Thermodynamic analysis of an industrial process integration of a reversed Brayton high-temperature heat pump: A case study of an industrial food process

Industry, as a major emitter of CO2 in the process heat sector in Europe, needs to switch from fossil fuels to renewable energy for heat supply. High temperature heat pumps (HTHP) can electrify process heat and integrate renewable electricity into industrial processes. The Institute of Low-Carbon Industrial Processes of the German Aerospace Center (DLR) is developing HTHPs based on the reversed Brayton and Rankine cycles for delivery temperatures above 150°C and is investigating the industrial process integration of this novel technology. The current study considers different integration strategies of a reversed Brayton HTHP in a food production process with a heat sink at 250 °C. A thermodynamic analysis evaluates the results. This study allows conclusions to be drawn about the process integration of Brayton HTHPs in industrial food processes or other industrial processes with heat sinks around 250 °C

Investigation on Process Architectures for High-Temperature Heat Pumps Based on a Reversed Brayton Cycle

Heat pumps are a core technology for the decarbonization of industrial process heat. High-temperature heat pumps (HTHP) typically upgrade waste heat of industrial processes. This way they can simultaneously electrify process heat and reduce the respective primary energy consumption. The utilization of renewable electricity to drive HTHP additionally results in decarbonization of process heat supply. Commercial industrial heat pumps supply process heat at temperatures up to approximately 150°C. However, several studies have shown that process heat can be also supplied with HTHP at temperatures above 150°C. The economic and environmental performance of HTHPs depend strongly on their process architecture and their integration into the industrial process they supply with heat. This paper focuses on the investigation of high-temperature heat pump process architectures based on the reversed Brayton cycle with air as the working medium. The process architecture of the HTHP pilot plant at the Institute of Low-Carbon Industrial Processes of the German Aerospace Center (DLR) is presented and used as a reference. The current work investigates the heat source and heat sink integration in the heat pump cycle architecture and methods to effectively break down the compression and expansion processes to optimize performance for a heat sink temperature of 250°C. To analyze and compare the results, fixed boundary conditions valid for all architectures are made

Entwicklung und Aufbau einer Hochtemperaturwärmepumpe zur Bereitstellung von industrieller Prozesswärme und -kälte

Die Vermeidung der Emission klimaschädlicher Gase stellt eine gesamtgesellschaftliche Aufgabe dar. Wäh-rend die Erzeugung elektrischer Energie die entsprechende öffentliche Diskussion dominiert, haben sowohl die Stoffumwandlung als auch die Prozesswärme in der Industrie einen hohen Anteil an den Gesamtemissi-onen. Etwa ein Viertel der Emissionen geht auf diesen Sektor zurück. Um die Industrie bei dem Erreichen ihrer Dekarbonisierungsziele zu unterstützen, wurde im Jahr 2019 das Institut für CO2-arme Industrieprozesse des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt mit den Standor-ten Cottbus und Zittau gegründet. Ein Schwerpunkt des Institutes ist die Entwicklung von Hochtemperaturwärmepumpen mit Wärmesenken-temperaturen deutlich oberhalb von 150°C, welche bei der Verwendung von regenerativ erzeugtem Strom die klimaneutrale Wärmebereitstellung ermöglichen. Darüber hinaus spielen diese Systeme eine zentrale Rolle bei der Primärenergieeinsparung in der Industrie, besonders durch die Aufwertung von Abwärme. Im Hinblick auf eine zunehmende Besteuerung der CO2-Emissionen bei gleichzeitig steigendem Anteil der erneuerbaren Energien an der Elektroenergieerzeugung werden Hochtemperaturwärmepumpen zukünftig auch ökonomisch gegenüber fossilen Feuerungsanlagen an Bedeutung gewinnen. In diesem Beitrag wird ein erster Versuchskreislauf auf Basis des linksläufigen Brayton-Prozesses mit inter-ner Wärmerückgewinnung vorgestellt, wobei als Arbeitsmedium Luft eingesetzt wird. Der Versuchskreislauf erlaubt eine gleichzeitige Bereitstellung sowohl von Wärme bis zu 350°C als auch von Kälte bis -80°C. Charakteristisch für den Brayton-Prozess ist der Temperaturgleit an Wärmequelle und -senke. Als eine mögliche Anwendung wird die Gasverflüssigung bei gleichzeitiger Erzeugung von Prozessdampf diskutiert. Insbesondere für Luftzerlegungsanlagen in Chemieparks ergeben sich dabei mögliche Anwendun-gen. In dieser Veröffentlichung wird der Ersatz der Vorkühlung des Stickstoffverflüssigers bei gleichzeitiger Wärmebereitstellung untersucht. Es sind exergetische Wirkungsgrad von ca. 66% beziehungsweise ein COP von 2,35 zu erwarten

Entwicklung einer Rankine-basierten Hochtemperatur- Wärmepumpe für die industrielle Nutzung

Der Beitrag beinhaltet eine Analyse hinsichtlich des Temperatur- und Wärmebedarfs der Wirtschaftszweige in der Prozesswärme. Der Schwerpunkt des Beitrages ist die Vorstellung des Konzeptes der Hochtemperatur-Wärmepumpe mit der Anlage "Pilot-ZiRa", welche auf dem Rankine-Prozess basiert und im DLR-DI (Standort Zittau) für industrielle Nutzung entwickelt wurde

Thermodynamic analysis of an industrial process integration of a reversed Brayton high-temperature heat pump: A case study of an industrial food process

Industry, as a major emitter of CO2 in the process heat sector in Europe, needs to switch from fossil fuels to renewable energy for heat supply. High temperature heat pumps (HTHP) can electrify process heat and integrate renewable electricity into industrial processes. The Institute of Low-Carbon Industrial Processes of the German Aerospace Center (DLR) is developing HTHPs based on the reversed Brayton and Rankine cycles for delivery temperatures above 150°C and is investigating the industrial process integration of this novel technology. The current study considers different integration strategies of a reversed Brayton HTHP in a food production process with a heat sink at 250 °C. A thermodynamic analysis evaluates the results. This study allows conclusions to be drawn about the process integration of Brayton HTHPs in industrial food processes or other industrial processes with heat sinks around 250 °C

Development and Simulation of a High-Temperature Heat Pump based on the Reverse Brayton Cycle

Es wurde eine 10 minütige Präsentation veröffentlicht, auf dem die Forschungsaktivitäten des 2019 gegründeten DLR-Instituts DI gezeigt wurden mit einem besonderen Fokus auf der Entwicklung der Hochtemperaturwärmepumpe -Pilot CoBra- und von Design- und Simulationstool

A contribution to model-based planning and operation of cross-sectoral energy storage systems with focus on power and heat supply in Microgrids

