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Die Europäische Union strebt einen Rückgang der jährlichen Treibhausgasemissionen um 55 % bis zum Jahr 2030 an. Es ist vorgesehen, dass im Jahr 2050 Europa klimaneutral sein soll. Um diese Ziele zu erreichen, muss u. a. die Prozesswärmeversorgung der Industrie stärker in den Fokus rücken. Beispielsweise machte im Jahr 2019 die Pro-zesswärme ca. 66,7 % des Endenergieverbrauchs der deutschen Industrie aus.
In industriellen Anlagen ist Dampf ein verbreitetes Wärmeträgermedium, welches bei der Erzeugung viel End-energie benötigt. Im Rahmen des aktuellen Projektes KETEC (Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik) werden u. a. Konzepte zur Realisierung einer hochverfügbaren, emissionsarmen und energieeffizienten Bereitstellung von Dampf für industrielle Prozesse innerhalb des Teilprojektes 10 grundlegend untersucht. Ein beispielhafter Lösungsansatz sieht die Verwendung eines Wärmepumpen-Speicher-Systems vor. Die Dampferzeugung übernimmt eine Hochtemperatur-Wärmepumpe mit dem Low-GWP-Kältemittel R1336mzz(Z). Der erzeugte Dampf wird in einem Speichersystem zur Flexibilisierung der Dampferzeugung gespeichert. Die Dampftemperatur soll dabei mindestens 140 °C betragen. Die Hochtemperatur-Wärmepumpen können momentan nur mit relativ niedrigen Dampftemperaturen und hohen Wärmequellentemperaturen gute Leistungszahlen erreichen. Dann ist die nutzbare Temperaturdifferenz eingeschränkt, was durch die Funktionsweise von Gefälledruck-Dampfspeichern (z. B. Ruths-Speichern) verursacht wird. Zur Erhöhung der Speicherkapazität kann man folglich Phasenwechselmaterial (PCM) einsetzen.
Die vorliegende Arbeit behandelt Konzepte und mögliche Umsetzungsvarianten von hybriden Speichersystemen auf der Basis von Ruths- und PCM-Speichern. Diese werden mit relativ niedrigen Vorlauftemperaturen (z. B. Hochtemperatur-Wärmepumpe) beladen. Die Simulation der Systeme erfolgt mit der Software EBSILON®Profes-sional.
Die Ergebnisse bestätigen, dass verschiedene Kombination von Ruths-Speichern mit PCM-Speichern zielführend sein können. Der Einsatz von PCMs erhöht die Speicherwärmekapazität und sorgt für eine zusätzliche Nachverdampfung. Folglich kann das Ruths-Speicher-Volumen kleiner dimensioniert werden. Die Nutzung von Hochtemperatur-Wärmepumpen erlaubt u. a. die Nutzung der Abwärme aus anderen Prozessen. Besonders großes Anwendungspotenzial für dieses System sehen die Autoren in der Nahrungsmittel-, Papier- und Chemieindustrie.

Schlagwörter: Wärmepumpe, Speicher, Dampf, PCM, Versorgung, Industrie, Simulation