Wie man Wärmepumpen zur Verbesserung industrieller Prozesse einsetzt

Dekarbonisierung des Betriebs mit industriellen Wärmepumpen

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    Im Zuge der weltweiten Entwicklung hin zu nachhaltigen Praktiken sucht die Industrie ständig nach innovativen Wegen, um industrielle Prozesse und den Energieverbrauch zu optimieren und ihre Umweltbelastung zu reduzieren. Eine vielversprechende Lösung für Prozessingenieure in der Industrie ist der Einsatz von industriellen Wärmepumpen zur Aufwertung der aus Abwärme gewonnenen Energie. Diese Technologie birgt das Potenzial, nicht nur die Energieeffizienz zu verbessern, sondern auch einen Beitrag zur Emissionskontrolle zu leisten. In diesem Blog befassen wir uns mit den Vor- und Nachteilen industrieller Wärmepumpen und damit, wie sie zur optimalen Nutzung der Abwärmerückgewinnung eingesetzt werden können.

    Warum sind industrielle Wärmepumpen wichtig?

    Die meisten Hersteller haben erkannt, dass sie sich von fossilen Ressourcen unabhängig machen und die Elektrifizierung vorantreiben müssen, um industrielle Prozesse zu dekarbonisieren. Im Bereich der industriellen Fertigung wurde der Begriff„Abwärme“ lange Zeit mit Ineffizienz und verlorenem Potenzial in Verbindung gebracht. Die Fortschritte in der Wärmepumpentechnologie haben jedoch eine Möglichkeit geschaffen, aus dieser Abwärme einen Wert zu schöpfen, indem sie in nützliche Wärme mit höherer Temperatur umgewandelt wird. Dieser Prozess reduziert nicht nur die Abhängigkeit von Primärenergiequellen, sondern steht auch im Einklang mit den Zielen der Nachhaltigkeit, was ihn für Verfahrenstechniker attraktiv macht. Kurzum, die Hersteller haben folgende Gründe, Wärmepumpen in ihre Energierückgewinnungsprozesse zu integrieren:

    • Aufbereitung von rückgewonnener (minderwertiger) Abwärme
    • Großes Kosteneinsparungspotenzial
    • Bewährte und zuverlässige Technologie mit einer Vielzahl von Anwendungen
    • Verbesserung der Gesamteffizienz von Wärmerückgewinnungssystemen in Kombination mit Hochtemperatur-Wärmepumpen
    • Deutliche CAPEX- und erhebliche OPEX-Verbesserungen

    Was ist eine industrielle Wärmepumpe?

    Bevor wir uns mit den Einzelheiten befassen, sollten wir definieren, was eine industrielle Wärmepumpe ist. Im Grunde genommen ist eine Wärmepumpe ein Gerät, das thermische Energie von einer Quelle mit niedrigerer Temperatur auf eine Senke mit höherer Temperatur überträgt, indem es mechanische Arbeit oder eine geringe Menge externer Energie einsetzt. In der Industrie nimmt eine industrielle Wärmepumpe Abwärme mit einer relativ niedrigen Temperatur auf und„verbessert“ sie auf eine höhere Temperatur, so dass sie für verschiedene Anwendungen im Produktionsprozess geeignet ist.

    Eine Wärmepumpe nutzt die Wärme eines Lieferanten (z.B. aus dem Abwasser eines Wäschers oder aus heißer Luft / Prozesswärme aus einem Entstaubungssystem) von einer niedrigeren auf eine höhere Temperatur. Es gibt eine große Vielfalt an industriellen Wärmepumpen, die sie für verschiedene Anwendungen und Verbraucher sehr attraktiv macht.

    Wie funktioniert eine industrielle Wärmepumpe?

