahme 2010 Amortisationszeit 5,3 Jahre Interne Verzinsung 24 % Kontakt Tivoli Malz GmbH
7.1.17 Steine und Erden (Treibacher Schleifmittel Zschornewitz GmbH)
Die Treibacher Schleifmittel AG ist ein weltweit operierender Hersteller von Schleifmitteln
mit Sitz in Villach (Österreich). Am Standort Zschornewitz wird bereits seit 1918 der Grund-
stoff Korund im Elektroschmelzverfahren hergestellt. Im Jahr 2001 wurde die Elektrosch-
melze in Zschornewitz von Treibacher Schleifmittel erworben. In den folgenden Jahren wur-
de die Produktpalette um die Herstellung weiterer Korundprodukte und Zirkonmullit erwei-
tert. Heute beschäftigt das Unternehmen am Standort Gräfenhainichen-Zschornewitz rund
170 Mitarbeiter.
In der Korundherstellung werden aluminiumhaltige Tonerden bei 2.000 bis 3.000 °C in ei-
nem Lichtbogenofen aufgeschmolzen. Das Aluminiumoxid wird in Blöcke gegossen. Nach
dem Erkalten werden diese Blöcke gebrochen und in weiteren Prozessschritten zerkleinert
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 89
und homogenisiert. Vor dem Verpacken wird der Korund ein letztes Mal gesiebt und mit Zu-
satzstoffen vermischt. Die Schmelzöfen benötigen eine konstante Kühlung bei 35 °C. Ein
kleiner Teil dieser Wärme wird von einer Wärmepumpe genutzt, um die Unternehmensge-
bäude zu beheizen. Die Wärmepumpe ist über einen Zwischenkreis in das Kühlsystem einge-
bunden. Mit dieser Maßnahme kann der Verdampfer vor einer Beschädigung durch Verun-
reinigungen geschützt werden. Die Abwärme wird auf eine Temperatur von 60 °C angehoben
und im Heizungssystem verwendet. Zwei parallel geschaltete Heizungswasserspeicher ent-
koppeln Heizwärme- und Kühlbedarf. Abbildung 69 zeigt ein Schema der integrierten Heiz-
und Kühlanlage /Klima Jentzsch GmbH 2013/.
Abbildung 69: Integriertes Heiz- und Kühlsystem der Treibacher Schleifmittel GmbH /Klima Jentzsch
GmbH 2013/
Tabelle 26: Datenblatt zur Treibacher Schleifmittel GmbH
Branche Grundstoffherstellung – Korundherstellung Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 110 kW Art der Wärmequelle Kühlung der Schmelzöfen Wärmequellentemperatur 35 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 60 °C COP 3,7 Kältemittel keine Angabe Investitionssumme 72.760 € Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit 3,2 Jahre interne Verzinsung 32 % Kontakt Klima Jentzsch GmbH
90 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
7.1.18 Textilherstellung (PONGS Seidenweberei GmbH)
Ausgehend von der Gründung der Baumwollweberei PONGS im Jahr 1910 hat sich das Un-
ternehmen in den vergangenen Jahrzehnten zu einem führenden Anbieter von Textilien für
Werbung und Dekoration entwickelt. An zwei Standorten sind mehr als 200 Mitarbeiter be-
schäftigt.
Die Firma PONGS betreibt eine Wärmerückgewinnungsanlage für die Abluft von Färbema-
schine und weiteren Prozessen. Beim Färben von Textilien werden große Mengen Wärme
benötigt. Eine Farbstofflösung wird zunächst auf das Textil aufgebracht. In einem zweiten
Schritt wird die Farbe unter Wärmeanwendung fixiert.
Im Jahr 2008 wurde in einem ersten Schritt eine Frischluftvorerwärmung für die Trockenab-
teile von zwei Anlagen in Betrieb genommen. Die Luft wird dann über einen Thermoölkreis-
lauf mit einer Vorlauftemperatur von 240 bis 260 °C weiter erhitzt. Im zweiten Schritt wurde
die Wärmerückgewinnung um eine Wärmepumpe erweitert. Über einen speziell konstruierten
Verdampfer entzieht eine Wärmepumpe der Abluft 110 kW Wärme auf einem Temperaturni-
veau von 30 bis 40 °C. Mit einem mittleren COP von 5,1 liefert sie Heizungswärme bei 50 °C
für die Fußbodenheizung einer Lagerhalle. In Notfällen kann ein Ölkessel die Wärmeversor-
gung mit übernehmen. Um den Bedarf an Heizwärme vom Abwärmeaufkommen zu entkop-
peln, wurde ein Heißwasserspeicher mit 3.000 l Volumen installiert. Abbildung 70 zeigt ein
Schema der Wärmerückgewinnungsanlage. Das Unternehmen ist mit der Anlage sehr zufrie-
den und hat bereits eine weitere Wärmerückgewinnung installiert /Klima Jentzsch GmbH
2013; PONGS 2014/.
Abbildung 70: Wärmerückgewinnung der PONGS Seidenweberei GmbH /Klima Jentzsch GmbH 2013/
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 91
Tabelle 27: Datenblatt zur PONGS Seidenweberei GmbH
Branche Textil – Färben und Bedrucken von Textilien Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 137 kW Art der Wärmequelle Abluft einer Färbemaschine Wärmequellentemperatur 30 bis 40 °C Art der Wärmesenke Heizung der Produktionshalle Wärmesenkentemperatur 50 °C COP 5,1 Kältemittel keine Angaben Investitionssumme 195.000 € (gesamte WRG Anlage) Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit keine Angaben interne Verzinsung keine Angaben Kontakt Klima Jentzsch GmbH
7.2 Zusammenfassende Betrachtung der ausgewählten Wärmepumpenanwendungen
in der Industrie in Deutschland
Die beschriebenen Anlagen zeigen, dass auch in Deutschland unter den hiesigen Rahmenbe-
dingungen industrielle Wärmepumpenanlagen erfolgreich realisiert und betrieben werden
können. Eine zusammenfassende Übersicht der Anlagen findet sich in Tabelle 29.
Aus der Tabelle geht hervor, dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Wärmequellen in der
Industrie vorhanden ist. Soweit keine direkte Nutzung möglich ist, können diese Wärmeströ-
me durch den Einsatz von Wärmepumpen wieder nutzbar gemacht werden. 13 der 18 be-
schriebenen Anlagen versorgen Büro- und Produktionsgebäude mit Raumwärme. Die Hei-
zungsanlage ist eine für die Integration von Wärmepumpen interessante Wärmesenke, da die
benötigten Temperaturen in einem niedrigen Bereich zwischen 40 und 80 °C liegen. Über-
schusswärme aus Kühlkreisläufen liegt zumeist bei Temperaturen von 10 bis 40 °C vor. Bei
den hier realisierbaren Temperaturhüben von weniger als 50 K erreichen Wärmepumpen
noch COP von über 3. Wenn auch die Heizung nicht ganzjährig Wärme nutzen kann, so stellt
der Einsatz einer Wärmepumpe in dieser Konstellation eine meist wirtschaftliche Energieef-
fizienzmaßnahme dar. Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet für Wärmepumpen sind
Trocknungsprozesse. In konvektiven Trocknungsprozessen, die im Umluftverfahren betrie-
ben werden, muss die Trocknungsluft zunächst abgekühlt und danach wieder erhitzt werden.
Sowohl Wärmequelle als auch Wärmesenke sind im Trocknungsprozess selbst vorhanden.
Bedingt durch geringe Temperaturhübe in Verbindung mit langen Betriebszeiten ist der Ein-
satz von Wärmepumpen in Trocknungsprozessen oft wirtschaftlich.
92 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
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Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 93
7.3 Auswahl umgesetzter Anlagen in der Industrie außerhalb Deutschlands
Wie in Deutschland, so ist auch auf internationaler Ebene ein wachsendes Interesse an indust-
riellen Wärmepumpen zu verzeichnen. In den nordischen Ländern Finnland, Schweden,
Norwegen und Kanada hat sich die Wärmepumpe bereits in der industriellen Anwendung
etabliert. Diese Entwicklung ist bedingt durch bessere wirtschaftliche Rahmenbedingungen
für den Einsatz von Wärmepumpen.
In Tabelle 30 ist eine Übersicht über gut dokumentierte industrielle Wärmepumpenprojekte
außerhalb Deutschlands gegeben. Viele der aufgeführten Anlagen sind in der Nahrungsmit-
telindustrie zu finden. Sie nutzen die Abwärme von Kältemaschinen. Zum Teil wird die Kälte
auch direkt von der Wärmepumpe erzeugt. Aufgrund des großen Kältebedarfs und eines
gleichzeitigen Wärmebedarfs bei niedrigen Temperaturen ist die fleischverarbeitende Indust-
rie besonders gut für die Anwendung von Industriewärmepumpen geeignet. In Molkereien
herrschen ähnliche Bedingungen weshalb auf diese beiden Branchen 9 der 25 in Tabelle 30
erfassten Anlagen entfallen.
In Deutschland sind vornehmlich einfache Wärmepumpenanwendungen zu finden. Häufig
wird industrielle Abwärme genutzt um Raumwärme zu erzeugen. Wärmepumpen direkt in
die Produktionsprozesse integriert sind, sind selten zu finden. Zudem werden diese Anlagen
von den Betreiberunternehmen meist geheim gehalten.
Blick man in andere Industrienationen so fällt auf, dass insbesondere in den nordischen Län-
dern bereits viele Wärmepumpen existieren, die direkt in Produktionsprozesse integriert sind.
Mögliche Gründe sind die aufgrund niedriger Strom- und hoher Gaspreise generell stärkere
Verbreitung von Wärmepumpen sowie eine möglicherweise offenere Informationspolitik der
Betreiberunternehmen.
94 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
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Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 95
7.4 Praxisanwendungen im GHD-Sektor
Im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen wurde bereits eine Vielzahl von Großwär-
mepumpenprojekten erfolgreich umgesetzt. Im Rahmen dieses Kapitels werden sieben größ-
tenteils sehr unterschiedliche Anlagen beschrieben. Alle beschriebenen Großwärmepumpen
erzeugen Raumwärme und/oder Warmwasser. Dazu nutzen sie allerdings höchst unterschied-
liche Wärmequellen, wie Abwasser, Serverabwärme, Erdwärme oder Solarwärme. Für drei
der in Abbildung 71 aufgeführten Anlagen wurde im Rahmen dieser Studie ein Anlagenmo-
nitoring durchgeführt. In den folgenden Unterkapiteln werden zunächst die Anwendungsfälle
dargestellt, bevor die Ergebnisse der Anlagenmonitorings beschrieben werden.
Abbildung 71: Auswahl umgesetzter Wärmepumpenanlagen im GHD-Sektor
96 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
7.4.1 Großküche (FH Südwestfalen Campus Soest)
An der Fachhochschule (FH) Südwestfalen sind mehr als 12.000 Studierende eingeschrieben.
Davon studieren etwa 3.000 am Campus Soest. Die Mensa des FH Campus in Soest wird
über ein Nahwärmenetz mit Wärme versorgt. Die Wärmeverluste von Erzeugung und Vertei-
lung liegen im Jahresmittel bei 30 %. Insbesondere in den Sommermonaten, wenn die Mensa
der einzige Wärmeerzeuger ist, steigen die Verluste auf bis zu 80 %. Der Betrieb des Nah-
wärmenetzes ist in dieser Zeit nicht wirtschaftlich. Durch die Installation einer Wärmepum-
penanlage im Jahr 2011 kann sich die Mensa außerhalb der Heizperiode selbst mit Wärme
versorgen. Damit kann das Nahwärmenetz über die Sommermonate stillgelegt werden.
Als Wärmequellen nutzt die Wärmepumpe einen bisher ungenutzten Abluftstrom und die
Abwärme einer kleinen Kälteanlage. Das Wärmerückgewinnungssystem mit integrierter
Wärmepumpe ist in Abbildung 72 schematisch dargestellt. Der Abluftstrom hat ein Volumen
von 19.300 m³/h. Er wird durch die Wärmepumpe von 23 °C auf 17 °C abgekühlt. Die entzo-
gene Wärme wird in einen 300 l fassenden Abwärmespeicher geleitet. An diesen ist auch die
kleine Kälteanlage angeschlossen. Sie speist kontinuierlich 3,8 kW Abwärme in den Speicher
ein. Ist die Wärmepumpe nicht in Betrieb, so kann die Speichertemperatur auf bis zu 50 °C
steigen. Während des Wärmepumpenbetriebs beträgt die Rückkühltemperatur der Kälteanla-
ge lediglich noch ca. 20 °C, wodurch sich die Effizienz der Anlage deutlich steigern lässt.
Abbildung 72: Wärmeversorgung der Mensa auf dem Campus in Soest /thermea 2014a/
Die Wärmepumpe hat eine Heizleistung von 45 kW. Sie versorgt die Mensa mit Raumwärme
und Warmwasser. Während der Heizperiode kann über das Nahwärmenetz zusätzliche Wär-
me bezogen werden. Die Heizleistung der Wärmepumpe kann über einen Frequenzumformer
dem Bedarf angepasst werden. Das Heizungssystem verfügt über zwei Pufferspeicher mit
einem Volumen von je 1.500 l. Pufferspeicher 1 wird von der Wärmepumpe auf bis zu 80 °C
erwärmt. Aus diesem Pufferspeicher wird die Trinkwasseraufbereitung versorgt. Zudem kann
über eine Beimischung die Vorlauftemperatur der Heizung angehoben werden. Pufferspei-
cher 2 versorgt die Heizung mit Wärme. Die Heizkörper werden mit der Temperatursprei-
zung 70/55 °C betrieben. Die Fußbodenheizung wird aus der Rücklaufsammelschiede mit
Kälteanlage
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20 bis 50 °C
Wärmepumpe
Abluftstrom
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80 °C
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Puffer-speicher 2
Puffer-speicher 1
Vorlauf Heizung
Vorlauf Warmwasser und Heizung
Rücklauf
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 97
40/30 °C versorgt. Bei zu niedrigen Temperaturen kann aus der Vorlaufschiene wärmeres
Wasser beigemischt werden. Durch diese Anlagenverschaltung wird eine größtmögliche
Auskühlung des Rücklaufs erreicht.
Die Wärmepumpe kann mit der großen Spreizung von 40 K sehr effizient arbeiten, da CO2
als Kältemittel verwendet wird. Durch den überkritischen Prozess entsteht ein großer Tempe-
raturgleit auf der Wärmesenkenseite. Durch die hohe Temperaturspreizung kann dieser Effekt
optimal genutzt werden. Die Anlage erreicht eine Jahresarbeitszahl von 3,2. Die besten COPs
sind in der Übergangszeit, bei laufender Fußbodenheizung, zu verzeichnen. Die Anlage steu-
ert 152 MWh/a zum Heizwärmebedarf der Mensa bei /thermea 2014a/.
Tabelle 30: Datenblatt zur Mensa der FH Südwestfalen in Soest
Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 45 kW Art der Wärmequelle Flusswasser Wärmequellentemperatur 21/10 °C Art der Wärmesenke Beheizung von Gebäuden über ein Nahwärmenetz Wärmesenkentemperatur 40/80 °C COP 3,0 Kältemittel R744 (Kohlendioxid) Investitionssumme keine Angabe Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit keine Angabe interne Verzinsung keine Angabe Kontakt Thermea Energiesysteme GmbH
7.4.2 Möbelhaus (IKEA Berlin-Lichtenberg)
Das im Jahr 2010 errichtete Einrichtungshaus in Berlin-Lichtenberg ist mit einer Bruttoge-
schossfläche von 45.000 m² die größte IKEA-Filiale in Deutschland. Die überbaute Fläche
beträgt 28.000 m².
