Dampferzeugende Wärmepumpen – Überblick, Klassifikation, Wirtschaftlichkeit und grundlegende Modellierungsprinzipien

Wärmepumpen (WP) sind eine Schlüsseltechnologie zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung in verschiedenen Sektoren. In den vergangenen Jahrzehnten wurden umfangreiche Forschungen durchgeführt, um höhere Versorgungstemperaturen und Heizkapazitäten zu erreichen. Darüber hinaus wurden modifizierte Wärmepumpen zur Dampferzeugung – sogenannte dampferzeugende Wärmepumpen (SGWP) – entwickelt. Da Dampf der Hauptwärmeüberträger im Niedrig- und Mitteltemperaturbereich (bis zu 300 °C) ist, ermöglichen SGWPs den Einsatz von WPs in verschiedenen industriellen Prozessen und fördern die Dekarbonisierung des Industriesektors. Dieses Papier präsentiert den aktuellen Stand der SGWPs, relevante technische und wirtschaftliche Daten sowie grundlegende Modellierungsprinzipien, um einen besseren Zugang zu dieser Technologie zu ermöglichen. Da SGWPs auf konventionellen WPs (z. B. Verdampfungswärmepumpe) oder manchmal einer Kombination verschiedener WPs (z. B. Verdampfungswärmepumpe mit mechanischer Dampfverflüssigung) basieren, werden zunächst relevante Hoch- und sehr Hochtemperaturwärmepumpen (HTWP und VHTWP) mit Versorgungstemperaturen über 100 °C vorgestellt. Geschlossene Systeme können derzeit Versorgungstemperaturen von bis zu 250 °C erreichen. Bei offenen Systemen sind sogar höhere Temperaturen von bis zu 350 °C möglich. Anwendungsbeispiele von SGWPs mit einem TRL zwischen 1 und 9 werden diskutiert und verwendet, um fünf grundlegende Designs von SGWPs zu entwickeln. Da viele dieser grundlegenden Designs eine Kombination mehrerer Technologien umfassen, sind eine Vielzahl potenzieller SGWP-Konfigurationen möglich. Dies führt zu hohen Planungsaufwänden, insbesondere in den frühen Phasen von Projekten. Um diesen Aufwand zu reduzieren und einen breiteren Zugang zu diesen Technologien zu ermöglichen, werden grundlegende Modellierungsansätze und gängige Parametrisieren für die Hauptkomponenten vorgestellt. Fallstudien werden verwendet, um die grundlegenden Auswirkungen ausgewählter technischer Randbedingungen auf die Effizienz der Technologien zu erörtern. Neben einem technischen Update werden wirtschaftliche Daten präsentiert, um die spezifischen Ausrüstungskosten solcher Wärmepumpen zu schätzen.