Hochtemperatur-Wärmepumpen – Schlüsselbaustein für die Wärmewende der Industrie, Uwe Riedel, DLR

Karlsruher Wärmepumpensymposium 2024
Mit großzügiger finanzieller Unterstützung namhafter Unternehmen ist es der Hochschule Karlsruhe gelungen, die deutschlandweit erste Stiftungsprofessur für Wärmepumpentechnologie einzurichten. Aus diesem freudigen Anlass laden wir zum Symposium am 20. Juni 2024 ein

ja vielen Dank vielen Dank an Sie Herr kaufeld und das ganze Organisationsteam für die Einladung jetzt gleich gemeinsam mal das Temperatur den Temperaturbereich zu wechseln und über die wärmewende in der Industrie zu reden und natürlich an sie Frau Bongs herzlichen Glückwunsch zu der wichtigen Professur Wärmepumpen finde ich auch seit 3 Jahren spannend hat mich auch dazu gebracht aus einem Dorf in Baden an der Nordgrenze nach gototbus umzuziehen wo wir unsere Wärmepumpen entwickeln ähm ich habe den Vortrag in zwei Teile geteilt es ist vielleicht nicht ganz naheliegend warum macht das deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt auch Wärmepumpen wir sind vielleicht bisher gar nicht dafür bekannt das ist der erste ganz kurze Teil im Vortrag und dann geht’s im Hauptteil darum welche Industrien kann man mit welchem temperaturintervall dekarbonisieren und wie kann man diese Temperaturen erzeugen wir als deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt klar wir haben die Luftfahrt und die Raumfahrt im Namen wir machen aber auch schon länger als 40 Jahre Energieforschung und mein Institut gliedert sich ein in den Energiebereich wir sind das Institut für co2arme Industrieprozesse wir werden demnächst 5 Jahre alt und unser globalziel das große Ziel die Mission ist das Lösung im Bereich der Energieforschung für die Industrie anzu bieten zu entwickeln und das Ziel all unseres Tuns ist die Minderung von CO2 und hoffentlich auch der Schadstoffemissionen bei industriellen Prozessen das Institut hat zwei Standorte kotbus in Brandenburg und Zittau in Sachsen und was wir an welchem Standort tun das werden sie gleich erfahren jetzt kann man sich erstmal die Frage stellen braucht es ein ganzes Institut zur dekarbonisierung der Industrie meine Antwort nicht überraschend ja da gibt’s viel zu tun denn eines der Hauptprobleme bezüglich CO2 der Industrie ist der Wärmebedarf und die damit verbundenen hohen CO2 Emissionen und hier sehen Sie was unser Ausgangspunkt ist jetzt diesmal im Bereich Industrie der Gesamtenergiebedarf in der Industrie insgesamt besteht zu 70% aus Wärmebedarf und in der Grafik rechts unten sehen Sie jetzt aus was für einem Energieträger machen wir eigentlich diese Wärme und dann sehen Sie die Ausgangssituation ist schlecht wir nutzen noch 85% fossile Energieträger um Prozesswärme in der Industrie zu machen auf diese 85% kommt man indem man einfach mal die Grafik hier nimmt und sagt okay da sind 6% erneuerbare Energien im Spiel und dann kann man mitm dicken Daumen noch sagen in den 15% wo Elektrizität benutzt wird davon sind die Hälfte grüne Elektronen dann kommt man so auf ungefähr 7 + 6 und mitm dicken Daumen macht es dann 15% heißt für uns an 85% der Prozesswärme müssen wir noch arbeiten die müssen wir noch dekarbonisieren versprochen das ist die komplizierteste Grafik im Vortrag danach wird’s wieder [Musik] einfacher was die Grafik zeigt ist die Zeilen sind verschiedene Industriebranchen und die Farbcodierung sagt wie groß ist der Prozentsatz am Bedarf der in einem bestimmten temperaturintervall liegt machen wir mal ein Beispiel Verlags und Druckgewerbe da sehen sie einen kleinen grünen Balken das heißt ungefähr 10% das Wärmebedarfs liegen bei Temperaturen kleiner 100° Celsius und die ander 90% blauerbalken liegen im Bereich 100 bis 500 und wenn man jetzt so diese Grafik auswertet all die blauen Anteile addiert sieht man dass für diese Industrien 40% des Wärmebedarfs im temperaturintervall zwischen 100 und 500° Celsus liegen jetzt kann man sich die