Das Gebäude wurde mit dem Ziel errichtet, die durch den Gebäudebetrieb verursachten
Treibhausgasemissionen auf ein Minimum zu reduzieren. Eine Photovoltaikanlage mit einer
Leistung von 575 kWp trägt zum Stromverbrauch bei. Der Warmwasserbedarf wird während
der Sommermonate von einer 50 m² großen Solarthermieanlage gedeckt. Der Heizwärmebe-
darf wird zu ca. 70 % von einem Wärmepumpensystem mit einer Heizleistung von 1.476 kW
gedeckt. Zu Spitzenlastzeiten wird das Wärmepumpensystem durch zwei gasbefeuerte Heiz-
kessel mit einer Heizleistung von je 510 kW unterstützt.
In Abbildung 73 ist die Wärme und Kälteversorgung des Gebäudes schematisch dargestellt.
Zentrales Element des Heiz- und Kühlsystems sind drei Wärmepumpen mit einer Heizleis-
tung von je 492 kW und einer Kühlleistung von je 379 kW.
98 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Abbildung 73: Anlagenschema der Wärme- und Kälteversorgung in der IKEA Filiale Berlin-Lichtenberg
Eine Besonderheit der Anlage ist die Nutzung von Abwasser als Wärmequelle im Winter und
als Wärmesenke im Sommer. In 150 m Entfernung zur Heizzentrale des Gebäudes verläuft
eine Abwasserdruckleitung (DN 1000), die ganzjährig eine Abwassermenge von 500 bis
1.400 m³/h führt. Die Temperatur des Abwassers schwankt im Jahresverlauf zwischen 10 und
15 °C. Unter der Zufahrt zu den Parkplätzen wurde ein 204 m langer Bypass zur Abwasser-
druckleitung verlegt. Der Bypass besteht aus einem Kernrohr (DN 700) und einem Mantel-
rohr (DN 800). Der Spalt zwischen Kern- und Mantelrohr wird von Wasser durchströmt. Die-
ser Wasserkreislauf ist sowohl an die Kälteverteilschiene wie auch die Wärmeverteilschiene
angebunden. Im Winter dient das Abwasser als Wärmequelle für die Wärmepumpen. Sie
kühlen das Abwasser um bis zu 2 K aus und versorgen Fußbodenheizung und Betonkernakti-
vierung des Gebäudes mit 35 bis 40 °C warmem Heizwasser. Die drei Sprinklerbecken der
Feuerlöschanlage mit einem Gesamtvolumen von 1.250 m³ werden Wärmequellenseitig als
Speicher genutzt, um negative Temperaturspitzen des Abwassers während der Schnee-
schmelze auszugleichen. Im Sommer wird das System in umgekehrter Weise betrieben. Die
Wärmepumpen kühlen das Gebäude und geben die Abwärme an das Abwasser ab. Da sich
das Abwasser im weiteren Verlauf noch mit weiteren Abwasserströmen vermischt und zudem
im Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdreich steht, wird der Klärwerksbetrieb durch
den Wärmeentzug bzw. die Wärmeeinleitung nicht beeinflusst.
Die Wärmepumpen erreichen eine Jahresarbeitszahl von 4,35. Gegenüber einer ausschließli-
chen Wärmeversorgung über Gaskessel können durch die Wärmepumpenanlage
CO2-Emissionen in Höhe von 770 t/a vermieden werden. Die Amortisationszeit der Anlage
wurde auf ca. 7 Jahre berechnet /Schitkowsky 13.12.2010; IKEA 06.05.2010; Wohlhagen
Wernik, Paulus 2010/.
Wärme-pumpe
Wärme-pumpe
Wärme-pumpe
Gas-kessel
Gas-kessel
Sprinklerbecken
Sprinklerbecken
Sprinklerbecken
HeizungsverteilerAbwasserwärme-
übertragerKaltwasserverteiler
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 99
Tabelle 31: Datenblatt zu IKEA in Berlin-Lichtenberg
Wärmepumpentyp Elektrische Kompression Heizleistung 3 mal 492 kW Art der Wärmequelle Abwasserdruckleitung Wärmequellentemperatur 10 bis 15 °C Art der Wärmesenke Gebäudeheizung Wärmesenkentemperatur 35 bis 40 °C JAZ 4,35 Kältemittel R134a Investitionssumme keine Angabe Inbetriebnahme 2010 Amortisationszeit 7 Jahre interne Verzinsung 12 %
Kontakt Ochsner GmbH, Ingenieurbüro Lang, Ingenieurbüro Paulus
7.4.3 Nahwärme (Lauterecken)
In dem 2.155 Einwohner Dorf Lauterecken im Pfälzer Bergland wird das Wasser des Flusses
Lauter für die Wärmeversorgung öffentlicher Gebäude genutzt. Das Flusswasser wird zwar
auch im Sommer nur 10 °C warm, dafür fällt es im Winter nur selten unter 4 °C. Eine Wär-
mepumpe mit einer Heizleistung von 232 kW nutzt das Flusswasser als Wärmequelle. Die
Wasserentnahmestelle befindet sich im Abstrom einer Wassermühle. Der Standort ist äußerst
vorteilhaft, da das Wasser hier frei von Treibgut ist. Mit einer Tauchpumpe werden ca. 10
Liter Flusswasser pro Sekunde entnommen und zur 150 m entfernten Wärmepumpe geleitet.
Diese entzieht dem Wasser Wärme und kühlt es dadurch um 3 K ab, bevor es in die Lauter
zurückfließt. Aufgrund der verhältnismäßig geringen entnommenen Wassermenge und der
Tatsache, dass die Lauter wenig später in den Glan mündet, ist praktische keine Veränderung
der Wassertemperaturen im Fluss messbar. Entnahmestelle und Wärmepumpe sind in Abbil-
dung 74 abgebildet.
Abbildung 74: Wärmeentnahmestelle und CO2-Wärmepumpe in Lauterecken /thermea 2014b/
100 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Die Wärmepumpe bringt die entzogene Wärme auf eine Vorlauftemperatur von 65 °C. Als
Kältemittel wird CO2 eingesetzt, da es aufgrund seines hohen Temperaturgleits im Gaskühler
besonders geringe Exergieverluste bei der Wärmeabgabe verursacht. Damit kann die
CO2-Wärmepumpe immer noch eine Jahresarbeitszahl von 3,5 erreichen. Die erzeugte Wär-
me wird über ein 200 m langes Nahwärmenetz an öffentliche Gebäude sowie eine Sparkasse
und ein Einfamilienhaus verteilt. Insgesamt sind 11 Verbraucher an das Netz angeschlossen.
Aufgrund der niedrigen Rücklauftemperatur von 30 bis 40 °C kann die CO2-Wärmepumpe
besonders effizient arbeiten. Sinkt die Flusswassertemperatur unter 4 °C, wird die Wärme-
pumpe abgeschaltet und ein Gas-Brennwertkessel übernimmt die Wärmeversorgung.
Insgesamt erzeugt die Wärmepumpe 520 MWh/a Heizwärme. Damit können bis zu 53 t CO2-
Emissionen im Jahr vermieden werden. Die Errichtung des Nahwärmenetzes und der zentra-
len Wärmeerzeugung kostete rund 840.000 €. Das Land Rheinland-Pfalz und der Bund haben
die Investition im Rahmen des Konjunkturpakets II mit rund 360.000 € gefördert /thermea
2014b/.
Tabelle 32: Datenblatt zum Nahwärmenetz in Lauterecken
Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 232 kW Art der Wärmequelle Flusswasser Wärmequellentemperatur 4 bis 10 °C Art der Wärmesenke Beheizung von Gebäuden über ein Nahwärmenetz Wärmesenkentemperatur 65 °C COP 3,5 Kältemittel R744 (Kohlendioxid) Investitionssumme 840.000 € Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit keine Angabe interne Verzinsung keine Angabe Kontakt Thermea Energiesysteme GmbH
7.4.4 Schwimmbad (Meerwassererlebnisbad Juist)
Die Nordseeinsel Juist plant in Kooperation mit dem Grundversorger EWE ihren CO2-
Ausstoß nachhaltig zu senken /Kurverwaltung Juist 2013/. Im Rahmen dieser Bemühungen
wurde das Meerwasser Erlebnisbad im Jahr 2007 mit einer neuen Wärmeversorgung ausge-
stattet.
Der Erdgaskessel wird nun von einer 821 m² große Solarabsorber-Anlage und einer Wärme-
pumpe unterstützt. Abbildung 75 zeigt schematisch den Aufbau des neuen Wärmeversor-
gungssystems. Die Anlage heizt das Beckenwasser auf 30 °C. Während der Sommermonate
kann der Solarabsorber allein die nötige Temperatur liefern. In den Übergangszeiten reicht
die Sonneneinstrahlung nicht aus, um die nötigen Temperaturen zu erzeugen. Ab 27 °C Vor-
lauftemperatur erhöht die Wärmepumpe die Temperatur. Das Absorberfeld wird von der Be-
ckenheizung getrennt und fungiert als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Durch den gerin-
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 101
gen Temperaturhub erreicht die Wärmepumpe eine Arbeitszahl von 8. In den Wintermonaten
übernimmt der Gaskessel die Wärmeversorgung.
Abbildung 75: Kopplung von Solarabsorber und Wärmepumpe für die Wärmeversorgung eines
Schwimmbades
Für die Vorerwärmung der Zuluft wurde auf dem Dach des Bades eine 170 m² große Solar-
Luftkollektor-Anlage installiert. Beide Anlagen zusammen bewirken eine Reduktion des
Energieverbrauchs um 35 %. Hierdurch kann der Ausstoß von jährlich 480 t CO2 vermieden
werden. Die Betriebskosten der Wärmeerzeugung konnten um 35.000 €/a reduziert werden.
Damit amortisiert sich die Anlage voraussichtlich in weniger als 10 Jahren /Büschner 2008;
BWP 2011; Grammer Solar 2009; Dobelmann 2008/.
Tabelle 33: Datenblatt zum Meerwassererlebnisbad Juist
Wärmepumpentyp Elektrische Kompressionswärmepumpe Heizleistung 198 kW Art der Wärmequelle Solarwärme Wärmequellentemperatur 4 bis 27 °C Art der Wärmesenke Beheizung von Badewasser Wärmesenkentemperatur 30 °C COP 8,0 Kältemittel R407C Investitionssumme keine Angabe Inbetriebnahme 2007 Amortisationszeit < 10 Jahre interne Verzinsung keine Angabe Kontakt Meerwassererlebnisbad Juist
7.4.5 Bürogebäude A (EHA/Vattenfall Hamburg)
In Verbindung mit der Erweiterung von Serverräumen installierte der Energiedienstleister
Energie-Handels-Gesellschaft mbH & Co. KG (EHA) im Hauptgebäude der Vattenfall Euro-
pe Business Services GmbH in Hamburg eine Wärmepumpenanlage. Das Bürogebäude ver-
fügt mit einer Länge von 153 m, einer Breite von 31 m und einer Höhe von 44 m über eine
Bruttogeschossfläche von ca. 48.600 m² auf 13 Stockwerken. Die Maximalbelegung sind ca.
2.000 Menschen bei 25.700 m² Büronutzfläche. Vor der Installation des Wärmepumpensys-
Wärmepumpe
Solarabsorber
Wärmeversorgung Schwimmbad
102 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
tems wurde der komplette Wärme- und Kältebedarf des Gebäudes über ein Fernwärme- bzw.
Fernkältenetz gedeckt. Die Jahresenergieverbräuche des Gebäudes betragen 6.100 MWh
Wärme, 5.700 MWh Kälte und 7.800 MWh Strom. Das recht ausgeglichene Verhältnis von
Wärme- und Kältebedarf und die Tatsache, dass einige Bereiche des Gebäudes auch im Win-
ter gekühlt werden müssen, stellen eine ideale Voraussetzung für die Integration einer Wär-
mepumpenanlage zur gekoppelten Wärme- und Kälteerzeugung dar. Der Kältebedarf beträgt
während der Wintermonate mindestens 306 kW. Durch die neuen Serverräume kommen noch
einmal ca. 190 kW hinzu.
Das im Jahr 2011 in Betrieb genommenen Wärmepumpensystem besteht aus zwei bauglei-
chen Wärmepumpen mit Turboverdichter. Jede der Wärmepumpen hat unter den Ausle-
gungsparametern eine Heizleistung von 313 kW bei einer Kühlleistung von 241 kW. Die
magnetgelagerten Turboverdichter der Wärmepumpen arbeiten ölfrei und mit geringen Rei-
bungsverlusten. Die Leistung kann über einen Frequenzumformer von 50 bis 100 % variiert
werden. Die Wärmepumpen sind parallel verschaltet und speisen sowohl auf der Heiz- als
auch auf der Kühlseite einen je 3.000 l großen Pufferspeicher. Abbildung 76 zeigt die Ver-
schaltung der beiden Wärmepumpen.
Abbildung 76: Einbindung der Wärmepumpen in die Wärme- und Kältebereitstellung bei Vattenfall
Die Wärmepumpenanlage wurde im Rahmen des Forschungsprojekts über einen Zeitraum
von zwei Jahren messtechnisch ausgewertet. Wie Abbildung 77 zeigt, schwankt die monat-
lich erzeugte Wärmemenge zwischen 150 und 270 MWh. Im Juli 2011 fällt die erzeugte
Wärme- und Kältemenge geringer aus. Ursächlich hierfür waren Betriebsstörungen der Wär-
mepumpenanlage, die auf einen defekten Differenzdruckschalter zurückzuführen waren. In
den Wintermonaten sinkt der Kältebedarf des Gebäudes, so dass die Serverräume zum Teil
den einzig verbliebenen Kälteverbraucher darstellen. Daher steigen in diesen Monaten die
Deckungsraten für die Kälteerzeugung, während die Deckungsraten für die Wärmeerzeugung
aufgrund eines höheren Wärmebedarfs sinken. Abbildung 78 verdeutlicht diese Zusammen-
hänge. In den Sommermonaten wird die Kälteerzeugung durch den Wärmebedarf des Gebäu-
des determiniert. Da ein Teil der Wärme auf einem höheren Temperaturniveau für den Be-
trieb der Lüftungsanlage benötigt wird, steigen die Deckungsraten für die Wärmebereitstel-
lung nur vereinzelt über 60 %. Im Mittel des Jahres 2012 betrug die Deckungsrate für die
Wärmeerzeugung 37 %. Für die Kälteerzeugung betrug sie 41 %.
Wärmepumpe
Wärmepumpe
6 °C
10 °C
40 °C
45 °C
Pufferspeicher Heizung 3 m³
Pufferspeicher Kühlung 3 m³
Kältenetz
Heizungsnetz
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 103
Abbildung 77: Monatliche Wärme- und Kälteerzeugung durch das installierte Wärmepumpensystem bei
Vattenfall
Abbildung 78: Deckungsraten der Wärmepumpen für den Wärme- und Kältebedarf des Gebäudes bei
Vattenfall
Die Leistungszahlen variieren im Jahresverlauf nur leicht. Anhand von Abbildung 79 ist ein
leichtes Absinken der Leistungszahlen während der Wintermonate festzustellen. Grund hier-
für ist eine leichte Anhebung der Heizungsvorlauftemperatur. Bezogen auf das Jahr 2012
betrug die Jahresarbeitszahl 4,45 für die Wärmeerzeugung und 3,45 für die Kälteerzeugung.
