Eine innovative Wärmepumpe als ökologischer Wendepunkt für die Industrie?
Die EU möchte die Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 40 % verringern, ein Ziel, das aktuell auf 55 % angehoben wird(öffnet in neuem Fenster). Über alle industriellen Verfahren hinweg ist Wärme für 74 % des gesamten Energieverbrauchs(öffnet in neuem Fenster) verantwortlich. Damit der Klimawandel bekämpft werden kann, müssen diese Verfahren unbedingt dekarbonisiert werden. Man ist sich im Allgemein einig, dass dafür Wärmepumpen für Temperaturen von bis zu 150 °C unabdingbar sind. Wärmepumpen haben gegenüber anderen erneuerbaren Technologien in diesem Temperaturbereich mehrere Vorteile. So sind sie im Sommer und Winter verfügbar, haben pro Kilowattstunde einen günstigeren Preis und sind effizient. Dennoch mangelt es an marktfähigen Lösungen. Nachdem bestätigt werden konnte, dass es Wärmepumpen gibt, die Temperaturen von bis zu 150 °C erreichen können, entwickelte das EU-finanzierte Projekt Rotation Heat Pump mit dem Frühanwender Bioenergie Bucklige Welt(öffnet in neuem Fenster) zwei Prototypen und eine Pilotanlage. Das Projekt ermittelte auch die für die Gestaltung und die Produktion der Serie notwendigen Parameter. „Bei Industrieverfahren wie der Destillation, Pasteurisierung, dem Waschen und Kochen kann unsere Technologie die Marktlücke schließen, da sie mit ihrer Effizienz im Temperaturbereich zwischen 100 und 150 ° andere erneuerbare Lösungen um bis zu 70 % übertrifft“, erklärt Bernhard Adler, Geschäftsführer bei ecop(öffnet in neuem Fenster), dem Projektträger und Gewinner eines Umweltpreises, eines European Business Award for the Environment(öffnet in neuem Fenster) 2018. Rotation Heat Pump vertiefte ecops vorherige Arbeit zur Entwicklung einer Wärmepumpe, aus der ein Ausgangsmodell und 68 weltweite Patente hervorgingen.
Entwicklung und Optimierung
Wärmepumpen nutzen eine externe Energiequelle für die Übertragung von Wärmeenergie aus einer wärmeren an eine kühlere Umgebung, um zu heizen – oder umgekehrt, um zu kühlen. Als Wärmequelle dient dabei meistens die Luft, der Boden, das Wasser oder die Abluft. Wärmepumpen kommen unter anderem in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Holz- und Papierindustrie oder der chemischen Industrie zum Einsatz, wo sie für verschiedene Prozesse genutzt werden können, beispielsweise zum Trocknen und Entwässern, die Verdampfung, für das Waschen und Reinigen, die Sterilisation und das Pasteurisieren. Die Innovation von Rotation Heat Pump bestand in der Entwicklung eines einphasigen thermodynamischen Kreisprozesses(öffnet in neuem Fenster) anstelle des zweiphasigen thermodynamischen Verdichtungsprozesses, wie er bei konventionellen Wärmepumpen zu finden ist. Zum ersten Mal überhaupt wird dadurch eine industrielle Nutzung im großen Maßstab möglich – herkömmliche Pumpen sind nicht für die hohen Temperaturen und schwankenden Bedingungen geeignet, die in der Industrie herrschen. Außerdem kommen in aktuellen Lösungen üblicherweise Kältemittel für die Wärmeübertragung zum Einsatz, welche der Umwelt schaden. Im Prozess der Rotationswärmepumpe kommt ein weit verbreitetes, günstiges und sicheres Inertgas zum Einsatz, das aus Helium, Argon und Krypton besteht. Rotation Heat Pump hat zwei Prototypen entwickelt. Der erste wurde für eine Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung nahe Wien entwickelt, bei der die Wärmepumpe Abwärme aus der Dampfturbine der Anlage nutzt, um sie direkt in das Fernwärmenetz einzuspeisen. Der zweite Prototyp wurde zu internen Testzwecken entwickelt und dient als Demonstrationsanlage.
Die Hürden aktueller Wärmepumpen überwinden
In vielen Tests konnten ein stabiler Betrieb, hohe Temperaturen von bis zu 120 °C und ein Temperaturhub (die Differenz zwischen der Wärmequelle und der erzeugten Temperatur) von 35 Kelvin nachgewiesen werden. Letzterer soll noch dieses Jahr auf 50 Kelvin angehoben werden. Darüber hinaus wurde eine Leistungszahl(öffnet in neuem Fenster) von bis zu fünf erreicht. Das heißt, dass das System fünfmal mehr Wärmeenergie als die elektrische Energie erzeugen könnte, die zu ihrer Erzeugung benötigt wird. „Unsere Tests haben bestätigt, dass unsere Simulationen mit einer Leistungszahl übereinstimmten, die bei normalen Wärmepumpen praktisch unerreichbar ist“, sagt Adler. Nun arbeitet das Team an Demonstrationsprojekten, vor allem, um das System in industrielle Heizvorgänge zu integrieren und es entsprechend anzupassen.
