Fraunhofer ISE/Michael Spiegelhalter
Ein Teststand prüft Wärmepumpen bis 160 °C. Fünf Großwärmepumpen liefern Betriebsdaten aus Fernwärmenetzen. Die Auslegung prägt den Betrieb.
Industrieprozesse benötigen große Wärmemengen, häufig als Heißwasser, Druckheißwasser oder Dampf. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Fraunhofer ISE) untersucht in mehreren Projekten, wie sich Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen für Industrie und Wärmenetze auslegen und betreiben lassen. Dabei müssen Wärmequelle, Kältemittel, Wärmeübertrager, hydraulische Einbindung, Regelung und Betriebsstrategie zusammenspielen. Einzelne Komponenten aus der Kälte- oder Gebäudetechnik zu skalieren, reicht nicht.
Teststand analysiert Dampf und Druckheißwasser
Im Verbundprojekt „Fern- und Prozesswärmeversorgung durch Wärmepumpen als Ersatz der Kohleverbrennung“ (FernWP) hat das Fraunhofer ISE einen Labor-Teststand für Hochtemperaturwärmepumpen aufgebaut. Die Forschenden haben dort die Bereitstellung von Prozessdampf bis zu 160 °C und von Druckheißwasser untersucht. Aus den Messungen wollen sie ableiten, wie sich Anlagen auslegen und betreiben lassen.
„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.
Im laufenden Projekt untersuchten die Forschenden vor allem Wärmepumpen mit Butan als Kältemittel. Wegen dessen Brennbarkeit betrachteten sie auch Sicherheitsaspekte und Aufstellungsfragen. Die Messdaten sollen Herstellern von Wärmepumpen und Entwicklern von Wärmeübertragern helfen, Komponenten auf hohe Temperaturen, große Leistungen und wechselnde Betriebspunkte auszulegen.
Fünf Anlagen liefern Daten aus Fernwärmenetzen
Rund 16 Prozent der Haushalte in Deutschland werden aktuell mit Fernwärme versorgt. Um deren Erzeugung von fossilen Energieträgern zu lösen, gilt die Umstellung der Fernwärmezentralen auf strombasierte Systeme mit Großwärmepumpen als zentrale Option. Im Reallabor GroßWP erfasst das Fraunhofer ISE seit 2023 Betriebsdaten von fünf Großwärmepumpen. Damit untersucht das Institut deren Auslegung, hydraulische Einbindung und Betriebsführung unter den Bedingungen deutscher Fernwärmenetze.
„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. Für Effizienz und Verfügbarkeit spielen neben der Wärmepumpe auch die Wärmequelle, das bestehende Erzeugungssystem und die Betriebsstrategie eine Rolle. Der Betrieb im Kraftwerksverbund erfordert zudem Kenntnisse über den Anlagenpark, das Fernwärmenetz und die Kundenanlagen.
Bei Anlagen mit Fließgewässern als Wärmequelle ging die thermische Leistung bei niedrigen Wassertemperaturen und im Teillastbetrieb zurück. Unter etwa 6 °C Quelltemperatur beobachteten die Forschenden eine Leistungsreduktion. Auch der Einsatz der Anlagen verändert sich: Frühe Planungen sahen oft einen überwiegend saisonalen Betrieb vor. Inzwischen richten Betreiber ihn zunehmend an Tagesprofilen und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen aus. Dadurch steigen die Anforderungen an Start-Stopp-Zyklen, Standzeiten, Service und Anlagenverfügbarkeit.
Forschende entwickeln Modelle und Sicherheitskonzepte
Als Nächstes will das Fraunhofer ISE die Schnittstellen von Großwärmepumpen im Kraftwerksverbund genauer beschreiben. Daraus sollen Methoden zur Modellbildung und Ansätze für eine wirtschaftlich optimale Fahrweise entstehen. Das Institut will außerdem seine Sicherheitsteststände weiterentwickeln, um Sicherheitskonzepte für Kältemittel in Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen abzuleiten.
Das Verbundvorhaben FernWP läuft bis September 2027 und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert. Das Reallabor GroßWP fördern das BMWE und die Europäische Union.
Quelle: Fraunhofer ISE / oja
