Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben Hochtemperaturwärmepumpen für Industrieprozesse untersucht. In einem neuen Teststand haben sie Hochtemperaturwärmepumpen für die Bereitstellung von Prozessdampf bis zu 160 °C und von Druckheißwasser detailliert analysiert. Zudem haben sie bei einem Monitoring von fünf Großwärmepumpen in Wärmenetzen Erkenntnisse zu Auslegung und Betriebsführung aus dem realen Anlagenbetrieb gewonnen. Es zeigte sich, dass Großwärmepumpen im realen Betrieb zuverlässig funktionieren und die erforderlichen Betriebspunkte erreichen, wenn man Komponenten, Regelung, hydraulische Einbindung und Betriebsstrategie richtig auslegt und zusammenbaut.

Ziel der Forschungsprojekte ist es die Auslegung und den Betrieb von Wärmepumpen in Industrie und Wärmenetzen zu vereinfachen und zu optimieren. Wichtig ist es jedoch, dass für die Dekarbonisierung von Prozesswärme maßgeschneiderte Komponenten, eine systemische Auslegung und geeignete Sicherheitskonzepte entscheidend sind. Dabei reicht es nicht, einzelne Komponenten aus der Kälte- oder Gebäudetechnik zu skalieren. Das Zusammenspiel von Wärmequelle, Kältemittel, Wärmeübertrager, hydraulischer Einbindung, Regelung und wirtschaftlicher Betriebsstrategie müsse man individuell betrachten, so die Forscher:innen.

Teststand für in Industrieprozessen eingesetzte Wärmepumpen

Im Rahmen des Verbundprojekts Fern- und Prozesswärmeversorgung durch Wärmepumpen als Ersatz der Kohleverbrennung (FernWP) hat das Fraunhofer ISE einen Labor-Teststand für Hochtemperaturwärmepumpen aufgebaut. „Für die industrielle Anwendung ist nicht allein die maximal erreichbare Temperatur entscheidend. Eine Hochtemperaturwärmepumpe muss auch bei wechselnden Wärmequellen, Lasten und Betriebsmodi effizient und verlässlich Prozessdampf oder Druckheißwasser bereitstellen“, sagt Ursula Wittstadt, Projektleiterin FernWP am Fraunhofer ISE. „Mit unserem Teststand machen wir diese Wechselwirkungen messbar und schaffen damit eine Grundlage für die Weiterentwicklung von Komponenten und Gesamtsystemen.“

Der neue Teststand des Fraunhofer ISE ermöglicht die Vermessung von Wärmepumpen bis 160 °C, um daraus Optimierungspotenziale für Auslegung und Betriebsführung abzuleiten. Im laufenden Projekt lag der Schwerpunkt der Untersuchung bei Wärmepumpen, die man mit Butan als Kältemittel betreibt. Aufgrund von dessen Brennbarkeit haben die Forscher:innen auch Sicherheitsaspekte und untersucht. Für Hersteller von Wärmepumpen und Entwickler von Wärmeübertragern sollen die Messdaten eine belastbare Grundlage liefern, um Komponenten gezielt auf hohe Temperaturen, große Leistungen und wechselnde Betriebspunkte auszulegen.

Monitoringdaten von fünf Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen

Im Rahmen des Reallabor GroßWP erfasst das Fraunhofer ISE seit 2023 umfangreiche Betriebsdaten aus dem realen Betrieb von fünf Großwärmepumpen, um damit die Auslegung, hydraulische Einbindung und Betriebsführung für die Anforderungen von deutschen Fernwärmenetzen zu optimieren. „Das Monitoring der fünf Anlagen zeigt, dass Großwärmepumpen im praktischen Betrieb gut funktionieren und die vorgesehenen Betriebspunkte erreichen können“, sagt Axel Oliva, Projektleiter Reallabor GroßWP am Fraunhofer ISE. „Entscheidend für Effizienz und Verfügbarkeit ist aber nicht nur die Wärmepumpe, sondern auch die Wärmequelle, die hydraulische Einbindung, das bestehende Erzeugungssystem und die konkrete Betriebsstrategie. Wir haben zudem gesehen, dass der Betrieb im Kraftwerksverbund gute Kenntnisse über den bestehenden Anlagenpark, das Fernwärmenetz sowie die Kundenanlagen erfordert.“

Bei Wärmepumpen-Anlagen mit Fließgewässern als Wärmequelle zeigte sich, dass man die Betriebsstrategie anpassen muss. Während in den Planungen oft ein überwiegend saisonaler Einsatz der Großwärmepumpe vorgesehen war, werden Anlagen nun zunehmend nach Tagesprofilen und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen betrieben. Dadurch nehmen Anforderungen an Start-Stopp-Zyklen, Standzeiten, Service und Anlagenverfügbarkeit zu. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen Betreiber dabei unterstützen, die Betriebsführung zu optimieren.

Modellentwicklung aus Messdaten und Sicherheitskonzepte für natürliche Kältemittel

Aus den Zwischenergebnissen beider Projekte zur Optimierung des Einsatzes von Großwärmepumpen folgt im nächsten Schritt eine detailliertere Beschreibung der Schnittstellen von Großwärmepumpen im Kraftwerksverbund. Daraus wollen die Forscher:innen dann Modelle entwickeln und praxisnahe Ableitungen für eine wirtschaftlich optimale Fahrweise treffen. Zudem will das Fraunhofer ISE seine Sicherheitsteststände weiterentwickeln.

Das Fraunhofer ISE stellt seine Forschungsergebnisse vom 13. bis 15. Oktober 2026 auf dem Stand 7A-408 im Rahmen der Messe Chillventa in Nürnberg vor.

Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH