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Jul 22, 2023

Beim Übergang zu sauberer Energie in Europa setzt die Industrie auf Wärmepumpen

Mit steigenden Gaspreisen aufgrund des Ukraine-Krieges und der Kürzungsbestrebungen der EU

Angesichts der steigenden Gaspreise aufgrund des Ukraine-Kriegs und der Bemühungen der EU, die Emissionen zu senken, stellen europäische Industrien zunehmend auf hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpen um. In Kombination mit dem Boom der Wohnnutzung hofft die EU nun auf eine Revolution der Wärmepumpe.

Von Paul Hockenos

1. Februar 2023

Eine industrielle Wärmepumpe bei der Mars Confectionery in Veghel, Niederlande. GEA

Die Ziegelei Wienerberger 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 ein kostspieliges Unterfangen gewesen, nachdem Russland die Gasexporte nach Europa gekürzt hätte, wie es für den Großteil 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: Sie hat den Gaskessel von Uttendorf durch eine Wärmepumpe im Industriemaßstab ersetzt, was die Energiekosten der Fabrik um rund 456.000 US-Dollar senkt ein Jahr.

Seit Jahrzehnten werden elektrische Wärmepumpen in europäischen Häusern und anderen Gebäuden zum Heizen und Kühlen eingesetzt, doch in der Fertigung, die einen weitaus höheren Energiebedarf für die Warmwasser- und Dampferzeugung hat, haben sie nie großen Anklang gefunden. Und da fossile Brennstoffe lange Zeit relativ billig waren, bestand für die Industrie kaum ein Anreiz, gas- und ölbetriebene Systeme durch umweltfreundlichere Geräte zu ersetzen. Mit der Entwicklung von Wärmepumpen, die Temperaturen von bis zu 320 °F zu einem Bruchteil des Preises von Gaskesseln liefern können, und mit der Tatsache, dass die Gaspreise aufgrund des Krieges in der Ukraine in die Höhe schießen, wird dieses Kalkül nun auf den Kopf gestellt. Viele europäische Unternehmen überdenken ihre Energiequellen und reduzieren gleichzeitig ihre Treibhausgasemissionen, eine EU-Vorgabe. Die europäische Industrie ist für mehr als ein Viertel der Treibhausgasemissionen der Union verantwortlich.

Um ihre hohen Energieziele zu erreichen und ihre Abhängigkeit von russischem Gas zu beenden, setzt die EU auf nichts Geringeres als eine Wärmepumpenrevolution. In vielen Ländern verdoppelte sich der Absatz von Wärmepumpen – vor allem für den privaten Gebrauch – im ersten Halbjahr 2022. In Deutschland, Europas größtem Verbraucher von russischem Gas, stieg die Nachfrage im vergangenen Jahr um 52 Prozent, während das Wachstum in der gesamten EU im Jahr 2021 bei 35 Prozent lag. Unterdessen nimmt der etwas weniger beachtete Übergang zu Wärmepumpen in der Fertigung Fahrt auf. Wienerberger beispielsweise installiert ähnliche Pumpen in seinen Ziegelgießereien in den Niederlanden, Großbritannien, Polen, Rumänien und anderswo in Österreich.

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

Eine Kompressionswärmepumpe kann Luft sowohl erwärmen als auch kühlen. Im Winter erhöht es die Innentemperatur, indem es dem Wasser, aus der Tiefe der Erde oder der Außenluft Wärme entzieht, dann erhöht es die Temperatur mit einer kleinen Menge Strom und transportiert die Luft in den Innenbereich. Selbst Luft mit einer Temperatur von bis zu 10 °F enthält ausreichend Energie, damit eine Wärmepumpe ihre Temperatur extrahieren und erhöhen kann. Im Sommer senken elektrische Wärmepumpen die Innentemperaturen, indem sie der Innenluft Wärme entziehen und diese nach außen leiten. Absorptionswärmepumpen werden nicht mit Strom, sondern mit einer Wärmequelle betrieben. Dabei kann es sich um Erdgas, aber auch um solarerwärmtes Wasser oder sogar um Abwärme aus Rechenzentren oder Abwasserkanälen handeln. Sie bringen diese Wärme auf eine „nützliche“ Temperatur und geben sie dann entweder als warme Luft oder als heißes Wasser ab.

