Co2-Hochtemperaturwärmepumpen für die Industrie (Prof. Dipl.-Ing. Eberhard Wobst, Thermea AG)

Hocheffiziente Kaltdampfanlagen mit
halogenfreien Kältemitteln

CO2- Hochtemperatur-
wärmepumpen für die Industrie
Prof. Eberhard Wobst
Dipl.-Ing. FH Steffen Oberländer
thermea. Energiesysteme GmbH

Büro Fertigung
Poisentalstrasse 75 Jakobsdorfer Strasse 4 -6
01705 Freital 01458 Ottendorf-Okrilla
www.thermea.de
1 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009

Zur Motivation der thermea.

bilanzieren
Gleichgewicht zwischen
> Sonneneinstrahlung
> Energieumwandlung und – speicherung auf der Erde
> Abstrahlung an das Universum
analysieren
6
Potential Future Contributions
-2

from Greenhouse Gases
Climate Forcing since 1765 Wm

5

Anthropogen verursachte Anreicherung der Atmosphäre
4
CO2
3
N2O
2

1 CH4 HFCs
mit Kohlendioxid und anderen treibhausrelevanten Gasen
0
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 CFCs/HCFCs

handeln
Ein Umdenken hat begonnen …

Regenerativen Energien, Energiespeicherverfahren und
Wärmepumpen gehört die Zukunft.

Zur Motivation der thermea.

Entwicklung des
Energie aus fossilen Energie aus erneuerbare
Brennstoffen davon Erdöl Kernkraft Energien
Weltenergiebedarfs

1500
Die Vorräte an fossilen
Exajoule

Energieträgern und
1000
Uran sind endlich.

500

2060

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 Quelle:
2025
2030

Shell-Studie 2002

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

Beitrag der thermea:
Speichern und Rückgewinnung regenerativer Energie *)

Antriebsenergie Thermische Energie

Elektrische Energie

Wärmepumpe

Kraftprozess
Umweltenergie Speicher Rückführung
Prozessabwärme an die Umwelt
Abwasser

Schritt 1: CO2- Hochtemperaturwärmepumpen für die Industrie

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


Kältemaschine - Wärmepumpe

Grundsätzlich können die gleichen physikalischen Effekte genutzt werden.

Die aktuellen Herausforderungen der Kältetechnik treffen
gleichermaßen auf die Wärmepumpen zu.


Kältetechnik - Umwelt

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)


Verbesserungspotential

Leckagen

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!


Wärmepumpe - KWK

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

thermea.- Wärmepumpen

Fokus

H2O


Effizienz des Kaltdampfprozesses

Effizienzbewertung*)
Kältemaschine
&
QL
ε KM =
P
Wärmepumpe
&
QH
ε WP =
P

Wärme-Kälte-Kopplung
& &
QL + QH
ε WKK =
P

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


Die Wurzeln der Wärmepumpe reichen weit zurück

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

Beispiel: Freibad Freiyburg / Unstrut
Errichtet: 1979, Federführung ILK
Heizleistung: ca. 180 kW
Antriebsleistung: ca. 36 kW
Leistungszahl: 5 … 6
Wärmequelle: Solaranlage, Brunnen

Ziel: Verlängerung der Saison

Erste großtechnische Anlage mit
Nutzung von Solarenergie des ILK

Wärmepumpen- Kaltwassersatz
Mafa Halle

Zustand heute: desolat

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


thermea. Wärmepumpen

Da ein breites Angebot an Wärmepumpen kleiner Leistung existiert,
setzt thermea. auf den industriellen Bereich.


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



Isobare

Isobare T
T

Kritischer Punkt

S S



TM
T2 εc = T M - T 0
T
t2/°C t3 /°C tM /°C TM /K
Thermodynamische
Mitteltemperatur TM 80 40 60 333,15
100 20 60 333,15

! T3
T1
ε

T4 T0
T3
S

thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter

Demo-Anlage HHR 20
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Aufbau
Radialkolbenverdichter
2 Gaskühler (in Reihe)
Kältemittelsammler (Mitteldruck)
Rekuperator
Regelung:
Warmwasseraustrittstemperatur
Hochdruck
Überhitzung am Verdampferaustritt



Aufbau:
als kompakte Versuchsanlage,
geeignet für Dauererprobung

Erprobung:
Funktionsnachweis
Regelungskonzept
Auslegungsroutinen



Messpunkt 7:
T
91,2 °C

45,0 °C
26,7 °C

tWA=7,2 °C tWE=10,4 °C

S


thermea. CO2 Wärmepumpe mit Schraubenverdichter

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


Kostenvorteile der thermea. Hochtemperaturwärmepumpen

Vergleich thermea.HHS1000 - Feuerungsanlage mit Brennwertnutzung
300
(ohne Berücksichtigung des Kapitaldienstes)

250
jährliche Einsparungen in T€/a

200
Wärmepreis 80 €/MWh
150

100

50

0 Wärmepreis 40 €/MWh
90 100 110 120 130 140 150 160 170

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


Ausblick: Links- und Rechtsprozess mit CO2

Wärmepumpenprozess Kraftprozess

Kontakt

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

thermea. Energiesysteme GmbH
Büro: Poisentalstraße 75, Fertigung: Jakobsdorfer Strasse 4 -6
01705 Freital 1458 Ottendorf-Okrilla
Telefon: 03 51 - 640 150
Telefax: 03 51 - 640 15 15
E-Mail: mail@thermea.de
www.thermea.de

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