Entwicklung und Simulation einer Hochtemperatur-Wärmepumpe zur Bereitstellung von industrieller Prozesswärme

Abstract

Zum Erreichen der Dekarbonisierungsziele und der ganzheitlichen Transformation des Energiesystems rückt die Minderung der CO2-Emissionen energieintensiver industrieller Prozesse zunehmend in den Fokus. Im Jahr 2016 betrug der industrielle Bedarf an Prozesswärme 1.713 PJ, aber bis heute wird nur ein kleiner Teil dieser Prozesswärme direkt oder indirekt aus erneuerbaren Energien erzeugt. Das neue DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse an den beiden Standorten Cottbus und Zittau richtet seine Forschungsschwerpunkte auf die Minderung energie- und prozessbedingter CO2-Emissionen aus. Mit der Entwicklung und dem Aufbau einer Hochtemperatur-Wärmepumpe entsteht eine Power-to-Heat-Technologie, welche Prozesswärme in industriell relevanten Temperaturbereichen bereitstellt. Technologiebedingt wird zusätzlich Prozesskälte generiert, woraus eine Erweiterung des Einsatzbereiches resultiert. Diese Hochtemperatur-Wärmepumpe stellt integriert im zunehmend regenerativen Stromversorgungssystem ein innovatives und klimaneutrales Konzept zur industriellen Wärme- und Kälteversorgung dar. Das entwickelte und in Umsetzung befindliche Hochtemperatur-Wärmepumpen-Konzept basiert auf dem umgekehrten Brayton-Kreisprozess und wird für verschiedene Arbeitsmedien ausgelegt. Speziell entwickelte Turbomaschinen, Wärmeübertrager für die Wärme- und Kälte-Prozessauskopplung sowie weitere prozessbedingte Peripherie zum Betrieb und zur Konditionierung des Arbeitsmediums prägen den Systemaufbau. Mit trockener Luft als Arbeitsfluid können nach aktuellem Stand der Auslegung Temperaturen von über 250°C in der Wärme- und deutlich unter 0°C auf der Kälte-Prozessauskopplung erreicht werden. Parallel zum Aufbau dieser experimentellen Versuchsanlage wird eine flexible Simulationsumgebung auf Basis eines geeigneten existierenden Software-Frameworks entwickelt, welches durch einen datenmodellbasierten Ansatz gekoppelt wird. Dieses umfasst Programme verschiedener Disziplinen für Untersuchungen hinsichtlich der Betriebscharakteristik, der Vorauslegung des Wärmepumpen-Gesamtsystems sowie zur Systemintegration in das Energieversorgungsystem industrieller Prozesse. Zukünftig werden Modelle und Programme zur (Vor-)Auslegung der Hauptkomponenten integriert, sodass anwendungs- und kundenspezifische sowie optimierte Wärmepumpen-Konzepte erarbeitet werden.