Kompressionswärmepumpe

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Elektrischer Strom	Wärme (T<100°C), Wärme (T>100°C)	Kälte (<25°C)

Kurzbeschreibung

Physikalisches Prinzip: Verdampfen des Kältemittels

Verdichtungsprinzip: Mechanische Verdichtung

Prozessablauf (IHK Hessen 2015):

In der Wärmequelle wird das Medium verdampft und entzieht der Wärmequelle Wärmeenergie.
Medium (z.B. Propan) wird von einem Kompressor verdichtet.
Verflüssigtes Medium wird in Wärmesenke abgekühlt, überträgt Wärme in diese und wird dabei verflüssigt.
Durch Drossel wird das Medium entspannt.

Verfügbare Kältemittel (Huber, Schöfmann):

FCKW: stark Ozonschicht abbauend und klimaschädlich)
H-FCKW: Ozonschicht abbauend und klimaschädlich
H-FKW: klimaschädlich
Natürliche Kältemittel – Ammoniak, CO2, Propan, Isobutan, Wasser: nicht Ozonschicht abbauend und nicht klimaschädlich

Neben elektrischer Energie zum Antrieb des Verdichters wird zur Erzeugung von Wärme also auch noch thermische Energie auf einem niedrigeren Temperaturniveau benötigt. Typische Wärmequellen hierfür sind: Außenluft, Abluft, Grundwasser, Abwasser, Oberflächenwasser, Erdwärme; industrielle Abwärme (Huber, Schöfmann) Auch solarthermische Kollektoren können in Anlagen eingebunden werden und stellen entweder nutzbare Wärme direkt bereit oder dienen der Wärmepumpe als Wärmequelle (Umweltbundesamt 2018).

Funktionsskizze

Ilmari Karonen, Heatpump2, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons

1) Kondensator, 2) Drossel, 3) Verdampfer, 4) Kompressor

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Leistungszahl ${\rm{\varepsilon }}$ (auch: Coefficient of Permance (COP)):

$\varepsilon = \dfrac{\dot{Q}_\mathrm{Heiz}}{P_\mathrm{el}}$

Beschreibt das Verhältnis aus eingesetzter elektrischer Leistung ( ${{\rm{P}}_{{\rm{el}}}}$ ) und der genutzten thermischen Energie auf hohen Temperaturniveau ( ${{\rm{\dot Q}}_{{\rm{Heiz}}}}$ ). Die Leistungszahl ist immer abhängig vom aktuellen Betriebspunkt. Typische Leistungszahlen liegen zwischen 2 und 5. Höhere Werte sind möglich. Das theoretische Limit für die Leistungszahl ist abhängig vom oberen ( ${T_o}$ ) und unteren ( ${T_u}$ ) Temperaturniveau und leitet sich aus dem Carnot-Wirkungsgrad ( ${\eta _C}$ ) für Wärme-Kraft-Prozesse ab:

${{\rm{\varepsilon }}_{max}} = \frac{1}{{{\eta _C}}} = \frac{{{T_o}}}{{{T_o} - {T_u}}}$

Zur Ermittlung der mittleren Effizienz einer Wärmepumpe über einen längeren Zeitraum wurde die Jahresarbeitszahl definiert:

$JAZ = \frac{{\smallint {{\dot Q}_{Heiz}}\;dt}}{{\smallint {P_{el}}\;dt}}$

(Wolf, Fahl, Blesl, Voß, Jakobs 2014)

Bauarten

Bauart	Hubkolbenverdichter	Scrollverdichter	Schraubenverdichter	Turboverdichter
Antriebsprinzip	Verdränger	Verdränger	Verdränger	Strömungsmaschine
Förderung	Pulsierend	Stetig	Stetig	Stetig
Volumenstrom	Bis 1.000 m²/h	Bis 500 m³/h	100-10.000 m³/h	100-50.000 m³/h
Druckverhältnis	Bis 10	Bis 10	Bis 30	Bis 5

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Hubkolbenverdichter	Scrollverdichter	Schraubenverdichter	Turboverdichter
Regelbarkeit bei konstanter Drehzahl	Stufen	Schwierig	Stufenlos	Stufenlos
Drehzahlregelung	Möglich	Möglich	Möglich	Möglich
Minimale Länge eines Betriebszyklus (Inverse Schalthäufigkeit)	5-20 Min	5-20 Min	5-20 Min	5-20 Min

