Zur optimalen Nutzung industrieller Abwärme kommen sowohl offene als auch geschlossene Wärmepumpensysteme zum Einsatz, die jeweils spezifische Vorteile und Anwendungsbereiche bieten. Im Folgenden erläutern wir die technologischen Unterschiede und stellen mit CompriVAP und VarioVAP ein innovatives Wärmepumpenkonzept von GIG Karasek vor, das nicht nur die Anlageneffizienz signifikant steigert, sondern auch die gebündelte Nutzung kleinerer Abwärmeströme ermöglicht.
1. Funktionsprinzip: Offene vs. geschlossene Wärmepumpensysteme
2. Unterschiede in Wärmeübertragung und Effizienz
4. Verdichtertechnologie im Vergleich
5. Abwärme-Temperatur und Wärmepumpenwahl
6. Vor- und Nachteile im Überblick
7. CompriVAP & VarioVAP: Zwei Lösungen für maximale Abwärmenutzung
Abbildung 1: Das Thema Wärmepumpen für die Industrie ist heute relevanter denn je, insbesondere im Bereich der Abwärmenutzung und Wärmerückgewinnung. © GIG Karasek
Der Unterschied zwischen offenen und geschlossenen Wärme-pumpensystemen liegt in der Art der Wärmeübertragung und der Prozessführung.
Geschlossene Systeme verwenden ein Kältemittel als Zwischenmedium, um die Wärme in einem geschlossenen Kreislauf aufzunehmen, zu transportieren und durch Verdichtung auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben:
1. Wärmetauscher (Verdampfer): Das Kältemittel entzieht der Abwärmequelle Energie und verdampft.
2. Verdichter: Durch Kompression steigt Druck und Temperatur des dampfförmigen Kältemittels.
3. Wärmetauscher (Kondensator): Das Kältemittel gibt die gewonnene Energie an das Arbeitsmedium (z. B. Warmwasser oder Dampf) ab und kondensiert.
4. Expansionsventil: Druck und Temperatur des Kältemittels sinken, sodass es erneut Energie aufnehmen kann.
Abbildung 2: Das Kältemittel durchläuft einen geschlossenen Kreislauf, der kontinuierlich abläuft und den Einsatz von zwei Wärmetauschern erfordert.
Bei offenen Wärmepumpensystemen entfällt der Kältemittelkreislauf. Hier ist das Medium der Abwärmequelle gleichzeitig das Arbeitsmedium (Dampf), das mittels Verdicher auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht wird (siehe Abb.3 - Beispiel mechanische Brüdenverdichtung) oder die Energie der Abwärmequelle wird auf das Arbeitsmedium (Wasser) übertragen, das dabei in die Dampfphase wechselt und anschließend auf den Zieldruck verdichtet wird:
1. Wärmetauscher (Verdampfer): Die Abwärmequelle erhitzt Wasser im Verdampfer, wodurch Dampf entsteht.
2. Verdichter: Der Dampf wird durch Kompression direkt auf ein höheres Energieniveau gehoben.
3. Energieübertragung: Der verdichtete Dampf gibt seine Wärme an den Prozess ab, z. B. zur Dampferzeugung oder für industrielle Anwendungen.
4. Kondensation und Rückführung: Nach der Wärmeabgabe kondensiert der Dampf und kann erneut in den Kreislauf eingespeist werden.
Da kein Kältemittel als Zwischenmedium zum Einsatz kommt, entfällt der separate Kältemittelkreislauf, und es wird lediglich ein Wärmetauscher benötigt.
Abbildung 3: Schema einer mechanischen Brüdenverdichtung, die nach dem Prinzip der offenen Wärmepumpe arbeitet: Anfallender Prozessdampf (Brüden) wird durch einen elektrisch betriebenen Verdichter komprimiert und erneut zur Beheizung des Verdampfers verwendet. © GIG Karasek
In einem geschlossenen System sind zwei Wärmetauscher erforderlich, um die Energie aus der Wärmequelle in das Arbeitsmedium zu übertragen. Da Wärmeübertragung stets einen Temperaturunterschied zwischen zwei Medien voraussetzt (Wärme fließt nur vom wärmeren zum kälteren Medium), entstehen dabei zwangsläufig Effizienzverluste:
In einem offenen System hingegen entfällt der zweite Wärmetauscher, da das Medium, das die Energie aus der Wärmequelle aufnimmt, direkt das Arbeitsmedium ist. Dadurch ist nur ein einziger Temperaturunterschied erforderlich, womit die Gesamteffizienz des Systems höher ist.
