Fallstudie zum Thema Technologie

Dekarbonisierung von Industriedampf

Zweck und technologische Reife

Diese Fallstudie wurde von der Organisation „Northeast States for Coordinated Air Use Management“ (NESCAUM) und ihrem Berater AJW für Luftreinhaltungsbehörden erstellt, um die derzeitigen und in naher Zukunft verfügbaren Möglichkeiten von Wärmepumpen für industrielle Wärmeanwendungen aufzuzeigen. Da emissionsfreie Technologien keine Luftgenehmigungen erfordern, gibt es nur wenige Belege dafür, dass diese Technologien „in der Praxis umgesetzt“ werden.

Diese Fallstudie befasst sich mit dem Pilotbetrieb des „Boiler 2.0“ von AtmosZero bei New Belgium Brewing in Fort Collins, Colorado, und beleuchtet die Luftwärmepumpentechnologie, mit der sich die für die Lebensmittel- und Getränkeherstellung erforderlichen hohen Temperaturen erreichen lassen. Diese Technologie befindet sich derzeit auf dem Technologie-Reifegrad (TRL)¹ von 7, und AtmosZero plant, die volle Technologiereife zu erreichen und im Jahr 2027 mit der kommerziellen Auslieferung zu beginnen.

Einleitung

Während für die Raumheizung und leichte industrielle Prozesse klare Wege zur Elektrifizierung bestehen, wurde Hochtemperaturdampf (der für die Lebensmittel-, Getränke- und Chemieindustrie von entscheidender Bedeutung ist) aufgrund thermodynamischer Grenzen bislang auf fossile Brennstoffe angewiesen. Dieses Projekt validiert eine in ihrer Art einzigartige „High-Lift“-Wärmepumpe, die industriell nutzbaren Dampf direkt aus der Umgebungsluft erzeugt und dabei einen Wirkungsgradgewinn von bis zu 200 % gegenüber fossilen Brennstoffen und Widerstandskesseln erzielt.

Im Jahr 2025 führte New Belgium Brewing in Fort Collins, Colorado, einen Pilotbetrieb mit dem „Boiler 2.0“ von AtmosZero durch, um die Grundlast der Erdgasheizkessel der Anlage zu unterstützen. AtmosZero nutzt das Projekt zudem, um Funktionen wie die Abtauung in einer kommerziellen Betriebsumgebung nach einem gemeinsam vereinbarten Zeitplan zu testen.

New Belgium entschied sich für den Pilotbetrieb der Wärmepumpe, da diese sofort einsatzbereite, skalierbare Technologie eine schnelle Installation ohne Produktionsausfälle für die Brauerei ermöglichte.

AtmosZero: Technische Einführung

Über AtmosZero

AtmosZero ist ein Start-up im Bereich industrieller Wärmepumpen, das 2021 gegründet wurde, um eine Technologie zu vermarkten, die im Labor des Mitbegründers Todd Bandhauer an der Colorado State University entwickelt wurde. Das Unternehmen erhielt vom „Industrial Efficiency and Decarbonization Office“ des US-Energieministeriums (DOE) einen Zuschuss in Höhe von 3,2 Millionen US-Dollar zur Unterstützung der Produktentwicklung und eines Einsatzprojekts mit einem weltweit tätigen Chemieunternehmen. Das Pilotprojekt bei New Belgium Brewing ist der erste Einsatz der „Boiler 2.0“-Technologie.

Technische Einführung

Das AtmosZero-System nutzt einen eigens entwickelten kaskadierten Dampfkompressionskreislauf (zweistufiger Zyklus), um Wärme aus der Umgebung auf ein Niveau zu „heben“, bei dem Dampf erzeugt werden kann, ohne dass eine externe Abwärmequelle erforderlich ist.² Die meisten Wärmepumpen verfügen über einen einstufigen Kompressionskreislauf. Dank des zweistufigen Aufbaus von AtmosZero kann bereits bei Lufttemperaturen von bis zu -14 °C Dampf erzeugt werden. Dies ist eines der grundlegenden Konstruktionsprinzipien der AtmosZero-Technologie, da der Einsatz von Luftwärmepumpen anstelle von Abwärme die Kosten senkt und Ausfallzeiten der Anlage während der Installation reduziert.

