In der Industrie fallen große Mengen an Abwärme aus unterschiedlichen Prozessen an, die oft mit zusätzlichem Aufwand entsorgt werden müssen. Industrielle Abwärme ist eine wertvolle Wärmequelle, da ihr Temperaturniveau (ca. 30–60°C) deutlich höher liegt als z. B. jenes von Umgebungsluft oder Erdreich. Großwärmepumpen für Industrieprozesse werden heute meist angepasst an die jeweiligen Anforderungen in kleinen Stückzahlen realisiert, das Temperaturniveau der Nutzwärme ist dabei mit den marktüblichen Kältemitteln auf unter 80°C beschränkt. Viele Industrieprozesse benötigen jedoch Wärme in einem höheren Temperaturbereich bis 110°C.

Durch den Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen könnte die Energieeffizienz von industriellen Prozessen deutlich gesteigert werden. Im Projekt „HyPump“ des Instituts für Wärmetechnik (IWT) der Technischen Universität (TU) Graz wurde eine hocheffiziente Hybrid-Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung in der Industrie entwickelt. Forschungspartner waren das AIT Austrian Institute of Technology und Frigopol Kälteanlagen GmbH.

Vorteile der neuen Entwicklung

Mit dem Konzept einer kombinierten Absorptions/Kompressions-Wärmepumpe, bei der ein spezielles Arbeitsstoffgemisch verwendet wird, können hohe Nutzwärme-Temperaturniveaus (>100°C) erreicht werden, ohne den Betriebsdruck der Anlage zu erhöhen. Das „HyPump“-Konzept ist für den kleinen bis mittleren Leistungsbereich ausgelegt und verfolgt folgende Ziele:
> hohe Effizienz auch im hohen Temperaturbereich und damit ein signifikantes CO2-Einsparungspotenzial
> großer Einsatzbereich aufgrund des an die gewünschte Wärmesenkentemperatur anpassbaren Verfahrens
> dezentrale Einsatzmöglichkeit durch die kleine Leistungsklasse
> Wirtschaftlichkeit auch im kleinen Leistungsbereich durch den Einsatz von Standardkomponenten
> Verwendung eines umweltfreundlichen Arbeitsstoffes (ein Stoffgemisch aus Ammoniak/Lithiumnitrat)

Untersuchungen am Teststand

An der TU Graz wurde ein Funktionsmuster der Hybrid-Wärmepumpe aufgebaut, um das Konzept bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen hinsichtlich Leistung und Effizienz analysieren zu können. Detaillierte Auswertungen einzelner Komponenten wurden durchgeführt und Optimierungspotenziale ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass das System einer hybriden Wärmepumpe durch die erweiterten Regelungsmöglichkeiten für viele Anwendungsfälle und vor allem für die Anwendung im höheren Temperaturbereich eine interessante Variante darstellt.

Im Rahmen des Projekts wurde auch eine wirtschaftliche Analyse durchgeführt und die Kostenanteile der einzelnen Anlagenkomponenten im Detail betrachtet. 70 % der Gesamtkosten machen die Kompressoren, die Lösungspumpe, die Plattenwärmeübertrager sowie Montage und Instandsetzung aus. Aufgrund der erweiterten Regelungsmöglichkeiten ergibt sich auch ein erhöhter Bedarf an Messtechnik. Durch Anpassungen im Design und die Standardisierung ist Kostenreduktionspotenzial gegeben.

Die Ergebnisse der Analysen können bei zukünftigen Anwendungsfällen herangezogen werden, um Leistung und wirtschaftliche Kennzahlen mit alternativen Wärmeerzeugern zu vergleichen. Für weitere Forschungsprojekte oder erste Pilotanlagen dienen diese als Basis für erste Voruntersuchungen.