Probleme und Motivation
Angesichts der dringenden Notwendigkeit, die Zukunft der Wärmeerzeugung und -lieferung nachhaltig und im Einklang mit den Klimaschutzzielen zu gestalten, stellt der Einsatz von Wärmepumpen – insbesondere von Hochtemperaturwärmepumpen (HTWP) – einen wichtigen technologischen Lösungsansatz dar.
Zudem hat die geopolitische Instabilität der letzten Jahre die Dringlichkeit erhöht, den Wandel von fossilen Brennstoffen hin zu alternativen Energien zu beschleunigen. In diesem Zusammenhang wird verstärkt versucht, alternative Technologien zur Wärmeerzeugung in industrielle Prozesse zu integrieren, wobei Lösungen mit HTWP zunehmend Akzeptanz finden.
Trotz derzeit hoher Strompreise bietet die Wärmepumpentechnologie Möglichkeiten zur Energieeinsparung, Emissionsminderung und Ressourcenschonung. Bei der Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom oder eigenproduzierter Elektrizität kann der wirtschaftliche Vorteil des HTWP-Einsatzes sogar noch höher ausfallen als beim herkömmlichen Strombezug.
Mit der Entwicklung dieses Projekts soll eine konkrete technische Lösung zur Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung demonstriert werden. Der Einsatz von HTWP ermöglicht eine signifikante Reduktion der CO₂-Emissionen im Vergleich zur Wärmeerzeugung durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe.
Ansatz und Aufgaben
Basierend auf einem Projekt, das die Machbarkeit einer Hochtemperaturwärmepumpe (HTWP) im Leistungsbereich von 10 kW erfolgreich demonstriert hat [1], wurde eine HTWP im Bereich von 250–300 kW entwickelt. Derzeit befindet sich diese in der Endphase des Aufbaus. Nach Fertigstellung soll das Leistungsvermögen der WP messtechnisch mit neu aufgebauten modularen Prüfständen geprüft werden. Diese neu entwickelte Wärmepumpe wird mit einem nicht brennbaren, nicht toxischen Kältemittel der Sicherheitsklasse A1 betrieben.
Ziel des Teilprojekts ist es, an einer Versuchsanlage zu zeigen, dass bislang ungenutzte Abwärme aus typischen Industrieprozessen bei Temperaturen zwischen 70 und 90 °C in nutzbare Prozesswärme oberhalb von 100 °C umgewandelt werden kann. Es sind spezielle vorhandene Komponenten zu entwickeln und zu qualifizieren, um die Leistungsparameter auch bei einer hohen Temperaturbelastung zu erreichen. Dazu sind/waren umfassende Tests und Forschungsarbeiten erforderlich.
Um das Funktionsmuster einer HTWP im Leistungsbereich von 250–300 kW zu validieren, wurde ein neuartiger, modularer Prüfstand entwickelt. Dieser Prüfstand ist in der Lage, das Leistungs- und Betriebsverhalten der HTWP messtechnisch zu erfassen. Die Innovation des Prüfstands liegt in seiner modularen Konstruktion, die eine flexible Anpassung der Leistungsstufen innerhalb definierter Abstufungen ermöglicht. Zusätzlich wurde das Konzept für eine erhöhte Temperaturbeständigkeit aller Komponenten ausgelegt. Derzeit existieren in Deutschland keine Prüfstände für diesen spezifischen Temperaturbereich.
Stand und Ergebnisse
Das Teilprojekt besitzt zwei parallele Projektpfade. Da es für Hochtemperatur-Wärmepumpen keine adäquaten Prüfstände gibt, wurden diese im Rahmen des Teilprojekts projektiert, entwickelt und gebaut. Der Aufbau der 200 kW-Versuchsstände ist abgeschlossen. Der Aufbau der kleineren Module wurde aufgrund von Änderungen im Projektablauf zeitlich verschoben. Der Aufbau der zwei kleinen Einzelmodule ist aktuell in Arbeit. Die Versuchsstandsmodule sind entsprechend ihrer Leistungsgröße weitestgehend identisch aufgebaut. Die fertiggestellten Prüfstandsmodule größerer Leistung sind in den Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt.
