Machbarkeit industrieller Hochtemperaturwärmepumpen bis zu 250 °C

Mögliche Kreislaufdesigns und die Frage nach dem geeigneten Kältemittel

Die Entwicklungen im Bereich von Industriewärmepumpen haben sich in den letzten Jahren im Wesentlichen auf zwei Aspekte fokussiert. Einerseits wurden vermehrt Wärmepumpen etabliert, die für industrielle Prozesse relevante thermische Leistungen aufweisen. Andererseits ging die Entwicklung hin zu höheren Nutzungstemperaturen auf über 100 °C. Steigende Nutzungstemperaturen von Wärmepumpen ermöglichen die Wärmeversorgung industrieller Prozesse, die bisher nicht mit Wärmepumpen möglich war. Höhere Nutzungstemperaturen führen also zu neuartigen Anwendungsbereichen für Hochtemperaturwärmepumpen [1,2]. Sowohl etablierte Hersteller als auch neu gegründete Unternehmen entwickeln Produkte und Komponenten, die in diesem Markt eingesetzt werden können.

Das derzeit häufig wahrgenommene Nutzungstemperaturlimit liegt bei etwa 150 °C. Es wird dabei überwiegend auf Hubkolben- und Schraubenverdichter gesetzt, samt entsprechender Anforderungen an die Schmierung der Verdichter [2–5]. Verfolgt man den Gedanken der Steigerung der Nutzungstemperaturen weiter, um zukünftig zusätzliche Industrieprozesse versorgen zu können, und will man herausfinden wo die wirtschaftlichen sowie technologischen Grenzen zu finden sein werden, muss man sich mit den Anforderungen an die Schmierung beschäftigen. Es scheint zwar eine Nutzungstemperatur von bis zu 180 °C mit Hubkolben- und Schraubenverdichtern technisch umsetzbar, darüber hinaus können jedoch andere Technologien mit schmiermittelfreier Verdichtung vorteilhaft sein.

Diesen Ansatz untersuchen die Projektpartner Technische Universität Wien – Institut für Energietechnik und Thermodynamik und AIT Austrian Institute of Technology – Center for Energy. Dabei wird die techno-ökonomische Machbarkeit von Radialverdichtern in Hochtemperaturwärmepumpen mit dafür geeigneten Kältemitteln und angepassten Kreislaufdesigns für eine Heizleistung von etwa 1MWth untersucht. In diesem Beitrag erfolgen eine Kältemittelvorauswahl und die Beschreibung möglicher Kreislaufdesigns. Darauf aufbauend werden Parameter und Ergebnisse einer Vergleichsrechnung beschrieben.

Kältemittelvorauswahl und Kreislaufdesign

Grundsätzlich ist den Autoren bewusst, dass Kältemittel direkte und indirekte Wirkungen auf die Umwelt haben. Die hier dargestellte Vorauswahl umfasst natürliche und synthetische Kältemittel und erfolgt anhand von physikalischen und thermodynamischen Parametern. Im Wesentlichen werden die kritische Temperatur, der ODP-Wert, der GWP-Wert und die Sicherheitsklasse herangezogen (siehe Tabelle 1). Dies ist insofern bereits vereinfacht, da bspw. auch die Leistungsdichte, welche am ehesten durch die volumetrische Heizleistung beschrieben wird, zu berücksichtigen ist. Dies erfolgt jedoch indirekt durch die nachfolgende Vergleichsrechnung. Wasser (R718) sticht bei der Vorauswahl heraus, da es das Kältemittel mit der höchsten kritischen Temperatur ist. Alle, ausgenommen Wasser, führen zu einer transkritischen Betriebsweise bei einer Wärmeabgabe von etwa 200°C.

