Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger sowie der kontinuierliche Anstieg des CO2-Anteils in der Atmosphäre haben sich als treibende Kräfte dafür herausgestellt, neue Klimaziele zu definieren und zu erreichen. So beschloss die Bundesregierung, ab 2021 eine CO2-Bepreisung von zunächst 25 Euro pro Tonne CO2 einzuführen. Der Ausstoß von Emissionen beim Heizen und Autofahren erhält dadurch über einen nationalen Emissionshandel einen Preis. Bis zum Jahr 2025 wird eine Tonne CO2 bis zu 55 Euro kosten.
Durch diese politischen Beschlüsse wird die Nutzung klimaschonender Techniken wie der Hochtemperatur-Wärmepumpe attraktiver. Mit dem von der Combitherm GmbH entwickelten Konzept ist es möglich, Temperaturen von > 100 °C, wie sie für verschiedene industrielle Prozesse oftmals benötigt werden, effizient zu erzeugen. Die Hochtemperatur-Wärmepumpen erreichen dabei eine Heizleistung zwischen 50 bis 2500 kW. Die Standardanlagen decken einen Bereich von + 25 °C Wärmequellen-Eintrittstemperatur bis + 110 °C Wärmesenken-Austrittstemperatur ab. Für andere Temperaturbereiche stehen Sonderlösungen bereit.
Potentiale und Anwendungsgebiete
Der Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen ist abhängig von der Wärmequelle und der Wärmesenke. Für eine ausfallsichere Erzeugung der Prozesswärme ist eine stabile Wärmequelle wichtig, die keiner jahreszeitlichen Schwankung unterliegt. Die Hauptanwendung der Hochtemperaturen fokussiert sich daher auf die Wärmerückgewinnung von Abwärme industrieller Prozesse.
Anstatt die Abwärme ungenutzt an die Umgebung abzugeben, kann sie durch Hochtemperatur-Wärmepumpen rückgewonnen und dem Prozess erneut zugeführt werden. Alternativ kann die rückgewonnene Wärme in Nah- oder Fernwärmenetze eingespeist und zur Bereitstellung von Frischwasser genutzt werden. Abwärme auf einem für Hochtemperatur-Wärmepumpen nutzbaren Niveau liegt oftmals in der Lebensmittel-, Metall oder Papierindustrie beim Sterilisieren, Trocknen oder Bleichen vor. Das Temperaturniveau liegt dabei oftmals in einem Bereich von 40 bis 150 °C.
Leistungskriterien von HT-Wärmepumpen
Hauptkriterien für den effektiven Einsatz einer Hochtemperatur-Wärmepumpe (HT) sind die Leistungszahl und die Amortisationszeit. Je höher die Leistungszahl, desto attraktiver der Einsatz einer Wärmepumpe. Ausschlaggebend für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb ist die Wahl des Kältemittelverdichters. Grundsätzlich sind alle üblichen Verdichterbauarten für Hochtemperatur-Anwendungen denkbar, jedoch haben sich Verdrängungsverdichter wie der Kolben und die Schraube hinsichtlich Energieeffizienz und mechanischer Stabilität als vorteilhaft bewiesen.
Auch die thermische Stabilität spielt eine große Rolle. Bedingt durch die hohe Verflüssigungstemperaturen ergeben sich in der Folge hohe Druckgastemperaturen, welche bei der Konstruktion und Materialauswahl zu berücksichtigen sind.
Weiterer Kernpunkt bei der Konzeption von Hochtemperatur-Wärmepumpen ist die Auswahl des Kältemittels und des Öls. Aufgrund der temperaturbedingt hohen Drucklage auf der Verflüssigerseite bietet sich die Verwendung eines Niederdruckkältemittels an. Soweit möglich empfiehlt sich der Einsatz eines sowohl für den Menschen als auch die Umwelt ungefährlichen Kältemittels mit hoher volumetrischer Heizleistung wie beispielsweise R 1233 zd (E). Die Auswahl des Öls erfolgt dabei in Abhängigkeit des Kältemittels. Neben der Verträglichkeit und Viskosität ist auch hier die thermische Stabilität von Bedeutung.
Fazit
Zusammenfassend können folgende Kriterien für Hochtemperatur-Wärmepumpen festgehalten werden:
Bild: Combitherm
Bild: Combitherm / Klein
