Der persönliche Klimafussabdruck ist manchmal ein Spielverderber. Er rechnet auch diejenigen CO₂-Emissionen mit, die durch lieb gewonnene Gewohnheiten verursacht werden. Eine Schweizerin oder ein Schweizer verzehrt im Jahresdurchschnitt über 10 kg Schokolade. Dem Genuss folgt aber ein bitterer Nachgeschmack: Die Herstellung dieser Schokolade ist mit einem Ausstoss von 20 bis 30 kg CO₂ verbunden. Unsere durchschnittlichen Schokolade-Emissionen belasten die Klimabilanz ähnlich wie das Verbrennen von 10 Liter Benzin oder eine Autofahrt über 200 km in einem neuen VW Golf. Vor allem das Rösten von Kakao braucht Hitze und Dampf. Die meisten Schweizer Schoggifabriken verbrennen dafür Öl oder Erdgas, wie viele andere Industrien, die viel Wärme und hohe Temperaturen für ihre Verarbeitungsprozesse brauchen.

Temperaturen bis 80 °C

Umso erfreulicher ist, dass sich die «süsse» Branche nun vermehrt für den Klimaschutz engagiert. So beginnen erste Produzenten ihre Gebäude mit Holz zu beheizen oder sich mit Strom aus eigenen Photovoltaikanlagen zu versorgen. Doch was zwei Schokoladefabrikanten in der Ost- und Zentralschweiz leisten, ist noch ein Ausnahmefall: Sie haben ihre Produktionsprozesse umgestellt und setzen Wärmepumpen anstelle von Erdgasbrennern ein – insbesondere zum Aufheizen von Kakaomasse für das Schmelzen und Conchieren bis 80 °C.

Cordin Arpagaus, Wärmepumpenspezialist am Institut für Energiesysteme (IES) der Ostschweizer Fachhochschule (OST), empfiehlt diese Vorzeigebeispiele zur Nachahmung. «Da Schokolade überall gleich hergestellt wird, könnten die thermischen Prozesse in der gesamten Branche mit Wärmepumpen organisiert werden.»

90 % weniger Treibhausgase

Was der Nutzen daraus ist, können die Fachleute am OST-Institut anhand von mehreren geglückten Betriebsumstellungen ausführen. Seit über zehn Jahren begleiten sie Projekte aus unterschiedlichen Industriebranchen, bei denen fossile Brennstoffe durch Wärmepumpen ersetzt werden. Bisweilen kann der werksinterne Energiekonsum dadurch um bis zu 80 % und der lokale CO₂-Ausstoss sogar um 90 % gesenkt werden.

Dekarbonisierungsziele für die Industrie

Tatsächlich ist das produzierende Gewerbe verpflichtet, seine internen Prozesse mittelfristig zu dekarbonisieren und fossile Brennstoffe durch emissionsarme Energieträger zu ersetzen. Denn das nationale Klimaziel gilt auch für Industriebetriebe: Sie müssen ihre Emissionen bis 2050 auf «Netto-Null» senken. Gemäss Bundesamt für Umwelt ist der Sektor bislang für fast einen Viertel der inländischen CO₂-Emissionen verantwortlich.

Auf nationaler und internationaler Ebene nutzen jedoch erst wenige Unternehmen – auch ausserhalb der Schokoladenbranche – eine Wärmepumpe zur Erzeugung von Prozesswärme. Sowohl die Internationale Energie-Agentur als auch die inländische Förderagentur Innosuisse unternehmen jedoch einiges, um dieser Technologie zum Marktdurchbruch zu verhelfen. Ein Whitepaper (PDF) und mehrere Forschungsprogramme sollen die Praxis von der Machbarkeit überzeugen. In der Schweiz wurde eigens dazu das Projekt SWEET DeCarbCH lanciert, um unter anderem ein emissionsfreies Verfahren zur Dampferzeugung zu entwickeln.

Leistungszahl über 2,5

Bei Ein- und Mehrfamilienhäusern hat die Wärmepumpe den Heizungsmarkt längst erobert, im Neubau sind sie heute das Standardsystem für das Bereitstellen von Raumwärme und Warmwasser.
Im Vergleich dazu sind Wärmepumpen für industrielle Anwendungen noch selten. Doch sie können auch heisse Luft zum Trocknen respektive Heisswasser oder Dampf zum Sterilisieren energieeffizient erzeugen. Temperaturen bis 140 °C überfordern die Wärmepumpe keineswegs. «Hochtemperatur-Wärmepumpen erreichen eine Leistungszahl – den sogenannten COP – von 2,5 bis 3,5, abhängig von der Temperatur der Wärmequelle», ergänzt Cordin Arpagaus. Das ist praktisch die gleiche Effizienz, wie sie Luft- und Erdwärmepumpen für das Eigenheim im Durchschnitt erreichen.

