Während Wärmepumpen im Wohnbau längst Standard sind, kommen die modernen Wärmeerzeuger in der Industrie eher selten zum Einsatz. Zu hoch seien die Temperaturen, um Prozesse technisch und wirtschaftlich sinnvoll zu realisieren. Mit einer Dampfwärmepumpe ändert sich das. Denn die Technik setzt zumeist auf Abwärme und liefert Dampf mit Temperaturen von 150 bis zu 200 Grad Celsius. Der Vorteil liegt im deutlich geringeren Energieverbrauch. Sie reduzieren den Bedarf an fossilen Energieträgern, sparen CO2 ein und senken Ihre Betriebskosten. Aber wie funktioniert eine Dampf- oder Hochtemperaturwärmepumpe? Welche Leistung ist möglich und wo liegen die Grenzen des Machbaren? Deutsche-Thermo.de klärt auf und beantwortet die wichtigsten Fragen zur Dampfwärmepumpe.
Die Themen im Überblick
Dampferzeugung aktuell: Große Einsparpotenziale als Grund für Alternative
Über 6.000 Terawattstunden: So hoch ist die industrielle Nachfrage nach Dampf mit Temperaturen von 100 bis 200 Grad Celsius weltweit. Sie soll in den kommenden Jahren weiter steigen und wird heute zumeist mit fossilen Energieträgern gedeckt. Ein Beispiel ist die Verbrennung von Gas, die nicht nur endliche Ressourcen verbraucht, sondern auch dem Klima schadet.
Günstig, sicher und klimafreundlich: Dampferzeugung mit Dampfwärmepumpe
Neben den eher übergeordneten Faktoren sprechen auch andere Punkte dafür, die industrielle Dampferzeugung auf erneuerbare Energien umzustellen. So sorgen Erneuerbare-Energien-Anlagen günstiger und sicherer für die benötigte Wärme. Regenerative Energien lassen sich zumindest anteilig selbst gewinnen und stoßen weniger CO2 aus. Das gilt vorwiegend dann, wenn moderne Wärmeerzeuger wie die Dampfwärmepumpe auf Abwärme zugreifen. Diese ist ohnehin in vielen Betrieben vorhanden, lässt sich aber oft nicht ohne Weiteres technisch nutzen.
Im Überblick: Die Gründe für die Anschaffung einer Hochtemperaturwärmepumpe
Für den Einsatz einer Dampfwärmepumpe sprechen in der Industrie also folgende Faktoren:
- geringere Betriebskosten
- niedrigere Ausgaben für CO2
- höhere Wirtschaftlichkeit
- höhere Unabhängigkeit
- zuverlässigere Versorgung
- niedrigerer Verbrauch fossiler Ressourcen
- geringerer CO2-Ausstoß
Die größten Vorteile der Dampf- oder Heißwasserwärmepumpe im Überblick
Niedrige Kosten, zuverlässige Versorgung und Schutz der Umwelt: Das sind Gründe und zugleich auch wesentliche Vorteile der Dampfwärmepumpe. Von Vorteil ist darüber hinaus aber auch, dass sich die Technik nahezu überall integrieren und aufstellen lässt. Sie verwertet ohnehin vorhandene Abwärme und sorgt so ganzheitlich für einen effizienteren sowie wirtschaftlicheren Betrieb der Anlage.
Herausfordernd sind hingegen die technischen Voraussetzungen. So setzen hohe Temperaturen in der Regel auch hohe Druckwerte voraus. Diese anlagentechnisch zu beherrschen, ist mit einem hohen Aufwand verbunden.
In diesen Bereichen können Sie zukünftig die Dampfwärmepumpe einsetzen
Infrage kommt die Hochtemperaturwärmepumpe immer dann, wenn Sie Heißwasser, Thermoöl oder Dampf mit Temperaturen von 100 bis 200 Grad Celsius benötigen. Um einen wirtschaftlichen Betrieb sicherstellen zu können, sollte außerdem ausreichend Abwärme vorhanden sein.
Typische Einsatzbereiche für Dampfwärmepumpen sind dabei:
- petrochemische Industrie
- chemische Industrie
- pharmazeutischen Industrie
- Grundstoffindustrie
- Papierindustrie
- Nahrungsmittelindustrie
Mit einem Leistungsbereich von bis zu einem Megawatt und einem breiten Modulationsbereich (30 bis 100 Prozent Leistung) gibt es dabei technisch kaum Einsatzgrenzen.
