Dampferzeugende Wärmepumpe mit natürlichen Kältemitteln : Dampf ohne Gas: Möglichkeiten moderner Wärmepumpen-Technologie

Das biopharmazeutische Unternehmen Takeda präsentierte heute, am 25. Jänner 2023, gemeinsam mit dem Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK), dem Klima- und Energiefonds und dem AIT Austrian Institute of Technology (AIT) ein New Energy for Industry (NEFI)-Projekt der FTI (Forschung, Technologie und Innovation)-Initiative „Vorzeigeregion Energie“: Das Forschungsprojekt AHEAD (Advanced Heat Pump Demonstrator).

Im Forschungsprojekt AHEAD wird erstmals eine dampferzeugende Wärmepumpe im industriellen Betrieb integriert. Die erdgasfreie Dampferzeugung zielt darauf ab, eine CO₂-Reduktion von bis zu 90 Prozent an einem der größten Takeda Arzneimittelproduktionsstandorte in Wien zu erreichen und dabei ausschließlich natürliche Kältemittel (R-600[Butan] und R-718[Wasser]) zu verwenden. Dieses technologische Vorzeigeprojekt untermauert die führende Rolle Österreichs in der Hochtemperatur-Wärmepumpenforschung und soll als Praxisbeispiel für die gesamte pharmazeutische Industrie und auch für viele andere Industriebetriebe und Branchen dienen, die ihre Prozesse CO₂-frei gestalten möchten.

Die Innovation dieses Projektes ist die dampferzeugende Wärmepumpe, die ausschließlich mit 100 Prozent natürlichen Kältemitteln betrieben und mit Dampfverdichtern kombiniert wird, um die bisher höchsten Wärmenutzungstemperaturen zu erreichen. Das AHEAD-System kann Temperaturen von 200-260°C erreichen. Bei Takeda werden 184°C für die Dampfversorgung benötigt.

Im Zuge des Pressegespräches pointierten die Referenten die Wichtigkeit der Klimaziele und wie modernste Technik den Pfad zu einer Dekarbonisierung der Industrie ebnen kann. Dem Projekt AHEAD wurde dabei ein Vorzeigecharakter zugesprochen.

Die Arzneimittelproduktion ist sehr energieintensiv, um Rohstoffe, Zwischenprodukte und Medikamente zu kühlen und gleichzeitig bedarf es Wärme und Dampf, um chemische und biologische Prozesse in Gang zu setzen oder ein steriles Produktionsumfeld zu gewährleisten. Mit einem hohen Bewusstsein für den Umweltschutz erfordert dies eine bewusste Entscheidung für die jeweils nachhaltigsten Energieträger (z.B. Strom statt Gas) und die Verwendung von Hilfsmitteln mit der jeweils besten CO₂-Bilanz (z.B. natürliche Kältemittel).

Weiters wird in dem Forschungsprojekt ein Konzept zur Implementierung des AHEAD-Systems für weitere Takeda-Standorte in Österreich und weltweit erstellt. Außerdem wird das Dekarbonisierungspotenzial dieser Technologie für andere wichtige Industriesektoren mit hohem Energieaufwand, wie Papier-, Chemie- und Lebensmittelindustrie, in Österreich untersucht.

Das technische Fundament des AHEAD-Projekts ist eine bereits in Betrieb befindliche CO₂-neutrale Energiezentrale am Takeda Standort in Wien, in der die Kälteerzeugung auf 100 Prozent natürliche Kältemittel umgestellt wurde. Diese Kältemittel zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus und geben kein CO₂ ab (GWP – Global Warming Potential von 0 CO₂ pro kg Kältemittel).

Mit der Zentralisierung der Kühlung des Standorts wurde auch die Möglichkeit geschaffen, diese gleichzeitig für eine Wärmerückgewinnung zu nutzen. Dabei wird die Abwärme der Kälteanlage weiterverwendet und mit einer Wärmepumpe auf 65 bis 70°C erwärmt. Diese wird bereits jetzt für das Heizungswasser des Standorts verwendet. So kombiniert Takeda heute schon Wärme und Kälte für eine effizientere Nutzung.

AHEAD wird in Zukunft die vorhandene Wärme des Heizungswassersystems durch eine weitere spezielle Wärmepumpe zur Dampferzeugung nutzen. Die technische Herausforderung dabei ist, dass es aufgrund der hohen Temperaturen zu thermischen Problemen im Verdichter oder Problemen mit dem Kältemaschinenöl kommen kann. Auch sind die meisten herkömmlichen Kältemittel nicht für so hohe Temperaturen verwendbar. SPH Sustainable Process Heat GmbH hat bereits eine Wärmepumpe entwickelt, die bis zu 165°C liefern kann und auf einem Kolbenverdichter beruht. Diese Wärmepumpe wird nun für den Einsatz natürlicher Kältemittel adaptiert, um so das Heizungswasser zuerst von 65 auf etwa 130°C zu erwärmen und dabei zu verdampfen. Dieser Dampf wird auf 11 bar verdichtet und dabei auf über 184°C erhitzt, so wie es für die Arzneimittelproduktion erforderlich ist.

AHEAD wird voraussichtlich Ende 2024 in Betrieb gehen und Ende 2025 soll die finale Auswertung stattfinden. Das Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen der Forschungsinitiative „NEFI – New Energy for Industry“ als Teil der österreichischen Innovationsoffensive „Vorzeigeregion Energie“ durchgeführt.

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