Diffusionsbarrieren industrieller Großwärmepumpen: Von der Nische in den Markt

von Dr. Anne Kantel, Dr. Ali Aydemir und Sven Alsheimer /

Zur Lösung des Klimaproblems ist es notwendig, die Industrie treibhausgasneutral umzubauen. Etwa drei Viertel des Energiebedarfs der deutschen Industrie entfallen auf die Erzeugung von Prozesswärme, die gegenwärtig größtenteils durch fossile Energieträger bereitgestellt wird. Ein Umstieg auf klimaneutrale Prozesse ist daher unerlässlich für die Erreichung der Klimaziele. Großwärmepumpen1 bieten ein enormes Potenzial, um diese Herausforderungen zu meistern, indem sie Wärme aus erneuerbaren Quellen oder industrieller Abwärme nutzen, um Prozesswärme bereitzustellen. Erste Anwendungen in der Industrie haben bereits stattgefunden: sei es in der Lebensmittelindustrie in Brauereien und Molkereien, im Fahrzeug- und Maschinenbau oder auch in der Chemie- und Pharmaindustrie.2 Der Anwendungsbereich erstreckt sich von Warm- über Heißwasser bis hin zu Dampf. Jedoch fristet die Technologie im Bereich der Industrie noch ein Nischendasein. Doch warum?

Eine Analyse mit der Technologischen Innovationssystemtheorie (TIS) Theory im Rahmen des vom BMWK geförderten Projekts WEIT (Wärme-Effizienz durch Industrie-Transformation) zeigt systemische Verbreitungshemmnisse auf und gibt Handlungsempfehlungen ab, um diese zu adressieren.

Das Forschungsprojekt WEIT

WEIT soll zur Beschleunigung des treibhausgasneutralen Umbaus der Industrie beitragen, indem es die Verbreitung energieeffizienter, klimaneutraler Prozesswärmelösungen in der Industrie fördert. Hierfür werden die Verbreitungsbedingungen für klimaneutrale Prozesswärmeanwendungen wissenschaftlich untersucht, wobei theoretische Ansätze, Expert:inneninterviews mit Herstellern und Anwendern sowie Umfragen zum Einsatz kommen.

Die gewonnenen Erkenntnisse werden in einem Diskussionsprozess in Form von Workshops (sogenannten Innovationslaboren) zielgruppengerecht aufbereitet und umgesetzt, mit dem Ziel, auf diesen Erkenntnissen basierend Instrumente zu entwickeln, die die Marktverbreitung fördern. Erste Ideen für solche Instrumente finden sich in nachfolgender Abbildung.

Forschungsprojekt WEIT – Wärme-Effizienz durch Industrie-Transformation
© DENEFF / Fraunhofer ISI
Forschungsprojekt WEIT – Wärme-Effizienz durch Industrie-Transformation, aus der Projektvorstellung WEIT3

Analyse von Diffusionsbarrieren über Funktionen der Technologischen Innovationssystemtheorie

Zur systematischen Analyse und Identifikation von Diffusionsbarrieren, die erklären können, warum es Großwärmepumpen derzeit schwerfällt, aus der Innovationsnische in den Massenmarkt zu skalieren, wurde die Theorie der Technologischen Innovationssysteme (TIS) als heuristisches Analyseinstrument herangezogen.

Ein TIS beschreibt ein spezifisches soziotechnisches System rund um eine technologische Innovation. Es lässt sich wie folgt definieren: »Ein dynamisches Netz von Akteuren, die in einem bestimmten Wirtschafts-/Industriegebiet unter einer bestimmten institutionellen Infrastruktur interagieren und an der Erzeugung, Verbreitung und Nutzung von Technologie beteiligt sind.«4

Die nachfolgende Abbildung zeigt das Akteursnetzwerk für Großwärmepumpen im Kontext der industriellen Wärmewende in Deutschland.

Akteursnetzwerk für Großwärmepumpen im Kontext der industriellen Wärmewende in Deutschland, eigene Darstellung nach Patel and Pavitt 1994
© Fraunhofer ISI
Akteursnetzwerk für Großwärmepumpen im Kontext der industriellen Wärmewende in Deutschland, eigene Darstellung nach Patel and Pavitt 19945

Der TIS-Rahmen betont die systemischen Interdependenzen und Synergien innerhalb dieses Akteursnetzwerks und zeigt auf, wie die verschiedenen Elemente zusammenwirken, um die Entwicklung, Produktion und Verbreitung einer Technologie voranzutreiben. Der analytische Fokus liegt dabei auf den Funktionen des Innovationssystems, die solche Prozesse unterstützen oder behindern können.6 Die im WEIT-Projekt untersuchten Schlüsselfunktionen des Großwärmepumpen-Innovationssystems umfassen, ausgerichtet an Bergek7 und Wieczorek et al.8 folgende Aspekte:

  1. Experimentier- und Entwicklung bei Vorreitern/Unternehmen: Erprobung und Verfeinerung (Pilotierung) neuer Technologien und Geschäftsmodelle
  2. Wissensentwicklung: Schaffung von neuem Wissen und technischem Fortschritt innerhalb des TIS
  3. Wissensaustausch: Austausch von Wissen und Technologie innerhalb des TIS-Netzes
  4. Zieldefinition und klare Ausrichtung der Technologieentwicklung: Ausrichtung der Technologieentwicklung auf spezifische Bedürfnisse und Möglichkeiten.
  5. Marktentwicklung: Schaffung von Märkten für neue Produkte und Dienstleistungen auf der Grundlage des TIS
  6. Ressourcenmobilisierung: Zusammenstellung und Zuweisung der für die Unterstützung des TIS erforderlichen Ressourcen
  7. Legitimierung: Schaffung von Glaubwürdigkeit und Akzeptanz der neuen Technologien in Industrie, Politik und Gesellschaft

