CompriVAP Wärmepumpenlösung: Abwärme in Wertschöpfung verwandeln

In diesem Blog zeigen wir Ihnen, wie das CompriVAP-System funktioniert, welche Vorteile es bietet und warum es eine Schlüsseltechnologie für die Industrie der Zukunft ist.

Inhalte 

1. Was ist CompriVAP?

2. CompriVAP vs. geschlossene Wärmepumpen

3. CompriVAP als Wegbereiter für CO₂-freien Prozessdampf

4. Wirtschaftliche Aspekte: CAPEX vs. OPEX

5. Einsparpotential: Frischdampf vs. Abwärmenutzung

6. Anforderungen, Leistung & Systemgrößen

7. Die drei Varianten des CompriVAP-Systems

1. Was ist CompriVAP?

CompriVAP ist keine Maschine im klassischen Sinne, sondern ein innovatives System, das industrielle Abwärmequellen nutzt, um Dampf zu erzeugen. Das System entspricht einer Wärmepumpe mit offenem Kreis. Die Innovation liegt in der intelligenten Neukombination bewährter Technologien und ihrer industriellen Einsatzfähigkeit – eine Kernkompetenz von GIG Karasek.

1. Technologie & Funktionsweise

CompriVAP basiert auf der bewährten MBV-Technologie (Mechanische Brüdenverdichtung):

• Funktionsweise: Dampf wird durch einen oder mehrere elektrisch betriebene Verdichter auf das gewünschte Energieniveau komprimiert und kann am Ende als Wärmequelle wiederverwendet werden. Abhängig von der Art der Wärmequelle können im CompriVAP-Konzept zusätzlich als vorgelagerte Prozessstufen ein Wärmetauscher und ein Flash Tank erforderlich sein, um die Wärmequelle und den Prozessdampf voneinander unabhängig zu betreiben.
• Zuverlässigkeit: Die eingesetzten Maschinen und Komponenten sind etablierte, am Markt erprobte Systeme, die seit Jahrzehnten zuverlässig im Einsatz sind.

GIG Karasek verfügt über umfangreiches Know-how in der Entwicklung und Anwendung industrieller Verdichterlösungen und gibt für CompriVAP-Systeme vertragliche Leistungsgarantien.

2. Vorteile von CompriVAP

• Steigerung der Anlageneffizienz: Die effiziente Abwärmenutzung reduziert den Energiebedarf und führt zu deutlich geringeren Betriebskosten im Vergleich zur klassischen Dampferzeugung mit fossilen Brennstoffen.
• Flexibler Teillastbetrieb: Das System passt sich optimal an Schwankungen in der Wärmeversorgung und im Dampfverbrauch an und bleibt in einem Regelbereich von 60 bis 100 % maximal effizient.
• Einfache industrielle Integration: Die Integration von CompriVAP ist dank durchdachtem Konzept auch nachträglich möglich, ohne den übergeordneten Prozess während des Betriebs zu beeinflussen.
• Betriebsicherheit und Wartung: Das CompriVAP-System ist für einen zuverlässigen 24/7-Betrieb konzipiert. Die jährliche Wartung der Verdichter nimmt lediglich wenige Stunden bis Tage in Anspruch.

Abbildung 1: CompriVAP-Anlage mit mehrstufigem Verdichtersystem. © GIG Karasek

2. CompriVAP vs. geschlossene Wärmepumpen

Im Vergleich zu herkömmlichen geschlossenen Wärmepumpensystemen bietet CompriVAP Vorteile, die nicht nur die Effizienz steigern, sondern auch die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit industrieller Prozesse verbessern können.

