InnoWP

Verbundvorhaben: InnoWP – Innovative Leistungselektronik für hocheffiziente Kompressor-Antriebe im Wärmepumpen-Massenmarkt; Teilvorhaben: Systemsimulation und Evaluation

Projektleitung: Dr. Andreas Velte-Schäfer
Förderzeitraum: 01.04.2024 - 31.03.2027
Förderkennzeichen: 03EN4080F
Zuwendungsgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH (PtJ)

In InnoWP werden verbesserte Inverter und Halbleiter für den beschleunigten Markt-Hochlauf von Wärmepumpen (WP)-Systemen erforscht. Das Vorhaben adressiert den gesamten Leistungsbereich von WP in Wohngebäuden vom Einfamilienhaus-Neubau bis hin zu größeren Mehrfamilien-Bestandsgebäuden.

Die wichtigsten Ziele sind:

1. Erhöhung des mittleren Inverter-Wirkungsgrads im Real-Betrieb von ca. 94 % auf min. 96 % (d.h. Steigerung der Jahres-Arbeitszahl von WP um min. 2 % und dadurch Reduktion des jährlichen Stromverbrauchs von WP-Systemen um ca. 2 %).

2. Erforschung von Wide Bandgap (WBG) Halbleiter-Lösungen aus Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) mit angepassten Gate-Treibern (GD) zur Effizienz-Steigerung von WP.

3. Erforschung optimierter Inverter-Topologien mit WBG zur Halbierung der thermischen Verluste der Inverter-Leistungsstufe, zur Verringerung der Netz-Belastung, zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit und zur Reduktion der eingesetzten Kupfer-Menge um 50%.

4. Erforschung von GD mit intern geregelter, mehrstufiger Slew-Rate Control (Schaltflanken- Anstiegsgeschwindigkeitsregelung) für Inverter von WP.

5. Erforschung der digitalen Zustands-Überwachung von Halbleitern in WP-Invertern zur Lebensdauer-Erhöhung durch De-Rating (d.h. zeitweise Reduktion der elektrischen und thermischen Belastung) und zur Funktionsüberwachung.

Das Konsortium vereint führende Expertise auf den Gebieten Halbleiter, Leistungselektronik, WP und Gebäudetechnik und bildet die gesamte Wertschöpfungskette von WP-Systemen ab. Die erzielten Forschungsergebnisse und Performance-Steigerungen werden gegenüber gemeinsam definierten Benchmarks evaluiert und quantifiziert. Dies erfolgt auf Basis umfassender Tests von Prototypen der erforschten WP-Komponenten und -Systeme sowie mit Hilfe validierter Komponenten- und Systemsimulationen.

Teilvorhaben: Systemsimulation und Evaluation

Am INATECH wird die simulative Bewertung der Verbesserung des saisonalen Leistungsfaktors (SCOP) von Wärmepumpen durch optimierte Leistungselektronik und adaptive Regelungsansätze erforscht. Die Grundlage sind bestehende Komponentenmodelle aus Vorprojekten in der Programmiersprache Modelica mit der Software Dymola. Es werden Gesamtsystemmodelle mit Hydraulik und Regelungstechnik erstellt und neue Modelle des ISE und von TLK integriert. Die Arbeit beinhaltet auch den Abgleich mit Hardware-in-the-Loop-Messungen, Modellreduktion und Optimierung der Regelstrategien. Weitere Untersuchungen betreffen die Auswirkungen von Komponentenoptimierungen (Wärmeübertrager, Verdichter), Sensitivitätsanalysen und die Quantifizierung der Vorteile der optimierten Leistungselektronik in Bezug auf Netzdienlichkeit, Eigenstromnutzung, Reduzierung der Blindleistung und Effizienzsteigerung.