Mit flexiblen Wärmepumpen die Industrie elektrifizieren

Egal, ob f¨¹r die Produktion von Lebensmitteln und Getr?nken, die Herstellung von Medikamenten, Metallen und Papier oder f¨¹r die Veredelung von Oberfl?chen und Textilien: die Industrie braucht Prozessw?rme. Einen grossen Teil davon erzeugen Unternehmen weiterhin, indem sie fossile Brennstoffe verbrennen. Damit ist die Erzeugung von Prozessw?rme f¨¹r einen grossen Teil der weltweiten Treibhausgasemissionen der Industrie verantwortlich. In der Schweiz macht dieser Bereich rund 8 Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen aus.

Prozessw?rme bis 200 Grad Celsius k?nnte die Industrie bereits heute umweltschonend mit industriellen W?rmepumpen erzeugen, die Strom aus erneuerbaren Energiequellen nutzen. Trotz dieses Potenzials sind W?rmepumpen in der Industrie aber noch eine Seltenheit. Der Grund daf¨¹r ist, dass bestehende Modelle meist teure Sonderanfertigungen sind, die speziell f¨¹r eine bestimmte industrielle Anwendung und Temperatur entwickelt wurden.

Forschende der ETH Z¨¹rich und der OST ¨C Ostschweizer Fachhochschule in Buchs haben nun einen Weg gefunden, wie W?rmepumpen flexibel und g¨¹nstig W?rme mit unterschiedlichen Temperaturen bis 200 Grad erzeugen k?nnen. Da dies eher den Bed¨¹rfnissen der Industrie entspricht als die am Markt verf¨¹gbaren L?sungen, haben bereits zahlreiche Schweizer und internationale Unternehmen ihr Interesse an der Technologie bekundet.

W?rme aus der Umwelt nutzen

W?rmepumpen nutzen die in Abw?rme, der Umgebungsluft, dem Grundwasser oder dem Erdreich gespeicherte Energie. Sie erzeugen Heiz- oder Prozessw?rme, indem sie in einem geschlossenen Kreislauf ein K?ltemittel verdampfen lassen und das Gas mit einem Kompressor verdichten. Dadurch steigt die Temperatur des Gases, und die so gewonnene W?rme kann zum Heizen oder f¨¹r industrielle Prozesse genutzt werden.

Bei herk?mmlichen W?rmepumpen h?ngt es vor allem vom K?ltemittel ab, welche Temperatur und welcher Temperaturverlauf m?glich ist. Alle Komponenten der W?rmepumpe ¨C Verdampfer, Kompressor, Verfl¨¹ssiger und Drossel ¨C sind auf dieses K?ltemittel zugeschnitten. Hat ein Unternehmen in seiner Fabrik mehrere W?rmebedarfe mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen, sind daf¨¹r aktuell noch verschiedene W?rmepumpen mit unterschiedlichen K?ltemitteln n?tig. Da dies teuer und umst?ndlich ist, haben sich W?rmepumpen in der Industrie bisher noch nicht durchgesetzt.

K?ltemittelgemisch erm?glicht Flexibilit?t

Geht es nach Andr¨¦ Bardow, Professor f¨¹r Energie-? und Prozesssystemtechnik an der ETH Z¨¹rich, soll sich das bald ?ndern: ?Statt eines einzigen K?ltemittels verwenden wir ein Gemisch. Damit kann eine W?rmepumpe verschiedene W?rmequellen nutzen und unterschiedliche Temperaturverl?ufe erzeugen.?

Je nach Anwendungen wird eine unterschiedliche Zusammensetzung des Gemischs ben?tigt. Der Vorteil daran ist, dass Unternehmen nicht mehr die ganze W?rmepumpe neu designen m¨¹ssen, wenn sie eine andere Temperatur brauchen. Sie m¨¹ssen lediglich das Gemisch anpassen, was deutlich g¨¹nstiger und einfacher ist.

Das Gemisch selbst besteht neben einem klassischen K?ltemittel aus einer weiteren Komponente. Der Temperaturverlauf der W?rmepumpe h?ngt vom Verh?ltnis dieser beiden Inhaltstoffe ab. ?Im Prinzip sind beliebig viele Verl?ufe f¨¹r industrielle Prozesse unter 200 Grad m?glich. Das ist die grosse St?rke unserer Technologie?, sagt Bardow.

Optimale Mischung mit Computermodell gefunden

Um die geeigneten Komponenten f¨¹r das K?ltemittelgemisch zu finden, haben die Forschenden ein Computermodell entwickelt, das den W?rmepumpenkreislauf mit verschiedenen Gemischvarianten simuliert. ?Wir haben bestehende thermodynamische Modelle zur Funktion von W?rmepumpen erweitert, indem wir neben den Komponenten der W?rmepumpe auch die Zusammensetzung des Gemisches in die Optimierung integriert haben?, erkl?rt Dennis Roskosch, Senior Scientist in Bardows Forschungsgruppe.

Das Modell der Forschenden greift dabei auf ¨¹ber 200 Millionen bekannte synthetische Molek¨¹le zur¨¹ck und simuliert, mit welchem Gemisch aus zwei Molek¨¹len die W?rmepumpe am effizientesten funktioniert.

Erste Partner f¨¹r Pilotanlage

Nachdem die Forschenden das optimale K?ltemittelgemisch gefunden hatten, testeten sie es erfolgreich im W?rmepumpenlabor der OST ¨C Ostschweizer Fachhochschule. . ?Wir konnten nachweisen, dass unser Gemisch wie vorhergesagt die Effizienz einer am Markt erh?ltlichen industriellen W?rmepumpe um bis zu 25 Prozent steigert?, sagt Professor Stefan Bertsch, der Leiter des W?rmepumpenlabors. Zudem zeigten die Forschenden, wie sich verschiedene Zusammensetzungen des Gemisches auf den Temperaturverlauf auswirkten.

In einem n?chsten Schritt wollen sie noch konkreter werden und demonstrieren, welches Potenzial ihre Technologie f¨¹r spezifische, industrielle Anwendungen hat. Besonders interessant d¨¹rfte die neue W?rmepumpe f¨¹r die Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie sein, wo zahlreiche Prozesse weniger als 200 Grad erfordern.

Gleichzeitig arbeiten die Forschenden eng mit einigen Herstellern von W?rmepumpen wie MAN Energy Solutions oder Scheco AG und mit Schweizer Industriepartnern wie Lindt zusammen. Der n?chste Schritt ist die Planung und der Bau einer Pilotanlage, um weitere Tests zu erm?glichen.