Integration von Wärmepumpen zur Dekarbonisierung der industriellen Wärmeversorgung

Wärmepumpen, die industrielle Abwärme durch die Verwendung erneuerbaren Stroms rückgewinnen, stellen einen elementaren technischen Hebel zur Dekarbonisierung des industriellen Wärmesektors dar. Ungünstige Strom-zu-Gaspreisverhältnisse, unzureichende Planungsinstrumente und mangelndes Bewusstsein für sinnvolle Anwendungs- möglichkeiten bei Ingenieuren und Entscheidungsträgern in Planung, Beratung, Politik und Unternehmen hemmen die Marktdurchdringung. Um diese Hemmnisse zu überwinden, entwickelte diese Arbeit zahlreiche geeignete Einzelmethoden (weiter) und reduzierte sie, zur Anwendung sowohl für die Vorplanungsphase als auch für die technisch-ökonomische Detail-planungsphase, in ihrer Komplexität. Das in der Vorplanungsphase als Orientierungshilfe nutzbare technisch-ökonomische Potenzial wurde für die Best-Practice-Beispiele Trocknung, Raumluftheizung, beheizte Prozessbäder und Betriebswassererwärmung ermittelt. Basierend auf realitätsnahen COPRegressionsmodellen marktverfügbarer Wärmepumpen wurde zudem ein grafisches, intuitiv bedienbares, zweidimensionales Bewertungsnomogramm konzipiert, das für die wirtschaftliche und ökologische Vorteilhaftigkeit von Wärmepumpen gegenüber herkömmlichen Gaskesseln sensibilisiert. Die idealisierte grafische Darstellung der Großverbundkurve erweiternd entstand in dieser Arbeit die neuartige ’Heat-Pump-Bridge-Analysis’, welche die Ermittlung des technischökonomischen Potenzials unter Berücksichtigung von prozess- technischen und wirtschaftlichen Restriktionen ermöglicht. Die Methode strebt die Erhöhung der Wärmerückgewinnungsrate an und gleicht zur Auswahl und Integration von Wärmepumpen die Prozessanforderungen mit der Effizienz und den Einsatzgrenzen marktverfügbarer Wärmepumpen ab. Zur statistischen Quanti-fizierung von Auslegungsgrößen hinsichtlich Versorgungssicherheit und Wirt-schaftlichkeit wurde zudem eine Methode zur Erzeugung und Auswertung probabilistischer Zeitreihen vorgestellt. Um Wirtschaftlichkeit und Risiko von Investitionsoptionen in der Detail-planungsphase zu bewerten, wurde ein viergliedriges Nomogramm entwickelt, mit welchem Entscheidungsträger in die Lage versetzt werden, flexibel unternehmens-spezifisch variierende Rahmenbedingungen in die Gesamtbewertung einfließen zu lassen. Unter gegenwärtigen Rahmenbedingungen liegt der wirtschaftliche Grenzwert bei einem Temperaturhub von 32 K. Im Zuge der Energiewende sind durch steigende CO2-Preise und sinkende Emissionsfaktoren in 2050 über 60 K zu erwarten, was den wirtschaftlichen Anteil des identifizierten technischen Potenzial massiv steigern würde.