Wärme auf Weltrekordniveau

Mehr als zwei Drittel des industriellen Energiebedarfs entfallen auf die Erzeugung von Prozesswärme – und über 80 Prozent davon stammen aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Öl. Wärmepumpen könnten das ändern: Sie sind hocheffizient und arbeiten mit grünem Strom praktisch CO₂-neutral. Doch bisher haben sie eine entscheidende Schwäche. Die meisten liefern Wärme nur bis 150 Grad Celsius, Forschungsanlagen gelegentlich bis 200 Grad. Für Papiertrocknung, PVC-Herstellung oder das Rösten von Lebensmitteln reicht das nicht – hier werden bis zu 300 Grad benötigt. Genau hier setzt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt an.

Am DLR-Standort Cottbus hat das 2019 gegründete Institut für CO₂-arme Industrieprozesse eine Hochtemperatur-Wärmepumpe entwickelt, die diese Lücke schließen soll. Der Name „CoBra“ steht für den Standort Cottbus und den thermodynamischen Brayton-Prozess. Beim Brayton-Prozess wird Luft verdichtet und dabei erhitzt. Diese Wärme gibt die Anlage an einen Industrieprozess ab. Die CoBra liefert Prozesswärme bis über 300 Grad Celsius und gleichzeitig Prozesskälte bis minus 40 Grad bei einer Wärmeleistung von rund 200 Kilowatt. „Die Versuchsanlage CoBra erzielt weltweit einmalige Werte bei der erreichten Temperatur. Diese hohen Temperaturen waren mit Wärmepumpen im industriellen Einsatz bisher nicht möglich. Sie sind aber für einen CO₂-armen Umbau der entsprechenden Industrieprozesse unverzichtbar“, erklärt Justus Herbrich, Ingenieur und Projektmanager beim DLR in Cottbus.

Im Mittelpunkt der CoBra steht der Verdichter. Das DLR setzt hier auf eine leistungsstarke Lösung aus dem Schiffbau: Eine Art Turbolader zur Verdichtung von Abgasen wurde vom DLR für den Einsatz in der Wärmepumpe adaptiert. „Dieser Ansatz aus der angewandten Forschung, bewährte Komponenten aus anderen Branchen zu modifizieren, statt neu zu entwickeln, spart Zeit und Kosten“, begründet Herbrich das auf den ersten Blick ungewöhnlich erscheinende Vorgehen. Mit bis zu 100 Kilowatt Antriebsleistung dreht der Verdichter mit sehr hohen Drehzahlen, die ein vorgeschaltetes Getriebe möglich machen. Dieses Hochleistungsgetriebe erfordert eine zuverlässige, präzise dosierte Schmierung mit Hydrauliköl, eine Aufgabe, die bei der CoBra ein Hydraulikaggregat übernimmt.

 „Wir haben die HANSA‑FLEX Niederlassung Cottbus als zuverlässigen Lieferanten kennengelernt, der uns mit kurzen Reaktionszeiten und persönlicher Beratung überzeugt hat“, blickt Herbrich zurück. Als das DLR beim Aufbau der CoBra auf ein ernstes Problem stieß, konnte der Hydraulikspezialist weiterhelfen. „Wir haben uns die Situation vor Ort genau angeschaut, die Knackpunkte analysiert und ein Konzept entwickelt, das wirklich auf die Anlage zugeschnitten ist“, sagt Uwe Fröhlich, Kundenbetreuer bei HANSA‑FLEX und damals als Technischer Berater direkt in den Auftrag eingebunden. „Es war alles andere als ein Standardauftrag, aber genau solche Aufgaben treiben uns an.“

