Cool Heating

Add-on-Wärmepumpen für Kälte und Nutzwärme

Die Kombination von Kälteanlage und Wärmepumpe eröffnet Energiesparpotentiale in Industrie und Gewerbe. Aus der Abwärme der Kälteanlage, die wegen der geringen Temperatur sonst ungenutzt bleibt, können diese Systeme in vielen Fällen wertvolle Nutzwärme zum Beheizen von Prozessen, Gebäuden oder zur Heißwasserbereitung machen. Das minimiert den Ressourcenverbrauch und senkt die CO2-Emissionen.

Anlässlich eines Pressetags, den GEA Refrigeration Technologies im November 2013 in Frankfurt am Main durchführte, stellten Danny Heuvelmans (Director Product Management & Piston Compressors, GEA Refrigeration Netherlands B.V.) und Robert Unsworth (Director Sales & Development, GEA Refrigeration UK) die Technologie der Add-on-Wärmepumpe vor.

Potentielle Einsatzgebiete

In vielen Betrieben wird parallel zur Kälte auch Wärme benötigt, zum Beispiel zur Heißwasserbereitung zum Reinigen von Anlagen, für das Pasteurisieren, das Blanchieren von Gemüse oder das Temperieren von schlecht fließenden Medien in Transportleitungen. Die Wärme am Verflüssiger fällt jedoch bei einer geringen Temperatur an, die für solche Einsatzzwecke nicht ausreicht. In konventionell ausgestatteten Industriebetrieben kommen daher meistens Kraft-Wärmekopplungsanlagen oder beispielweise Gaskessel zur Anwendung, um Wärme bereitzustellen. Die Abwärme der Kälteanlage lässt sich aber auf ein höheres, brauchbares Temperaturniveau anheben: mit einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe.

Die Wärmepumpe funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie der Kühlschrank, enthält also auch einen Kältekreis, nur dass hier die wärmere Seite des Geräts als „Nutzenergieseite“ definiert ist. Wärmepumpen können vorhandene thermische Energie – z.B. 116 kW, die bei einer Umgebungstemperatur von 32 °C anfallen – mittels eines Kältemittelkreislaufs unter geringem Energieeinsatz auf ein höheres Temperaturniveau – z.B. 80 °C – anheben.

Wärme auf ein höheres Temperaturniveau „pumpen“

Wärmepumpen ziehen thermische Energie aus der Umgebung und „pumpen“ die Temperatur mithilfe eines Kältemittelkreislaufs auf ein höheres Niveau. Im Verhältnis zur Nutzenergie ist der Ressourceneinsatz gering: Bei dem Beispiel benötigt die Wärmepumpe nur 28 kW, um dem Nutzer 144 kW auf dem gewünschten Temperatur­niveau bereitzustellen. Die restlichen 116 kW (144 kW Nutzenergie – 28 kW eingesetzte elektrische Energie) werden kostenlos aus der Umgebung bezogen. Es können mit 1 kW elektrischer Energie also über 5 kW Wärmeleistung bereitgestellt werden. Bei einem Gaskessel zum Beispiel wären für 5 kW Nutzwärme aufgrund der thermischen Verluste über 5 kW Energie aufzuwenden (der Wirkungsgrad eines Gaskessels beträgt bestenfalls etwa 90 bis 95 %, meistens ist er geringer).

Gemeinsamer Kältemittelkreislauf für Kühlen und Heizen

Quasi überall, wo etwa zeitgleich Kälte und Wärme auf einem geeigneten Temperaturniveau benötigt werden (typischerweise bis etwa 80 °C Zieltemperatur Wärme), kann die Kombination aus Kälteanlage und Wärmepumpe zur Energieeffizienz beitragen. Besonders effizient arbeiten Systeme, in denen die Kälteanlage direkt mit der Wärmepumpe gekoppelt ist. GEA nennt diese Wärmepumpensysteme Add-on-Wärmepumpe, weil sie sozusagen auf den Kälteanlagenkreislauf „aufgesetzt“ sind (siehe Bilder). Im Fall einer Add-on-Wärmepumpe ist die Wärmequelle die Abwärme, die an der warmen Seite der Kälteanlage entsteht.

