Heizung im XXL-Format

Wärmepumpen für die Beheizung von Privatwohnungen haben sich etabliert - und sie werden auch in Industrie und Gewerbe immer wichtiger.

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Sie ist so groß wie ein Fußballfeld, kann 150 Tonnen Dampf pro Stunde erzeugen und spart jährlich 390.000 Tonnen CO2 ein. Das sind die Eckdaten einer der größten industriellen Wärmepumpen der Welt, die der Chemieriese BASF in Zusammenarbeit mit MAN Energy Solutions am Standort Ludwigshafen bauen will. Denn ohne Dampf geht in der chemischen Industrie nichts, er wird unter anderem zum Trocknen von Produkten, zum Beheizen von Reaktoren oder zur Destillation eingesetzt. Allein die BASF benötigt am Stammsitz jährlich rund 20 Millionen Tonnen davon - einen Teil davon soll die geplante Großwärmepumpe mit Strom aus regenerativen Quellen und Abwärme aus dem Kühlwassersystem erzeugen.

Die Dimensionen des Projekts sind außergewöhnlich, aber Wärmepumpen in Industrie und Gewerbe im Allgemeinen sind keine Ausnahme mehr. Während die genaue Anzahl der in Deutschland eingesetzten Geräte in diesem Bereich vom Bundesverband Wärmepumpe auf Basis einer Erhebung für 2022 noch ausgewertet wird, ist eines schon jetzt klar: Wärmepumpen bieten ein enormes Potenzial für die Gebäudeheizung und -kühlung sowie für die Erzeugung von Prozesswärme.

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Gerade dieser letzte Aspekt macht Wärmepumpen für die Industrie so interessant. Nach Angaben des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE wurde 2018 rund ein Fünftel des deutschen Endenergiebedarfs für Prozesswärme - darunter auch der bei BASF genutzte Dampf - eingesetzt. Der größte Teil dieser Wärme wird durch die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugt. Aus Sicht des Klimaschutzes ist es notwendig, auf die Wärmeerzeugung mit Strom aus erneuerbaren Energien umzusteigen. Nach Angaben des Fraunhofer-Instituts können Wärmepumpen die notwendigen Temperaturen, die für die meisten Prozesse geeignet sind und im Bereich von unter 150 Grad Celsius liegen, mit guten Wirkungsgraden erzeugen und Prozesswärme in großen Leistungsklassen kontinuierlich bereitstellen.

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Ein Beispiel aus dem bayerischen Pocking zeigt, was eine Wasserwärmepumpe in Sachen Heizen und Kühlen im großen Stil leisten kann: Das dortige Inntal-Gewächshaus ist nach dem Bau eines mehr als 30.000 Quadratmeter großen Betriebs- und Logistikzentrums einer der größten Betriebe seiner Art in der Region. Für die energieeffiziente Beheizung sorgt eine Großwärmepumpe, die den hohen Grundwasserspiegel durch die Nähe zum Inn nutzt. Die Anlage mit einer Leistung von 1.560 kW versorgt die Fußbodenheizung in den Gewächshäusern - Temperaturen von bis zu 35 Grad Celsius sind möglich, und 80 Prozent des Energiebedarfs werden durch die Nutzung des Grundwassers gedeckt. Da die Pflanzen nicht zu heiß werden sollen, kann die Wärmepumpe mit ihrer Kühlfunktion überschüssige Wärme an das Grundwasser zurückgeben, wofür lediglich eine Umwälzpumpe notwendig ist (siehe auch Kasten zur Kühlfunktion von Wärmepumpen).

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Etwas mehr Aufwand hat die Deutsche Bahn im Kölner Stadtteil Nippes betrieben, wo auf einer Fläche von mehr als 22.000 Quadratmetern die erste CO2-neutrale ICE-Wartungsanlage steht - bis zu 16 Fernverkehrszüge können dort jede Nacht gewartet werden. Für die klimafreundliche Beheizung des Geländes und der Gebäude sorgen drei Großwärmepumpen, die von einer 2.100 Quadratmeter großen Photovoltaikanlage mit einer Gesamtleistung von 4,9 MW versorgt werden. Die Warmwasserversorgung erfolgt über eine Solarthermieanlage mit einer Leistung von 100 kW. Insgesamt werden durch die Kombination der verschiedenen Technologien jährlich mehr als 1.000 Tonnen Kohlendioxid-Emissionen eingespart.

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Ob Konzern, mittelständisches Unternehmen oder Kleinbetrieb: Wer eine Wärmepumpe einsetzen will, muss die gesetzlichen Vorgaben einhalten. Diese unterscheiden sich je nachdem, ob die Wärmequelle das Erdreich, die Luft oder das Wasser ist. Ebenso unterschiedlich können die Anforderungen der jeweils zuständigen Landesbehörden sein. Dies gilt insbesondere für Bohrungen ins Erdreich; eine genaue Abfrage der notwendigen Genehmigungen sollte daher einer der ersten Schritte bei der Anlagenplanung sein - als Bonus bietet der Staat (noch) relativ hohe Fördermittel für die Erschließung von Erdwärme für Wärmepumpen.

Für Geräte, die Wasser als Wärmequelle nutzen, ist im Vorfeld eine Wasseranalyse erforderlich, und die Bohrung ist natürlich genehmigungspflichtig. Auch erhebliche finanzielle Zuschüsse des Bundes sind möglich. Eine Ausnahme bilden Luftwärmepumpen, da sie keiner besonderen Genehmigung bedürfen. Allerdings müssen gesetzliche Vorschriften zum Lärmschutz beachtet werden, denn die Geräte saugen die Luft mit großen Ventilatoren an - bei der BASF in Ludwigshafen wäre man wohl froh, wenn man nur solche vergleichsweise kleinen Herausforderungen zu bewältigen hätte.

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Nicht nur heiße Luft

Der Name lässt es vielleicht nicht vermuten, aber Wärmepumpen können auch kühlen. Dies kann in der Industrie von entscheidender Bedeutung sein, wenn zentrale Funktionen temperaturempfindlich sind - ein Beispiel sind große Server, die viel Wärme im Gebäude erzeugen und sich nicht überhitzen dürfen.

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Normalerweise nimmt eine Wärmepumpe im Heizbetrieb Wärme aus der Luft, dem Wasser oder dem Boden auf und überträgt sie auf ein zirkulierendes Kältemittel, das dann verdampft. Ein Kompressor verdichtet das Gas, wodurch es heiß wird. Das Kältemittel wird dann kondensiert und gibt die Wärme z. B. an das Wasser in den Heizungsrohren ab. Im Kühlbetrieb läuft dieser Prozess umgekehrt ab: Die Wärmepumpe nimmt Wärme aus dem Gebäude auf und gibt sie an die Umgebungsluft ab. Da der Kompressor in Betrieb ist, spricht man hier von aktiver Kühlung.

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Bei der passiven Kühlung wird kein Kompressor benötigt, sondern die Gebäudewärme wird einfach über eine Umwälzpumpe in das kühlere Erdreich geleitet. Der große Vorteil dieser Variante: Das Erdreich kann die abgeleitete Wärme teilweise speichern und steht der Wärmepumpe später zum Heizen zur Verfügung.