Kälteanlage in die Wärmeerzeugung integrieren

ie Kombination von Kälteanlage und Wärmepumpe eröffnet Energiesparpotenziale in Industrie und Gewerbe. Die Abwärme der Kälteanlage, die konventionell wegen der geringen Temperatur ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, kann in vielen Fällen zum Beheizen von Prozessen, Gebäuden oder zur Heißwasserbereitung dienen. Das minimiert den Ressourcenverbrauch, senkt die CO2-Emissionen und zudem die Life-Cycle-Costs.

In vielen Produktionsprozessen wird der Wärme- bzw. Kältebedarf voneinander unabhängig erzeugt, ohne dass der Gesamtprozess als vollständige Einheit betrachtet wird. Dies kann zu teuren Energieflüssen führen. Denn es gibt auch Prozesse, die einen hohen Wärmebedarf (z. B. 80 °C zur Pasteurisation) und gleichzeitig einen hohen Kühlbedarf (z. B. 2 °C für Kühlwasser) haben.
Um die EU-Anforderungen zur CO2-Einsparung erreichen zu können, muss sich die konventionelle Sichtweise verändern. Statt jede Kühl- und Heizquelle und jeden Prozess voneinander isoliert zu betrachten, sollte der Fokus auf den Bedarf einer Produktionsstätte bzw. Liegenschaft gelegt werden. Der meist kontinuierlich anfallenden Abwärme technischer Prozesse kommt hier als bisher brachliegende Ener­giequelle eine herausragende Rolle zu. Konventionell wird diese Wärme z. B. mithilfe eines separat betriebenen Heizkessels bereitgestellt.

Temperaturniveau heben
Im Fall von Kältekompressoren reicht die geringe Abwärmetemperatur für Produktionsprozesse zunächst nicht aus. Aufgrund der benötigten Vorlauftemperaturen genügt sie auch nicht für die Heizung bzw. Warmwasserbereitung. Deshalb wird die Abwärme heute meist ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Abhilfe bietet hier eine Wärmepumpe. Denn diese kann den Energiegehalt der Abwärme nutzbar machen und hebt die Temperatur der Wärmequelle durch den Verdichter auf ein höheres Niveau, von dem aus sie genutzt werden kann. Aus Abwärme von etwa 30 °C kann Wasser beispielsweise auf ein Temperaturniveau von 65 °C oder sogar 80 °C erwärmt werden. Die Wärmepumpe wird damit zu einer interessanten Alternative zum konventionellen Einsatz eines Heizkessels.
Die Effizienz der Wärmepumpe ist definiert als bereitgestellte Menge an Wärme im Verhältnis zur absorbierten Energie. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe (COP) ist immer höher als 1. Im Allgemeinen können mit 1 kW Elektrizität durchschnittlich mehr als 4 kW Wärme erzeugt werden. Je geringer die Temperaturanhebung (zwischen Quell- und Zieltemperatur) ausfällt, desto höher ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Kühlung zu günstigen Konditionen
In Zukunft ist wohl damit zu rechnen, dass z. B. das Strom-/Gaspreisverhältnis sinkt. Bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist wiederum entscheidend, dass der COP einer Wärmepumpe über dem des Strom-/Gaspreisverhältnisses liegt. Und je höher der COP-Wert ist, des­to kürzer ist die Amortisationszeit. Wärmepumpen haben im Vergleich zu anderen Alternativen zudem die niedrigsten Lebenszykluskosten, da sie in der Regel auf eine Betriebsdauer von 20 Jahren ausgelegt sind. Das heißt, sie weisen verglichen mit einem durchschnittlichen Gasheizkessel meist auch die höchste Investitionsrendite auf.
Quasi überall, wo etwa zeitgleich Kälte und Wärme auf einem geeigneten Temperaturniveau benötigt werden (typischerweise bis etwa 80 °C Zieltemperatur Wärme), kann die Kombination aus Kälteanlage und Wärmepumpe zur Steigerung der Energieeffizienz beitragen.
Beispiel: Um die Nutzwärme von 144 kW zu erzeugen, benötigt eine Wärmepumpe, die die Abwärme des Kälteprozesses nutzt, beispielsweise 28 kW elektrische Energie. Anders formuliert: Die Wärmepumpe stellt aus 1 kW elektrischer Energie etwas über 5 kW Wärmeleistung bereit. Solange der COP der Wärmepumpe über dem des heutigen Strom-Gas-Preisverhältnisses von 2,7 liegt, hat die Wärmepumpe niedrigere Betriebskosten als ein Heizkessel.

Add-on-Wärmepumpe
Besonders effizient arbeiten Wärmepumpen in Systemen, in denen die Kälteanlage über den Kältemittelkreislauf direkt mit der Wärmepumpe gekoppelt ist. Diese Add-on-Wärmepumpen sind sozusagen auf den Kälteanlagen-Kreislauf aufgesetzt. Im Fall einer Add-on-Wärmepumpe ist die Wärmequelle die Abwärme auf der warmen Seite der Kälteanlage.
Die Kälteanlage und die Add-on-Wärmepumpe teilen sich gewissermaßen den Kreislauf des Kältemittels. Die Wärmepumpe wird anstelle des Verflüssigers bzw. parallel zu ihm an die Kälteanlage angeschlossen. Das Kältemittel wird über eine Sammelleitung dem Kompressor der Wärmepumpe zugeführt, der das gasförmige Kältemittel auf ein höheres Druck- und somit Temperaturniveau verdichtet.

Hohes Sparpotenzial
Die Investition in die Wärmepumpe und ihre Installation machen sich aufgrund der Energieeinsparung bereits in meistens unter drei Jahren bezahlt: Einerseits ist dieser Effekt auf die niedrigere Gasrechnung zurückzuführen, andererseits arbeitet die Kälteanlage effizienter: Durch die Kopplung kann der Kondensator kleiner ausfallen. Ein kleinerer Kondensator benötigt weniger Hilfsenergie zum Antrieb der Ventilatoren. Auch wird Strom für den Verflüssiger eingespart. Außerdem sind bei der Kälteanlage geringere Drücke aufzubringen, da die Druckverluste im Verflüssiger wegfallen. Durch den niedrigen Verflüssigungsdruck kann somit die Leistung der Kälteanlage reduziert werden.
Da durch den Wegfall von Kondensatorleistung auch der zu überwindende Druck auf der warmen Seite geringer ist, kommt der Kälteprozess mit weniger Strom aus. Außerdem werden durch die direkte Kopplung von Kälteanlage und Wärmepumpe zu einem einzigen Kältekreis Übertragungsverluste von einem Kältemittelkreislauf auf den anderen vermieden. Bei der Wärmeübertragung durch zwei voneinander getrennte Wasserkreisläufe über einen Wärmetauscher ergäben sich dagegen Übertragungsverluste. Weiteres Sparpotenzial ergibt sich bei der Wasseraufbereitung und beim Wasserverbrauch. Insbesondere wird Wasser zur Füllung und Spülung am Verdampfungskondensator eingespart.

Autor: Danny Heuvelmans, GEA Refrigeration Netherlands N.V.

www.gearefrigeration.com