Europa strebt an, bis 2050 der erste klimaneutrale Kontinent der Welt zu sein. Diese Aussage ebnet den Weg für viele Anstrengungen, Vorschriften, Innovationen und Veränderungen, die die Menschen und die Industrie in Europa durchlaufen müssen.
Der Aufbau einer besseren Zukunft für die Gesellschaft durch Klimaneutralität ist eine große Chance, die aber auch mit vielen Herausforderungen verbunden ist. Wirtschaftssektoren wie Transport, Baugewerbe, Landwirtschaft und Industrie werden bei der Erreichung dieses Ziels eine wichtige Rolle spielen. Europas nächster Meilenstein ist die Senkung der CO2-Emissionen um 90 % im Jahr 2040 im Vergleich zu den Werten von 2019, und das ist kein leichtes Unterfangen.
Wir alle kennen Elektrofahrzeuge und wissen, wie überlegen sie im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren sind, wenn es um Energieeffizienz geht. Elektromotoren sind im Vergleich zu Verbrennungsmotoren einfach dreimal effizienter, und das ist der Hauptgrund für ihre schnelle Verbreitung in den letzten zehn Jahren.
Wir wissen auch, warum bestimmte Technologien wie die photovoltaische Solarenergie oder die Stromerzeugung durch Windkraft der herkömmlichen Stromerzeugung durch fossil betriebene Kraftwerke überlegen sind.
Man kann argumentieren, dass das Gleiche für jede neue Technologie gilt, bevor der Markt sie vollständig annimmt: Sie ist besser, aber auf den ersten Blick teurer.
Die europäische Industrie trägt heute zu etwa einem Drittel des Endenergiebedarfs in der EU und zu etwa 20 % der gesamten Treibhausgasemissionen in Europa bei.
Betrachtet man die heutige Industrie, so lässt sich der Energiebedarf in 2 Kategorien einteilen:
- Elektrizität für den Betrieb der Produktionslinien, der Maschinen und für die Beleuchtung sowie für die Kühlung der Geräte, die zum industriellen Prozess beitragen.
- Fossiler Brennstoff zum Betrieb von Industriekesseln, die entweder Heißwasser oder Dampf erzeugen oder indirekt die Luft für Prozesse wie Trocknen und Backen erhitzen.
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf eine Technologie und eine Branche, um zu zeigen, wie wir die Chance der Dekarbonisierung Schritt für Schritt angehen können.
Wärmepumpen & Lebensmittelindustrie
In der Lebensmittelindustrie liegt das Verhältnis zwischen fossilen Brennstoffen und Strom bei etwa 80/20. Die meisten fossilen Brennstoffe werden für den Betrieb von Industriekesseln verwendet, die den Prozess auf Temperaturen von selten über 150 °C erhitzen.
Sie ist eine der am einfachsten zu dekarbonisierenden Industrien, da es industrielle Wärmepumpen gibt, die die Abhängigkeit von Heizkesseln mit fossilen Brennstoffen leicht ersetzen oder minimieren können. In jedem Mitgliedstaat gibt es Hunderte, wenn nicht Tausende von Fabriken, die die Menschen mit Lebensmitteln und Getränken versorgen und diese auch in andere Länder exportieren.
Wärmepumpen sind die E.Autos der Heizungsbranche: Sie sorgen nicht nur für nachhaltiges Heizen und machen Schluss mit der Abhängigkeit von Gaskesseln, sondern können auch zum Kühlen genutzt werden, wenn sie richtig geplant und in einen Prozess integriert werden.
Die meisten Leser wissen, dass eine 10-kWWärmepumpe zu Hause einen Heizkessel ersetzen kann, um auf sehr effiziente Weise 55 °C heißes Wasser zu liefern, mit einer sehr kurzen Amortisationszeit und finanziellen Einsparungen. Dagegen wissen nur wenige, wie sie in einer Industrieanlage funktionieren kann, um heißes Wasser oder Dampf bis zu 150°C zu liefern. Jeder industrielle Prozess erzeugt Abwärme, die an die Atmosphäre abgegeben wird, man denke an Kondensatoren für Kühlsysteme, Kühltürme, KWK-Anlagen und Rauchgas, die meisten davon stellen eine perfekte Wärmequelle für eine industrielle Wärmepumpe in industriellem Maßstab dar.
Wenn Sie beispielsweise Abwärme mit einer Temperatur von 50 °C nutzen und sie mit einer Wärmepumpe auf 100 °C anheben, dann haben Sie mit R-1233zd eine Leistungszahl (COP) von 4,5; das bedeutet, dass Sie fast 500 % effizienter sein können als ein herkömmlicher Industriegaskessel.
Dieses Beispiel kann den Einsatz von fossilen Brennstoffen minimieren oder eliminieren, die CO2-Emissionen reduzieren, den Prozess mit der für die Herstellung des Endprodukts erforderlichen Wärme versorgen und gleichzeitig Betriebskosten einsparen.
Es gibt Dutzende von Prozessen, die heute von industriellen Wärmepumpen profitieren können, wie z. B. Sterilisation, Pasteurisation, Kochen, Trocknen, Brauen, Destillieren, Blanchieren und viele andere in der Lebensmittelindustrie.