Die Entwicklung und der Aufbau der Hochtemperaturwärmepumpe (HTWP) erforderten umfangreiche Untersuchungen der einzelnen Komponenten. Für die Verdichtertests musste ein bestehender Leistungsprüfstand für Kältemittelverdichter angepasst werden, um das Leistungsverhalten der Verdichter bei hohen Ansaug- und Kondensationstemperaturen präzise zu quantifizieren. Aufgrund der Methodik, der vorhandenen Komponenten sowie der technischen Einsatzgrenzen des Prüfstands konnten jedoch nur eingeschränkt bestimmte Testpunkte erfasst werden.
Um Verdichter für Hochtemperaturanwendungen analog zu den Tests von Kältemittelverdichtern nach EN 13771-1 qualifiziert testen zu können, wären spezielle Leistungsprüfstände erforderlich, die in Prüfmethodik sowie Temperatur- und Druckbereichen spezifisch auf HT-Anwendungen ausgelegt sind. Da der Neubau eines Verdichterprüfstandes im Budget dieses Projekts nicht vorgesehen war, konnten nur kleinere technische Anpassungen am vorhandenen Prüfstand vorgenommen werden.
Die beiden konzipierten Kältemittelverdichter wurden anschließend auf dem modifizierten Prüfstand getestet (siehe Abbildung 3). Während der Tests traten jedoch unerwartete Herausforderungen auf, die zusammen mit dem Verdichter Lieferanten im Rahmen der bestehenden Möglichkeiten weitgehend gelöst werden konnten. Die durchgeführten Messungen lieferten Leistungsparameter für beide Verdichter und zeigten, dass Abweichungen zwischen theoretischen Erwartungen und den messtechnisch erfassten Ergebnissen zu berücksichtigen sind.
Die Versuche verdeutlichten außerdem, dass beim Start der Wärmepumpe besondere Maßnahmen erforderlich sind, was die Tests als besonders wertvoll erwies. Die Messungen der realen Leistungsparameter sowie die dabei identifizierten technischen Schwachstellen beim Anfahren der Wärmepumpe führten zu einer Überarbeitung des konstruktiven Designs der Wärmepumpe.
Nach anfänglichen Schwierigkeiten, insbesondere in Bezug auf Lieferungen, befindet sich die Hochtemperaturwärmepumpe (HTWP) derzeit im Bau. Siehe dazu auch die folgenden Abbildungen. Der hydraulische Aufbau ist kurz vor der Fertigstellung (siehe Abbildung 4) Es folgt die elektrische Verkabelung, deren Prüfung sowie die abschließenden Abnahmeprüfungen.
Parallel dazu wird die Anlagendokumentation für die HTWP erstellt, um eine sicherheitstechnische Abnahme durch eine benannte Stelle (z. B. TÜV oder DEKRA) zu ermöglichen. Die Inbetriebnahme der HTWP ist anschließend geplant. Aktuell gibt es jedoch Herausforderungen, einen geeigneten Standort für den Aufbau und die Inbetriebnahme zu finden, da der Leistungsumfang spezifische Voraussetzungen erfordert, wie eine ausreichende elektrische Anschlussleistung sowie passende Wärmequellen und -senken.
Diese Arbeiten waren ursprünglich am vorgesehenen Einsatzort, der KETEC-Forschungsplattform für Kälte- und Energietechnik in Reichenbach, geplant.
Veröffentlichungen
Müller, M.; Noack, R.; Steinjan, K.
Development of a high-temperature heat pump up to 140°C
Proceedings of ICR2023- 26th International Congress of Refrigeration https://doi.org/10.18462/iir.icr.2023.0625
Quellen
- Noack, R.: Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe für Nutztemperaturen über 120°C; Deutsche Kälte- und Klimatagung 2016 Kassel, AIV 17