Unser Tipp:
Interessieren Sie sich für eine Dampfwärmepumpe und wollen ihre Energiekosten senken sowie das Klima schonen? Dann empfehlen wir den Kontakt zu Experten aus Ihrer Region. Diese prüfen die örtlichen Gegebenheiten und zeigen, ob die Hochtemperaturwärmepumpe für Sie von Vorteil ist.
Aufbau und Funktionsweise der Wärmepumpentechnik verständlich erklärt
Geht es um die Funktion der Dampfwärmepumpe, sind drei Bauarten voneinander zu unterscheiden. So gibt es einfache Lösungen, die vorhandenen Dampf verdichten und damit auf ein höheres Temperaturniveau bringen (Brüdenverdichtung). Andere Anlagen verdampfen Wasser mithilfe von Abwärme und wieder andere arbeiten mit einem klassischen Kältemittelprozess. Im Folgenden informieren wir über Aufbau und Funktion der verschiedenen Dampfwärmepumpen. Wir erklären, worin die Vorteile der einzelnen Lösungen liegen und wann welches System zum Einsatz kommt.
Mechanische Brüdenverdichtung: Dampf einfach und zuverlässig wiederverwenden
Am einfachsten lässt sich die Dampfwärmepumpe aufbauen, wenn Sie auf Dampf aus dem System zurückgreifen können. Denn dann genügt es, die sogenannten Brüden mit einem Verdichter bzw. Gebläse zu komprimieren. Der steigende Druck lässt die Temperatur ansteigen und Sie können Dampf mit den gewünschten Eigenschaften weiterverwenden.
Damit die vergleichsweise einfache Brüdenverdichtung funktioniert, muss die Verwendung der Brüden zulässig sein. Gleiches gilt für die Druckerhöhung. Diese ist prozesstechnisch erforderlich und darf ebenfalls nicht zu Problemen führen. Erfüllen Sie die Voraussetzungen, können Sie Dampf mit hohen Temperaturen effizient und günstig bereitstellen.
Übrigens:
Möglich ist es, die Brüdenverdichtung mit mehreren, hintereinander angeordneten Gebläsen zu realisieren. Das ermöglicht einen großen Temperaturhub und lässt es zu, verschiedene Abwärmequellen abhängig von ihrem Temperaturniveau in den Prozess einzubinden. Anlagen mit bis zu acht Verdichtungsstufen sind dabei keine Seltenheit.
Dampferzeugung mit Verdampfer aus Wasser und prozesstechnischer Abwärme
Lassen sich die Brüden nicht weiterverwenden oder handelt es sich um eine andere Abwärmequelle, arbeiten Dampfwärmepumpen mit einem zusätzlichen Verdampfer. Dieser überträgt thermische Energie von der Abwärmequelle (Prozesswasser etc.) auf Frisch-/Speisewasser. Letzteres verdampft und strömt anschließend zum Gebläse. Dieses arbeitet als Kompressor. Es hebt den Druck des Mediums an und sorgt damit für den nötigen Temperaturanstieg.
Voraussetzung für diese Art der Dampfwärmepumpe ist, dass Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht. Ist das der Fall, arbeitet die Lösung ebenfalls effizient und günstig. Sie senkt den Energieverbrauch und sorgt damit für finanzielle Einsparungen und einen wirtschaftlichen Betrieb.
Hocheffiziente Dampfwärmepumpe mit Kältemittelkreislauf für hohe Temperaturen
Alternativ zu den vorgenannten Lösungen funktioniert die industrielle Dampferzeugung auch mit einer klassischen Wärmepumpe. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger sowie einem Entspannungsventil und setzt auf zuvor erwärmtes Wasser oder Niedertemperaturabwärme. Wie die Dampfwärmepumpe funktioniert, lässt sich in vier Schritten erklären:
- Schritt 1 – Wärme aufnehmen und Kältemittel verdampfen: Im ersten Schritt nimmt die Dampfwärmepumpe thermische Energie auf. Möglich ist das mit einem Platten- oder Rohrbündelwärmeübertrager, der Wärme auf ein Kältemittel überträgt. Besonders interessant ist hierbei der Einsatz von Niedertemperaturabwärme, die sich sonst nicht weiter nutzen lässt. Steht diese nicht zur Verfügung, lässt sich die Dampfwärmepumpe auch mit zuvor erwärmtem Wasser betreiben. Das führt zum Verdampfen des Kältemittels, bevor der Wärmeträger (etwa Prozesswasser) mit niedrigeren Temperaturen aus der Anlage entweicht.
