Ein Schritt zu mehr Energieeffizienz in Industrieprozessen

Niederdruckdampferzeugung mit Hochtemperaturwärmepumpen

In diesem Artikel wird das Primärenergieeinsparungspotential sowie das CO2-Einsparungspotential durch die Integration dampferzeugender Hochtemperaturwärmepumpen in Industrieprozessen beispielhaft für Österreich und Deutschland gezeigt. Außerdem werden mögliche Konfigurationen diskutiert und ein Überblick über bereits am Markt verfügbare, dampferzeugende Hochtemperaturwärmepumpen gegeben.

Finanzielle Vorteile, gesetzliche Verpflichtungen und Beiträge zu strategischen Umweltzielen steigern die Bedeutung der Reduktion von CO2-Emissionen und Primärenergiebedarf auch in der Prozessindustrie. Der fortschreitende Ausbau von erneuerbaren elektrischen Energieversorgungsanlagen erhöht zudem den Anteil an (fluktuierender) Stromerzeugung, wodurch die Bedeutung elektrisch versorgter indus­trieller Prozesse zunimmt.

Weltweit werden große Mengen an Niedertemperaturabwärme aus Industrieprozessen als Abgas oder Abwasser ungenutzt in die Umgebung abgeführt. Für eine weitere Nutzung ist das Temperaturniveau dieser Abwärmeströme oft zu gering. Zur indus­triellen Abwärmevalorisierung werden heute bereits vereinzelt Kompressionswärmepumpen eingesetzt. Dabei wird durch den Einsatz von elektrischer Energie das Temperaturniveau der Abwärme auf ein höheres, für den Prozess nutzbares Niveau gehoben. Bereits heute erfolgreich in der Industrie eingesetzte Wärmepumpen erreichen Nutzungstemperaturen von bis zu rund 90-100 °C. Da für viele Industrieprozesse jedoch Dampf als Wärmeträger eingesetzt wird, sind sogenannte Hochtemperaturwärmepumpen, die Prozessdampf mit Nutzungstemperaturen von über 100 °C bereitstellen, von großer Bedeutung. Dampferzeugende Hochtemperaturwärmepumpen werden allerdings bisher nur vereinzelt von Herstellen angeboten.

Energie- und CO2-Einsparung

In Österreich bzw. Deutschland wurden 2019 etwa 80 bzw. 810 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente emittiert. Gegenüber 2018 bedeutet das eine Reduktion von ca. 5 % (Deutschland) bzw. ein Anstieg von rund 1,5 % (Österreich) [1,2]. In beiden Ländern fielen rund 30 % des Endenergiebedarfs im Industriesektor an [3]. Dabei wird ein großer Anteil zur Erzeugung von Wärme und im Speziellen für Prozesswärme aufgewandt: 2019 ca. 67 % (Deutschland) bzw. ca. 63 % (Österreich) [4,5]. Gemäß Statistik Austria [5] wird der Endenergieverbrauch für Prozesswärme in folgende Nutzenergiekategorien unterteilt: Prozesswärme < 200 °C und > 200 °C. In Österreich weisen in absoluten Zahlen die Sektoren „Papier und Druck“, „Chemie und Petrochemie“ sowie „Nahrungs- und Genussmittel, Tabak“ den größten Endenergiebedarf bei Prozesswärme < 200 °C auf. Eine ähnliche Schlussfolgerung ergaben Voranalysen der Arbeit von Marina et al. [6]. In deren Studie wurde das europäische Potential für Hochtemperaturwärmepumpen in den zuvor genannten Sektoren abgeschätzt, da eine Prozessanalyse die größten Anwendungspotentiale für Hochtemperaturwärmepumpen in eben diesen Sektoren ergab. Daher werden im Folgenden Einsparungspotentiale für diese drei Sektoren ermittelt.

Abbildung 1 zeigt den Endenergieverbrauch der betrachteten Sektoren unterteilt nach eingesetzten Energieträgern. 2019 wurde in beiden Ländern ein signifikanter Anteil der Endenergie mit Erdgas bereitgestellt, je nach Sektor bis zu 55 %.

Mit aktuell am Markt verfügbaren dampferzeugenden Wärmepumpen ist es möglich, gesättigten Dampf bis zu rund 5 bara (152 °C) bereitzustellen. Daher wird für die folgenden Analysen nur Dampfbedarf mit Temperaturen bis zu 150 °C herangezogen. Die Analysen wurden basierend auf der bereits zuvor genannten Studie von Marina et al. [6] durchgeführt. Der konservative Bottom-Up-Ansatz dieser Studie berücksichtigt ausschließlich Prozesse, für die ein für Wärmepumpen nutzbares Abwärmepotential vorhanden ist. Außerdem sind Informationen zum Prozesswärmeträgermedium und der jeweiligen Prozesstemperatur verfügbar. Dadurch kann jener Anteil am Endenergiebedarf abgeschätzt werden, der zur Niederdruckdampferzeugung (100-150 °C) erforderlich ist.

