Groß-Wärmepumpen in der Industrie - Potenziale, Hemmnisse und
Groß-Wärmepumpen in der Industrie - Potenziale, Hemmnisse und
Groß-Wärmepumpen in der Industrie - Potenziale, Hemmnisse und
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Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
<strong>Potenziale</strong>, <strong>Hemmnisse</strong> <strong>und</strong> Best-Practice-Beispiele<br />
Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg<br />
J. Lambauer, M. Ohl, M. Blesl, U. Fahl, A. Voß<br />
Groß-Wärmepumpen-Symposium<br />
12. Juni 2008, Stuttgart
Inhalt<br />
● Stand <strong>der</strong> Technik<br />
● Marktanalyse<br />
● Best-Practice-Beispiele<br />
● Hemmnisanalyse<br />
● Randbed<strong>in</strong>gungen für den E<strong>in</strong>satz von Groß-Wärmepumpen (GWP)<br />
● Potenzialanalyse<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
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Stand <strong>der</strong> Technik<br />
● Leistungsbereich von 100 kW bis 1500 kW Heizleistung (bis 34 MW)<br />
● Arbeitsmittel: R 134a, R 407c<br />
● Spiralverdichter (Scrollverdichter) bis ca. 200 kW Heizleistung,<br />
Kolbenverdichter bis ca. 400 kW, größere Anlagen (80-2.500 kW) mit<br />
Schraubenverdichter, Turb<strong>in</strong>enverdichter im Bereich < 600 kW<br />
● Anzahl <strong>der</strong> Verdichter: 1 - 4 Stück (bis 6)<br />
● COP: 2,4 - 5,3 (Limit 6 - 7)<br />
● Maximale Vorlauftemperatur 65 °C bis 70 (75) °C e<strong>in</strong>stufig, bis 80 °C<br />
zweistufig<br />
● Plattenwärmetauscher für Flüssigkeiten 5 - 500 kW,<br />
Bündelrohrwärmetauscher für Flüssigkeiten 50 - 2.000 kW,<br />
Lamellenwärmetauscher für Gase 5 - 500 kW<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
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Marktanalyse<br />
● Ger<strong>in</strong>ge Anzahl an GWP-Herstellern im Bereich > 100 kW<br />
● Teilweise unübersichtliche Darstellung <strong>der</strong> Produktpaletten im Groß-<br />
Wärmepumpenbereich<br />
● Haupte<strong>in</strong>satzbereich Raumwärme / Brauchwarmwasser<br />
● Nutzung von Abwasser mit wachsen<strong>der</strong> Bedeutung (siehe Schweiz)<br />
● Informationen <strong>der</strong> Verbände nicht vorhanden bzw. veraltet<br />
● Ke<strong>in</strong>e Bestandszahlen für „Groß-Wärmepumpen“ verfügbar<br />
● Neue Anwendung: „Gas-Klimageräte“ mit Bedeutung für GHD-Sektor<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
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Best-Practice-Beispiele<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
E<br />
F<br />
G<br />
H<br />
Art Nutzung Wärmequelle Bemerkung<br />
elektr. WP<br />
90 kWth<br />
elektr. WP<br />
500 kWth<br />
elektr. WP<br />
970 kWth<br />
Gas-WP<br />
400 kW th<br />
elektr. WP<br />
970 kWth<br />
elektr. WP<br />
324 kW th<br />
elektr. WP<br />
430 kW th<br />
elektr. WP<br />
430 kW th<br />
Raumwärme<br />
Heizwärme<br />
Abwärme von<br />
Spritzgussmasch<strong>in</strong>en<br />
Masch<strong>in</strong>enabwärme<br />
(Kühlturm)<br />
Klimatisierung Produktionsabwärme<br />
Entfeuchtung /<br />
Wassererwärmung<br />
