Dampfwärmepumpe mit 70 % Regelbereich
2. März 2026
Wir bei AtmosZero haben uns voll und ganz auf unsere Arbeit konzentriert und bahnbrechende Fortschritte erzielt – und nun sind wir endlich bereit, diese mit Ihnen zu teilen…
Die kaskadierte 1-MW-Dampfwärmepumpe von AtmosZero erreicht nuneinen effektiven Regelbereich von ca.70 % – sie kann bis auf ca. 30 % der Nennleistung heruntergeregelt werden, was die Wirtschaftlichkeit von Elektrifizierungsprojekten grundlegend verändert.
In unserem neuen Whitepaper haben wir die Architektur und die wirtschaftlichen Auswirkungen ausführlich beschrieben:
Foto von Dennis Schroeder
ÜBER DIE SPITZENLEISTUNG HINAUS:
Warum die Leistungsreduzierung über die wirtschaftliche Rentabilität von Dampfwärmepumpen mit hohem Hub entscheidet – Erweiterung des Betriebsbereichs von kaskadierten Zentrifugal-Dampfmodulen
Zusammenfassung
Hochtemperatur-Dampfwärmepumpen haben hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere was die Fähigkeit betrifft, hohe Temperaturen zu erreichen, während sie sehr niedrige Temperaturen aus Luft- oder Flüssigkeitsquellen nutzen. In der Praxis ist jedoch häufig nicht die maximale Temperatur, sondern die Lastschwankung der entscheidende Faktor für den Erfolg eines Projekts.
Bestehenden Dampfsystemen fehlt es an praxistauglichen Wärmespeichern. Daher wurden Wärmepumpen in der Vergangenheit ausschließlich als Option für die Grundlast angesehen. Die Möglichkeit, die Dampfleistung zu regeln, d. h. den Regelbereich, eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten. Der Regelbereich des Systems wirkt sich direkt aus auf:
- Jährliche Betriebszeiten
- Dimensionierung von Zusatzkesseln
- Anforderungen an die elektrische Infrastruktur
- Durchschnittliche Wärmekosten (LCOH)
AtmosZero ist insofern einzigartig, als seine kaskadierte 1-MW-Zentrifugal-Dampferzeugungs-Wärmepumpe einen effektiven Regelbereich von ca. 70 % (von 100 % bis ca. 30 % der Nennleistung) erreicht und damit den Anwendungsbereich für große gewerbliche und industrielle Anlagen erheblich erweitert.
Abbildung 1 – AtmosZero-Dampfwärmepumpe in verschiedenen Wärmequellenkonfigurationen
Die Begrenzung der Leistungsreduzierung in Dampfsystemen
Maßnahmen zur Elektrifizierung in Industrie und Gewerbe zielen zunehmend auf Dampfsysteme ab. Wärmepumpen versprechen niedrigere Betriebskosten als Elektrokessel und geringere Emissionen als gasbefeuerte Kessel. Während jedoch in der Vergangenheit der Temperaturunterschied als das größte technische Hindernis galt, ist oft nicht der Temperaturunterschied, sondern die Lastschwankung der eigentliche limitierende Faktor für die Realisierbarkeit groß angelegter Projekte.
Dampfsysteme unterscheiden sich grundlegend von Warmwassersystemen:
- Dampfsystemen fehlt es in der Regel an nennenswerten thermischen Pufferspeichern.
o Dampfspeicher sind groß, teuer und selten für ein nachhaltiges Lastmanagement ausgelegt. - Die Dampflasten können aufgrund folgender Faktoren erheblich variieren:
o Chargenprozesse (Brauen, Sterilisation, Reaktoren)
o Saisonaler Heizbedarf
o Reinigungszyklen (CIP)
o Asymmetriein der Gebäudeverteilung
Aus diesem Grund ist die Regelbarkeit von entscheidender Bedeutung.
Herkömmliche industrielle Wärmepumpen, insbesondere Zentrifugalmodelle, bieten oft nur einen effektiven Regelbereich von 20–30 % (von 100 % bis ca. 70 % der Leistung). Unterhalb dieser Schwelle schalten sich die Anlagen entweder immer wieder ein und aus oder laufen gar nicht, sodass Zusatzkessel erforderlich sind. Infolgedessen greifen viele Projekte trotz der höheren Betriebskosten und der damit verbundenen Emissionsnachteile wieder auf Elektro- oder Gaskessel zurück.
