Wärmepumpe mit Propan-Kältekreis für Industrieanwendung

Das Thermomanagement-Modul in der Aufbauphase
Bild: ZAE Bayern

Im Fokus des Forschungsprojekts stand die Entwicklung eines modularen Thermomanagementmoduls für eine industrielle Bauteilreinigungsmaschine, für das die beiden Projektpartner Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern, www.zae-bayern.de) und die Firma MAFAC E. Schwarz GmbH & Co. KG (www.mafac.de) zuständig waren. In dieses Modul haben Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer ISE einen innovativen Kältekreis integriert, der das natürliche Kältemittel Propan verwendet. „Da in dem Reinigungs- und Trocknungsprozess sowohl Wärme als auch Kälte benötigt wird, ist er für eine Wärmepumpe ausgezeichnet geeignet“, erklärt Projektleiter Clemens Dankwerth vom Fraunhofer ISE. Das Thermomanagementmodul, das als Standby-Modul mit einer bestehenden Reinigungsmaschine verfahrens- und steuerungstechnisch gekoppelt wurde, nutzt die Energie sowohl der warmen als auch der kalten Seite der Wärmepumpe.

Vorab erfolgte die Wärme- und Kältebereitstellung der Reinigungsanlage rein elektrisch – die beiden getrennten Prozesse konnten im Zuge der neuen Anwendung in einen Prozess überführt werden. Dem Projektteam gelang es, die Wärmepumpe für den Arbeitsmittel-optimierten Betrieb so auszulegen, dass die spezifische Füllmenge von 255 g Propan im Kältekreis ausreichte. Damit ist eine sichere Aufstellung der Gesamtanlage (Reinigungsmaschine mit Thermomanagement-Modul) in Räumen ab 16 Quadratmeter Grundfläche gegeben.

Der kältemittelreduzierte Kältekreis war bereits vorab im Rahmen des Projekts „LC150“ entwickelt worden. Hier hatte ein Projektteam des Fraunhofer ISE einen Kältekreis auf Basis von Propan entwickelt, der den Grenzwert von 150 Gramm Propan unterschreitet. Somit kann die Wärmepumpe unabhängig von den Sicherheitsanforderungen, die für die Aufstellung von Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln in Innenräumen gelten, betrieben werden.

Hohe Energieeffizienz und Kostensenkung

Die Umrüstung der Reinigungsmaschine mit neuen modularen Funktionsbaugruppen für eine extern bereitgestellte Wärme- und Kälteversorgung führt zu einer deutlich höheren Energieeffizienz. Die besten Werte liefert die Wärmepumpe, die eine kombinierte Heiz- und Kühlleistung von 5,6 im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Leistung erreichte. Der Strombedarf für die Beheizung des Prozesswassers (Reinigen, Spülen) und zur Erwärmung der Strömungsluft zum Trocknen konnte halbiert werden, der für die Erwärmung des Frischwassers sogar um 80 % gesenkt werden. Durch eine Kreislaufführung der Abluft können zudem über 10.000 l Frischwasser jährlich gespart werden, da in der Reinigungsmaschine aufgrund einer neuartigen Kondensationseinheit zur hocheffizienten Rückkühlung der Prozessabluft die verfügbare Kälte der Wärmepumpe prozesskonform mit genutzt werden kann.

Bei einem Zwei-Schichtbetrieb mit fünf Produktionstagen pro Woche und 48 Produktionswochen im Jahr führt der Einsatz des entwickelten Thermo-Managementmoduls zu einer Kostenersparnis von rund 4.800,- Euro jährlich, der CO₂-Ausstoß sinkt um 12.600 kg pro Jahr.

„Der Einsatz von Wärmepumpen ist ein wichtiger Beitrag für die Dekarbonisierung von Industrieprozessen“, so Clemens Dankwerth. Denkbar sei die Anwendung in weiteren Prozessen, die in einem ähnlichen Temperaturbereich (50-70 °C) arbeiten, etwa Großspülmaschinen in Kantinen.

Das Projekt „ETA im Bestand“ startete im November 2020 mit einer geplanten Laufzeit von drei Jahren. Die Förderung erfolgt im Rahmen des siebten Energieforschungsprogramms der Bundesregierung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK, www.bmwk.de). Die Betreuung des Projekts erfolgt durch den Projektträger Jülich (PTJ, www.ptj.de).