Sammendrag
Thermische Prozesse in der Nahrungsmittelindustrie sind oftmals eine Kombination aus Erwärmung und Abkühlung eines Produktes. Prozesskühlung wird dabei meistens mittels einer Wärmepumpe erzielt, während für die Prozesswärme oftmals eine fossile Energiequelle genutzt wird. Kombinierte Wärmepumpensysteme, die sowohl Prozesskühlung als auch Prozesswärme liefern, haben gerade vor dem Hintergrund des Pariser Klimavertrags ein hohes Marktpotential.
Im vorliegenden Fall wurde eine Propan-Butan-Wärmepumpe entwickelt, welche an der Wärmequelle Prozesskühlung in der Form von Wasser mit einer Temperatur von 4 °C liefert und an der Wärmesenke Heißwasser mit 115 °C bereitstellt. Hierfür wurden bewusst zwei natürliche Kältemittel eingesetzt um zukünftige Beschränkungen und Herausforderungen mit synthetischen Kältemitteln zu umgehen.
Basierend auf den genannten Anforderungen wurde eine 20 kW-Demonstrationsanlage ausgelegt, gebaut und unter variierenden Betriebsbedingungen getestet. Für den Propan-Teilkreislauf wurden ausschließlich Standard-komponenten eingesetzt, während für den Butan-Hochtemperaturkreislauf eine Modifikation des Kompressors erforderlich war.
In den durchgeführten Experimenten wurde die kombinierte Leistungszahl der Wärmepumpe mit 2,5 ermittelt, in welcher die wasserseitigen Wärmeverluste bereits mitberücksichtig wurden. Dies bedeutet, dass für 1 kW elektrische Energie Prozesswärme von 1,7 kW bei 115 °C geliefert wurde und gleichzeitig Prozesskühlung von 0,7 kW bei 4 °C erzielt wurde. Der kombinierte Carnot-Wirkungsgrad der Demonstrationsanlage lag somit bei circa 45 %. Das Energiesparpotenzial gegenüber einer herkömmlichen Prozesskühlung mit einem kombinierten Warmwasserboiler liegt bei 57 %.
Die entwickelte Wärmepumpenlösung kann auch dazu genutzt werden um existierende Kälteanlagen nachzurüsten, bei denen die Wärmesenke derzeit nicht genutzt wird. Dies würde es beispielsweise ermöglichen die Überschussenergie von Gefrieranlagen zur Produktion von Heißwasser zu nutzen.
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