Wärmepumpen in Industrie und Gewerbe: Prozesswärme effizient nutzen

Industrielle Prozesswärme steht laut einer Studie des BMWK für über 20 % des deutschen Endenergieverbrauches. Der Großteil dieser Energie wird aktuell noch durch die Verbrennung fossiler Kraftstoffe erzeugt. Betrachtet man zusätzlich noch das Temperaturniveau der genutzten Prozesswärme, dann fällt auf, dass für knapp 30 % der genutzten Prozesswärme Temperaturen unter 150 °C ausreichend sind. Dadurch wird deutlich, dass für einen Großteil der Prozesswärme im Temperaturbereich < 150 °C der Einsatz von Wärmepumpen ausreichend und sinnvoll ist.

Um die ambitionierten Klimaziele der Regierung zu erreichen, ist ein Wechsel auf strombasierte Wärmeerzeuger zwingend notwendig. Zukünftig sollen Wärmepumpen und Solarthermie einen großen Teil dieser fossil erzeugten Wärmemengen ersetzen. Jedoch benötigen solarthermische Anlagen aufgrund Ihrer hohen Fluktuation für eine zuverlässige Versorgung sehr große Wärmespeicher. Für industrielle Prozesse sind sie damit für die meisten Anwendungen nicht die beste Lösung. Hier können Wärmepumpen Abhilfe schaffen und für Prozesswärme im Temperaturbereich < 150 °C eingesetzt werden. Für die Versorgung von Prozessen im höheren Temperaturbereichen sind Wärmepumpen aber nicht die erste Wahl, da deren Effizienz mit steigendem Temperaturhub stetig abnimmt.

Im folgenden Beitrag erläutern wir für Sie die Funktionsweise von Wärmepumpen und welche Vorteile deren Nutzung Ihnen bietet.

Funktionsprinzip und Leistungsklassen von Wärmepumpen

Das Angebot an Wärmepumpen mit hohen Heizleistungen und hohen Vorlauftemperaturen ist in den letzten Jahren stetig gewachsen. Eine weite Produktauswahl deckt inzwischen weitreichende Leistungs- und Temperaturhub-Bereiche ab. Zu den Pionieren im Bereich industrieller Wärmepumpen wie „Oilon“, „Kobe Steal“ oder „Ochsner Energie Technik“, gesellen sich längst auch etablierte Konzerne wie Vissmann oder MAN Energy.

Die Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpe wird im Wesentlichen durch die Wahl des Kältemittels, die Auslegung des Kreislaufes sowie die Art und Leistungsfähigkeit des Verdichters bestimmt. Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Wärmepumpe kann nahezu beliebige Wärmequellen (Außenluft, Erdwärme, Abwasser uvm.) ausnutzen. Mittels elektrischer Energie wird die aufgenommene Wärmeenergie auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben und kann für Heizenergie und Prozesswärme eingesetzt werden. Ziel einer jeden Anlagenauslegung sollte dabei sein, pro eingesetzter elektrischer Energie möglichst viel Wärmeenergie bereitzustellen. Dieser Wert wird in der Jahresarbeitszahl ausgedrückt.

Wärmepumpen sind inzwischen in nahezu allen Leistungsklassen verfügbar. Von Kleinstanlagen als Systemkomponente in Wäschetrocknern bis zu Anlagen zur industriellen Prozesswärmebereitstellung im MW-Bereich. MAN Energy und BASF haben vor kurzem angekündigt, mit einer 120-MW-Anlage am BASF Standort Ludwigshafen eine neue Weltrekordanlage zu errichten. Zwischen einigen 100 W bis zu 120 MW ist also ein breites Portfolio an Systemen verfügbar.

Funktionsprinzip Wärmepumpe (Quelle: Bundesverband Wärmepumpe)

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Analog zu der heimischen Wärmepumpe können auch im industriellen Bereich mithilfe der Jahresarbeitszahl (JAZ) die wirtschaftlichen Gesichtspunkte für den Einsatz einer Wärmepumpe mit alternativen Wärmeerzeugern verglichen werden.

Die Jahresarbeitszahl ist dabei das über das Jahr angefallene Verhältnis von entnommener Wärmeenergie zu eingesetzter elektrischer Energie. Für den Vergleich mit beispielsweise einer Gastherme gilt: Ist der Gaspreis (in €/kWh) höher als der Strompreis für die Wärmepumpe (in €/kWh) geteilt durch die Jahresarbeitszahl, ist die Wärmepumpe in Bezug auf die laufenden Kosten wirtschaftlicher als eine Gasheizung. Diese Betrachtung ist allerdings erst vollständig, wenn die bei einer Wärmepumpe deutlich höheren Investitionskosten eingerechnet werden.

Aufgrund der drastisch gestiegenen Gaspreise in Folge des Ukraine-Kriegs hat sich das Verhältnis des spezifischen Gaspreises zum Strompreis mehrfach geändert. Die aktuellen Schwankungen betreffen dabei sowohl Strom als auch Gaspreise. Dies macht eine belastbare Prognose und damit eine sinnvolle Investitionsentscheidung nahezu unmöglich. Wir empfehlen für alle Wirtschaftlichkeitsberechnungen mehrere Szenarien zu berücksichtigen inklusive der „new-normal“ Zahlen der „Kommission zur Strom- und Gaspreisbremse“.

Für aktuelle Strom- und Gaspreise (Gewerbe) haben wir die Rechnung im Folgenden exemplarisch durchgeführt. Preisstand 30.01.2023

Dieser einfache Überschlag sagt aus, dass ab einer Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe von 3,1 oder höher die laufenden Kosten der Wärmepumpe geringer sind, als die laufenden Kosten eines gasgefeuerten Wärmeerzeugers.

