Entwicklung und Anwendung

Hochtemperaturwärmepumpe

Einsatz des Kältemittels R245fa

Der Anlagenbauer Dürr Ecoclean GmbH und der Wärmepumpenhersteller Combitherm GmbH haben in einem Kooperationsprojekt unter Mitwirkung des Instituts für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart eine Hochtemperaturwärmepumpe entwickelt und eingesetzt. Es wurde ein Prototyp gebaut, der in einer Teilereinigungsanlage zur Verdampfung von wässriger Reinigungslösung bei 100 °C eingesetzt wird.

Wärmeerzeugung in der Industrie

Die deutsche Industrie war im Jahr 2011 mit einem Endenergieverbrauch von 2624 PJ für 30 % des gesamten deutschen Endenergieverbrauchs verantwortlich. Drei Viertel des industriellen Endenergiebedarfs (1961 PJ) werden für die Wärmeerzeugung eingesetzt. Ein Großteil dieser Wärme (1730 PJ) wird in Form von Prozesswärme bei hohen Temperaturen benötigt [BMWi 2013].

Für den Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie ist die benötigte Temperatur ein wichtiger Parameter. Die erreichbare Vorlauftemperatur konnte in den vergangenen Jahren immer weiter gesteigert werden. Zurzeit liegt die Einsatzgrenze bei 100 °C. Es existieren aber bereits Pilotanlagen, die auch höhere Temperaturen erreichen können. Unter Berücksichtigung dieser Restriktion sind vor allem Wasch- und Trocknungsprozesse sowie das Pasteurisieren, Eindampfen und Destillieren für den Einsatz von Wärmepumpen interessant. Große Potenziale ergeben sich vor allem in der Nahrungsmittel-, der Papier- und der Chemischen Industrie.

Um den Temperaturhub möglichst gering zu halten, müssen geeignete Wärmequellen angezapft werden, die häufig in Kühlkreisläufen, der Abwärme von Druckluftkompressoren oder in feuchtebeladenen Abluftströmen zu finden sind.

Kältemittel

In Heizungswärmepumpen kommen hauptsächlich die Kältemittel R410A und R134a zum Einsatz. Aufgrund ihrer niedrigen kritischen Temperaturen sind diese jedoch nicht für den Einsatz bei hohen Kondensationstemperaturen geeignet. Für Vorlauftemperaturen jenseits der 80 °C müssen Hochtemperaturkältemittel eingesetzt werden. Eine Auswahl dieser Kältemittel ist in der Tabelle aufgeführt. R744 (Kohlendioxid) besitzt zwar eine besonders niedrige kritische Temperatur, im überkritischen Prozess können aber dennoch hohe Vorlauftemperaturen erreicht werden. Aufgrund des hohen Temperaturglides im Gaswärmeübertrager ist R744 vor allem für die Erwärmung von Wasserströmen geeignet. Aufgrund hoher Drücke ist die lieferbare Vorlauftemperatur sowohl für R744 als auch für R717 (Ammoniak) derzeit auf maximal 90 °C beschränkt. Mit dem Kältemittel R600a (Isobutan) konnte in einer Pilotanlage eine Vorlauftemperatur von 120 °C erreicht werden [Huber 2013]. Allerdings ist bei diesem Kältemittel die extreme Brennbarkeit zu beachten. Für R245fa besteht dieses Sicherheitsproblem zwar nicht, jedoch verfügt es über ein vergleichsweise hohes Global Warming Potential (GWP). Derzeit noch in der Entwicklung ist das Kältemittel R1336mzz-Z, besser bekannt unter dem Arbeitsnamen DR-2. Es vereint eine hohe kritische Temperatur mit einer niedrigen Drucklage und einem ebenfalls geringen GWP. Die Markteinführung erfolgt aber voraussichtlich erst 2016/17 [Kontomaris 2013]. Bei LG6 handelt es sich um einen bereits verfügbaren Stoff, der sich ebenfalls für den Einsatz in Hochtemperaturwärmepumpen eignet. Es ist insbesondere für Kondensationstemperaturen jenseits von 110 °C vorgesehen [Reissner et al. 2013].

Anwendung einer Hochtemperaturwärmepumpe mit R245fa

In Teilereinigungsanlagen werden Werkstücke von anhaftenden Partikeln, Ölen oder Emulsionen befreit. Die Partikel werden in Filtern abgeschieden. Öle und Fette verbleiben in der Reinigungsflüssigkeit. Mit der Zeit steigt die Belastung der Reinigungslösung so stark an, dass diese ausgewechselt werden muss. Da dieser Vorgang mit hohem Aufwand verbunden ist, verlängert die Firma Dürr Ecoclean die Badstandzeit durch eine integrierte Badaufbereitung. Hier wird die wässrige Reinigungslösung bei 100 °C verdampft. Schwerer siedende Verunreinigungen wie Fette und Öle bleiben zurück und werden regelmäßig abgeführt. Der erzeugte Dampf beheizt die drei Flutbehälter, in denen die Reinigungslösung vorgehalten wird. Überschüssige Wärme wird über ein externes Kühlsystem abgeführt.

