Dampf als Arbeitsmedium

Dampf ist einer der wichtigsten Energieträger in der Industrie. Er transportiert thermische Energie in Dampfsystemen, treibt Turbinen zur Stromerzeugung an – thermodynamisch basierend auf Varianten des sogenannten Rankine-Prozesses – und dient in vielen Branchen als Prozessdampf. Ein entscheidender Vorteil: Da Dampf in vielen Anlagen bereits vorhanden ist, lassen sich offene Wärmepumpensysteme vergleichsweise einfach in bestehende Dampfsysteme integrieren.

In mechanischen Dampfverdichtern (Mechanical Vapor Recompression, MVR oder auch Brüdenverdichtern) kann Wasserdampf selbst als Arbeitsmedium eingesetzt werden. In diesem Fall wird der Dampf von niedrigerem Druck auf das gewünschte Dampfniveau komprimiert. Der Kompressor wird elektrisch angetrieben. Man spricht von einem offenen Wärmepumpenprozess.

Arbeitsmedien vs. Wärmeübertragungsmedien

In Wärmepumpensystemen wird grundsätzlich zwischen Arbeitsmedien (Kältemitteln) und Wärmeübertragungsmedien unterschieden. Wärmeübertragungsmedien transportieren Wärme zwischen Wärmequelle, Anlage und Prozess. Sie zirkulieren in Rohrleitungen und Wärmeübertragern, sind jedoch in der Regel nicht Teil des thermodynamischen Kreisprozesses. Typische Beispiele sind Wasser, Wasser-Glykol-Gemische oder Thermalöle.

Vorteile von Dampf als Arbeitsmedium

Wasserdampf besitzt mehrere Eigenschaften, die ihn für industrielle Wärmepumpensysteme besonders geeignet machen:

• Hohe Energiedichte beim Phasenwechsel: Beim Kondensieren setzt Wasserdampf große Energiemengen frei.
• Sicher und verfügbar: Wasser ist kostengünstig, ungiftig und nicht brennbar.
• Effiziente Wärmeübertragung: Kondensierender Dampf überträgt Wärme sehr effektiv auf Prozesse oder Anlagen.
• Einfache Regelbarkeit: Die übertragene Wärmeleistung lässt sich über Druck und Temperatur des Sattdampfs präzise steuern.

Temperaturbereiche und Anwendungen

Viele industrielle Prozesse benötigen Dampf im Bereich von etwa 100 °C bis über 200 °C. In diesem Temperaturbereich können Hochtemperatur-Wärmepumpen Dampf bereitstellen. Typische Anwendungen finden sich in Branchen mit hohem Dampfbedarf, zum Beispiel:

• Lebensmittel- und Getränkeindustrie
• Papier- und Zellstoffproduktion
• Chemische Industrie
• Trocknungs- und Verdampfungsprozesse

Die Kombination aus geschlossenen Wärmepumpensystemen wie dem ThermBooster™, der synthetische und natürliche Kältemittel (z. B. Kohlenwasserstoffe) nutzt, und offenen Wärmepumpensystemen ermöglicht die Nutzung niedriger Abwärmetemperaturen sowie die Bereitstellung von Hochdruckdampf. Im Rahmen des Projekts AHEAD beim Pharmahersteller Takeda am Produktionsstandort Wien erzeugt der ThermBooster™ Dampf, der anschließend in einem Brüdenverdichter auf 11 bar verdichtet wird.

Bedeutung für die Dekarbonisierung

Der Einsatz von Dampf als Arbeitsmedium ermöglicht es, Abwärme in nutzbare Prozessenergie umzuwandeln und den Einsatz fossiler Wärmequellen zu reduzieren. Dadurch lassen sich sowohl Energieverbrauch als auch CO₂-Emissionen deutlich senken – ein wichtiger Beitrag zur Dekarbonisierung industrieller Prozesswärme.