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Energieeffizienz

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Industriewärmepumpe für hohe Temperaturen

Text: Sebastian Riepl, Ecop Technologies
Im Gegensatz zu Wohngebäuden sind Wärmepumpen in der Industrie noch nicht etabliert. Dabei könnte vorhandene Abwärme mit minimalem Energieaufwand fossile Brennstoffe sub­stituieren. Neben den positiven Auswirkungen auf die Umwelt würde dies auch den Energie­verbrauch senken.

Konventionelle Wärmepumpentechnologien sind hinsichtlich ihrer Flexibilität und den erreichbaren Temperaturen eingeschränkt. Darum ist ihr Einsatz in der Industrie oft nicht realisierbar. Eine neue Hochtemperaturwärmepumpe soll nun den standardisierten Einsatz bei Anwendungen von bis zu 150 °C in der Industrie ermöglichen. Bisherige Systeme erreichten die Zieltemperaturen von 75 bis 100 °C nicht oder nur schwer. Des Weiteren treten in Wärmequellen und Senken schwankende Temperaturen auf (etwa im Sommer- und Winterbetrieb). Konventionelle Technologien mussten bisher auf den „Worst Case“ ausgelegt werden, was sich negativ auf ihre Wirtschaftlichkeit auswirkte.

Funktionsweise

Neue Hochtemperaturwärmepumpen setzen auf einen gasförmigen Prozess. Bisher hatten rein gasförmige Prozesse den Nachteil, dass sich Wirkungsgrade bei Verdichtung und Entspannung wesentlich stärker auf die Gesamteffizienz auswirken. Der Schlüssel, um die Vorteile eines gasförmigen Prozesses mit einer hohen Effizienz zu vereinen, ist die Effizienz der Druckänderung. Die Hochtemperaturwärmepumpe verfügt über einen neuartigen hocheffizienten Verdichter, der die Zentrifugalkraft nutzt und so Wirkungsgrade von bis zu 99,9 Prozent erreicht. Die Wärmepumpe hält die Relativgeschwindigkeiten des Mediums gering, wobei das Medium gleichzeitig hohe absolute Geschwindigkeiten erfährt.

Durch eine bestimmte Positionierung der Wärmetauscher zur Rotationsachse, erzeugt die Maschine einen thermodynamischen Kreisprozess mit Rotationsgeschwindigkeiten von bis zu 2500 U/min. Je nach Geschwindigkeit ergibt sich zwischen dem äußeren und dem inneren Bereich ein unterschiedliches Druckverhältnis, das es erlaubt, das Kompressions- und Expansionsverhältnis zu verändern. Daraus resultiert eine frei wählbare Temperaturdifferenz zwischen Niederdruckseite (Quelle) und Hochdruckseite (Senke), die über die Drehzahl reguliert werden kann.

Druck und Temperatur des Arbeitsmediums können also für den jeweiligen Verwendungszweck durch die Rotationsdrehzahl angepasst werden. Gemeinsam mit einem variablen Durchfluss auf der Kreislaufseite sowie auf der Quellen- und Senkenseite erreicht die Pumpe eine hohe Flexibilität. Der Verdichter erlaubt es, mit wenig elektrischer Energie mehr Wärme oder Kälte zu produzieren.

Die Technologie bietet zudem Freiheitsgrade wie die Starttemperatur, die gemeinsam mit der variablen Umdrehungsgeschwindigkeit und dem getrennt zu steuernden Durchfluss mittels Ventilator eine maximale Flexibilität bietet. Der Prozess kann somit fast beliebig aufgespannt werden.

Die Vorteile der Technologie

Die neue Technologie nutzt Abwärme aus industriellen Prozessen und reduziert aufgrund ihres hohen COP-Wertes den Energieverbrauch. Auf diese Weise bietet sie Unternehmen verschiedener Industriezweige auch die Möglichkeit, Wärme und Kälte innerhalb eines Arbeitsablaufs parallel einzusetzen. Der selbstadaptierende, gasförmige Arbeitsprozess der Pumpe kann schwankende Temperaturen in der Quelle und Senke verarbeiten. Als Beispiel kann man sich vorstellen, dass die Abwärme aus einem Kühlkreislauf gewonnen wird. Im Sommer ist hier die Temperatur höher als im Winter. Konventionelle Technologie hätte man nun auf die niedrigeren Temperaturen im Winter auslegen müssen und somit die bessere Wirtschaftlichkeit des Sommers nicht voll nutzen können.

Der gasförmige Kreisprozess passt sich seinen Eingangstemperaturen an und liefert selbstständig die gewünschten Ausgangstemperaturen. Bei höheren Eingangstemperaturen auf der Quellenseite profitiert man von einer besseren Wirtschaftlichkeit bei gleichen Ausgangstemperaturen.

Die Wärmepumpe eignet sich für alle Wärmequellen, wurde jedoch für Flüssigkeiten als Wärmeträger optimiert. Steht Abwärme beispielsweise als Abluft zur Verfügung, wird die Wärme zuerst auf einen flüssigen Zwischenkreis übertragen. Dabei steht eine thermische Leistung von rund 500 kW oder mehr im Fokus, wobei bereits Produkte ab 100 kW angeboten werden. Die Technologie von Ecop etwa bietet zudem hohe COP-Werte für industrielle Anwendungen.

Einsatzmöglichkeiten

Die Einbindung einer solchen Maschine kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Ein Unternehmen hat typischerweise eine Vielzahl von Prozessen und braucht oft Wärme und Kälte gleichzeitig. Bisher wird die Wärme erzeugt und gesondert dazu die Kälte, wobei die dabei erzeugte Wärme in die Umgebung abgegeben wird. Die Hochtemperaturwärmepumpe kann vergleichsweise einfach implementiert werden und passt sich den Rahmenbedingungen an. Sie erzeugt die Wärme aus dem Kälteprozess, kann diese aber gleich zur Einbindung für den Wärmeprozess verwenden. Wird keine Kälte benötigt oder werden höhere Temperaturen für die Wärmesenke verlangt, bietet sich vor allem Abwärme als Wärmequelle an. Anstatt diese in Kühltürmen zu „entsorgen“, wird die Wärme kosten- und umweltgerecht als wertvoller Rohstoff recycelt.

Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig, vor allem in den Bereichen Fernwärme, Pulp & Paper, Chemie, Food, Metall und so weiter ergeben sich lukrative Einsatzgebiete. Dies führt zu relevanten Einsparungspotentialen, die auf diese Weise gehoben werden können. So ist es möglich, bei aktuellen Industrieenergiepreisen bis zu 240.000 Euro pro Jahr beim Einsatz einer 1MW-Wärmepumpe einzusparen. Eine derartige Anwendung spart als Bonus noch den CO2-Output von bis zu 1400 Autos ein.

Neben dem Screening von potentiellen Partnern für Serienvertrieb und die Supply Chain werden derzeit erste Pilotprojekte realisiert. Derartige Projektanlagen sollten einen Mindestbedarf von einigen hundert kW thermischer Leistung haben.

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