Die schematische Darstellung der Anlage in Abbildung 1 zeigt auch die Integration der neuen Hochtemperaturwärmepumpe. Diese nutzt die überschüssige Wärme aus dem Flutbehälter und beheizt die Badaufbereitung. Der Flutbehälter fungiert als kleiner Pufferspeicher und zudem konnte der Verdampfer der Wärmepumpe in einen Zirkulationskreis integriert werden, in dem sich auch die Partikelfilter befinden. Damit kann der Verdampfer effektiv vor Verunreinigungen geschützt werden. Der Verflüssiger befindet sich direkt in der Badaufbereitung. Für die Wärmepumpe wurde das Kältemittel R245fa gewählt, da es neben einer hohen kritischen Temperatur eine niedrige Drucklage aufweist und zudem gute Sicherheitseigenschaften hat. Als Verdichter wird ein Kolbenverdichter eingesetzt, der vom Hersteller allerdings nur für Verdampfungstemperaturen von 40 °C und Kondensationstemperaturen von 100 °C konzipiert wurde. In Tests konnte erfolgreich gezeigt werden, dass der Verdichter auch bei Verdampfungstemperaturen von 60 °C und Kondensationstemperaturen von 110 °C zuverlässig funktioniert. Für das verwendete Öl gibt der Hersteller eine maximal zulässige Temperatur von 130 °C an.

Die Wärmepumpe ist mit einem Frequenzumformer ausgestattet, über den sich die Leistung des Verdichters anpassen lässt. Für die Bestimmung des COP wurde die Anlage umfänglich vermessen. Die Messstellen für die Energiebilanz sind ebenfalls in Abbildung 1 eingetragen. Im Normalbetrieb bei 50 Hz erreichte die Wärmepumpe einen COP von 3,4.  Dabei ist zu beachten, dass der COP auch die thermischen Verluste der Badaufbereitung beinhaltet. Durch den Einsatz der Wärmepumpe konnte die Reinigungsleistung der Badaufbereitung um 75 % gesteigert werden. Gleichzeitig konnte die elektrische Leistungsaufnahme für die Beheizung der Badaufbereitung um 31 % reduziert werden. Auf eine externe Kühlung der Anlage kann nun weitgehend verzichtet werden. Ausgehend von einer Anlagenbetriebsdauer von 2600 h/a und einem CO2-Emissionsfaktor für Strom von 601 g/kWh [UBA 2012] kann die Wärmepumpe jährlich bis zu 24 t CO2-Emissionen vermeiden.

Fazit

Die vorgestellte Hochtemperaturwärmepumpe kann die Reinigungslösung dank des neuen Kältemittels R245fa zuverlässig bei ca. 100 °C verdampfen. Neben der Reduktion des Energiebedarfs konnte auch eine Prozessverbesserung erreicht werden. Nach erfolgreichen Labortests wird die erste Anlage derzeit unter realen Produktionsbedingungen getestet. Auch hier traten bisher keine nennenswerten Probleme auf. Mit dem Projekt wurde erfolgreich demonstriert, dass Wärmepumpen in der Industrie auch bei hohen Vorlauftemperaturen zuverlässig eingesetzt werden können.↓

Literaturverzeichnis

[BMWi 2013]
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi): Zahlen und Fakten: Energiedaten. 2013
[Huber 2013]
Huber, K.: Prozesswärmepumpen – Medientemperaturen bis 110 °C (4. VDI-Fachkonferenz: Wärmepumpen 2013 – Umweltwärme effizient nutzen). Raunheim, 12.06.2013
[Kontomaris 2013]
Kontomaris, K.: Low GWP working fluid for high temperature heat pumps: DR2: Chemical stability at high temperatures (European Heat Pump Summit 2013). Nürnberg, 15.10.2013
[Reissner et al. 2013]
Reissner, F.; Gromoll, B.; Schäfer, J.; Danoc, V.; Karl, J.: Experimental performance evaluation of new safe and environmentally friendly working fluids for high temperature heat pumps (European Heat Pump Summit 2013). Nürnberg, 15.10.2013
[UBA 2012]
Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissio­­nen des deutschen Strommix 1990-2010 und erste Schätzungen 2011. Bundesrepublik Deutschland. 2012
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