- Schritt 2 – Kältemittel verdichten und zugleich erwärmen: Der Kältemitteldampf strömt anschließend zum Verdichter der Dampfwärmepumpe. Dieser hebt den Druck des Mediums an und lässt dadurch auch die Temperatur steigen.
- Schritt 3 – Dampf erzeugen und Kältemittel verflüssigen: Das heiße Kältemittel strömt anschließend zu einem Verflüssiger. Dabei handelt es sich um einen Wärmeübertrager wie den Plattenwärmeübertrager, über den thermische Energie auf frisches Wasser oder Speisewasser übergeht. Während das passiert, entsteht Dampf, der sich anschließend wie gewünscht verwenden lässt.
- Schritt 4 – Kältemittel entspannen und regenerieren: Während sich der mit der Dampfwärmepumpe erzeugte Dampf in der Anlage nutzen lässt, strömt das Kältemittel zum Verdampfer zurück. Auf seinem Weg passiert es ein Entspannungsventil, welches den Druck des Mediums auf den Anfangswert zurückbringt. Ist das erledigt, kann der Prozess erneut beginnen.
Eine Dampfwärmepumpe mit Kältemittelkreislauf lässt sich in nahezu jeder Anlage installieren. Sie arbeitet besonders effizient, wenn Niedertemperaturabwärme verfügbar ist, kommt aber auch mit zuvor erwärmtem Wasser aus.
Wichtig zu wissen:
Um die gewünschten Temperaturen zu erreichen, müssen Verdichter der Druck des Kältemittels sehr stark anheben. Das technisch zu realisieren, ist eine der größten Voraussetzungen, wenn es um den Bau von Dampf- oder Hochtemperaturwärmepumpen geht.
Wann welche Dampfwärmepumpe? Auswahl hängt von Gegebenheiten ab
Wann welche Art der Dampfwärmepumpe zum Einsatz kommt, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab.
- Stehen Brüden oder andere Dampfquellen zur Verfügung, die sich zum Erhitzen verdichten lassen, eignet sich die Brüdenverdichtung.
- Können Sie auf Abwärme mit hohen Temperaturen (Wasser oder nicht weiter verwendbarer Dampf) setzen, eignen sich Dampfwärmepumpen, die aus Verdampfer und Gebläse bestehen.
- Bei Niedertemperaturabwärme, besonderen Dampfanforderungen oder dann, wenn Sie ohne Abwärmequelle selbst Wasser vorheizen, eignen sich auch klassische Dampfwärmepumpen.
Während die Brüdenverdichtung im Vergleich am wenigsten Energie benötigt, ist die klassische Dampfwärmepumpe mit Kältemittelprozess am flexibelsten. Insgesamt sorgen alle drei Lösungen aber dafür, dass Ihr Energieverbrauch wesentlich sinkt. Gleiches gilt für Ihre Betriebskosten und die CO2-Emissionen, da diese direkt von der Energieerzeugung abhängen.
Übrigens:
Entscheiden Sie sich für eine Dampfwärmepumpe, lässt sich diese auch mit einer großen Photovoltaikanlage kombinieren. Letztere liefert dabei Strom, um Gebläse oder Verdichter zumindest anteilig zu betreiben. Der Energieverbrauch sinkt dadurch noch weiter und Sie sparen mehr Geld ein.
Energieeffizienz: Vor allem bei klassischen Dampfwärmepumpen ein Thema
Eine Wärmepumpe funktioniert nur mit niedrigen Vorlauftemperaturen wirklich effizient. Geht es um die Beheizung von Wohn- oder Nichtwohngebäuden, ist das immer wieder zu hören. Wahr ist es jedoch nur zum Teil. Denn entscheidend ist nicht die Höhe der Systemtemperatur, sondern die Differenz zwischen Wärmequelle und benötigter Temperatur. Je kleiner letztere ist, umso weniger Energie verbraucht die Dampfwärmepumpe – ganz gleich, um welche Bauart es sich handelt.
