In dem Projekt SteamScrew soll eine Hochtemperatur-Wärmepumpe mit einem Wasserdampf-Schraubenverdichter entwickelt werden. Die Quellentemperatur der Wärmepumpe liegt dabei zwischen 80 und 120°C, während die Wärme auf bis zu 200°C bereitgestellt werden soll.
Die notwendige Reduzierung von Treibhausgasen stellt sämtliche energieintensive Branchen vor große Herausforderungen. Die Bereitstellung von industrieller Prozesswärme ist derzeit für einen Großteil des CO2-Ausstoßes verantwortlich und geschieht häufig in werkseigenen BHKW. Zugleich werden große Abwärmepotentiale nicht oder nur unzureichend genutzt. Wärmepumpen ermöglichen es, das Temperaturniveau einer Wärmequelle anzuheben und damit die Wärme zur weiteren Nutzung aufzuwerten. Viele industrielle Prozesse benötigen Prozesswärme, beispielsweise in Form von Prozessdampf, auf Temperaturen zwischen 120 und 200 °C. Hochtemperatur-Wärmepumpen können bei der Gestaltung zukünftiger Energiesysteme auch in diesem Temperaturbereich eine Schlüsselrolle spielen.
Programm/ Zuschussgeber | BMWK |
Akronym | SteamScrew |
Titel/ Thema | Verbundvorhaben: SteamScrew - Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasserdampf-Schraubenverdichter zur Wärme- und Prozessdampfbereitstellung; Teilvorhaben: Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasserdampf-Schraubenverdichter |
Identifikation/ Zuwendungsnummer | 03EN4048 |
Durchführungszeitraum | 2023-01-01 – 2026-06-30 |
Geschätzte Kosten/ Zuwendungsbetrag | 2.634.510 € |
Sonstiges | - |
Übergeordnetes Ziel ist die Dekarbonisierung der industriellen Wärmeversorgung, die in energieintensiven Industrien häufig konventionell durch werkseigene BHKW geschieht. Die Verwendung von Wasser als Kältemittel ist technisch anspruchsvoll, da Wasserdampf während der Kompression eine starke Temperaturerhöhung erfährt. Als Verdichter kommt daher ein ölfreier Schraubenverdichter mit Wassereinspritzung zum Einsatz, der aufbauend auf bewährten Verdichterkonzepten entwickelt wird. Schraubenverdichter sind geeignet, den benötigten Druck- bzw. Temperaturhub einstufig zu realisieren. Nach der experimentellen Vermessung der Wärmepumpe besteht die Möglichkeit, den Verdichter bzw. den Wärmepumpenkreislauf zur industriellen Anwendung in den Megawatt-Maßstab zu skalieren. Perspektivisch soll damit eine umweltfreundliche Wärmepumpe zur Dekarbonisierung der industriellen Wärmeversorgung etabliert werden.
Für die Wärmebereitstellung im Temperaturbereich der gängigen Fernwärmenetze stehen bereits Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Verfügung, die derzeit in diversen Umsetzungsprojekten erprobt werden. Für Senkentemperaturen über 120°C sind hingegen nur wenige Hochtemperatur-Wärmepumpen verfügbar, die teilweise noch Prototypenstatus besitzen und durch teilweise niedrige Effizienz sowie die Verwendung klimaschädlicher, synthetischer oder gefährlicher Kältemittel gekennzeichnet sind.
Die Wahl des Kältemittels Wasser bringt diverse positive Eigenschaften mit sich. Neben der guten thermodynamischen Eignung betrifft dies unter anderem die Aspekte Umweltverträglichkeit, Verfügbarkeit, Möglichkeit der direkten Prozessdampfnutzung sowie die Sicherheitsklasse. Jedoch stellt die Nutzung von Wasser als Kältemittel den Entwickler vor technische Herausforderungen. Dies betrifft insbesondere die starke Temperaturerhöhung während der Kompression, die ohne Kühlung des Kältemittels weit über den eigentlich angestrebten Temperaturbereich hinaus geht und die Konstruktion des Kompressors komplex gestaltet.
Ein Fokus des Projektes liegt daher auf der Ertüchtigung eines Schraubenkompressors für den hier angestrebten Temperaturbereich. Schraubenkompressoren sind robuste und marktführende Verdrängermaschinen und eignen sich für die Realisierung des Temperaturhubs in einer Verdichtungsstufe bei gleichzeitiger Einspritzung von flüssigem Kühlwasser in den Verdichtungsraum. Entsprechend stehen bei der Ertüchtigung des Kompressors die Entwicklung eines geeigneten Material-, Lager- und Dichtungskonzeptes sowie die Optimierung der Einspritzparameter im Fokus. Simulative und experimentelle Ergebnisse fließen während des Projektes in die Entwicklung des Kompressors ein, der dadurch während der Projektlaufzeit sukzessive verbessert wird.
Der in ersten Experimenten in einem Luft- und einem Dampfkreislauf untersuchte Kompressor wird anschließend am Fraunhofer IEG in einem geschlossenen Wärmepumpenkreislauf mit ca. 400 kW thermischer Maximalleistung unter Laborbedingungen erprobt. Dabei soll Prozesswärme auf industriellem Temperatur- und Druckniveau erzeugt werden, jedoch bei einer im Vergleich zum realen Industriebedarf geringeren Gesamtleistung der Anlage. Die Möglichkeit der Skalierung der Wärmepumpe in den industriellen Maßstab zur zukünftigen Verwertung der Wärmepumpe ist ebenfalls ein zentraler Aspekt des Projektes. Die gewonnenen experimentellen Daten werden zum Abgleich mit Simulationsdaten genutzt, sodass anschließend die Eignung, die Effizienz sowie die Baugröße der Wärmepumpe zur Einbindung in industrielle Prozesse simulativ bestimmt werden können.
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein - Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG, Bochum, NRW, Teilvorhaben: Entwicklung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Wasserdampf-Schraubenverdichter
Technische Universität Dortmund - Fakultät Maschinenbau - Fachgebiet Fluidtechnik, Dortmund, Nordrhein-Westfalen, Teilvorhaben: Theoretische und experimentelle Untersuchung von Wasserdampf-Schraubenverdichtern
Aerzener Maschinenfabrik Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Aerzen, Niedersachsen, Teilvorhaben Aerzen: Entwicklung Wasserdampf-Schraubenverdichter
https://www.enargus.de/search/?q=SteamScrew
https://www.ieg.fraunhofer.de/de/projekte/SteamScrew.html
Zu Literatur siehe:
zuletzt bearbeitet Juni 2025, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de
