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Hocheffiziente Kaltdampfanlagen mit halogenfreien Kältemitteln

CO2- Hochtemperatur-wärmepumpen für die IndustrieProf. Eberhard WobstDipl.-Ing. FH Steffen Oberländerthermea. Energiesysteme GmbH

Büro FertigungPoisentalstrasse 75 Jakobsdorfer Strasse 4 -6 01705 Freital 01458 Ottendorf-Okrilla www.thermea.de

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Potential Future Contributionsfrom Greenhouse Gases

0

1

2

3

4

5

6

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Clim

ate

For

cing

sin

ce 1

765

Wm

-2

N2O

CH4 HFCs

CFCs/HCFCs

CO2

� Gleichgewicht zwischen

> Sonneneinstrahlung> Energieumwandlung und – speicherung auf der Erde> Abstrahlung an das Universum

� Anthropogen verursachte Anreicherung der Atmosphäremit Kohlendioxid und anderen treibhausrelevanten Gasen

� Ein Umdenken hat begonnen …

� Regenerativen Energien, Energiespeicherverfahren undWärmepumpen gehört die Zukunft.

Zur Motivation der thermea.

bilanzieren

analysieren

handeln

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Quelle:Shell-Studie 2002

Exa

joul

e

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060

1500

1000

500

exa = 1018 1 Exajoule = 34,12 Mio t SKE

Energie aus fossilenBrennstoffen davon Erdöl

erneuerbareEnergien

Energie ausKernkraft

2025

2030

2060

Die Vorräte an fossilen

Energieträgern und

Uran sind endlich.

Entwicklung des

Weltenergiebedarfs

Zur Motivation der thermea.

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Rückführungan die Umwelt

Thermische Energie

Elektrische Energie

Speicher

Wär

mep

umpe

Kra

ftpro

zess

Antriebsenergie

UmweltenergieProzessabwärmeAbwasser

Schritt 1: CO2- Hochtemperaturwärmepumpen für die Industrie

*) Thermokompverfahren TKV: HT-Wärmepumpe, Speicher, Kraftprozess (EU-Patent Nr.: 1987299)

umweltfreundlich - effizient –standortunabhängig

Beitrag der thermea:Speichern und Rückgewinnung regenerativer Energie *)

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Kältemaschine - Wärmepumpe

� Grundsätzlich können die gleichen physikalischen Effekte genutzt werden.

�Die aktuellen Herausforderungen der Kältetechnik treffen

gleichermaßen auf die Wärmepumpen zu.

6 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009

Die Kälte- und Klimatechnik ist hinsichtlich

� Energiebedarf: 14 % ( DKV Statusbericht Nr. 20)

� Primärenergie: 5,8 % ( DKV Statusbericht Nr. 20)

� Emission von Treibhausgasen: 11 % (DKV Statusbericht Nr. 22)

eine bedeutender Faktor in Deutschland.

(Zahlenangaben bezogen auf die nationalen Gesamtwerte)

Kältetechnik - Umwelt

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DKV- Statusbericht Nr. 9:

Hauptverfahren: Kaltdampfmaschine,

andere Verfahren: Sonderanwendungen

Verringerung der Umweltbelastung:

� Umweltfreundliche Kältemittel /Arbeitsstoffe

� hohe Effizienz der Anlagen

Die Wärmepumpe muss zusätzlich an anderen Wärmeerzeugern

gemessen werden!

Leckagen

Verbesserungspotential

8 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009

Mit die KWK wird die Primärenergie gut genutzt, aber:

Das Verbrennen fossiler Energieträger ist nicht nachhaltig:� zu wertvoll� nachhaltige Erhöhung der CO2 Konzentration in der Atmosphäre � das Verbrennen fossiler Energieträger muss längerfristig beendet werden

Die mit regenerativer Energie angetriebene Wärmepumpe ist die bessere

Alternative:

ε

Wärmepumpe - KWK

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H2O

Fokus

thermea.- Wärmepumpen

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Effizienz des Kaltdampfprozesses

Wärmepumpe

Effizienzbewertung*)

Kältemaschine

Wärme-Kälte-Kopplung

P

Q=ε

HWP

&

PQ+Q

=εHL

WKK

&&

PQ

=εL

KM

&

Vorzugslösung:

Wärme-Kälte-Kopplung*) zusätzliche Kriterien werden z. Zt. vom FKT definiert

11 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009

Peter Ritter von Rittinger

The award is named for Peter Ritter von Rittinger,

an Austrian engineer who designed and installed

the first known heat pump, in 1855, for the salt

works in the village of Ebensee in Upper Austria.