Geschlossenes System:
Offenes System:
Überall dort, wo in der Industrie große Energiemengen bewegt werden, bieten offene Systeme durch ihren Effizienzgewinn erhebliche Einsparpotenziale bei Energie und Kosten. Daher werden offene Wärmepumpensysteme in der Industrie bevorzugt eingesetzt, sofern die Rahmenbedingungen – insbesondere die Temperatur der Wärmequelle – dies zulassen.
Abbildung 4: Vergleich offener und geschlossener Wärmepumpen hinsichtlich Wärmeübertragung und Effizienz. © GIG Karasek
In industriellen Anwendungen mit hohem Energiebedarf sind geschlossene Wärmepumpensysteme auf große Mengen Kältemittel angewiesen, die jedoch erhebliche Sicherheitsrisiken und hohe Kosten verursachen:
Mit zunehmender Größe der Wärmepumpen wird das Thema Betriebssicherheit immer kritischer. Viele Industrieunternehmen scheuen daher den Einsatz geschlossener Systeme – die Risiken, der Wartungsaufwand und die laufenden Kosten werden als zu hoch eingestuft.
Offene Wärmepumpensysteme bieten eine Alternative: Sie kommen ohne Kältemittel aus, reduzieren Risiken und Kosten und steigern die Effizienz durch den Wegfall zusätzlicher Wärmetauscher.
Offene und geschlossene Wärmepumpensysteme unterscheiden sich deutlich in ihrer technologischen Ausführung – insbesondere bei den verwendeten Verdichtertechnologien und den damit verbundenen Druckverhältnissen. Während geschlossene Systeme auf Kältemittel und hohe Druckunterschiede angewiesen sind, verwenden offene Systeme direkte Dampfkompression und mehrstufige Verdichtung, um Energieverluste zu minimieren und die Effizienz zu steigern.
In geschlossenen Wärmepumpensystemen durchlaufen Kältemittel einen kontinuierlichen Kreislauf: Sie verdampfen bei niedrigen Drücken und kondensieren bei hohen Drücken. Um diese Druckunterschiede zu bewältigen, kommen leistungsstarke Kompressoren wie Kolben- oder Schraubenkompressoren zum Einsatz.
Zwar sind diese Kompressoren in der Lage, große Druckhübe zu realisieren, jedoch gehen damit erhebliche Energieverluste durch Reibung, Wärmeabgabe und Überhitzung des Kältemittels einher. Je größer der Druckhub, desto höher sind die Verluste. Die daraus resultierenden Effizienzverluste spiegeln sich direkt in der Maschinenleistung und den Betriebskosten wider und führen letztlich zu einer geringeren Gesamteffizienz des Systems.
Die mechanische Kompression mit Radialverdichtern (Zentrifugal-kompressoren) ist in industriellen Anwendungen die bevorzugte Wahl. Im Vergleich zu geschlossenen Wärmepumpensystemen arbeiten sie effizienter, da sie Druckunterschiede mit geringeren Energieverlusten bewältigen – besonders bei hohen Volumenströmen und moderaten Druckverhältnissen, wie sie in vielen Industrieprozessen typisch sind. Allerdings setzt dies eine gewisse Mindestmenge an Abwärme voraus, weshalb diese Technologie vor allem im industriellen Maßstab zum Einsatz kommt.
Mehrstufige Kompression und Zwischenkühlung für höhere Effizienz
Um größere Druckhübe effizient zu realisieren, setzen offene Wärmepumpensysteme auf eine mehrstufige Verdichtung. Dabei wird der Druck schrittweise über mehrere hintereinandergeschaltete Radialverdichter erhöht. Im Vergleich zu einem einzelnen Verdichter mit hohem Druck- oder Temperaturhub in geschlossenen Systemen ermöglicht dieser Ansatz eine deutlich höhere Effizienz.
Ein weiterer Effizienzgewinn entsteht durch die Zwischenkühlung des Dampfes nach jeder Verdichterstufe. Sie verhindert eine Überhitzung und hält den Dampf im Sättigungszustand, wodurch die Verdichtung mit geringerem Energieeinsatz erfolgen kann – ein wesentlicher Vorteil gegenüber geschlossenen Wärmepumpensystemen, bei denen eine Kühlung nur mit erheblichem Mehraufwand realisierbar und weniger effektiv ist.
Industrielle Relevanz und Anwendungsbereiche
Aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit eignen sich Radialverdichter besonders für großindustrielle Prozesse, in denen große Energiemengen bewegt werden – sei es in der Abwärmenutzung, der Dampferzeugung oder der Bereitstellung von Prozesswärme. Ihre Effizienz und Wirtschaftlichkeit machen sie zu einer Schlüsseltechnologie für eine nachhaltigere industrielle Wärmeversorgung.
Abbildung 5: Vergleich der Verdichtertechnologie von offenen und geschlossenen Wärmepumpen hinsichtlich Wärmeübertragung und Effizienz. © GIG Karasek
Für die Nutzung von Abwärme durch Wärmepumpen sind vor allem Niedertemperaturströme interessant, die nicht mehr direkt in Wärmetauschern (z. B. zur Erwärmung von Wasser oder Luft) genutzt werden können. Die Temperatur der Abwärme bestimmt, welches Wärmepumpensystem eingesetzt wird. Offene Systeme sind für höhere Temperaturen geeignet, während geschlossene Systeme auch niedrigere Temperaturniveaus nutzen können, allerdings mit eingeschränkter Wirtschaftlichkeit.
Offene Wärmepumpensysteme arbeiten mit Wasserdampf als Arbeitsmedium und setzen eine Mindesttemperatur der Abwärmequelle voraus. Der Grund dafür liegt in der begrenzten Druckdifferenz, die ein Verdichter erzeugen kann, sowie in der direkten Beziehung zwischen Druck und Temperatur. Eine ausreichend hohe Abwärmetemperatur ist daher Voraussetzung für einen effizienten Betrieb.
Erzeugung von Dampf im Vakuum
Der Siedepunkt von Wasser hängt vom Druck ab. In großer Höhe, wo der Luftdruck geringer ist, kocht Wasser bereits bei Temperaturen unter 100 °C. Das gleiche Prinzip nutzen offene Wärmepumpensysteme: Durch Absenken des Drucks wird Wasserdampf schon bei niedrigeren Temperaturen erzeugt.
Wenn die Abwärmequelle z. B. 80 °C hat, kann durch Drucksenkung im Verdampfer Wasserdampf bei 75 °C erzeugt werden. Dafür ist ein Vakuum erforderlich, das mit den Bedingungen in großer Höhe vergleichbar ist. Die Anwendung dieses Prinzips ist jedoch begrenzt.
Grenzen der Temperatur und des Drucks
Die Effizienz offener Wärmepumpensysteme wird durch physikalische und wirtschaftliche Grenzen bestimmt:
Offene Wärmepumpensysteme sind daher besonders für industrielle Anwendungen interessant, wo hohe Abwärmemengen im Nieder-temperaturbereich zur Verfügung stehen, die bislang ungenutzt über Abwasser oder Abluft abgeführt wurden.
Wenn die Temperatur der Abwärmequelle für offene Systeme zu niedrig ist, bieten geschlossene Wärmepumpen eine Alternative. Der entscheidende Vorteil liegt in den thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels, das Wärme auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen aufnehmen kann.
Einsatzbereiche und Grenzen
Geschlossene Wärmepumpen sind besonders vorteilhaft für moderate Temperaturhübe, beispielsweise zur Erzeugung von Warmwasser für den Eigenbedarf eines Werks oder zur Einspeisung in Nah- und Fernwärmenetze. Allerdings sind sie ineffizient, wenn sehr niedrige Temperaturen auf ein sehr hohes Niveau angehoben werden sollen, wie bei der Dampferzeugung. Wirtschaftlich sinnvoll sind geschlossene Systeme vor allem für Temperaturerhöhungen um 30–50 K (Kelvin), beispielsweise von 40 °C auf 80 °C. Höhere Temperaturhübe sind in der Regel nicht mehr effizient und daher unwirtschaftlich.
Offene Wärmepumpensysteme eignen sich besonders für große Abwärmemengen mit ausreichend hoher Abwärmetemperatur. Sie bieten eine hohe Effizienz, vermeiden Kältemittelrisiken und senken Betriebskosten. Geschlossene Systeme hingegen sind besser für niedrige Temperaturen ausgelegt, bringen jedoch höhere Betriebskosten und Effizienzverluste durch den Kältemittelkreislauf mit sich. Die Wahl des passenden Systems hängt von den spezifischen Anforderungen der Abwärmequelle, den Temperaturniveaus und den industriellen Prozessen ab. Beide Technologien bieten jedoch erhebliche Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Reduzierung von CO₂-Emissionen.
Um die Vorteile offener Systeme weiter zu optimieren sowie auch kleinere Abwärmequellen nutzbar zu machen, hat GIG Karasek spezielle Wärmepumpensysteme entwickelt, die in der Industrie neue Maßstäbe setzen. Im Folgenden werden diese Systeme und ihre technologischen Besonderheiten kurz vorgestellt.
