Vorstellung DLR Institut für CO2- arme Industrieprozesse und deren Aufgabengebiete: Hochtemperatur- Wärmepumpen und deren Prozessintegratio

Nicke, Eberhard

Institute of Transport Research:Publications

21. FORUM Wärmepumpe08. + 09. November 2023 in BerlinINDUSTRIEPROZESSE MITTELS HOCHTEMPERATUR-WÄRMEPUMPEN EFFIZIENT DEKARBONISIERENDr. Eberhard NickeDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)Institut für CO2-arme Industrieprozesse – Abteilung Hochtemperatur-WärmepumpenDLR.de  •  Folie 2Inhaltsverzeichnis DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP) Prozessintegration der HTWP Zusammenfassung und Ausblick2Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 3Inhaltsverzeichnis DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP) Prozessintegration der HTWP Zusammenfassung und Ausblick3Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 4DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse4Universitätsbibliothek CottbusInnenstadt ZittauSimulation und Virtuelles DesignKohlenstoffarme ReduktionsmittelH2NH3Hochtemperatur-WärmepumpenGegründet Mitte 2019Bereits über 50 MitarbeiterEb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 5Prozesswärmebedarf der IndustrieBeispiel 2019:     1675 PJ,    bei einem Bruttostromverbrauch in D: 1800 PJ   5100 – 500 °C40 %Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 6„Thermometer“ der Prozesswärmeversorgung6Bezug zu Wasserstoff: Grüner Wasserstoff für die Bereiche, in denen es keine Alternative gibtEb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.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 Biomasse8DLR.de  •  Folie 9Inhaltsverzeichnis DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP) Prozessintegration der HTWP Zusammenfassung und Ausblick9Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023Hochtemperatur-Wärmepumpen10Wärme-quelleWärme-senkeElektrischeEnergie25 %Abwärmenutzung75 %Abwärme (Rest)25 %Prozesswärme100 %COP   =   4Stand der Technik11Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023IEA Annex 58 about HTHP, Task 1: https://heatpumpingtechnologies.org/annex58/wp-content/uploads/sites/70/2023/09/annex-58-task-1-technologies-task-report.pdfStand der Technik12Wärmesenke: Temperaturen bis 130 °C ( bis zu 160 °C)Leistung: im weiten Bereich (Gebäude bis Fernwärmenetze)Wärmeträger (GWP?!) Klassische Natürliche (S)CO2Kreisprozesse Brayton Rankine …Verdichtertechnologie Alle Bauweisen und Funktionsprinzipien Mehrstufige KonzepteEb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023Pilot Cobra (Brayton-Prozess)  Mittlerer Temperaturbereich:Hochtemperatur-Wärmepumpen des DLR13Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023Pilot Cobra (Brayton-Prozess)  14 Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 15DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe15Prozessabwärme ca. 100 °CVerdichterTurbineProzesswärme > 200 °CZiel Bereitstellung von CO2-neutraler Hochtemperatur-Prozesswärme in für die Industrie relevanter GrößeEntwicklungsziel: Industrierelevante Leistungsdaten Leistung: 100 kW – n * 10 MW Nutztemperatur: 200 - 400 °C       (Sonderfälle bis 600 °C)Effizienz hängt ab von: Temperaturdifferenz Temperatur der AbwärmeNatürliche Kältemittel (mit/ohne Phasenwechsel): Luft, Argon, Wasser, CO2Eigene Darstellung, aufbauend auf TNO-Report Robert de Boer et al. > DLR-DI > Riedel  •  Institut für CO2-arme Industrieprozesse > 21.03.2022Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 16DLR-Pilotanlage CoBra nach dem Brayton Prozess16> DLR-DI > Riedel  •  Institut für CO2-arme Industrieprozesse > 21.03.2022Verdichter und Turbine• bekannte Komponenten aus der Luftfahrt„First of its kind“ – PilotanlageLeistungsdaten:• 280 °C• 300 kW• Arbeitsmedium LuftEinmalig auch: • Kälte bei - 40 °C• Kälteleistung 50 kWComputermodellDLR-Pilotanlage CoBraInbetriebnahme – erfolgt in diesen Tagen und WochenEb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 17DLR-Pilotanlage ZiRa nach dem Rankine Prozess17> DLR-DI > Riedel  •  Institut für CO2-arme Industrieprozesse > 21.03.2022Herausforderung• Neues Medium für uns• Wasser/-dampf„First of its kind“ – PilotanlageLeistungsdaten:Dreistufige Dampfverdichtung> DLR-DI > Riedel  •  Institut für CO2-arme Industrieprozesse > 21.03.2022Inbetriebnahme:Stage 