Die Versuchsanlage CoBra ist eine Demonstrationsplattform für Hochtemperatur-Wärmepumpen und ihre Komponenten, die nach dem Brayton-Prozess funktioniert und Luft als Arbeitsmedium nutzt. Aus den Begriffen Brayton und dem Anlagenstandort Cottbus leitet sich der Name CoBra ab. Die CoBra besteht aus einem Haupt- und zwei Sekundärkreisläufen und ist so ausgelegt, dass die Prozesswärme bei Temperaturen bis über 300 °C und Prozesskälte bis unter -40 °C bereitstellen kann. Die Anlagenkomponenten sind für den Temperaturbereich [-80 °C, +500 °C] und einen Betriebsdruck bis 7 bar absolut ausgelegt, sowie für eine Leistung von 200 kW. Die Anlagenleistung wird dabei in der Regel durch das verwendete Verdichtersystem beschränkt.
Hochtemperatur-Wärmepumpe CoBra
mit Turbine (links), Wärmetauschern (Mitte) und Wärmesenke (rechts)
Der Brayton-Prozess ist ein Kreisprozess der vor allem in Gasturbinen zur Stromerzeugung oder Flugtriebwerken verwendet wird. Wird der Kreisprozess in der gegenläufigen Richtung durchlaufen eignet er sich auch für Wärmepumpen und Kältemaschinen. Für die Wärmepumpe besteht der Ablauf aus Kompression, Wärmeabgabe, Expansion und Wärmezufuhr. Er wird wie in Abbildung 1 zu sehen ist umgesetzt. Ein durch einen Elektromotor (M) angetriebener Verdichter komprimiert die Luft, wodurch es zu einer Erwärmung kommt. Im nachfolgenden Hochtemperatur-Wärmeübertrager wird die Wärmeenergie an den Wärmeabnehmer (Industrieprozess) abgegeben. Durch eine Turbine, die einen Generator (G) zur elektrischen Energierückgewinnung antreibt, wird die Luft wieder expandiert, wobei sie sich abkühlt und Energie an die Turbine abgibt. Danach wird über einen weiteren Wärmeübertrager, Wärme aus einer Quelle (Abwärme, Umgebungsluft, Warmwasser) zugeführt. Damit ist der Kreisprozess geschlossen. Ein Rekuperator ist zuschaltbar und dient der prozessinternen Rückgewinnung der Wärmeenergie.
Abbildung 1
Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm, zweistufiges Kompressionssystem und beispielhafte Testergebnisse vom Juni 2024 unter Verwendung von zwei Radialturbokompressoren als Kompressionssystem
Ziel des Projektes ist es, die Machbarkeit für hohe Prozesstemperaturen über 200 °C zu demonstrieren. Außerdem soll das reale Betriebsverhalten untersucht werden, da es weltweit zahlreiche Modellierungen und Konzeptstudien gibt, jedoch keinen vergleichbaren realen Demonstrator. Dabei sind insbesondere der transiente Betrieb (Anfahren, Abfahren und Lastwechsel) sowie die Druck- und Temperaturverluste der realen Komponenten von Interesse.
In der Anlage sollen verschiedene Komponenten, Temperaturbereiche und Betriebsmodi getestet werden, daher wird die CoBra auch ständig weiterentwickelt. Weitere Forschungsbereiche sind die effiziente Steuerung und Regelung der Anlage um zu demonstrieren, dass die Wärmeerzeugung realen Prozessanforderungen folgen kann.
2024 erfolgte die Erstinbetriebnahme im Wärmepumpenbetrieb mit geschlossenem Kreislauf. Für diese Versuche wurden zwei radiale Turboverdichter in Serie verwendet.
Hochtemperatur-Wärmepumpe CoBra
mit Wärmetauschern (Mitte) Kompressionssystem (links) Turbine (rechts)