Feuchte Luft<br />
Beheizung Produktionsabwärme<br />
Klimatisierung Gr<strong>und</strong>wasser<br />
Klimatisierung<br />
Gr<strong>und</strong>wasser<br />
Klimatisierung Gr<strong>und</strong>wasser<br />
Raumwärme<br />
Bivalenter Betrieb (Öl)<br />
37 % WP-Anteil<br />
Raumwärme<br />
Bivalenter Betrieb (Gas)<br />
68 % WP-Anteil<br />
Monovalenter Betrieb<br />
Investitionsgutschrift für<br />
Wegfall Kälteanlage<br />
Bivalenter Betrieb (Gas)<br />
66 % WP-Anteil<br />
Raumwärme<br />
Bivalenter Betrieb (Gas)<br />
17 % WP-Anteil<br />
Neubau<br />
Monovalenter Betrieb<br />
Neubau<br />
Bivalenter Betrieb (Gas)<br />
51 % WP-Anteil (Heizen)<br />
Neubau<br />
Monovalenter Betrieb<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 5 / 25
Best-Practice-Beispiele: Berechnungen<br />
● Endenergieverbrauch<br />
● Primärenergieverbrauch<br />
● CO 2 -Emissionen<br />
● Amortisationszeit<br />
● Kosten zur Nutzenergiebereitstellung (Wie<strong>der</strong>beschaffungswert)<br />
● Sensitivitätsanalyse (Variation des COP <strong>und</strong> <strong>der</strong> Energiepreise)<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
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Rahmenannahmen für Berechnungen<br />
Preise<br />
<strong>Industrie</strong><br />
CO 2 -Emissionsfaktor<br />
Deutschland-Mix<br />
Mittellast<br />
Quelle: VDEW<br />
Annuität<br />
Diskontsatz<br />
Jahre<br />
Annuitätsfaktor<br />
Öl<br />
[€/kWh]<br />
0,049<br />
Öl<br />
[kg/kWh]<br />
0,2664<br />
0,2664<br />
Strom<br />
Wärmepumpe<br />
9 %<br />
20<br />
0,109546475<br />
Gas<br />
[€/kWh]<br />
0,037<br />
Gas<br />
[kg/kWh]<br />
0,2016<br />
0,2016<br />
Strom<br />
[€/kWh]<br />
0,107<br />
Strom<br />
[kg/kWh]<br />
0,5760<br />
0,7056<br />
Gas Wärmepumpe<br />
9 %<br />
15<br />
0,124058883<br />
Quelle:destatis 2008<br />
Primärenergiefaktoren<br />
Brunnenanlage<br />
0,09122687<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 7 / 25<br />
9 %<br />
50<br />
Öl<br />
1,10<br />
Gas<br />
1,10<br />
Quelle: VDI 2067 Blatt 1<br />
Strom<br />
2,70<br />
Quelle: DIN V 18599-1
Endenergie pro Nutzenergie [%]<br />
Vergleich Endenergieverbrauch<br />
120%<br />
100%<br />
80%<br />
60%<br />
40%<br />
20%<br />
0%<br />
E<strong>in</strong>sparung 13 % Pkt.<br />
79%<br />
51%<br />
23%<br />
78%<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 8 / 25<br />
98%<br />
E<strong>in</strong>sparung 79 % Pkt.<br />
konventionell Mit WP<br />
22%<br />
57%<br />
A B C D E F G H<br />
25%
Primärenergie pro Nutzenergie [%]<br />
Vergleich Primärenergieverbrauch<br />
140%<br />
120%<br />
100%<br />
80%<br />
60%<br />
40%<br />
20%<br />
0%<br />
103%<br />
E<strong>in</strong>sparung 5 % Pkt.<br />
87%<br />
63%<br />
85%<br />
117%<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 9 / 25<br />
59%<br />
E<strong>in</strong>sparung 59 % Pkt.<br />
konventionell Mit WP<br />
85%<br />
A B C D E F G H<br />
68%
Vergleich CO 2 -Emissionen<br />
Verbleibende CO2 Emissionen mit<br />
Wärmepumpe [%/a]<br />
100%<br />
90%<br />
80%<br />
70%<br />
60%<br />
50%<br />
40%<br />
