Entwicklung und Aufbau von Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Integration regenerativer Energieträger in industrielle Prozesse und thermische Speicherkraftwerke

Kurzfassung

Zur Erreichung eines nachhaltigen und klimaneutralen Energiesystems geraten zunehmend energieintensive Industrien, thermische Speicherkraftwerke sowie die Transformation von thermischen Kraftwerken in den Fokus. Aus diesem Grund richtet das Institut für CO2-arme Industrieprozesse des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt an den Standorten Cottbus und Zittau seine Forschungsschwerpunkte auf die Minderung energie- und prozessbedingter CO2-Emissionen aus industriellen Prozessen und Kraftwerken aus. Mit der Forschung auf dem Gebiet leistet das DLR einen Beitrag zur Umsetzung der Wärmewende in der Industrie. Ein Lösungsansatz zur Minderung energiebedingter CO2-Emissionen ist die Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmepumpen mit Wärmesenkentemperaturen deutlich oberhalb von 150 °C. Diese sind in der Lage, durch Verwendungregenerativer Energien wie Strom und Solarthermie sowie die Einbindung von Abwärme (oder Wärme aus der Umwelt), effizient Prozesswärme auf einem hohen, vom Industrieprozess geforderten, Temperaturniveau bereitzustellen. Hochtemperatur-Wärmepumpen können somit direkt in industrielle Prozesse oder als Schlüsselkomponente in thermischen Speicherkraftwerken zur Effizienzsteigerung und der weitestgehenden Vermeidung von CO2-Emissionen integriert werden. In diesem Beitrag wird die Entwicklung einer Versuchsanlage auf Basis des linksläufigen Brayton-Kreisprozesses vorgestellt. Am Beispiel der Vorauslegung und mithilfe einer ausgewählten Simulationsumgebung wird der Versuchskreislauf stationär und exergetisch betrachtet. Im Kontext der weiteren Entwicklung hin zur vollständigen Versuchsanlage wird die Simulation auf transiente Effekte erweitert. Ziel ist es, auf der Grundlage dieser Untersuchungen Problemstellungen in der Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmepumpen zu analysieren und Lösungsansätze aufzuzeigen, um den Aufbau und den Betrieb zukünftiger Anlagen optimal zu gestalten. Soweit möglich, werden diese Ergebnisse beim Aufbau der Versuchsanlage und bei deren Instrumentierung berücksichtigt, um nachfolgend diese Ergebnisse in geeigneten Experimenten zu validieren. Diese Entwicklung und der Aufbau der Versuchsanlage zielt auf eine hohe Flexibilität der möglichen Versuchsbedingungen. Ziel ist es so, die optimale Wärmepumpen-Schaltung und Leistungsparameter mit maximaler Gesamteffizienz bei der Integration von zukünftigen Hochtemperatur-Wärmepumpen in industrielle Prozesse oder thermische Speicherkraftwerke sicherzustellen unter Beachtung der für den Anwendungsfall gegebenen spezifischen Randbedingungen