Nicke, Eberhard

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FVEE-Session Wärmepumpe auf den Berliner Energietagen04. Mai 2023HOCHTEMPERATUR-WÄRMEPUMPEN –EINE TECHNOLOGIE FÜR DIE DEKARBONISIERUNG DER INDUSTRIELLEN PROZESSWÄRMEERZEUGUNGDr. Eberhard NickeDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)Institut für CO2-arme Industrieprozesse – Abteilung Hochtemperatur-WärmepumpenDLR.de  •  Folie 2DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse2Universitätsbibliothek CottbusInnenstadt ZittauSimulation und Virtuelles DesignKohlenstoffarme ReduktionsmittelH2NH3Hochtemperatur-Wärmepumpen3ZielMinderung von CO2- und Schadstoffemissionen aus industriellen Prozessen und  KraftwerkenMissionLösungen im Bereich der Energieforschung und der Energiewende für die Industrie anbietenDLR.de  •  Folie 4Prozesswärmebedarf der IndustrieBeispiel 2019:  1675 PJ,            bei einem Bruttostromverbrauch in D: 1800 PJ   4DLR.de  •  Folie 5Wärme hat viele GesichterDLR.de  •  Chart 515001000500100°Cca. 30%ca. 20%ca. 50%• Temperatur und Zuführung der Wärme sind sehr unterschiedlich• Häufig im Hochtemperaturbereich kombiniert mit stofflicher Nutzung• Abwärme ist sehr wichtig und nicht wirklich dokumentiert5HTWP – Neue Generation von Hochtemperatur-Wärmepumpen des DLRTemperaturbereiche und technologische Möglichkeiten1500500200100°CH2Wärmepumpen Solarthermie Geothermie Elektrische EnergieHTWPCST Biomass6DLR.de  •  Folie 7Mittlerer TemperaturbereichBreitgefächerte Anforderungen, Energiebedarfe und  Anwendungen:▪ Industrielle Wärmenetze (z. B. Standorte der chemischen Industrie)▪ Trocknungsprozesse▪ Lebensmittelindustrie▪ …➔ Nutzung von Strom oder E-Fuels▪ Nicht oder weniger effizient▪ Nicht das ökonomische Optimum Forschung und Entwicklung: ▪ Hochtemperatur-Wärmepumpen▪ konzentrierende Solarthermie▪ Speichertechnologien▪ Hybride Systeme / neue Art der Sektorenkopplung▪ Systemintegration und -Optimierungbis zu ~500 °C: neue Lösungen und Produkte müssen entwickelt werdenNiedriger TRLDemonstratoren im industriellen Umfeld notwendig, um das Risiko für den Fertiger und den Anwender zu minimieren7DLR.de  •  Folie 8Mittlerer und hoher TemperaturbereichThesen:▪ Grüner Wasserstoff wird der teuerste Energieträger der Energiewende▪ Biomasse ist nur begrenzt verfügbar, deren bevorzugte stoffliche Nutzung sorgfältig abgewogen werden mussMittlerer Temperaturbereich:▪ Die hier diskutierten und in der Entwicklung befindlichen Technologien werden helfen den Einsatz von Wasserstoff und Biomasse zu reduzierenkWh Strom / kWh WärmeHTHP-COP = 3     HTHP-COP = 2Nutzung von Wasserstoff und Biomasse8Pilot Cobra (Brayton-Prozess)  Mittlerer Temperaturbereich: Hochtemperatur-Wärmepumpen9Forschungsziel des DLR:▪ Wärmesenke: Temperaturen über > 300 °C (zukünftig bis zu 500 °C?)▪ Leistung: im MegawattbereichMittlerer Temperaturbereich: Hochtemperatur-WärmepumpenSource: dti.dk10DLR.de  •  Folie 11EntwicklungszieleIndustrierelevante Leistungsdaten▪ Leistung: 100 kW – n * 10 MW▪ Nutztemperatur: 200 °C; > 300 °C       (Sonderfälle bis 500 °C?)