Das Ergebnis ist ein individuell für das DLR gefertigtes Sonderaggregat, das verschiedene Anforderungen in einer Lösung vereint: Auf der einen Seite müssen Öldruck, Volumenstrom und Temperatur exakt auf die jeweilige Betriebsart der Wärmepumpe abgestimmt sein. Eine besondere Herausforderung war der Betriebsdruck: Während in der Hydraulik Drücke von 350 bar an der Tagesordnung sind, werden je nach Betriebsphase für die Schmierung des Getriebes lediglich Drücke von 0,4 bis maximal 3 bar benötigt. „Das präzise Regeln von solch niedrigen Drücken erfordert nicht nur eine sorgfältige Auswahl der Sensoren und weiteren Komponenten, sondern auch viel Know-How in der Entwicklung“, berichtet René Hohberger, aus der Abteilung Technik/Entwicklung bei HANSA‑FLEX. Weiterhin muss das rückströmende, stark schäumende Öl zuverlässig entgast werden bevor es wieder in den Kühl- bzw. Schmierkreislauf gelangt. Dadurch werden auch Messfehler bei der temperaturkompensierten Volumenstrommessung vermieden. Den Umgang mit den spezifischen Platzverhältnissen waren die Konstrukteure aus anderen Projekten gewohnt. Auf der anderen Seite wünschte sich das DLR eine über den zentralen Leitstand regelbare, aber dennoch selbstüberwachende Lösung, die sich schnell in die Gesamtanlage integrieren lässt. Das Aggregat überwacht selbstständig alle relevanten Parameter - Temperatur, Druck, Ölstand, Drehzahl, Frequenzumrichter, Volumenstrom und Filter. Beim Überschreiten eines ersten Grenzwerts geht eine Warnung an den zentralen Leitstand der Wärmepumpe, beim zweiten schaltet die Kompressoranlage per Notaus ab, um Schäden an dem kostspieligen Getriebe zu vermeiden. Alle Parameter lassen sich über eine eigene, von HANSA‑FLEX programmierte Steuerung mit Touch-Panel fein einstellen – für die Forschung eine entscheidende Voraussetzung. „Für uns war zentral, dass das Aggregat nicht nur einfach läuft, sondern dass wir damit auch forschen können, um die optimalen Parameter für den effizienten Betrieb der Wärmepumpe zu ermitteln. HANSA‑FLEX hat ein System geliefert, das Flexibilität, Forschung und Anlagenschutz clever miteinander kombiniert“, erklärt Herbrich.

Bevor das Aggregat nach Cottbus geliefert wurde, durchlief es in Dresden-Weixdorf mehrere Optimierungszyklen: Software und Steuerung wurden getestet und verfeinert. Als das DLR das Aggregat schließlich installierte, funktionierte alles vom ersten Moment an. Der HANSA‑FLEX Techniker, der bereits für die Inbetriebnahme eingeplant war, wurde erst gar nicht benötigt. Bei den ersten Versuchen ergab sich noch eine zusätzliche Anforderung für das Anfahren des Getriebes, welche mit einem weiteren Sensor aus dem Lagerprogramm schnell realisiert werden konnte, HANSA‑FLEX hatte diese Möglichkeit vorausgedacht und entsprechend bereits in der Konstruktion vorbereitet. „Dass die Inbetriebnahme so reibungslos verlief, zeigt, wie sorgfältig HANSA‑FLEX von der ersten Bedarfsanalyse bis zum fertigen System gearbeitet hat. Wir hatten einen verlässlichen Auftragnehmer, der unsere Anforderungen genau verstanden hat“, sagt Herbrich.

Das Projekt CoBra belegt eindrucksvoll: Hochtemperatur-Wärmepumpen für die Industrie sind machbar. Drei Pilotprojekte in der Papier-, Lebensmittel- und Gummiindustrie – in Deutschland, Italien und Griechenland – belegen derzeit das Potenzial unter realen Bedingungen. „Die Rückmeldungen aus der Industrie sind ausgesprochen positiv. Unsere Wärmepumpen-Technologie hat das Potenzial, ein Viertel der gesamten industriellen CO₂-Emissionen einzusparen“, betont Justus Herbrich. Für HANSA‑FLEX war das Aggregat viel mehr als ein Auftrag. Das Familienunternehmen verfolgt selbst einen engagierten Nachhaltigkeitskurs, mit dem Ziel 2040 klimaneutral zu arbeiten. „Unser ganzes Team stolz darauf, mit unserem Engineering und Engagement die Energiewende mitzugestalten“, schließt Uwe Fröhlich.