#843872

SteamUp Wärmepumpensysteme bis 200°C unter Verwendung von Wasser als Kältemittel zur Integration in industriellen Prozessen

Die Industrie ist für rund 1/3 des österreichischen Endenergieverbrauchs verantwortlich. Dies entspricht 308 PJ/a, wobei rd. 74% des Endenergieverbrauchs (=228 PJ/a) für industrielle Prozesswärme, die derzeit zu etwa 50% fossil erzeugt wird, benötigt wird. Eine Reduktion des fossilen Energieverbrauchs der Industrie ist damit unabdingbar für die Erfüllung der Klimaziele. Verschiedenste Industrieprozesse in Branchen wie z.B. Schlachtereien, der Papierindustrie, etc. verursachen Abwärmeströme auf einem Temperaturniveau von rd. 70 bis 90°C, welche derzeit an die Umgebung abgegeben werden. Die derzeit am Markt erhältlichen Hochtemperaturwärmepumpen (HTWP) können Abwärmen verdampferseitig mit höchstens 55°C als Wärmequelle nutzbar machen, die bei maximal einer Temperatur von rund 100°C kondensatorseitig für Prozesseinbindungen bereitgestellt werden können. Das Sondierungsprojekt SteamUp zielt darauf ab, technisch zu sondieren, in wieweit Wasser als Kältemittel für den Einsatz in Hochtemperaturwärmepumpen mit Kondensationstemperaturen von bis zu 200°C geeignet ist. Zu diesem Zweck werden zunächst reale Prozessdaten analysiert, um mögliche Anwendungen zu identifizieren und in weiterer Folge die Randbedingungen für das Kreisprozessdesign und für die Konzeptionierung der Verdichtertechnologie zu liefern. Beim Kreisprozessdesign werden unterschiedliche Konfigurationen, wie zum Beispiel Zwischenkreiseinspritzung, untersucht und eine optimale hydraulische Einbindung für die jeweiligen Prozesse sowie eine robuste und zuverlässige Betriebs- und Regelstrategie erarbeitet. Nachdem der Verdichter die Schlüsselrolle einnehmen wird, wird in „SteamUp“ ein fundiertes Verdichterkonzept entwickelt und an die Betriebsparameter angepasst. Damit wird am Ende des Projekts ein Konzept einer Hochtemperaturwärmepumpe inkl. eines neuartigem Verdichterkonzept für den Einsatz in ausgewählten industriellen Prozessen vorliegen. Dieses Konzept soll in einem anschließenden industriellen Forschungsprojekt in einer Anlage im Labormaßstab auf seine Eignung überprüft werden.

Ausgangssituation

Gemäß Statistik Austria sind Industrieunternehmen für rund 1/3 des Endenergieverbrauchs in Österreich verantwortlich. Dies entspricht 308 PJ/a15, wobei rd. 74%16 des Endenergieverbrauchs (=228 PJ/a) für industrielle Prozesswärme benötigt wird. Nachdem derzeit rund 50% des Energiebedarfs durch fossile Energieträger gedeckt wird, zählt die Industrie damit zu den Hauptverursachern klimarelevanter Treibhausgas-Emissionen. Eine Reduktion des fossilen Energiebedarfs dieses Sektors ist unabingbar für die Erfüllung der österreichischen Klimaziele. Verschiedene Industrieprozesse verursachen Abwärmeströme auf einem niedrigen Temperaturniveau, welche derzeit – mangels adäquater Wärmerückgewinnungstechnologien – nicht in andere Unternehmensprozesse integriert werden können und somit an die Umgebung abgegeben werden. Eine Hochtemperaturwärmepumpe, welche in der Lage ist, vorhandene Abwärme von einer Quellentemperatur von 80°C bis 90°C auf Temperaturlevels bis zu 200°C zu heben, ist notwendig, um dieses derzeit brach liegende Abwärmepotenzial in Zukunft nutzen zu können.

Projektverlauf

Das Sondierungsprojekt SteamUp zielt darauf ab, technisch zu evaluieren, in wieweit Wasser als Kältemittel für den Einsatz in Hochtemperaturwärmepumpen mit Kondensationstemperaturen von bis zu 200°C geeignet ist.
Die Unterziele umfassen:

Identifikation geeigneter Prozesse für den Einsatz der innovativen Hochtemperaturwärmepumpentechnologie sowie Ausarbeitung von Konzepten zur Integration in die identifizierten industriellen Prozesse;
Auswahl geeigneter Komponenten, wie z.B. Verdichter und Wärmeübertrager für eine Kondensationstemperatur von 200°C und dem korrespondierenden Druck von 46 bar;
Optimierung des Kreisprozesses auf Basis von Simulationsrechnungen;
Konzeptionierung eines innovativen Verdichters zum Einsatz bei hohen Temperaturen; sowie
Identifikation einer Anwendung für eine nachfolgende Demonstration im Labormaßstab

Ergebnisse

Mit einer HTWP mit Wasser als Kältemittel ist es möglich neue Einsatzbereiche für Industriewärmepumpen zu erschließen. Es konnten drei Prozesse identifiziert werden, bei denen der Einsatz einer HTWP infrage kommt. Als vielversprechendste Anwendung in einer umsetzbaren Leistungsklasse und auch sinnvollem COP wurde der Sterilisationsprozess mittels Autoklaven für die Futtermittelherstellung bei Mars Austria OG identifiziert.

Es ist auch festgestellt worden, dass die Verdichtung von Wasserdampf in einem Kolbenverdichter, als Bestandteil einer Kompressionswärmepumpe, realisierbar ist. Die hohe thermische Belastung kann durch eine Direkteinspritzung in den Zylinderraum verringert werden. Dann würden sich die Temperaturen in einem üblichen Bereich bewegen und es könnten längere Einsatzzeiten für die Packungen und Ringe gewährleistet werden. Die Machbarkeit der Direkteinspritzung und die Sicherstellung, dass bei dieser keine Risiken, respektive Schäden für den Zylinder auftreten, müsste jedoch noch näher erforscht, beziehungsweise getestet werden, bevor man eine Anlage in dem Maßstab, in dem sie hier ausgelegt wurde, baut. Die Frage der Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe oder besser gesagt nach der Bereitschaft von Betrieben die Investition in eine solche Anlage zu tätigen, bleibt an dieser Stelle ungeklärt.

Die Realisierung einer HTWP mit Wasser als Kältemittel ist jedenfalls theoretisch möglich, da die Probleme, die eine Verwirklichung des Verdichters verhindert hätten, geklärt werden konnten. Wie konkret der Verdichterstrang dann aussehen wird, ob 2- oder 3-stufig, auf welchen Enddruck schlussendlich verdichtet wird, hängt vom genauen Anwendungsfall und von den Temperaturen ab, die im jeweiligen Prozess benötigt werden.