Dekarbonisierung der Prozesswärmeversorgung

Prozesswärme ist in vielen Industriezweigen – von der Chemie- über die Lebensmittel- bis hin zur metallverarbeitenden Industrie  – unverzichtbar. Diese Wärme wird für verschiedene Anwendungen benötigt, darunter das Beheizen von Reaktoren, Trocknungs- und Verdampfungsvorgängen. Der Gesamtbedarf an Prozesswärme in Deutschland betrug im Jahr 2023 ca. 460 TWh und damit rund 18 % des Endenergieverbrauchs in Deutschland. Davon wird der überwiegende Anteil aus fossilen Brennstoffen gedeckt [1, 2]. Die Abkehr von diesen fossilen Energieträgern ist entscheidend für die Erreichung der ­Klimaziele.

Temperaturniveau gewinnt an ­Bedeutung

Die Transformation der Wärmeversorgung in der Industrie erfordert innovative Ansätze, die insbesondere den regenerativ erzeugten Strom effizient nutzen. Hierfür ist beim Einsatz von Wärmepumpen ein zentraler Aspekt das Temperaturniveau, auf dem die Wärme benötigt wird (T_h) sowie dessen Abstand von der Temperatur der Wärmequelle, dem Temperaturhub (∆T_hub). Dies lässt sich anhand einer thermodynamischen Betrachtung der Effizienz eines Wärmepumpenkreislaufs einfach nachvollziehen.

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die Leistungszahl (COP, engl. Coefficient of Performance) definiert. Das theoretische Maximum dieses Wirkungsgrads, der sogenannte Carnot-COP einer Wärmepumpe, hängt direkt davon ab, wieweit die Temperatur der Wärmequelle T_q angehoben werden muss, um für die Prozessversorgung auf der höheren Temperatur T_h genutzt werden zu können. Je kleiner diese Differenz ist, desto größer wird der theoretisch erreichbare ­Wirkungsgrad.

 
Formel 1

Damit wird sowohl die benötigte Temperatur für Produktionsprozesse als auch die das Temperaturniveau einer geeigneten Wärmequelle zu den zentralen Einflussfaktoren für den realen COP einer Wärmepumpe. Dieser wird aus dem Verhältnis der Heizleistung Q˙_h, die auf einem hohen Temperaturniveau T_h (im Kondensator) abgegeben wird, zur benötigten Antriebsleistung des Verdichters P_el bestimmt und erreicht üblicher Weise
30 - 60 % des COP_Carnot.

 
Formel 2

Das Projekt „IdWPPro-Identifikation­ von Wärmepumpen für die ­Prozesswärmeversorgung“

Beim Einsatz von Wärmepumpen für die Prozesswärmeversorgung mangelt es derzeit sowohl an Erfahrungen als auch an Informationen über die verfügbaren Systeme, deren technische Unterschiede und Einsatzmöglichkeiten. Wärmepumpenhersteller stehen vor Herausforderungen bezüglich der Anforderungen in verschiedenen Industrien, insbesondere in Bezug auf Leistung, Temperatur sowie den Einsatz brennbarer Kältemittel.

Für den Aufbau von Lieferketten und Produktionskapazitäten muss der potenzielle Absatzmarkt bekannt sein. Zudem ist das Verständnis der Anforderungen der Kunden in der Prozessindustrie entscheidend. Dies ist jedoch oft schwer zu erfassen. Auch für die Politik und Forschungsförderung stellt sich die Frage, welche innovativen Wärmepumpentechnologien gefördert werden sollten und welche Industriezweige davon profitieren könnten.

Im Projekt „IdWPPro – Identifikation von Wärmepumpen für die Prozesswärme“ (weitere Information unter: https://idwppro.ise.fraunhofer.de/) hat sich das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystem ISE diesem Problemfeld gewidmet. Als Projektergebnis ist eine interaktive, allgemein zugängliche Internetpräsenz entstanden, bei der Wärmepumpentechnologien den mit Wärme zu versorgenden Produktionsprozessen gegenübergestellt werden. Als zentrale, gemeinsame Größe für die Auftragung ist auf der y-Achse die Temperatur gewählt (s. Abbildung 4).

