Integration industrieller Hochtemperatur-Wärmepumpen in chemische Prozesse

Die chemische Industrie in Deutschland ist eine der energieintensivsten Branchen und steht vor der Herausforderung, ihre Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Durch die Integration von Hochtemperatur-Wärmepumpen in chemische Prozesse kann die Energieeffizienz verbessert und der CO₂-Ausstoß gesenkt werden. Die Partner Evonik Operations GmbH und Fraunhofer ISE arbeiten gemeinsam an der Entwicklung innovativer Lösungen, um den CO₂-Ausstoß zu reduzieren und die Energieefizienz der Industrie zu verbessern.

Ausgangslage

Viele Chemieprozesse basieren auf dem Einsatz von Erdgas zur Bereitstellung von Prozesswärme. Damit einher gehen Preis‑ und Lieferrisiken und sowie die Konkurrenz zur stofflichen Nutzung fossiler Rohstoffe. Hochtemperatur‑Wärmepumpen (>130 °C) bieten eine defossilisierende Alternative. Um eine flächendeckende Alternative für die Industrie darzustellen, gilt es die langjährige Standfestigkeit der Anlagen zu belegen. Auch die technische Integration der Wärmepumpen liefert offene Forschungsfragen. Hindernd wirken dahingehend ungünstige Gas/Strom‑Preisrelationen, geringe Herstellerreife, fehlende Integrations‑ und Betriebsleitfäden sowie Unsicherheiten bei Verfügbarkeit und Regelverhalten.

Ziel

Das Projekt IndHP2Chem verfolgt das Ziel, Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTWP) erfolgreich in chemische Produktionsprozesse zu integrieren. Dies umfasst die detaillierte Analyse von Effizienz und Wirtschaftlichkeit, die Entwicklung von konkreten Anwendungsfällen und die Evaluierung geeigneter Anlagenstandorte. Insbesondere sollen technische und ökonomische Kriterien zusammengeführt werden, um eine fundierte Entscheidung über die geeignetste Integrationsmöglichkeit zu treffen. Die angestrebten Ergebnisse sind die Optimierung des Energieverbrauchs sowie die Reduktion von CO₂-Emissionen in der chemischen Industrie. Durch praxisnahe Testläufe und Simulationen wird angestrebt, eine Blaupause zu schaffen, die als Modell für ähnliche Industrieprojekte dienen kann.

Lösungsansatz

Die Arbeiten des Fraunhofer ISE‑Instituts verbinden Modellierung und Validierung mit operativer Datenerfassung und -analyse und schaffen so ein generisches Simulations‑ und Planungstool sowie praxisnahe Leitfäden. Ein modularer, datengetriebener Ansatz nutzt messgestützte Betriebsdaten der Demonstrationsanlage und ergänzende Pilotdaten zur Ableitung von Parametern, Verlustmechanismen und dynamischen Kennlinien. Modellaufbau und Validierung erfolgen stufenweise in einer dynamischen Simulationsumgebung (Modelica /Dymola) mit Kalibrierung an realen Betriebsphasen (>3000 h) und quantifizierter Unsicherheitsabschätzung. Aus dem detaillierten Modell werden parametrisierbare Surrogatmodelle mit standardisierten Schnittstellen (z. B. Mocup) abgeleitet. Dabei sollen validierte Modellbausteine für typische Prozessschritte (wie z.B. Trocknung, Destillation, Dampferzeugung), Bediener‑ und Integrationstemplates, Guidelines zur Datenerfassung sowie ein Upgrade‑/Wartungskonzept inklusive anonymisierter Datensätze generiert werden.

Das Projekt »IndHP2Chem« wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Das Projekt »IndHP2Chem« wird vom Projektträger Jülich gefördert.