CO2-Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse

• Potenzial von CO₂-basierten Hochtemperatur-Wärmepumpen
• Vorteile von CO₂ als Kältemittel
• Drei CO₂-basierte Hochtemperatur-Wärmepumpenkreisläufe im Vergleich
• Fokus auf industrielle Trocknungsprozesse
• Ergebnisse bei unterschiedlichen Maximaldrücken
• Mehr als 90 % CO₂-Emissionen einsparen
• Vier Tipps für die praktische Umsetzung
• Technische und strukturelle Herausforderungen
• Zusammenfassung

Die industrielle Wärmeversorgung verursacht weltweit rund 40 % der energiebedingten CO₂-Emissionen – trotz eines Anteils von nur 19 % am Gesamtenergieverbrauch. Das liegt vor allem an der starken Abhängigkeit von fossilen Energieträgern wie Erdgas und Kohle zur Erzeugung von Prozesswärme. Um bis 2050 die von der EU angestrebte Klimaneutralität zu erreichen, müssen Industrieunternehmen ihre Wärmeerzeugung also grundlegend umstellen. Dafür werden Elektrifizierung, Biomasse und Wasserstoff diskutiert. Doch die Kosten und Verfügbarkeit erneuerbarer Energieträger bleiben zentrale Herausforderungen.

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In diesem Kontext gewinnen Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTWP) zunehmend an Bedeutung. Im Vergleich mit elektrischen Direktheizungen erzeugen sie mehr Wärme pro eingesetzter Kilowattstunde Strom. Das Ausmaß dieses Effizienzhebels hängt vom Coefficient of Performance (COP) der Wärmepumpe ab, der das Verhältnis von erzeugter thermischer Energie zu eingesetzter elektrischer Energie abbildet. Mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke nimmt dieses Verhältnis ab.

Potenzial von CO₂-basierten Hochtemperatur-Wärmepumpen

Während Wärmepumpen für Prozesse unter 100 °C bereits etabliert sind, ist deren Anwendung bei höheren Temperaturen noch selten. Unter Effizienzaspekten besonders herausfordernd für konventionelle Wärmepumpen sind Prozesse mit großem Temperaturgleit – also großen Temperaturunterschieden zwischen Ein- und Austritt der Wärmesenke. Ein vielversprechender Ansatz ist hier, Kohlendioxid (CO₂, R744, GWP 0) als Kältemittel einzusetzen. CO₂ ermöglicht eine transkritische Prozessführung, bei der der Verdichteraustrittsdruck oberhalb des kritischen Drucks liegt und somit Senkenseitig das Gas nicht mehr kondensiert, sondern abgekühlt wird. Dabei kann ein sehr hoher Temperaturgleit erreicht werden, der in diesem Fall die Temperaturdifferenz zwischen Aus- und Eintritt der Senke beschreibt. Das ist ideal für das Erwärmen von Luft entlang großer Temperaturänderungen für industrielle Trocknungsprozesse.

[Quellen]

¹ Berechnung basierend auf: Marina A, Spoelstra S, Zondag H, Wemmers A, Industrial process and waste heat data for EU28, Mendeley Data (2020). doi: 10.17632/gyxjmvzbx8.1 und Vilpoux OF, Santos Silveira Junior JF, Chapter 3 – Global production and use ofstarch, in: M. Pascoli Cereda, O. François Vilpoux (Eds.), Starchy Crops Morphology, Extraction, Properties and Applications, Academic Press, 2023: pp. 43–66. doi: 10.1016/B978-0-323-90058-4.00014-1

² Berechnung basierend auf: USDA Foreign Agricultural Service, Whole Milk Powder, (2024). https://fas.usda.gov/data/production/commodity/0224400 (accessed September 19, 2024) und Walmsley TG, Atkins MJ, Walmsley MRW, Philipp M, Peesel R-H. Process and utility systems integration and optimisation for ultra-low energy milk powder production. Energy 2018;146:67–81. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.04.142

³ Berechnung basierend auf: Okada M, Rao MA, Lima JE, Torloni M. Energy consumption and the potential for conservation in a spray-dried coffee plant. J Food Sci 1980;45:685–8. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1980.tb04132.x.  und Exactitude Consultancy, Instant Coffee Market by Type (Freeze-dried, Spray-dried),Flavouring (Flavoured Coffee, Unflavoured Coffee), and Region, Global Trends and forecast from 2023 to 2030, 2023. https://exactitudeconsultancy.com/reports/33932/instant-coffee-market/#faq-report.

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