TKKG – Wärmepumpenentwicklung für eine effiziente Gasinfrastruktur

Teilvorhaben am LEE: „Integrierte Wärmepumpe Gasinfrastruktur“
im Verbundprojekt: TKKG – Multifunktionelles Testzentrum KlimaKammer zur praxisnahen Grundlagenforschung für die Energiewende
Zeitraum: 04/2026 – 03/2029
Projektkoordination: Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. (GWI)
Projektpartner: Universität Duisburg-Essen
Assoziierter Industriepartner: CeH4 technologies GmbH

Wärmepumpentechnologie für die Gasinfrastruktur

Der Betrieb heutiger Gasinfrastrukturen ist mit einem erheblichen Energiebedarf verbunden. Insbesondere bei der Druckreduzierung von Gasen in Gasdruckregelanlagen (GDRA) sinkt die Gastemperatur infolge des Joule-Thomson-Effekts. Um unzulässig niedrige Temperaturen und damit verbundene betriebliche Risiken zu vermeiden, muss das Gas vor der Entspannung erwärmt werden. Diese Vorwärmung erfolgt heute häufig unter Einsatz von Brennstoffen und verursacht entsprechende energetische Verluste.

Hier setzt das Teilprojekt „Integrierte Wärmepumpe Gasinfrastruktur“ an. Gemeinsam mit CeH4 Technologies entwickelt der Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik und Energiesysteme (LEE) der Universität Duisburg-Essen ein neuartiges Wärmepumpenkonzept, dass die Energieeffizienz von GDRA deutlich verbessern soll.

Das Vorhaben ist Teil des übergeordneten Forschungsprojekts TKKG – Multifunktionelles Testzentrum KlimaKammer zur praxisnahen Grundlagenforschung für die Energiewende, bei dem am GWI neue Forschungsinfrastruktur mit multifunktionaler Klimakammer entstehen wird. Der wissenschaftliche Schwerpunkt des LEE liegt auf der Entwicklung und thermodynamischen Integration der Wärmepumpe für welche die Klimakammer im weiteren Projektverlauf als Umgebung für die experimentelle Erprobung genutzt wird.

Druckenergie effizient nutzen

Ein zentraler Ansatz des Projekts ist die intelligente Verknüpfung von Gasexpansion und Wärmepumpe. Bei der Druckreduzierung kann über eine Expansionsturbine ein Teil der bislang ungenutzten Energie des Gasstroms zurückgewonnen werden. Im Projekt wird untersucht, wie diese Energie möglichst effizient für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden kann.

Dabei werden sowohl eine direkte als auch eine indirekte Kopplung zwischen Expansionsturbine und Wärmepumpe betrachtet. Gleichzeitig wird untersucht, wie Umweltwärme und weitere verfügbare Abwärmequellen in den Prozess integriert werden können. Ziel ist es, die für die Gasvorwärmung notwendige Wärme möglichst effizient und mit geringerem Primärenergieeinsatz bereitzustellen.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung geeigneter Arbeitsmedien. Wo technisch möglich sollen natürliche Kältemittel bevorzugt betrachtet werden. Das entwickelte Konzept soll zudem nicht ausschließlich auf Erdgas beschränkt sein: Die zugrunde liegenden Prinzipien können perspektivisch auch auf andere leitungsgebundene Gase wie Biogas, Wasserstoff oder CO₂ übertragen werden.

Modellierung und Entwicklung am LEE

Der LEE übernimmt zentrale Aufgaben bei der thermodynamischen Entwicklung des Wärmepumpensystems. Auf Basis der Anwendungs- und Betriebsdaten wird zunächst ein Prozessmodell aufgebaut, mit dem Energie- und Massenbilanzen erstellt und unterschiedliche Systemkonfigurationen bewertet werden können und industrielle Komponenten ausgewählt werden können.

Während der Experimente in der Klimakammer und mit Unterstützung von Simulationen sollen im Projekt geeignete Regelungsstrategien für Lastwechsel sowie für An- und Abfahrvorgänge entwickelt und bewertet werden.

Die Erkenntnisse aus Simulation, Konstruktion und experimenteller Untersuchung fließen schließlich zusammen, um das Wärmepumpensystem möglichst flexibel an unterschiedliche Anlagen und Betriebsbedingungen anpassen zu können.

„Endlich mal wieder Kreisprozesse und Wärmepumpe!“

Für Prof. Dr.-Ing. Christoph Wieland, Leiter des Lehrstuhls für Energieverfahrenstechnik und Energiesysteme, besitzt das Projekt auch persönlich einen besonderen Reiz:

„Ich freue mich besonders auf TKKG, weil wir damit am LEE nun intensiv in die Wärmepumpentechnologie einsteigen. Die Verbindung aus thermodynamischer Modellierung, dynamischem Betrieb und einem konkreten Anwendungsfall in der Energieinfrastruktur macht das Projekt für uns wissenschaftlich besonders spannend.“

Die Arbeiten erweitern zudem die Kompetenzen des LEE im Bereich der Wärmepumpentechnologie und schaffen neue Anknüpfungspunkte für Forschung und Ausbildung rund um effiziente und gekoppelte Energiesysteme.

Projektpartner und Förderung

TKKG wird vom Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. (GWI) koordiniert und gemeinsam mit der Universität Duisburg-Essen umgesetzt. CeH4 technologies GmbH ist als assoziierter Industriepartner beteiligt.

Das Projekt wird im Rahmen des Programms „Forschungsinfrastrukturen.NRW“ aus Mitteln des EFRE/JTF-Programms Nordrhein-Westfalen 2021–2027 gefördert.

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