Die Wärmepumpe wird anstelle des Verflüssigers oder parallel zu ihm an die Kälteanlage angeschlossen. Durch die direkte Kopplung von Kälteanlage und Wärmepumpe zu einem einzigen Kältekreis werden Übertragungsverluste von einem Kältemittelkreislauf auf den anderen von vornherein vermieden (Wärmetauscher bedingen immer einen kleinen Übertragungsverlust). Außerdem sind bei der Kälteanlage geringere Drücke aufzubringen, weil Druckverluste im Verflüssiger wegfallen.

Die wichtigsten Vorteile einer Lösung mit Add-on-Wärmepumpe sind:

die Kälteanlage arbeitet effizienter wegen der geringeren internen Druckverluste;

der Kondensator kann kleiner ausgelegt werden und benötigt weniger Hilfsenergie (für den Antrieb der Ventilatoren);

geringerer Wasserverbrauch wegen des kleineren Verdampfungskondensators;

die Wärmepumpe bekommt thermische Energie auf einem relativ hohen Temperaturniveau (zum Beispiel 35 °C) zugeliefert und kann daher effizient arbeiten, weil die Temperaturdifferenz zur Zieltemperatur (zum Beispiel 65 °C oder 80 °C für Heißwasser) gering ist. (Zur Erläuterung: Eine Wärmepumpe arbeitet umso wirkungsvoller, je geringer die Differenz zwischen Quell- und Zieltemperatur ist.);

es ergeben sich erhebliche CO2- sowie Betriebskosteneinsparungen.

Erhebliches Kostensenkungspotential

Somit existieren diverse Pluspunkte gegenüber der getrennten Erzeugung von Kälte und Wärme, wie das folgende Beispiel (Bild) verdeutlicht: die Anwendung einer Kälteanlage mit Add-on-Wärmepumpe in einem milchverarbeitenden Betrieb. Hier wird Kälte bei ungefähr 2 °C zum Frischhalten der Milch sowie Wärme bei fast 75 °C zum Pasteurisieren der Milch benötigt. Für eine konkrete Anwendung wurden etwa 260 000 €/Jahr geringere Betriebskosten errechnet. Der Return on Investment für die Zusatzkosten der Wärmepumpe ist schon nach wenigen Jahren oder sogar nach wenigen Monaten erreicht. Der Vergleich von Betriebsdaten des Milchwerks mit der alten Kälteanlage und Gaskessel (Messung in 2009) mit den Daten der neuen Kälteanlage inkl. Add-on-Wärmepumpe (Messung in 2013) ergab, dass der Stromverbrauch für die Kühlung etwa 20 % geringer ausfiel, der Gasverbrauch schlussendlich auf ein Fünftel reduziert wurde und der Wasserverbrauch der neuen Anlage um mehr als die Hälfte geringer war. Der Betreiber strebt weitere Systemoptimierungen an, um den Gaskessel überflüssig zu machen.

Umweltvorteile durch das natürliche Kältemittel Ammoniak

Kälteanlagen mit Add-on-Wärmepumpen, wie sie unter anderen für die oben genannten Beispiele Milch- und Margarineproduktion verwendet werden, bieten neben den Kostensenkungen und der Reduktion der CO2-Emissionen einen weiteren Vorzug: Sie lassen sich mit dem umweltfreundlichen Kältemittel Ammoniak betreiben. Ammoniak hat kein Ozonzerstörungspotential und trägt nicht zur Erderwärmung bei. Somit vereinen Add-on-Wärmepumpen Energieeffizienz und Klima- sowie Umweltschutz in einem System.

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