Optimierung eines Wärmepumpensystems für Kälte und Dampf

Kompressionswärmepumpen spielen bei der Dekarbonisierung von industriellen Prozessen eine wesentliche Rolle, da sie Prozesswärme mit hoher Temperatur (100 – 200°C) liefern können und dabei die CO2-Emissionen signifikant verringern. Als Wärmequelle können Abwärmeströme aus dem Produktionsprozess, wie zum Beispiel erwärmtes Kühlwasser oder Abgase oder Prozesse, die aktiv gekühlt werden müssen, genutzt werden. Die Abwärme von Kältemaschinen ist eine gut geeignete Wärmequelle für Wärmepumpen. Wärmepumpen, die Dampf liefern, sind für industrielle Anwendungen von besonderer Bedeutung, da Dampfsysteme in der Industrie weit verbreitet sind und Dampf als Medium zur Wärmeübertragung, Sterilisation und Luftkonditionierung, aber auch als Reaktionsmittel eingesetzt wird.
Im Forschungsprojekt AHEAD wird ein innovatives Wärmepumpensystem am Takeda Produktionsstandort in Wien, einem produzierenden pharmazeutischen Unternehmen mit Fokus auf seltene und komplexe Erkran-kungen, demonstriert. Es besteht aus einer dampferzeugenden Wärmepumpe von SPH Sustainable Process Heat, die mit Butan (R600) betrieben wird und mit einem MVR-System kombiniert wird, um Dampf mit 11bar(a)/184°C zu erzeugen. Als Wärmequelle dient eine zentrale Kälteanlage, die Kaltwasser mit 6°C liefert und deren Abwärme bereits in einer Wärmepumpe genutzt wird, die ca. 70°C für die Raumheizung bereit-stellt. In beiden Anlagen wird NH3 (R717) als Kältemittel eingesetzt. Mit der dampferzeugenden Wärmepumpe und dem MVR-System (R718) wird nun ein Wärmepumpensystem realisiert, das nur auf natürlichen Kältemitteln beruht und gleichzeitig Kälte und Dampf liefert.
Dieser Beitrag beschreibt die Ergebnisse der simulationsbasierten Designoptimierung dieses Wärmepumpensystems. Das Ziel der Optimierung ist ein möglichst effizientes System, das hohe CO2 Einsparungen erzielt, indem die verschiedenen Anlagen bestmöglich kombiniert werden.