Frage stellen was ist die effizienteste Art Wärme bereitzustellen unsere Antwort ist wir machen eine hochtemperaturwärmepumpe Hochtemperatur ist jetzt für uns alle ein relativer Begriff deshalb lassen sie mich es genauer machen unser Zielbereich aktuell ist 150° bis 300° csus als abgabetemperatur und jetzt schließt sich so ein bisschen der Kreis deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt wir nehmen für Verdichter und Turbine bekannte Komponenten aus der Raumfahrt und haben damit die zwei wesentlichen Komponenten der Wärmepumpe schon mal zusammen was der Leistungsbereich angeht interessieren wir uns für 100 kowatt bis ungefähr zweistellige Megawatt Größe und ziel der Entwicklung ist nutztemperatur zwischen 150 und 4 300 bis 400° später dann zu erzeugen wenn man so eine hohe Temperaturdifferenz überwinden muss denn Abwärme in der Industrie hat typischerweise ungenutzte Abwärme in der Industrie hat bisher typischer Weise 80 bis 90° und wenn ich 80 bis 90° auf 300 schaufeln muss dann ist klar dass aus der hohen Temperatur Differenz das nicht so effizient sein kann wie die häuslesbauerwärmepumpe die ein effizienzfaktor von 3 4 5 hat inzwischen also unsere Cops werden kleiner ausfallen weil wir die höhere Temperaturdifferenz haben ein anderes Thema sind natürlich die Kälte die Arbeitsmedien an der Stelle haben wir es relativ einfach weil bei der hohen bei den hohen Temperaturen die wir erreichen wollen gehen all die synthetischen Kohlenwasserstoffe nicht mehr die würden anfangen sich zu zersetzen dashalb ist unser Arbeitsmedium für alle Anlagen die wir jetzt oder für die Anlage die wir in cotbus aufbauen da ist es Luft und in Zittau am zweiten Standort beschäftigen wir uns mit wasserdampfverdichtung wie haben wir das gemacht da gibt’s ganz ganz viele Details fangen wir ein nehmen wir heute für den Vortrag einfach mal den Kompressor raus wir haben versucht das technische Risiko erstmal zu minimieren und haben uns auf zwei Radialverdichter zurückgezogen einen gibt’s kommerziell einer ist von uns leicht modifiziert das ist für uns die erste Entwicklung der erste Kompressor um möglichst schnell arbeitsfähig zu werden Druckverhältnis ist 4,5 und das sind zwei zwei Radialverdichter hintereinander was kam aus diesem Ansatz insgesamt raus m Nebenbemerkung ist immer vorsichtig sein wenn man mit den Medien redet wir wurden gleich mal die Schlangenbeschwörer genannt der Begriff ist jetzt gar nicht gar nicht so falsch unser Maskottchen ist auf der rechten Hälfte der Folie und wir haben unsere Anlage natürlich auch Cobra genannt und Cobra steht für cotbus weil sie in cotbus steht und das bra kommt vom brayon cycle der Thermodynamik und im Hintergrund sehen Sie schon die Anlage wir haben vor drei Jahren angefangen sie zu konzipieren wenn man Dinge zum ersten Mal macht dauert’s vielleicht auch manchmal länger als geplant wir müssten durch die Lieferschwierigkeiten in coronazeiten durch aber hier ist sozusagen die erste Grafik und das ist der erste öffentliche Vortrag indem wir die auch zeigen vor zwei Wochen haben wir mit der Anlage 220° gemacht das ist noch nicht unser Endziel aber das war auch noch nicht unsere Maximaldrehzahl also in cotbus mit Luft als Arbeitsmedium sind wir relativ weit gekommen in Zittau die Entwicklung läuft ein bisschen hinterher zeitlich gesehen weil als neues Institut man kann nicht alles gleichzeitig machen in Zittau ist die wasserdampfverdichtung oder Arbeitsmedium Wasserdampf für uns wichtig und mit einem dreistufigen Konzept wollen wir in der ersten Ausbaustufe 140° erreichen und in der zweiten Ausbaustufe dann 200° mit den entsprechenden Leistungszahlen die hier angegeben sind dann isttig wir sehen die Wärmepumpe nicht für sich isoliert wir entwickeln die und machen uns aber gleichzeitig auch Gedanken wie passt sie denn ins neue Energiesystem rein wie kann man sie kombinieren mit fluktuierendem energieinput aus Sonne und Wind und auch dafür