Bij het Duitse Fraunhofer ISE (Institut für Solare Energiesysteme) lopen twee onderzoeksprojecten die zijn gericht op de optimalisatie van industriële warmtepompen voor proceswarmte en stadswarmte. Bij één van de twee projecten is een testopstelling in gebruik genomen met een hogetemperatuurwarmtepomp die processtoom tot 160 °C en heet water onder hoge druk levert.
Om een industriële warmtepomp te bouwen en hem efficiënt in een productieproces te integreren of in te zetten voor stadswarmte, volstaat het volgens Fraunhofer ISE niet om bestaande losse HVAC-componenten simpelweg op te schalen. ‘De combinatie van een warmtebron, koudemiddel, warmtewisselaar, hydraulische integratie, regeling en economische bedrijfsstrategie moet per geval in kaart worden gebracht’, aldus de onderzoeksinstelling. Om adviseurs en fabrikanten te helpen daarbij tot een optimaal ontwerp te komen, lopen bij het instituut twee projecten: het onlangs gestarte labproject FernWP (‘Fern- und Prozesswärmeversorgung durch Wärmepumpen als Ersatz der Kohleverbrennung’) en ‘Reallabor GroßWP’, waarbij vijf operationele warmtepompen bij Duitse stadswarmtenetten uitvoerig worden gemonitord.
“Niet alleen temperatuur”
Binnen FernmWP is bij Fraunhofer een testopstelling met een hogetemperatuurwarmtepomp gebouwd. Volgens de onderzoekers in dit project is de insteek om hiermee thermodynamische conceptontwikkeling, componententests en een praktijkgericht systeemontwerp samen te brengen. “Voor industriële toepassingen is niet alleen de maximaal bereikbare temperatuur doorslaggevend”, stelt Ursula Wittstadt, projectleider FernWP bij Fraunhofer ISE. “Een hogetemperatuurwarmtepomp moet bij wisselende warmtebronnen, belastingen en bedrijfsmodi efficiënt en betrouwbaar processtoom of heet water onder hoge druk leveren. Met onze testopstelling maken we die wisselwerkingen meetbaar en hebben we een basis voor de verdere ontwikkeling van componenten en systemen.”
Butaan als koudemiddel
De nieuwe testopstelling van Fraunhofer ISE maakt metingen aan warmtepompen voor temperaturen tot 160 °C mogelijk, om uit de resultaten het optimalisatiepotentieel voor ontwerp en bedrijfsvoering af te leiden. Bij onderzoek dat nu is gestart, wordt butaan als koudemiddel gebruikt. Vanwege de brandbaarheid daarvan worden in dit geval ook veiligheidsaspecten en uitdagingen rond de opstelling van de warmtepomp meegenomen. Voor ontwikkelaars van warmtepompen en warmtewisselaars leveren de meetgegevens uit het Fraunhofer-lab een basis om componenten doelgerichter te ontwerpen voor hoge temperaturen, grote vermogens en wisselende werkpunten.
Monitoring van 5 grote warmtepompen
Ongeveer 16 procent van de huishoudens in Duitsland wordt momenteel van stadsverwarming voorzien. Om de opwekking van warmte daarvoor te verduurzamen, wordt steeds meer gekeken naar mogelijkheden om stadsverwarmingscentrales op warmtepompen te laten draaien. In het project ‘Reallabor GroßWP’ verzamelt Fraunhofer ISE sinds drie jaar bedrijfsgegevens uit vijf operationele warmtenet-warmtepompen, in vermogen variërend tussen 1,12 en 22 MW. De bedoeling van dit project, dat tot eind 2028 doorloopt, is om met de uitkomsten het ontwerp, de hydraulische integratie en de bedrijfsvoering van dergelijke installaties te optimaliseren.
Kennis van bestaand installatiepark
Uit de resultaten tot nu toe blijkt volgens Fraunhofer ISE dat grote warmtepompen in de praktijk betrouwbaar functioneren, mits de componenten, regeling, hydraulische integratie en bedrijfsstrategie correct zijn ontworpen en geïmplementeerd. “De monitoring van deze vijf installaties laat zien dat de warmtepompen in de praktijk goed functioneren en de beoogde werkpunten bereiken”, vertelt Axel Oliva, projectleider Reallabor GroßWP bij Fraunhofer ISE. “Doorslaggevend voor de efficiëntie en beschikbaarheid is echter niet alleen de warmtepomp, maar ook de warmtebron, de hydraulische integratie, het bestaande opwekkingssysteem en de concrete bedrijfsstrategie. We zien daarnaast dat de werking binnen het netwerk van energiecentrales kennis vereist van het bestaande installatiepark, het stadsverwarmingsnet en de afgiftesystemen.”
Praktische inzichten
Een van de praktische inzichten die bij dit project zijn opgedaan, is dat bij installaties met rivierwater als warmtebron het thermisch vermogen bij lage watertemperaturen en in de deellast afneemt. Bij brontemperaturen onder ongeveer 6 °C werd een vermogensreductie waargenomen. Een ander inzicht betreft de bedrijfsstrategie: waar voorheen in veel gevallen overwegend werd uitgegaan van seizoensgebonden inzet van een warmtepomp, worden de installaties nu steeds vaker aangestuurd op dagprofielen en energie-economische randvoorwaarden. Daardoor nemen de eisen aan start-stop-cycli, stilstandtijden, service en installatiebeschikbaarheid toe.
Meer informatie over dit project is te vinden op de website van Fraunhofer.
Leestip: Grootste stoomwarmtepomp ter wereld krijgt enorme verdamper
