Grundlagen der Großwärmepumpen
Die Funktionsweise einer Wärmepumpe besteht darin, die Umwelt- oder Abwärme einer Wärmequelle mit niedrigerem Temperaturniveau auf eine Wärmesenke mit höherem Temperaturniveau zu transferieren. Dies erfolgt unter Aufwendung zusätzlicher technischer oder thermischer Arbeit. Auf diesem Infoportal wird der Fokus auf elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen gelegt.
Kompressionswärmepumpen sind in einer Vielzahl von Leistungs- und Temperaturklassen am Markt verfügbar. Zur technologischen und anwendungsbezogenen Abgrenzung von Wärmepumpen lassen sich unterschiedliche Heizklassen definieren. Innerhalb der Wärmepumpen-Datenbank werden Produktserien ab einer Heizklassen von 500 kW aufgeführt, da ab dieser Leistungsgröße typischerweise andere Verdichtertechnologien als bei den kleineren Leistungsklassen zum Einsatz kommen. Sie werden als Großwärmepumpen bezeichnet. Großwärmepumpen kommen vor allem für die Versorgung von industriellen Verbrauchern und die Bereitstellung von Wärme für Wärmenetze zum Einsatz, wohingegen die herkömmlichen Wärmepumpen den Wärmebedarf kleinerer Verbraucher abdecken. Neben geschlossenen Großwärmepumpen die aktuell Senkentemperaturen von bis zu 200 °C und Leistungsklassen pro Aggregat von bis zu 70 MWth erreichen können, kommen im industriellen Kontext zudem offene Wärmepumpensysteme (engl. Mechanical Vapor Recompression, kurz MVR) zu Prozessdampfbereitstellung zum Einsatz. MVR erreichen Temperaturen von bis zu 280 °C und sind in verschiedenen Leistungsklassen mit bis zu 100 MWth erhältlich.
Geschlossene Kompressionswärmepumpen nehmen auf einem niedrigen Temperaturniveau thermische Energie auf und geben sie zusammen mit der Antriebsenergie auf einem höheren Temperaturniveau an eine Wärmesenke ab. Im Inneren der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel, das dabei folgende zentrale Prozessschritte durchläuft:
Zunächst wird auf einem niedrigen Temperatur- und Druckniveau dem System über einen Wärmeübertrager (Verdampfer) die Wärme der Quelle zugeführt, wodurch das Kältemittel verdampft und überhitzt wird. Anschließend erfolgt durch die Kompression im elektrisch angetriebenen Verdichter ein Anstieg der Temperatur. In einem weiteren Wärmeübertrager (Kondensator oder Gaskühler) wird die thermische Energie anschließend an den Kreislauf der Senke abgegeben. Das Kältemittel wird daraufhin über ein Expansionsventil oder einen Expander entspannt und wieder dem Verdampfer zugeführt. Dieser einfache Kreislauf wird durch zusätzliche Komponenten mit verschiedene Verschaltungsvarianten erweitert, um Effizienz und Einsatzbereich zu optimieren.
Bei der industriellen Anwendung von Hochtemperatur-Wärmepumpen spielt insbesondere die Prozessdampferzeugung eine wichtige Rolle. Neben herkömmlichen geschlossenen Wärmepumpenkreisläufen kommen zudem offene Wärmepumpensysteme (MVR) zum Einsatz. Hierbei wird das Kältemittel (Prozessdampf) ohne zusätzliche Wärmeübertrager in einem Verdichter komprimiert und auf ein für den jeweiligen industriellen Prozess benötigtes Temperaturniveau gehoben. Abhängig von der Wärmequelle lassen sich MVR-Systeme mit weiteren Technologien zur Dampferzeugung kombinieren.