Pilotanlage ZiRa
Rund die Hälfte des weltweiten Endenergieverbrauchs entfällt auf Wärme und davon wiederum etwas mehr als die Hälfte auf industrielle Prozesswärme. Diese Wärme wird heute überwiegend noch durch die Verbrennung fossiler Energieträger bereitgestellt. Der Anteil erneuerbarer Energien an der weltweiten Wärmeerzeugung liegt bislang lediglich bei rund 10 %.
Das zeigt die Dimension der Aufgabe: Gerade in der Industrie ist der Hebel für CO₂-Reduktion besonders groß. Die Hochtemperatur-Wärmepumpe ZiRa (Zittau Rankine) adressiert diesen Bedarf direkt: Mit ihr soll Prozessdampf nachhaltig und effizient bereitgestellt werden. Besonders relevant ist dies für Branchen wie Chemie, Papier oder Lebensmittel, in denen Prozesswärme unverzichtbar ist.
ZiRa – die Anlage
ZiRa ist ein Prototyp einer Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP) für industrielle Prozesse auf Basis des Rankine-Prinzips. Sie nutzt Wasser als Arbeitsmedium – umweltverträglich, nicht brennbar, nicht toxisch. Ihre Leistungsdaten sind direkt auf die Bedarfe der Industrie ausgerichtet – Prozessdampf in relevanten Temperatur- und Druckbereichen kann effizient bereitgestellt werden.
Die zentrale Schlüsseltechnologie ist die dreistufige Dampfverdichtung mit Turboradialverdichtern. Dabei sind mehrere Aspekte entscheidend: die aerodynamische Auslegung der Verdichter, die Lagerung und die Dichtungskonzepte, die zuverlässig bei hohen Temperaturen und Drücken funktionieren müssen.
Darüber hinaus ist es eine herausfordernde und essentielle Aufgabe, eine Anlage mit mehreren Verdichterstufen sicher und effizient zu betreiben. Dafür werden innovative Regelungsalgorithmen entwickelt und erprobt, die den stabilen Betrieb ermöglichen und den Energieeinsatz optimieren.
Die Abbildung zeigt ein 3D-Modell von ZiRa, das den Aufbau der Anlage verdeutlicht und einen Eindruck von der technischen Komplexität vermittelt.
ZiRa ist sowohl Forschungsplattform als auch Demonstrator für den Transfer in die Industrie. Das TRL (technologischer Reifegrad) liegt bei 5, in Zusammenarbeit mit Industriepartnern soll die Rankine-HTWP-Technologie in Projekten weiterentwickelt und auf TRL 7 gesteigert werden.
Technologie und Besonderheiten
Das Herzstück der Anlage ZiRa ist eine dreistufige Wasserdampfverdichtung mit Turboradialverdichtern. Damit wird Sattdampf von 120 °C (2 bar) auf 200 °C und ca. 16 bar verdichtet und erhitzt. An der Senke – also dort, wo die nutzbare Wärme in den industriellen Prozess eingespeist wird – stehen rund 750 kW thermische Leistung zur Verfügung.
ZiRa erreicht dabei einen Temperaturhub von 80 Kelvin zwischen der Quelle, an der industrielle Abwärme aufgenommen wird, und der Senke. Für eine HTWP ist das ein hoher Wert – und dennoch erreicht ZiRa dabei einen COP (Leistungszahl) von über 3, also ein sehr gutes Verhältnis von eingesetzter elektrischer Energie zu erzeugter Wärme.
Mit diesen Eigenschaften ist ZiRa im Bereich Rankine-Wärmepumpen einzigartig. Sie ergänzt andere Entwicklungen unseres Instituts, etwa die Hochtemperatur-Wärmepumpe „CoBra“, die auf dem Brayton-Prinzip basiert und mit Luft als Arbeitsmedium noch höhere Temperaturen bei geringerer thermischer Leistung erreicht.
Anwendung der HTWP-Technologie
Für den Einsatz von HTWP gibt es zwei grundlegende Wege:
· „Retrofit“: Hier wird der bestehende Heizkessel am Standort, der bislang Prozesswärme durch die Verbrennung fossiler Energieträger bereitstellt, durch eine HTWP ersetzt. Die erzeugte Wärme wird – wie bisher – über Leitungen an die verschiedenen Verbraucher verteilt.
· Direkte Integration: Dabei wird die Wärmepumpe direkt in eine Produktionsmaschine eingebaut, also dort, wo die Wärme benötigt wird. Ein Beispiel sind große Fritteusen in der Lebensmittelindustrie. So lassen sich Leitungsverluste vermeiden. Allerdings ist dafür ein höherer Entwicklungsaufwand nötig, weil eine neue Maschinengeneration inklusive HTWP konzipiert werden muss.
Gerade Rankine-HTWP bieten für diesen Integrationsansatz Vorteile: Durch den Phasenübergang von Wasser zu Dampf lässt sich viel Energie auf kompakter Fläche übertragen. Diese Kompaktheit macht die Technologie besonders geeignet, direkt in Produktionsmaschinen eingebaut zu werden.
Im Rahmen laufender Projekte arbeiten wir mit Industriepartnern an Konzepten für den Einsatz von ZiRa-ähnlichen Anlagen in realen Produktionsumgebungen.
ZiRa-Inbetriebnahme
Die Inbetriebnahme der Anlage ZiRa ist der Abschluss einer längeren Inbetriebnahme-Phase. In diesem Prozess werden die verschiedenen Subsysteme, Sicherheitseinrichtungen und Regelungen systematisch Schritt für Schritt geprüft, aktiviert und aufeinander abgestimmt. Dabei werden auch die initialen Betriebsparameter schrittweise justiert.
Der erste Betrieb erfolgt mit zwei Verdichterstufen, womit Temperaturen von etwa 145 °C erreicht werden. Erst wenn das Gesamtsystem hinreichend verstanden und optimiert ist, wird die dritte Verdichterstufe hinzugeschaltet. Damit lassen sich schließlich die vollen 200 °C realisieren.
Ein Vorteil dieses schrittweisen Vorgehens ist, dass die Abstimmung mehrerer Verdichterstufen für einen sicheren und stabilen Betrieb zunächst gründlich erprobt und verstanden wird. Darauf aufbauend lässt sich die Technologie perspektivisch erweitern – etwa durch eine zusätzliche Verdichtungsstufe, mit der 250 °C und 40 bar erreichbar wären. Auch dies bleibt jedoch eine technisch anspruchsvolle Aufgabe, die nur mit den Erfahrungen aus ZiRa realistisch zu bewältigen ist.
Nachhaltiger Nutzen
ZiRa zeigt, dass eine Hochtemperatur-Wärmepumpe auf Basis des Rankine-Prinzips unter realistischen Bedingungen Prozessdampf auf industriell relevanten Temperaturniveaus bereitstellen kann. Damit liefert die Anlage einen greifbaren Nachweis der technischen Machbarkeit und eröffnet konkrete Perspektiven für den industriellen Einsatz.
ZiRa leistet so einen wichtigen Beitrag zur CO₂-Reduktion und zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse. Diese übergeordneten Ziele sind vielfach beschrieben – ZiRa zeigt nun konkret, wie sie mit innovativer Technologie umgesetzt werden können.