Wärmepumpen: Kältemittelgemisch ermöglicht Flexibilität

Forschende der ETH Zürich und der Ostschweizer Fachhochschule haben einen neuen Ansatz für Wärmepumpen entwickelt. Damit kann die Industrie CO2-freie Prozesswärme mit Temperaturen bis 200 Grad erzeugen und die Anzahl an verschiedenen Wärmepumpen reduzieren.

Auf dieser Versuchsanlage testeten die Forschenden ihren neuen Ansatz.

Quelle: OST - Ostschweizer Fachhochschule

Forschende der ETH Zürich und der Ostschweizer Fachhochschule (OST) in Buchs haben einen Weg gefunden, wie Wärmepumpen flexibel und günstig Prozesswärme mit unterschiedlichen Temperaturen bis 200 Grad erzeugen können. Da dies eher den Bedürfnissen der Industrie entspreche als die am Markt verfügbaren Lösungen, hätten bereits zahlreiche Schweizer und internationale Unternehmen ihr Interesse an der Technologie bekundet, teilt die ETH mit. Besonders interessant sei die neue Technologie für die Elektrifizierung von Prozesswärme in der Lebensmittel-, Chemie und Pharmaindustrie.

Prozessenergie produziert viel Klimagase

Zum Hintergrund: Viele Unternehmen produzieren die Prozesswärme, die sie etwa für die Lebensmittelherstellung brauchen, mit fossiler Energie. In der Schweiz macht die Erzeugung Prozesswärme acht Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen aus. Prozesswärme bis 200 Grad Celsius könnte die Industrie zwar schon heute umweltschonend mit industriellen Wärmepumpen erzeugen, die Strom aus erneuerbaren Energiequellen nutzen. Wärmepumpen seien in der Industrie aber noch eine Seltenheit, so die ETH. Der Grund dafür: Bestehende Modelle seien meist teure Sonderanfertigungen, die speziell für eine bestimmte industrielle Anwendung und Temperatur entwickelt wurden.

Bei herkömmlichen Wärmepumpen hängt es vor allem vom Kältemittel ab, welche Temperatur und welcher Temperaturverlauf möglich ist. Alle Komponenten der Wärmepumpe – Verdampfer, Kompressor, Verflüssiger und Drossel – sind auf dieses Kältemittel zugeschnitten. Hat ein Unternehmen in seiner Fabrik mehrere Wärmebedarfe mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen, sind dafür aktuell noch verschiedene Wärmepumpen mit unterschiedlichen Kältemitteln nötig. Das ist teuer und umständlich.

Unterschiedliche Temperaturverläufe

Die Lösung der Forschenden: «Statt eines einzigen Kältemittels verwenden wir ein Gemisch. Damit kann eine Wärmepumpe verschiedene Wärmequellen nutzen und unterschiedliche Temperaturverläufe erzeugen», sagt André Bardow, Professor für Energie- und Prozesssystemtechnik an der ETH Zürich.

Je nach Anwendungen werde eine unterschiedliche Zusammensetzung des Gemischs benötigt. Der Vorteil daran sei, dass Unternehmen nicht mehr die ganze Wärmepumpe neu designen müssten, wenn sie eine andere Temperatur brauchen. Sie müssten lediglich das Gemisch anpassen, was deutlich günstiger und einfacher sei, schreibt die ETH.

Das Gemisch selbst besteht neben einem klassischen Kältemittel aus einer weiteren Komponente. Der Temperaturverlauf der Wärmepumpe hängt vom Verhältnis dieser beiden Inhaltstoffe ab. «Im Prinzip sind beliebig viele Verläufe für industrielle Prozesse unter 200 Grad möglich. Das ist die grosse Stärke unserer Technologie», sagt Bardow. Um die geeigneten Komponenten für das Kältemittelgemisch zu finden, haben die Forschenden ein Computermodell entwickelt, das den Wärmepumpenkreislauf mit verschiedenen Gemischvarianten simuliert.

Erste Partner für Pilotanlage

Nachdem die Forschenden das optimale Kältemittelgemisch gefunden hatten, testeten sie es erfolgreich im Wärmepumpenlabor der OST – Ostschweizer Fachhochschule. «Wir konnten nachweisen, dass unser Gemisch wie vorhergesagt die Effizienz einer am Markt erhältlichen industriellen Wärmepumpe um bis zu 25 Prozent steigert», sagt Professor Stefan Bertsch, der Leiter des Wärmepumpenlabors. Zudem zeigten die Forschenden, wie sich verschiedene Zusammensetzungen des Gemisches auf den Temperaturverlauf auswirkten.

In einem nächsten Schritt wollen sie noch konkreter werden und demonstrieren, welches Potenzial ihre Technologie für spezifische, industrielle Anwendungen hat. Besonders interessant dürfte die neue Wärmepumpe für die Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie sein, wo zahlreiche Prozesse weniger als 200 Grad erfordern.

Gleichzeitig arbeiten die Forschenden eng mit einigen Herstellern von Wärmepumpen wie MAN Energy Solutions oder Scheco AG und mit Schweizer Industriepartnern wie Lindt zusammen. Der nächste Schritt ist die Planung und der Bau einer Pilotanlage, um weitere Tests zu ermöglichen.

Literaturhinweis

Brendel L, Bernal S, Widmaier P, Roskosch D, Arpagaus C, Bardow A, Bertsch S. High-Glide Refrigerant Blends in High-Temperature Heat Pumps: Part 1 – Coefficient of Performance, International Journal of Refrigeration, 10. Mai 2024, Link zur Publikation.