Recherche: Wie sieht der Prozesswärmebedarf in Deutschland im Detail aus?

In einer breiten Recherche, entlang der vom statistischen Bundesamt definierten Wirtschaftszweige [3] konnten über 700 industrielle Prozesse identifiziert werden. Die Mehrzahl (85 %) benötigt Prozesswärme. In den für die Wärmepumpenanwendung relevanten Temperaturbereich bis 250 °C fallen ca. ein Drittel der Prozesse.

Da für die Einbindung von Wärmepumpen auch eine Wärmequelle vorhanden sein muss, hat das Forschungsteam auch untersucht, ob die bei Prozessen anfallende Abwärme genutzt werden kann. 16 % der Prozesse unter 250 °C bieten gleichzeitig Abwärme. Diese Zahl ist allerdings wenig belastbar, da die Datenlage hier nicht ausreichend ist. Mit den Informationen, die von der Bundesstelle für Energieeffizienz gemäß § 17 Abs. 2 des Energieeffizienzgesetz (EnEfG) auf der öffentlich zugänglichen Plattform für Abwärme (PfA) seit kurzem zur Verfügung stehen, sollten diese Daten erweitert und abgeglichen werden.

Wärmepumpen: Zentrale ­Eigenschaften und Technologien

Wärmepumpen nutzen verschiedene thermodynamische Prozesse, um Wärme aus einer Quelle zu entziehen und auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Für den industriellen Sektor sind insbesondere Hochtemperatur-Wärmepumpen von Interesse, die Temperaturen über 100 °C erzeugen können. Als Wärmequelle kommt hier neben der auch im Gebäudesektor üblichen Umweltwärme (Luft, Wasser und Erdwärme) insbesondere Abwärme in Frage. Teilweise kann damit auch der Energieaufwand für den Kühlbedarf innerhalb eines Produktionsprozesses reduziert werden, indem Rückkühleinheiten für die Kälteerzeugung eingespart werden können.

Ein zentrales Unterscheidungsmerkmal der zugrunde liegenden thermodynamischen Kreisprozesse ist die Art der Zustandsänderung bei der Wärme aufgenommen bzw. abgegeben wird, da dies das Temperaturverhalten bei der Wärmeübergabe an den Verbraucher (= Senke) und die Wärmequelle bestimmt. Es wird dabei zwischen den folgenden Kategorien unterschieden [4]:

Kaltdampfprozesse sind Kreisprozesse, auf dem die meisten Wärmepumpenanwendungen basieren. Das Kältemittel kann in diesem Prozess verdampfen und kondensieren. Die Wärmeabgabe und -aufnahme erfolgt daher jeweils auf einem gleichbleibenden Temperaturniveau (isotherm). Der ideale Vergleichsprozess ist hier der Carnot-Prozess, weshalb dieser auch zur Beurteilung der Energieeffizienz herangezogen wird.

Kaltgasprozesse sind Kreisprozesse, bei denen – im Gegensatz zu Kaltdampfprozessen – kein Phasenwechsel (Kondensation/Verdampfung) des Kältemittels erfolgt.

Diese grundlegende Klassifizierung kann bereits als einfacher Hinweis genutzt werden, welche Prozesse sich effizient mit Wärme versorgen lassen.

Effizienz der Wärmeübertragung:
Für eine effiziente Wärmeübertragung sind geringe Temperaturdifferenzen zwischen dem Kältekreis und dem Medium, mit dem die Wärme ausgetauscht wird, vorteilhaft. Wird die Wärme beispielsweise für einen Verdampfungsprozess benötigt, so ist aus thermodynamischer Sicht eine Wärmepumpe auf Basis eines Kaltdampfprozesses besser geeignet. Bei Trocknungsprozessen wird Luft über einen weiten Temperaturbereich erhitzt – eine konstante Temperatur für die Wärmeübergabe ist hier nicht wünschenswert, ein Kaltgasprozess ist hier vorteilhafter.

