Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEGDie notwendige Reduzierung von Treibhausgasen stellt sämtliche energieintensive Branchen vor große Herausforderungen. Die Bereitstellung von industrieller Prozesswärme ist derzeit für einen Großteil des CO2-Ausstoßes verantwortlich und geschieht häufig in werkseigenen BHKW. Zugleich werden große Abwärmepotentiale nicht oder nur unzureichend genutzt. Wärmepumpen ermöglichen es, das Temperaturniveau einer Wärmequelle anzuheben und damit die Wärme zur weiteren Nutzung aufzuwerten. Viele industrielle Prozesse benötigen Prozesswärme, beispielsweise in Form von Prozessdampf, auf Temperaturen zwischen 120 und 200 °C. Hochtemperatur-Wärmepumpen können bei der Gestaltung zukünftiger Energiesysteme auch in diesem Temperaturbereich eine Schlüsselrolle spielen.
SteamScrew
Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasser als Kältemittel zur Bereitstellung von Wärme auf einem Temperaturniveau von 140 bis 200°C.
© Aerzener Maschinenfabrik GmbH
Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasserdampf-Schraubenverdichter zur Wärme- und Prozessdampfbereitstellung
Für die Wärmebereitstellung im Temperaturbereich der gängigen Fernwärmenetze stehen bereits Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Verfügung, die derzeit in diversen Umsetzungsprojekten erprobt werden. Für Senkentemperaturen über 120°C sind hingegen nur wenige Hochtemperatur-Wärmepumpen verfügbar, die teilweise noch Prototypenstatus besitzen und durch teilweise niedrige Effizienz sowie die Verwendung klimaschädlicher, synthetischer oder gefährlicher Kältemittel gekennzeichnet sind.
Das Ziel des Verbundprojektes SteamScrew ist die gemeinsame Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasser als Kältemittel zur Bereitstellung von Wärme auf einem Temperaturniveau von 140 bis 200°C. Das Niveau der Wärmequelle liegt zwischen 80 und 120°C und kann im späteren Einsatzfeld beispielsweise durch Abwärme oder durch Tiefengeothermie bereitgestellt werden.
Die Wahl des Kältemittels Wasser bringt diverse positive Eigenschaften mit sich. Neben der guten thermodynamischen Eignung betrifft dies unter anderem die Aspekte Umweltverträglichkeit, Verfügbarkeit, Möglichkeit der direkten Prozessdampfnutzung sowie die Sicherheitsklasse. Jedoch stellt die Nutzung von Wasser als Kältemittel den Entwickler vor technische Herausforderungen. Dies betrifft insbesondere die starke Temperaturerhöhung während der Kompression, die ohne Kühlung des Kältemittels weit über den eigentlich angestrebten Temperaturbereich hinaus geht und die Konstruktion des Kompressors komplex gestaltet. Ein Fokus des Projektes liegt daher auf der Ertüchtigung eines Schraubenkompressors für den hier angestrebten Temperaturbereich. Schraubenkompressoren sind robuste und marktführende Verdrängermaschinen und eignen sich für die Realisierung des Temperaturhubs in einer Verdichtungsstufe bei gleichzeitiger Einspritzung von flüssigem Kühlwasser in den Verdichtungsraum. Entsprechend stehen bei der Ertüchtigung des Kompressors die Entwicklung eines geeigneten Material-, Lager- und Dichtungskonzeptes sowie die Optimierung der Einspritzparameter im Fokus. Simulative und experimentelle Ergebnisse fließen während des Projektes in die Entwicklung des Kompressors ein, der dadurch während der Projektlaufzeit sukzessive verbessert wird.
Der in ersten Experimenten in einem Luft- und einem Dampfkreislauf untersuchte Kompressor wird anschließend am Fraunhofer IEG in einem geschlossenen Wärmepumpenkreislauf mit ca. 400 kW thermischer Maximalleistung unter Laborbedingungen erprobt. Dabei soll Prozesswärme auf industriellem Temperatur- und Druckniveau erzeugt werden, jedoch bei einer im Vergleich zum realen Industriebedarf geringeren Gesamtleistung der Anlage. Die Möglichkeit der Skalierung der Wärmepumpe in den industriellen Maßstab zur zukünftigen Verwertung der Wärmepumpe ist ebenfalls ein zentraler Aspekt des Projektes. Die gewonnenen experimentellen Daten werden zum Abgleich mit Simulationsdaten genutzt, sodass anschließend die Eignung, die Effizienz sowie die Baugröße der Wärmepumpe zur Einbindung in industrielle Prozesse simulativ bestimmt werden können.
Förderung
