Die Dekarbonisierung der industriellen Prozessw?rme, also der Wandel, weniger Kohlenstoff in die Atmosph?re freizusetzen, ist eine der gro?en Herausforderungen der Energiewende. In der Industrie wird jedoch ein erheblicher Teil des Energiebedarfs noch immer durch fossile Brennstoffe wie Kohle, Erd?l oder Erdgas gedeckt, w?hrend nur ein geringer Teil der eingesetzten Energie wieder zurückgewonnen wird. Hier setzt das Verbundprojekt ?HeatTransPlan“ an, das von Wissenschaftler*innen der Universit?t Paderborn geleitet wird. Im Temperaturbereich bis 200 Grad Celsius (°C), der rund 40 Prozent des gesamten Bedarfs ausmacht, schlummert ein enormes, bislang kaum genutztes Potenzial durch Abw?rmenutzung. Hochtemperatur-W?rmepumpen gelten dabei als Schlüsseltechnologie, um industrielle Prozesse künftig klimafreundlicher zu gestalten. Zudem fungieren W?rmespeicher im Hochtemperaturbereich als die technischen M?glichmacher für Versorgungssicherheit bei prozessbedingten Schwankungen. Das Projekt wird über drei Jahre vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) mit 2,21 Millionen Euro gef?rdert und l?uft noch bis Ende n?chsten Jahres.
Herausforderungen und L?sungsans?tze bei der Abw?rmenutzung
Projektleiter Dr.-Ing. Florian Schlosser vom Fachgebiet Energiesystemtechnik (EST) der Universit?t Paderborn erkl?rt die dr?ngende Relevanz der Untersuchungen: ?Durch gesetzliche Anforderungen wie die Meldepflicht von Abw?rme gem?? dem Energieeffizienzgesetz sind Unternehmen zunehmend gefordert, ihren Energieeinsatz zu optimieren und eingesetzte Energie zurückzugewinnen. Allerdings haben mangelndes Bewusstsein für sinnvolle Anwendungsm?glichkeiten technischer L?sungen zur W?rmeumwandlung und -speicherung über 100 °C sowie fehlende Ressourcen bei der Planung die Realisierung potenzieller Umsetzungen bisher gehindert.“ Um das zu ?ndern, arbeiten die Wissenschaftler*innen, die am SICP – Software Innovation Campus und im Kompetenzzentrum für Nachhaltige Energietechnik (KET) der Universit?t Paderborn interdisziplin?r forschen, mit industriellen Kooperationspartner*innen an innovativen Instrumenten und robusten L?sungen. Als Multiplikator ist InnoZent OWL e.V., ein Technologienetzwerk für nachhaltige Unternehmensentwicklung, mit an Bord.
Die Wichtigkeit von Daten für die Planung optimaler W?rmenutzungssysteme
Grundlage für die systematische Nutzung sowie ganzheitliche Optimierung von W?rmeüberschüssen und -bedarfen in industriellen Produktionsprozessen sind Kenntnisse über die thermischen Prozessanforderungen. Da die jeweilige Datenlage der Partnerunternehmen jedoch einen Engpass darstellte, wurde ein st?rkerer Fokus auf den Einsatz von ?Process Mining“ gelegt. ?Mit dieser Methode werden Datenlücken zur Beschreibung bestehender Prozesse und ihrer Energiebedarfe geschlossen, indem tats?chliche Prozessverl?ufe auf Basis vorhandener Maschinendaten rekonstruiert werden – ein entscheidender Schritt für eine hohe Datengenauigkeit und effektive Prozessverbesserungen“, erkl?rt Prof. Dr. Oliver Müller, Leiter des Lehrstuhls für Wirtschaftsinformatik, insbesondere Data Analytics an der Universit?t Paderborn. Anhand praktischer Anforderungen entwickelt das Projektteam die Methoden sowie prototypischen Instrumente und erprobt diese in zw?lf Fallstudien, die vom Projektpartner Limón GmbH organisiert und durchgeführt werden. ?Vier Praxisversuche haben wir bereits abgeschlossen und wichtige Erkenntnisse darüber gewonnen, wie die industrielle W?rmeversorgung umgestaltet werden sollte, damit sie CO2-neutral wird“, so Prof. Müller. Aktuell werden vier weitere Fallstudien durchgeführt. Die Partner kommen aus der Lebensmittel-, Pharma-, Papier- und metallverarbeitenden Industrie. Aufbauend auf den Ergebnissen wird ein digitales Entscheidungsunterstützungssystems (EUS) entwickelt, das als zentraler Anker für die Planung und Konfiguration von W?rmepumpen-Speicher-Systemen (WSS) dient. Der Softwareentwickler OPTANO GmbH unterstützt als Partner bei der Entwicklung des Optimierungsalgorithmus, der das Herzstück des EUS bildet.
Mit thermischen Speichern bereit für die n?chsten Schritte
Neuartige W?rmepumpen-Speicher-Systeme im Hochtemperaturbereich bieten gro?es Potenzial für eine effiziente Nutzung von Abw?rme sowie erneuerbarer Energiequellen, reduzieren den Bedarf an fossilen Brennstoffen und senken Energiekosten. Im Rahmen von ?HeatTransPlan“ wird ein neuartiger, Hochtemperatur-W?rmespeicher für die effiziente Speicherung im Temperaturbereich über 100 °C entwickelt und unter produktionsnahen Bedingungen am Fachgebiet Fluidverfahrenstechnik (FVT) der Universit?t Paderborn experimentell charakterisiert. Er basiert auf Phasenwechselmaterialien, also Stoffen, die bei bestimmten Temperaturen ihren Aggregatzustand ?ndern und dabei gro?e Mengen an Energie aufnehmen oder abgeben, kombiniert mit innovativen Kissenplattenw?rmeübertragern und einer hochwirksamen Vakuumisolierung, um W?rmeverluste zu minimieren. Das Projektteam ermittelt die Rolle von Hochtemperatur-Speichern als technische M?glichmacher bei der Transformation der industriellen W?rmeversorgung. Die Planung der W?rmepumpenkonzepte übernimmt der W?rmepumpenhersteller Sustainable Process Heat GmbH. Für die Speicherentwicklung und -fertigung sind die Partner Axiotherm als Hersteller der Phasenwechselmaterialien und K?nig Metall als Hersteller des vakuumisolierten Geh?uses sowie der Kissenplattenw?rmeübertrager zust?ndig. ?Die W?rmewende in der Industrie erfordert fundiertes Prozesswissen, technologische Weiterentwicklung und sektorübergreifende Zusammenarbeit. Wir freuen uns auf die n?chsten Schritte im Projekt. Die Meilensteine, die wir bisher erreicht haben, bringen uns unserem gro?en Ziel immer n?her: der resilienten und effizienten Umwandlung und Speicherung von W?rme“, sagt Prof. Dr.-Ing. Julia Riese, Leiterin des Lehrstuhls für FVT an der Universit?t Paderborn.
Weitere Informationen zu ?HeatTransPlan“ und zur M?glichkeit, Fallstudienpartner zu werden gibt es unter: www.heattransplan.de
