Überblick zum DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse sowie einen detaillierten Einblick in die Abteilung für Hochtemperaturwärmepumpen. Inhaltlich geht es um die Prozessintegration der Hochtemperatur-Wärmepumpe und Abwärme als Quelle

Nicke, Eberhard

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BMWK - Fachtagung Klimaschutz durch Abwärmenutzung 19. Oktober 2023EFFIZIENTE INDUSTRIEPROZESSE DURCH ABWÄRMENUTZUNG MITTELS HOCHTEMPERATUR-WÄRMEPUMPENDr. 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 und Abwärme als Quelle▪ Zusammenfassung und Ausblick2Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 3Inhaltsverzeichnis▪ DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse▪ DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP)▪ Prozessintegration der HTWP und Abwärme als Quelle▪ Zusammenfassung und Ausblick3Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023DLR.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, 19.10.2023DLR.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, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 6„Thermometer“ der Prozesswärmeversorgung6Wärmepumpen• „Gehebelter“ Nutzen von Strom• Bessere Effizienz als direkte Stromnutzung (COP >> 1)Bezug zu WasserstoffGrüner Wasserstoff für die Bereiche,in denen es keine Alternative gibtEb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 7Inhaltsverzeichnis▪ DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse▪ DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP)▪ Prozessintegration der HTWP und Abwärme als Quelle▪ Zusammenfassung und Ausblick7Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023Hochtemperatur-Wärmepumpen8Wärme-quelleWärme-senkeElektrischeEnergie25 %Abwärmenutzung75 %Abwärme (Rest)25 %Prozesswärme100 %COP   =   4Stand der Technik9DLR leitet die deutsche AG für den IEA Annex 58 über HochtemperaturwärmepumpenWärmesenke:▪ Temperaturen bis 130 °C ( bis zu 160 °C)Leistung:▪ im weiten Bereich (Gebäude bis Fernwärmenetze)Wärmeträger (GWP?!)▪ Klassische▪ Natürliche▪ (S)CO2Kreisprozesse▪ Brayton▪ RankineVerdichtertechnologie▪ Alle Bauweisen und Funktionsprinzipien▪ Mehrstufige KonzepteEb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023Pilot Cobra (Brayton-Prozess)  Mittlerer Temperaturbereich:Hochtemperatur-Wärmepumpen des DLR10Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023Pilot Cobra (Brayton-Prozess)  11 Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 12DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe12Prozessabwärme 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, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 13DLR-Pilotanlage CoBra nach dem Brayton Prozess13> 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, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 14DLR-Pilotanlage ZiRa nach dem Rankine Prozess14> 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 2140 °C 200 °C260 kWth 860 kWthCOP 6,4 COP 3,5Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 15Inhaltsverzeichnis▪ DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse▪ DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP)▪ Prozessintegration der HTWP und Abwärme als Quelle▪ Zusammenfassung und Ausblick15Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023Einsatzrandbedingungen für HTWP16Bedarf vs. Abwärme bzw. Wärmequellen▪ Ein großer Teil der Industriewärme wird im Temperaturbereiche 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, 19.10.2023Einsatzrandbedingungen für HTWP17Source: 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, 19.10.2023Weitere Beispiele:Milchpulverherstellung, Kaffeeröstung, …18Source: 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, 19.10.2023Sparen 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)19Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 20Inhaltsverzeichnis▪ DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse▪ DLR-Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP)▪ Prozessintegration der HTWP und Abwärme als Quelle▪ Zusammenfassung und Ausblick20Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 21Zusammenfassung / 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 Prozesswärme21Eb. Nicke – Institut für CO2-arme Industrieprozesse, 19.10.2023DLR.de  •  Folie 22Kontakt22Institut 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, 19.10.2023

EFFIZIENTE INDUSTRIEPROZESSE DURCH ABWÄRMENUTZUNG MITTELS 

HOCHTEMPERATUR-WÄRMEPUMPEN

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