Bei der Betrachtung der Wartungskosten ergeben sich keine massiven Kostendifferenzen zwischen Wärmepumpen und fossilen Wärmeerzeugern.

Der Kältekreislauf einer Wärmepumpe muss regelmäßig auf Dichtigkeit durch einen Kälte-Sachkundigen geprüft werden. Allerdings entfallen bei Einsatz der Wärmepumpe die Schornsteinfegerkosten. Die Ermittlung der genauen Kostenstruktur ist also im Rahmen der individuellen Bedürfnisse zu betrachten.

Für eine qualifizierte Investitionsentscheidung ist die Betrachtung der laufenden Kosten nur ein Teil der Wahrheit und vernachlässigt den Anteil der Investitions- und Kapitalkosten. Die komplexere Technik der Wärmepumpe erfordert einen höheren apparativen Aufwand und damit auch höhere Investitionskosten.

In Deutschland werden die Investitionskosten von Wärmepumpen durch den Staat subventioniert und über staatliche Fördermittel die Investitionsmehrkosten abgesenkt. Es ist der vielfach erklärte politische Wille, den Bestand an Wärmepumpen aller Größenordnungen zu vervielfachen, um perspektivisch eine klimaneutrale Wärmeversorgung zu ermöglichen. Dazu wurden über die Jahre mehrere Förderinstrumente aufgelegt, von denen die beiden wichtigsten Programme zur Prozesswärme im Folgenden erläutert werden.

Prozesswärme aus erneuerbaren Energien (EEW-Modul 2)

Über das BAFA kann eine Förderung für Prozesswärme aus erneuerbaren Energien (Modul 2) beantragt werden. Diese Förderung steht allen Unternehmen offen. Die maximale Förderquote unterscheidet sich allerdings zwischen kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMUs) und Großunternehmen. Großunternehmen können einen Zuschuss bis zu 45 % der förderfähigen Kosten beantragen, während für KMUs die Förderung erst bei 55 % der förderfähigen Kosten gedeckelt sind. Die Förderung kann im Rahmen einer De-minimis Förderung (förderfähige Kosten = Investitionskosten) oder im Rahmen der AGVO (förderfähige Kosten = Investitionsmehrkosten) beantragt werden. Um die Förderung zu erhalten, müssen etliche Voraussetzungen erfüllt werden. Dazu zählen unter anderem:

• Wärmeoutput der Anlage muss zu > 50 % der Prozesswärme genutzt werden
• Genutzte Wärmeenergie darf nicht aus (Prozess-)Abwärme stammen
• Aufzeichnung und Speicherung der eingesetzten Antriebsenergie für min. 3 Jahre
• Weitere technische Effizienzkriterien

Energie- und ressourcenbezogene Optimierung von Anlagen und Prozessen (EEW-Modul 4)

Ebenfalls über das BAFA kann alternativ eine Förderung über Modul 4 der gleichen Förderrichtlinie beantragt werden. Die Fördersätze in Modul 4 sind mit max. 40 % für KMUs und max. 30 % für Großunternehmen etwas niedriger, dafür können dort besondere Anwendungsfälle gefördert werden, die in Modul 2  ausgeschlossen wurden (beispielsweise die Nutzbarmachung von Abwärme). In Modul 4 werden, anders als in Modul 2, die förderfähigen Kosten nicht pauschal mit einer fixen Förderquote verrechnet, sondern über einen Energie-Effizienz-Experten in einem sogenannten Energieeinsparkonzept eine jährliche CO₂-Einsparung berechnet. Die errechnete Einsparung (in t CO₂) wird für KMU mit 900 €/t und Großunternehmen mit 500 €/t gefördert. Jeweils gedeckelt bei 40 % bzw. 30 %. Sollte die anvisierte Maßnahme das Ziel der außerbetrieblichen Abwärmenutzung haben, erhöhen sich die prozentualen Deckel um weitere 10 %. Analog zu Modul 2 haben Beantragende auch in Modul 4 die Wahl zwischen einer Förderung nach De-minimis oder AGVO.

Auch für Modul 4 müssen zahlreiche Anforderungen an den Antrag beachtet werden. Dazu zählen unter anderem:

• Nachweis der jährlichen CO₂-Einsparung durch ein Energieeinsparkonzept, erstellt von einem Energie-Effizienz-Experten
• Nutzung der Anlage gemäß Antrag für min. 3 Jahre
• Amortisationszeit ohne Förderung > 3 Jahre
• Keine fossil befeuerten Anlagen förderfähig

Unbedingt zu beachten:  Beide Module setzen eine Antragstellung vor Bestellung der Maßnahme zwingend voraus. Bereits bestellte Anlagen sind somit nicht förderfähig. 

Steigen Sie auf die effiziente Nutzung von Prozesswärme um.

Als unabhängiger Energie- und Fördermittelberater unterstützen wir Unternehmen bei der Optimierung von Energiekosten und Erreichung von Nachhaltigkeitszielen. Gerne beraten wir Sie zu Ihrem Investitionsprojekt und helfen Ihnen beim Wechsel auf strombasierte Wärmeerzeugung. Kontaktieren Sie uns idealerweise während der Angebotsphase Ihres Projektes.

Sie erreichen uns per Mail unter foerdermittel@energiekosten360.de oder per Telefon unter der +49 6101 9963700. Hier können Sie auch ganz einfach einen Online-Termin vereinbaren.