- Hochtemperatur-Wärmepumpentechnologie kann bei 320 Grad Fahrenheit industriellen Dampf und Heißwasser bereitstellen.
- Die Technologie hilft Fabriken, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.
- Das Forschungsteam betont die Bedeutung von Zuverlässigkeit und Effizienz von Hochtemperatur-Wärmepumpen für industrielle Anwendungen.
- Überwachungsergebnisse zeigen, dass große Wärmepumpen unter realen Bedingungen gut abschneiden.
Forschende testeten Hochtemperatur-Wärmepumpen bei 320 Grad Fahrenheit (etwa 160 Grad Celsius) und zeigten, dass die Technologie industriellen Dampf und Heißwasser liefern kann, während sie die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert. Die Studie wurde von Wissenschaftlern des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE) durchgeführt. Das Forschungsteam entwickelte eine neue Laborprüfeinrichtung, um Wärmepumpen zu testen, die bei hohen Temperaturen Prozessdampf und Druckheißwasser liefern können.
Die Herausforderung der industriellen Dekarbonisierung bewältigen
Diese Arbeit zielt darauf ab, das Problem der industriellen Dekarbonisierung anzugehen, eine große Herausforderung für Fabriken, die noch auf fossile Brennstoffe für die Bereitstellung großer Wärmemengen angewiesen sind. Die leitende Ingenieurin und FernWP-Projektleiterin des Instituts, Ursula Wittstadt, weist darauf hin, dass Hochtemperatur-Wärmepumpen eine Alternative bieten können. Sie betonte das Potenzial der Technologie: »Mit unserer Prüfeinrichtung können wir diese Wechselwirkungen messen und so die Grundlage für die weitere Entwicklung von Komponenten und Gesamtsystemen schaffen.«
Die neue Prüfeinrichtung wurde im Rahmen des Forschungsprojekts FernWP entwickelt, um zu untersuchen, wie Wärmepumpen Kohle in der Fern- und Industriwärme ersetzen können. Forschende können mit der Anlage die Leistung von Wärmepumpen bei bis zu 320 Grad Fahrenheit (etwa 160 Grad Celsius) messen und prüfen, wie das System auf wechselnde Wärmequellen, Lasten und Betriebsarten reagiert. Wittstadt führte weiter aus: »Für industrielle Anwendungen ist die allein erreichbare Höchsttemperatur nicht der entscheidende Faktor.« Der Prüfstand des Instituts konzentriert sich auf die Untersuchung von Wärmepumpen, die bei 320 Grad Fahrenheit Dampf erzeugen können.
Laut Wittstadt müssen Hochtemperatur-Wärmepumpen bei sich ändernden Betriebsbedingungen zuverlässig und effizient Prozessdampf oder Druckheißwasser erzeugen.
Im Rahmen des Projekts testete das Team eine Wärmepumpe, die Butan als Kältemittel verwendet. Da Butan brennbar ist, untersuchten sie auch Sicherheits- und Installationsanforderungen. Die von der Prüfeinrichtung gesammelten Daten ermöglichen es Herstellern, Wärmepumpen und Wärmetauscher für hohe Temperaturen, hohe Lasten und wechselnde Bedingungen zu entwickeln. Gleichzeitig plant das Fraunhofer ISE, seine Sicherheitseinrichtungen weiterzuentwickeln, um Sicherheitskonzepte für Kältemittel in großen und hochtemperatur-Wärmepumpen zu etablieren.
Betriebsüberwachung großer Wärmepumpen
Neben Labortests überwacht das Fraunhofer ISE seit 2023 den Betrieb von fünf großen Wärmepumpen in Fernwärmenetzen. Forschende stellten fest, dass diese Wärmepumpen zuverlässig laufen und ihre Zielleistung erreichen, wenn ihre Komponenten, Steuerungen, hydraulische Einbindung und Betriebsstrategien gut ausgelegt sind. Axel Oliva, Projektleiter des Reallabors GroßWP am Fraunhofer ISE, erklärte, die Überwachungsergebnisse zeigten, dass große Wärmepumpen unter realen Bedingungen gut abschneiden und ihre Zielleistung erreichen.
Diese Leistung hängt jedoch weitgehend von den Umgebungsbedingungen ab. Er sagte, dass Systeme, die Wärme aus fließendem Wasser entziehen, weniger Wärme erzeugen, wenn die Wassertemperatur sinkt oder im Teillastbetrieb gefahren wird, und die Leistung auch abnimmt, wenn die Quelltemperatur unter etwa 43 Grad Fahrenheit (etwa 6 Grad Celsius) fällt.
Das Kraftwerk in Mannheim ist Teil der Reallabor-Forschung zu großen Wärmepumpen. Oliva betonte in der Pressemitteilung: »Wir sehen auch, dass der Betrieb von Wärmepumpen in einem integrierten Kraftwerkssystem ein gutes Verständnis der bestehenden Kraftwerksanlagen, des Fernwärmenetzes und der Kundeninstallationen erfordert.« Laut Forschungsteam betreiben Betreiber Wärmepumpen zunehmend basierend auf dem täglichen Wärmebedarf und den Energiepreisen. Das bedeutet, diese Systeme müssen häufiger an- und abgefahren werden, müssen aber dennoch zuverlässig bleiben. Das Team will diese Daten nutzen, um die Wechselwirkungen großer Wärmepumpen mit Strom- und Wärmesystemen zu modellieren, was aufzeigen könnte, wie Wärmepumpen effizienter betrieben und der fossile Brennstoffeinsatz reduziert werden kann.
Parameter Spezifikation Maximale Betriebstemperatur 320°F (160°C) Verwendetes Kältemittel Butan
Das zukünftige Potenzial der Hochtemperatur-Wärmepumpentechnologie
Die Entwicklung der Hochtemperatur-Wärmepumpentechnologie ist für die industrielle Dekarbonisierung von großer Bedeutung. Da die weltweite Nachfrage nach Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen steigt, bietet diese Technologie eine gangbare Alternative. Die Forschung zeigt, dass die Leistungsstabilität und Sicherheit dieser Wärmepumpen bei hohen Temperaturen Schlüsselfaktoren sind, insbesondere unter wechselnden Betriebsbedingungen. Mit der Ansammlung von Laborversuchs- und realen Betriebsdaten werden zukünftige Wärmepumpenauslegungen gezielter sein, den Bedürfnissen verschiedener Fabriken gerecht werden und die nachhaltige Entwicklung der Industrie weiter vorantreiben.