Bei den potenziell geeigneten Kreislaufdesigns wird auf eine begrenzte Komplexität und somit auf eine zweistufige Verdichtung mit Radialverdichtern gesetzt. Das jeweilige Druckverhältnis der einzelnen Verdichtungsstufen reduziert sich dadurch und führt bei Radialverdichtern zu höherer Verdichtungseffizienz. Das Referenzkreislaufdesign ist in Abbildung 1 dargestellt. Bei zweistufiger Verdichtung eröffnet sich die Möglichkeit einer Zwischeneinspritzung. Diese kann aus einem Economizer (Abbildung 2) oder Mitteldruckbehälter (Abbildung 3) erfolgen. Die Darstellungen sind vereinfacht und für die Vergleichsrechnungen wurde jeweils ein interner Sauggasüberhitzer einbezogen, der Wärme vom Gaskühler-/Kondensatoraustritt zur Saugseite der ersten Verdichterstufe überträgt.

Vergleichsrechnungen der Konzepte

Die durchgeführten Vergleichsrechnungen sollen einen ersten Eindruck vermitteln, welche Betriebsergebnisse zu erwarten sind. Für die hier beschriebenen Vergleichsrechnungen wurden die drei Kreislaufdesign-Modelle in „Dymola/Modelica“ implementiert und der Betrieb mit vier verschiedenen Kältemitteln simuliert. Die gewählten Betriebsparameter sind in Tabelle 2 aufgelistet. Um eine Vergleichbarkeit zwischen den verschiedenen Kältekreisdesigns herzustellen, wurde eine gleiche Heißgastemperatur modelliert.

Bei den Kältemitteln R1336mzz(Z), R1233zd (E) und R600 (Butan) ergibt sich im Wesentlichen eine transkritische Betriebsweise. Bei R601 (Pentan) bewegt man sich knapp am kritischen Punkt, was der Einfachheit halber als transkritische Betriebsweise bewertet wird.

In Tabelle 3 sind die Ergebnisse der Vergleichsrechnungen anhand der COPs gemäß Gleichung (1) und der Druckverhältnisse Π gemäß Gleichung (2) dargestellt. Der COP liegt in etwa zwischen 2 und 2.5, was dem Erwartungswert bei einer Temperaturdifferenz von etwa 110 °C entspricht.

 

COP = s. Formel (1)

Π = s. Formel (2)

Die Ergebnisse (Tabelle 3) für die Kältekreisdesigns „Economizer“ und „Mitteldruckbehälter“ unterscheiden sich nur unwesentlich. Damit ist klarerweise jenes System vorzuziehen, bei welchem weniger bzw. günstigere Komponenten und ein einfacheres Regelsystem zu erwarten ist. Betracht man den COP gegenüber dem Referenzkreislauf erkennt man allerdings in beiden Fällen einen merklichen Effizienzgewinn.

Wasser wird hier gesondert betrachtet, da es sich von den anderen Kältemittel aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften – wie z.B. der sehr hohen kritische Temperatur (Tabelle 1) – wesentlich unterscheidet. Damit ergibt sich bei den genannten Betriebsbedingungen eindeutig eine subkritische Betriebsweise. Betrachtet man vereinfacht die Drücke von Wasser bei Kondensation und Verdampfung, dann ergeben sich die in Tabelle 4 dargestellten Werte.

Berechnet man das Druckverhältnis Π für die Verdichtung von 90 °C auf 200 °C gemäß Gleichung (2), so ergibt sich ΠGesamt = 22,15 was bei zwei Verdichtungsstufen einem Wert von 4,71 je Stufe entspricht. Erhöht man nun die Senkentemperatur auf 250 °C so ergibt sich ein ΠGesamt = 56,64 welches wieder auf zwei Stufen mit je 7,5 aufgeteilt werden kann.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt bei der Verwendung von Wasser ist die bei diesen Temperaturen geringe Dichte im gasförmigen Zustand gegenüber anderen Kältemitteln, und die daraus resultierende geringe volumetrische Leistung. Um dies anschaulich darzustellen wurden die saugseitigen Volumenströme der Verdichter berechnet und in Tabelle 5 gegenübergestellt. Es zeigt sich, dass der Volumenstrom von Wasser bei gleichen Quellen- und Senkentemperaturen etwa zwei- bis viermal größer ist als jener der anderen Kältemittel. Für den Bau einer Anlage resultiert dies in erhöhten Kosten, welche in diesem Stadium der Untersuchung nicht näher beziffert werden können.