Abbildung 7: Vor- und Nachteile offener und geschlossener Wärmepumpen im industriellen Einsatz. © GIG Karasek
Steigende Energiepreise, unsichere Gaslieferungen und verschärfte Klimaziele zwingen die Industrie, ihre Energieversorgung neu zu denken. Vor allem die Nutzung industrieller Abwärme rückt dabei immer stärker in den Fokus. Technologien wie CompriVAP und VarioVAP von GIG Karasek bieten hier innovative Lösungen, um Abwärme effizient zu nutzen, Kosten zu sparen und gleichzeitig die CO₂-Emissionen zu reduzieren.
Das CompriVAP-System nutzt das Prinzip der mechanischen Brüdenverdichtung (MBV), um Dampf aus Niedertemperatur-Abwärme zurückzugewinnen und wiederzuverwerten. Elektrisch betriebene Verdichter saugen den (Vakuum-)Dampf an, erhöhen dessen Energieniveau durch Druckerhöhung und wandeln so Abwärme in hochwertigen Prozessdampf um.
Das bisher größte CompriVAP-System wird in Zusammenarbeit mit der BASF SE in Ludwigshafen realisiert. Mit einer thermischen Leistung von bis zu 50 MW und einem 11-stufigen Verdichtersystem wird es das weltweit leistungsstärkste industrielle Wärmepumpensystem sein.
Anwendungsbereiche:
CompriVAP eignet sich besonders für energieintensive Branchen wie die chemische Industrie, Stahlproduktion, Papier- und Zellstoffherstellung oder Lebensmittelindustrie. Typische Anwendungen umfassen die Wiederverwendung von Abwasser oder Prozesskondensat sowie die Nutzung von Abluft oder Abgas als Wärmequelle. Große Abwärmepotenziale lassen sich etwa aus Wasch- und Trocknungsprozessen sowie Eindampfungs- und Destillationsverfahren erschließen.
Abbildung 8: Beispielhaftes Layout eines CompriVAP-Systems mit einer mehrstufigen Verdichteranlage. © GIG Karasek
Das VarioVAP-System ermöglicht die gleichzeitige Nutzung mehrerer unterschiedlicher Wärmequellen in einer zentralisierten Lösung, im Gegensatz zum CompriVAP-System, das für eine einzelne Wärmequelle ausgelegt ist. Im Kern des Systems befindet sich ein hochmoderner Plattenfallfilmverdampfer, der diverse Abwärmeströme zentral erfasst, ohne dass sich Dämpfe und Kondensate vermischen. Anstelle separater Wärmepumpen für jede Quelle führt das VarioVAP-System sämtliche Wärmequellen in einer einzigen Wärmepumpe zusammen.
Die Hauptvorteile des VarioVAP-Systems umfassen:
Anwendungsbereiche
Mit dem VarioVAP-System wird eine nahezu vollständige Abwärmenutzung („Zero Heat Waste“) möglich. Selbst geringwertige Abwärmeströme, die bisher ungenutzt blieben, lassen sich in Frischdampf umwandeln. Neben dem Einsatz in energieintensiven Branchen eröffnen sich dadurch auch ideale Anwendungsmöglichkeiten in Industrieparks: Durch die Bündelung der Abwärmeströme mehrerer Unternehmen entsteht ein erhebliches nutzbares Potenzial, das mit dem System optimal erschlossen werden kann.
Abbildung 9: Beispielhafte Darstellung eines VarioVAP-Systems mit drei Destillationskolonnen, deren Brüden über separate Leitungen dem Fallfilmverdampfer zugeführt werden. Der erzeugte Dampf wird anschließend durch mehrere Verdichterstufen auf ein höheres Energieniveau gebracht. © GIG Karasek
Die industrielle Abwärmenutzung ist längst kein Nice-to-have mehr – sie ist eine wirtschaftliche Notwendigkeit. Der CO₂-Preis wird in den kommenden Jahren massiv steigen, und mit dem Eintritt in den freien Emissionshandel ab 2027 drohen explodierende Kosten für fossile Brennstoffe. Mit CompriVAP und VarioVAP stehen Unternehmen leistungsstarke, skalierbare und wirtschaftliche Lösungen zur Verfügung, um industrielle Abwärme effizient zu nutzen und sich für die Zukunft optimal aufzustellen. Neben signifikanten OPEX-Einsparungen werden viele Projekte durch staatliche Förderungen zusätzlich wirtschaftlich attraktiv. Gerade in Zeiten steigender CO₂-Preise und unsicherer Energieversorgung sind diese innovativen Wärmenutzungstechnologien eine zukunftssichere Investition.