 

Zentrale Barrieren für die Diffusion von Großwärmepumpen zur klimaneutralen Gestaltung von Prozesswärme

Basierend auf einer ausführlichen Literaturanalyse und Experteninterviews mit Herstellern und potenziellen Anwendern von Großwärmepumpen sowie wissenschaftlichen Experten wurden folgende zentrale Verbreitungshemmnisse identifiziert, die einer schnellen Verbreitung der Technologie entgegenwirken:

In der Entwicklung von Großwärmepumpen-Technologien fehlt es insbesondere kleineren Herstellern an Planbarkeit und Verlässlichkeit in Bezug auf Fördermittel und Finanzierung. In der Folge werden Investitionen in Technologieentwicklung und Produktion verzögert oder bleiben aus.

Im Innovationssystem bestehen Wissensdefizite, insbesondere auf Kundenseite, aber auch bei politischen Akteuren (z. B. beim Fördermitteldesign) sowie bei Akteuren von Planungs- und Genehmigungsverfahren. In der Folge entsteht aktuell ein hoher Beratungsaufwand auf Seiten der Hersteller und es kommt möglicherweise zu ineffizienten Planungen, was wiederum zu einem zögerlichen Entscheidungsverhalten auf Kundenseite führen kann. Zudem fehlt ein regulärer Wissensaustausch zwischen Herstellern und Intermediären sowie unter den Herstellern selbst. Dies führt zu »Silodenken«, da Anreize und Netzwerke für Austauschprozesse fehlen.

Unsichere wirtschaftliche Rahmenbedingungen, wie beispielsweise Planungsunsicherheiten bezüglich der Entwicklung der Gas- und Strompreise im Kontext des geplanten Gasausstiegs sowie Stromnetzanschlussbarrieren, behindern eine schnelle Marktentwicklung. Dies geht einher mit einer bestehenden Risikoaversion bei Kunden, da Hersteller bei langen Projektimplementierungszeiträumen in unbezahlte Vorleistung gehen müssen und zeitgleich eine reibungslose Wertschöpfungskette für die Kunden nicht garantieren können. Zudem behindert der Fachkräftemangel (sowohl auf Hersteller- als auch auf Kundenseite) eine schnelle Diffusion von Großwärmepumpentechnologien von der Nische in den Markt.

Es bestehen ebenfalls Herausforderungen bei der Akzeptanz von Großwärmepumpen durch TIS-Akteure. Dies wird durch fossile Pfadabhängigkeiten, fehlende Messdaten und Erfahrungswerte sowie bestehende Interessenskonflikte (z. B. durch Lobbying gegen bestimmte Kältemittel) und komplexe Zertifizierungs- und Genehmigungsverfahren getrieben.

Handlungsempfehlungen zur Überwindung von Diffusionsbarrieren: Die Schlüsselrolle der Industrieverbände als Intermediäre

Die stärkere Verbreitung von Großwärmepumpen scheitert derzeit nicht nur an technologischen Hürden, sondern auch an systemischen Barrieren. Um die industrielle Wärmewende voranzutreiben, sind klare politische Rahmenbedingungen, eine verbesserte Wissensvermittlung und ein kontinuierlicher Austausch zwischen den relevanten Akteuren notwendig. Zentral ist dabei ein abgestimmtes Vorgehen von Politik, Herstellern und Anwendern.

Industrieverbände übernehmen in diesem Prozess eine essenzielle Vermittlungsfunktion: Als gut vernetzte Intermediäre können sie Erwartungen und Zielvorstellungen der beteiligten Akteure bündeln und artikulieren sowie Lern- und Wissensprozesse auf technologischer, marktspezifischer und regulatorischer Ebene gezielt unterstützen.

Quellen

  1. Nach VDI 4646: nicht standardisierte Wärmepumpen im Leistungsbereich > 100 kath.
  2. Annex 48 des IEA Technology Collaboration Programme listet hier Beispiele: Map Europe – Industrial Heat Pumps – IEA HPT TCP ANNEX 48
  3. Allgemeine Vorstellungspräsentation WEIT
  4. Carlsson B., Stankiewicz (1991): On the nature, function and composition of technological systems, J. Evol. Econ. 1(2), 93-118. 
  5. Patel P. and Pavitt K. (1994): National Innovation Systems: why they are important and how they might be measured and compared. Economics of Innovation and New Technology, 3(1), 77-95.
  6. Bergek et al. (2008): Analyzing the functional dynamics of technological innovation systems: A scheme of analysis. Research Policy 37(3), 407-429.
  7. Bergek, A. (2019): Technological inovation systems: a review of recent findings and suggestions for further research. Handbook of Sustainable Innovation: 200-2018.
  8. Wieczorek A. J. et al. (2013): A review of the European offshore wind innovation system. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 26, 294-306.

 

Industrie-Befragung zur Marktverbreitung von Großwärmepumpen

Gegenwärtig führen wir im Projekt WEIT eine Befragung zur Marktverbreitung von industriellen Großwärmepumpen durch.

💡 Für wen? Unternehmen mit Interesse an oder Erfahrung mit industriellen Großwärmepumpen

🕒 Dauer? Ca. 10 Minuten.

📊 Ihr Mehrwert: Auf Wunsch erhalten Sie eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse.

👉Jetzt teilnehmen: Unternehmensbefragung Projekt-WEIT

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