Hannah Teles de Oliveira bearbeitet als wissenschaftliche Mitarbeiterin das Teilprojekt 6 am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Im Teilprojekt plante und installierte sie einen Teststand für eine Hochtemperaturwärmepumpe mit dem Kältemittel n-Butan (R600) mit einer Leistung von ca. 40 kW und Nutzwärmebereitstellung bis 150 °C.
Wie wurden die Arbeiten motiviert?
Zur Erfüllung der Klimaschutzziele ist die Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung entscheidend. Wärmepumpen können zur Deckung des Prozesswärmebedarfs in der Industrie perspektivisch einen erheblichen Anteil des Wärmebedarfs energieeffizient leisten. Eines der wesentlichen, nicht-technisches Hemmnis ist ein zu geringer Bekanntheitsgrad der technischen Möglichkeiten und der wirtschaftlich realisierbaren Anwendungspotentiale von Wärmepumpen bei Investoren und Anlagenplanern, aber auch bei Technikern. Beide Hemmnisse, sowohl technische Fragestellungen wie auch der Abbau von Wissenslücken insbesondere auch im Umgang mit natürlichen Kältemitteln, waren Motivation für die Arbeiten in diesem Teilprojekt.
Welche Arbeiten wurden durchgeführt?
Die Forscher des Fraunhofer ISE konzipierten und konstruierten eine Hochtemperatur-Wärmepumpe mit einem zugehörigen Quellen-/Senkenmodul als Teststand für den Laborbetrieb sowie den Einsatz in der Lehre. Die Hochtemperatur-Wärmepumpe wurde von IPTronic gefertigt, das Quellen-/Senkenmodul vom Fraunhofer ISE.
Im November 2024 erfolgte die erfolgreiche Inbetriebnahme. Seither wurden zahlreiche Messreihen durchgeführt. Parallel entwickelten die Experten ein Simulationsmodell als digitalen Zwilling und untersuchten damit die Verschaltungsvarianten. Die Simulationsergebnisse und erste Messergebnisse weckten bereits beim Industriebeiratstreffen und der DKV-Tagung 2024 reges Interesse. Ein digitales Lernmodul zu Industriewärmepumpen zur Integration der Inhalte in die Lehre in Zusammenarbeit mit Teilprojekt 13 ergänzt die Ergebnisse sinnvoll in Bezug auf die gesetzten Ziele.
Welche Ergebnisse sind erzielt worden?
Bislang wurden über 100 stabile Messpunkte erfasst, teilweise ausgewertet und mit Simulationsergebnissen des digitalen Zwillings verglichen. Die Untersuchungen zeigen, den Einfluss der verschiedenen Verschaltungsvarianten auf den Coefficient of Performance (COP) für eine Vielzahl an Betriebszuständen. Diese Erkenntnisse sind wertvoll für die zukünftige Entwicklung der Hochtemperatur-Wärmepumpe und beweisen die Anwendbarkeit für den Teststand in der Lehre. Zudem identifizierten die Forscher mehrere Optimierungsmaßnahmen am Prüfstand, die aktuell von IPTronic realisiert werden.
Welche Ziele wurden verfolgt?
Das Hauptziel des Teilprojekts besteht in der Entwicklung und Optimierung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe unter Einsatz des natürlichen Kältemittels Butan, welche den Test verschiedener Effizienzoptimierungsmaßnahmen sowie deren Bewertung und Vergleich mit simulierten Ergebnissen eines Digitalen Zwillings ermöglicht. Ein weiteres zentrales Ziel ist die Integration der gewonnenen Forschungsergebnisse in die Lehre, um Studierenden praxisnahe Kenntnisse in der Kälte- und Energietechnik zu vermitteln.
Worin liegen die wissenschaftlich-technischen Herausforderungen?
Die wissenschaftlich-technischen Herausforderungen liegen vor allem in der Komplexität der Anlage und der Verschaltungen, der hohen Betriebstemperatur und dem Einsatz eines brennbaren Kältemittels.
Worin besteht die Innovation?
Mit dem Projekt wird der weltweit erste Hochtemperatur-Wärmepumpen-Teststand mit einem zugehörigen Digitalen Zwilling entwickelt, der zudem mit einem zukunftsfähigen natürlichen Kältemittel betrieben wird.
Wie sieht die aktuelle und geplante wissenschaftliche sowie wirtschaftliche Verwertung aus?
Aktuell erfolgt die wissenschaftliche Verwertung durch Publikationen und Präsentationen der Ergebnisse auf Fachveranstaltungen. In der Zukunft ist eine wirtschaftliche Verwertung geplant, indem die entwickelten Technologien und Methoden in der Industrie eingesetzt werden. Dies kann zur Dekarbonisierung von Prozessen in der Kälte- und Energietechnik führen.
Wie wird das Ergebnis in die praktische Verwertung übertragen?
Die Ergebnisse werden durch Workshops und Präsentationen an Industriepartner weitergegeben und in die Lehre integriert. Dies fördert den Wissenstransfer zwischen Forschung und Industrie und ermöglicht die praktische Anwendung der Forschungsergebnisse.
Wie sieht die Anschlussfähigkeit aus?
Die gewonnenen Erkenntnisse sind für zukünftige Forschungsprojekte und Anwendungen in der Industrie relevant. Insbesondere Unternehmen im Bereich der Kälte- und Energietechnik können von den Ergebnissen profitieren, da sie zur Verbesserung der Effizienz ihrer Systeme beitragen. Im Bereich der Kompressortechnologie und auch bei der Simulation und Entwicklung des Digitalen Zwillings bestehen gerade bei der Modellierung des Kompressors noch Lücken im Stand der Wissenschaft, die in zukünftigen F&E-Projekten weiter geschlossen werden müssen.
Wann wäre frühestens ein Einsatz möglich?
Die bisher publizierten Mess- und Simulationsergebnisse können bereits heute in die Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmepumpen einfließen. Ein Einsatz des Lernteststandes ist nach Abschluss der Optimierungsmaßnahmen in der zweiten Jahreshälfte 2025 möglich.
Wem nutzt die Arbeit/das Ergebnis?
Die Ergebnisse kommen nicht nur den Unternehmen in der Kälte- und Energietechnik zugute, sondern auch den Studierenden, die von einer praxisorientierten Ausbildung profitieren. Außerdem können Forschungseinrichtungen von den gewonnenen Erkenntnissen profitieren, was den Wissenstransfer und die Innovationskraft in diesem Bereich stärkt.
Entstehen weitere Vorteile (z. B. volkswirtschaftlich)?
Durch die Möglichkeit verschiedene Effizienzmaßnahmen im direkten Vergleich bewerten zu können, kann die Energieeffizienz kommerzieller Anlagen optimiert werden. Die damit verbundene Reduzierung der Energiekosten und Emissionsreduktionen können zu volkswirtschaftlichen Vorteilen beitragen, die sich positiv auf die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und die Umwelt auswirken. Diese Effekte tragen dazu bei, die nachhaltige Entwicklung der Branche zu fördern und die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zu verbessern.
Text: Andreas Burger, Fotos: Uwe Schirmer aus KETEC-Film