    Um zu verstehen, wie industrielle Wärmepumpen die aus Abwärme zurückgewonnene Energie aufwerten, sollten wir uns mit der grundlegenden Funktionsweise eines Wärmepumpensystems beschäftigen. Im Grunde funktioniert eine industrielle Wärmepumpe nach dem gleichen Prinzip wie ein Haushaltskühlschrank, nur in umgekehrter Richtung. Sie überträgt thermische Energie von einer Quelle mit niedriger Temperatur auf eine Senke mit hoher Temperatur, indem sie mechanische Arbeit verrichtet.

    Zu den grundlegenden Komponenten einer industriellen Wärmepumpenanlage gehören:

    • Verdampfer: Der Verdampfer ist der Ort, an dem die Abwärmequelle mit niedriger Temperatur, wie z.B. Abgase oder Kühlwasser, mit einem Kältemittel oder einer Arbeitsflüssigkeit interagiert. Die Abwärme bringt das Kältemittel zum Verdampfen und absorbiert dabei Energie.
    • Kompressor: Das verdampfte Kältemittel wird dann von einem Kompressor verdichtet. Durch die Komprimierung des Gases steigen seine Temperatur und sein Druck, wodurch ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck entsteht.
    • Verflüssiger: Das Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck wird durch den Verflüssiger geleitet, wo es Wärme an die Hochtemperatursenke abgibt. Diese Wärmeübertragung bewirkt, dass das Kältemittel wieder in den flüssigen Zustand kondensiert.
    • Expansionsventil: Das kondensierte flüssige Kältemittel wird dann durch ein Expansionsventil oder eine Drosselvorrichtung geleitet. Durch diese Expansion kühlt das Kältemittel schnell ab und verdampft, wodurch seine Temperatur und sein Druck sinken und es wieder für den Verdampfer vorbereitet wird.

    Indem das Wärmepumpensystem diese Prozesse zyklisch durchläuft, überträgt es kontinuierlich Wärme von der Abwärmequelle auf die Senke mit höherer Temperatur und wertet die thermische Energie auf diesem Weg auf. Diese aufbereitete Wärme kann dann für verschiedene industrielle Prozesse verwendet werden, die höhere Temperaturen erfordern, wie z.B. die Dampferzeugung oder die industrielle Trocknung.

    Die Fähigkeit einer industriellen Wärmepumpe, Abwärme aufzuwerten, liegt in ihrer Fähigkeit, Wärmeenergie gegen das natürliche Temperaturgefälle zu „pumpen“. Für diesen Prozess wird Energie benötigt, in der Regel in Form von Strom für den Betrieb des Kompressors. Die aus der Abwärme gewonnene Energie wird so verstärkt und in eine wertvollere Form umgewandelt, wodurch ein Nettovorteil in Bezug auf Energienutzung und Effizienz entsteht.

    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine industrielle Wärmepumpe ein hochentwickeltes System zur Energieaufwertung ist, das durch eine Reihe von thermodynamischen Prozessen Niedertemperatur-Abwärme in nutzbare Hochtemperaturwärme umwandelt. Indem sie sich diese Prinzipien zunutze machen, können Verfahrenstechniker die Energieeffizienz maximieren, Emissionen reduzieren und zu nachhaltigen industriellen Praktiken beitragen.

    Wie lassen sich Wärmepumpen zur Aufwertung industrieller Abwärme einsetzen?

    Der Prozess der Aufbereitung industrieller Abwärme mit Hilfe von Wärmepumpen umfasst mehrere wichtige Schritte:

    • Identifizierung von Wärmequellen: Identifizieren Sie Quellen von Abwärme innerhalb des industriellen Prozesses, wie Abgase, Kühlwasser oder Prozessströme. Diese Quellen sollten einen Temperaturgradienten aufweisen, der sie für die Integration einer Wärmepumpe geeignet macht.
    • Auswahl der Wärmepumpe: Wählen Sie ein geeignetes Wärmepumpensystem anhand von Faktoren wie dem Temperaturunterschied zwischen der Abwärmequelle und der gewünschten Leistung sowie der erforderlichen Wärmekapazität. Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, darunter Luft-, Wasser- und Erdwärmepumpen, die jeweils ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen haben.
    • Wärmeaustausch und Aufwertung: Das Wärmepumpensystem entzieht der Abwärmequelle mithilfe eines Kältemittels oder einer Arbeitsflüssigkeit thermische Energie. Durch die Anwendung von Kompressions- und Expansionszyklen hebt die Wärmepumpe die Energie auf ein höheres Temperaturniveau an, so dass sie für bestimmte industrielle Prozesse genutzt werden kann.

    Was sind Lieferanten von industrieller Abwärme?

    Industrielle Abwärme kann bei verschiedenen Prozessen anfallen, darunter:

    • Abgase: Energiereiche Abgase aus Verbrennungsprozessen, z.B. aus Kesseln oder Öfen.
    • Kühlwasser: Heißes Wasser, das für Kühlzwecke in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet wird.
    • Prozessströme: Flüssigkeitsströme, die in Herstellungsprozessen verwendet werden und erhebliche Mengen an thermischer Energie enthalten können.

    Im Bereich der Emissionskontrolle machen wir häufig Gebrauch von der erhitzten Waschflüssigkeit. Siehe mehr Energierückgewinnungswäscher oder die von Entstaubungsanlagen erzeugte Heißluft.

    Was ist die Leistungszahl (COP) beim Einsatz von Wärmepumpen?

    Die Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) ist eine entscheidende Kennzahl bei der Bewertung der Effizienz einer Wärmepumpe. Er ist definiert als das Verhältnis zwischen der aufbereiteten Wärmeleistung und der für den Betrieb der Wärmepumpe erforderlichen Energie. Mit anderen Worten, es ist die Differenz zwischen der gesamten Energie, die in das System einfließt und die es verlässt.

    Ein höherer COP bedeutet eine größere Effizienz bei der Nutzung der Abwärme für nützliche Zwecke. Ingenieure sollten den COP bei der Auswahl und Auslegung von Wärmepumpensystemen berücksichtigen, um optimale Energieeinsparungen zu gewährleisten.

    Wenn eine Wärmepumpe einen COP-Wert von 5 hat, bedeutet dies, dass die Zugabe von 1 kW elektrischer Energie erforderlich ist, um eine Wärmeabgabe von 4 kW am Verflüssiger zu erreichen. Auf der Verdampferseite werden 4-4,5 kW Wärme entzogen. Die zusätzliche Wärme wird durch den Kompressor erzeugt.

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    Welche Kältemittel werden für industrielle Wärmepumpen verwendet?

    Bei industriellen Wärmepumpensystemen spielt die Wahl der Kältemittel eine entscheidende Rolle für einen effizienten und umweltfreundlichen Betrieb. Kältemittel sind Substanzen, die im Wärmepumpenkreislauf verwendet werden, um Wärme von der Niedrigtemperaturquelle zur Hochtemperatursenke zu übertragen. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass nicht alle Kältemittel in Bezug auf ihre Umweltauswirkungen gleich sind.

    In der Vergangenheit wurden in vielen Wärmepumpensystemen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW) als Kältemittel verwendet. Diese Verbindungen waren zwar in Bezug auf ihre Wärmeübertragungseigenschaften wirksam, stellten jedoch eine erhebliche Gefahr für die Ozonschicht dar und hatten ein hohes Treibhauspotenzial (GWP). Als Reaktion auf die Umweltbedenken wurden weltweit Anstrengungen unternommen, um die Verwendung dieser Kältemittel auslaufen zu lassen.

    Moderne industrielle Wärmepumpensysteme verwenden in erster Linie Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) und Hydrofluorolefine (HFO) als Kältemittel. Obwohl diese Verbindungen im Vergleich zu älteren Kältemitteln ein deutlich geringeres Ozonabbaupotenzial haben, weisen sie immer noch ein relativ hohes Treibhauspotenzial auf. Daher gibt es einen zunehmenden Trend zur Verwendung von umweltfreundlichen Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial (Low-GWP).

    Natürliche Kältemittel wie Ammoniak (NH3), Kohlendioxid (CO2) und Kohlenwasserstoffe (Propan, Butan) gewinnen in industriellen Wärmepumpenanwendungen aufgrund ihrer minimalen Auswirkungen auf die Umwelt immer mehr an Bedeutung. Ammoniak zum Beispiel hat hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften und eine vernachlässigbare Auswirkung auf die globale Erwärmung, was es zu einer geeigneten Wahl für verschiedene industrielle Prozesse macht.

    Bei der Auswahl eines Kältemittels sollten Sie Faktoren wie:

    • Effizienz der Wärmeübertragung
    • Sicherheit
    • Auswirkungen auf die Umwelt
    • Einhaltung gesetzlicher Vorschriften

    Prozessingenieure müssen diese Faktoren sorgfältig abwägen, um sicherzustellen, dass das gewählte Kältemittel sowohl mit den Leistungs- als auch den Nachhaltigkeitszielen übereinstimmt. Die Wahl des Kältemittels für industrielle Wärmepumpen hat einen erheblichen Einfluss auf die Gesamteffizienz und den ökologischen Fußabdruck des Systems. Da die Industrie der Nachhaltigkeit weiterhin Priorität einräumt, wird sich die Verwendung von Kältemitteln mit niedrigem Treibhausgasausstoß und natürlichen Kältemitteln wahrscheinlich weiter verbreiten und zu einem grüneren und verantwortungsvolleren Ansatz bei der Energierückgewinnung und -nutzung beitragen.

    Hochtemperatur-Wärmepumpen

    Die meisten industriellen Wärmepumpen arbeiten als Kältemaschinen oder Mitteltemperatur-Wärmepumpen für die Warmwassererzeugung. Die Dampferzeugung würde höhere Temperaturniveaus erfordern, die sowohl technische als auch praktische Herausforderungen bei der Entwicklung neuer Wärmepumpen darstellen. Eine solche Herausforderung ist die Auswahl eines geeigneten Kältemittels. Siehe Abbildung unten für typische Temperaturbereiche von industriellen Wärmepumpen.

    Es gibt verschiedene Akteure in der Branche, die neue Technologien entwickeln, mit denen Wärmepumpen bei den für die Dampferzeugung erforderlichen Temperaturen betrieben werden können. Einige der vielversprechendsten dieser Technologien werden im Rahmen von Pre-Engineering-Studien für mehrere Kunden geprüft und vorgeschlagen. Lesen Sie auch ‚Die besten Anbieter von Hochtemperatur-Wärmepumpen im Vergleich‚, um mehr zu erfahren.

    Wie hängen Wärmepumpen mit der Emissionskontrolle zusammen?

    Die Integration von Wärmepumpen verbessert nicht nur die Energieeffizienz, sondern trägt auch zu den Bemühungen zur Emissionskontrolle bei. Durch die Nutzung von Abwärme reduzieren die Hersteller den Bedarf an zusätzlichen fossilen Brennstoffen, was wiederum zu einem Rückgang der Treibhausgasemissionen führt. Dies steht im Einklang mit globalen Nachhaltigkeitszielen und behördlichen Anforderungen und macht Wärmepumpen zu einem wertvollen Werkzeug im Streben nach umweltfreundlicheren Produktionsprozessen.

    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von industriellen Wärmepumpen zur Aufwertung der aus Abwärme gewonnenen Energie einen vielversprechenden Weg für Verfahrenstechniker im industriellen Sektor darstellt. Durch die Identifizierung von Abwärmequellen, die Auswahl geeigneter Wärmepumpensysteme und die Optimierung der Leistungszahl (Coefficient of Performance, CoP) können Ingenieure die Energieeffizienz verbessern, Emissionen reduzieren und zu einer nachhaltigeren Zukunft der industriellen Fertigung beitragen. Da sich die Industrie weiter entwickelt, könnte die Integration der Wärmepumpentechnologie ein entscheidender Schritt sein, um sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Ziele zu erreichen.

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