Laständerungen bei dampferzeugenden Wärmepumpensystemen - Effizienz- und Kostenaspekte bei kombinierten Open- & Closed-Loop-Wärmepumpensystemen zur Dampfbereitstellung

Dampf gilt als einer der wichtigsten Energieträger und Reaktanten in der Prozessindustrie. Industrielle Hochtemperaturwärmepumpen sind im Sinne der Energieeffizienz und Dekarbonisierung hervorragend dazu geeignet, ungenützte Abwärme zu dieser Form der Prozessenergie aufzuwerten. Die Weiterentwicklung von Wärmepumpen zur Dampferzeugung [1,2] und eine Renaissance der mechanischen Brüdenverdichtung (Open loop oder mechanical vapor recompression - MVR) zeigen diesen Umstand auf. Neben der direkten Dampferzeugung auf das gewünschte Dampfdruckniveau durch eine Closed Loop-Hochtemperaturwärmepumpe, kann laut IPCC [3], S. 1876, 1897 & 1899, eine Kombination von Closed Loop- und Open Loop (MVR)-Systemen effizienter sein und die höheren Investitionskosten innerhalb weniger Jahre amortisieren [4]. Um das gesamte Wärmepumpensystem zur Dampferzeugung optimal dem Industrieprozess anzupassen und eine erfolgreiche ökonomische Implementierung in Industrieprozesse zu ermöglichen [5], sind neben den Investitions- und Betriebskosten sowohl die Einsatzgrenzen von Auslegungsbetriebspunkten als auch Teillastverhalten von MVR-Technologien sowie Kompensationsmöglichkeiten bei Teillastbetrieb zu berücksichtigen. In diesem Beitrag werden sowohl wesentliche Aspekte von dampferzeugenden Wärmepumpensystemen diverser Konfigurationen mit Lastschwankungen bzw. im Teillastbetrieb bei unterschiedlichen Betriebsparametern als auch ihre Auswirkungen auf Anlagendesign & -betrieb diskutiert. [1] F. DI(FH) Helminger, Steam generating heat pumps: Upcoming technology for heat recovery, Nürnberg, 2021. [2] Wilk, V., Helminger, F., Dusek, S., Lauermann, M., Fleckl, T., Dampferzeugung aus Abwärme mit Wärmepumpe, Tagungsband - Deutsche Kälte- und Klimatagung 2019, Ulm, 2019 [3] IPCC, 2022: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [P.R. Shukla, J. Skea, R. Slade, A. Al Khourdajie, R. van Diemen, D. McCollum, M. Pathak, S. Some, P. Vyas, R. Fradera, M. Belkacemi, A. Hasija, G. Lisboa, S. Luz, J. Malley, (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. doi: 10.1017/9781009157926 [4] F. DI(FH) Helminger, Steam from waste heat: Costs of ways for steam generation, Kopenhagen, 2022. [5] S. DI Dr. Dusek, Efficient integration of steam generating heat pumps by adapting to industrial process needs, Kopenhagen, 2022.