Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »Hält«
Wärmewende trifft Materialwende: Nachhaltige Kältekreisläufe neu gedacht
Die Produktion von Gebäudewärmepumpen soll sich weltweit bis 2035 auf rund 17 Millionen Einheiten verdreifachen, mit einem erwarteten Umsatzvolumen von etwa 80 Milliarden Euro und jährlichen Wachstumsraten von über acht Prozent. Auch in der industriellen Wärme- und Kältetechnik liegen die Wachstumsraten bereits heute bei fünf bis sieben Prozent, der Markt für Kälte wächst zweistellig.
Die schnelle Umstellung auf natürliche Kältemittel wie Propan ist ein wichtiger ökologischer Schritt, löst jedoch nicht das Ressourcenproblem: Der großflächige Ersatz von Gasbrennern und konventionellen Systemen durch Wärmepumpen erhöht den Bedarf an importkritischen Materialien wie Kupfer, Permanentmagneten und Aluminium deutlich.
Die Energiewende wird damit faktisch zu einer Materialwende. Für eine langfristig tragfähige Wärmewende ist es daher notwendig, die Materialeffizienz in der Herstellung von Wärmepumpen und Kältemaschinen signifikant zu steigern.
Genau hier setzt das Fraunhofer-Verbundprojekt »HÄLT – Hocheffiziente Kältekreise mit Propan« an.
Hocheffiziente Kältekreise mit halbem Materialeinsatz
Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus vier Fraunhofer-Instituten entwickelt in dem Verbundprojekt neue Kältekreisarchitekturen für Wärmepumpen und Kältemaschinen mit deutlich reduziertem Materialeinsatz. Ziel ist es, den Materialbedarf im Kältekreis um mindestens 50 Prozent zu senken, ohne Einbußen bei Energieeffizienz oder Lebensdauer. Durch den Einsatz des natürlichen Kältemittels Propan (R290) tragen die entwickelten Lösungen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen bei und erfüllen zukünftige regulatorische Anforderungen.
Die Forschung zielt darauf ab, technologische Optionen für materialeffiziente Wärmepumpen- und Kältesysteme zu erarbeiten und diese reif für die industrielle Praxis zu machen.
Modularer Plattformbaukasten
Die Forschenden kombinieren zwei komplementäre Fertigungsansätze für Propan-Kältekreise in einem modularen Plattformbaukasten: Die Entwicklungssäule KOMPAKT nutzt additive Fertigung, um hochintegrierte, bauraumoptimierte Kältekreiskomponenten zu realisieren. Parallel adressiert die Säule LEICHT eine materialeffiziente Serienfertigung auf Basis von Leichtbaustrukturen aus Blech.
Beide Ansätze werden auf einer digitalen Plattform entwickelt, simuliert und verglichen. Eine gemeinsame Systemarchitektur, konsistente thermodynamische Modelle und einheitliche Bewertungsmethoden ermöglichen die durchgängige Bewertung von Materialeinsatz, Energieeffizienz und Lebenszykluswirkungen.
Digitale Prozessketten und Qualitätssicherung
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT übernimmt innerhalb der Säule KOMPAKT die Verantwortung für die Entwicklung der digitalen Prozesskette zur additiven Fertigung von Kältekreiskomponenten. Im Mittelpunkt stehen die Qualitätssicherung der additiven Fertigungsprozesse, die Integration und Optimierung der einzelnen Prozessschritte sowie eine durchgängige Datenerfassung und -nutzung entlang der gesamten Prozesskette.
Das Institut verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Kombination additiver und subtraktiver Fertigungsverfahren und hat in früheren Projekten digitale Technologien und Sensorsysteme in additive Fertigungsprozesse integriert.
Digitaler Zwilling und digitaler Produktpass
Ein zentrales Forschungsthema am Fraunhofer IPT ist die Entwicklung eines Digitalen Zwillings für additiv gefertigte Kältekreiskomponenten sowie eines digitalen Produktpasses. Der digitale Produktpass umfasst Informationen zu verarbeiteten Materialien, Prozessparametern sowie zum Energie- und Ressourceneinsatz. Er bildet damit eine Grundlage für Qualitätssicherung, Effizienzbewertung, Lebenszyklusanalysen und Recyclingstrategien.
Im Forschungsprojekt HÄLT bauen die Forschenden am Fraunhofer IPT eine digitale Infrastruktur auf, die alle erfassten Produktions- und Messdaten aus der gesamten Fertigungsprozesskette zusammenführt. Diese Daten werden dann beispielsweise mit Modellen zur Beschreibung relevanter Bauteileigenschaften verknüpft.
Das Fraunhofer IPT verfügt mit dem digitalen Rahmenwerk dPart® über ein etabliertes Werkzeug zur Erstellung vollständiger und datenkonsistenter Digitaler Zwillinge entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Prozessplanung über die Fertigung bis zur Qualitätssicherung. Ergänzt wird dieses durch ein Patent zur Erzeugung virtueller Geometrien und zur Datenverarbeitung. Im Rahmen des HÄLT-Forschungsprojekts wird dPart® um einen Digitalen Zwilling für den additiven LPBF-Prozess erweitert: Neben den bereits abgebildeten subtraktiven Zerspanverfahren wird damit erstmals auch die additive Fertigung sowie die anschließende Fräsbearbeitung zur Nachbearbeitung des 3D-gedruckten Bauteils durchgängig digitalisiert und in das Rahmenwerk integriert.
Zur Validierung werden Demonstratoren eines integrierten Kältekreises hergestellt und mit ihrem digitalen Zwilling verglichen, um Abweichungen systematisch zu analysieren und robuste Fertigungsstrategien abzuleiten.
Enge Zusammenarbeit mit der Industrie
Mehr als 20 Industrieunternehmen haben im Vorfeld ihr Interesse an dem Forschungsprojekt bekundet. Sie werden über den Fortschritt informiert und sind in beratender Funktion eingebunden. Ziel ist es, bis zum Projektende konkrete Perspektiven für bilaterale Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu entwickeln, um den Plattformbaukasten, die digitalen Werkzeuge und die Bewertungsmethoden in industrielle Serienanwendungen zu überführen.
Projektpartner
- Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
- Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
- Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
Förderhinweis
Das Projekt »HÄLT – Hocheffiziente Kältekreise mit Propan« wird im Rahmen von PREPARE durch die Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.