Verdichter für hohe Temperaturen

Industrielle Prozesswärme nachhaltig bereitzustellen, bleibt eine große Herausforderung der Energiewende. Papierfabriken, Chemieparks oder Nahrungsmittelverarbeiter benötigen für die Produktion einen großen Teil ihrer Prozesswärme bei Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius und sind bislang maßgeblich von fossilen Brennstoffen abhängig. Gleichzeitig fallen in der Produktion oft relevante Mengen an Abwärme bei niedrigeren Temperaturen an. In Zukunft können Hochtemperatur-Wärmepumpen helfen, industrielle Energiebedarfe bei hohen Temperaturen nachhaltiger zu decken. Das BMWK (www.bmwk.de) fördert daher das Verbundprojekt SteamScrew des Fraunhofer IEG (www.ieg.fraunhofer.de) mit 2,6 Millionen Euro. Sein Ziel ist es, eine Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasser als Arbeitsmedium zu entwickeln, die Wärme auf einem Temperaturniveau von 140 bis 200 Grad Celsius bereitstellt.

Das Schnittbild eines Schraubenverdichters zeigt die beiden rotierenden Schrauben, die das Arbeitsmedium der Wärmepumpe verdichten
Bild: Aerzener Maschinenfabrik GmbH

„Wasser als Arbeitsmedium einer Wärmepumpe besitzt diverse positive Eigenschaften“, unterstreicht das Projektteam Matthias Utri, Simon Höckenkamp und Fabian Ahrendts von der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG. Neben der guten thermodynamischen Eignung betrifft dies unter anderem die Aspekte Umweltverträglichkeit, Verfügbarkeit, Möglichkeit der direkten Prozessdampfnutzung sowie die niedrige Sicherheitsklasse. Jedoch stellt die Nutzung von Wasser als Arbeitsmedium das Entwicklerteam auch vor technische Herausforderungen insbesondere bei der Konstruktion des Verdichters, der das Herzstück einer Wärmepumpe darstellt und dafür sorgt, dass die von der Wärmepumpe bereitgestellte Wärme auf ein höheres Temperaturniveau transferiert wird.

Im Fokus des Verbundprojektes SteamScrew steht der weitverbreitete Schraubenverdichter. Er ist im Vergleich zum bekannteren Kolbenverdichter kompakter, ist einfach aufgebaut und hat einen ruhigen Lauf, da keine oszillierenden Bewegungen stattfinden. Ziel ist es, mit dem Schraubenverdichter den angestrebten Temperaturhub auf bis zu 200 Grad Celsius mit dem Arbeitsmedium Wasser in einer Stufe und damit kostengünstig zu ermöglichen. Dabei wird flüssiges Wasser in den Verdichtungsraum eingespritzt, um den Verdichter zu kühlen und um interne Leckagen zu reduzieren.

Das Projektteam wird geeignete Material-, Lager- und Dichtungskonzepte entwickeln sowie die Einspritzparameter für das Wasser optimieren, um den Verdichter für das angestrebte Einsatzgebiet bei hohen Temperaturen zu ertüchtigen. Parallel dazu wird mithilfe von Computersimulationen ein geschlossener Wärmepumpenkreislauf entwickelt, in den der Verdichter eingesetzt wird. Der ausgelegte Kreislauf wird anschließend im Technikumsmaßstab umgesetzt, um die Konzepte mit circa 400 kW thermischer Maximalleistung bei industriellem Temperatur- und Druckniveau experimentell zu validieren. Die gewonnenen Daten werden helfen, die Eignung, die Effizienz sowie die Baugröße der Wärmepumpe zur Einbindung in industrielle Prozesse im Megawatt-Maßstab zu bestimmen.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK fördert das Projekt „Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasserdampf-Schraubenverdichter zur Wärme- und Prozessdampfbereitstellung – SteamScrew“ unter dem Förderkennzeichen 03EN4048A mit 2,6 Millionen Euro von Januar 2023 bis Juni 2026. Projektpartner sind das Fraunhofer IEG, die TU Dortmund (Fachgebiet Fluidtechnik) und Aerzener Maschinenfabrik GmbH. Weitere Informationen finden sich auf der Webseite des Projekt: https://www.ieg.fraunhofer.de/de/referenzprojekte/SteamScrew.html