Zur Einhaltung der Dekarbonisierungsziele und Bewältigung der Herausforderungen bei der ganzheitlichen Transformation des Energiesystems im Kontext der politisch geforderten Energiewende, ist zunehmend der Begriff Sektorenkopplung zu verzeichnen. Eine wesentliche Rolle nimmt dabei die auf den Begriff Power-to-X (P2X) zusammengefasste Elektrifizierung der Sektoren Gas, Wärme, Kälte und Mobilität ein. P2X-Energiewandler und die damit einhergehende Nutzung Erneuerbarer Energien (EE), z.B. aus Photovoltaik (PV) und Wind, sind aufgrund der volatilen Stromerzeugung der EE-Anlagen als dargebotsabhängige Energiewandlung zu verstehen. Aus diesem Grund werden P2X-Energiewandler mit sektoralen Energiespeichern und flexiblen bedarfsgerechten Energiewandlern hin zu sektorenübergreifenden Energiespeichern aggregiert. Diese sind nicht nur in der Lage den Herausforderungen eines zunehmend aus EE bestehenden Energieversorgungssystems (EVS) entgegenzuwirken, sondern einen Beitrag zur sektorenübergreifenden Energiebedarfsdeckung und Dekarbonisierung zu leisten. In diesem Zusammenhang ist in den vergangenen Jahren auf dem Campus der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) eine Forschungs- und Demonstrationsanlage entstanden, welche sektorale und sektorenübergreifende Energiespeicher topologisch lokal aggregiert und hinsichtlich der Netzbetriebsführung verknüpft. Dieser dezentrale Anlagenverbund bietet eine herausragende Möglichkeit, einen sektorenübergreifenden Betrieb der dezentralen EVS auf lokaler Ebene zu untersuchen. Als Forschungsgegenstand und Teilsystem der Forschungs- und Demonstrationsanlage gilt im Folgenden der sektorenübergreifende Energiespeicher bestehend aus den Technologien der Kraft-Wärme-Kopplung, Power-to-Heat und einem thermischen Energiespeicher. Dieser Anlagenverbund wird innerhalb der Systemgrenzen eines Microgrid unter größtmöglicher Nutzung erneuerbarer Energien am Beispiel der PV untersucht. Ein Simulationsmodell erweitert diesen Forschungsgegenstand und zielt auf modellgestützte Untersuchungen zur Planung und zum Betrieb des sektorenübergreifenden Energiespeichers, insbesondere zur stromnetzdienlichen Systemintegration. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Folgenden dargestellt und gelten als Beitrag zur Systemintegration von sektorenübergreifenden Energiespeichern in die lokale dezentrale Energieversorgung.To comply with the decarbonisation objectives and to tackle the challenges of the holistic transformation of the energy system in the context of the politically demanded energy transition, is increasingly being used the term sector coupling. The electrification of the gas, heat, cooling and mobility sectors, which is based on the term Power-to-X (P2X), plays a key role here. P2X energy converters and the associated use of renewable energies (EE), e.g. from photovoltaic (PV) and wind, are as a supply-dependent energy conversion to understand in to the volatile power generation of renewable energy plants. For this reason P2X energy converters with sectoral energy storage systems and flexible demand-oriented energy converters are aggregated into cross-sectoral energy storage systems. These are not only able to contract the challenges of an increasing renewable energy supply system (EVS), but also to make a contribute to cross-sectoral energy coverage and decarbonisation. In this context, a research and demonstration facility was built in recent years on the campus of the Brandenburg Technical University Cottbus-Senftenberg (BTU), which aggregates sectoral and cross-sectoral energy storage topologically local and links it regard in to grid operation management. This decentralized network of facilities provides an excellent opportunity to investigate cross-sectoral operation of decentralized EVS in a local level. In the following the research subject and subsystem of the research and demonstration plant is named the cross-sector energy storage consisting of the technologies of combined heat and power, power-to-heat and a thermal energy storage. This system composite is investigated within the system limits of a microgrid with the greatest possibility use of renewable energies using e.g. PV. A simulation model extends this research thesis and aims at a model-based investigations for the planning and operation of the cross-sector energy storage, in particular for grid-compliened system integration. The results of the investigations are presented below and are considered to contribute to the system integration of cross-sectoral energy storage into the local distributed energy supply system

Numerical study of the part load operation for a reverse Brayton high-temperature heat pump

Electrification of industrial process heat from renewable sources can contribute to the reduction of energy-related CO2 emissions. High-temperature heat pumps are one of the most important technologies to realize this electrification while reducing the electrical energy required for it. The Institute of Low-Carbon Industrial Processes of the German Aerospace Center (DLR) is developing high-temperature heat pumps (HTHP) based on reverse Brayton and Rankine cycles for heat transfer temperatures above 150 °C. The development and integration process of HTHPs for industrial processes often starts with their sizing at nominal operating conditions. Once the operational boundary conditions are defined, the individual components are sized. A large proportion of industrial heat pumps operate at a fixed point and are not optimized or designed for frequent part-load operation. This is expected to change, especially when heat pumps are required for industrial processes with part load operation. The current work presents an analysis of the part load operation of a reverse Brayton HTHP built in the laboratory of DLR and investigates its operational limits