AtmosZero hat das „Boiler 2.0“-System als modulare, kompakte 1-MW-Einheit (ca. 3.400 lbs/hr Dampf) konzipiert. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Serienfertigung und den standardisierten Einsatz industrieller Wärmepumpen anstelle von maßgeschneiderten Anlagen, die eine individuelle technische Planung erfordern. Derzeit werden einzelne Einheiten eingesetzt, doch das System ist für den Reihenbetrieb ausgelegt, und die Roadmap sieht ein 3-MW-System vor, das durch drei hintereinander geschaltete Einheiten erreicht wird. AtmosZero hat festgestellt, dass dieser Ansatz im Vergleich zu maßgeschneiderten Systemen die Vorhersehbarkeit der Investitionskosten verbessert und das Ausführungsrisiko verringert.

Wärmepumpen und Elektrifizierung – Emissionsminderung

Wie bei allen Elektrifizierungsprojekten führt der Ersatz von brennstoffbefeuerten Kesseln durch Wärmepumpen zu einer Verringerung oder vollständigen Beseitigung der Emissionen vor Ort. Der Umfang der Emissionsminderung hängt von der jeweiligen Anlage, ihrer Funktion und davon ab, ob die brennstoffbefeuerten Anlagen vollständig stillgelegt werden oder in gewissem Umfang weiterhin in der Anlage zum Einsatz kommen. Dabei ist zu beachten, dass bestehende Kessel in der Regel im Teillastbetrieb laufen, was wesentlich weniger effizient ist als die auf dem Typenschild angegebenen Wirkungsgrade.

Diese Tabelle enthält beispielsweise eine Schätzung der_{CO₂e-Emissionsminderungen}vor Ort, die sich aus dem Austausch eines 1-MW-Erdgaskessels (dargestellt bei unterschiedlichen Wirkungsgraden) durch eine AtmosZero-Wärmepumpe ergeben.

Wirtschaftlichkeit von Hochtemperatur-Wärmepumpen

Die Wirtschaftlichkeit von Hochtemperatur-Wärmepumpen hängt stark vom jeweiligen Standort ab. Für eine vorläufige Kostenkalkulation liegen die Anschaffungskosten für die modularen Anlagen von AtmosZero in der Regel zwischen 850.000 und 1.250.000 US-Dollar pro Einheit. Die gesamten Installationskosten (d. h. CapEx) verteilen sich in der Regel etwa zu gleichen Teilen auf die Anlagen und die Standortintegration. Der Großteil der Kostenschwankungen ergibt sich aus der Standortintegration, insbesondere der elektrischen Infrastruktur, sodass Projekte mit ausreichender vorhandener elektrischer Kapazität kostengünstiger sind.

Auch die Betriebskosten variieren stark je nach Projektstandort. Der Strompreis im Vergleich zu Erdgas (oder der Funkenabstand) am Projektstandort ist dabei der entscheidende Faktor. AtmosZero schätzt die Gesamtbetriebskosten auf etwa 80 $/MWh. Diese Berechnung basiert auf der Annahme eines engen Funkenabstands von 2,2 bei Stromkosten von 88 $/MWh. Darüber hinaus können die Teilnahme an Lastmanagementprogrammen – ermöglicht durch die Regelbarkeit der Technologie – sowie der Betrieb elektrischer Anlagen zu Zeiten mit niedrigen Stromkosten einen zusätzlichen Mehrwert schaffen und die Betriebskosten senken.

Im Zuge der Ausweitung des Einsatzes von AtmosZero rechnet das Unternehmen mit weiteren Kostensenkungen und einer zunehmenden Standardisierung sowie mit geringeren Betriebskosten, die durch Steuerungsmaßnahmen, Automatisierung und Fernüberwachung ermöglicht werden.

Technisches Profil und Systemauslegung für die Installation bei New Belgium

Über New Belgium

New Belgium Brewing ist ein führender US-amerikanischer Hersteller von Premium-Alkoholgetränken. Das Unternehmen wurde 1991 in einem Keller in Fort Collins, Colorado, gegründet. Das „Human Powered Business“-Modell von New Belgium, das sich durch die Fürsorge für Menschen, den Schutz der Umwelt und die Übernahme von Verantwortung für die eigenen Auswirkungen auszeichnet, hat die Geschäftspraktiken des Unternehmens geprägt und es New Belgium ermöglicht, in den letzten drei Jahrzehnten viele bedeutende Meilensteine zu erreichen – darunter die Auszeichnung als erste noch aktive Craft-Brauerei mit B Corp™-Zertifizierung, die Entwicklung des ersten klimaneutralen Bieres „Fat Tire“ und vieles mehr.

