Industrieprozesse benötigen viel Wärme, meist in Form von Heisswasser, Druckheisswasser oder Dampf. Gross- und Hochtemperaturwärmepumpen bieten dafür eine zentrale Alternative zu fossilen Anlagen. Voraussetzung ist, dass Technik und Betriebsführung auf hohe Temperaturen und wechselnde Lasten abgestimmt sind. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE untersuchte auf einem neuen Prüfstand die Erzeugung von Prozessdampf bis 160 Grad sowie von Druckheisswasser. Ergänzend lieferte das Monitoring von fünf Grosswärmepumpen in Fernwärmenetzen Erkenntnisse aus dem Praxisbetrieb.
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 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.»
Der neue Teststand des Fraunhofer ISE ermöglicht die Vermessung von Wärmepumpen bis 160 Grad, 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 Betriebspunkte 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 der Fernwärmezentralen auf strombasierte und im Wesentlichen auf Grosswärmepumpen beruhende 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 Grad 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 Bundesministerium 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 Neukölln, 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.