Unser Tipp:
Für einen wirklich effizienten Betrieb der Dampf- oder Hochtemperaturwärmepumpe kommt es auf einen geringen Temperaturhub (Differenz zwischen Quell- sowie Systemtemperatur) an. Realisieren lässt sich dieser unter anderem mit Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau, einer passgenauen Auslegung und einer optimalen Einstellung der Anlage.
Leistung und Temperaturen: Das ist mit einer Dampfwärmepumpe möglich
Von wenigen hundert Kilowatt bis zu einem Megawatt bieten Dampfwärmepumpen heute eine große Flexibilität. Sie verarbeiten Abwärme mit Temperaturen von 20 bis 150 Grad Celsius und kommen je nach System auf Temperaturen von 100 bis 200 Grad Celsius. Bei großen Temperaturhüben arbeiten die Lösungen dabei in der Regel mehrstufig. Ihre Leistung lässt sich in einem breiten Band variieren (üblicherweise 30 bis 100 Prozent). Reicht die maximale Leistung nicht aus, können Sie mehrere Anlagen miteinander kombinieren, um die Wärmeabgabe bzw. die Dampferzeugung weiter hochzufahren.
Für einen zuverlässigen und effizienten Betrieb kommt es auf eine passgenaue Auslegung der Dampfwärmepumpen an. Fachplaner unterstützen Sie dabei. Dazu nehmen Sie die wichtigsten Parameter auf. Sie suchen die passende Lösung und planen diese optimal, passend zu Ihren Bedürfnissen.
Bei Wärmepumpen entscheidet das Kältemittel über den Temperaturbereich
Handelt es sich um eine klassische Wärmepumpe mit Kältemittelkreislauf, hängen Leistung und Temperaturbereich vom Kältemittel ab. Dessen Eigenschaften müssen dabei vorwiegend für hohe Temperaturen, hohe Drücke und den nötigen Temperaturhub geeignet sein.
Überdies spielt auch die Zusammensetzung des Mediums eine immer größere Rolle. Während die F-Gase-Verordnung viele klimaschädliche Mittel verbietet bzw. deren Verbreitung einschränkt, stehen bei neuen Anlagen immer häufiger natürliche Kältemittel im Fokus. Diese haben einen sehr niedrigen GWP (Global Warming Potenzial, vergleichbar mit CO2-Äquivalent) und schaden dem Klima weniger. Da die Mittel teilweise brennbar oder giftig sind, müssen Sie teilweise höhere Sicherheitsanforderungen erfüllen.
Übrigens:
Ein mögliches Kältemittel für Dampfwärmepumpen ist R1335mzz-Z. Dabei handelt es sich für ein nicht brennbares und nicht giftiges Sicherheitskältemittel. Es hat einen GWP von 2 und ist für hohe Temperaturbereiche geeignet.
Leistungszahlen von 2,3 bis 45 sorgen für eine schnelle Amortisation
Abhängig vom Aufbau und von den Betriebsparametern erreichen Dampfwärmepumpen Leistungszahlen von etwa 2,3 bis zu 45. Das heißt: Aus einer Kilowattstunde aufgebrachter Energie lassen sich bis zu 45 Kilowattstunden nutzbarer Energie gewinnen. Während besonders hohe Leistungszahlen typisch für Gebläse-Systeme mit geringem Temperaturhub sind, erreichen klassische Wärmepumpen in der Regel Leistungszahlen von 2,3 bis zu 7,5 wie die folgende Übersicht am Beispiel zeigt.
| Temperatur der Wärmequelle | Leistungszahl bei 150 °C Systemtemperatur |
|---|---|
| 80 | 2,9 |
| 90 | 3,5 |
| 100 | 4,2 |
| 110 | 5,0 |
| 120 | 5,8 |
Kommt das System mit niedrigeren Temperaturen aus, fallen die Leistungszahlen in der Regel höher aus, wie das folgende Beispiel zeigt.
| Temperatur der Wärmequelle | Leistungszahl bei 130 °C Systemtemperatur |
|---|---|
| 80 | 4,0 |
| 90 | 5,0 |
| 100 | 6,0 |
| 110 | 6,5 |
| 120 | 7,5 |
Benötigen Sie höhere Temperaturen im System, fallen die Leistungszahlen hingegen niedriger aus, wie das folgende Beispiel zeigt.
