Klimaschutz: So funktionieren Wärmepumpen für die Industrie

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2022-11-09-Klimawandel — Bildquelle: pexels

Im Rahmen des Klimaschutzes bemüht sich die Bundesrepublik um eine Abkehr von fossilen Energieträgern. Im Hinblick auf Heiztechnologien haben sich in diesem Kontext alternative Systeme zu klassischen Öl- und Gasheizungen durchgesetzt. Vor allem umweltschonende Wärmepumpen sind in Privathaushalten mittlerweile beliebt. Damit die Wärmewende messbare Effekte hat und die Folgen des Klimawandels reduziert werden, ist der Einsatz in Privathaushalten allerdings nicht ausreichend. Auch Wirtschaft und Industrie müssen auf die Systeme umsteigen.

Großwärmepumpen: Diese Möglichkeiten gibt es

In deutschen Neubauten werden mittlerweile beispielsweise standardmäßig Luftwärmepumpen installiert, die unter der Zuhilfenahme von Strom Wärmeenergie aus der Umgebungsluft ziehen. Würden auch Wirtschaft und Industrie auf entsprechende Systeme umsatteln, wären die Effekte wesentlich größer. Konventionelle Wärmepumpen sind jedoch nicht auf den betrieblichen Einsatz ausgelegt. Notwendig sind im industriellen und wirtschaftlichen Bereich Großwärmepumpen mit einer Leistung zwischen 100 und mehr als 1.000 Kilowatt. Der Großteil aller großvolumigen Bauten wird heute noch mit Öl, Gas oder Fernwärme beheizt. Zur Kühlung kommen unterdessen meist Kaltwassersätze zum Einsatz. Großwärmepumpen können beide Aufgaben übernehmen. Für das Heizen und Kühlen entstehen in Betrieben so nur wenige Kosten – sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb. Vor der Einplanung muss die Verfügbarkeit von Wärmequellen geprüft werden. Das Grundwasser gilt hierbei meist als wirtschaftlichste Lösung und eignet sich als Wärmesenke auch zum Kühlbetrieb. Alternativ dazu kommen Erdsonden, Abwasserkanäle, Sprinklerbecken und Abwärme als Wärmequellen in Frage. Bisher steckt der Einsatz von Großwärmepumpen trotz dieser Möglichkeiten noch in den Kinderschuhen. Allerdings gibt es schon heute einige Anwendungsbeispiele.

Beispiel 1: Großwärmepumpen in Büroimmobilien

Bürogebäude werden in der Regel ganzjährig klimatisiert. Oft werden hierzu wassergeführte Raumkühlungs- und Heizsysteme wie Fußboden- und Wandheizungen oder Kühldecken nachgerüstet. Solche wassergeführten Flächensysteme lassen sich dank ihrer geringen Heiz- und Kühltemperatur ideal mit Wärmepumpen kombinieren. In Sachen Kühlung bieten sich neben Umgebungsluft vor allem Erdwärme oder das Grundwasser als Umweltmedien an, um eine direkt passive Klimatisierung zu erreichen. Soll die Wärmepumpe zugleich kühlen und heizen, fungiert der Untergrund je nach Saison als Erdwärmespeicher. Er speichert die während des Kühlens aufgenommene Wärme des Gebäudes und gibt sie im winterlichen Heizbetrieb wieder ab. Diese bidirektionale Betriebsweise ermöglicht einen höheren Wärme- und Kälte-Entzug. Ebenso beachtenswert ist bei der Verwendung industrieller Großwärmepumpen in Bürogebäuden die Abwärme, die durch den PC-Betrieb entsteht und ungenutzt in die Umwelt entweicht. Mittels Abluftwärmepumpe im Serverraum ließe sich jene zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung verwenden.

Beispiel 2: Industriewärmepumpen in der Gastronomie

Gastronomiebetriebe haben einen hohen Heiz- und Kühlbedarf und eröffnen zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Absorptions-Großwärmepumpen. Bauliche Veränderungen bestehender Heiz- und Kühlsysteme sind bei der Verwendung solcher Varianten nicht erforderlich. Verglichen mit Erdwärmeheizungen sind sie mit geringeren Investitionskosten verbunden und lassen sich einfach im Außenbereich aufstellen. Insbesondere Luft-Wasser-Absorptionswärmepumpe können im Winter den Heizbetrieb und im Sommer den Kühlbetrieb übernehmen. Da die meisten Gastronomiebetriebe über einen Kühlraum zur Lagerung verderblicher Lebensmittel und Vorkühlung bestimmter Getränke verfügen, entsteht in ihren Räumlichkeiten viel Abluftwärme. Jene kann die Heiz- und Brauchwasseraufbereitung unterstützen. Dadurch vermindert sich der Primärenergieeinsatz beim Kühlen und Heizen. Aus technischer Sicht ist zur Nutzung der Abwärme lediglich ein Anschluss an einen bestehenden Warmwasserspeicher erforderlich.

