Im Zuge der Energiewende in Europa setzt die Industrie auf Wärmepumpen

Neuauflage von Plato

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Die Wienerberger Ziegelei im österreichischen Uttendorf in den Tiroler Alpen benötigt seit jeher einen konstanten Strom von 194 Grad Fahrenheit, um ihre Bausteine zu trocknen. Dieser Prozess wäre für das Unternehmen nach Russland ein teures Unterfangen gewesen Gasexporte reduzieren nach Europa, wie es für den größten Teil der energieintensiven Bauindustrie Europas der Fall war. Doch vor vier Jahren hat Wienerberger, der größte Ziegelproduzent der Welt, eine Investition in die Zukunft getätigt, die sich auszahlt: Er ersetzte den Gaskessel in Uttendorf durch eine großtechnische Wärmepumpe, was die Energiekosten des Werks um rund 456,000 US-Dollar senkt ein Jahr.

Seit Jahrzehnten werden elektrische Wärmepumpen in europäischen Haushalten und anderen Gebäuden zum Heizen und Kühlen eingesetzt, aber sie haben in der Fertigung, die einen weitaus höheren Energiebedarf für die Warmwasser- und Dampferzeugung hat, nie viel Anklang gefunden. Und weil fossile Brennstoffe lange Zeit relativ billig waren, hatte die Industrie wenig Anreiz, gas- und ölbetriebene Systeme durch umweltfreundlichere Geräte zu ersetzen. Jetzt, mit der Entwicklung von Wärmepumpen, die Temperaturen bis zu 320 °F zu einem Bruchteil des Preises von Gaskesseln liefern können, und mit den durch den Krieg in der Ukraine explodierenden Gaspreisen wird dieses Kalkül auf den Kopf gestellt. Viele europäische Unternehmen überdenken ihre Energiequellen und reduzieren gleichzeitig ihre Treibhausgasemissionen, eine EU-Vorgabe. Verantwortlich dafür ist die europäische Industrie mehr als ein Viertel der Treibhausgase des Blocks.

Laut der Internationalen Energieagentur sind Wärmepumpen 3- bis 5-mal effizienter als Gaskessel.

Um ihre hochgesteckten Energieziele zu erreichen und ihre Abhängigkeit von russischem Gas zu durchbrechen, setzt die EU auf nichts Geringeres als eine Wärmepumpenrevolution. In vielen Ländern wird der Verkauf von Wärmepumpen – hauptsächlich für den privaten Gebrauch – verdoppelt in der ersten Hälfte des Jahres 2022. In Deutschland, Europas größtem Verbraucher von russischem Gas, stieg die Nachfrage im vergangenen Jahr um 52 Prozent, während das EU-weite Wachstum im Jahr 2021 35 Prozent betrug. Unterdessen nimmt eine etwas weniger angekündigte Umstellung auf Wärmepumpen in der Fertigung Fahrt auf. Wienerberger beispielsweise installiert ähnliche Pumpen in seinen Ziegeleien in den Niederlanden, Großbritannien, Polen, Rumänien und anderen Orten in Österreich.

„Vor fünf Jahren wussten die meisten Unternehmen so gut wie nichts über Wärmepumpen“, sagt Veronika Wilk, Senior Research Engineer am Austrian Institute of Technology. „Jetzt sind die Unternehmen darauf aufmerksam geworden, und immer mehr Wärmepumpen werden in der Industrie installiert.“

Eine Kompressionswärmepumpe kann Luft sowohl erwärmen als auch kühlen. Im Winter erhöht es die Innentemperatur, indem es Wärme aus dem Wasser, aus der Tiefe der Erde oder aus der Außenluft entzieht, dann die Temperatur mit einer kleinen Menge Strom erhöht und diese Luft in den Innenraum befördert. Selbst so kalte Luft wie 10F enthält genügend Energie, damit eine Wärmepumpe ihre Temperatur extrahieren und erhöhen kann. Im Sommer senken elektrische Wärmepumpen die Innentemperatur, indem sie der Innenluft Wärme entziehen und nach außen leiten. Absorptionswärmepumpen werden nicht mit Strom betrieben, sondern mit einer Wärmequelle, die Erdgas, aber auch solarbeheiztes Wasser oder sogar Abwärme aus Rechenzentren oder Abwasserkanälen sein kann. Sie bringen diese Wärme auf eine „nützliche“ Temperatur und liefern sie dann entweder als warme Luft oder als heißes Wasser.

Wärmepumpen verwenden Elektrizität, um ein Kältemittel zu komprimieren und seine Temperatur zu erhöhen.

Je nachdem, in welche Richtung sich die Wärme bewegt – drinnen oder draußen – komprimieren oder dehnen die Kolben der Wärmepumpe eine Flüssigkeit, wodurch sie sich erwärmt bzw. abkühlt. Da Wärmepumpen nur Flüssigkeiten bewegen, können sie mehr als doppelt so energieeffizient sein wie Heizungen, die Kraftstoff verbrennen.