| Temperatur der Wärmequelle | Leistungszahl bei 160 °C Systemtemperatur |
|---|---|
| 80 | 2,3 |
| 90 | 3,0 |
| 100 | 3,5 |
| 110 | 4,0 |
| 120 | 5,3 |
Die Werte verstehen sich als Richtwerte und hängen von der Art und dem Aufbau der Dampf- oder Hochtemperaturwärmepumpe ab. Sie fallen von Gerät zu Gerät unterschiedlich aus, zeigen aber, wie effizient klassische Wärmepumpen mit Kältemittelkreislauf auch im industriellen Bereich arbeiten.
FAQ: Die häufigsten Fragen zu Dampf- und Hochtemperaturwärmepumpen
Was ist eine Dampfwärmepumpe und was unterscheidet sie vom Brüdenverdichter?
Bei einer Dampfwärmepumpe (auch Hochtemperaturwärmepumpe) handelt es sich um eine Wärmepumpe, die für besonders hohe Temperaturen geeignet ist. Sie setzt in der Regel auf Abwärme und erhitzt Wasser, Thermoöl oder Dampf auf 100 bis 200 Grad Celsius. Eine einfache Form der Technik ist die Brüdenverdichtung, bei der nicht mehr benötigter Dampf verdichtet und dadurch erhitzt wird.
Welche Arten der Dampfwärmepumpe gibt es und wann kommt sie zum Einsatz?
Die einfachste Form ist die Brüdenverdichtung, bei der Gebläse nicht mehr benötigten Dampf verdichten, um diesen zu erhitzen. Die Lösung ist besonders effizient und kommt zum Einsatz, wenn ausreichend Brüden vorhanden sind, die sich auch verdichten und weiter nutzen lassen. Ohne Dampf kommen einfache Wärmepumpen, bestehend aus Wärmeübertrager und Verdichter zum Einsatz. Diese setzen auf Prozesswasser und nicht weiter zu verwendenden Dampf, um Speisewasser zu verdampfen und anschließend mit einem Gebläse zu verdichten. Ist Niedertemperaturabwärme oder vorher erwärmtes Wasser verfügbar, kommen klassische Wärmepumpen mit Kältemittelkreislauf zum Einsatz.
Arbeiten Dampf- oder Hochtemperaturwärmepumpen effizient und sparsam?
Grundsätzlich ja. Wie effizient die Anlagen sind, hängt allerdings von den örtlichen Gegebenheiten ab. Entscheidend ist dabei die Temperaturdifferenz zwischen System- und Abwärme- oder Quelltemperatur. Je niedriger diese ist, umso höher ist die Leistungszahl. Während klassische Wärmepumpen dabei COPs von 2,3 bis über 7 erreichen, kommen Brüdenverdichter auf Leistungszahlen von bis zu 45. Das heißt, dass sich aus einer Kilowattstunde eingesetzter elektrischer Energie bis zu 45 Kilowattstunden Wärme erzeugen lassen.
Was sind die Vorteile einer modernen Dampf- und Hochtemperaturwärmepumpen?
Hochtemperatur- und Dampfwärmepumpen arbeiten energiesparend. Sie sorgen für einen geringen CO2-Ausstoß und sparen damit verbundene Ab- bzw. Ausgaben ein. Von Vorteil ist zudem die höhere Unabhängigkeit. Der Verbrauch fossiler Ressourcen sinkt und auch die Energiekosten fallen mit der Technik meist spürbar niedriger aus.
In welchen Bereichen kommen Hochtemperatur- und Dampfanlagen zum Einsatz?
Um Einsatz kommen die Anlagen immer dann, wenn Sie Heißwasser, Thermoöl oder Dampf mit Temperaturen von 100 bis 200 Grad Celsius benötigen. Voraussetzung für einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz ist zudem ein geringer Temperaturhub, der sich durch eine geringere Systemtemperatur erreichen lässt. Erfüllen Sie diese Vorgaben, können Sie die Wärmepumpe im industriellen Umfeld einsetzen – etwa in der petrochemischen, der chemischen, der pharmazeutischen, der Grundstoff-, der Papier- oder der Nahrungsmittelindustrie.