• Wasser als „Kältemittel“: Geschlossene Wärmepumpensystem sind oft auf synthetische Kältemittel wie Ammoniak oder Propan angewiesen, die in ihrem Einsatz Auswirkungen auf Betriebssicherheit, Ozonschicht und Treibhauseffekt haben können. CompriVAP nutzt hingegen einfach Wasser und im Idealfall sogar die Abwärmequelle direkt als Arbeitsmedium. Das erhöht die Sicherheit, schützt die Umwelt und reduziert den Wartungsaufwand.
• Erweiterte Einsatzmöglichkeiten: CompriVAP ermöglicht die Bereitstellung von Dampf in Temperatur- und Druckbereichen, die mit geschlossenen Systemen nicht selbstverständlich erreicht werden können.
• Kosteneffizienz: Durch die Verwendung von Standardkomponenten und die einfache Integration können sich im Vergleich zu geschlossenen Wärmepumpen deutliche Einsparungspotentiale bei der Investition und im Betrieb ergeben.

Lesen Sie auch: Industrielle Wärmepumpen im Vergleich: Technologische Unterschiede und Anwendungsbereiche

3. CompriVAP als Wegbereiter für CO₂-freien Prozessdampf

Ein zentraler Baustein zur Dekarbonisierung des Industriesektors ist die Elektrifizierung der Dampferzeugung. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) müsste über die nächsten 30 Jahre hinweg monatlich eine Wärmepumpenkapazität von etwa 500 MW installiert werden, um bis 2050 CO2-neutral produzieren zu können.

Mit CompriVAP steht Industrieunternehmen bereits heute eine zukunftsweisende Technologie zur Verfügung, die Abwärme in CO₂-freien Dampf umwandelt – vorausgesetzt, der Strom für den Betrieb des Systems stammt aus erneuerbaren Quellen. Die Nutzung von Abwärme allein ermöglicht bereits erhebliche CO₂-Reduktionen – in Verbindung mit erneuerbaren Energien wird der CO₂-Fußabdruck auf ein Minimum gesenkt.

Angesichts verschärfter Klimaziele und steigender CO₂-Preise werden Lösungen wie CompriVAP, die nicht nur Abwärme effizient nutzen, sondern auch den Einsatz erneuerbarer Energien ermöglichen, eine Schlüsselrolle spielen.

Beispiel: BASF Ludwigshafen – CO₂-freier Dampf aus Abwärmenutzung

Ein herausragendes Beispiel für diese Technologie ist das geplante industrielle Wärmepumpensystem am BASF-Standort in Ludwigshafen.

GIG Karasek wurde von BASF SE mit der EPC-Lieferung (Engineering, Procurement, Construction) dieses weltweit aktuell leistungsstärksten industriellen Wärmepumpensystems dieser Bauart beauftragt. Das System wird Abwärme aus einem Steamcracker nutzen und mithilfe der CompriVAP-Technologie in CO₂-freien Prozessdampf umwandeln. Angetrieben durch grünen Strom wird die Anlage eine thermische Leistung von bis zu 50 MWth (Megawatt thermisch) erreichen und jährlich bis zu 100.000 Tonnen CO₂-Emissionen einsparen. Die Inbetriebnahme ist für das Jahr 2027 geplant.

Tilmann Hezel, Senior Vice President Infrastructure am BASF-Standort Ludwigshafen: „BASF hat sich das Ziel gesetzt, bis 2050 Netto-Null-CO₂-Emissionen zu erreichen. Dafür bedarf es neuer Technologien, die wir in unserem Chemiestandort einbinden und mit deren Hilfe wir die Energie, die wir in der Produktion benötigen, nachhaltig erzeugen können. Industrielle Wärmepumpen spielen hierbei eine wesentliche Rolle, um die Dampferzeugung zu elektrifizieren und damit CO₂-frei zu gestalten. Wir freuen uns, mit GIG Karasek einen Partner gefunden zu haben, der aufgrund seiner langjährigen Erfahrung in dem Technologiebereich prädestiniert ist, dieses Projekt gemeinsam mit uns umzusetzen.“

Abbildung 2: Visualisierung der CompriVAP-Technologie für die Großwärmepumpe am BASF-Standort Ludwigshafen @ GIG Karasek

4. Wirtschaftliche Aspekte: CAPEX vs. OPEX

Die Nutzung von Abwärme senkt nicht nur CO₂-Emissionen, sondern reduziert auch den Verbrauch von Primärenergie, den Frischdampf aus Gaskesseln und den Kühlwasserbedarf. Besonders für energieintensive Industrien ist dieses Konzept attraktiv, da große Mengen an Abwärme aktuell noch immer ungenutzt sind.