Aufgrund der wärme- und kälteseitigen Integration der Wärmepumpen können die gesamte
erzeugte Wärme und Kälte als Nutzen bilanziert werden. Damit ergibt sich eine integrierte
Jahresarbeitszahl von 7,87 für das Jahr 2012.
56
118 127 137
176 178 188155
206 193
149127 137
119
159135
200
131159 158
187154
118 12873
153166
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227 236251
203
269253
192
165174
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208 208
245
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151175
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150
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500
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[M
Wh
]Kälte Wärme
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30%
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90%
100%
Deckungsrate Kälte Deckungsrate Wärme
Deckungsrate Kälte (30 Tage Mittelwert) Deckungsrate Wärme (30 Tage Mittelwert)
104 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Abbildung 79: Monatsarbeitszahlen der Wärmepumpen bei Vattenfall
Tabelle 34: Datenblatt zu EHA/Vattenfall
Wärmepumpentyp Elektrische Kompression Heizleistung 626 kW (2 mal 313 kW) Art der Wärmequelle Rechenzentrum Wärmequellentemperatur 6 bis 10 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 40 bis 45 °C JAZ 7,9 (integriert) Kältemittel R134a Investitionssumme 315.000 € Inbetriebnahme 2011 Amortisationszeit 2,2 Jahre interne Verzinsung 45 % Kontakt Ochsner GmbH, IER Universität Stuttgart
7.4.6 Bürogebäude B (EnBW-City Stuttgart)
Im Jahr 2008 entstand im Gewerbegebiet Fasanenhof-Ost in Stuttgart-Möhringen ein neuer
Bürokomplex der Energie Baden-Württemberg AG (EnBW). Das Bürogebäude hat eine Brut-
togeschoßfläche von 114.871 m2, von denen 87.283 m
2 beheizt werden. Es bietet Platz für
2.100 Mitarbeiter. Bei der Planung des Gebäudes wurde auf hohe Energieeffizienzstandards
geachtet, so dass die Vorgaben der damalig gültigen Energieeinsparverordnung (EnEV 2004)
um 21 % unterschritten wurden. Dieses wurde durch hohe Wärmedämmstandards und eine
zentrale Wärme- und Kälteerzeugung mit Einbindung von Erdwärme erreicht.
Herzstück der Heiz- und Kältezentrale sind zwei Wärmepumpen mit einer Heizleistung von
je 730 kW. Die Wärmepumpen sind mit leistungsgeregelten Schraubenverdichtern ausgestat-
tet. Als Kältemittel wird R134a verwendet. Die Wärmepumpenanlage ist an ein Erdsonden-
feld angebunden, das mit 96 Sonden mit je 130 m Tiefe zu den größten Geothermieanlagen in
Deutschland zählt. In den Sommermonaten erfolgt über die Sonden die Rückkühlung des
Gebäudes. Abbildung 80 zeigt die Einbindung der Wärmepupen und des Sondenfelds in die
Wärme- und Kälteerzeugung.
4,4 4,3 4,4 4,4 4,3 4,2 4,1 4,4 4,3 4,4 4,6 4,6 4,7 4,7 4,6 4,6 4,4 4,2 4,3 4,4 4,3 4,5 4,64,2
3,4 3,3 3,4 3,2 3,4 3,2 3,13,4 3,3 3,3
3,6 3,6 3,7 3,6 3,6 3,63,4
3,2 3,3 3,3 3,33,5 3,6
3,1
7,8 7,6 7,8 7,6 7,7 7,5 7,27,8 7,7 7,7
8,2 8,2 8,4 8,3 8,2 8,27,8
7,4 7,6 7,7 7,58,0 8,2
7,2
0
1
2
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4
5
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7
8
9
10
CO
P
COP_Heiz COP_Kühl
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 105
Abbildung 80: Integration der Wärmepumpen in die Wärme- und Kälteerzeugung in der EnBW City
Die Wärmepumpen sind parallel verschaltet und auf der Wärmequellenseite über einen Was-
ser/Glykol Kreislauf direkt an das Sondenfeld angebunden. Im Wärmequellenkreis befindet
sich zudem ein Plattenwärmeübertrager, über den die Wärmepumpen Kälte an das Hydrau-
likmodul 1 liefern können. Aus dem Hydraulikmodul werden die verschiedenen Kühlkreise
auf den Temperaturschienen 6/12 °C, 10/16 °C und 16/19 °C versorgt. Auf der Wärmesen-
kenseite sind die Wärmepumpen direkt an das Hydraulikmodul 2 angebunden. Parallel zu den
Wärmepumpen sind vier Kältemaschinen installiert, die keine direkte Anbindung an die Erd-
sonden haben. Zwei der Kälteanlagen versorgen die obere Temperaturebene des Hydraulik-
moduls 2 und geben die erzeugte Wärme wie auch die Wärmepumpen an das Hydraulikmo-
dul 2 ab. Die übrigen beiden Kältemaschinen versorgen die untere Temperaturebene des
Hydraulikmoduls 1 und geben ihre Wärme an Hydraulikmodul 3 ab. Im Hydraulikmodul 3
vereinen sich die Abwärmeströme der Kälteerzeugung, die dann über die Erdsonden oder
über sechs Rückkühlwerke abgegeben werden. Die Deckung der Spitzenlast sowie die Anhe-
bung der Vorlauftemperatur für die 75/52 °C Heizschiene übernehmen zwei Niedertempera-
tur-Gaskessel mit 2.300 und 1.900 kW Heizleistung.
In den Abgasstrom des leistungsstärkeren Kessels ist ein Wärmeübertrager eingebunden der
den Abgasstrom auskühlt und kondensiert. Die rückgewonnene Wärme wird in die unterste
Temperaturebene des Hydraulikmoduls 2 eingespeist.
Wärmepumpen und Erdsonden können in sechs verschiedenen Modi betrieben werden:
1. WP heizen: Die Wärmepumpen nutzen das Sondenfeld als Wärmequelle. Der Plat-
tenwärmeübertrager zum Kühlkreis wird überbrückt.
2. WP Wärmenutzung aus Kühlkreis: Die Wärmepumpen nutzen den Kühlkreis als
Wärmequelle. Das Sondenfeld wird überbrückt.
3. Frei Kühlung über Sonden: Die Wärmepumpen sind abgeschaltet. Die Kühlung er-
folgt über das Sondenfeld. Können die Erdsonden die geforderte Temperatur nicht
mehr liefern, schaltet die Anlage in Betriebsmodus 2.
Wärmepumpe 1
Wärmepumpe 2
Kältemaschine 1
Kältemaschine 2
Kältemaschine 3
Kältemaschine 4
Erdsondenfeld
Rückkühlwerke
Hydraulik-modul 1
Hydraulik-modul 2
Hydraulik-modul 3
GaskesselAnlagen
19 °C
6 °C 35 °C
75 °C
40 °C
45 °C
106 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
4. Rückkühlung über Rückkühlwerke: Wird mehr Wärme erzeugt, als vom Gebäude ge-
nutzt werden kann, so kann diese über die Rückkühlwerke abgegeben werden.
5. Rückkühlung über Erdsonden: Alternativ kann die überschüssige Wärme über das
Sondenfeld rückgekühlt werden. Das Sondenfeld wird durch die Wärmeeinleitung
regeneriert.
6. Rückkühlung der Erdsonden: Das Sondenfeld kann über die Rückkühlwerke auch di-
rekt gekühlt werden, um die Jahreswärmebilanz des Sondenfelds auszugleichen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Anlage über einen Zeitraum von zwei Jahren
messtechnisch ausgewertet. Da der Anlagenbetrieb zu Beginn der Messungen durch Stö-
rungsbedingte Abschaltungen geprägt war, wird im Folgenden lediglich der Zeitraum von
KW 33 in 2012 bis KW 32 in 2013 betrachtet. Die Störungen der Wärmepumpenanlage
konnten auf Fehler in der Regelung zurückgeführt werden. Nach deren Behebung traten keine
nennenswerten Störungen des Anlagenbetriebs mehr auf.
Basierend auf den Messdaten wurde eine Wärmebilanz für das Erdsondenfeld erstellt. Die
Bilanz über die genannte Auswertungsperiode ist in Abbildung 81 grafisch dargestellt. Wäh-
rend der Wintermonate entziehen die Wärmepumpen dem Sondenfeld Wärme, um Raum-
wärme zu erzeugen. Übersteigt das Wärmeangebot im System die Wärmenachfrage kommt
es während der Wintermonate zu geringfügigen Wärmeeinleitungen ins Sondenfeld. Wird die
Außentemperatur von 15 °C dauerhaft überschritten (siehe KW 33 bis 37 2012 sowie KW 26
bis 32 2013), übersteigt das Abwärmeaufkommen den Wärmebedarf, weshalb das Sondenfeld
fast ausschließlich zur Rückkühlung genutzt wird. In der Bilanz von KW 33 2012 bis KW 32
2013 werden aus dem Erdreich 1,1 GWh Wärme entzogen und 1,3 GWh Wärme ins Erd-
reich eingeleitet. Damit werden dem Erdreich über den Betrachtungszeitraum von einem Jahr
pro Meter Sondenlänge 86,2 kWh Wärme entzogen und 100,8 kWh Wärme zugeführt. Über
den Jahreszeitraum von Januar bis September kann mit der installierten Anlagenkonfiguration
ein ausgewogenes Verhältnis von Wärmeentzug und Wärmeeinleitung in das Erdreich er-
reicht werden.
Während Abbildung 81 Auskunft über die Nutzung des Erdsondenfelds durch Wärmepumpen
und Kältemaschinen gibt, zeigt Abbildung 82 und Abbildung 83 die Nutzung des Erdsonden-
felds sowie die Nutzwärme- und Nutzkälteerzeugung durch die Wärmepumpen. In den Som-
mermonaten genügt die Kälteversorgung als alleinige Wärmequelle. Während der Über-
gangszeiten und der Heizperiode wird zudem Wärme aus dem Sondenfeld genutzt. Im Jah-
resverlauf von KW 33 2012 bis KW 32 2013 werden 1.765 MWh Nutzkälte erzeugt. Dem
Sondenfeld werden durch die Wärmepumpen im gleichen Zeitraum 749 MWh Wärme entzo-
gen. Auf der Wärmesenkenseite erzeugen die Wärmepumpen 3.084 MWh Nutzwärme. Im
Kühlmodus werden von den Wärmepumpen 580 MWh Wärme an das Sondenfeld abgegeben.
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 107
Abbildung 81: Nutzung des Erdsondenfelds in der EnBW City im Jahresverlauf KW 33 2012 bis KW 32
bis 2013
Abbildung 82: Jahresgang der Kälteerzeugung durch die Wärmepumpenanlage in der EnBW City
Abbildung 83: Jahresgang der Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpenanlage in der EnBW City
Auf Basis der vorliegenden Messdaten wurden für die Wärmepumpenanlage die in Abbil-
dung 84 dargestellten Arbeitszahlen mit zeitlicher Auflösung auf Kalenderwochen berechnet.
In der Darstellung wird zwischen der Arbeitszahl Heizen und der Arbeitszahl Kühlen unter-
schieden, die jeweils aus dem Verhältnis der erzeugten Nutzwärme bzw. –kälte und der ein-
gesetzten elektrischen Antriebsenergie gebildet werden. In den Sommermonaten nimmt die
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Au
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nte
mp
era
tur
[°C
]
Ene
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[M
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]
Kalenderwoche
Kälteeinleitung Wärmeeinleitung Außentemperatur
Jahr 2013Jahr 2012
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33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Wär
me
[M
Wh
]
Kalenderwoche
Kälteeinleitung ins Erdreich Nutzkälte
Jahr 2013Jahr 2012
0
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120
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33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Wär
me
[M
Wh
]
Kalenderwoche
Wärmeeinleitung ins Erdreich Nutzwärme
Jahr 2013Jahr 2012
108 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Arbeitszahl Heizen sehr geringe Werte an, da ein Großteil der erzeugten Wärme an das Erd-
reich abgegeben wird und somit nicht als Nutzen bilanziert werden kann. Ähnliches gilt für
die Kälte während der Übergangszeiten und der Wintermonate. Hier dient das Erdreich als
Wärmequelle, dessen Abkühlung ebenfalls nicht als Nutzen bilanziert wird. In Summe erge-
ben die beiden Arbeitszahlen die integrierte Arbeitszahl der Wärmepumpenanlage. Im be-
trachteten Jahreszeitraum liegt das Minimum bei 3,5 in KW 34 2012. Das Maximum beträgt
5,9 in KW 25 2013. Der deutliche Anstieg der integrierten Arbeitszahl in den Kalenderwo-
chen 23 bis 25 2013 entsteht durch die konstruktive Überlagerung von Wärme- und Kältebe-
darf. In dieser Zeitperiode werden sowohl die erzeugte Wärme als auch die Kälte in vollem
Umfang genutzt. Die Wärmepumpenanlage erreicht eine integrierte Jahresarbeitszahl von 4,2.
Abbildung 84: Leistungszahl der Wärmepumpenanlage in der EnBW City
Tabelle 35: Datenblatt zur EnBW-City
Wärmepumpentyp Elektrische Kompression Heizleistung 2 mal 730 kW (1.460 kW) Art der Wärmequelle Geothermie, Klimatisierung Wärmequellentemperatur 10 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 50 °C JAZ 4,2 (integriert) Kältemittel R134a Investitionssumme keine Angabe Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit keine Angabe interne Verzinsung keine Angabe Kontakt IER Universität Stuttgart
7.4.7 Bürogebäude und Produktionshalle (ifm ecomatic GmbH)
Die ifm ecomatic Gmbh ist ein eigenständiges Tochterunternehmen der ifm electronic
GmbH. Im Jahr 2003 bezog das Unternehmen ein neues Firmengebäude in Kressbronn, das
Platz für 165 Mitarbeiter bot und Produktentwicklung, Fertigung, Verwaltung für den Ge-
schäftsbereich Network & Control unter einem Dach vereinte. Im Jahr 20012 wurde das Ge-
0
1
2
3
4
5
6
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33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Arb
eit
szah
l
Kalenderwoche
Arbeitszahl Kühlen Arbeitszahl Heizen
Jahr 2013Jahr 2012
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 109
bäude in einjähriger Bauzeit auf eine Gebäudenutzfläche von 10.000 m² erweitert. Damit
bietet es nun Platz für 350 Mitarbeiter. Zudem wurde für die Mitarbeiter ein Betriebsrestau-
rant errichtet /ifm ecomatic 2014/.
Verbunden mit der Gebäudeerweiterung investierte die ifm ecomatic GmbH rund 1 Mio. € in
eine neue Heizungs- und Lüftungsanlage, deren Herzstück eine Wärmepumpe mit 252 kW
Heizleistung bildet /ifm ecomatic 23.10.2014/. Die vorhandene Gaskesselanlage bleibt beste-
hen. Die Anlage ist in Abbildung 85 schematisch dargestellt. Auf der Wärmesenkenseite be-
dient die Wärmepumpe die Niedertemperaturheizschiene bei 40 °C. Als Wärmequelle dienen
Gebäudeklimatisierung und Maschinenkühlung bei einer Temperatur von 10 °C. Als zusätzli-
che Wärmequelle bzw. Wärmesenke wird ein Erdsondenfeld mit 30 Sonden zu je 140 m Tie-
fe genutzt. Die Zuschaltung des Sondenfelds erfolgt über stufenlos geregelte Ventile.