Wärmepumpen nutzen Elektrizität, um ein Kältemittel zu komprimieren und so 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 aus, wodurch sie sich erwärmt bzw. abkühlt. Da Wärmepumpen nur Flüssigkeiten bewegen, können sie mehr als doppelt so energieeffizient sein wie Heizgeräte, die Kraftstoff verbrennen.

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) sind Wärmepumpen drei- bis fünfmal effizienter als Gas. Und wenn sie mit Sonne, Wind, Wasserkraft oder Abwärme betrieben werden, verursachen sie überhaupt keine Emissionen.

Im Gegensatz zu Wohnwärmepumpen, deren Außenkomponenten etwa die Größe einer Waschmaschine haben, können Industrieversionen – so groß wie ein Haus – die verschwendete „Prozessenergie“ von Fabriken nutzen, um die Wassertemperaturen auf über 374 °F zu erhöhen. In den Wienerberger Werken beispielsweise verbrauchen Ziegeltrockner enorme Mengen an Energie, wobei in der Trockenkammer hauptsächlich Wasserdampf freigesetzt wird. Dieses wird zu heißem Wasser kondensiert. Die Wärmepumpen erhöhen dann die Temperatur von etwa 104 °F auf etwa 194 °F und führen es dem Trocknungsprozess zurück. Da die Energiequelle der Wärmepumpe die Abwärme selbst ist, verbraucht dieser Ablauf fast 80 Prozent weniger Energie als bei einem Gasbetrieb.

„Das System ist ein geschlossener Kreislauf“, sagt Johannes Rath, Vorstand Technik bei Wienerberger. „Weil wir mit höheren Temperaturen beginnen, erhalten wir höhere Temperaturen“ als diejenigen, die von Wohnpumpen erzeugt werden.

In Norwegen hergestellte Prototypen von Wärmepumpen arbeiten bereits bei etwa 356 °F, und Experten gehen davon aus, dass Ingenieure innerhalb eines Jahrzehnts Technologien entwickeln werden, die Temperaturen von über 392 °F erreichen. Dieser Fortschritt würde immer mehr Prozesse in der energieintensiven Chemie-, Papier-, Lebensmittel- und Raffineriebranche für die Wärmepumpentechnologie öffnen.

Diese Art von Hochleistungswärmepumpen werden in Hotels, Restaurants, Konditoreien, Lagerhäusern, Schwimmbädern, Gewächshäusern, in der chemischen Produktion und beim Trocknen von Materialien wie Papier und Stärke eingesetzt. Absorptionswärmepumpen eignen sich besonders für Anlagen, die sowohl Heizen als auch Kühlen nutzen.

Das finnische Unternehmen Kiilto beispielsweise stellt Chemikalien wie Klebstoffe für den Bausektor her. Das Werk in Lempäälä nutzt eine hybride Industriewärmepumpe, um Wärme aus elektrischen Kühlprozessen vor Ort sowie aus einer nahegelegenen Geothermiequelle zurückzugewinnen und die Temperaturen auf bis zu 167 °F zu erhöhen.

In der Mars Wrigley Confectionery in den Niederlanden, der größten Schokoladenfabrik der Welt, entzieht und verstärkt eine Wärmepumpe den Kühleinheiten ansonsten nicht nutzbare Abwärme und erzeugt so bis zu 145 °F heißes Wasser. 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 Gas eingespart – das entspricht der Energiemenge, die 625 europäische Haushalte verbrauchen. Eine zweite Wärmepumpe erhitzt das Wasser zur Reinigung auf 176 °F, was zu einer zusätzlichen Einsparung von 12,25 Terajoule führt.

Wasser ist eine weitere brauchbare Wärmequelle. Die Inntal-Gärtnerei (deutsch) in Bayern 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 heizen. Das Wasser wird in die Wärmepumpe gesaugt, auf 95 °F erwärmt, durch das Fußbodenheizungssystem geleitet, dann abgekühlt und in den Fluss zurückgeleitet.