Thermodynamic analysis of an industrial process integration of a reversed Brayton high-temperature heat pump: A case study of an industrial food process

Industry, as a major emitter of CO2 in the process heat sector in Europe, needs to switch from fossil fuels to renewable energy for heat supply. High temperature heat pumps (HTHP) can electrify process heat and integrate renewable electricity into industrial processes. The Institute of Low-Carbon Industrial Processes of the German Aerospace Center (DLR) is developing HTHPs based on the reversed Brayton and Rankine cycles for delivery temperatures above 150°C and is investigating the industrial process integration of this novel technology. The current study considers different integration strategies of a reversed Brayton HTHP in a food production process with a heat sink at 250 °C. A thermodynamic analysis evaluates the results. This study allows conclusions to be drawn about the process integration of Brayton HTHPs in industrial food processes or other industrial processes with heat sinks around 250 °C

Entwicklung und Aufbau von Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Integration regenerativer Energieträger in industrielle Prozesse und thermische Speicherkraftwerke

Zur Erreichung eines nachhaltigen und klimaneutralen Energiesystems geraten zunehmend energieintensive Industrien, thermische Speicherkraftwerke sowie die Transformation von thermischen Kraftwerken in den Fokus. Aus diesem Grund richtet das Institut für CO2-arme Industrieprozesse des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt an den Standorten Cottbus und Zittau seine Forschungsschwerpunkte auf die Minderung energie- und prozessbedingter CO2-Emissionen aus industriellen Prozessen und Kraftwerken aus. Mit der Forschung auf dem Gebiet leistet das DLR einen Beitrag zur Umsetzung der Wärmewende in der Industrie. Ein Lösungsansatz zur Minderung energiebedingter CO2-Emissionen ist die Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmepumpen mit Wärmesenkentemperaturen deutlich oberhalb von 150 °C. Diese sind in der Lage, durch Verwendungregenerativer Energien wie Strom und Solarthermie sowie die Einbindung von Abwärme (oder Wärme aus der Umwelt), effizient Prozesswärme auf einem hohen, vom Industrieprozess geforderten, Temperaturniveau bereitzustellen. Hochtemperatur-Wärmepumpen können somit direkt in industrielle Prozesse oder als Schlüsselkomponente in thermischen Speicherkraftwerken zur Effizienzsteigerung und der weitestgehenden Vermeidung von CO2-Emissionen integriert werden. In diesem Beitrag wird die Entwicklung einer Versuchsanlage auf Basis des linksläufigen Brayton-Kreisprozesses vorgestellt. Am Beispiel der Vorauslegung und mithilfe einer ausgewählten Simulationsumgebung wird der Versuchskreislauf stationär und exergetisch betrachtet. Im Kontext der weiteren Entwicklung hin zur vollständigen Versuchsanlage wird die Simulation auf transiente Effekte erweitert. Ziel ist es, auf der Grundlage dieser Untersuchungen Problemstellungen in der Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmepumpen zu analysieren und Lösungsansätze aufzuzeigen, um den Aufbau und den Betrieb zukünftiger Anlagen optimal zu gestalten. Soweit möglich, werden diese Ergebnisse beim Aufbau der Versuchsanlage und bei deren Instrumentierung berücksichtigt, um nachfolgend diese Ergebnisse in geeigneten Experimenten zu validieren. Diese Entwicklung und der Aufbau der Versuchsanlage zielt auf eine hohe Flexibilität der möglichen Versuchsbedingungen. Ziel ist es so, die optimale Wärmepumpen-Schaltung und Leistungsparameter mit maximaler Gesamteffizienz bei der Integration von zukünftigen Hochtemperatur-Wärmepumpen in industrielle Prozesse oder thermische Speicherkraftwerke sicherzustellen unter Beachtung der für den Anwendungsfall gegebenen spezifischen Randbedingunge