Einzigartige Testanlage für Wärmepumpen vom Fraunhofer-Institut in Cottbus eingeweiht
Großwärmepumpen können die Bereitstellung von Fern- und Prozesswärme in Zukunft CO2-frei übernehmen. Die erste öffentlich zugängliche Forschungsanlage in Deutschland steht nun in Cottbus.
pm / jas
»Die Energiewende hat erfolgreich große Mengen nachhaltigen Strom an den Markt gebracht. Mit Großwärmepumpen können wir diesen Erfolg auf den Wärmemarkt übertragen«, erläutert Prof. Mario Ragwitz, Leiter der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie (IEG). »Mit unserer Forschungsanlage für Großwärmepumpen leisten wir einen zentralen Beitrag für das Energiesystem der Zukunft und unterstützen Energieversorger und Hersteller, die bestmögliche Wärmepumpe für ihre Anwendung zu finden – egal ob Prozesswärme für die Industrie oder Fernwärmenetze auf kommunaler Ebene.« Mit dem ersten Prüfstand der Forschungsanlage können Wärmepumpen für die Industrie mit einer Heizleistung bis zu einem Megawatt und Temperaturen bis 90 Grad Celsius getestet werden.
Prof. Jörg Steinbach, Brandenburgs Minister für Wirtschaft, Arbeit und Energie: »Die Anlage ist ein weiterer wichtiger Beitrag, um die vorhandenen Kompetenzen einer Energieregion in die zukunftsfesten Kompetenzen einer nachhaltigen Technologieregion zu übertragen – und Firmen und Fachkräfte auch in der Lausitz zu halten.« Die nun eingeweihte Anlage umfasst insgesamt zwei Forschungs- und Erprobungsprüfstände für Wärmepumpen großer Leistung und hoher Temperaturen. Großwärmepumpen und Hochtemperaturwärmepumpen können die Bereitstellung von Fern- und Prozesswärme in Zukunft nachhaltig und CO2-frei übernehmen.
Lokale Unternehmen profitieren
Fraunhofer IEG unterstützt Hersteller, Projektierer und Entwickler mit den Prüfständen dabei, ihre Technologien für den Markt zu validieren und den Betrieb zu optimieren. Die Anlage ist nach Angaben des Institus die deutschlandweit erste zugangsoffene Infrastruktur für Testung, Qualifizierung und Weiterentwicklung von Wärmepumpen. Sie steht nach etwa einem Jahr Planungs- und Bauzeit auf dem Gelände des Cottbuser Heizkraftwerks Süd und ist in dessen Kühlsystem integriert. Davon können große Firmen, vor allem aber auch Start-ups und kleinere Unternehmen, die zur Wärmewende beitragen wollen, profitieren, indem sie selbst nicht in ein entsprechendes Labor investieren müssen. Mit Großwärmepumpen können fossile Wärmenetze und damit viele Haushalte auf einen Schlag von nachhaltiger Energie profitieren oder Industriebetriebe ihren Wärmebedarf nachhaltig, zuverlässig und bezahlbar am heimischen Markt decken.
Foto: Simons
Mindestens 40 Prozent der Fernwärme für die Stadt Cottbus könnten durch eine Großwärmepumpe im entstehenden Ostsee bereitgestellt werden. Dieses Verfahren wird im zweiten Prüfstand der Anlage erprobt. Fabian Ahrendts, Leiter für Hochtemperatur-Wärmepumpen am Fraunhofer IEG: »Diese Technologie ist relativ neu, weil es hier um große Leistungen um die 500 Kilowatt geht. Cottbus und die Lausitz sind also ganz vorne mit dabei, neue Technologie, die weltweit verkauft werden wird, zu testen und zu erproben.« Das Ganze wurde und wird gemeinsam mit lokalen Partnerunternehmen, wie z.B. die KSC GmbH, das Integral Ingenieurbüro oder der Stadtwerke Cottbus GmbH aufgebaut und umgesetzt. Dabei sind auch einige neue Arbeitsplätze im Bereich Metallbau, Mechatroniker, Elektronik, Kältetechnik und Ingenieurswesen entstanden. Hier geht’s zum Kurztalk mit Fabian Ahrendts auf unserem Instagram-Account.
Doch wie funktioniert das Prinzip einer Wärmepumpe eigentlich?
»Der Aufbau einer Wärmepumpe setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen, mit denen das Wärmepumpensystem arbeitet:
- Die Wärmequelle (Luft, Erde, Grundwasser), aus der die Energie aus der Umgebung entzogen wird.
- Die Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme mittels Wärmepumpen-Technologie nutzbar macht.
- Das Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärme in die Wohnräume verteilt oder speichert.
Doch was macht eine Wärmepumpe genau, damit die Umweltwärme in nutzbare Heizenergie umgewandelt wird? Im Inneren der Wärmepumpe läuft in einem geschlossenen Kreisprozess kontinuierlich ein technisches Prinzip aus vier Schritten ab. Im sich wiederholenden Wärmepumpenkreislauf findet das Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen eines Kältemittels statt, um Heizwärme zu erzeugen. Das flüssige Kältemittel nimmt die thermische Energie aus der Umwelt auf und muss auf ein Temperaturniveau angehoben werden, das für das Heizsystem nutzbar ist. Dies geschieht unter Einsatz von etwas Strom. Je höher der Temperaturunterschied zwischen der Energiequelle und der benötigten Nutzwärme ist, desto mehr elektrische Antriebsleistung muss aufgebracht werden.
1. Verdampfen: Am sogenannten Verdampfer wird die Wärme aus der Umwelt auf den Wärmepumpenkreislauf übertragen. Ein Kältemittel ist für die Aufnahme und den Transport der Wärmeenergie zuständig. Es nimmt die Umweltwärme im flüssigen Zustand auf, wodurch es verdampft und gasförmig wird.
2. Verdichten: In einem strombetriebenen Kompressor, dem sogenannten Verdichter, wird das gasförmige Kältemittel zusammengedrückt, wodurch sich Druck und Temperatur stark erhöhen. Diesen Teil des Funktionsprinzips einer Wärmepumpe können Sie auch bei einer Fahrrad-Luftpumpe beobachten, die sich erwärmt, wenn Sie Luft aufpumpen. Daher auch der Ausdruck „pumpen” in Verbindung mit einer Wärmepumpe. Die Kompressorleistung passt sich bei einer Wärmepumpe mit Inverter flexibel an den jeweiligen Bedarf an.
3. Verflüssigen: Im dritten Schritt überträgt das komprimierte, erhitzte Kältemittel seine Wärme auf den Heizungskreislauf, kühlt dadurch ab und wird wieder flüssig. Dies passiert am sogenannten Kondensator bzw. Verflüssiger mit Hilfe eines Wärmetauschers. Die Wärme wird anschließend im Warmwasser- und Pufferspeicher der Wärmepumpe gespeichert.
4. Entspannen: Im letzten Schritt wird der Druck des flüssigen Kältemittels in einem Expansions- bzw. Entspannungsventil wieder herabgesetzt, wodurch es weiter abkühlt bis es seine Ausgangstemperatur erreicht hat. Der Wärmepumpenkreislauf kann von Neuem beginnen. Dass Flüssigkeiten abkühlen, wenn sie unter Druck stehen und sich der Druck verringert, haben Sie vielleicht schon bei Spraydosen bemerkt. Die Dose wird spürbar kalt, wenn Sie für eine längere Zeit sprühen.«
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