Entwicklung und Aufbau einer Hochtemperaturwärmepumpe zur Bereitstellung von industrieller Prozesswärme und -kälte

Abstract

Die Vermeidung der Emission klimaschädlicher Gase stellt eine gesamtgesellschaftliche Aufgabe dar. Wäh-rend die Erzeugung elektrischer Energie die entsprechende öffentliche Diskussion dominiert, haben sowohl die Stoffumwandlung als auch die Prozesswärme in der Industrie einen hohen Anteil an den Gesamtemissi-onen. Etwa ein Viertel der Emissionen geht auf diesen Sektor zurück. Um die Industrie bei dem Erreichen ihrer Dekarbonisierungsziele zu unterstützen, wurde im Jahr 2019 das Institut für CO2-arme Industrieprozesse des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt mit den Standor-ten Cottbus und Zittau gegründet. Ein Schwerpunkt des Institutes ist die Entwicklung von Hochtemperaturwärmepumpen mit Wärmesenken-temperaturen deutlich oberhalb von 150°C, welche bei der Verwendung von regenerativ erzeugtem Strom die klimaneutrale Wärmebereitstellung ermöglichen. Darüber hinaus spielen diese Systeme eine zentrale Rolle bei der Primärenergieeinsparung in der Industrie, besonders durch die Aufwertung von Abwärme. Im Hinblick auf eine zunehmende Besteuerung der CO2-Emissionen bei gleichzeitig steigendem Anteil der erneuerbaren Energien an der Elektroenergieerzeugung werden Hochtemperaturwärmepumpen zukünftig auch ökonomisch gegenüber fossilen Feuerungsanlagen an Bedeutung gewinnen. In diesem Beitrag wird ein erster Versuchskreislauf auf Basis des linksläufigen Brayton-Prozesses mit inter-ner Wärmerückgewinnung vorgestellt, wobei als Arbeitsmedium Luft eingesetzt wird. Der Versuchskreislauf erlaubt eine gleichzeitige Bereitstellung sowohl von Wärme bis zu 350°C als auch von Kälte bis -80°C. Charakteristisch für den Brayton-Prozess ist der Temperaturgleit an Wärmequelle und -senke. Als eine mögliche Anwendung wird die Gasverflüssigung bei gleichzeitiger Erzeugung von Prozessdampf diskutiert. Insbesondere für Luftzerlegungsanlagen in Chemieparks ergeben sich dabei mögliche Anwendun-gen. In dieser Veröffentlichung wird der Ersatz der Vorkühlung des Stickstoffverflüssigers bei gleichzeitiger Wärmebereitstellung untersucht. Es sind exergetische Wirkungsgrad von ca. 66% beziehungsweise ein COP von 2,35 zu erwarten.