Piloteinstellung

Fort Collins in Colorado liegt am Fuße der Rocky Mountains auf einer Höhe von etwa 5.000 Fuß über dem Meeresspiegel. Die Temperaturen im Sommer sind im Allgemeinen mild, während die durchschnittlichen Tiefsttemperaturen im Winter bei etwa 15 °F (-9,4 °C) liegen und das Klima trocken ist. Diese niedrigen Wintertemperaturen ermöglichen es, die Untergrenze der Temperatur, bei der die Technologie von AtmosZero noch funktioniert, effektiv zu testen.

In Colorado liegt der geschätzte Funkenabstand bei 3,2, womit der Bundesstaat den 13. niedrigsten Funkenabstand aller US-Bundesstaaten aufweist.³ Mit anderen Worten: Im Vergleich zum Rest des Landes ist der Preisunterschied zwischen Strom und Erdgas relativ gering.

Technische Daten

In der folgenden Tabelle werden die Daten der konkreten Anlage bei New Belgium mit den technischen Leistungsmerkmalen des Modells „Boiler 2.0“ von AtmosZero verglichen.

Implementierung: Infrastruktur und Bereitstellung

Ein wesentliches Hindernis für die Industrie sind die mit industriellen Nachrüstungen verbundenen „Ausfallzeiten“. Im Jahr 2023 entschied sich New Belgium gegen den Einsatz einer Wärmepumpe zur Nutzung von Abwärme, da die Integration kostspielig gewesen wäre und mehrere Unterbrechungen der Brauereiproduktion erfordert hätte. Bei diesem Projekt wurde stattdessen eine Strategie der parallelen Integration verfolgt, um das Betriebsrisiko zu minimieren.

• Nicht-invasive Integration: Die Absperrventile wurden während einer bereits geplanten Anlagenstilllegung installiert. Dadurch konnte die AtmosZero-Anlage Monate später ohne Produktionsausfälle physisch aufgestellt und angeschlossen werden.
• Schnelle Inbetriebnahme: Sobald die mechanische und elektrische Infrastruktur fertiggestellt war (60–90 Tage), dauerte die Aufstellung der Geräte nur einen Tag, gefolgt von einer dreiwöchigen Inbetriebnahmephase.
• Elektrische Optimierung: Das System wurde für Niederspannung (~1000 Ampere) ausgelegt, um kostspielige Modernisierungen der Transformatoren der Energieversorger in Höhe von mehreren Millionen Dollar zu vermeiden, die Industrieelektrifizierungsprojekte häufig verzögern.⁷
• Projektmanagement: AtmosZero übernimmt die Leitung des Baus, der Integration und der Inbetriebnahme des Projekts einschließlich der Überwachung des Systems nach der Inbetriebnahme.

Die Leistungsregelung ist ein weiterer zentraler Aspekt bei der Konzeption der Dampfelektrifizierung, da die Technologie in der Lage sein muss, sich an wechselnde Grundlasten anzupassen. Die Lasten bei New Belgium können je nach Produktionsplänen, Reinigungszyklen und anderen Schwankungen des Bedarfs variieren. AtmosZero gibt an, dass sein „Boiler 2.0“ von voller Leistung bis auf etwa 30 % der Nennleistung geregelt werden kann, wodurch er effektiv auf Bedarfsänderungen reagieren kann.

Leistungsvergleich mit dem Referenzszenario auf Basis fossiler Brennstoffe

Die Anlage arbeitet derzeit mit einem Hybridsystem, bei dem die Wärmepumpe die Grundlast abdeckt und drei neue Erdgasheizkessel (der Hersteller Miura und Clayton) die Grundlast, Spitzenlasten und den Anlauf übernehmen.

Weitere Informationen zu neuen Erdgasheizkesseln finden Sie in den Abgasgenehmigungsunterlagen von New Belgium, deren aktuellste aus dem Jahr 2023 stammen.⁸ Bemerkenswert ist, dass die Wärmepumpe von AtmosZero nicht in den Luftgenehmigungen der Anlage aufgeführt ist, da sie von den Anforderungen für Luftgenehmigungen ausgenommen ist.