Ein zusätzlicher Vorteil von Wärmepumpen ist, dass man mit ihnen auch Kälte erzeugen kann, was dazu beitragen kann, den Bedarf an Prozesskühlung zu decken und den Verbrauch vorhandener Prozesskälteanlagen zu senken.
Kältemittel
Die meisten Menschen kennen das Funktionsprinzip von Wärmepumpen: Das Kältemittel nimmt die Wärme von einer Seite (Wärmequelle) auf, wird dann von einem Kompressor komprimiert, um den Druck zu erhöhen, und die Wärme wird auf der anderen Seite (Wärmesenke) abgegeben. Doch nicht alle Wärmepumpen sind gleich. Es gibt viele Aspekte, die übersehen werden, und einer davon ist die Wahl des Kältemittels.
Es gibt verschiedene Aspekte, die vor der Auswahl des Kältemittels für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen:
- GWP* und ODP*.
- Sicherheitsklasse (von nicht entflammbar, nicht giftig bis hoch entflammbar und hochgiftig).
- Betriebsbereich (Siedepunkt und kritische Temperatur).
- Betriebsdruck.
- Volumetrische Heizleistung.
- Wirkungsgrad.
Für industrielle Wärmepumpenanwendungen werden hauptsächlich folgende Kältemittel verwendet:
- Ammoniak: Sehr niedriges GWP, eingestuft als B2L, was bedeutet, dass es schwer entflammbar ist, aber bei sehr niedrigen Konzentrationen hochgiftig ist.
- Kohlenwasserstoffe (Butan, Pentan, Isobutan, Isopentan): Sehr niedriges GWP, gute Heizleistung und Effizienz, aber hochentzündlich und explosiv (A3).
- HFOs (Hydrofluor-Olefine): Die 4. Generation der fluorierten Gase mit sehr niedrigem GWP und ODP. Jedes HFO ist für einen bestimmten Anwendungsfall konzipiert und verfügt über ein Spektrum unterschiedlicher thermodynamischer und sicherheitstechnischer Eigenschaften. Einige der beliebtesten HFOs, die in industriellen Wärmepumpenanwendungen eingesetzt werden, sind R-1234ze und R-1233zd unter der Marke Solstice® von Honeywell.
- Wasser: Dies ist wohl das einzige Kältemittel, das ausschließlich zur Dampferzeugung oder Dampfrekompression verwendet wird.
Die Bedeutung der Sicherheit
Sicherheit spielt in jedem industriellen Prozess eine große Rolle. Es besteht ein großer Unterschied zwischen dem Betrieb einer Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus, bei dem die Füllmenge des Kältemittels 200 Gramm nicht überschreitet und dem Betrieb einer Wärmepumpe für einen industriellen Prozess, bei dem die Füllmenge des Kältemittels bei 50 kg beginnt und bis zu Tausenden von Kilogramm betragen kann. In einer realen Welt, in der Leckagen auftreten können, kann es extrem außer Kontrolle geraten, wenn das verwendete Kältemittel giftig ist und mit 80 bar betrieben wird oder wenn es hochentzündlich und explosiv in einer Umgebung mit Explosionsgefahr ist, wie z. B. bei der Destillation von Spirituosen, in Zuckerfabriken oder in Papier- und Zellstofffabriken. Das obige Beispiel zeigt, dass Wärmepumpen zur Dekarbonisierung der Lebensmittelindustrie beitragen können. Bestimmte Arten von Kältemitteln bergen Risiken, im Gegensatz zu den als ungiftig und nicht brennbar eingestuften, die in einer Anlage äußerst effizient und sicher sein können.
Schlußwort
Wärmepumpen können eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung der Industrie in Europa spielen, um die Ziele der Netto-Null-Emissionen zu beschleunigen.
Die Technologie ist bereit und viele Mitgliedsstaaten bieten verschiedene Arten von Subventionen, Fonds und Zuschüssen an, um die Industrie bei den Anfangsinvestitionen sowie den laufenden Kosten zu unterstützen. Wärmepumpen sind eine praktikable Option für Industrien, die über eine bestehende KWK-Anlage verfügen, um ihren eigenen Strom zu produzieren, sowie für Mitgliedsstaaten, die ein Verhältnis von Strom- zu Gaspreisen (COP der Wärmepumpe – 1) haben.
Zum Beispiel: Wenn die Wärmepumpe einen COP von 4 hat und der Preis für das Verhältnis von Strom zu Gas bei 3 liegt, ist die Wärmepumpe eine sinnvolle Option.
Durch die Wahl eines ungiftigen und nicht oder nur schwer entflammbaren Kältemittels werden viele Risiken vermieden, denen industrielle Endverbraucher ausgesetzt sind, wenn sie sich für ein giftiges oder entflammbares Kältemittel entscheiden.
Schließlich können Wärmepumpen eine großartige Lösung sein, um Europas Industrie wettbewerbsfähiger zu machen, da sie die Industrie in die Lage versetzen, eine viel geringere Energieintensität für die Endprodukte zu haben und somit die Energiekostenbelastung zu senken und die Tür für eine Steigerung des Endergebnisses der Industrie zu öffnen, wettbewerbsfähigere Preise anzubieten oder sogar die Produktionskapazität zu erhöhen und Engpässe zu vermeiden.
GWP: Global Warming Potential = Erderwärmungspotenzial. ODP: Ozone Depleting Potential = Ozonabbaupotenzial. OPEX: OPerational EXpense = Betriebskosten