Hochtemperatur-Wärmepumpe mit integriertem Speicher

Im Projekt »BREAD« (High-Temperature Heat Pump with Integrated Storage – reversed BRayton cycle for combined hEAt and colD) wird ein System zur Wärme- und Kältebereitstellung im Sub-Megawatt-Maßstab entwickelt. Es kann industrielle Prozesswärme im Bereich 250 °C bis 400 °C sowie Prozesskälte von 5 °C und kälter bereitstellen. Zielsetzung: Wärmepumpen-, Wärmeübertrager- und Speichertechnologien zu einem integrierten System für die industrielle Elektrifizierung verbinden.

Kern des Vorhabens ist die Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe auf Basis eines gegenläufigen Brayton-Prozesses. Hierfür wird ein Prototyp mit folgenden Spezifikationen ausgelegt, aufgebaut und im Labor getestet: thermische Leistung etwa 150 kW, Modulationsfähigkeit zwischen 100 und 150 kW, elektrische Anschlussleistung maximal 100 kW, Kälteleistung etwa 30 kW. Der Prototyp soll Prozesswärme bei 250 bis 300 °C sowie Kühlung im Bereich von 0 bis 5 °C bereitstellen und einen COP von 1,3 bis 1,5 erreichen.

Darüber hinaus entstehen im Projekt ein Hochtemperatur-Wärmespeicher für Temperaturen bis 400 °C sowie ein Kältespeicher für Temperaturen bis -15 °C. Die Speicher sollen Kaltstarts ermöglichen, Lastverschiebungen unterstützen und dynamische Betriebsweisen abbilden.

Das Gesamtsystem wird für die industrielle Fertigung und konkrete Marktanwendungen (beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, in Bäckereien oder bei Trocknungsprozessen) ausgelegt und optimiert. Analysen zur ökologischen, sozialen und technoökonomischen Machbarkeit ergänzen die technische Entwicklung.

Die Dekarbonisierung industrieller Prozesswärme ist zentral, um bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen. Während elektrische Wärmepumpen bereits in vielen Anwendungen eingesetzt werden, stoßen heutige Hochtemperatur-Kompressionswärmepumpen bei höheren Temperaturbereichen an technische Grenzen. Typischerweise sind sie auf Vorlauftemperaturen bis 200 °C beschränkt und benötigen gleichzeitig geeignete Wärmequellen auf ausreichend hohem Temperaturniveau. Industrieprozesse mit einem höheren Temperaturbedarf werden deshalb häufig weiterhin mit fossilen Energieträgern oder über direkte elektrische Beheizung versorgt.

Das »BREAD«-System bewältigt diese Herausforderung, indem es große Temperaturunterschiede (Temperaturhübe) mit gleichzeitiger Wärme- und Kältebereitstellung ermöglicht. Durch die intelligente Kombination von Wärmepumpe, Wärmeübertragern und thermischen Speichern entsteht ein flexibles Energiesystem, das Lastverschiebungen unterstützt und Betriebsbedingungen in industriellen Prozessen besser abbilden kann.

Ein wesentliches Merkmal: Das System kombiniert Hochtemperatur-Wärmeerzeugung und Kältebereitstellung in einem integrierten Ansatz. Im Vergleich zu einer separaten Bereitstellung durch direkte elektrische Beheizung und konventionelle Kompressionskälteanlagen soll das »BREAD«-System 30 bis 50 Prozent effizienter arbeiten. Damit unterstützt das Vorhaben die Elektrifizierung industrieller Prozesse und ermöglicht den Einsatz von grünem Strom als primäre Energiequelle.

• Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Deutschland
• MITIS SA, Belgien
• Universität Mons, Belgien
• KTH Royal Institute of Technology, Schweden
• MG Sustainable AB, Schweden
• IWS-Monjé Heat Exchangers GmbH, Deutschland