HotCycle – Hochtemperatur-Wärmepumpe kleiner bis mittlerer Leistung mit Trennhaubenkompressor

Im Rahmen des Projekts wird ein Funktionsmuster für eine industrielle Kompressions-Wärmepumpe mit alternativem Kältemittel für Hochtemperaturanwendung mit Nutztemperaturen bis ca. 110°C entwickelt, aufgebaut und getestet. Vorab müssen dafür das „optimale“ Kältemittel und eine den Anforderungen entsprechende Kreislaufvariante mittels Simulation identifiziert werden. Als Verdichter wird ein Trennhaubenkompressor verwendet, der für das Kältemittel adaptiert und umfangreich getestet wird. Mit Hilfe von Messungen am Prüfstand wird das Betriebsverhalten der Hochtemperatur-Wärmepumpe bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen analysiert. Aus den Erkenntnissen werden Betriebs- und Wirtschaftlichkeits-Kennzahlen für unterschiedliche Anwendungsfälle abgeleitet.

Ausgangssituation

Die effiziente Gestaltung von thermischen Industrieprozessen in Hinblick auf die Reduktion fossiler Energieträger gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Anwendung von Hochtemperaturwärmepumpen (>90 °C) für die Abwärmenutzung in Industrieprozessen kann dahingehend eine Möglichkeit darstellen, fossile Wärmebereitstellungssysteme zu ersetzen. Lambauer et al. [1] geben für Deutschland das Potenzial der Nutzwärme mit einem Temperaturniveau von 100 °C welche durch Wärmepumpen bereitgestellt werden könnte, mit ca. 390 PJ pro Jahr an. Nach Lambauer et al. [1] entspricht dies ca. 30 % des gesamten Nutzwärmebedarfs in Deutschland im Jahr 2006. Das Potenzial in Österreich für Nutzwärme auf einem Temperaturniveau von 100 °C wird ebenfalls bei ca. 30 % des gesamten Nutzwärmebedarfs liegen. Typische Prozesse in diesem Temperaturbereich sind in Rieberer et al. [2] zusammengefasst und liegen unter anderem in der Lebensmittelindustrie (Pasteurisieren, Kochen, Destillieren), in der Metallindustrie (Trocknen, Beizen, Reinigung) sowie in der Papierindustrie (Erwärmen, Kochen, Trocknen). In Bezug auf das Temperaturniveau der Abwärmequellen führen Hirzel et al. [3] für die Papierindustrie einen Bereich von 20-70 °C in Form von Abwasser oder Abluft an. Auch Rieberer et al. [2] geben die Temperaturniveaus der Abwärme im Bereich zwischen 30 und 60 °C an. Der Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen könnte somit dieses Abwärmepotenzial nutzen und Ressourcen sowie CO2-Emissionen einsparen.

[1] Lambauer, J., Fahl, U., Ohl, M., Blesl, M., Voß, A., Industrielle Großwärmepumpen-Potenziale, Hemmnisse und Best-Practice Beispiele, Forschungsbericht, Institut für Energiewirtschaft und rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart, 2008

[2] Rieberer, R., Zotter, G., Hannl, D., Moser, H., Kotenko, O., Zottel, A., Fleckl, T.; Malenkovic, I., IEA HPP ANNEX 35 – Application of Industrial Heat Pumps, Nationaler Endbericht, Institut für Wärmetechnik, Technische Universität Graz, 2014

[3] Hirzel, S., Sontag, B., Rohde, C., Industrielle Abwärmenutzung, Kurzstudie, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe, 2013