Energetische Kennwerte

Bauart	Hubkolbenverdichter	Scrollverdichter	Schraubenverdichter	Turboverdichter
Verfügbare Leistungsstufen/ -klassen	Bis 800 kW	Bis 400 kW	80-8.000 kW	80-40.000 kW
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung	Je geringer die Verdichterdrehzahl, desto höher ist die Energieeffizienz. Theoretisch ist die Antriebsleistung des Verdichters proportional zur dritten Potenz der Drehzahl (Siemens). Allgemein ist es jedoch stark von der Regelungsart abhängig, wie sich der Wirkungsgrad mit der Auslastung verhält.
Nutzbarer Anteil der Verlustleistung	Die Kälte, die beim Antrieb von Kompressionswärmepumpen erzeugt wird kann prinzipiell genutzt werden. Dies erhöht die Effizienz deutlich, da beide Seiten der Wärmepumpe genutzt werden.
Verfügbare Temperaturniveaus	Vorlauftemperaturen liegen i.d.R. bei 60-80°C. Hochtemperaturen bis ca. 110°C sind am Markt verfügbar

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Hubkolbenverdichter	Scrollverdichter	Schraubenverdichter	Turboverdichter
Nutzenergiekosten / kWh	Abhängig von Strompreis, vom COP und von der Art der Antriebsenergie
Investkosten/kW	spezifische Kosten in Euro/kW / Leistungsaufnahme in kW (niedriger Leistungsbereich)
Typische Lebensdauer	15-20 Jahre

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Best Available Technology

Ja – Mit Kompressionswärmepumpen kann prinzipiell Energieflexibilität bereitgestellt werden. Kompressionswärmepumpen sind zwar derzeit in der Industrie in Deutschland noch nicht sehr weit verbreitet, bieten aber große Potenziale hinsichtlich der Decarbonisierung des Wärmesektors (Wolf, Fahl, Blesl, Voß, Jakobs 2014).

Entwicklungstendenz

Es existiert ein Trend hin zum Einsatz modernerer Kompressionswärmepumpen, die aufgrund einer besseren Leistungsregelbarkeit (z.B. Drehzahlregelung via Frequenzumrichter, Digital-Scroll-Konzept) über einen breiteren Einsatzbereich wirtschaftlich betrieben werden können. Weiterhin besteht ein Trend zum Anstieg der Leistung und der Vorlauftemperaturen von Wärmepumpen (Wolf, Fahl, Blesl, Voß, Jakobs 2014)

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

Einfacher Betrieb, geringer Wartungsaufwand
Hohe Umwandlungsgrade von elektrischer Energie in Wärme (bis ca. 500 %), wenn eine geeignete Wärmequelle auf niedrigem Temperaturniveau vorhanden ist (z.B. Umweltenergie, Prozessabwärme)

Nachteile

Begrenzte Vorlauftemperaturen (bis ca. 110°C)
Abhängig von verfügbaren Antriebsenergiequellen, deswegen unter Umständen abhängig von Witterungsbedingungen

Anwendungsbeispiele

Vernetzung zwischen Werkzeug- und Reinigungsmaschine führt zu Energieeinsparungen von ca. 38% (Abele, Helfert, Junge 2015)
BIG Spielwaren: 922 kW Heizleistung, Beheizung eines Bürogebäudes mit Abwärme aus Spritzgussmaschinen (Wolf 2017)
Volkswagen: 1.683 kW Heizleistung, Erzeugung von Warmwasser aus Prozessabwärme (Wolf 2017)
Jästbolaget (Schweden): 6.000 kW Heizleistung, Bereitstellung von Fernwärme aus Abwärme der Fermentation (Wolf 2017)

Literaturverzeichnis

Abele E., Helfert M., Junge F. (2015): Energieeffizienz durch Vernetzung (PDF Download), zuletzt geprüft am 30.07.2019
Huber H., Schöfmann P.: Grundlagen Wärmepumpen (PDF Download ), zuletzt geprüft am 30.07.2019
IHK Hessen (2015): Wärmestudie http://www.ihk-hessen.de/pdf/umwelt_energie/waermestudie-online_10.02.2015.pdf
Kältetechnik, Siemens
Umweltbundesamt (2018): Umgebungswärme und Wärmepumpen. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
Wolf S (2017): Integration von Wärmpepumpen in industrielle Produktionssysteme (PDF Download), zuletzt geprüft am 30.07.2019
Wolf, S.; Fahl, U.; Blesl, M., Voß, A.; Jakobs, R. (2014): Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen in Deutschland. Hg. v. Universität Stuttgart.

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht