Industriewärmepumpue als praktikable Lösung zur CO2-Reduktion.
Matthias Herneth von der Technischen Universität Wien hat in seiner Diplomarbeit das Potenzial industrieller Wärmepumpen für den europäischen Markt untersucht sowie deren wirtschaftliche Rentabilität berechnet. Sie sind eine mögliche Antwort auf fossile Referenzsysteme – haben aber eine sehr lange Amortisationszeit. Das Thema seiner Abschlussarbeit hat er an der Themenbörse angeboten, die Abteilung Umwelt- und Energiewirtschaft des Landes Niederösterreich ist eine der ersten Know-how-Profiteure. Ein 1.000 Euro-Stipendium für Matthias Herneth soll die wissenschaftliche Leistung honorieren.
Die Ausgangsbasis – good to know
Thermische Energie macht 55 % des Energiebedarfs in der Industrie aus und ist für 10 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Weltweit ist die Industrie auf gutem Weg, ihre Emissionen zu reduzieren und eine Klimakatastrophe abzuwenden.
Die Forderung der EU nach Klimaneutralität bis 2050 stellt die Industrie vor große Herausforderungen, schafft aber gleichzeitig bedeutende neue Wirtschaftszweige. Rund 32 % der in der Industrie benötigten thermischen Energie liegt bei < 200 °C. Gleichzeitig gibt es oft Abwärmeströme auf einem ähnlichen Temperaturniveau, die von derselben Industrie emittiert werden. Wärmepumpen sind eine Technologie, um solche Abwärmeströme in einem thermodynamischen Kreislauf als Quelle zu nutzen, um eine Senke sehr effizient zu erwärmen. Während sich herkömmliche Wärmepumpen in Haushalten und bei niedrigen Temperaturen bereits einen Namen gemacht haben, werden industrielle Wärmepumpen in der Industrie und bei höheren Temperaturen eingesetzt.
Industrielle Wärmepumpen könnten Teil der Klimalösung sein
Die Diplomarbeit analysiert die Anwendungsbereiche für industrielle Wärmepumpen auf dem europäischen Markt und beurteilt deren Potenzial und wirtschaftliche Rentabilität. Es geht dabei nicht um eine detaillierte technische Beschreibung, sondern vielmehr um den erreichbaren Coefficient of Performance und der Verfügbarkeit von Wärmequellen. Die berechneten Coefficient of Performance basieren auf der Hochtemperatur-Rotationswärmepumpe des österreichischen Herstellers ecop Technology GmbH.
Das Untersuchungsdesign
Bisherige Studien haben das Potenzial industrieller Wärmepumpen meist in jenen Branchen untersucht, die prozessbedingt über eine gleichzeitige thermische Quelle und Senke verfügen, wie beispielsweise Lebensmittel- und Getränkeindustrie, chemische Industrie, Papierindustrie, Raffinerien.
Herneth hat für seine Diplomarbeit die Kombination von Wärmepumpen mit erneuerbaren Wärmequellen und -speichern untersucht, wenn keine gleichzeitige Quelle und Senke vorhanden ist. Es wurden beispielhaft Wärmepumpenkonzepte in Kombination mit einer geothermischen oder solarthermischen Quelle entwickelt. Einbezogen wurden auch zukünftige Entwicklungen auf dem Energiemarkt.
Wo das Potenzial am größten ist – Schwäche Amortisation
Das größte identifizierte Potenzial liegt im „stack-cooling“ von Wasserstoff-Elektrolyseuren. Die Wasserstoffproduktion hat derzeit zwar geringe Bedeutung, wird aber bis 2030 um den Faktor 300 - 1000 wachsen.
Große Teile des thermischen Energiebedarfs industrieller Prozesse basieren auf Prozessdampf als Energieträger, weshalb die Erzeugung von Dampf mit Wärmepumpen ebenfalls untersucht wurde. In allen untersuchten Bereichen wurden vielversprechende Konzepte mit großem Potenzial identifiziert. Das ermittelte Marktpotenzial industrieller Wärmepumpen in Europa ergab zwischen 51,1 - 73,9 GW thermische Leistung. Für die wirtschaftliche Analyse wurden Erdgaspreise, Strompreise, CO2-Zertifikatspreise als sensibelste Parameter herangezogen.
Aus wirtschaftlicher Sicht können sich alle untersuchten Konzepte gegenüber fossilen Referenzszenarien behaupten. Die größte Schwäche der Konzepte: die dynamischen Amortisationszeiten liegen meist über den branchenüblichen von ein bis drei Jahren.