Titelbild Teilprojekt 6

Motivation

Zur Erfüllung der Klimaschutzziele stellt die Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung einen großen Ansatzpunkt dar. Dies wird insbesondere durch die Tatsache gestützt, dass bei der Betrachtung des Endenergieverbrauchs für Wärme nach Anwendungsbereichen und Sektoren im Jahr 2017 rund 625 TWh für Prozesswärme verbraucht wurden – ein Großteil in Form von Prozesswärme bei hohen Temperaturen in der Industrie (515 TWh).

Eine Studie aus dem Jahr 2018 [1] bezifferte das Potential für industrielle Wärmepumpen auf rund 626 PJ (ca. 174 TWh) pro Jahr für Nutztemperaturen bis zu 150 °C. Das größte Potential liegt in der Lebensmittel- und Tabakindustrie gefolgt von der chemischen Industrie und der Papierindustrie.

Das Angebot von Wärmepumpen mit großer Leistung und entsprechend hohen Vorlauftemperaturen ist im gleichen Atemzug in den vergangenen Jahren ständig gewachsen [2]. Es existieren verschiedene Wärmepumpen-Modelle, die entsprechende Nutztemperaturen bis 90 °C erreichen. Im Bereich oberhalb 100 °C finden sich nur wenige kommerziell verfügbare Systeme. Die Höhe der erreichbaren Vorlauftemperatur wird in erster Linie durch die Wahl des Kältemittels, der Auslegung und des Verdichtertyps bestimmt. Neben der Technologieentwicklung an Verdichtern und der Kältekreis-Auslegung ist der Generationenwechsel bei den Kältemittel das vorherrschende Thema. Natürliche Kältemittel wie Ammoniak, CO2, Kohlenwasserstoffe – beispielsweise Butan - aber auch Hydrofluorolefine (HFO) sind in der Diskussion und werden bereits vermehrt eingesetzt.

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Abbildung 1: Technisches Potential für Prozesswärme in Europa, gegliedert nach Industriesektoren [1]


Allerdings existieren zahlreiche Hemmnisse für die Verbreitung von industriellen Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTWP) [2]. Ein wesentliches, 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 Kältemittel sollen in diesem Teilprojekt bearbeitet werden.

Ansatz und Aufgaben

Im Rahmen diese Teilprojektes soll zunächst der Aufbau eines Hochtemperatur-Versuchskältekreis zur Bearbeitung der technischen Fragestellungen am Fraunhofer ISE erfolgen. Dieser beinhaltet eine Visualisierung und die Implementation von Mess-, Prüf-, Steuer- und Regelungsschritten um Versuchsdurchführungen auch im Schulungsbereich zu ermöglichen und somit den fehlenden Erfahrungswerten zu begegnen.

Parallel dazu wird der Aufbau eines Quellensimulators (HiL) als Wärmequelle für den Versuchskältekreis zur Emulation von verschiedenen Niedertemperatur-Wärmequellen (Solarfeld, Fluss) verfolgt. Im letzten Schritt soll das System an den Standort Reichenbach überführt werden und in eine virtuelle Laborumgebung zur Fernsteuerung der Versuche eingebunden werden.

Ergebnisse

Die Erkenntnisse werden mit dem Fortschritt des Vorhabens vorgestellt.

Veröffentlichungen

Teles de Oliveira, H.; Braungardt, S.; Fugmann, H.; Schnabel, L.; Henninger, S.

Planning, design and construction of a multi-purpose high-temperature heat pump test bench for hydrocarbons

15th IIR-Gustav-Lorentzen Conference on Natural Refrigerants, 13-15 June 2022, Trondheim. http://dx.doi.org/10.18462/iir.gl2022.0050

Quellen

  1. Arpagaus, C., Bless, F., Uhlmann, M., Schiffmann, J. u. Bertsch, S. S.: High temperature heat pumps: Market overview, state of the art, research status, refrigerants, and application potentials. Energy 152 (2018), S. 985–1010
  2. Arpagaus, C.: Hochtemperatur-Wärmepumpen. Marktübersicht, Stand der Technik und Anwendungspotenziale. Berlin, Offenbach: VDE Verlag GmbH 2019

Kontakt

Bild - Stefan Henninger

Dr. rer. nat. Stefan Henninger

Teilprojektleiter 6

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

Bild - Hannah Teles de Oliveira

Hannah Teles de Oliveira

 

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

 
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