Das Teilprojekt 10 hat mehrere Aufgaben- und Tätigkeitsfelder. Dieser Beitrag behandelt das Hochtemperatur-Wärmepumpen-Speicher-System, welches in Chemnitz bearbeitet wird.
- Welche Anwendung wird favorisiert?
Die Industrie benötigt große Mengen an Prozesswärme im Bereich von 100 bis 200 °C bzw. Dampf. Als Anwendungsbeispiele kann man die Lebensmittel-, Papier- und Chemiebranche nennen. Oft wird Erdgas in Kesseln oder Strahlern verbrannt, um die Prozesswärme zu erzeugen. In vielen Fällen geht die Abwärme - ohne eine weitere Nutzung - direkt in die Umgebung. Das ist nicht nur teuer sondern auch nicht effizient und nicht umweltfreundlich.
- Welche Arbeiten wurden durchgeführt? Welche Ergebnisse sind erzielt worden?
Im Vorfeld waren intensive Recherchen notwendig. Die Bearbeiter analysierten viele Wärmepumpen- und Speicherlösungen. D. h., es wurden die Stärken und Schwächen sowie die Chancen und Risiken beurteilt. Dabei konnten die Bearbeiter viele Nachteile seitens der Wärmepumpen- und Speicherkonzept feststellen. Weiterhin sind keine Lösungen bekannt, wie man Wärmepumpen und Speicher in diesem Temperaturbereich optimal kombiniert. Deswegen wurde eine neue Lösung entwickelt - das Hochtemperatur-Wärmepumpen-Speicher-System. Es sind verschiedene Schaltungen, Arbeitsstoffe usw. simuliert worden. Interessanterweise hat der einfachste Aufbau die besten Ergebnisse erzielt. Auf der Grundlage der theoretischen Prozessführung wurde eine Demonstrationsanlage (TP10-Demonstrator) geplant. Der Aufbau erfolgt zurzeit. Der praktische Betrieb und der Funktionsnachweis stehen noch aus. Die Simulationsergebnisse sind sehr vielversprechend, weil durch den Einsatz von Wasser als Arbeitsmedium, sehr hohe Leistungszahlen erreicht werden.
- Welche Ziele werden verfolgt?
Weil sich die energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen oft bzw. zyklisch ändern, benötigen die Unternehmen, Prozesswärmelösungen mit niedrigen Kosten und Planungssicherheit. Die Lösung ist denkbar einfach. Es müssen die Abwärme und die erneuerbaren Energien besser genutzt werden. Um die Abwärme wieder nutzbar zu machen, ist eine Wärmepumpe notwendig. Die Schwankungen seitens der Abwärme und der erneuerbaren Energiequellen gleichen Speicher aus. Genau diese Anforderungen erfüllt das Hochtemperatur-Wärmepumpen-Speicher-System.
- Worin liegen die wissenschaftlich-technische Herausforderungen?
Die tatsächliche Umsetzung ist nicht einfach. Beispielhaft ist jeweils der Betrieb des Dampf-/Flüssigkeitsspeicher, des Verdichters und des Hochtemperaturspeichers zu nennen. Jede Baugruppe besitzt ein anderes Verhalten. Dies erfordert eine sehr gute Abstimmung des Betriebs, welches durch die Auslegung sowie die Steuerung und Regelung erfolgen muss. D. h., das Systemverhalten ist vollkommen unbekannt. Weiterhin müssen höchste Anforderungen an die Anlagensicherheit erfüllt werden. Demzufolge soll der Demonstrator erste Betriebserfahrungen liefern.
- Worin besteht die Innovation?
Die Innovation besteht in der Kombination der jeweiligen Teilprozesse bzw. in der Nutzung vorteilhafter Effekte. Das betrifft insbesondere die zwei Speicher. Der Dampf-/Flüssigkeitsspeicher bietet auf der Quellenseite Vorteile, während auf der Hochtemperaturseite (Senke) ein Feststoffspeicher besser geeignet ist. Weiterhin lassen sich derartige Systeme gut anpassen. Damit können verschiedene Temperaturbereiche erschlossen werden.
- Wie sehen die aktuelle und geplante wissenschaftliche sowie wirtschaftliche Verwertung aus?
Der Funktionsnachweise muss zunächst erbracht werden. Danach folgen Optimierungen. Bzw. man muss sich mit der Lösung vieler Detailprobleme auseinandersetzen. Diese Erkenntnisse lassen sich in der Regel wissenschaftlich verwerten (z. B. Verhalten der Speicher). Seitens der wirtschaftlichen Verwertung haben bereit mehrere Industriepartner Interesse bekundet. Dies liegt an dem derzeitigen Fehlen von technischen Lösungen in diesem Bereich. Diese Lösung lässt sich durch regionale Anlagenbauer umsetzen.
- Wann wäre frühestens ein Einsatz möglich?
Nach erfolgtem Funktionsnachweis (voraussichtlich dieses Jahr) könnte in ein bis zwei Jahren das erste Wärmepumpen-Speicher-System in der Praxis den Betrieb aufnehmen. Das liegt an der Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit der gewählten Lösung.
- Wem nutzt die Arbeit/das Ergebnis?
Die Arbeit nützt primär den Verbrauchern von Prozesswärme. Das kann perspektivisch der Bäcker oder eine große Produktionsstrecke sein. Durch eine lokale Wertschöpfungen werden Arbeitsplätze gesichert. Niedrige Prozesswärmekosten sollen auch die aktuelle Kostenentwicklung dämpfen, was sich wiederum auf Verbraucherpreise auswirkt.
Text: Thorsten Urbaneck, Fotos: Thorsten Urbaneck