Hochtemperatur-Wärmepumpen erreichen eine Leistungszahl von 2,5 bis 3,5, abhängig von der Temperatur der Wärmequelle.

Cordin Arpagaus, Wärmepumpenspezialist am IES der OST

Spezielle Kompressoren erforderlich

Es gibt aber einen wichtigen Unterschied: Wärmepumpen lassen sich hinsichtlich ihres Anforderungsprofils einordnen. Wird eine grosse Heizleistung ab 100 kW verlangt, etwa zur Versorgung von Gebäuden oder Wärmenetzen auf Niedertemperaturniveau, werden «Grosswärmepumpen» installiert (siehe Aufklappelement). Zur Bereitstellung einer höheren Vorlauftemperatur zwischen 80 und 100 °C sind dagegen Hochtemperatur-Wärmepumpen erforderlich. Dies verfügen über spezielle Kompressoren, mit denen das Kältemittel stärker verdichtet werden kann.

Interne Abwärme als Energiequelle

Das Funktionsprinzip bleibt sich allerdings gleich, unabhängig davon, ob Wärme im Nieder- oder Hochtemperaturbereich bereitgestellt werden soll: Die Quellenenergie wird mithilfe einer Kompressionswärmepumpe in nutzbare Wärme umgewandelt. Der Verdichter, der das Energiemedium unter Druck erwärmt, benötigt dafür aber elektrische Energie. Wie viel, hängt vom Temperaturunterschied zwischen der Energiequelle und der genutzten Wärme ab: Je geringer die Differenz ist, umso weniger Strom wird benötigt.

«In vielen Fabriken steht Abwärme als Energiequelle zur Verfügung», erklärt Arpagaus. Stammt diese beispielsweise von Kältemaschinen, ist sie bereits 30 bis 50 °C warm. Das bietet ideale Voraussetzungen für Vorlauftemperaturen bis 100 °C, so der OST-Wärmepumpenexperte. Noch höhere Temperaturen lassen sich mit Wärmepumpen bereitstellen, die mit einem Spezialkompressor ausgestattet sind.

Gasbrenner als Reserve

In der Schweiz hat vor allem die Lebensmittelindustrie die Wärmepumpe als Variante zur klimafreundlichen und energieeffizienten Wärmeerzeugung entdeckt. Die Betriebsumstellung wird durch Prozesse begünstigt, die sich auf Temperaturen unter 100 °C beschränken. Ideal ist auch, dass Betriebe, die Schokolade, Biskuits, Fertiggerichte oder Gemüse produzieren, ihre Produkte meistens in Kühlräumen lagern, die durch Kälteanlagen versorgt werden. Hochtemperatur-Wärmepumpen können Abwärme solcher Kühlprozesse als hochwertige Energiequelle nutzen.

In vielen Fällen bleibt der Gaskessel allerdings bestehen, für einen punktuellen Einsatz als fossiles Reservesystem. «Als Redundanz, zur Abdeckung von Spitzenlasten oder zur Überbrückung von internen Revisionsarbeiten», so Arpagaus. Der zusätzliche Platzbedarf kann die Installation einer Wärmepumpe deshalb erschweren.

Kosten sind noch zu hoch

Das Hauptinteresse aus der Industrie hängt jedoch von den Energiepreisen ab. «Derzeit erhalten wir wieder mehr Anfragen, ob sich Wärmepumpen für Hochtemperatur-Prozesse eignen», bestätigt Cordin Arpagaus. Aktuelle Abklärungen zeigen ebenso wie frühere Machbarkeitsstudien fast immer, dass ein Umstieg ökologisch sinnvoll und technisch machbar ist. «Doch aus Kostengründen werden mögliche Vorhaben lieber aufgeschoben. Staatliche Fördermassnahmen könnten die Marktdurchdringung beschleunigen.» Die Stiftung myclimate betreut ein Förderprogramm für Industriebetriebe, die bis 2030 aktiv werden wollen.

Die Wärmepumpenhersteller wollen aber auch selbst dazu beitragen, dass ihre Technologie den Industriemarkt schon bald erobern kann. Unter anderem wird die Erforschung noch leistungsfähigerer Kompressoren vorangetrieben, um den Wirkungsgrad von Hochtemperatur-Wärmepumpen zu verbessern. Und um die Kosten parallel dazu zu senken, «sollen mehr standardisierte und modulare Wärmepumpen entwickelt werden», ist Cordin Arpagaus überzeugt.