Modellierung und Auslegung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe für Abwärme von Industrieprozessen

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Auslegung eines Hochtemperatur-Wärmepumpenprozesses für die Rückgewinnung von Wärme aus dem CO₂-Abscheidungsprozess an einer thermischen Abfallbehandlungsanlage. Mithilfe des Simulationswerkzeugs Aspen Plus® wurden Modelle verschiedener Wärmepumpenkonfigurationen entwickelt, einschließlich verschiedener Kältemittel, um die Prozesse zu bilanzieren und zu bewerten. In diesem Rahmen konnten die Abwärmeströme einer CO₂-Aminwäsche erfolgreich auf ein höheres Temperaturniveau gehoben werden, um sie dem Prozess erneut zuzuführen. Im Fokus stehen subkritische Zyklen, bei denen die Kältemittel R1233zd(E) und R601 aufgrund ihrer thermodynamischen, ökologischen Eigenschaften als besonders geeignet identifiziert wurden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die benötigte externe thermische Energiezufuhr der Aminwäsche von 3,6 GJ/tCO2,ab auf 1,0 GJ/tCO2,ab durch die Aufnahme von 1,43 GJ/tCO2,ab Abwärme und Zufuhr von 1,2 GJ/tCO2,ab elektrischer Energie für die Kompression reduziert werden konnte, was eine Reduktion von ca. 72 % entspricht. Der ermittelte COP des Wärmepumpensystems lag bei 2,15. Die Arbeit hebt hervor, dass Hochtemperatur-Wärmepumpen durch Prozessintegration und Wärmerückgewinnung Potenziale zu signifikanten Energieeinsparungen und Effizienzsteigerungen bieten. Weitere Optimierungspotenziale bestehen in der Kombination mit Kaskadenschaltungen und der direkten Verdichtung des abgeschiedenen CO₂. Diese Ansätze bieten eine solide Grundlage für die Weiterentwicklung energieeffizienter CO₂-Abscheidungstechnologien.