▪ Entwicklung des Systems und ▪ der HauptkomponentenVerdichter und Turbine▪ bekannte Komponenten z. B. aus der Luftfahrt als BasisEffizienz hängt ab von▪ Temperaturdifferenz▪ Temperatur der AbwärmeNatürliche Kältemittel (mit/ohne Phasenwechsel)▪ Luft, Argon, Wasser, CO2Mittlerer Temperaturbereich: Hochtemperatur-WärmepumpenProzessabwärme ca. 100 °CVerdichterTurbineProzesswärme > 200 °CEigene Darstellung, aufbauend auf TNO-Report Robert de Boer et al. 11DLR.de  •  Folie 12Hochtemperatur-Wärmepumpen0246810-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150COPQuellentemperatur TQ [°C]Druck = 17 bara (204,3 °C)Leistungszahl (COP) für DampfnetzeHerausforderungen▪ Verdichtung des „leichten“ Gases – Wasserdampf▪ Relativ geringe Druckverhältnisse pro Stufe bei hoher ÜberhitzungStand der Technik▪ mechanischen Dampfverdichtung (MVR):Δ𝑇 = 10𝐾−20𝐾▪ Produkte für sehr hohe MassenströmeForschung und Entwicklung▪ Verdichterstufen mit: Δ𝑇 ≥ 35 𝐾▪ Reduzierung der Stufenzahl▪ Wärmesenke bei Temperaturen über 250 °C02468101214-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120COPQuellentemperatur TQ [°C]Druck = 5 bara (152 °C)nach dem Rankine-Prozess12DLR.de  •  Folie 13Aufbau der Versuchsanlagen:13Strukturmechanik und RotordynamikMesstechnik CAD VerrohrungVersuchshalle / InfrastrukturAerodynamik / ThermodynamikAnlagensicherheit und -KonformitätSteuerung / RegelungIngenieursarbeitenEingesetzte Simulationstechnikenam Beispiel des Anfahrprozesses der Pilotanlage CoBraVerdichterpumpen▪ Instabile Verdichterströmung▪ Gegenmaßnahme: BypassventilEigenfrequenzen▪ Vibration der Welle oder Schaufeln▪ Gegenmaßnahme: Vermeidung der EFThermische Spannungen▪ Thermische Ausdehnung der Wärmeübertrager▪ Gegenmaßnahme: kontrolliertes Anfahren14Ermittlung und Beachtung der Betriebsgrenzen im AnfahrprozessVerdichterkennfeldmit AnfahrtrajektorieDLR.de  •  Folie 15Zusammenfassung▪ Die Lösung muss maximal auf die Produktion (Menge und Qualität) ausgerichtet sein▪ Beachtung alles Randbedingungen – einschließlich des Standortes▪ Die HTWP - eine Schlüsselkomponente für den CO2-neutralen Umbau der Industrie▪ Sie wird kein Massenprodukt▪ Kundenangepasste Lösungen zur Bedienung aller Bedarfe: Wärme, Strom, auch Kälte➔ Neue Art der SektorenkopplungForschung und Entwicklung▪ Neue Technologien (z. B.: HTWP, Speicher, CSP, CST)▪ Hybride Systeme▪ Pilotanlagen: Aufbau und Versuchsprogramm▪ Analyse der Industrieprozesse für passgenaue Konzepte zur deren Dekarbonisierung➔ Der nächste wichtige Schritt: Demonstrator unter industriellen RandbedingungenDekarbonisierung der Industrie erfordert einen Fokus auf die Prozesswärme15DLR.de  •  Folie 16Kontakt16Institut für CO2-arme IndustrieprozesseDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)Prof. Dr. Uwe RiedelInstitutsdirektorUwe.Riedel@dlr.de+49 355 355645 01Dipl.oec. Karin EichentopfAdministrative LeiterinKarin.Eichentopf@dlr.de+49 30 67055 320Walther-Pauer-Straße 503046 CottbusMandauhöfe, Haus 9Äußere Oybiner Straße 14/1602763 Zittau> DLR-DI > Riedel  •  Institut für CO2-arme Industrieprozesse > 21.03.2022DLR.de  •  Folie 17

HOCHTEMPERATUR-WÄRMEPUMPEN 

EINE TECHNOLOGIE FÜR DIE DEKARBONISIERUNG DER INDUSTRIELLEN PROZESSWÄRMEERZEUGUNG

https://elib.dlr.de/195005/1/BerlinerEnergietagHTWP20230504.pdf

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