Beispiel 3: Großwärmepumpen in Krankenhäusern

Krankenhäuser verfügen über Kompressor-Anlagen. Bei der Erzeugung von Druckluft wird ein Großteil der elektrischen Leistung aus physikalischen Gründen in Wärme umgesetzt. Bei einem voll gekapselten Schraubenkompressor lässt sich die Wärme aus über 90 Prozent der zugeführten elektrischen Leistung zurückgewinnen. Luft oder Wasser dienen hierbei als Übertragungsmedium. Mit der zurückgewonnenen Wärme lassen sich beispielsweise nahegelegene Krankenhauszimmer beheizen. Auch die Brauchwassererwärmung kann durch die thermische Energie unterstützt werden. Die Speisung industrieller Wärmepumpen kann das Temperaturniveau an dieser Stelle “aufpumpen” und dadurch weiteren Verwendungsmöglichkeiten zuführen. Bei wassergekühlten Kompressoren sorgt die Integration einer Wasser-Wasser-Großwärmepumpe beispielsweise dafür, dass die Abwärme zu Heizzwecken weiterverwendet werden kann. Auch das in Krankenhäusern anfallende Abwasser kann energetisch nutzbar werden. Erforderlich sind dazu lediglich ein Wärmetauscher und eine Industriewärmepumpe. Der Wärmetauscher entzieht einem Speicherbecken dabei zunächst Energie, bevor eine Schmutzwasserpumpe das Abwasser zum Gegenstromwärmetauscher bewegt und anschließend der Kanalisation zuführt. Die Großwärmepumpe kann die entzogene Energie nun dazu nutzen, die im Krankenhaus erforderliche Brauchwassertemperatur aufrechtzuerhalten.

Beispiel 4: Großwärmepumpen in landwirtschaftlichen Betrieben

In Milchviehanlagen fällt beim Kühlen der Milch Abwärme an. Jene lässt sich mittels Wärmeaustauscher und Industriewärmepumpe nutzbar machen, um angrenzende Wohnhäuser zu beheizen. Die einzige landwirtschaftliche Einsatzmöglichkeit industrieller Wärmepumpen ist das nicht. Luftwärmepumpen lassen sich zum Beispiel auch zur Heuentfeuchtung benutzen. Angesaugte Umgebungsluft wird von der Wärmepumpe in diesem Fall durch den Kältemittelkreislauf geführt. Dabei kühlt sie bis auf den Taupunkt ab, wodurch die Feuchtigkeit kondensiert. Weitere Nutzungsmöglichkeiten von Großwärmepumpen ergeben sich für die Rinderhaltung und Schweinezucht. Die in den Ställen entstehende Abwärme lässt sich mittels Luftwärmepumpen der Heiz- und Brauchwasserbereitung zuführen. Ausgewachsene Kühe erzeugen eine durchschnittliche Wärmeleistung von einem Kilowatt. In wärmegedämmten Ställen mit etwa zwanzig Rindern liegt die Gesamtwärmeleistung so bei rund zehn Kilowatt.

Fazit zu Großwärmepumpen

Die beschriebenen Einsatzmöglichkeiten industrieller Großwärmepumpen lassen sich auf viele andere Bereiche übertragen. Von Schwimm- und Hallenbädern über Lebensmittelgeschäfte und Hotels bis hin zu Wäschereien profitieren die unterschiedlichsten Betriebe von ihrem Einsatz. Um den Klimawandel zu verlangsamen, wäre die Integration der Technologien im betrieblichen Umfeld besonders erstrebenswert.

Veröffentlicht von:

Alexandra Rüsche

Alexandra Rüsche gehört seit 2009 der Redaktion Südwestfalen-Nachrichten an. Sie schreibt als Journalistin über regionale Themen und besondere "Landmomente". Alexandra ist Mitglied im DPV (Deutscher Presse Verband - Verband für Journalisten e.V.). Sie ist über die Mailadresse der Redaktion erreichbar: redaktion@suedwestfalen-nachrichten.de