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Die Forscher:innen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben die Auslegung und den Betrieb von Großwärmepumpen untersucht. Das Ziel ist es, die Systeme für die Nutzung in der Industrie und in Wärmenetzen zu vereinfachen und zu optimieren. So sind für die Bereitstellung von Prozesswärme durch die Wärmepumpen nicht nur maßgeschneiderte Komponenten und eine systemische Auslegung entscheidend, sondern auch geeignete Sicherheitskonzepte. Es reiche nicht, einzelne Komponenten aus der Kälte- oder Gebäudetechnik zu skalieren, betonen die Freiburger Forscher.innen. Das Zusammenspiel von Wärmequelle, Kältemittel, Wärmeübertrager, hydraulischer Einbindung, Regelung und wirtschaftlicher Betriebsstrategie müsse individuell betrachtet werden.
Teststand schafft bis zu 160 Grad Celsius
Für die Optimierung hat das Fraunhofer ISE extra einen Teststand für Wärmepumpen mit hoher Temperatur aufgebaut. Dieser ist für Temperaturen von bis zu 160 Grad Celsius geeignet. Solche Temperaturen sind notwendig, um Prozesswärme bereitstellen zu können. Der Teststand ist eine Brücke zwischen thermodynamischer Konzeptentwicklung, Komponentenprüfung und praxisnaher Systemauslegung. „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“, erklärt 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.“
Neue Kältemittel erproben
Auf dem Teststand werden unter anderem neue Kältemittel erprobt. So lag der Schwerpunkt im laufenden Projekt auf Untersuchungen von Wärmepumpen, die mit Butan als Kältemittel betrieben werden. Aufgrund der Brennbarkeit dieses Kältemittels haben die Forscher:innen auch Sicherheitsaspekte und Aufstellungsfragen betrachtet. Für Hersteller von Wärmepumpen und Entwickler von Wärmeübertragern liefern die Messdaten zudem eine belastbare Grundlage, um Komponenten gezielter auf hohe Temperaturen, große Leistungen und wechselnde Betriebspunkte auszulegen.
Doch es geht bei der Optimierung von großen Wärmepumpen nicht nur um industrielle Prozesse, sondern auch um die Dekarbonisierung von Wärmenetzen mittels Umstellung der Fernwärmezentralen auf strombasierte Anlagen. Dies sind im Wesentlichen auf Großwärmepumpen basierende Versorgungssysteme. Dazu erfassen die Wissenschaftler:innen schon seit 2023 umfangreiche Betriebsdaten aus dem realen Betrieb von fünf Großwärmepumpen.
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Großwärmepumpen funktionieren am Wärmenetz
Auf Basis dieser Daten können sie die Auslegung, die hydraulische Einbindung und die Betriebsführung der Wärmepumpen für die Anforderungen von Fernwärmenetzen optimieren. „Das Monitoring der fünf Anlagen zeigt, dass Großwärmepumpen im praktischen Betrieb gut funktionieren und die vorgesehenen Betriebspunkte erreichen können“, erklärt Axel Oliva, Projektleiter Reallabor GroßWP am Fraunhofer ISE. „Entscheidend für Effizienz und Verfügbarkeit sind 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“, sagt Axel Oliva.
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Thermische Leistung stabilisieren
So geht die thermische Leistung von Anlagen mit Fließgewässern als Wärmequelle bei niedrigen Wassertemperaturen unter rund sechs Grad Celsius und im Teillastbetrieb zurück. Außerdem haben die Forscher:innen Erkenntnisse aus den bisherigen Betriebsstrategien gewonnen, die als Grundlage für eine Optimierung dienen. So hat sich die Auslegung der Anlagen geändert. 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 entsprechend zu optimieren.
Wärmepumpenbetrieb optimieren
Im nächsten Schritt wollen die Freiburger Wissenschaftler:innen auf Basis der jetzigen Erkenntnisse Methoden zur Modellbildung entwickeln und praxisnahe Ableitungen für eine wirtschaftlich optimale Fahrweise treffen. Zudem will das Fraunhofer ISE seine Sicherheitsteststände weiterentwickeln, um Sicherheitskonzepte für Kältemittel, die in Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen verwendet werden, ableiten zu können.
