Fraunhofer ISE untersucht Wärmepumpen für Industrieprozesse und Wärmenetze

Für das Projekt „FernWP“ hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE einen Labor-Teststand für Hochtemperaturwärmepumpen aufgebaut. Im Rahmen des Projekts „Reallabor GroßWP“ untersuchten die Forscher dagegen die Betriebsdaten von fünf Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen. Die Erkenntnisse aus beiden Forschungsprojekten sollen Betreibern dabei helfen, den Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie und in Wärmenetzen zu optimieren.

Im Rahmen des Verbundprojekts „Fern- und Prozesswärmeversorgung durch Wärmepumpen als Ersatz der Kohleverbrennung (FernWP)“ hat das Fraunhofer ISE einen Labor-Teststand für die Vermessung von Hochtemperaturwärmepumpen bis 160 Grad Celsius aufgebaut. Die Messdaten sollen Herstellern und Entwicklern belastbare Grundlagen liefern, um ihre Komponenten gezielter auf hohe Temperaturen, große Leistungen und wechselnde Betriebspunkte auszulegen.

„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“, erklärt Dr. Ursula Wittstadt, Senior Engineer am Fraunhofer ISE und Leiterin des Projekts FernWP.

Reale Daten aus dem Fernwärmenetz

Bei dem Projekt „Reallabor Großwärmepumpen (Reallabor GroßWP)“ erfasst das Fraunhofer ISE dagegen seit 2023 umfangreiche Daten aus dem laufenden Betrieb. „Das Monitoring der fünf Anlagen zeigt, dass Großwärmepumpen im praktischen Betrieb gut funktionieren und die vorgesehenen Betriebspunkte erreichen können“, sagt Axel Oliva, der das Projekt am Fraunhofer ISE leitet. Entscheidend für die Effizienz und die Verfügbarkeit sei aber nicht nur die Wärmepumpe. Die Wärmequelle, die hydraulische Einbindung, das bestehende Erzeugungssystem und die konkrete Betriebsstrategie seien ebenfalls entscheidend.

Die Forscher stellten bei ihren Untersuchungen u.a. fest, dass der Betrieb im Kraftwerksverbund gute Kenntnisse über den bestehenden Anlagenpark, das Fernwärmenetz und die Kundenanlagen erfordert. Bei Anlagen mit Fließgewässern als Wärmequelle zeigte sich beispielsweise, dass die thermische Leistung bei niedrigen Wassertemperaturen und im Teillastbetrieb zurückgeht. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen Betreiber dabei unterstützen, die Auslegung, die hydraulische Einbindung und die Betriebsführung zu optimieren.

Modelle und neue Teststände entwickeln

Aus den Zwischenergebnissen beider Projekte wollen die Forscher im nächsten Schritt eine detailliertere Beschreibung der Schnittstellen von Großwärmepumpen im Kraftwerksverbund entwickeln. Sie soll die Grundlage bilden für Modelle und praxisnahe Ableitungen für eine wirtschaftlich optimale Fahrweise. Zudem plant das Fraunhofer ISE, seine Sicherheitsteststände weiterzuentwickeln, um Sicherheitskonzepte für Kältemittel in Groß- und Hochtemperaturwärmepumpen abzuleiten.

Partner aus der Forschung und der Industrie

Das Projekt FernWP läuft noch bis September 2027 und wird vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Neben dem Fraunhofer ISE sind die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien IEG, das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, die Johnson Controls Systems & Service GmbH, die Stadtwerke Cottbus GmbH, die GESMEX Exchangers GmbH und die AGFW-Projektgesellschaft mit jeweils eigenen Arbeitspaketen beteiligt.

Am Reallabor „GroßWP“ sind neben dem Fraunhofer ISE die Energieversorger EnBW, Fernheizwerk Neukölln, MVV Energie, BEW Berliner Energie und Wärme und die Stadtwerke Rosenheim sowie die Universität Stuttgart und die AGFW-Projektgesellschaft als Koordinator beteiligt. Es wird vom Bundeswirtschaftsministerium und der Europäischen Union gefördert.