Abbildung 85: Einbindung der Wärmepumpe in die Wärme-/Kälteerzeugung bei ifm ecomatic
Bei der verbauten Wärmepumpe handelt es sich um eine elektrisch betriebene Kompressi-
onswärmepumpe mit halbhermetischem Hubkolbenverdichter. Als Kältemittel wird R290
(Propan) verwendet, was in dieser Leistungsklasse eine Neuerung darstellt. Die Kältemittel-
füllmenge beträgt 28,8 kg. Während der ersten Betriebsmonate kam es zweimal zu mehrwö-
chigen Ausfällen der Wärmepumpenanlage, die durch Schäden an der Verdichtereinheit ver-
ursacht wurden. Ein Fall war auf einen Kurzschluss im Antrieb des Verdichters zurückzufüh-
ren. Im anderen Fall versagte der Verdichter, da bereits nach kurzer Betriebszeit Verschleiß-
schäden auftraten. Die Ursache hierfür war ein falsch gesetzter Sensor, wodurch unvollstän-
dig verdampftes Kältemittel in den Verdichter gelangte. In Verbindung mit dem verwendeten
Öl bildete sich Schaum im Verdichter, wodurch dieser beschädigt wurde. Nach Austausch
des Verdichters und korrekter Positionierung des Sensors läuft die Anlage seit Ende Juni
2013 ohne Probleme. Aufgrund der genannten Ausfallzeiten wurde die Vermessung der An-
lage stark behindert. Somit konnte kein aussagekräftiger Jahresgang erfasst werden.
Der ausgewertete Messzeitraum erstreckt sich vom 15. November 2013 bis zum 12. Dezem-
ber 2013. In Abbildung 86 ist die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme aufgetragen. Das
Diagramm unterscheidet zwischen tatsächlich im Heizungssystem genutzter Wärme und Ab-
wärme, die über das Sondenfeld ins Erdreich abgegeben wird.
Wärmepumpe
30 Erdsonden mit je 140 m Tiefe
9 °C
7 °C
40 °C
42 °C
Kälteschiene Heizungsschiene
110 Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor
Abbildung 86: Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpe bei ifm ecomatic über den Zeitraum eines
Monats
In Abbildung 87 ist die von der Wärmepumpe erzeugte Kälte, ebenfalls untergliedert nach
Nutzkälte und Wärmeentzug aus dem Erdreich, aufgetragen. Der Kühlbedarf für Maschinen-
kühlung und die Klimatisierung der Küche des Betriebsrestaurants besteht fast ganzjährig
und dient der Wärmepumpe als Wärmequelle. So können die von der Wärmepumpe erzeugte
Wärme und Kälte gleichzeitig genutzt werden. Ein Umstand der sich in einer hohen integrier-
ten Leistungszahl wiederspiegelt.
Abbildung 87: Kälteerzeugung durch die Wärmepumpe bei ifm ecomatic über den Zeitraum eines Mo-
nats
In Abbildung 88 sind die Arbeitszahlen der Wärmepumpe auf Tagesbasis angegeben. Da die
erzeugte Wärme über den Verlauf der Messung fast vollständig genutzt werden kann, wird
über den Betrachtungszeitraum eine konstant hohe Heizarbeitszahl von 4,0 erreicht. Da der
Kältebedarf vom 1. bis zum 4. Dezember 2013 aufgrund niedriger Außentemperaturen ein-
brach, werden verstärkt die Erdsonden als Wärmequelle genutzt. Daher kann die in diesem
Zeitraum erzeugte Kälte nur zu geringen Teilen als Nutzen kalkuliert werden. Trotzdem wird
über den gesamten Messzeitraum eine Kühlarbeitszahl von 3,0 erreicht. Damit ergibt sich
eine integrierte Arbeitszahl von 7,0. In der Gesamtbetrachtung der Jahres 2013 beträgt die
integrierte Jahresarbeitszahl 6,2.
020406080
100120140160180200
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Wärmeabgabe ins Heizsystem Wärmeabgabe in die Sonden
Ausfall der Messung
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100120140160180200
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5.1
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0.1
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1.1
2.1
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Fr 0
6.1
2.1
3
Sa 0
7.1
2.1
3
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8.1
2.1
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0.1
2.1
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Mi 1
1.1
2.1
3
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.12
.13
Leis
tun
g [k
W]
Wärmeaufnahme aus der Klimatisierung Wärmeaufnahme aus den Sonden
Ausfall der Messung
Praxisanwendungen in Industrie und GHD-Sektor 111
Abbildung 88: Tagesarbeitszahlen über den Zeitraum eines Monats
Im Vergleich zu einem getrennten System, bestehend aus einem Gaskessel und einer Kom-
pressionskälteanlage, wird durch die integrierte Wärmepumpenanlage 179,3 t weniger CO2
freigesetzt. Das entspricht einer Einsparung von 41 %. Vergleicht man den Energieverbrauch
des Unternehmens vor und nach der Gebäudeerweiterung, so ist festzustellen, dass der Gas-
verbrauch um 54 % zurückgegangen ist. Trotz des zusätzlichen Strombedarfs für die Wärme-
pumpe ist auch der Stromverbrauch um 18 % zurückgegangen. Grund hierfür sind Investitio-
nen in effizientere Antriebe und Fertigungsanlagen.
Tabelle 36: Datenblatt zur ifm ecomatic GmbH
Wärmepumpentyp Elektrische Kompression Heizleistung 256 kW Art der Wärmequelle Geothermie, Klimatisierung Wärmequellentemperatur 10 °C Art der Wärmesenke Heizung Wärmesenkentemperatur 40 °C JAZ 6,2 (integriert) Kältemittel R290 Investitionssumme 1.000.000 € (gesamte Heizungs- und Kälteanlage) Inbetriebnahme 2012 Amortisationszeit keine Angabe interne Verzinsung keine Angabe Kontakt ifm ecomatic GmbH - Kressbronn
-5-4-3-2-1012345
0123456789
10
Arb
eit
szah
lArbeitszahl Kühlen Arbeitszahl Heizen Außentemperatur
112 Planung von Industriewärmepumpen
8 Planung von Industriewärmepumpen
Im folgenden Kapitel wird ein Handlungsleitfaden zur Integration einer Wärmepumpe in ei-
nem Industriebetrieb beschrieben. Zudem wird eine Übersicht zu verfügbarer Planungssoft-
ware gegeben, die den Planungsprozess erleichtern kann.
8.1 Kriterien für die Integration einer Wärmepumpe
Die erfolgreiche Integration einer Wärmepumpenanlage in einen Industriebetrieb ist eine
komplexe Aufgabe, die neben Kenntnissen der Wärmepumpentechnik auch Verständnis für
die industriellen Produktionsprozesse erfordert. Zur Reduktion der Komplexität für die In-
tegration einer Wärmepumpe sollte das Vorgehen in die fünf folgenden Schritte gegliedert
werden:
1. Grobanalyse der technischen Rahmenbedingungen
2. Detailanalyse der technischen Rahmenbedingungen
3. Abschätzung der Wirtschaftlichkeit
4. Planung und Installation der Wärmepumpenanlage
5. Überprüfung von Kennwerten
Nach den Schritten eins bis vier ist jeweils die Frage nach der technischen bzw. wirtschaftli-
chen Machbarkeit zu stellen. Fällt die Antwort negativ aus, besteht die Möglichkeit, alterna-
tive Lösungen zu betrachten oder den Planungsvorgang abzubrechen.
8.1.1 Grobanalyse der technischen Rahmenbedingungen
In diesem ersten Schritt werden Rahmendaten zum betrachteten Industriebetrieb erfasst.
Hierzu zählen die folgenden Datenpunkte:
Strom-/Brennstoffverbrauch des Betriebs im vergangenen Jahr
Leistung und Laufzeiten der Wärme- und Kälteerzeuger
Vor- und Rücklauftemperaturen der Wärme- und Kälteerzeuger
Art des Wärmeträgermediums
Räumliche Entfernung von Wärme- und Kälteerzeugern
Mit den erhobenen Daten können Wärmequellen identifiziert werden. Zunächst ist zu prüfen,
ob die Abwärme durch einen anderen Prozess direkt genutzt werden kann. Ist dieses nicht der
Fall, sollte passende Wärmesenken für die Integration einen Wärmepumpe gesucht werden.
Die Bewertung der möglichen Integrationspunkte ist abhängig von der Vorlauftemperatur der
Wärmesenke, der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und der
Gleichzeitigkeit von Wärmenachfrage und Wärmeangebot. Liegen die nötigen Vorlauftempe-
raturen unterhalb von 100 °C, können am Markt verfügbare Anlagen verwendet werden. Für
Vorlauftemperaturen von 100 °C bis 120 °C können Sonderanlagen gebaut werden. Höhere
Temperaturen können derzeit lediglich Brüdenverdichter erreichen.
Planung von Industriewärmepumpen 113
Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke sollte 90 K nicht über-
schreiten, wenn neben der erzeugten Wärme auch die Kälte genutzt werden kann. Wird nur
die Wärme genutzt sollte die Temperaturdifferenz 50 K nicht überschreiten.
Ist die Wärmequelle nicht immer dann verfügbar, wenn in der Wärmesenke Wärme benötigt
wird, kann ein Speicher Zeiträume von bis zu einem Tag überbrücken.
8.1.2 Detailanalyse der technischen Rahmenbedingungen
Wenn im ersten Schritt auf der Versorgungsebene kein Integrationspunkt für eine Wärme-
pumpe gefunden werden konnte oder wenn der Produktionsprozess über eine Vielzahl an
Wärme- und Kälteströmen verfügt, lohnt ein detaillierterer Blick auf die Prozessebene. Dabei
werden die im ersten Schritt genannten Datenpunkte für die Wärme- und Kälteströme im
Betrieb erfasst. Bei einfachen Produktionsprozessen lassen sich passende Wärmequellen und
Wärmesenken verhältnismäßig anhand der im ersten Schritt genannten Richtwerte identifizie-
ren. Bei komplexen Produktionsprozessen mit einer Vielzahl an Wärme- und Kälteströmen
ist die Durchführung einer Pinch-Analyse zu empfehlen. Die Integration der Wärmepumpe
sollte stets über den Pinch erfolgen, um sowohl den Heiz- als auch den Kühlbedarf zu senken.
Sind die Daten nicht bekannt, sollten Messungen angestellt werden, da einfache Abschätzun-
gen basierend auf Erfahrungswerten nicht immer zutreffend sind.
8.1.3 Abschätzung der Wirtschaftlichkeit
Konnte in Schritt eins oder zwei ein Integrationspunkt für eine Wärmepumpe gefunden wer-
den, ist eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchzuführen. Eine Hilfestellung hierfür bietet
die /VDI 2067 2012/. Die Leistungszahl der Wärmepumpe sowie die erzeugte Wärme- und
Kältemenge können aus den in Schritt eins und zwei erfassten Daten berechnet werden. Zur
Durchführung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung müssen zusätzlich die folgenden Daten
erfragt werden:
Strom-/Brennstoffkosten des Betriebs
Kalkulationszins des Betriebs
Die Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer Maßnahme erfolgt in Unternehmen häufig an-
hand der Amortisationszeit. Diese Kennzahl markiert den Zeitpunkt an dem der Kapitalwert
der Investition den Wert null erreicht. Die Gewinne aus der verbleibenden Anlagennutzungs-
dauer werden vernachlässigt. Bei langlebigen Investitionen wie der in eine Wärmepumpe
sollte zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit die interne Verzinsung der Investition verwendet
werden. Ist die interne Verzinsung höher als der Kalkulationszins des Unternehmens, so wird
die Investition wirtschaftlich. Die Amortisationszeit kann zusätzlich zur Abschätzung des
Risikos der Investition verwendet werden.
In Tabelle 37 ist die interne Verzinsung in Abhängigkeit von Amortisationszeit und Anlagen-
nutzungsdauer angegeben. Es wird deutlich, dass auch bei langen Amortisationszeiten von
114 Planung von Industriewärmepumpen
mehr als drei Jahren attraktive Verzinsungen von mehr als 15 % p.a. erzielt werden können.
Gibt sich der Investor auch mit einer Verzinsung von 10 % p.a. zufrieden, so können bei ei-
ner 20 jährigen Nutzungsdauer sogar Investitionen mit einer Amortisationszeit von 8 Jahren
lohnenswert werden.
Tabelle 37: Die interne Verzinsung als Funktion von Amortisationszeit und Anlagennutzungsdauer
Amortisa-tionszeit [a]
Anlagennutzungsdauer [a]
2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20
1 62% 84% 93% 97% 98% 99% 100% 100% 100% 100% 100%
2 0% 23% 35% 41% 45% 47% 48% 49% 49% 50% 50%
3
0% 13% 20% 24% 27% 29% 30% 31% 33% 33%
4
0% 8% 13% 16% 19% 20% 21% 24% 25%
5
0% 5% 9% 12% 14% 15% 18% 19%
6
0% 4% 7% 9% 11% 14% 16%
7
0% 3% 5% 7% 11% 13%
8
0% 2% 4% 9% 11%
8.1.4 Planung und Installation der Wärmepumpenanlage
Fällt die Wirtschaftlichkeitsprüfung im Rahmen der Machbarkeitsstudie positiv aus, kann mit
der Planung begonnen werden. Die Auslegung der Wärmepumpenanlage hat eine lange Be-
triebszeit bei gleichbleibender Last zum Ziel. Die Volatilität des Wärme- und Kältebedarfs
kann in der Regel durch Speicher gedämpft werden. Die Auswahl der Wärmepumpe richtet
sich nach der geforderten Wärmesenkentemperatur (𝑇𝑂), der Temperaturspreizung zwischen
Vor- und Rücklauf auf Wärmesenkenseite (Δ𝑇𝑂) sowie nach dem Wärmequellenmedium.
Kompressionswärmepumpen mit Standardkältemitteln:
Standardkältemittel können bis zu einer Wärmesenkentemperatur von 75 °C einge-
setzt werden. Je nach verwendetem Kältemittel eignen sich diese Wärmepumpen für
kleine bis mittlere Δ𝑇𝑂.
Kompressionswärmepumpe mit Hochtemperaturkältemitteln:
Wärmepumpen mit dem Kältemittel Ammoniak erreichen derzeit eine Vorlauftempe-
ratur von bis zu 90 °C. Wärmepumpen mit R245fa erreichen bis zu 120 °C. Diese
Einstoffkältemittel haben im Verflüssiger eine konstante Kondensationstemperatur
und eignen sich daher für Anwendungen mit kleinem Δ𝑇𝑂.
Kompressionswärmepumpen mit dem Kältemittel CO2:
Aufgrund des auftretenden hohen Temperaturgleits bei der Wärmeabgabe eignen sich
Wärmepumpen mit dem Kältemittel CO2 vornehmlich für Aufheizvorgänge, bei de-
nen große Δ𝑇𝑂 bewältigt werden müssen. Die maximale Wärmesenkentemperatur be-
trägt 90 °C. Die Wärmequellentemperatur sollte unterhalb von 35 °C liegen.
Absorptionswärmepumpe:
Absorptionswärmepumpen eignen sich für Anwendungen mit großer Leistung
(> 40 kW). Soll die Absorptionswärmepumpe mit Abwärmeangetrieben werden, muss
eine Wärmequelle mit mindestens 85 °C zur Verfügung stehen. Die erreichbare Vor-
lauftemperatur beträgt maximal 80 °C.