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

Die in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Auswertungen und Vergleichsrechnungen zeigen, dass durch den Einsatz von ölfreien Radialverdichtern in zweistufigen Kreislaufdesigns hohe Nutzungstemperaturen bei hohen Temperaturhüben möglich wären. Errechnete Druckverhältnisse bei Kreislaufdesigns mit R1336mzz(Z), R1233zd(E), R601 (Pentan) und R600 (Butan) befinden sich im realisierbaren Bereich, führen aber zu transkritischer Betriebsweise der Kreisläufe.

Der Einsatz von R718 (Wasser) erscheint durch dessen Eigenschaften bei einer Limitierung auf lediglich zwei Verdichtungsstufen nicht zielführend. Außerdem ist die volumetrische Leistung von Wasser bei den angestrebten Betriebsbedingungen deutlich geringer im Vergleich zu den anderen Kältemitteln, weshalb der erforderliche Volumenstrom bei der Verwendung von R718 (Wasser) dem zwei- bis vierfachen entsprechen würde.

Die zu erwartenden COPs für die Kreislaufdesigns mit R1336mzz(Z), R1233zd(E), R601 (Pentan) und R600 (Butan) erscheinen vielversprechend. Die Vergleichsrechnungen dienen jedoch nicht nur zur Abschätzung der COPs, insbesondere die spezifischen Betriebsbedingungen der Verdichter können daraus für weitere Arbeiten abgeleitet werden. Eine besondere Rolle spielt der Sauggasüberhitzer. Dieser wurde der Einfachheit halber nicht in die Kreislaufdesigns eingezeichnet, er überträgt jedoch Wärme vom Gaskühler-/Kondensatoraustritt zur Saugseite der ersten Verdichterstufe. Er bestimmt damit die Eintrittstemperatur des Kältemittels am Saugstutzen der ersten Verdichterstufe, die einen wesentlichen Einfluss auf die Verdichteraustrittstemperatur der zweiten Stufe und somit auf die erreichbare Nutzungstemperatur hat.

Für eine vollständige techno-ökonomische Bewertung sind neben den in diesem Artikel beschriebenen Ergebnissen noch viele weitere Aspekte zu berücksichtigen und potenzielle Probleme sowohl zu identifizieren als auch zu adressieren. Dazu zählen insbesondere kältemittelspezifische, maschinenbauliche und antriebs- sowie regelungstechnische Fragestellungen. Es soll auch nicht unerwähnt bleiben, dass ungenützte Abwärme auf einem Temperaturniveau von etwa 90°C nicht einfach zu finden ist. Es erscheint somit auch notwendig, weitere Prozessanalysen durchzuführen, um das Marktpotential abschätzen zu können.

Literatur

[1] C. Arpagaus, F. Bless, M. Uhlmann, J. Schiffmann, S.S. Bertsch, High temperature heat pumps: Market overview, state of the art, research status, refrigerants, and application potentials, Energy 152 (2018) 985–1010.

[2] F. DI(FH) Helminger, Steam generating heat pumps: Upcoming technology for heat recovery, Nürnberg, 2021.

[3] D. Schlehuber M.Sc., CHALLENGES IN THE DEVELOPMENT OF POSITIVE DISPLACEMENT COMPRESSORS FOR HIGH TEMPERATURE HEAT PUMPS, Nürnberg, 2021.

[4] Heaten AS, 1MW HeatBooster: Key product characteristics,www.heaten.com, accessed 5 November 2021.

[5] SPH Sustainable Process Heat, Die Wärmepumpe: Produktbeschreibung, www.spheat.de, accessed 5 November 2021.

[6] C. Arpagaus (Ed.), Hochtemperatur-Wärmepumpen: Marktübersicht, Stand der Technik und Anwendungspotenziale, 1st ed., VDE Verlag, 2018.

[7] NIST, Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP): Version 10,www.nist.gov/srd/refprop, accessed 5 January 2021.

Danksagung

Diese Publikation wurde im Rahmen des Projektes „NERO“ (FFG Projektnummer 888453) erarbeitet. Projektpartner: TU Wien, Institut für Energietechnik und Thermodynamik
Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 2020 durchgeführt.


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