Prozesswärme nachhaltig: Neue Hochleistungs-Wärmepumpen für die Industrie

Bochum - Industrielle Prozesswärme mit Temperaturen von bis zu 200 Grad Celsius bereitzustellen, ist eine Herausforderung. Papierfabriken, Chemieparks oder Nahrungsmittelverarbeiter benötigen jedoch solche Temperaturen.

Hochtemperatur-Wärmepumpen können helfen, industrielle Energiebedarfe bei hohen Temperaturen nachhaltiger zu decken. Das BMWK fördert nun das Verbundprojekt SteamScrew. Ziel ist es, eine Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasser als Arbeitsmedium zu entwickeln, die Wärme auf einem Temperaturniveau von 140 bis 200 Grad Celsius bereitstellt.

"Wasser als Arbeitsmedium einer Wärmepumpe besitzt diverse positive Eigenschaften", unterstreicht das Projektteam Matthias Utri, Simon Höckenkamp und Fabian Ahrendts von der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG. Neben der guten thermodynamischen Eignung betrifft dies unter anderem die Aspekte Umweltverträglichkeit, Verfügbarkeit, Möglichkeit der direkten Prozessdampfnutzung sowie die niedrige Sicherheitsklasse.

Die Nutzung von Wasser als Arbeitsmedium stellt jedoch besondere Anforderungen an die Konstruktion eines Kompressors. Im Fokus des Verbundprojektes steht der weitverbreitete Schraubenkompressor. Er ist im Vergleich zum bekannteren Kolbenkompressor kompakter und einfach aufgebaut. Zudem hat er einen ruhigen Lauf, da keine oszillierenden Bewegungen stattfinden.

Ziel ist es, mit dem Schraubenkompressor den angestrebten Temperaturhub auf bis zu 200 Grad Celsius mit dem Arbeitsmedium Wasser in einer Stufe und damit kostengünstig zu ermöglichen. Dabei wird flüssiges Wasser in den Verdichtungsraum eingespritzt, um den Kompressor zu kühlen und um interne Leckagen zu reduzieren. Das Projektteam muss für Temperaturen bis 200 Grad geeignete Material-, Lager- und Dichtungskonzepte entwickeln sowie die Einspritzparameter für das Wasser optimieren.

Parallel dazu wird mithilfe von Computersimulationen ein geschlossener Wärmepumpenkreislauf entwickelt, in den der Kompressor eingesetzt wird. Der ausgelegte Kreislauf wird anschließend im Technikumsmaßstab umgesetzt, um die Konzepte mit circa 400 kW thermischer Maximalleistung bei industriellem Temperatur- und Druckniveau experimentell zu validieren. Die gewonnenen Daten werden helfen, die Eignung, die Effizienz sowie die Baugröße der Wärmepumpe zur Einbindung in industrielle Prozesse im Megawatt-Maßstab zu bestimmen.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK fördert das Projekt »Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasserdampf-Schraubenverdichter zur Wärme- und Prozessdampfbereitstellung - SteamScrew« unter dem Förderkennzeichen 03EN4048A mit 2,6 Millionen Euro von Januar 2023 bis Juni 2026. Projektpartner sind das Fraunhofer IEG, die TU Dortmund (Fachgebiet Fluidtechnik) und die Aerzener Maschinenfabrik GmbH.