Planung von Industriewärmepumpen 115
Mechanischer Brüdenverdichter:
Brüdenverdichter können eingesetzt werden, wenn ein gasförmiges Wärmequellen-
medium (zumeist Wasserdampf) vorliegt. Brüdenverdichter erreichen je nach Ver-
dichterbauweise Temperaturhübe von 10 K bis 15 K. Für höhere Temperaturhübe
können mehrere Brüdenverdichter seriell verschaltet werden.
Da die Integration von Wärmepumpen in Wärme- und Kälteerzeugungssysteme oder indust-
rielle Produktionsprozesse eine komplexe Aufgabe darstellt, sollten erfahrene Anlagenplaner
eingebunden werden. Darüber hinaus bieten viele Wärmepumpenhersteller ihre Unterstüt-
zung bei der Anlagenplanung an.
8.1.5 Überprüfung von Kennwerten
Nach Inbetriebnahme der Wärmepumpe sollte eine Kontrolle der Leistungszahl erfolgen.
Zudem sollte die erzeugte Wärme- und Kältemenge mit der Prognose aus der Planung abge-
glichen und gegebenenfalls die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung angepasst werden. Wird die
Wärmepumpe in ein Leitsystem integriert, so kann der ordnungsgemäße Betrieb laufend
überprüft werden.
8.2 Software
Die energetische Analyse eines Industriebetriebs sowie die Planung der Wärmepumpenanla-
ge kann durch den Einsatz von Software unterstützt werden. Es wird zwischen drei Software-
kategorien mit unterschiedlichen Zielgruppen unterschieden:
Energie-Auditierung (Schritt 1 und 2):
Energie-Audit-Software unterstützt die Erfassung und Analyse der Rahmenbedingun-
gen in einem Industriebetrieb. Zur Auffindung von Energieeffizienzpotenzialen wer-
den die Pinch-Methode und die Benchmark-Methode verwendet.
Anlagenauslegung (Schritt 4):
Wärmepumpenhersteller bieten vielfach eine einfache Auslegungssoftware an, mit der
die richtige Wärmepumpe für den jeweiligen Einsatzzweck gefunden werden kann.
Simulation und Optimierung (Schritt 4):
Bei größeren Anlagen kann zur Auslegung der Anlage eine Simulations- oder Opti-
mierungsrechnung durchgeführt werden. Dieses Vorgehen ermöglicht die optimale
Abstimmung von Wärmepumpen, Wärmeübertrager und Speichergrößen, setzt aber
eine gute Datenbasis zum Wärme- und Kälteverbrauch voraus.
8.2.1 PinCH
PinCH wurde von der Hochschule Luzern mit Unterstützung des Schweizer Bundesamtes für
Energie (BFE) sowie der Energieagentur der Wirtschaft (EnAW) entwickelt. Die Software
unterstützt Energieberater und Anlagenplaner bei der Durchführung einer Pinch-Analyse zur
116 Planung von Industriewärmepumpen
Optimierung thermischer Energieflüsse in einem Unternehmen. Die Erfassung der Eingangs-
daten liegt außerhalb des Funktionsumfangs. Die Auswahl der relevanten Datenpunkte sowie
die Erfassung der benötigten Daten obliegt dem Anwender. Erfahrungen in der Durchführung
der Pinch-Analyse werden daher vorausgesetzt.
Mit den gesammelten Daten können in der Software Prozesse definiert werden, denen Wär-
me- bzw. Kälteströme zugeordnet werden können. Zusätzlich können die Betriebsstunden der
einzelnen Prozesse angegeben werden.
Basierend auf diesen Daten führt die Software eine Pinch-Analyse durch und bereitet die Er-
gebnisse in Form von Composite Curve (CC), Grand Composite Curve (GCC), Balanced
Composite Curve (BCC) und Balanced Grand Composite Curve (GBCC) auf. Zusätzlich be-
steht die Möglichkeit die GCCs zweier Prozesse in der Split Grand Composite Curve mitei-
nander zu vergleichen. Dem erfahrenen Anwender bieten die Diagramme eine gute Grundla-
ge zur Auswahl von geeigneten Maßnahmen zur Reduktion des thermischen Energiebedarfs.
Durch eine übersichtliche grafische Aufbereitung der Daten unterstützt PinCH den Anwender
bei der Erstellung eines Wärmeübertragernetzwerks. Auch die Einbindung von Wärmepum-
pen ist möglich. Der Entwurf des Wärmeübertragernetzwerks geschieht durch einfache
Drag&Drop Operationen. Die Einbindung einer Wärmepumpe unterstützt PinCH mit einer
Eingabemaske für die technischen Daten. Eine Datenbank zu aktuellen Wärmepumpenmodel-
len ist nicht vorhanden. Der Anwender muss demzufolge über gute Kenntnisse der Wärme-
pumpentechnologie verfügen. Eine Optimierung der Wärmepumpenanlage wird durch die
Software nicht angeboten. Da die Composite Curves allerdings nach jeder Eingabenänderung
neu gerendert werden, kann eine manuelle Optimierung vorgenommen werden. Das Interface
der Software wird in Abbildung 89 gezeigt.
Abbildung 89: PinCH Benutzeroberfläche /PinCH 2012/
Die PinCH-Software beschränkt sich gänzlich auf die Durchführung der Pinch-Analyse und
die Integration der Wärme- und Kälteströme. Sie kann für die Analyse komplexer Produkti-
Planung von Industriewärmepumpen 117
onsprozesse in Schritt 2 der Vorgehensweise aus Kapitel 8.1 eingesetzt werden. Die Kosten
für eine Einzelplatzlizenz betragen 4.200 CHF (ca. 4.450 €), ab zwei Lizenzen wird ein Ra-
batt von 10 % eingeräumt, der für jede weitere Lizenz um 5 % bis auf maximal 25 % steigt.
8.2.2 EINSTEIN
EINSTEIN ist ein softwaregestütztes Tool-Kit zur Unterstützung einer standardisierten und
umfassenden Energieeffizienzanalyse in industriellen Betrieben. Das Akronym EINSTEIN
steht für “Expert-system for an Intelligent Supply of Thermal Energy in INdustry and other
large scale applications”. Hervorgegangen ist dieses Tool-Kit aus einem gleichnamigen EU-
Projekt, welches in Kooperation von wissenschaftlichen Institutionen aus Österreich, Luxem-
burg, Irland, Deutschland, Italien, Frankreich, Belgien, Bulgarien, Spanien und der Slowakei
durchgeführt wurde. Das Tool-Kit setzt sich zusammen aus einem standardisierten Fragebo-
gen zur Datenerfassung und einem Software-Tool zur Analyse der erhobenen Daten sowie
einem Guide mit Informationen zur Vorbereitung und Durchführung der Datenerfassung.
Darüber hinaus beinhaltet der Guide Informationen über die Interpretation der Ergebnisse.
Die Software erfasst Daten zum Energieverbrauch des Unternehmens, zur Wärme- und Käl-
teerzeugung sowie zu deren Vernetzung und zur Wärme- und Kälteverteilung. Zudem können
Parameter für die Wirtschaftlichkeitsrechnung definiert werden. Die Datenerfassung wird
durch eine Konsistenzprüfung abgeschlossen. Sind nicht alle Daten zum Energieverbrauch
verfügbar, können diese mit Hilfe der Software abgeschätzt werden. Die Software bereitet die
erfassten Daten in Form von Diagrammen auf. Zudem führt das Programm eine Pinch-
Analyse durch und visualisiert die Ergebnisse in einer Grand Composite Curve (GCC) (siehe
Abbildung 90).
Ein weiterer Teil des Programms ermöglicht die Bewertung des Energieverbrauchs des Un-
ternehmens anhand von Benchmark-Daten. Über die Datenauswertung hinaus kann die Soft-
ware auch für die Ausarbeitung von Alternativvorschlägen für eine Umgestaltung der betrieb-
lichen Energieversorgung verwendet werden. Auf Basis einer Datenbank von energieintensi-
ven industriellen Prozessen unterbreitet die Software Vorschläge zur Verbesserung des Pro-
duktionsprozesses.
Darüber hinaus unterstützt sie den Anwender bei der Auslegung von Wärmeübertragernetz-
werken und bei der Dimensionierung alternativer Wärme- und Kälteerzeuger. Konkret um-
fasst die Dimensionierungshilfe KWK-Anlagen, Solarthermie, Wärmepumpen, Kältemaschi-
nen und Heizkessel. Die Dimensionierung erfolgt entweder manuell oder mit Hilfe eines
Entwurfsassistenten. Der Entwurfsassistent schlägt passende Wärme- oder Kälteerzeuger aus
einer Datenbank heraus vor. Im Falle der Wärmepumpe beschränkt sich die Datenbank auf
elektrische Kompressionswärmepumpen unterschiedlicher Größen. Negativ fällt auf, dass die
in der Datenbank geführten Wärmepumpen eine maximale Vorlauftemperatur von 52 °C lie-
fern können. Damit liegen sie weit unterhalb dessen, was heutige Industriewärmepumpen zu
leisten im Stande sind. Sorptionswärmepumpen und Brüdenverdichter sind in der Datenbank
nicht enthalten. Diese Wärmepumpentypen können nur in der manuellen Dimensionierung
118 Planung von Industriewärmepumpen
ausgewählt werden. Für den neuen Anlagenentwurf kann in der EINSTEIN-Software eine
Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt werden. Die Ergebnisse dieser energetischen
Betriebsanalyse werden von der Software automatisiert in einem Bericht zusammengefasst.
Abbildung 90: EINSTEIN Software-Tool
Das EINSTEIN Software-Tool hat einen großen Funktionsumfang und versucht alle Aspekte
der energetischen Analyse von Industriebetrieben bis hin zur Entwicklung von Verbesse-
rungsmaßnahmen abzudecken. Die Software versucht den Anwender mit Informationen zu
Benchmarks oder zur Auslegung von alternativen Energieversorgungslösungen zu unterstüt-
zen. Die hierfür notwendigen Datenbanken sind jedoch nur mit großem Aufwand zu füllen
bzw. aktuell zu halten. In der aktuellen Version 2.2 bringen sie nur einen kleinen Mehrwert.
Zudem leidet die Bedienerfreundlichkeit des Programms an der komplexen Benutzeroberflä-
che. Der größte Vorteil des Software-Tools liegt im konsistenten Vorgehen von der Datener-
fassung bis zur Ausarbeitung von Alternativvorschlägen. Zudem erstellt sie automatisiert
einen Bericht über die Ergebnisse der Energieberatung.
Das EINSTEIN Software-Tool ist kostenlos unter der GNU General Public License (GNU
GPL) von der Projektwebsite beziehbar. Die Software ist in 11 Sprachen, darunter auch
Deutsch, verfügbar.
Planung von Industriewärmepumpen 119
8.2.3 TRNSYS
Das Akronym TRNSYS steht für TRaNsient SYstems Simulation, was auf Deutsch „instatio-
näre Systemsimulation“ bedeutet. Die Software wurde 1975 an der Universität von Wis-
consin ursprünglich zur Simulation von solarthermischen Anlagen entwickelt. Aufgrund des
modularen Aufbaus der Simulationsumgebung können neue Anlagentypen mit geringem
Programmieraufwand hinzugefügt werden. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung der
Simulationsumgebung existieren heute wissenschaftlich validierte Module für die Simulation
von einer Vielzahl an Anlagen und Anlagenkomponenten, wie Öl- oder Gasbrenner, Block-
heizkraftwerke, verschiedene Wärmeübertrager, Brennstoffzellen, Kältemaschinen oder
Wärmepumpen. Diese Module lassen sich im Modellgenerator durch Drag&Drop Operatio-
nen schnell zu Anlagenmodellen zusammenfügen. Ein Screenshot des Modellgenerators ist in
Abbildung 91 abgebildet. Neben den einzelnen Anlagenkomponenten kann auch die Rege-
lung der Anlage nachgebildet werden. Die Lastprofile von Wärmequelle und Wärmesenke
können während der Simulation aus einer *.csv Datei eingelesen werden.
Abbildung 91: TRNSYS Modellgenerator /TESS 2010/
Die Modellierung einer Wärmepumpenanlage in TRNSYS ermöglicht die Optimierung der
Auslegung einzelner Komponenten. Zudem können Interaktionen zwischen verschiedenen
Wärmeerzeugern abgebildet werden. Die Optimierung kann manuell durch wiederholte Si-
mulationen erfolgen. Alternativ kann TRNSYS mit einem Optimierer gekoppelt werden, der
diesen Prozess automatisiert.
TRNSYS eignet sich zur Auslegung von Wärmepumpenanlagen und kann Schritt 4 der Vor-
gehensweise aus Kapitel 8.1 unterstützen. Der Aufwand für die Modellerstellung und die
120 Planung von Industriewärmepumpen
Auswertung der Simulationsergebnisse rechtfertig eine Anwendung bei großen und komple-
xen Anlagen. Die Anlagensimulation ist insbesondere dann sinnvoll, wenn mehrere Wärme-
und Kälteerzeuger miteinander vernetzt werden sollen. Die Software setzt Fachwissen über
die Integration von Wärmepumpen in industrielle Prozesse voraus. Zudem ist die Simulation
nur sinnvoll, wenn hochaufgelöste Eingangsdaten (Lastprofile, Temperaturprofile, etc.) vor-
liegen, bzw. aus Messungen beschafft werden können.
In Deutschland wird TRNSYS von der Firma TRANSSOLAR Energietechnik GmbH vertrie-
ben. Eine Einzellizenz kostet 5.300 €. Ein Paket von 10 Lizenzen kostet 9.450 €. Hochschu-
len und andere Forschungseinrichtungen können das Paket vergünstigt für 4.550 € beziehen.
Die Basisversion beinhaltet jedoch noch kein Wärmepumpenmodul. Module für elektrische
und gasmotorische Kompressionswärmepumpen können zusätzlich für je 110 € erworben
werden. Module für Sorptionswärmepumpen oder Brüdenverdichter sind nicht verfügbar.
8.2.4 TOP-Energy
Die Software TOP-Energy wurde in Kooperation von drei Forschungsinstitutionen (Lehrstuhl
für technische Thermodynamik der RWTH Aachen, Gesellschaft zur Förderung angewandter
Informatik e.V. in Berlin, Institut für Energie- und Umwelttechnik in Duisburg) und zwei
Ingenieurbüros (EUtech GmbH, BFT GmbH) entwickelt. Begonnen hat die Arbeit an der
Software mit einem Forschungsprojekt im Jahr 2003. Die Kommerzialisierung der Software
erfolgte im Jahr 2013.
TOP-Energy ist ein modular aufgebautes Softwarepaket, das alle Schritte einer Energiebera-
tung unterstützt. Die Software gliedert sich in die Module eNtry (Erstanalyse), eSim (Model-
laufbau, Systemsimulation), eta (Zeitreiheneditor), eVariant (Bewertung von Varianten),
eValuate (Wirtschaftlichkeitsbetrachtung) und eSynthesis (Kostenoptimierung). Die Module
folgen einem gemeinsamen Framework in dem die Basisfunktionen wie das Öffnen, Schlie-
ßen und Exportieren von Projekten implementiert sind.
Das Modul eNtry erfasst Basisdaten wie Energiebezugsmengen und -kosten oder Art und
Leistungsdaten der eingesetzten Energiewandler. Nach der Dateneingabe führt die Software
eine Plausibilitätsprüfung durch und berechnet aus den erfassten Daten Kennzahlen, die im
Benchmark mit vergleichbaren Versorgungsfällen verglichen werden können.
