Wie groß soll die Wärmepumpe sein?

Bis zu 6 MW Abwärme stehen zur Verfügung. Das wirtschaftliche Optimum liegt in diesem Beispiel trotzdem bei nur 3,25 MW Wärmepumpenleistung. Damit werden bereits 97 % der verfügbaren Abwärme genutzt. Wie lässt sich die optimale Leistung bestimmen?

In Industriebetrieben stehen häufig mehrere Abwärmequellen zur Verfügung, deren Leistung im Jahresverlauf stark schwankt.

Im dargestellten Beispiel sind es drei Quellen mit einer kumulierten Spitzenleistung von knapp 6 MW. Alle drei stehen auf demselben Temperaturniveau zur Verfügung und können deshalb gemeinsam betrachtet werden.

Zuerst der Lastgang

Der chronologische Lastgang zeigt zunächst ein ziemlich unruhiges Bild. Die verfügbare Abwärme schwankt stark, einzelne Spitzen reichen bis knapp 6 MW.

Welche Wärmepumpenleistung daraus sinnvollerweise abzuleiten ist, lässt sich aus dieser Darstellung kaum erkennen.

Hilfreicher ist die Jahresdauerlinie.

Wie viel Leistung braucht es für wie viel Abwärme?

Dafür werden dieselben Leistungswerte nicht mehr chronologisch, sondern ihrer Größe nach sortiert.

Nun wird sichtbar: Die höchsten Abwärmeleistungen treten nur während weniger Stunden auf. Mit einer deutlich kleineren Wärmepumpe lässt sich deshalb bereits ein sehr großer Teil der jährlich verfügbaren Energie nutzen.

Im konkreten Beispiel können mit 3,25 MW Wärmepumpenleistung bereits 97 % der verfügbaren Abwärme genutzt werden.

Aber ist 3,25 MW deshalb auch die wirtschaftlich richtige Dimensionierung? 

Nicht unbedingt. Dafür braucht es eine zweite Betrachtung: die Vollkosten.

Was kostet die Wärmepumpe?

Für unterschiedliche Wärmepumpenleistungen werden zunächst die Investitionskosten angesetzt.

Dabei arbeite ich nicht mit einem konstanten spezifischen Wert in €/kW. Bei größeren Anlagen sinken üblicherweise die spezifischen Investitionskosten. Im Beispiel wurde deshalb folgende degressive Kostenkurve verwendet:

Eine Wärmepumpe mit 3,25 MW kostet damit in der Beispielrechnung rund 3,40 Mio. €.

Bei einer angenommenen Lebensdauer von 20 Jahren und einer Verzinsung von 4 % ergeben sich daraus jährliche Kapitalkosten von rund 250.000 €.

Hinzu kommen die Wartungskosten. Für die hier angenommene NH₃-Wärmepumpe wurden 20 €/kW und Jahr angesetzt.

Stromverbrauch: Nicht nur der COP zählt

Für die Wärmepumpe wurde ein COP von 3,5 angesetzt. Hinzu kommen elektrische Hilfsantriebe in Höhe von 10 % des Stromverbrauchs der Wärmepumpe.

Der Strompreis wurde in diesem Beispiel mit 130 €/MWh angesetzt.

Gerade dieser Wert muss bei realen Projekten sorgfältig bestimmt werden. Industrielle Strombezugskosten unterscheiden sich regional und betriebsspezifisch erheblich. Für eine Investition mit 20 Jahren Lebensdauer stellt sich außerdem die Frage, welcher langfristige Strompreis für die Wirtschaftlichkeitsrechnung sinnvoll ist.

Die 130 €/MWh sind deshalb ausdrücklich eine Annahme dieses Beispiels und kein allgemeiner Industriestrompreis.

Ein weiterer wichtiger Punkt: Die Stromkosten steigen nicht proportional zur installierten Wärmepumpenleistung.

Eine größere Wärmepumpe verbraucht nur dann zusätzlichen Strom, wenn sie durch ihre größere Leistung tatsächlich zusätzliche Abwärme erschließt. Genau dafür wird der ursprüngliche Lastgang benötigt.

Und was passiert mit der fehlenden Wärme?

Eine kleinere Wärmepumpe nutzt weniger Abwärme. Die dadurch fehlende Wärmemenge muss anderweitig bereitgestellt werden.

Im Beispiel kommt diese zusätzliche Wärme aus einem Wärmenetz und kostet 90 €/MWh.

Damit wirken zwei Effekte gegeneinander:

Mit zunehmender Wärmepumpenleistung steigen Kapitalkosten, Wartungskosten und – soweit zusätzliche Abwärme erschlossen wird – die Stromkosten.

Gleichzeitig sinken die Kosten der zusätzlich benötigten Wärme aus dem Wärmenetz.

Die Summe entscheidet.

Das Vollkostenoptimum