Anforderung der Wärmequelle:
Bei der Auskopplung von Wärme als Abwärme sind häufig Vorgaben für die maximale Austrittstemperatur bestimmend (bspw. für die Einleitung von Abwässern oder Kühlwasser), sodass eine Abkühlung zwischen Ein- und Austritt gefordert ist. Auch eine Begrenzung der Wärmeübertragerfläche aus Platz- oder Kostengründen kann einen Temperaturgleit erfordern, um die benötigte Wärmeenergie bereitzustellen oder auch die zur Verfügung stehende Abwärme in möglichst hohem Umfang nutzen zu können.

Wärmepumpenlösungen – ­verfügbare Technologien und deren Darstellung

Im Zuge der Untersuchung verschiedener Wärmepumpenlösungen für die Bereitstellung von Prozesswärme wurden mit dem Projekt IdWPPro relevante Eigenschaften analysiert, darunter die verwendete Verdichtertechnologie, das Kältemittel, die maximalen Temperaturen auf der Senkenseite, die maximale Wärmeleistung, die Kosten pro kW sowie der technologische Reifegrad (TRL). Zudem wurde dokumentiert, ob und in welchen Temperaturbereichen die jeweiligen Technologien bereits demonstriert wurden. Die als passend identifizierten Wärmepumpen wurden für die Darstellung in weitere Unterkategorien unterteilt, um dem Nutzer die Übersicht zu erleichtern:

Klassische Wärmepumpen: Diese basieren auf dem Kaltdampfprozess und sind in verschiedene Unterkategorien gegliedert:

WP klassisch (NH₃): Ammoniak eignet sich für Prozesswärme bis 90 °C.

WP klassisch > 100 °C: Diese unter dem Begriff „Hochtemperaturwärmepumpen“ bekannten Anlagen unterscheiden sich konzeptionell – bis auf ihren Temperatureinsatzbereich – nicht von denen unter 100 °C .

WP transkritisch (CO2): CO₂ als Kältemittel erfordert eine transkritische Betriebsweise, was eine variable Wärmeabgabe über breite Temperaturbereiche ermöglicht.

Dampfkompression (MVR): Diese Technologie nutzt Wasser als Kältemittel und ermöglicht die Verdichtung von Dampf zur Erreichung höherer Temperaturen.

Zusätzlich werden zwei weitere Kategorien dargestellt, die typische Lösungen für die Bereitstellung von Wasserdampf darstellen:

WP + Flash Tank: Diese erzeugt Heißwasser, das in einen Flashtank entspannt wird, wodurch Dampf bereitgestellt wird, jedoch mit einer Einbuße an Energieeffizienz einhergeht.

WP + MVR: Hier wird Dampf mit der Wärmepumpe erzeugt und anschließend durch Dampfverdichtung weiter angehoben.

Unter den Kaltgasprozessen wurden die folgenden Typen identifiziert:

Stirlingwärmepumpe: Diese basiert auf dem Stirling-Kreisprozess und ermöglicht Temperaturanhebungen von 150 bis 200 K, was die Nutzung von Umweltwärmequellen für Prozesswärme über 100 °C erleichtert.

Rotationswärmepumpe: Diese Technologie wird von nur einem Hersteller angeboten. Sie zeichnet sie sich durch einen rotierenden Aufbau aus, bei dem die Kompression durch Fliehkräfte erfolgt.