Das Modul eSim ist der Modellgenerator der Software. Der Anwender erstellt, ähnlich wie
bei der Modellierung in TRNSYS, ein Modell aus vorgefertigten Komponenten, die in Form
eines Flussdiagramms miteinander verschaltet werden. Die Parameter der einzelnen Kompo-
nenten sind bereits vordefiniert, können aber vom Anwender neu gesetzt werden. Hierdurch
kann das Wärmepumpenmodell vom Anwender der Software so parametrisiert werden, dass
es die betrachtete Wärmepumpe abbilden kann. Zudem setzt der Anwender die Randbedin-
gungen der Simulation.
Zeitlich nicht konstante Rahmenbedingungen können mit dem Zeitreiheneditor eta bearbeitet
werden. Zur Durchführung der Simulationsrechnung wird das Modell in C++ Code überführt,
Planung von Industriewärmepumpen 121
kompiliert und ausgeführt. Die Ergebnisse der Simulation wie beispielsweise Betriebsstun-
den, Vollaststundenzahl oder Nutzungsgrade werden im Modul eVariant grafisch aufbereitet.
Zudem werden in dem Modul die Simulationsergebnisse verschiedener Varianten dargestellt
und können miteinander verglichen werden. Im Modul eValuate können die Varianten hin-
sichtlich ökonomischer und ökologischer Kennzahlen miteinander Verglichen werden. Das
Modul stellt unter anderem Kennwerte wie die Kapitalwertentwicklung, die Amortisations-
zeit, Energiebezugs- und Wartungskosten oder Primärenergiebedarf oder CO2-Emissionen
grafisch dar. Über das Modul ePinch kann eine statische Pinch-Analyse durchgeführt werden.
Die Zeitkomponente der Energieströme wird in der vorliegenden Version der Software nicht
betrachtet. Das Modul eProperty enthält eine Datenbank zu Stoffeigenschaften.
TOP Energy wird von der Gesellschaft für angewandte Informatik vertrieben. Die Kosten für
das Basispaket betragen ca. 10.000 € pro Lizenz. Für Hochschulen besteht die Möglichkeit zu
diesem Preis zehn Lizenzen zu erhalten. Aufgrund des modularen Aufbaus der Software kön-
nen einzelne Module auch separat erworben werden. Die klar gestaltete Benutzeroberfläche
und der modular erweiterbare Funktionsumfang der Software machen Top Energy zu einem
interessanten Werkzeug für die Planung komplexer Energieversorgungsanlagen.
Abbildung 92: eSim Modul in TOP Energy
8.2.5 KOARiiS
Das am Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung der Universität
Stuttgart entwickelte KOARiiS-Verfahren (Kostenoptimale Abwärmerückgewinnung durch
integriert-iteratives Systemdesign) dient der technisch-ökonomischen Bewertung von Kopp-
lungen industrieller Abwärmequellen und -senken. Hierbei werden alle für eine Aus- und
Wiedereinkopplung der Abwärme erforderlichen Systemkomponenten fallspezifisch dimen-
sioniert und mit Kosten bewertet. Nach der Anwendung des Verfahrens auf eine Prozessland-
122 Planung von Industriewärmepumpen
schaft liegt dessen zielgrößenoptimale Gesamtkonfiguration mit den für eine vollständige
Bedarfsdeckung aller Prozesse fallspezifisch dimensionierten Komponenten als Ergebnis vor.
Das KOARiiS-Verfahren basiert auf der Kopplung von Matrix-Struktur und rekursiver For-
mulierung der Ungarischen Methode des Mitte der 90er Jahre entwickelten
OMNIUM-Verfahrens. Dessen thermodynamische Vorgehensweise wurde zum einen metho-
disch um die Erzeugung verschiedener Lösungsmengen mittels iterativer Variation thermo-
dynamischer Systemparameter, einer Integrationsmöglichkeit von Wärmepumpen, Speichern,
Mehrfachkopplungen und optimal platzierter Zusatzenergie sowie einer Nutzung der bei de-
ren Bereitstellung anfallenden Abwärme erweitert. Zum anderen wurde es mit technischen
Restriktionen, Investitions- und Betriebskosten aller Komponenten verknüpft. Dies sind
Wärmeübertrager, Speicher, Pumpe/Ventilator, Leitungen, Gasbrenner, Wärmepumpe sowie
eine hydraulische Entkopplung. Neben Wärme- ist auch eine Bedarfsdeckung von Kältean-
wendungen mittels Absorptionskältemaschinen möglich.
Die Integration einer Wärmepumpe in eine Kopplung erfolgt, falls die Einhaltung der Ein-
satzbedingungen dieser Technologie und ein COP größer drei gewährleistet ist. Die maximale
Anhebung der Temperatur durch eine Wärmepumpe beträgt aktuell 70 K.
Nach der Eingabe der in Abbildung 93 dargestellten Prozessparameter sowie zeitlicher und
räumlicher Kopplungsparameter erfolgt die Anwendung des Verfahrens durch die software-
technische Umsetzung vollständig automatisiert.
Abbildung 93: Benutzeroberfläche der Prozessparametereingabe der KOARiiS-Software
Neben einer Kosten- und einer Stoffdatenbank existiert mit der Möglichkeit einer Speiche-
rung von Prozesslandschaften eine dritte mit dem Programm gekoppelte Datenbank, was eine
Durchführung von Sensitivitätsanalysen ermöglicht.
Planung von Industriewärmepumpen 123
Die Ergebnisdarstellung erfolgt entsprechend des methodischen Verfahrensansatzes in Form
von mit Zielwerten besetzten Matrizen. Über diese Einzelwerte hinausgehende Informationen
zur Höhe von beispielsweise Leistungen diverser Komponenten liefert ein bei einer Bewe-
gung des Mauszeigers auf den jeweiligen Zielwert erscheinendes Fenster.
Über die Systembewertung auf Basis einer Zielgröße hinaus erfolgt eine zusätzliche Bereit-
stellung von Informationen zur Wirtschaftlichkeit aller Kopplungen in Form der jeweiligen
Annuität und der statischen Amortisationszeit.
Die KOARiiS-Software befindet sich seit Anfang 2014 in der Beta-Phase. Gegenwärtig er-
folgen erste praktische Anwendungen in Unternehmen unterschiedlicher Branchen. Die
Software ist somit nur indirekt über das IER als Dienstleister verfügbar.
8.2.6 Einordnung und Bewertung
Die vorgestellten Software-Tools haben individuelle Stärken und Schwächen. In Abbildung
94 sind die betrachteten Programme nach Zielgruppen auf der Abszisse und Funktionsum-
fang auf der Ordinate charakterisiert.
Abbildung 94: Software-Bewertungsmatrix
PinCH fokussiert sich stark auf die Unterstützung bei der Durchführung einer Pinch-Analyse.
In diesem Bereich hat die Software einen großen Funktionsumfang. Auch komplexe Indust-
rieanlagen mit einer Vielzahl von Wärme- und Kälteströmen können mit PinCH bearbeitet
werden. Die Software bietet zudem die einfache Möglichkeit nach dem Drag&Drop-Prinzip
Wärmeübertragernetzwerke zu erstellen. Auch Wärmepumpen können eingebunden werden.
Zudem überzeugt PinCH durch eine klare Struktur der Benutzeroberfläche.
EINSTEIN verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz zur Energieberatung in kleinen und mittel-
ständischen Unternehmen. Die Software bietet umfangreiche Unterstützung bei der Datener-
fassung und bietet zudem die Möglichkeit, die generierten Kennzahlen einem Benchmark zu
unterziehen. Zudem führt sie eine Pinch-Analyse durch, die im Vergleich zu PinCH aller-
dings einen geringeren Funktionsumfang bietet. Zudem können in EINSTEIN Alternativlö-
124 Planung von Industriewärmepumpen
sungen für die Wärmeversorgung erstellt und Simuliert werden. Unter dem großen Funktion-
sumfang leidet allerdings die Übersichtlichkeit der Software.
TRNSYS ermöglicht detailreiche Simulationen. Zudem bietet die Software Schnittstellen
über die die Simulation an eine Optimierungssoftware gekoppelt werden kann. Die Pro-
grammbibliothek ist umfangreich mit wissenschaftlich validierten Komponenten bestückt. Es
existiert allerdings nur eine Komponente für Kompressionswärmepumpen, die zudem zusätz-
lich erworben werden muss. Bei korrekter Parametrisierung führen die Simulationen zu sehr
realitätsnahen Ergebnissen, was allerdings durch einen großen Zeitaufwand für die Modeller-
stellung erkauft wird. Daher findet TRNSYS vor allem im wissenschaftlichen Bereich An-
wendung.
TOP Energy wendet sich vor allem an Energieberater. Die Software vereint die strukturierte
Datenerfassung, wie sie EINSTEIN bietet, mit der Möglichkeit komplexe Systeme zu model-
lieren, zu simulieren und zu optimieren. Letzteres macht TOP Energy auch für akademische
Anwendungen interessant. TRNSYS bietet zwar den Vorteil einer großen Detailtiefe bei Si-
mulationen, TOP Energy schafft es aber mit etwas reduziertem Detailgrad die Simulation in
den Workflow des Beratungsprozesses zu integrieren.
KOARiiS unterstützt die Kopplung von Wärmequellen und Wärmesenken und ist dabei auf
Retrofit Anwendungen fokussiert, bei denen eine ganzheitliche Umstrukturierung der Wär-
meversorgung nicht möglich ist. Die Software befindet sich noch in der Betaphase wird der-
zeit nur im Rahmen von Energieberatungen durch das IER angeboten.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass vielfältige Softwarelösungen zur Energiebe-
ratung von Industriebetrieben verfügbar ist. Allerdings ist die Planung von integrierten Wär-
mepumpenanlagen zum Teil nur schwer möglich. Alle vorgestellten Programme setzen beim
Anwender umfassendes Fachwissen zur Integration vorn Wärmepumpen in Energieversor-
gungssysteme und Kenntnisse der verfügbaren Wärmepumpentechnik voraus. Es besteht wei-
terhin Bedarf an einer guten Informationsplattform zu Industriewärmepumpen, die dieses
Fachwissen vermitteln kann.
Fazit und Ausblick 125
9 Fazit und Ausblick
Die vorliegende Studie zeigt die Einsatzmöglichkeiten von Industriewärmepumpen in
Deutschland auf. Die Grundlage zum Verständnis der Arbeit wird in Kapitel 2 mit der Be-
schreibung der bedeutendsten Wärmepumpenkreisprozesse und der Definition von Fachbe-
griffen gelegt. Zudem wird ein Vergleich der Treibhausgasemissionen von Wärmepumpen
mit brennstoffbasierten Wärmeerzeugungssystemen vorgenommen. Wärmepumpen, die
elektrisch oder durch Abwärme angetrieben werden, verursachen keine lokalen Emissionen.
Damit kann auch eine Abgasführung verzichtet werden. Für die Bilanzierung der Treibhaus-
gasemissionen müssen bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen die Emissionen der
Stromerzeugung berücksichtigt werden. Bei Ansatz des deutschen Strom-Mix
(598 g CO2-Äq/kWh in 2012) muss die Wärmepumpen mindestens eine Leistungszahl von
2,6 erreichen, damit sich gegenüber der Verbrennung von Erdgas eine positive Treibhausgas-
bilanz einstellt. Setzt man Heizöl als Referenz an, so genügt eine Leistungszahl von 1,9.
Aufbauend auf der Analyse des Wärme- und Kältebedarfs wurde in Kapitel 3 das technische
Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie in Deutschland abgeschätzt.
Aktuelle Industriewärmepumpen mit einer Vorlauftemperatur von 100 °C können bis zu
23 % des industriellen Wärmebedarfs abdecken. Insbesondere in den Branchen Nahrungsmit-
tel, Papier und Chemie bestehen große Potenziale für Hochtemperaturanwendungen jenseits
von 80 °C. Im Maschinenbau und der Automobilindustrie existiert ein großer Bedarf an
Raumwärme, der von Wärmepumpen gedeckt werden kann. Zudem sind in vielen Betrieben
Abwärmeströme aus Kälteanlagen, Prozesskühlung, feuchtebeladenen Abluftströmen oder
Druckluftanlagen verfügbar, die von Wärmepumpen genutzt werden können.
Die Wärmepumpe hat sich in der Beheizung von Wohngebäuden bereits als Standardlösung
etabliert. Kapitel 4 gibt einen umfassenden Überblick über den Stand der Wärmepumpen-
technik. Die vorgestellte Marktanalyse zeigt, dass die Hersteller in den vergangen Jahren ihre
Produktpalette erweitert und Wärmepumpen auf den Markt gebracht haben, die zum einen
über große Heizleistungen verfügen und zum anderen hohe Temperaturen erreichen können.
Drei Hersteller können bereits Vorlauftemperaturen von 100 °C und mehr realisieren. Die
Heizleistung der angebotenen Wärmepumpen reicht von 15 kW bis zu 20 MW. Durch Paral-
lelschaltung mehrerer Wärmepumpen lassen sich noch deutlich leistungsstärkere Anlagen
realisieren. Im Rahmen der Markanalyse wurden darüber hinaus die Preislisten verschiedener
Hersteller ausgewertet. Dabei wurden Kosten- und Leistungsdaten von 254 Wärmepumpen
erfasst. Auf Basis dieser Daten wurden auf die Heizleistung bezogene Kostenkurven für
Wasser/Wasser, Sole/Wasser und Luft/Wasser Wärmepumpen erstellt. Im Vergleich zu Gas-
und Ölbrennern fallen für Wärmepumpen hohe Investitionskosten von ca. 200 €/kWth an.
Zudem müssen für Planung und Integration der Wärmepumpe noch einmal 60 bis 100 % des
Wärmepumpenpreises angesetzt werden. Daraus resultieren hohe Anschaffungskosten, denen
allerdings vergleichsweise geringe Wärmegestehungskosten gegenüberstehen. Da Wärme-
pumpen mit Nutzungsdauern zwischen 10 und 20 Jahren eine langlebige Technologie sind,
sollte die Bewertung der Wirtschaftlichkeit nach der internen Zinsfußmethode erfolgen. Bei
Verwendung der Amortisationszeitmethode wird die Generierung des positiven Kapitalwerts
126 Fazit und Ausblick
nach erfolgter Amortisation nicht berücksichtigt. Wärmepumpen erweisen sich insbesondere
dann als wirtschaftliche Option, wenn in der Referenzanlage die Wärme durch hochpreisige
Energieträger wie Heizöl oder die direkte Nutzung von Strom generiert wird. Für eine wirt-
schaftliche Substitution vergleichsweise günstiger Energieträger wie Erdgas muss die Wär-
mepumpe eine hohe Arbeitszahl erreichen. Dieses ist insbesondere dann möglich, wenn die
erzeugte Wärme und Kälte gleichzeitig genutzt werden können.