haben wir eine ganze Abteilung die prozesssimulation und Optimierung betreibt um verschiedene umbauszenarien und rauszufinden für welche Industrieprozesse kann die hochtemperaturwärme pass genau sein Beispiele was wir gerade tun das ist unser ja komplexestes EU-Projekt was wir angefangen haben sie kennen bestimmt die Firma balson laorenz die machen die Chips und diese Nüsse mit der Kruste außenrum und die Nüsse für ganz Deutschland kommen aus dem Werk in Nordsachsen und genau dort haben wir jetzt einen Partner gefunden wo unsere Wärmepumpe mit Luft als Arbeitsmedium jetzt im Rahmen eines industrieprojekts in die Demonstration geht gleiches wird passieren in der griechischen Firma für die papiertrocknung und auch bei einer Firma bei der es um Vulkanisierung geht in Italien sie sehen im Zentrum da ist unsere Wärmepumpe wir haben aber auch gleichzeitig angefangen wie gut ist sie den noch kombinierbar mit Photovoltaik und Solarthermie auch das wird in diesem Projekt gleich mituntersucht welche Vorteile im Wirkungsgrad in der Effizienz hat man durch die Kombination in ein anderen Projekt arbeiten wir mit ein chen papierfirma zusammen da wird’s dann gehen um die dampfkompression das betrifft die Sachen die wir im Zittauer Instituts Teil machen werden auch da haben wir schon Industriepartner gefunden auch wieder im Rahmen eines euprjekt und dann mal eine ein Beispiel noch weg vom Kernthema Wärme es ist auch eine Wärmeanwendung aber jetzt haben wir uns auch auch Fälle gesucht wo kann unsere Wärmepumpe in bestehende Industrieprozesse wo es nicht primär um Wärmeerzeugung geht wie kann sie dort die Effizienz steigern und wie kann sie dort zur dekarbonisierung beitragen und was in dem Beispiel ist ein bisschen Komplex ich kann sie auch jetzt in der Zeit nicht durchführen aber im Kern geht es drum wenn man CCS betreiben will also Kohlenstoff einfangen und speichern dann ist eine der möglichen Techniken das mit einer Lösung zu machen von monoethanolamin und die Regeneration dieses monoethanolamins nachdem es erstmal sich das CO2 geschnappt hat muss das CO2 wieder vom methanolamin Weg und dieser Prozess kostet recht viel Energie das ist der energieintensivste Schritt bei der Art CCS zu betreiben und es kommt bestimmt ist nicht überraschend für Sie natürlich haben wir uns angeguckt wie unsere Wärmepumpe dort reinpasst das sieht alles ganz gut aus wir haben aus einer ersten Analyse würden wir behaupten dass man 10% der Energie sparen kann so umgestellter Prozess im Vergleich zum alten Prozess 10% besser das ist die erste Hochrechnung wir bleiben dran an dem Beispiel und und ich habe es hier mit reingenommen weil es eben keine klassische wärmeerzeugungsanwendung ist und in der Zusammenfassung ähm industrielle Prozesswärme bis 300° ist ein Drittel des gesamten Wärmebedarfs der Industrie und wenn der Strom zunehmend grün wird können wir diese Wärme zukünftig fossilfrei und sehr effizient mit Wärmepumpen realisieren wahrscheinlich mit einem Cop um die Z rum das hängt vom Anwendungsfall ab aktuell haben wir uns Wärmeanwendung bis 300° Celsus als Beispiel genommen und natürlich machen wir die Technologieentwicklung so dass es das ein schneller Transfer in die in die Praxis möglich ist haben Sie auch schon gesehen an dem Beispiel mit den drei Firmen was ich mit dabei hatte und ein weiterer Gedanke ganz zum Schluss meine Mitarbeiter sagen mir ich soll mal den Begriff patentieren lassen die wasserstoffeinsparmaschine was ist das Argument dahinter warum ich so ausdrücklich hier aufzähle wenn wir in der Lage sind Prozesswärme 150 bis 300° über Elektrifizierung zu machen sparen wir Grünen Wasserstoff der auf lange Zeit knapp und teuer sein wird für die Branchen die die Elektrifizierung nicht als Option haben ja und damit stehe ich für Ihre Fragen zur Verfügung und for those of you not familiar with German I have a similar slide Deck in in English so let me know if you wann wann it bei bei E-Mail