Probleme und Motivation
Der Einsatz von Wärmepumpen und im Speziellen von Hochtemperaturwärmepumpen (HTWP) in der Industrie ist eine wesentliche Strategie zur Erfüllung der Klimaschutzziele. Die technische Wärmeerzeugung in industriellen Prozessen wird derzeit vorwiegend durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen realisiert. Der Einsatz der Wärmepumpentechnologie bietet hier eine Alternativlösung an, mit der Energieeinsparung und Emissionsvermeidung sowie natürliche Rohstoff-Ressourcenschonung erzielbar sind. Die Nutzung von Ab- bzw. Umgebungswärme und Öko-Strom ersetzt die direkte Verbrennung fossiler Energieträger. Die Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung wird unterstützt.
Energiepolitische Zielstellungen, die eine deutliche Reduzierung von CO2-Emissionen fordern, lassen sich mit Umsetzung der Lösung dieses Teilprojektes erreichen. Durch Substitution von fossilen Brennstoffen reduzieren sich Treibhausgasemissionen.
Ansatz und Aufgaben
Aufbauend auf einem Projekt, dass die Machbarkeit einer Hochtemperaturwärmepumpe im Leistungsbereich von 10 kW demonstriert hat [1], soll durch einen innovativen Forschungsansatz eine Hochtemperaturwärmepumpe im Leistungsbereich von 250…300 kW mit einem nichtbrennbaren, nichttoxischen Kältemittel der Sicherheitsklasse A1 entwickelt, aufgebaut und messtechnisch vermessen werden. Ziel dieses Teilprojektes ist es an einer Versuchsanlage zu zeigen, dass sich ungenutzte Abwärmequellen aus typischen Industrieprozessen im Bereich von 70…90 °C in nutzbare Prozesswärme oberhalb von 100 °C transformieren lässt. Dafür sind Komponentenentwicklungen, Tests, Bauteilqualifizierungen und Forschungsleistungen notwendig. Dabei bestehen erhebliche maschinentechnische Risiken aufgrund der hohen Temperaturen der Wärmequelle von ca. 90 °C.
Zur Qualifizierung des Funktionsmusters einer HTWP im Leistungsbereich von 250…300 kW ist ein neuartiger modularer Prüfstand zu entwickeln, der das Leistungs- und Betriebsverhalten der HTWP messtechnisch nachweisen kann. Der Innovationsgrad des Prüfstandes besteht im Wesentlichen darin, dass durch die modulare Gestaltung der Kreisläufe die Leistungsgröße des Prüfstandes innerhalb zu definierender Abstufungen variierbar ist. Des Weiteren berücksichtigt das Konzept eine erhöhte Temperaturbelastbarkeit aller Komponenten.
Im letzten Abschnitt des Projekts erfolgt die Integration der HTWP in das Labor der Forschungsplattform zur Erprobung unter realen Einsatzbedingungen. Es wird ein Monitoring zur Weiterentwicklung der Steuerung/Regelung und zur Demonstration der Funktion für Fernwärmesysteme durchgeführt.
Stand und Ergebnisse
Das Teilprojekt besitzt zwei parallele Projektpfade, da es für Hochtemperatur-Wärmepumpen keine adäquaten Prüfstände gibt, werden diese im Rahmen des Teilprojekts projektiert, entwickelt und gebaut.
Mit dem Aufbau der 200 kW-Versuchsstände wurde begonnen. Der mechanische und hydraulische Aufbau ist weitestgehend für diese Module abgeschlossen. Der elektrische Anschluss der Module konnte aus verschiedenen Gründen noch nicht abgeschlossen werden (insbesondere massive Lieferschwierigkeiten bei elektrischen Bauteilen).
Die Versuchsstandsmodule sind entsprechend ihrer Leistungsgröße weitestgehend identisch aufgebaut. Der aktuelle Stand des Aufbaus beider Module ist in den Abbildung 1 bis Abbildung 2 dargestellt.
Die Entwicklung der eigentlichen Wärmepumpe erforderten ausführliche Komponentenuntersuchungen. So wurden die geplanten Verdichter auf einem umgerüsteten Verdichterleistungsprüfstand (Anpassung an die hohen Temperaturen) bezüglich ihrer Leistungsdaten getestet (Abbildung 3).
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