Kompressor-Abwägungen bei großem Maßstab
Alle Dampfkompressions-Wärmepumpen unterliegen grundsätzlich den Einschränkungen, die sich aus der Konstruktion des Kompressors ergeben.
Scroll- und Schraubenkompressoren bieten zwar eine relativ größere Modulationsfähigkeit (Regelbereich), gehen dabei jedoch zu Lasten des Wirkungsgrads, was im Megawattbereich und unter Bedingungen mit hohem Förderdruck kostspielig ist. Herkömmliche Zentrifugalkompressoren bieten einen überlegenen thermodynamischen Wirkungsgrad, hatten jedoch in der Vergangenheit Probleme mit der Stabilität bei geringem Durchfluss.
Dies führt zu einem strukturellen Kompromiss:
- Verwenden Sie eine Schraube → bessere Modulation, geringerer Wirkungsgrad.
- Zentrifugalbetrieb → höherer Wirkungsgrad, schlechte Lastabdeckung.
Dampfanwendungen erfordern beides.
Mit zunehmender Anlagengröße (kW → MW) können diese beiden Aspekte sowohl für Ingenieure als auch für Buchhalter zu einem Problem werden. Entweder ein höherer Regelbereich (und mehr Betriebsstunden) bei höheren Betriebskosten der Anlage (geringerer Wirkungsgrad) oder ein geringerer Regelbereich (weniger Betriebsstunden) und niedrigere Betriebskosten (höherer Wirkungsgrad). Die revolutionäre Architektur von AtmosZero wurde speziell entwickelt, um diese Lücke zu schließen.
Kaskadierte Zentrifugalarchitektur mit geringem Durchfluss
Das 1-MW-Modul von AtmosZero nutzt einen Kaskadenkreislauf mit zwei Kältemitteln, der für Anwendungen optimiert ist, bei denen die Umgebungstemperatur als Kältequelle dient (Luft oder Flüssigkeit). Das System setzt Zentrifugalkompressoren mit geringem Durchfluss und drehzahlgeregelten Antrieben in einer modularen Kompressorkonfiguration ein.
Betriebsbereich:
Quelltemperatur:
-20 °C bis 40 °C (-4 °F bis 104 °F)
Temperatur am Dampfabzug:
120 °C (15 psig) bis 150 °C (60 psig) ohne Dampfkompression
Bis zu 185 °C (150 psig) mit Dampfkompression
Wärmekapazität:
1 MWth
Leistung:
- COP ≥ 2,25 bei geringerem Hub (z. B. bei einer Umgebungstemperatur von 90 °F und einem Dampfdruck von 15 psig),
- COP ≥ 1,9 bei mäßiger Förderhöhe (z. B. bei einer Umgebungstemperatur von 90 °F und einem Dampfdruck von 50–60 psig)
- COP ≥ 1,3 unter extremen Betriebsbedingungen (z. B. bei einer Umgebungstemperatur von -4 °F und einem Dampfdruck von 50–60 psig)
- Elektrische Eingangsleistung ≈ 500 kW bei COP 2 (bei 1 MW thermischer Leistung)
- Die Effizienz nimmt bei starker Leistungsreduzierung und extremem Hub ab, wie bei Dampfkompressionssystemen zu erwarten ist, doch der Betrieb bleibt stabil und regelbar.
Diese Architektur ermöglicht sowohl einen hohen Auftrieb als auch einen hohen Wirkungsgrad, was den Kundennutzen im Multi-Megawatt-Bereich steigert.