Eine neuere Entwicklung ist die Nutzung des linksläufigen Joule/Brayton-Zyklus, der am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Cottbus für eine Hochtemperaturwärmepumpe eingesetzt wird und Temperaturen bis 300 °C anstrebt. Zudem wurde eine hybride Wärmepumpe betrachtet, die thermisch und elektrisch betrieben wird. Diese Technologie nutzt eine nicht azeotrope Ammoniak/Wasser-Mischung und bietet einen zusätzlichen Freiheitsgrad durch unterschiedliche Kältemittelkonzentrationen, die eine höhere Effizienz ermöglichen. Insgesamt konnten über 60 technische Lösungen identifiziert werden, die in einer Datenbank zusammengefasst sind.

Diese Datenbank ermöglicht eine interaktive Darstellung der Technologien, die eine Wärmeversorgung bei Temperaturen über 50 °C bereitstellen. Ein Factsheet zu jeder Anlage (Datenpunkte in Abbildung 5) benennt weitere Informationen (Hersteller, Land, Verdichtertechnologie, Kältemittel, maximaler Temperaturhub, maximale Senkentemperatur und Wärmeleistung). Für die Technologien sind insbesondere die eingesetzten Verdichtertechnologien und Kältemittel von zentraler Bedeutung. Für diese sind schnell zu erfassende Übersichten ebenfalls per Mausklick abrufbar. Neben einem erklärenden Text werden die grundlegenden Eigenschaften in Form von Piktogrammen dargestellt.

Fazit

Der Einsatz von Wärmepumpen in der industriellen Prozesswärmeversorgung ist ein vielversprechender Ansatz zur Dekarbonisierung der deutschen Wirtschaft. Angesichts des signifikanten Anteils fossiler Brennstoffe an der aktuellen Prozesswärmeversorgung ist die Integration effizienter Wärmepumpentechnologien entscheidend. Die Untersuchung hat gezeigt, dass in zahlreichen Prozessen Wärmepumpen in relevanten Temperaturbereichen eingesetzt werden können. Die entwickelte Datenbank stellt eine wichtige Ressource dar, um die Anwendung von Wärmepumpen in der Prozesswärmebereitstellung zu fördern und die notwendigen Informationen für eine breite Nutzerbasis zugänglich zu machen. Dabei liegt der Fokus auf den grundlegenden technischen und thermodynamischen Eigenschaften, wirtschaftliche und regulatorische Hemmnisse wurden bei dieser Betrachtung nicht berücksichtigt.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei den am Projekt beteiligten Personen am Fraunhofer ISE und der Hochschule Ostschweiz OST für die wertvolle Mitarbeit sowie beim Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) für die großzügige Förderung. Ebenso gilt unser besonderer Dank der Projektträger Jülich (PtJ) für die kompetente Betreuung während des gesamten Projekts.

Literatur

[1] Dr. Tobias Fleiter, Dr. Matthias Rehfeldt, Dr. Simon Hirzel, Lisa Neusel, Dr. Ali Aydemir,Dr. Christian Schwotzer, Felix Kaiser, Carsten Gondorf, Justin Hauch, Jan Hof, Lukas Sankowski, Moritz Langhorst. CO2-neutrale Prozesswärmeerzeugung. Umbau des industriellen Anlagenparks im Rahmen der Energiewende: Ermittlung des aktuellen SdT und des weiteren Handlungsbedarfs zum Einsatz strombasierter Prozesswärmeanlagen (2023).

[2] Umweltbundesamt. Endenergieverbrauch nach Energieträgern und Sektoren. Available at https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-nach-energietraegern-sektoren#entwicklung-des-endenergieverbrauchs-nach-sektoren-und-energietragern (2025).

[3] Statistisches Bundesamt. Klassifikation der Klassifikation der Wirtschaftszweige. Mit Erläuterungen. Available at https://www.destatis.de/DE/Methoden/Klassifikationen/Gueter-Wirtschaftsklassifikationen/klassifikation-wz-2008.html (2008).

[4] Joachim Dohmann. Thermodynamik der Kälteanlagen und Wärmepumpen. Grundlagen und Anwendungen der Kältetechnik (Springer Berlin Heidelberg, 2016).