TransCrit - Transkritische Hochtemperatur-Wärmepumpe zur Abwärmenutzung

Im Hinblick auf die Erreichung von Klimazielen und umweltgesetzlichen Maßnahmen gewinnt die energieeffiziente Bereitstellung von Wärme in Industrieprozessen immer mehr an Bedeutung. Der Einsatz von Hochtemperaur-Wärmepumpen stellt dabei eine Möglichkeit dar, Abwärmeströme in der Industrie zu nutzen, hinsichtlich des Temperaurniveaus aufzuwerten und wieder als Wärme in die Prozesskette zurückzuführen. Wird die dafür benötigte elektrische Energie aus erneuerbaren Energieträgern gewonnen, kann die Wärmebereitstellung CO2 frei erfolgen und somit auf fossile Energieträger verzichtet werden. Das erforderliche Nutztemperaturniveau für typische Anwendungen für Wärmepumpen in der Industrie liegt dabei im Bereich von 100 bis 200 °C. Dies umfasst vor allem Prozesse in der Papierindustrie (z.B. Bleichen, Trocknen) sowie der Lebensmittel- und chemischen Industrie (z.B. Pasteurisieren bzw. Destillieren). Der derzeitige Stand der Technik zeigt, dass mit kommerziell erhältlichen Hochtemperatur-Kompressionswärmepumpen, Nutztemperaturen von bis zu 150 °C bereitgestellt werden können. Dafür wird das synthetische Kältemittel R1336mzz(Z) verwendet und unterkritische einstufige Wärmepumpenprozesse angewendet. Im Bereich der natürlichen Kältemittel sind derzeit erhältliche Hochtemperatur-Kompressionswärmepumpen auf das Kältemittel CO2 (R744) und 120°C beschränkt. Aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften muss der CO2-Prozess überkritisch bei sehr hohem Druck (bis zu 150 bar) erfolgen. Derzeit fokussiert sich die Anwendung von überkritischen Wärmpumpenprozessen ausschließlich auf das Kältemittel CO2. Im vorliegenden Projekt soll der innovative Ansatz einer transkritischen Prozessführung mit einem natürlichen Kältemittel verschieden von CO2 (vorauss. R600) für die Anwendung in einer Hochtemperatur-Wärmepumpe untersucht werden. Durch die Anwendung des überkritischen Kreislaufs kann der Betriebsbereich von Hochtemperatur-Kompressionswärmepumpen auf Nutztemperaturen bis über 150 °C bei moderatem Hochdruck (ca. 50 bar für R600) erweitert werden. Die Betrachtung von natürlichen Kältemitteln trägt dabei, zukünftiger umweltrelevanter Gesetzgebung hinsichtlich Treibahuspotenzial von Kältemitteln Rechnung. Der Aufbau eines Funktionsmusters erfordert eine Weiterentwicklung der Kompressortechnologie für brennbare Kältemittel, Kompressoraustrittstemperaturen bis zu 170 °C und Drücke bis zu 50 bar, welche im Zuge dieses Projekts durchgeführt werden soll. Aufgrund des neuartigen Ansatzes können die theoretischen und experimentellen Ergebnisse zu einer stärkeren Verbreitung von Hochtemperatur-Wärmepumpen führen und die Grundlage für eine neue Klasse an transkritischen Wärmepumpen bilden.