Rittinger recognized that the use of heat pump technology could achieve energy savings of as much as 80% in comparison with direct firing of wood. The award celebrates the technical skills and entrepreneurial spirit of Rittinger that are shared by the awarded.

Nachdem Perkins 1834 die Kältemaschine zum Patent angemeldet

hatte, wendete Rittinger den Kaltdampfprozess bereits 1855 als

Wärmepumpe an.

Die Wurzeln der Wärmepumpe reichen weit zurück

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Beispiel: Freibad Freiyburg / Unstrut

Errichtet: 1979, Federführung ILKHeizleistung: ca. 180 kWAntriebsleistung: ca. 36 kWLeistungszahl: 5 … 6Wärmequelle: Solaranlage, Brunnen

Ziel: Verlängerung der Saison

Erste großtechnische Anlage mit Nutzung von Solarenergie des ILK

Wärmepumpen- KaltwassersatzMafa Halle

Zustand heute: desolat

1979: Eine Leistung Dresdner Ingenieure mit WeitblickRonald P. Vallort: „ Everything Old is New Again „

Die Wurzeln der Wärmepumpe reichen weit zurück

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thermea. Wärmepumpen

Da ein breites Angebot an Wärmepumpen kleiner Leistung existiert,

setzt thermea. auf den industriellen Bereich.

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Kohlendioxid als Arbeitsstoff

� in der Natur vorhandener Stoff, keine Restriktionen

� nicht brennbar, nicht toxisch (8%- Grenze beachten)

� bei Wärmepumpen ausschließlich transkritischer Prozess

� gute Leistungszahlen bei hohen Vorlauftemperaturen

� unschlagbar bei Aufheiz-, Vorwärm- und Trocknungsprozessen

� Vorteile beim Zusammenwirken mit einem CO2 Kraftprozess

thermea. Wärmepumpen

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SS

TT

Isobare

Isobare

thermea. Wärmepumpen

Kritischer Punkt

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S

Tεc TT

T=0M

M

-

333,15604080

333,156020100

TM /KtM /°Ct3 /°Ct2/°C

thermea. Wärmepumpen

Thermodynamische Mitteltemperatur TM

T2

T3

T1

T4 T0

! ε

T3

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Demo-Anlage HHR 20

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Aufbau� Radialkolbenverdichter� 2 Gaskühler (in Reihe)� Kältemittelsammler (Mitteldruck)� Rekuperator

Regelung:� Warmwasseraustrittstemperatur� Hochdruck� Überhitzung am Verdampferaustritt

thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter

18 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009

Aufbau:� als kompakte Versuchsanlage,

geeignet für Dauererprobung

Erprobung:� Funktionsnachweis� Regelungskonzept� Auslegungsroutinen

thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter

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Messpunkt 7:

tWE=10,4 °C

26,7 °C

91,2 °C

45,0 °C

tWA=7,2 °C

S

T

thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter

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thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter

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Auslegungspunkt:Temperatur Wärmequelle (Eintritt / Austritt): 32 °C / 22 °C

Temperatur Wärmesenke (Eintritt / Austritt): 30 °C / 80 °C

Verdampfungstemperatur: 20 °°°°C

Hochdruck: 116 bar

Heizleistung (Gaskühler + Ölkühler): 1041 kW

Antriebsleistung (Klemme) 301 kW

Leistungszahl (bez. auf Wellenleistung): 3,76

Geometrischer Verdichterförderstrom: 155 m3/h

Hauptbauteile:Verdichter: Schraubenverdichter

Verdampfer: Rohrbündelapparat (2 Stück)

Gaskühler: Rohrbündelapparat (2 Stück)

Reku: Rohrbündelapparat

Ölabscheider: Sonderanfertigung

Ölkühler: Koaxialapparat (2 Stück)

Einspritzventil: EEV

Arbeitsstoff: CO2

Öl: PAG 220

thermea. CO2 Wärmepumpe mit Schraubenverdichter

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thermea CO2 Wärmepumpe mit Schraubenverdichter

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Kostenvorteile der thermea. Hochtemperaturwärmepumpen

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Netto-Strompreis in €/MWh (inkl. Netznutzung, EEG/KWK-Zuschläge)

Vergleich thermea.HHS1000 - Feuerungsanlage mit Brennwertnutzung

Wärmepreis 80 €/MWh

Wärmepreis 70 €/MWh

Wärmepreis 60 €/MWh

Wärmepreis 50 €/MWh

Wärmepreis 40 €/MWh

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Ausblick: Links- und Rechtsprozess mit CO2

Wärmepumpenprozess Kraftprozess

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