Wärmepumpen Wärmepumpen für Industrieprozesse und Wärmenetze

Industrieprozesse benötigen große Mengen Wärme – häufig als Heißwasser, Druckheißwasser oder Dampf. Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen gelten als die zentrale Alternative zur fossilen Wärmeerzeugung. Dazu müssen Anlagen, Komponenten und Betriebsführung auf hohe Temperaturen und dynamische Einsatzbedingungen ausgelegt werden.

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben in einem neuen Teststand für Hochtemperaturwärmepumpen die Bereitstellung von Prozessdampf bis zu 160 °C sowie von Druckheißwasser detailliert analysiert. Zudem wurden bei einem Monitoring von fünf Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen Erkenntnisse zu Auslegung und Betriebsführung aus dem realen Anlagenbetrieb gewonnen. Es zeigte sich, dass Großwärmepumpen im realen Betrieb zuverlässig funktionieren und die erforderlichen Betriebspunkte erreichen, wenn die Komponenten, Regelung, hydraulische Einbindung und Betriebsstrategie richtig ausgelegt und umgesetzt werden.

Das Fraunhofer ISE untersucht in mehreren Forschungsprojekten die Auslegung und den Betrieb von Wärmepumpen, um deren Nutzung in Industrie und Wärmenetzen zu vereinfachen und zu optimieren. Dabei wird deutlich, dass für die Dekarbonisierung von Prozesswärme maßgeschneiderte Komponenten, eine systemische Auslegung und geeignete Sicherheitskonzepte entscheidend sind. Dabei reicht es nicht, einzelne Komponenten aus der Kälte- oder Gebäudetechnik zu skalieren. Das Zusammenspiel von Wärmequelle, Kältemittel, Wärmeübertrager, hydraulischer Einbindung, Regelung und wirtschaftlicher Betriebsstrategie muss individuell betrachtet werden.

Wärmepumpen-Teststand für Bereitstellung von Prozessdampf und Druckheißwasser

Im Rahmen des Verbundprojekts »Fern- und Prozesswärmeversorgung durch Wärmepumpen als Ersatz der Kohleverbrennung (FernWP)« hat das Fraunhofer ISE einen Labor-Teststand für Hochtemperaturwärmepumpen aufgebaut, um eine Brücke zwischen thermodynamischer Konzeptentwicklung, Komponentenprüfung und praxisnaher Systemauslegung zu schlagen. „Für die industrielle Anwendung ist nicht allein die maximal erreichbare Temperatur entscheidend. Eine Hochtemperaturwärmepumpe muss auch bei wechselnden Wärmequellen, Lasten und Betriebsmodi effizient und verlässlich Prozessdampf oder Druckheißwasser bereitstellen”, sagt Dr. Ursula Wittstadt, Senior Engineer und Projektleiterin FernWP am Fraunhofer ISE. „Mit unserem Teststand machen wir diese Wechselwirkungen messbar und schaffen damit eine Grundlage für die Weiterentwicklung von Komponenten und Gesamtsystemen.”

Neue Großwärmepumpe

Wie ein Chemiewerk 1000 Wohnzimmer heizt

Der neue Teststand des Fraunhofer ISE ermöglicht die Vermessung von Wärmepumpen bis 160 °C, um daraus Optimierungspotenziale für Auslegung und Betriebsführung abzuleiten. Im laufenden Projekt lag der Schwerpunkt der Untersuchung bei Wärmepumpen, die mit Butan als Kältemittel betrieben werden, weshalb – aufgrund von dessen Brennbarkeit – auch Sicherheitsaspekte und Aufstellungsfragen betrachtet wurden. Für Hersteller von Wärmepumpen und Entwickler von Wärmeübertragern liefern die Messdaten eine belastbare Grundlage, um Komponenten gezielter auf hohe Temperaturen, große Leistungen und wechselnde Betriebs-punkte auszulegen.

Monitoringdaten von fünf Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen

Rund 16 Prozent der Haushalte in Deutschland werden aktuell mit Fernwärme versorgt. Um die Wärmeerzeugung zu defossilisieren, ist die Umstellung dier Fernwärmezentralen auf strombasierte und im Wesentlichen auf Großwärmepumpen fußende Versorgungssysteme eine zentrale Option. Im Rahmen des »Reallabor GroßWP« erfasst das Fraunhofer ISE seit 2023 umfangreiche Betriebsdaten aus dem realen Betrieb von fünf Großwärmepumpen, um damit die Auslegung, hydraulische Einbindung und Betriebsführung für die Anforderungen von deutschen Fernwärmenetzen zu optimieren.

„Das Monitoring der fünf Anlagen zeigt, dass Großwärmepumpen im praktischen Betrieb gut funktionieren und die vorgesehenen Betriebspunkte erreichen können”, stellt Axel Oliva, Projektleiter Reallabor GroßWP am Fraunhofer ISE fest. „Entscheidend für Effizienz und Verfügbarkeit ist aber nicht nur die Wärmepumpe, sondern auch die Wärmequelle, die hydraulische Einbindung, das bestehende Erzeugungssystem und die konkrete Betriebsstrategie. Wir haben zudem gesehen, dass der Betrieb im Kraftwerksverbund gute Kenntnisse über den bestehenden Anlagenpark, das Fernwärmenetz sowie die Kundenanlagen erfordert.”

Bei Anlagen mit Fließgewässern als Wärmequelle zeigte sich beispielsweise, dass die thermische Leistung bei niedrigen Wassertemperaturen und im Teillastbetrieb zurückgeht. Bei Quelltemperaturen unter etwa 6 °C wurde eine Leistungsreduktion beobachtet. Eine weitere Erkenntnis betrifft die Betriebsstrategie: Während in frühen Planungen oft ein überwiegend saisonaler Einsatz der Großwärmepumpe vorgesehen war, werden Anlagen nun zunehmend nach Tagesprofilen und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen betrieben. Dadurch nehmen Anforderungen an Start-Stopp-Zyklen, Standzeiten, Service und Anlagenverfügbarkeit zu. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse können Betreiber dabei unterstützen, die Betriebsführung zu optimieren.

Modellentwicklung aus Messdaten und Sicherheitskonzepte für natürliche Kältemittel

Aus den Zwischenergebnissen beider Projekte zur Optimierung des Einsatzes von Großwärmepumpen folgt im nächsten Schritt eine detailliertere Beschreibung der Schnittstellen von Großwärmepumpen im Kraftwerksverbund. Daraus sollen dann Methoden zur Modellbildung entwickelt und praxisnahe Ableitungen für eine wirtschaftlich optimale Fahrweise getroffen werden. Zudem will das Fraunhofer ISE seine Sicherheitsteststände weiterentwickeln, um Sicherheitskonzepte für Kältemittel, die in Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen verwendet werden, ableiten zu können.

Das noch bis September 2027 laufende Verbundvorhaben »FernWP« wird vom Bundesministe-rium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert. Neben dem Fraunhofer ISE sind das Fraunhofer IEG, das Fraunhofer ISI, die Johnson Controls Systems & Service GmbH, die Stadtwerke Cottbus GmbH, die GESMEX Exchangers GmbH und die AGFW-Projektgesellschaft mit jeweils eigenen Arbeitspaketen beteiligt. Am Reallabor »GroßWP« sind EnBW, Fernheizwerk Neu-kölln, MVV, BEW AG, die Stadtwerke Rosenheim, die Universität Stuttgart, die AGFW-Projektgesellschaft als Koordinator und das Fraunhofer ISE . Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) und der Europäischen Union gefördert.

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