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Hochtemperatur- Wärmepumpen zur energetischen Nutzung industrieller (Niedertemperatur-)Abwärme

In diesem Projekt wurden Wärmepumpen entwickelt, die Wärme mit bis zu 130°C Nutzungstemperatur liefern können und dabei Wärmequellen im Bereich von 10°C bis 55°C nutzen. Dazu wurden zwei Funktionsmuster konzipiert, die für unterschiedliche Quelltemperaturen geeignet sind. Die Funktionsmuster wurden am Prüfstand betrieben, vermessen und optimiert. Da die Wärmepumpen in Industrieprozessen eingesetzt werden sollen, wurden die Funktionsmuster mit einer Heizleistung von ca. 300 kW ausgelegt, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.

Projektverlauf

Einer der Schwerpunkte war die Identifizierung von Prozessen, in denen diese Hochtemperatur-Wärmepumpen eingesetzt werden können. Dazu wurden verschiedene Industrieprozesse analysiert und auf nutzbare Abwärmequellen untersucht. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden die erforderlichen Auslegungsparameter für die beiden Wärmepumpen definiert.

Ein Funktionsmuster verfügt über einen einstufigen Kältekreislauf und nutzt Abwärme im Bereich von 40-60°C. Damit können Prozessströme, die derzeit auf Grund des niedrigen Temperaturniveaus nicht mehr in Wärmetauschern genutzt werden können, nutzbar gemacht werden.

Das zweite Funktionsmuster hat einen zweistufigen Kältekreislauf und wurde für hohe Temperaturhübe ausgelegt. Daher ist es für Quelltemperaturen von 10°C bis 20°C gut geeignet. Bei diesem Einsatz geht es neben der Nutzung der Abwärme auch um Kühlanwendungen. Durch gleichzeitiges Heizen und Kühlen ist die Anwendung einer Wärmepumpe besonders effizient.

Um Abwärmepotentiale zu identifizieren, die mit der Wärmepumpe nutzbar gemacht werden können, wurden zunächst Expertengespräche mit den Betreibern der Prozesse geführt. Dazu wurden meist mehrere Termine vor Ort wahrgenommen. Um die Datenerfassung und Analyse möglichst effizient und einheitlich zu gestalten, wurde im Vorfeld ein entsprechendes Analyseformular erarbeitet. Basierend auf den Gesprächen und den Prozessdaten wurden die Wärmequellen und –senken charakterisiert. Anhand der Energieflüsse wurde die Eignung der Prozesse für die Hochtemperatur-Wärmepumpe beurteilt. Die so ermittelten Daten dienten als Auslegungsparameter für die Entwicklung von je einem einstufigem und einem zweistufigem HTWP Funktionsmuster. Als Quelltemperatur für das einstufige Funktionsmuster wurde ein Bereich von 40°C bis 60°C definiert, für das zweistufige Funktionsmuster ein Bereich von 10°C bis 20°C. Die Senkentemperatur (Kondensatoraustritt) wurde für beide Funktionsmuster mit 100°C bis 130°C definiert. Aufgrund der analysierten Prozesse wurde eine Heizleistung von ca. 300 kW für die beiden Funktionsmuster definiert.

Die beiden Funktionsmuster wurden gebaut und auf den Prüfstand in verschiedenen Betriebspunkten betrieben und optimiert. Mit den ermittelten Messdaten wurden Simulationsmodelle der beiden Wärmepumpen erstellt, die in einer stationären Fließbildsimulation eingesetzt wurden. Damit wurden Industrieprozesse mit und ohne Wärmepumpe simuliert, sowie die Auswirkungen auf Energieverbrauch, CO₂-Emissionen und deren Wirtschaftlichkeit untersucht und dargestellt.

Ergebnisse

Mit diesem Forschungsprojekt wurde gezeigt, dass Hochtemperatur-Wärmepumpen Medientemperaturen von 130°C erzeugen können. Dabei liegen die Leistungszahlen je nach Quelltemperatur im Bereich von 1,8 bis 3.

Bei dem derzeitigen Verhältnis zwischen Strompreis und dem Preis fossiler Energieträger ist dies aber oft noch nicht ausreichend, um die von der Industrie oftmals gewünschte Amortisationsdauer von unter drei Jahren zu erreichen.

Erschwerend kommt hinzu, dass Emissionseinsparungen noch nicht monetär bewertet werden, wie beispielsweise die niedrigen Preise des CO₂-Emissionshandels zeigen. Daher stellen die positiven Auswirkungen auf die Umwelt auch keinen Anreiz für eine weitere Marktdurchdringung dar. Finanzielle Anreize für CO₂-Einsparungen und gesteigerte Energieeffizienz, sowie Investitionsförderungen können umweltschonenden Energieerzeugungstechnologien wie der Wärmepumpe auch in der Industrie zum Durchbruch verhelfen.

Die Prozessanalysen haben gezeigt, dass Industriebetriebe durchaus Interesse an Hochtemperatur-Wärmepumpen haben, da durch die höheren Wärmenutzungstemperaturen viele neue Anwendungsfelder erschlossen werden können. Eine weitere Umsetzungsbarriere stellen die noch nicht vorhandenen Referenzanlagen dar, die zeigen, dass Wärmepumpen in der Industrie zuverlässig und effizient eingesetzt werden können. Daher ist es auch ein Ziel, erste Anlagen im Feld zu verwirklichen, damit auf entsprechende Referenzen verwiesen werden kann.