CompriVAP erschließt dieses Potenzial und wandelt ungenutzte Energie in wirtschaftlich nutzbaren Dampf um:

• CAPEX (Investitionskosten): Abhängig von den spezifischen Anwendungsbedingungen amortisieren sich CompriVAP-Systeme in der Regel innerhalb von 2 bis 5 Jahren.*
• OPEX (Betriebskosten): Durch die effiziente Nutzung von Abwärme werden signifikante Einsparungen bei den Betriebskosten erzielt.

Die drastische Senkung der Betriebskosten und die rasche Amortisation verschaffen Unternehmen einen erheblichen Wettbewerbsvorteil – insbesondere in Branchen wie Chemie, Zellstoff oder Lebensmittelproduktion, wo Energiekosten einen maßgeblichen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen.

* Der globale branchenübliche Richtwert für eine grobe budgetäre Schätzung der Investition in industrielle Wärmepumpen kann indikativ mit etwa 1 Million Euro pro 1 MW thermischer Leistung angenommen werden. Selbstverständlich kann sich dieser Wert je nach Anwendungsfall und Systemanforderungen in beide Richtungen ändern.

5. Einsparpotenzial: Frischdampf vs. Abwärmenutzung

Ein exemplarischer Kostenvergleich zwischen der Frischdampferzeugung in einer Zellstofffabrik und den Stromkosten einer sechsstufigen CompriVAP-Anlage mit 15 MWth Abgabeleistung zeigt das hohe OPEX-Einsparpotenzial:

• Hohe Effizienz: Mit einem COP von 3,72 gewährleistet die Anlage eine schnelle Amortisation der Investitionskosten.*
• Einsparungen: Im Vergleich zur Frischdampferzeugung mit fossilen Brennstoffen ist die CompriVAP Wärmepumpenlösung hier um 60 bis 70 % wirtschaftlicher.

Zusätzliche Einsparungen ergeben sich durch den geringeren Energieaufwand für die Abwärmeabfuhr sowie mögliche zukünftige Einsparungen bei CO₂-Zertifikaten, die in dieser Berechnung noch nicht berücksichtigt sind.

* Der COP (Coefficient of Performance) gibt an, wie effizient eine Wärmepumpe Energie in nutzbare Wärme umwandelt. Ein COP von 3,72 bedeutet, dass mit 1 kWh Strom 3,72 kWh Wärme erzeugt werden.

Abbildung 3: Vergleich der Kosten der Frischdampferzeugung mit den Stromkosten einer CompriVAP-Anlage © GIG Karasek

6. Anforderungen, Leistung & Systemgrößen

CompriVAP-Systeme bieten flexible Integrationsmöglichkeiten in bestehende Prozesse, setzen jedoch die Erfüllung spezifischer technischer Rahmenbedingungen voraus.

1. Anforderungen an die Wärmequelle

Für einen optimalen Betrieb sind bestimmte Anforderungen an die Wärmequelle zu berücksichtigen:

• Menge an Inputmedium: Es muss eine ausreichende Menge an Inputmedium im Niederdruckbereich verfügbar sein.
• Geeignete Wärmequellen: Dazu zählen flüssige Abwärmeströme wie Abwasser oder Prozesskondensat sowie gasförmige Medien wie Abdampf, Abluft aus Trocknungsprozessen oder Prozessgas. Es können auch Wärmeströme von explosionsgefährdenden Medien genutzt werden.
• Temperatur: Die Wärmequelle sollte eine Temperatur von über 70 °C aufweisen.
• Energiegehalt: Die thermische Leistung der Wärmequelle muss mindestens 1,5 Megawatt betragen.