Ein aktueller Neuzugang ist der deutsche Chemieriese BASF, der MAN, ein deutsches Maschinenbauunternehmen, das für seine Lastkraftwagen 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 wird die Abwärme von Kühlprozessen nutzen, um 150 Tonnen Dampf pro Stunde zu produzieren und so zu verhindern, dass jährlich schätzungsweise 390.000 Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen.

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 Preis im Dezember – sind die Einsparungen erheblich.

Die EU sieht den Ausbau von Wärmepumpen sowohl für Industrie- als auch für nichtindustrielle Gebäude als entscheidend für ihr Ziel an, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 55 Prozent zu senken. Ihre REPowerEU-Initiative zielt darauf ab, den Ersatz von bis zu einem Drittel zu beschleunigen der 150 Millionen im Einsatz befindlichen Thermokessel mit Wärmepumpen. Eine zunehmende Zahl großer Wärmepumpen wird Fernwärmenetze entweder mit Dampf oder heißem Wasser versorgen, wie dies in Norwegen, Schweden und Dänemark der Fall ist. Die Ausarbeitung klimafreundlicher Bauvorschriften, die Verwendung von recyceltem Material beim Bau von Gebäuden, die Installation hochmoderner Isolierungen und die Intensivierung der Energieeinsparung könnten die Energieeinsparungen weiter vorantreiben.

Die deutsche Denkfabrik Agora Energiewende schätzt, dass eine umfassende Umstellung auf Wärmepumpen für Privathaushalte und Industrie in Kombination mit Effizienzmaßnahmen den Erdgasverbrauch in der EU in fünf Jahren um 32 Prozent senken könnte. Zusammen mit der erhöhten Versorgung mit Flüssigerdgas 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 932 °F zu erreichen, prognostiziert die Denkfabrik, dass Elektrizität Gas noch weiter verdrängen könnte.

Wachstumsraten der Wärmepumpenverkäufe 2020–2021 in mehreren Ländern.

In einem kürzlich veröffentlichten Papier schätzt die Internationale Energieagentur, dass die EU ihre Gasimporte um 65 Milliarden US-Dollar einsparen könnte, wenn die gesamte Union auf Wärmepumpen umsteigen würde – für den privaten, gewerblichen und industriellen Gebrauch. Es geht davon aus, dass Wärmepumpen bis 2050 den größten Teil des weltweiten Heiz- und Kühlbedarfs decken werden.

Es wird erwartet, dass Anreize und Subventionen auf EU- und nationaler Ebene den Wandel der europäischen Industrie beschleunigen werden. Der Ziegelhersteller Wienerberger beispielsweise rechnet damit, für neue Kompressionspumpensysteme in ganz Europa 2,72 bis 3,26 Millionen US-Dollar pro Stück zahlen zu müssen, wovon 20 bis 40 Prozent der Kosten durch Subventionen gedeckt werden sollen. Sie werden mit Strom betrieben, der von Sonnenkollektoren erzeugt wird.

Was die Vereinigten Staaten betrifft, die zum Heizen weitgehend auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, zeigt ein Bericht, dass der Ausbau von Wärmepumpen in Einfamilienhäusern die Emissionen um 142 Millionen Tonnen pro Jahr senken könnte, was zu einer Reduzierung der Emissionen im Energiesektor um 14 Prozent führen könnte. Für US-Hausbesitzer kostet eine Standard-Luftwärmepumpe etwa 3.500 bis 7.500 US-Dollar. Das Inflation Reduction Act von Präsident Joe Biden sieht Subventionen und Steuergutschriften von bis zu 30 Prozent des Preises einer häuslichen Wärmepumpe vor (oder mehr für Haushalte mit niedrigem und mittlerem Einkommen). Das Gesetz erlaubt auch Anreize für Industrieanlagen. Doch für viele in den USA stellen die Investitionskosten trotz der Subventionen immer noch ein großes Hindernis dar.

In Europa ist jedoch die Begeisterung für diese Technologie – in Wohnhäusern, Gewerbegebäuden und der Industrie – auffällig. An den meisten Orten muss man ein Jahr auf die Installation einer Wärmepumpe warten.

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