In Kapitel 5 wird der technische Fortschritt von Industrie- und Großwärmepumpen darge-
stellt. Neben der Auswertung der historischen Entwicklung der Forschung an Wärmepumpen
in Deutschland werden 11 besonders innovative Entwicklungsprojekte zur Entwicklung neuer
Kältemittel, Verdichter und Wärmepumpenanlagen im Detail diskutiert. Die beschriebenen
Anlagen sind auf die Anwendung in der Industrie zugeschnitten. Sie erreichen große Heiz-
leistungen und hohe Temperaturen. Mit der Weiterentwicklung von Verdichtern und Kälte-
mitteln können in Zukunft sogar Temperaturen jenseits der 120 °C erreicht werden.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens war das IER an der Entwicklung einer Hochtempera-
turwärmepumpe mit dem Kältemittel R245fa (Kapitel 6) beteiligt. Die Wärmepumpe wurde
in eine industrielle Teilereinigungsanlage integriert und inzwischen erfolgreich im Feld getes-
tet. Bei der Hochtemperaturwärmepumpe handelt es sich um eine der ersten in Deutschland
produzierten Anlagen, die Temperaturen über 100 °C erzeugen können. In zwei weiteren
Fallstudien wurde versucht, die Hochtemperaturwärmepumpe bei einem Hersteller von Fer-
tighäusern und in einem Galvanikbetrieb einzusetzen. Trotz der nachgewiesenen Umsetzbar-
keit konnten beide Projekte aus betriebsbedingten Gründen nicht realisiert werden.
Über die Fallstudien hinaus wird in Kapitel 7 einen Überblick über 25 umgesetzte Wärme-
pumpenanlagen in Industrie und Gewerbe gegeben. 18 der Anlagen befinden sich in Indust-
riebetrieben aus 11 verschiedenen Industriezweigen. Weitere 7 Anlagen sind in die Energie-
versorgungssysteme von Bürogebäuden, einer Großküche, einem Möbelhaus, einem
Schwimmbad sowie in ein Nahwärmenetz integriert. Drei dieser Anlagen wurden durch das
IER im Rahmen dieses Forschungsprojekts umfassend messtechnisch ausgewertet. Die do-
kumentierten Wärmepumpenprojekte geben einen konkreten Eindruck dessen, welchen Bei-
trag Industrie- und Großwärmepumpen zu einer rationellen Energienutzung leisten können.
Die Integration einer Wärmepumpe in die Wärme- und Kälteerzeugung ist vor allem in der
Industrie eine komplexe Aufgabe. Für die richtige Dimensionierung der Anlage sind genaue
Kenntnisse der Lastprofile von Wärmequelle und Wärmesenke nötig. Da der Planungspro-
zess wenig standardisiert ist und gute Kenntnisse von Heizungs-, Kälte- und industrieller
Prozesstechnik voraussetzt, bieten viele Wärmepumpenhersteller Unterstützung bei der Pla-
nung von Industriewärmepumpenanlagen an. Ausgehend von den Erfahrungen, die im Ver-
lauf des Projekts gesammelt wurden, wurde ein Leitfaden für die Integration von Wärme-
pumpen in Wärme- und Kälteerzeugungssysteme erstellt. In diesem Rahmen wird auch ein
Überblick über Software gegeben, die zur Unterstützung des Planungsprozesses eingesetzt
werden kann. Fünf Programme zur Durchführung von Energieberatungen wurden im Rahmen
des Forschungsvorhabens getestet und bewertet. Die betrachteten Programme sind zwar
durchweg für die Integration von Wärmepumpen geeignet, allerdings setzen sie zum Teil
Fazit und Ausblick 127
großes Fachwissen auf Seite des Anwenders voraus. Zudem ist insbesondere bei EINSTEIN
das Wärmepumpenmodell sehr einfach gestaltet. Für TRNSYS sind zwar Wärmepumpenmo-
dule vorhanden, diese müssen aber zusätzlich zur Software erworben werden.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Wärmepumpe bereit ist für den Einsatz in der
Industrie. Es bestehen große Potenziale und in den letzten Jahren wurden Wärmepumpen auf
den Markt gebracht, mit denen diese Potenziale erschlossen werden können. Das größte
Hemmnis für die Integration von Wärmepumpen in die Wärme- und Kälteerzeugung von
Industrieunternehmen stellen die im Vergleich zu brennstoffbasierten Wärmeerzeugern hohen
Investitionskosten dar. Im europäischen Vergleich besteht in der Industrie in Deutschland
zudem ein ungünstiges Verhältnis von relativ hohen Strompreisen zu relativ geringen Gas-
preisen. Dennoch zeigen die dokumentierten Anlagen, dass auch in Deutschland bei passen-
den Randbedingungen Wärmepumpenanlagen in der Industrie erfolgreich umgesetzt werden
können.
Um die komplexe Integration von Wärmepumpen in bestehende Anlagen zu vereinfachen, ist
die Entwicklung einer Informationsplattform zur Integration von Industrie- und Großwärme-
pumpen notwendig. Diese Plattform sollte neben einer Übersicht zur verfügbaren Wärme-
pumpentechnik auch Informationen zur Integration von Wärmepumpen in industrielle Pro-
zesse enthalten. Hierzu ist die Entwicklung von Branchenleitfäden notwendig.
Derzeit verfügbare Softwarelösungen können nur zum Teil die Planung von industriellen
Wärmepumpenanlagen unterstützen. Insbesondere Verknüpfungen von Wärmequellen und
Wärmesenken mit volatilen Lastprofilen lassen sich mit den in dieser Studie vorgestellten
Programmen, soweit überhaupt möglich, nur mit großem Fachwissen umsetzen. Notwendig
sind hier die Weiterentwicklung der Programme und die Bereitstellung von unabhängigen
Informationen zur verfügbaren Wärmepumpentechnik.
Ein weiteres interessantes Anwendungsfeld für Industrie- und Großwärmepumpen sind Nah-
und Fernwärmenetze. Während in den Skandinavischen Ländern bereits einige Wärmepum-
pen zur Versorgung dieser Netze eingesetzt werden, gibt es in Deutschland bisher nur wenige
Demonstrationsanlagen. Neben der reinen Wärmeerzeugung können Wärmepumpen auch zur
Kapazitätserhöhung von bestehenden Fernwärmenetzen eingesetzt werden. Auf diesem Ge-
biet besteht in Deutschland noch großer Forschungsbedarf zu Potenzialen und zu Leitlinien
zur Integration von Wärmepumpen in Nah- und Fernwärmesysteme.
128 Literaturverzeichnis
Literaturverzeichnis 129
Literaturverzeichnis
/Adler et al. 2011/ Adler, B.; Riepl, S.; Ponweiser, K.: Centrifugal compression turbo heat
pump made by ECOP. In: International Energy Agency (IEA) (Hrsg.): Proceedings of
the 10th IER Heat Pump Conference 2011: IEA Heat Pump Center, 2011
/AGEB 2013a/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V. (AGEB): Erstellen der Anwen-
dungsbilanzen 2011 und 2012 für den Sektor Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
(GHD). München, 2013
/AGEB 2013b/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V. (AGEB): Erstellung von Anwen-
dungsbilanzen für das Jahr 2012 für das verarbeitende Gewerbe mit Aktualisierungen
für die Jahre 2009-2011. 2013
/AGEB 2011/ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V. (AGEB): Erstellung von Anwen-
dungsbilanzen für die Jahre 2009 und 2010 für das verarbeitende Gewerbe. Karlsruhe,
2011
/Annex 35/13 2014/ Members of Annex 35/13: Application of Industrial Heat Pumps: IEA
Industrial Energy-related Systems and Technologies Annex 13, IEA Heat Pump Pro-
gramme Annex 35. Final Report. Hannover, 2014
/Aidonis et al. 2005/ Aidonis, A.; Drosou, V.; Müller, T.; Staudacher, L.; Fernandez-Llebrez,
F.; Oikonomou, A.; Spencer, S.: PROCESOL II: Solarthermische Anlagen in Industrie-
betrieben. Planungs- und Wartungsrichtlinien. Garching, 2005
/Arwego e.K. 2013/ Arwego e.K.: Auskunft. 2013
/ASHRAE 2010/ American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engi-
neers (ASHRAE): ANSI/ASHRAE Standard 34-2010: Designation and Safety Classifi-
cation of Refrigerants. Atlanta, 2010
/ASUE 2009/ Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch
e.V. (ASUE): Informationen zu Absorptionskältemaschinen. URL:
http://www.asue.de/cms/upload/flash_gaskuehlung/planer/planer01.html. – Aktualisie-
rungsdatum: 02.02.2009 – Überprüfungsdatum: 07.11.2013
/BDH 2014/ Bundesindustrieverband Deutschland Haus, Energie-und Umwelttechnik e.V
(BDH): Bilanz Heizungsindustrie 2013. Köln, 2014
/BDH 2012/ Bundesindustrieverband Deutschland Haus, Energie-und Umwelttechnik e.V
(BDH): Marktentwicklung Wärmeerzeuger 2002-2012. URL: http://bdh-
koeln.de/uploads/media/Pressegrafik_Marktentwicklung_2002-2012.pdf. – Aktualisie-
rungsdatum: 26.11.2012 – Überprüfungsdatum: 10.04.2013
/BMBF 2012/ Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF):
www.foerderkatalog.de. URL: www.foerderkatalog.de – Überprüfungsdatum:
21.09.2012
130 Literaturverzeichnis
/BMWi 2014/ Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Zahlen und Fakten:
Energiedaten. 2014
/BMWi 2010/ Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi); Bundesministe-
rium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU): Energiekonzept für eine
umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Berlin, 2010
/Bobelin et al./ Bobelin, D.; Bourig, A.; Peureux, J.-L.: Experimental Results of a Newly
Developed Very High Temperature Industrial Heat Pump (140 °C) Equipped With
Scroll Compressors and Working With a New Blend Refrigerant. In: International Re-
frigeration and Air Conditioning Conference.
/Bosch Thermotechnik GmbH 2011/ Bosch Thermotechnik GmbH: Effiziente Energienut-
zung mit Junkers Erdwärmepumpe in Rehlingen: Flavex Naturextrakte GmbH setzt auf
Natur pur – auch in der Produktion. 2011
/Brandenburg 2011/ Brandenburg, M.: Purkart erhält Energiepass: Der Großrückerswalder
Betrieb ist für seine innovative Abwärmenutzung geehrt worden. URL:
http://www.wirtschaft-im-erzgebirge.de/de/Aktuelles_Presse/News/Purkart_erhaelt_
Energiepass_1002.html?news1576.id=526&news1576.year=2011&news1576.
month=4&sid=de – Überprüfungsdatum: 11.07.2013
/Brauindustrie 2009/ DBU-Förderprojekt: Energieeinsparung in Mälzereien. Kurz Berichtet.
In: Brauindustrie (2009), Nr. 12, S. 7
/Brauwelt 2012/ Brauerei Schäffler setzt auf individuelles Energierecycling. In: Brauwelt
(2012), Nr. 40, S. 1172-1174
/Brauwelt 2010/ Energieeinsparung in Mälzereien. In: Brauwelt (2010), 1-2, S. 9-10
/Buchenwald et al. 2009/ Buchenwald, H.; Flohr, F.; Hellmann, J.; König, H.; Meurer, C.:
Solkane®-Taschenbuch: Kälte- und Klimatechnik. Hannover, 2009
/Büschner 2008/ Büschner, C.-D.: Meerwasser-Erlebnisbad Juist: Regenerative Energie auf
dem Vormarsch. In: BäderBau (2008), Nr. 3, S. 42-44
/BWP 2011/ Bundesverband Wärmepumpe e.V. (BWP): Heizen mit Wärmepumpe – klima-
freundlich, zukunftssicher, wartungsarm. Berlin, 2011
/Calm, Hourahan 2007/ Calm, J. M.; Hourahan, G. C.: Refrigerant Data Update. In: HPAC
Engineering 79 (2007), Nr. 1, S. 50-64
/Cofely 2014/ Cofely: Wärme und Kälte effizienter nutzen: Hochtemperatur-Wärmepumpen
von Cofely Kältetechnik machen die Nutzung erneuerbarer Energien noch effizienter.
In: Machinery & Metalware (2014), Nr. 1, S. 6
/DBU 2008/ Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU): Projektdatenblatt: Nutzung der Rotte-
abwärme aus einer Bioabfallkompostieranlage durch den Einbau einer Erdgas betriebe-
nen Absorptionswärmepumpe - Demonstrationsvorhaben. Aktenzeichen: 210409. 2008
Literaturverzeichnis 131
/De Kleijn 2012/ De Kleijn Energy Consultants & Engineers: Heat pump for drying of fries:
Industrial Heat Pumps. URL: http://www.industrialheatpumps.nl/en/practices/
heat_pump_for_drying_of_fries/ – Überprüfungsdatum: 23.09.2014
/Destatis 2014/ Statistisches Bundesamt (Destatis): Verbraucherpreisindex für Deutschland:
Lange Reihen ab 1948. Wiesbaden, 2014
/Dietrich, Fredrich 2012/ Dietrich, W.; Fredrich, O.: GEA Grasso heat pumps using ammo-
nia – the megawatt range (ACHEMA Kongress 2012). Frankfurt am Main, 13.06.2012
/Dimplex 2012/ Glen Dimplex Deutschland GmbH: Dimplex Wärmepumpen Referenzanla-
ge: Glasfabrik Thiele AG 04779 Wermsdorf. Nutzung der Produktionsabwärme zur
Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung. 2012
/Dobelmann 2008/ Dobelmann, J. K.: Solpool in der Praxis: Solaranlagen auch für weniger
sonnenreiche Regionen vorteilhaft. In: Sonnenenergie (2008), Nr. 6, S. 50-51
/Emerson 2010a/ Emerson Climate Technologies: Single Screw Ammonia Heat Pumps:
Harness Your Heat… Don’t Reject It. Aachen, 2010
/Emerson 2010b/ Emerson Climate Technologies: The world’s best compressors for indus-
trial refrigeration: Single screw ammonia heat pumps. 2010
/Emil Frei 2013/ Emil Frei GmbH: Zahlen & Fakten: Unternehmensdaten. Döggingen, 2013
/EnAW 2007/ Energieagentur der Wirtschaft (EnAW): Bell AG: Substitution Fernwärme mit
Hochdruck Wärmepumpe. Zürich, 2007
/EPA 2010/ U.S. Environmental Protection Agency (EPA): Toxic Chemical Release Invento-
ry Reporting Forms and Instructions: Revised 2010 Version. EPA 260-R-10-001.
Washington D.C., 2010
/EPO 2013/ European Patent Office (EPO): European Patent Register. URL:
http://www.epo.org/searching/free/register.html. – Aktualisierungsdatum: 15.04.2013 –
Überprüfungsdatum: 15.04.2013
/Eschmann 2013/ Eschmann, M.: Qualitätssicherung von Kleinwärmepumpen und staatliche
Auswertung der Prüfresultate 2012: Jahresbericht. Bern, 2013
/FORM+Werkzeug 2013/ Wie man mit Wärme kühlt: Nutzung der Abwärme von Erodier-
maschinen. In: FORM + Werkzeug (2013), Nr. 1, S. 12-13
/Forster et al. 2007/ Forster, P.; Ramaswamy, V.; Artaxo, P.; Berntsen, T.; Betts, R.; Fahey,
D. W.; Haywood, J.; Lean, J.; Lowe, D. C.; Myhre, G.; Nganga, J.; Prinn, R.; Raga, G.;
Schulz, M.; Van Dorland, R.: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative
Forcing: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working
Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate
Change. Cambridge, New York, 2007
/Friotherm 2008/ Friotherm AG: Värtan Ropsten: Weltgrößte Anlage mit Meerwasser.