30%<br />
20%<br />
10%<br />
0%<br />
82%<br />
E<strong>in</strong>sparungen von 2 % bis 45 % möglich<br />
78%<br />
59%<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 10 / 25<br />
70%<br />
98%<br />
55%<br />
74%<br />
A B C D E F G H<br />
64%
Vergleich Amortisationszeit (statisch)<br />
Jahre<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
3,5<br />
5,9<br />
6,2<br />
6,7<br />
A B C D E F G H<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 11 / 25<br />
6,6<br />
1,9<br />
1,5<br />
2,4
Cent/kWh<br />
Kostenvergleich Nutzenergiebereitstellung<br />
(Raumwärme, Brauchwasser, Klimatisierung)<br />
Differenz 0,03 cent/kWh<br />
6,0<br />
5,0<br />
4,0<br />
3,0<br />
2,0<br />
1,0<br />
0,0<br />
5,5<br />
4,9<br />
4,1 3,8<br />
4,2<br />
3,6<br />
4,1 3,9<br />
4,1 4,1<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 12 / 25<br />
4,3<br />
Differenz 1,45 cent/kWh<br />
konventionell mit WP<br />
A B C D E F G H<br />
2,9<br />
4,3<br />
3,4<br />
4,4<br />
3,4
E<strong>in</strong>sparung [€/a]<br />
E<strong>in</strong>sparung <strong>in</strong> Relation zum COP gesamt – Fall C<br />
6.000<br />
4.000<br />
2.000<br />
0<br />
-2.000<br />
-4.000<br />
-6.000<br />
-8.000<br />
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6<br />
COP gesamt<br />
85%, <strong>Industrie</strong><br />
90%, <strong>Industrie</strong><br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 13 / 25
Sensitivitätsanalyse – Amortisationszeit <strong>in</strong> Abhängigkeit von Strom -<br />
<strong>und</strong> Gaspreis (Fall C)<br />
Variation des Gaspreises<br />
100%<br />
80%<br />
60%<br />
40%<br />
20%<br />
0%<br />
-20%<br />
-40%<br />
-60%<br />
-80%<br />
1,5 Jahre<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
Amortisationszeit [a]<br />
0 % Strom: 6,2 Jahre<br />
-80% Strom -70% Strom -60% Strom -50% Strom -40% Strom -30% Strom<br />
-20% Strom -10% Strom 0% Strom +10% Strom +20% Strom +30% Strom<br />
+40% Strom +50% Strom +60% Strom +70% Strom +80% Strom<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 14 / 25
Variation des Gaspreises<br />
Sensitivitätsanalyse – Differenz <strong>der</strong> Nutzenergiebereitstellungskosten<br />
konventionell - WP (Fall C)<br />
100%<br />
80%<br />
60%<br />
40%<br />
20%<br />
0%<br />
-20%<br />
-40%<br />
-60%<br />
-80%<br />
-100%<br />
0 % Strom: 0,5 cent/kWh<br />
+ 20 % Strom<br />
-6,0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0<br />
Differenz Nutzenergiebereitstellungskosten (konventionell-WP) [Cent/kWh]<br />
-80% Strom<br />
-70% Strom<br />
-60% Strom<br />
-50% Strom<br />
-40% Strom<br />
-30% Strom<br />
-20% Strom<br />
-10% Strom<br />
0% Strom<br />
+10% Strom<br />
+20% Strom<br />
+30% Strom<br />
+40% Strom<br />
+50% Strom<br />
+60% Strom<br />
+70% Strom<br />
+80% Strom<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 15 / 25
E<strong>in</strong>sparungen durch den E<strong>in</strong>satz <strong>der</strong> GWP (Gesamtsystem)<br />
Reduktion durch den E<strong>in</strong>satz e<strong>in</strong>er<br />
Wärmepumpe (Gesamtsystem)<br />
100%<br />
90%<br />