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) sind Wärmepumpen drei- bis fünfmal effizienter als Gas. Und wenn sie mit Solar-, Wind-, Wasserkraft oder Abwärme betrieben werden, sind sie völlig emissionsfrei.

Im Gegensatz zu Wärmepumpen für Privathaushalte, deren Außenkomponenten etwa die Größe einer Waschmaschine haben, können industrielle Versionen – so groß wie ein Haus – die verschwendete „Prozessenergie“ von Fabriken nutzen, um die Wassertemperatur auf mehr als 374 F zu erhöhen. In den Wienerberger Werken beispielsweise verbrauchen Ziegeltrockner immens viel Energie, wobei die Trockenkammer hauptsächlich Wasserdampf freisetzt. Dieses wird zu heißem Wasser kondensiert. Die Wärmepumpen erhöhen dann ihre Temperatur von etwa 104 ° F auf etwa 194 ° F und führen sie wieder dem Trocknungsprozess zu. Da die Energiequelle für die Wärmepumpe die Abwärme selbst ist, verbraucht diese Sequenz fast 80 Prozent weniger Energie als beim Betrieb der Anlage mit Gas.

Die EU sieht den Ausbau von Wärmepumpen als entscheidend für ihr Ziel an, die Treibhausgasemissionen zu senken.

„Das System ist ein geschlossener Kreislauf“, sagt Johannes Rath, Chief Technology Officer von Wienerberger. „Weil wir mit höheren Temperaturen beginnen, bekommen wir höhere Temperaturen“ als die, die von Haushaltspumpen erzeugt werden.

Prototyp-Wärmepumpen hergestellt in Norwegen arbeiten bereits bei etwa 356 F, und Experten erwarten, dass Ingenieure innerhalb eines Jahrzehnts eine Technologie entwickeln, die Temperaturen von über 392 F erreicht. Dieser Fortschritt würde immer mehr Prozesse in den energieintensiven Bereichen Chemie, Papier, Lebensmittel und Raffinerien für die Wärmepumpentechnologie öffnen.

Solche Hochleistungswärmepumpen werden in Hotels, Restaurants, Konditoreien, Lagerhäusern, Schwimmbädern, Gewächshäusern, in der chemischen Produktion und bei der Trocknung von Materialien wie Papier und Stärke eingesetzt. Absorptionswärmepumpen eignen sich besonders für Anlagen, die sowohl heizen als auch kühlen.

Das Finnisches Unternehmen Kiiltostellt beispielsweise Chemikalien wie Klebstoffe für die Baubranche her. Das Werk in Lempäälä verwendet eine industrielle Hybrid-Wärmepumpe zur Rückgewinnung von Wärme aus elektrischen Kühlprozessen vor Ort sowie aus einer nahe gelegenen geothermischen Quelle, um die Temperaturen auf 167F zu erhöhen.

Eine deutsche Denkfabrik schätzt, dass eine weit verbreitete Umstellung auf Wärmepumpen den Gasverbrauch in der EU in 32 Jahren um 5 % senken könnte.

In der Mars Wrigley Confectionery in den Niederlanden, der größten Schokoladenfabrik der Welt, extrahiert und verstärkt eine Wärmepumpe ansonsten nicht nutzbare Abwärme aus ihren Kühleinheiten und erzeugt Wasser mit einer Temperatur von bis zu 145 F. Das Wasser wird durch das Rohrleitungsnetz der Fabrik geleitet, um Schokolade und Sirup warm zu halten. Die Technologie hat die Energierechnung der Fabrik um 6 Prozent gesenkt und dem Werk etwa 26 Terajoule an Gas eingespart – das entspricht dem Energieverbrauch von 625 europäischen Haushalten. Eine zweite Wärmepumpe erwärmt Wasser für die Reinigung auf 176F, was eine zusätzliche Einsparung von 12.25 Terajoule liefert.

Wasser ist eine weitere brauchbare Wärmequelle. Inntaler Kindergarten (Deutsch) in Bayern, Deutschland, nutzt Grundwasser aus Brunnen in der Nähe des Inns und eine einzige Wasser-Luft-Wärmepumpe von der Größe eines Sherman-Tanks, um ganzjährig 30,000 Quadratmeter Gewächshäuser zu beheizen. Das Wasser wird in die Wärmepumpe gesaugt, auf 95F aufgeheizt, durch das Fußbodenheizungssystem geleitet, dann gekühlt und in den Fluss zurückgeführt.