In Tabelle 1 sind der Endenergie- und abgeschätzte Niederdruckdampfbedarf für die drei betrachteten Sektoren aufgelistet. Der Niederdruckdampfbedarf ist in Deutschland absolut gesehen im Sektor „Chemie und Petrochemie“ und in Österreich im Sektor „Papier und Druck“ am größten.

Zur industriellen Dampfbereitstellung werden überwiegend brennstoffbefeuerte Anlagen (Kessel und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen) eingesetzt. Der am häufigsten eingesetzte Energieträger ist Erdgas (vgl. Daten zur Prozesswärmebereitstellung < 200 °C in Österreich, [5]). Daher wird für die weitere Analyse angenommen, dass der gesamte, durch Wärmepumpen bereitgestellte Niederdruckdampf die Verbrennung von Erdgas mit einer Effizienz von 95 % substituiert.

Um die Reduktion von CO2-Emissionen und Primärenergiebedarf durch den Einsatz von dampferzeugenden Hochtemperaturwärmepumpen mit einem Erdgas-befeuerten Dampfkessel vergleichen zu können, werden die in Tabelle 2 angegebenen CO2- und Primärenergiefaktoren verwendet. Diese Faktoren spiegeln die benötigte Primärenergie und emittierten CO2-Äquivalente wider, bezogen auf die eingesetzte Endenergiemenge eines Energieträgers. Der Primärenergiefaktor berücksichtigt dabei die Energie für Produktion, Verarbeitung, Lagerung, Transport, Umwandlung, Übertragung und Verteilung des Endenergieträgers. Da die dampferzeugende Hochtemperaturwärmepumpe im Fall einer Technologiesubstitution mit Strom betrieben wird, muss dies ebenfalls in der Betrachtung berücksichtigt werden. Entsprechende Faktoren für den Endenergieträger Strom werden verwendet.

Abbildung 2 zeigt die CO2-Emissionen für die Niederdruckdampferzeugung mittels Gaskessel und dampferzeugender Hochtemperaturwärmepumpe. Für die Berechnungen wurde angenommen, dass die dampferzeugende Hochtemperaturwärmepumpe einen Coefficient of Performance (COP), der das Verhältnis von Heizleistung zu elektrischer Antriebsleistung beschreibt, von 2,76 erreicht. Der COP wurde abgeschätzt auf Basis von Simulationsergebnissen einer Wärmepumpe mit 0,45 Carnot-Gütegrad, Quelleneintrittstemperatur von 60 °C, einer Quellenabkühlung um 5 K und einer Erzeugung von Sattdampf bei 1,7 bara (115 °C). Für Österreich ergibt sich ein Einsparpotential von 72 % der CO2-Emissionen, wenn die Emissionen der Vergleichstechnologie Erdgaskessel mit 100 % bewertet werden. Für Deutschland liegt dieser Wert bei 45 % aufgrund des höheren CO2‑Emissionsfaktors von Strom. Sinkt dieser Faktor durch Änderungen im Kraftwerkpark-Mix in Zukunft, führt der Einsatz von Wärmepumpen zu einem höheren Reduktionspotential. Die Einsparungen des Primärenergieeinsatzes von 33 % in Deutschland und 29 % in Österreich pro Jahr werden in Abbildung 3 veranschaulicht, wobei wieder der Primärenergieeinsatz für den Erdgaskessel mit 100 % bewertet wird.

Marktverfügbare Hochtemperaturwärmepumpensysteme

Die Ursprünge dampferzeugender Hochtemperaturwärmepumpen liegen in der Entwicklung von Wasser/Wasser‑Wärmepumpen mit Kältemitteln wie R245fa. Weitere Entwicklungen und Untersuchungen theoretischer und praktischer Natur fanden mit R1233zdE, R1234zeZ und R1336mzzZ statt. Auch natürliche Kältemittel wie Butan, Isobutan, Pentan und Isopentan wurden verwendet. Mit Kondensationstemperaturen über 100 °C startete die Weiterentwicklung in Europa zur Erzeugung von Sattdampf mit Hochtemperaturwärmepumpen. In Japan waren bereits ab 2011 dampferzeugende Hochtemperaturwärmepumpensysteme von Kobe Steel mit den Bezeichnungen Kobelco SGH120 und SGH165 am Markt verfügbar.[10]

Aus heutiger Sicht unterscheidet man bei marktverfügbaren, dampferzeugenden Systemen zwischen zwei Varianten, wobei knapp vor dem Markteintritt befindliche Systeme hier als marktverfügbar bezeichnet werden.

Systeme mit Flash-Tank, zu denen die Kobelco-Wärmepumpen zählen,

Systeme mit direkter Sattdampferzeugung.