80%<br />
70%<br />
60%<br />
50%<br />
40%<br />
30%<br />
20%<br />
10%<br />
0%<br />
18%<br />
29%<br />
15%<br />
11%<br />
22%<br />
54%<br />
29%<br />
CO2 Emissionen Endenergie<br />
Primärenergie Kosten Nutzenergiebereitstellung<br />
8%<br />
41%<br />
76%<br />
48%<br />
13%<br />
30% 30% 30%<br />
5% 2%<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 16 / 25<br />
12%<br />
4%<br />
1%<br />
A B C D E F G H<br />
45%<br />
74%<br />
50%<br />
34%<br />
26%<br />
42%<br />
29%<br />
20%<br />
36%<br />
76%<br />
44%<br />
23%
<strong>Hemmnisse</strong><br />
● Konkurrenz durch konventionelle Wärmerückgew<strong>in</strong>nung<br />
● Konkurrierende Technologien zur Abdeckung höherer Temperaturbereiche<br />
bereits <strong>in</strong>stalliert<br />
● Prozessspezifische Auslegung notwendig<br />
● E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung <strong>in</strong> bestehende Systeme aufwändig <strong>und</strong> kosten<strong>in</strong>tensiv<br />
● Gefor<strong>der</strong>te Amortisationszeit ≤ 4 Jahre (Prozesstechnik ≤ 2 Jahre,<br />
Gebäude/Heizung ≤ 6 - 8 Jahre)<br />
● Risiken h<strong>in</strong>sichtlich <strong>der</strong> Produktionssicherheit<br />
● Realisierbares Temperaturniveau für viele Anwendungen bislang zu ger<strong>in</strong>g<br />
● Fehlendes Wissen h<strong>in</strong>sichtlich Prozesstechnologien <strong>und</strong> <strong>der</strong> Groß-Wärmepumpentechnik<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong>, Beratungsfirmen, Versorgungsunternehmen,<br />
etc.<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 17 / 25
Randbed<strong>in</strong>gungen für den E<strong>in</strong>satz von GWP<br />
● Abwärme auf für Groß-Wärmepumpen nutzbarem Temperaturniveau<br />
vorhanden<br />
● Abwärme <strong>in</strong> ausreichen<strong>der</strong> Menge vorhanden<br />
● Abwärme zeitnah zur Nutzung vorhanden<br />
● Bedarf an Nutzwärme mit e<strong>in</strong>er Temperatur von max. 70 °C (heute)<br />
● Hohe Betriebsdauer (Betriebsst<strong>und</strong>en <strong>der</strong> Groß-Wärmepumpe)<br />
● Auswahl geeigneter Wärmetauscher, um e<strong>in</strong>en wartungsarmen<br />
Betrieb zu gewährleisten sowie die Temperaturverluste zu<br />
m<strong>in</strong>imieren<br />
● …<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 18 / 25
Technische Potenzialanalyse Deutschland<br />
Wärmebedarf [PJ/a]<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Ernährung<br />
31<br />
7<br />
Textil<br />
Holz<br />
7<br />
Papier<br />
12<br />
Chemie<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 19 / 25<br />
27<br />
Kunststoff<br />
231 PJ/a<br />
Prozesswärme bis 70 °C<br />
Raumwärme bis 70 °C<br />
Warmwasser<br />
22<br />
Metall<br />
24<br />
Automobil<br />
30<br />
Sonstige<br />
72
Technische Potenzialanalyse Deutschland<br />
Wärmebedarf [PJ/a]<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Ernährung<br />
40<br />
7<br />
Textil<br />
Holz<br />
7<br />
Papier<br />
12<br />
Chemie<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 20 / 25<br />
29<br />
Kunststoff<br />
231 PJ/a<br />