1 in 2. HJ 2024Stage 2 in 1. HJ 2025ComputermodellDLR-Pilotanlage ZiRaStage 1 Stage 2Quelle 100 °C 120 °CSenke 140 °C 200 °CLeistung 260 kWth 860 kWthCOP 6,4 3,5Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 18Hochtemperatur-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 ÜberhitzungForschungs- und Entwicklungsziele Verdichterstufen mit: Δ𝑇 ≥ 35 𝐾 Reduzierung der Stufenzahl Wärmesenke bei Temperaturen über 250 °C Neue Schaltungskonzepte und Neue Komponenten Verdichter Wärmeübertrager Steuerung und Regelung02468101214-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120COPQuellentemperatur TQ [°C]Druck = 5 bara (152 °C)nach dem Rankine-Prozess18Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 19Inhaltsverzeichnis DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP) Prozessintegration der HTWP Zusammenfassung und Ausblick19Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023Einsatzrandbedingungen für HTWP20Bedarf vs. Abwärme bzw. Wärmequellen Ein großer Teil der Industriewärme wird im Temperaturbereich zwischen 100-300 °C benötigt Fossile Energieversorgung:Viele Standorte sind bereits optimiert und haben kaum Abwärme, oder nur Abwärme bei tiefer Temperatur Elektrifizierung wird der einzige, sinnvolle Weg zur Dekarbonisierung der meisten Standorte sein Man kann durch Solarthermie oder durch Wärmenetze Wärmequellen bereitstellen oder bestehende aufwerten (Temperatur oder Wärmeleistung) Mit Ausnahme der großen Chemieparks liegt die größte Zahl von Industrieeinheiten mit Wärmebedarf bis 200°C unter 5 MW WärmeleistungQuelle: Marina et al.; 2021Geschätzte Leistung der HTWP bis 200°C für vier IndustriebranchenEb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023Einsatzrandbedingungen für HTWP21Source: apren.pt, 2018  Dampf als Wärmeträger-Medium Kondensation bei Umgebungsdruck (< 100 °C) HTWP erzeugt Frischdampf unter Nutzung von Abwärme(z. B. feuchte Abluft aus Trocknungsprozessen)DampfnetzeBackstraßen Backtemperatur des Teiges bei 190°C Abluft an die Umgebung mit etwa 100°C Wärmequelle derzeit: Gasbrenner Elektrifizierung – effizient mit einer WP (COP ~ 2,5)Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023Weitere Beispiele:Milchpulverherstellung, Kaffeeröstung, …22Source: apren.pt, 2018 Detaillierte Analyse der Prozesse Energie- und Stoffströme Stationär aber auch transiente Prozesse (Anfahren, Abfahren, Lastwechsel) Pinchanalyse Möglichkeiten der Effizienzsteigerung   Wärmetauschernetzwerk optimieren (mit und ohne WP) Dekarbonisierungsstrategien Wärmeerzeugung elektrifizieren „Hebelwirkung“ der HTPW Technoökonomische Analyse Detaillierte Analyse der Elektrifizierten Prozesse Energie- und Stoffströme Stationär aber auch transiente Prozesse Umsetzungsplan / DemonstrationsprojekteDekarbonisierung / Elektrifizierung von Industrieprozessen Sicherung der Qualitätskriterien der Produktion HTWP hat eine zweite Schnittstelle zum Prozess – Einfangen der AbwärmeEb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023Sparen soll zuerst kommenOptimierte Wärmenutzung durch: Wärmerückgewinnung Abwärmenutzung mittels Wärmepumpen Wärmespeicherung Verwendung in der Infrastruktur oder im QuartierQuelle: I. C. Kemp: Pinch Analysis and Process Integration 2nd Ed. (Linnhof, 1979)23Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 24Inhaltsverzeichnis DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP) Prozessintegration der HTWP Zusammenfassung und Ausblick24Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 25Zusammenfassung / Outlook 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 Prozesswärme25Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023DLR.de  •  Folie 26Kontakt26Institut für CO2-arme IndustrieprozesseDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)Prof. Dr. Uwe RiedelInstitutsdirektorUwe.Riedel@dlr.de+49 355 355645 01Dr.-Ing. Eberhard NickeAbteilungsleiter HTWPEberhard.nicke@dlr.de+49 3583 58545 57Walther-Pauer-Straße 503046 CottbusMandauhöfe, Haus 9Äußere Oybiner Straße 14/1602763 Zittau> DLR-DI > Riedel  •  Institut für CO2-arme Industrieprozesse > 21.03.2022Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 21.11.2023

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EFFIZIENT DEKARBONISIEREN

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