Darüber hinaus müssen die gewünschten Eigenschaften des Outputs (z. B. Temperatur, Druck, Menge) präzise festgelegt sein.

2. Leistungsbereiche

CompriVAP-Systeme sind modular aufgebaut und in verschiedenen Leistungsbereichen verfügbar, um flexibel an unterschiedliche Prozessanforderungen angepasst zu werden:

• Thermische Leistung: 1,56 – 40 MW
• Dampfproduktion: 5 – 60 Tonnen pro Stunde
• Dampftemperatur: Bis zu 215 °C
• Dampfdruck: Bis zu 20 bar(g)

3. Systemgrößen

Je nach Auslegung und Kapazität variiert die Größe der Anlage:

• Kompakte Anlagen: ab 6 × 6 m Grundfläche
• Großanlagen: bis zu 30 × 38 m
• Stellflächenoptimierung durch Nutzung mehrerer Ebenen möglich

Unabhängig von der Größe bleibt das Grundprinzip des CompriVAP-Systems gleich: Die Anlage nutzt mechanische Brüdenverdichtung zur effizienten Dampferzeugung und kann flexibel auch in bestehende Bereiche integriert werden.

Abbildung 4: CompriVAP-System mit Flash Tank. © GIG Karasek

7. Die drei Varianten des CompriVAP-Systems

Das System-Setup hängt von der spezifischen Anwendung, den Eigenschaften der Wärmequelle und den geforderten Output-Parametern des Dampfstroms ab. Es kann aus einer einzelnen Maschine oder mehreren Verdichtern bestehen, die seriell und/oder parallel angeordnet sind.

Basierend auf der Beschaffenheit der Wärmequelle kommen drei Varianten zum Einsatz:

1. Verunreinigte Medien bzw. Substanzen, die nicht direkt zugeführt werden können - Indirekte Wärmeübertragung über einen Wärmetauscher von der Wärmequelle auf Kesselwasser, Verdampfung von Kesselwasser im Vakuum Flash Tank, Druckerhöhung im Verdichter.
2. Dampf in hoher Qualität - Direkte Verdichtung des vorhandenen Dampfes auf das gewünschte Druckniveau.
3. Warmes Wasser in Kesselwasser-Qualität - Direkte Verdampfung im Flash Tank und anschließende Druckerhöhung durch Verdichter.

Variante 1: Kontaminierte Medien (flüssig/gasförmige Medien, die beim Wärmeübergang kondensieren)

Bei verunreinigten Wärmequellen nutzt das CompriVAP-System einen geschlossenen Kesselwasser-Kreislauf, um sauberen Dampf zu erzeugen. Die Kernkomponenten dieses Prozesses sind ein Wärmetauscher, ein Flash Tank und ein oder mehrere Verdichter:

Abbildung 5: Layout der CompriVAP-Lösung mit Wärmetauscher, Flash Tank und Verdichter-System. © GIG Karasek

• Wärmeübertragung: Die thermische Energie der Wärmequelle wird über einen Wärmetauscher an das Kesselwasser übertragen, ohne dass sich die Medien vermischen.
• Erhitzung: Das Kesselwasser wird auf die maximal verfügbare Temperatur erwärmt und anschließend in den Vakuum Flash Tank geleitet.
• Flash-Verdampfung: Im Vakuum Flash Tank verdampft ein Teil des Wassers, da darin Unterdruck vorherrscht, der die Siedetemperatur senkt.
• Dampferzeugung und Druckerhöhung: Der erzeugte Vakuumdampf wird in einer Verdichterkaskade schrittweise auf den erforderlichen Druck (z. B. 6 bar(a)) hochgespannt.
• Wasserzirkulation: Der nicht verdampfte Anteil (Restwasser) bleibt im Kreislauf und wird mithilfe leistungsstarker und effizienter Pumpen kontinuierlich umgewälzt.
• Speisewasserzufuhr: Da der Dampf aus dem System entnommen wird, muss die fehlende Wassermenge durch Speisewasser ersetzt werden.
• Absalzung: das kontrollierte Ableiten eines Teils des Kesselwassers, um die Konzentration gelöster Salze und anderer Verunreinigungen zu begrenzen
• Einspritzwasser: Das Einspritzwasser optimiert die Dampffeuchte und erhöht die Effizienz der Verdichterkaskade.