Schemata beider Varianten sind in Abbildung 4 dargestellt. Bei der direkten Sattdampferzeugung ist der Kondensator der Hochtemperaturwärmepumpe als Dampferzeuger ausgeführt. Während das Kältemittel kondensiert, siedet das zu verdampfende Wasser. Die Vorteile liegen in der reduzierten Komplexität der Gesamtanlage, der kompakteren Bauweise und der höheren Sattdampftemperatur bei gleicher Kondensationstemperatur. Dahingegen können Systeme mit Flash-Tank auf Wasser/Wasser‑Wärmepumpen zurückgreifen, ohne dass an der Wärmepumpe eine wesentliche Modifikation erforderlich ist. Das aus der Wärmepumpe strömende heiße Druckwasser wird über eine Drossel in einen Flash-Tank entspannt. Der entstehende Sattdampf wird abgeführt, das verbleibende flüssige Wasser wird gemeinsam mit Speisewasser zurück zur Wärmepumpe gefördert.

Es weisen zumindest zwei Unternehmen auf der jeweiligen Homepage darauf hin, dass sie Hochtemperaturwärmepumpen zur Dampferzeugung anbieten, SPH Sustainable Process Heat GmbH mit Sitz in Bergisch Gladbach und Heaten AS in Kristiansand in Norwegen. Wasser/Wasser‑Wärmepumpen von OCHSNER Energie Technik GmbH mit Sitz im österreichischen Haag und von Combitherm Apparate- u. Anlagenbau GmbH in Fellbach bei Stuttgart eignen sich für die Variante mit Flash-Tank oder können für direkte Sattdampferzeugung weiterentwickelt werden.

In Forschungsprojekten mit Beteiligung des AIT Austrian Institute of Technology wird an der Demonstration von dampferzeugenden Hochtemperaturwärmepumpen gearbeitet. Im Projekt BAMBOO wird neben dem Betrieb dieser Technologie die Möglichkeit zur Flexibilisierung der Energieversorgung untersucht. Im NEFI-Projekt LEAP werden die Dekarbonisierungsziele der Austrotherm GmbH und der Lenzing AG adressiert und duplizierbare Einbindungskonzepte erarbeitet. Ein weiterer Schwerpunkt wird mit der oö. Standortagentur Business Upper Austria gesetzt, um Geschäftsmodelle zur zukünftigen Verbreitung von Wärmepumpen in industriellen Prozessen zu entwickeln.

Für eine erfolgreiche Entwicklung des Marktes ist es erforderlich, Vertrauen zu schaffen und das Wissen über die Möglichkeiten, im Speziellen über neuartige Anlagen zur Dampferzeugung, zu verbreiten. Der Ausblick auf die Marktentwicklung ist für alle Seiten vielversprechend. Nicht nur für Wärmepumpenhersteller und deren zukünftige Kunden, auch für die Gesellschaft allgemein und als Beitrag zum Kampf gegen das Klimadesaster.

Danksagung

Diese Publikation ist im Rahmen der Projekte „BAMBOO“ (finanziert durch die Europäischen Union im Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizon 2020”; Grant Agreement Nr. 820771) und LEAP (gefördert durch den österreichischen Klima- und Energiefonds; FFG Projektnummer 880756) entstanden.

Quellen

[1] Umweltbundesamt, https://www.umweltbundesamt.de/presse/pressemitteilungen/treib-hausgasemissionen-sinken-2020-um-87-prozent, Zugriff am 15.03.2021.

[2] Umweltbundesamt GmbH, https://www.umweltbundesamt.at/klima/treibhausgase, Zugriff am 15.03.2021.

[3] Eurostat, https://ec.europa.eu/eurostat/de/home, Zugriff am 15.03.2021.

[4] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI), Erstellung von Anwendungsbilanzen für die Jahre 2018 bis 2020 für die Sektoren Industrie und GHD: Studie für die Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e. V. (AGEB) - Entwurf (2020).

[5] Statistik Austria, Nutzenergieanalyse für Österreich 1993-2019, https://www.statistik.at/web_de/statistiken/energie_umwelt_innovation_mobilitaet/energie_und_umwelt/energie/nutzenergieanalyse/index.html , Zugriff am 16.03.2021.

[6] A. Marina, S. Spoelstra, H.A. Zondag, A.K. Wemmers, An estimation of the European industrial heat pump market potential, Renewable and Sustainable Energy Reviews 139 (2021) 110545.

[7] Christiane Schmid, Anselm Brakhage, Dr. Peter Radgen, Günter Layer, Ulli Arndt, James Carter, Andreas Duschl, Jörg Lilleike, Olaf Nebelung, Möglichkeiten, Potenzial, Hemmnisse und Instrumente zur Senkung des Energieverbrauchs branchenübergreifender Techniken in den Bereicht Industrie und Kleinverbrauch.

[8] Umweltbundesamt, ProBas: Prozessorientierte Basisdaten für Umweltmanagementsysteme, https://www.probas.umweltbundesamt.de/php/index.php, Zugriff am 18.03.2021.

[9] GEMIS, Umweltbundesamt GmbH, 2017.

[10] C. Arpagaus, F. Bless, M. Uhlmann, J. Schiffmann, S.S. Bertsch, High temperature heat pumps: Market overview, state of the art, research status, refrigerants, and application potentials, Energy 152 (2018) 985–1010.

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