Ein neuer Bekehrter ist der deutsche Chemieriese BASF, der MAN, ein deutsches Maschinenbauunternehmen, das für seine Lastwagen und Busse bekannt ist, mit dem Bau der weltweit größten Wärmepumpe am BASF-Standort Ludwigshafen in Westdeutschland beauftragt hat. Die Anlage in der Größe eines konventionellen Kraftwerks soll die Abwärme von Kühlprozessen zur Erzeugung nutzen 150 Tonnen Dampf pro Stunde und verhindert so, dass jährlich schätzungsweise 390,000 Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen.

Was die Vereinigten Staaten betrifft, so zeigt ein Bericht, dass der Ausbau von Haushaltswärmepumpen in Einfamilienhäusern die Emissionen des Energiesektors um 14 % reduzieren könnte.

Neben den Vorteilen eines effizienteren Betriebs können Unternehmen mit kohlenstoffarmen Prozessen auch die Kosten ihrer CO2-Emissionen senken, die ihnen über das Emissionshandelssystem der Europäischen Union pro Tonne in Rechnung gestellt werden. Bei etwa 92 US-Dollar pro Tonne Kohlendioxid – dem Dezemberpreis – sind die Einsparungen erheblich.

Die EU sieht den Ausbau von Wärmepumpen sowohl für Industrie- als auch Nichtindustriegebäude als entscheidend für ihr Ziel an, die Treibhausgasemissionen bis 55 um mindestens 2030 Prozent zu senken. Ihre REPowerEU-Initiative zielt darauf ab, den Austausch von bis zu einem Drittel zu beschleunigen des 150 Millionen Heizkessel im Einsatz mit Wärmepumpen. Eine zunehmende Zahl großer Wärmepumpen wird entweder Dampf oder heißes Wasser in Fernwärmenetze einspeisen, wie dies in Norwegen, Schweden und Dänemark der Fall ist. Das Verfassen klimafreundlicher Bauvorschriften, die Verwendung von Recyclingmaterial im Gebäudebau, die Installation modernster Isolierungen und die Intensivierung des Energiesparens könnten die Energieeinsparungen weiter steigern.

Der deutsche Think Tank Agora Energiewende Schätzungen dass eine weit verbreitete Umstellung auf Wärmepumpen für Privathaushalte und Industrie in Verbindung mit Effizienzmaßnahmen den Erdgasverbrauch in der EU in fünf Jahren um 32 Prozent senken könnte. Zusammen mit einer erhöhten Versorgung mit flüssigem Erdgas könnte dies den Bedarf Europas an russischem Gas vollständig eliminieren. Und da Fortschritte in der Technologie im industriellen Maßstab es Wärmepumpen ermöglichen, in naher Zukunft Temperaturen von 932F zu erreichen, prognostiziert die Denkfabrik, dass Elektrizität Gas noch weiter verdrängen kann.

2020-2021 Umsatzwachstumsraten für Wärmepumpen in mehreren Ländern.

In einem kürzlich erschienenen Krepppapier, schätzt die Internationale Energieagentur, dass die EU ihre Gasimporte um 65 Milliarden US-Dollar reduzieren könnte, wenn der Block als Ganzes auf Wärmepumpen umsteigen würde – für den privaten, gewerblichen und industriellen Gebrauch. Sie behauptet, dass bis 2050 Wärmepumpen den größten Teil des weltweiten Heiz- und Kühlbedarfs decken werden.

EU- und nationale Anreize und Subventionen sollen den Übergang der europäischen Industrie beschleunigen. Der Ziegelhersteller Wienerberger rechnet beispielsweise mit 2.72 bis 3.26 Millionen US-Dollar pro Stück für neue Kompressionspumpensysteme in ganz Europa, von denen Subventionen 20 bis 40 Prozent der Kosten decken werden. Sie werden mit Strom betrieben, der von Sonnenkollektoren erzeugt wird.

Was die Vereinigten Staaten betrifft, die zum Heizen weitgehend auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, ein Bericht zeigt, dass durch den Ausbau von Haushaltswärmepumpen in Einfamilienhäusern die Emissionen um 142 Millionen Tonnen pro Jahr gesenkt und die Emissionen des Energiesektors um 14 Prozent reduziert werden könnten. Für US-Hausbesitzer läuft eine Standard-Luftwärmepumpe zwischen etwa $ 3,500 bis $ 7,500. Das Inflationsminderungsgesetz von Präsident Joe Biden sieht Subventionen und Steuergutschriften von bis zu 30 Prozent des Preises einer Haushaltswärmepumpe (oder mehr für Haushalte mit niedrigem und mittlerem Einkommen) vor. Das Gesetz erlaubt Anreize für Industrieanlagen auch. Aber für viele in den USA sind die Investitionskosten trotz der Subventionen immer noch ein großes Hindernis.

In Europa hingegen ist die Begeisterung für diese Technologie – in Haushalten, Gewerbe und Industrie – unübersehbar. An den meisten Orten muss ein Jahr lang auf die Installation einer Wärmepumpe gewartet werden.