Prozesswärme bis 80 °C<br />
Raumwärme bis 80 °C<br />
Warmwasser<br />
22<br />
Metall<br />
24<br />
Automobil<br />
30<br />
Sonstige<br />
72
Technische Potenzialanalyse Deutschland<br />
Wärmebedarf [PJ/a]<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Ernährung<br />
55<br />
9<br />
Textil<br />
Holz<br />
7<br />
122<br />
Papier<br />
Chemie<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 21 / 25<br />
42<br />
Kunststoff<br />
231 PJ/a<br />
Prozesswärme bis 100 °C<br />
Raumwärme bis 100 °C<br />
Warmwasser<br />
22<br />
Metall<br />
24<br />
Automobil<br />
33<br />
Sonstige<br />
76
Potenzialanalyse Deutschland - Ergebnisse<br />
● Warmwasser: 15 PJ/a<br />
● Raumwärme*: 173 PJ/a<br />
● Prozesswärme bis 70 °C: 55 PJ/a<br />
● Prozesswärme bis 80 °C: 66 PJ/a<br />
● Prozesswärme bis 100 °C: 202 PJ/a<br />
� Groß-Wärmepumpen* könnten ca. 390 PJ pro Jahr bereitstellen<br />
15 % des Energiebedarfs <strong>und</strong> 30 % des Nutzwärmebedarfs <strong>der</strong> deutschen <strong>Industrie</strong><br />
(Stand 2006)<br />
� Reduktion <strong>der</strong> CO 2 -Emissionen von ca. 6,34 Mio. Tonnen pro Jahr<br />
6,2 % <strong>der</strong> CO 2 -Emissionen <strong>der</strong> deutschen <strong>Industrie</strong> (Stand 2005) * Ausgangstemperatur 100 °C<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 22 / 25
Zusammenfassung<br />
● Hauptanwendungen s<strong>in</strong>d Brauchwarmwasser <strong>und</strong> Raumwärme<br />
● Für e<strong>in</strong>e Vielzahl von <strong>in</strong>dustriellen Prozessen ist die im Moment<br />
darstellbare Ausgangstemperatur noch zu ger<strong>in</strong>g<br />
● Für den E<strong>in</strong>satz von Groß-Wärmepumpen müssen bestimmte<br />
Randbed<strong>in</strong>gungen e<strong>in</strong>gehalten werden, um zufriedenstellende<br />
Ergebnisse zu erhalten<br />
● Im Moment haben Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong> das Potenzial<br />
231 PJ/a bereitzustellen (≤ 70 °C) <strong>und</strong> ca. 4 Mio. Tonnen CO2 zu<br />
vermeiden<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 23 / 25
Danksagung<br />
● Dieses Projekt wurde <strong>in</strong> Kooperation mit <strong>der</strong> Firma Ochsner<br />
Wärmepumpen GmbH bearbeitet<br />
● Diese Untersuchung wurde von <strong>der</strong> Stiftung Energieforschung<br />
Baden-Württemberg unter <strong>der</strong> För<strong>der</strong>nummer A 230 05 als Teil des<br />
Projektes „<strong>Industrie</strong>lle Großwärmepumpen - <strong>Potenziale</strong>, <strong>Hemmnisse</strong><br />
<strong>und</strong> Musterbeispiele“ geför<strong>der</strong>t<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 24 / 25
IER<br />
Vielen Dank für Ihre<br />
Aufmerksamkeit<br />
Institut für Energiewirtschaft &<br />
Rationelle Energieanwendung<br />
Heßbrühlstr. 49a, 70565 Stuttgart<br />
Tel.: +49 711 / 685 878 75<br />
E-mail: Jochen.Lambauer@ier.uni-stuttgart.de<br />
Lambauer, Ohl, Blesl, Fahl, Voß Groß-Wärmepumpen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Industrie</strong><br />
12.06.2008 25 / 25
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