Wärmepumpen: 6 Unitop 50FY, Gesamtkapazität 180 MW. Winterthur, 2008
132 Literaturverzeichnis
/Friotherm 2005/ Friotherm AG: Akalla-Kista: Swedens science centre with District heat-
ing/cooling system and 6 Unitop® heat pumps/chillers. Winterthur, 2005
/GlobalMalt 2013/ GlobalMalt Gmbh & Co. KG. URL: http://www.globalmalt.de/ – Über-
prüfungsdatum: 13.02.2013
/Goget 2012/ Goget, R.: Ammonia-Water Hybrid Heat Pumps: Economic integration and
environmental benefits of high temperature Hybrid Heat Pumps. Hamar, 20.11.2012
/Grammer Solar 2009/ Grammer Solar GmbH: Meerwasser-Erlebnisbad Juist: Projektinfo.
Amberg, 2009
/Hennecke GmbH 2013/: Wärmerückgewinnung senkt Energieaufwand und Schadstof-
femission: Presseinformationen. Walter Th. Hennecke GmbH. Neustadt/Wied, 2013
/Hlavica 2010/ Hlavica, M.: Hartverchromung 21 - Prozesstechnik mit Vorbildcharakter: Die
Metallveredelung Thoma in Heimertingen erhält Umweltpreis KUMAS Leitprojekte
2009. In: Galvanotechnik Sonderdruck (2010), Nr. 4
/Huber 2013/ Huber, K.: Prozesswärmepumpen - Medientemperaturen bis 110 °C (4. VDI-
Fachkonferenz: Wärmepumpen 2013 - Umweltwärme effizient nutzen). Raunheim,
12.06.2013
/Huber 2012/ Huber, A.: Prämiertes Projekt: Mohrenbrauerei. Wärmerückgewinnung aus
dem NH3-Kältekreislauf mittels einer Hochdruckwärmepumpe. Wien, 2012
/ifm ecomatic 2014a/ ifm ecomatic gmbh: ifm ecomatic gmbhStandort Kressbronn. URL:
http://www.ifm.com/ifmde/web/ecomatic.htm – Überprüfungsdatum: 23.10.2014
/ifm ecomatic 2014b/ ifm electronic gmbh: Pressemitteilung ifm electronic: Offizieller Spa-
tenstich zur Erweiterung des ifm ecomatic Gebäudes. Pressemitteilung vom 23.10.2014
/IKEA 2010/ Das umweltfreundlichste IKEA Haus steht bald in Berlin-Lichtenberg: Ener-
giesparhaus - 1.270 Tonnen weniger CO2 im Jahr. Pressemitteilung vom 06.05.2010
/IPCC 2007/ Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): 4. Sachstandsbericht,
Working Group 1: Chapter 2: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative
Forcing. Cambridge, New York, 2007
/Keil, Schweigler 2006/ Keil, C.; Schweigler, C.: Nutzung von Rotteabwärme aus einer Bio-
abfallkompostieranlage durch den Einbau einer Erdgas betriebenen Absorptionswärme-
pumpe: Demonstrationsvorhaben. Abschlussbericht. Garching, 2006
/Klima Jentzsch GmbH 2013/ Klima Jentzsch GmbH: Auskunft. 2013
/Kontomaris 2013/ Kontomaris, K.: Low GWP working fluid for high temperature heat
pumps: DR2: Chemical stability at high temperatures (European Heat Pump Summit
2013). Nürnberg, 15.10.2013
/Kuromaki 2012/ Kuromaki, Y.: Industrial Heat Pump Reduce Cost and Save Energy in Ac-
tual Case Studies (Chillventa Konferenz). Nürnberg, 15.10.2012
Literaturverzeichnis 133
/Kurverwaltung Juist 2013/ Kurverwaltung Juist: 20.000 Euro Preisgeld für die "Klimainsel
Juist": Juist gewinnt beim Bundeswettbewerb "Kommunaler Klimaschutz 2013". Pres-
semitteilung vom 28.11.2013
/Lambauer et al. 2008/ Lambauer, J.; Fahl, U.; Ohl, M.; Blesl, M.; Voß, A.: Industrielle
Großwärmepumpen - Potenziale, Hemmnisse und Best-Practice Beispiele. Stuttgart,
2008
/Lauterbach et al. 2012/ Lauterbach, C.; Schmitt, B.; Jordan, U.; Vajen, K.: The potential of
solar heat for industrial processes in Germany. In: Renewable and Sustainable Energy
Reviews 16 (2012), Nr. 7, S. 5121-5130
/Lehnhardt 2008/ Lehnhardt, M.: Gas-wärmepumpen: Pilotanlage in der Metallverarbeitung:
Kalte Laser - heiße Öfen. URL: http://www.industrieanzeiger.de/home/-
/article/12503/11821176/indust – Überprüfungsdatum: 13.09.2013
/Lemmon et al. 2007/ Lemmon, E. W.; Huber, M. L.; McLinden, M. O.: Reference Fluid
Thermodynamic and Transport Properties (REFPROP): Version 8. User's Guide. Boul-
der, 2007
/Lemmon et al. 2002/ Lemmon, E. W.; McLinden, M. O.; Huber, M. L.: NIST Reference
Fluid Thermodynamic and Transport Properties (REFPROP): Version 7. User's Guide.
Boulder, 2002
/Löffler, Griessbaum 2014/ Löffler, M. K.; Griessbaum, N.: Storage devices for heat ex-
changers with phase change. In: International Journal of Refrigeration 44 (2014), S.
189-196 – Überprüfungsdatum: 30.09.2014
/Ludwig Michl 2007/ Ludwig Michl GmbH: Kühlung von Laseranlagen auf Basis
von Gasabsorptionswärmepumpen mit Abwärmenutzung: Projektbericht. Aktenzeichen
dbu: 24721. Wattersdorf, 2007
/Ludwig Michl GmbH 2013/ Ludwig Michl GmbH: Unternehmen: Ludwig Michl GmbH -
Apparate, Geräte, Maschinbau. URL: http://www.l-m-w.de/unternehmen.html – Über-
prüfungsdatum: 03.08.2013
/Mönch 2012/ Mönch, D.: Reduktion des Energieverbrauchs und der energiebedingten CO2-
Emissionen bei der Herstellung von Malz durch den Einsatz einer Großwärmepumpe in
Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk: Demonstrationsvorhaben. Abschlussbe-
richt. Hamburg, 2012
/Mönch 2011/ Mönch, D.: Verbesserung der Energieeffizienz in der Mälzerei. In: Brauwelt
(2011), 1-2, S. 1556-1558
/Nellissen 2012/ Nellissen, P.: Skivergnügen das ganze Jahr: Schneeproduktion mit Ammo-
niak-Einschraubenverdichtern. In: Kälte Klima Aktuell (2012),
Sonderausgabe Großkältetechnik, S. 30-32
/Nordtvedt 2005/ Nordtvedt, S. R.: Experimental and theoretical study of a compres-
sion/absorption heat pump with ammonia/water as working fluid. Norwegian Universi-
134 Literaturverzeichnis
ty of Science and Technology, Department of Refrigeration and Air-Conditioning. Dis-
sertation. Trondheim, 2005
/Ochsner 2014/ Ochsner, K.: OCHSNER Hochtemperatur-Wärmepumpen (4. Mittleeuropäi-
sche Biomassekonferenz). Graz, 17.01.2014
/Ochsner 2012/ Ochsner GmbH: Referenz Großwärmepumpen. Haag, 2012
/Pearson, Nellissen 2012/ Pearson, D.; Nellissen, P.: Application of industrial heat pumps:
Proven applications in 2012 for megawatt+ heat pumps within a technical, commercial
and sustainable framework (ACHEMA Kongress 2012). Frankfurt am Main,
13.06.2012
/PinCH 2012/ Lucerne School of Engineering and Architecture: PinCH: An analysis and de-
sign tool for process integration. Version 1.5 User Manual. Horw, 2012
/PONGS 2014/ PONGS Seidenweberei GmbH: Auskunft. 2014
/Preuß 2011/ Preuß, A. (Hrsg.): Einsatz einer Wärmepumpe in einem metallverarbeitenden
Betrieb zur Nutzung technologischer Wärme. 3. Energietechnisches Symposium - In-
novative Lösungen beim Einsatz erneuerbarer Energien in Nichtwohngebäuden,
03.03.2011. Zittau, 2011
/Reissner et al. 2013/ Reissner, F.; Gromoll, B.; Schäfer, J.; Danoc, V.; Karl, J.: Experi-
mental performance evaluation of new safe and environmentally friendly working flu-
ids for high temperature heat pumps (European Heat Pump Summit 2013). Nürnberg,
15.10.2013
/Riepl 2014/ Riepl, S.: Industriewärmepumpe für hohe Temperaturen. In: Energy 2.0 (2014),
Nr. 3, S. 30-32
/Riepl et al. 2013/ Riepl, S.; Adler, B.; Friedl, A.; Hosseini, A. M.: Mit wenig Energie mehr
Wärme: Hochtemperaturwärmepumpe für den Einsatz in der Prozesstechnik. In: PRO-
CESS (2013), Nr. 3, S. 78-79
/Robur 2008/ Robur GmbH: Kühlung von LaseranlagenmitAbwärmenutzung Firma Ludwig-
Michl GmbH: Referenzanlage. Friedrichshafen, 2008
/SAENA 2012/ Sächsische Energieagentur GmbH (saena): Technologien der Abwärmenut-
zung. Dresden, 2012
/Sattler 2012/ Sattler, P.: Magna Auteca AG: Optimierung der Kälte- und Wärmeversorgung.
Wien, 2012
/ScanCool 2010a/ ScanCool: Snellman Pietarsaari HHP-unit. Kokkola, 2010
/ScanCool 2010b/ ScanCool: Valio Riihimäki HP-Einheit. Kokkola, 2010
/Schitkowsky 2010/ Schitkowsky, A.: Wärmerückgewinnung aus Abwasser (Energie im Ka-
nal? Möglichkeiten aus Sicht der Berliner Wasserbetriebe). Berlin, 13.12.2010
/Schraubenwerk Zerbst 2013/ Schraubenwerk Zerbst GMBH: Auskunft. 2013
Literaturverzeichnis 135
/Single-Phase Power 2013/ Single-Phase Power: Heat pumps for high temperature demand.
In: European Heat Pump News (2013), Nr. 1, S. 10-11
/Skjern 2013/ Skjern Papierfabrik A/S: Sustainability Report: 2012. Skjern, 2013
/Termoekonomi 2008/ Termoekonomi AB: Yeast Factory project: 6 MW heat pump and
industrial process cooling. Stokholm, 2008
/TESS 2010/ Thermal Energy System Specialists (TESS): TRNSYS 17: a TRaNsient SYstem
Simulation program. Madison, 2010
/thermea 2014a/ thermea. Energiesysteme GmbH: thermeco2 Projekt Mensa Fach-
hochschule Soest. 2014
/thermea 2014b/ thermea. Energiesysteme GmbH: thermeco2 Projekt Nahwärmenetz der
Stadt Lauterecken. URL: http://www.thermeco2.com/de/projekte/item/387-
nahwaermenetz-stadt-lauterecken – Überprüfungsdatum: 24.10.2014
/thermea 2013/ thermea. Energiesysteme GmbH: Aufbruch in die 2000-Watt-Gesellschaft:
Heiz- und Kühlprozesse effizient verbinden. In: Kälte, Luft, Klimatechnik (KI) (2013),
Nr. 12, S. 36-37
/Tine 2007/ Tine Meieriet Sør: best practice: Norwegian Dairy. Hybrid Heat pump for ele-
vated recovery temperature. Nærbø, 2007
/Tivoli Malz 2012/ Auskunft. 2012
/Trübswetter, Grohmann 2009/ Trübswetter, T.; Grohmann, R.: Holztrocknung: Verfahren
zur Trocknung von Schnittholz - Planung von Trocknungsanlagen ; mit 27 Tabellen. 2.
Aufl. München: Fachbuchverl. Leipzig im Carl-Hanser-Verl, 2009
/UBA 2014a/ Umweltbundesamt (UBA): Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-
Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990 bis 2013. Dessau-Roßlau,
2014
/UBA 2014b/ Umweltbundesamt (UBA): Prozessorientierte Basisdaten für Umweltmanage-
ment-Instrumente (ProBas). Dessau-Roßlau, 2014
/UNEP 2011/ United Nations Environment Programme (UNEP): 2010 Report of the Refrig-
eration, Air Conditioning and Heat Pumps Technical Options Committee: 2010 As-
sessment. Nairobi, 2011
/VDI 2067 2012/ Verein Deutscher Ingenieure e.V. (VDI): VDI-Richtlinie 2067 Blatt 1.
Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen Grundlagen und Kostenberechnung.
Berlin, 2012
/VDI 2067 2010/ Verein Deutscher Ingenieure e.V. (VDI): VDI-Richtlinie 2067 Blatt 1.
Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen Grundlagen und Kostenberechnung.
Berlin, 2010
136 Literaturverzeichnis
/VDMA 2011/ Forschungsrat Kältetechnik e.V. ; VDMA Allgemeine Lufttechnik: Energie-
bedarf für Kältetechnik in Deutschland: Eine Abschätzung des Energiebedarfs von Käl-
tetechnik in Deutschland nach Einsatzgebieten. Frankfurt am Main, 2011
/Volkswagen 2013a/ Auskunft. 2013
/Volkswagen 2013b/ Volkswagen AG: Emden < Standorte < Wie wir arbeiten < Volkswagen
Personal. URL: http://www.volkswagen-karriere.de/de/wie_wir_arbeiten/standorte
/emden.html. – Aktualisierungsdatum: 06.09.2013
/Wellstein 2013/ Wellstein, J.: Beim Laserschneiden Wärme speichern: Abwärmenutzung
auch wirtschaftlich attraktiv für Laserschneidbetriebe. In: HK-Gebäudetechnik (2013),
Nr. 1, S. 42-43
/Wohlhagen Wernik, Paulus 2010/ Léon Wohlhage Wernik Architekten und Ingenieurbüro
Paulus: IKEA Einrichtungshaus Berlin-Lichtenberg: Einsatz innovativer Technologien
im Bereich der Haustechnik und der Energieerzeugung. Schwerpunkt: Nutzungskon-
zept der Wärme aus Abwasser. Berlin, Wolfsburg, 2010
/Wolf et al. 2012/ Wolf, S.; Lambauer, J.; Blesl, M.; Fahl, U.; Voß, A.: Industrial heat pumps
in Germany: Potentials, technological development and market barriers. In: 2012: Pro-
ceedings of the eceee 2012 Summer Study on energy efficiency in industry. Stockholm:
ECEEE, 2012. – ISBN 978-91-980482-0-9, S. 543-550
/ZAE 2007/ Bayrisches Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE): Absorptions-
wärmepumpe zur Nutzung der Abwärme einer Biomüll-Kompostieranlage. 2007
/Zimmer 2010a/ Zimmer, M.-M.: Hartverchromen - schnell und effizient: Neue Hartchrom-
anlage bei der Firma Thoma. In: mo metalloberfläche 64 (2010), Nr. 4 – Überprüfungs-
datum: 29.07.2013
/Zimmer 2010b/ Zimmer, M.-M.: Mit marktgängigen Komponenten ist das Hartverchromen
optimierbar. In: MM Maschinenmarkt (2010), Nr. 20, S. 38-40
/Zimmer 2009/ Zimmer, M.-M.: Thoma Metallveredelung GmbH: Prozess- und anlagen-
technisch optimierte Auslegung, Konstruktion, Planung und Installationsvorbereitung
einer galvanischen Hartchromanlage. Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt
gefördert unter dem Az: 25418-21/2 Deutsche Bundesstiftung Umwelt. 2009