Vorteil:

• Saubere Dampferzeugung trotz verunreinigter Wärmequelle.
• Geeignet für industrielle Prozesse, bei denen Wärmequellen wie Abgas, Prozessdämpfe oder Abwasser anfallen.

Abbildung 6: CompriVAP-System mit Flash Tank und Wärmetauscher. © GIG Karasek

Variante 2: Warmes Wasser in hoher Qualität

In manchen Szenarien ist es möglich, heißes Wasser ohne Wärmetauscher direkt in den Flash Tank zu leiten. Dabei kann es sich z.B. um Kondensat handeln, das bereits die erforderliche Wasserqualität aufweist. Der erzeugte Vakuumdampf wird anschließend über Verdichter auf den gewünschten Druck angehoben und kann so wieder in den Produktionsprozess eingespeist werden.

Abbildung 7: Layout der CompriVAP-Lösung mit Flash Tank und Verdichter-System. © GIG Karasek

Vorteil:

• Einfache Integration: Kein zusätzlicher Wärmetauscher erforderlich.
• Effiziente Nutzung: Direkte Verdampfung des warmen Wassers im Flash Tank.

Variante 3: Dampf in hoher Qualität

In dieser Variante liegt die Wärmequelle bereits in Form von hochwertigem Dampf vor. Da der Dampf keine Verunreinigungen enthält, kann er unmittelbar in der Verdichterstufe auf ein höheres Druckniveau gebracht und ohne zusätzlichen Wärmetauscher oder Flash-Tank für die Wärmerückgewinnung genutzt werden.

Abbildung 8: Layout der CompriVAP-Lösung mit Verdichter-System © GIG Karasek

Vorteil:

• Sehr hohe Energieeffizienz mit einem COP (Coefficient of Performance) von bis zu 30.
• Klassische MBV-Lösung, bei der Dampf aus einem Abwärmeprozess verdichtet und als Heizmedium zurück in den Prozess geleitet wird.

Beispiel: Sappi Saiccor 16 MW Eindampfanlage – 300 Tonnen pro Stunde

Ein anschauliches Beispiel aus der Praxis ist die von GIG Karasek errichtete Eindampfanlage im Sappi Saiccor Zellstoffwerk (Südafrika). Mit einer enormen Verdichterleistung von 16 MW verdampft die Anlage 300 Tonnen Wasser pro Stunde und ist damit die weltweit größte realisierte Anlage dieser Art in der Zellstoffindustrie.

Abbildung 9: Sappi Saiccor Eindampfanlage für Sulfitablauge mit einer Verdichterleistung von 16 MW. © GIG Karasek

Fazit: Warum CompriVAP?

CompriVAP ist eine innovative, sichere und effiziente Lösung zur Dampferzeugung, die nicht nur Kosten spart, sondern auch die CO2-Bilanz von Unternehmen verbessert. Durch die Nutzung von Abwärme und die einfache Integration in bestehende Systeme ist CompriVAP eine zukunftsfähige Technologie für die Industrie.

CompriVAP bietet nicht nur eine nachhaltige Lösung zur Nutzung von Abwärme, sondern auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Mit einer Amortisationsdauer von 2 bis 5 Jahren, deutlichen Einsparungen bei den Betriebskosten und einem positiven Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit ist die Investition in CompriVAP sowohl ökologisch als auch ökonomisch vorteilhaft.

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