Abbildung 2 – Aufbau einer kaskadierten Zentrifugal-Dampfwärmepumpe
Wichtigste Merkmale:
- Der Glykolkreislauf ermöglicht eine flexible Wahl der Wärmequelle (Umgebungsluft oder Abwärme) sowie eine gleichmäßige Auslegung des Dampfkompressionsprozesses
- Zweistufige Kaskadenkälteanlage für hohe Förderhöhen und handelsübliche Kältemittel mit niedrigem GWP
- Zentrifugalkompression mit variabler Drehzahl
Erreichen eines effektiven Regelbereichs von ca. 70 %
Herkömmliche Zentrifugal-Dampfwärmepumpen arbeiten häufig innerhalb eines Regelbereichs von 20–30 %. Unterhalb dieses Bereichs erfordern Stabilitätsgrenzen ein Ein- und Ausschalten oder eine Abschaltung, wobei auf zusätzliche Wärmezufuhr zurückgegriffen werden muss.
Die bahnbrechende Architektur von AtmosZero ermöglicht eine effektive Leistungsregelung von voller Leistung bis hinunter auf etwa 30 % der Nennleistung. Erreicht wird dies durch eine firmeneigene Drehzahlregelung innerhalb stabiler Betriebsbereiche und einen gestuften Kompressorbetrieb.
Das ist von Bedeutung, da Dampfsysteme nur über eine minimale eigene Speicherkapazität verfügen.
Das Ergebnis lautet:
- Kontinuierliche Dampfabgabe über den gesamten stabilen Betriebsbereich
- Geringere Abhängigkeit von Zusatzkesseln
- Verbesserte Lastverfolgung bei variablen Dampfprofilen
- Schnelle Lastanpassung (60–90 Sekunden bis zum Erreichen höherer Lastsollwerte)
- Bei Kaltstart ca. 10 Minuten bis zum Dampf (ca. 5 Minuten, wenn der Dampferzeuger bereits warm ist)
Abbildung 2 – Vergleich der Lastabdeckung
Durch eine stärkere Lastabsenkung wird der Anteil der jährlichen Laststunden, der von der Wärmepumpe abgedeckt wird, erhöht, wodurch sich der Kapazitätsfaktor und die Anlagenauslastung verbessern.
Auswirkungen auf Anwendungsebene
A. Große Campusgelände und Geschäftsgebäude
Betrachten wir eine Spitzenheizlast von 10 MW auf einem Campus:
- Peak load occurs <5% of annual hours
- Saisonale Durchschnittsleistung ≈ 4 MW
- ~4.000 Heizstunden pro Jahr (klimabedingt)
Es hat sich bewährt, Wärmepumpen nicht für die Spitzenlast auszulegen. Heizkessel eignen sich nach wie vor ideal für:
- Spitzenlastabdeckung
- Redundanz bei der Wartung
- Notfall-Backup
Die entscheidende Frage lautet jedoch:
B. Wie viele Stunden kann die Wärmepumpe wirtschaftlich betrieben werden?
Ein größerer Leistungsregelbereich ermöglicht es der Wärmepumpe, einen größeren Teil der Nebensaison und der Zeiten mit mittlerer Last abzudecken. Dies ermöglicht eine Erhöhung der jährlichen Betriebsstunden, d. h. eine höhere Auslastung der Anlagen bei geringeren Betriebskosten, ohne dass das System für seltene Spitzenlasten überdimensioniert werden muss.
Bei einer Begrenzung auf 25 % Leistungsregelbereich kann eine Wärmepumpe möglicherweise nur 30–40 % der jährlichen Laststunden abdecken, bevor eine Ergänzung durch einen Heizkessel erforderlich wird.
Mit einem Regelbereich von ca. 70 % kann dasselbe System einen wesentlich größeren Teil der Übergangszeiten und Teillastbedingungen abdecken.
Dies erhöht:
- Jährliche Betriebsstunden / Auslastungsgrad
- Anlagenauslastung / Kapitaleffizienz
Eine höhere Auslastung wirkt sich direkt positiv auf die durchschnittlichen Wärmekosten (LCOH) aus.
C. Industrielle Dampfsysteme
Bei Chargenprozessen wie dem Brauen, der Sterilisation, der CIP-Reinigung oder der Reaktorbeheizung schwankt der Dampfbedarf stark. Im Gegensatz zu Heißwassersystemen verfügen Dampfsysteme in der Regel nicht über Pufferspeicher, sodass sie die Last dynamisch nachführen müssen.
Verbesserter Regelbereich:
- Reduziert das Schalten
- Erleichtert die Inbetriebnahme
- Ermöglicht eine bessere Abstimmung der Produktionsfenster
- Minimiert den Einsatz von Zusatzkesseln
In Anlagen, in denen der Dampfbedarf außerhalb der Produktionszeiten deutlich sinkt, entscheidet die Regelbarkeit darüber, ob der Betrieb der Wärmepumpe wirtschaftlich sinnvoll bleibt.
Vorteile der elektrischen Infrastruktur
Die elektrische Infrastruktur ist oft der größte versteckte Kostenfaktor bei Elektrifizierungsprojekten. Die Reduzierung der erforderlichen elektrischen Eingangsleistung kann über die Machbarkeit eines Projekts entscheiden.
Elektrische Heizkessel arbeiten mit einem COP von ≈ 1, was bedeutet, dass für eine thermische Leistung von 1 MW etwa 1 MW elektrische Eingangsleistung erforderlich ist.
Bei einem COP von 2 benötigt eine Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von 1 MW etwa 500 kW elektrische Eingangsleistung.
Diese Reduzierung kann folgende Kosten erheblich senken:
- Modernisierung von Transformatoren
- Erweiterung der Schaltanlage
- Netzanschlüsse
- Dimensionierung von Zuführern
Beim Leistungsabfall skaliert die elektrische Leistungsaufnahme proportional zur Kapazität, wodurch die momentane Last weiter reduziert wird. Da jedoch ein größerer Teil des gesamten Lastprofils abgedeckt wird, sind die „Spitzenlastkessel“ kleiner dimensioniert. Bei Elektrokesseln lässt sich die elektrische Infrastruktur zusätzlich reduzieren, da der Hilfskessel und die Auslegungslast für die elektrische Versorgung kleiner ausgelegt werden können.
Kapazitätsfaktor und LCOH
Die durchschnittlichen Wärmekosten hängen stark von der jährlichen Auslastung ab. Eine Anlage, die mit begrenztem Regelbereich betrieben wird, deckt möglicherweise nur 30–40 % der jährlichen Laststunden ab. Durch die Erweiterung des effektiven Regelbereichs lässt sich die Abdeckung je nach Lastprofil erhöhen.
Wenn ein größerer Regelbereich mehr Betriebsstunden ermöglicht:
- Die Auslastung der Anlagen steigt deutlich an
- Effektive LCOH-Senkungen
- Die Amortisationszeit verkürzt sich
- Die IRR verbessert sich
Die Auslastung ist nicht nur eine technische Kennzahl – sie ist auch eine finanzielle.
Schlussfolgerung
Angesichts der zunehmenden Elektrifizierung im Industrie- und Gewerbebereich wird die Fähigkeit, den Betriebsbereich zu erweitern und gleichzeitig den thermodynamischen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, die Dampfsysteme der nächsten Generation prägen.
Bei Anwendungen mit hohem Hub hat sich die technische Diskussion von der Frage „Können wir die Temperatur erreichen?“ hin zu „Können wir trotz der in der Praxis auftretenden Lastschwankungen effizient arbeiten?“ verlagert.
Die Regelbarkeit wirkt sich direkt aus auf:
- Jährliche Betriebsdeckung
- Dimensionierung der elektrischen Infrastruktur
- Abhängigkeit vom Hilfskessel
- Wirtschaftlichkeit auf Projektebene
Durch die Erweiterung des effektiven Regelbereichs auf etwa 70 % in einem kaskadierten 1-MW-Zentrifugalmodul erweitert die revolutionäre Lösung von AtmosZero den Rahmen für wirtschaftlich sinnvolle Anwendungen von elektrifiziertem Dampf erheblich.
Für Ingenieure, die die Elektrifizierung von Dampf prüfen, sollte der Regelbereich als primäre Auslegungsvariable modelliert werden und als technisches Merkmal gelten, das für die Auswahl jeder dampf erzeugenden Wärmepumpe entscheidend ist.
Kontakt zum Vertrieb:
Chris Fraughton, Senior Director, Vertrieb
AtmosZero Inc.
chris.fraughton@atmoszero.energy