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Ausgewählte Ausgabe: 7/8-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Integration von Hochtemperaturwärmepumpen in KWK-Anlagen

KWK | Neuartige Hochtemperaturwärmepumpen (HT-Wärmepumpen) ermöglichen es, ungenutzte Abgaswärme und Abwärme, die aus der Kühlung des Gas-Luft-Verbrennungsgemisches eines Gasmotors entsteht, auf ein höheres Temperaturniveau zur Nutzung in Fernwärmenetzen anzuheben. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades, Reduzierung der CO2-Emissionen und Verringerung des Primärenergiefaktors für die erzeugte Wärme. Der zum Betrieb der HT-Wärmepumpe benötigte Strom kann direkt vom Blockheizkraftwerk geliefert werden, so dass sich zwar die elektrische Nettoleistung und damit der elektrische Wirkungsgrad verringern. Bei der richtigen Auslegung und günstigen Randbedingungen erhöht sich jedoch der mittlere Gesamtwirkungsgrad (Jahresnutzungsgrad), und es können wirtschaftliche und ökologische Vorteile generiert werden.


Prüfstand für Hochtemperaturwärmepumpen der Ochsner Energie Technik GmbH.

Prüfstand für Hochtemperaturwärmepumpen der Ochsner Energie Technik GmbH.

Der Energiemarkt ist aus heutiger Sicht ohne dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kaum mehr vorstellbar. Aufgrund ökologisch wie auch ökonomisch motivierter Anforderungen konnte die Effizienz auch im Gasmotoren-Bereich kontinuierlich gesteigert werden. Hierbei stand auf Maschinenseite vorrangig die Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades im Fokus. Trotz der kontinuierlichen Verbesserung bleibt ein Teil der zur Verfügung stehenden Abwärme meist ungenutzt, da sich für diese aufgrund zu niedriger Temperaturniveaus keine Verwendung finden lässt. Die zuletzt gleichzeitige stattfindende Weiterentwicklung von Hochtemperaturwärmepumpen legt nahe, den Verbund beider Systeme auf mögliche Synergien hin zu untersuchen. Der Einsatz von HT-Wärmepumpen in Verbindung mit Gasmotoren-BHKW wird im Folgenden für verschiedene Nennheizleistungen, Einbindungsvarianten und Temperaturbereiche untersucht. Die Einflüsse der HT-Wärmepumpe auf den elektrischen, thermischen sowie den Gesamtwirkungsgrad des Erzeugerverbundes aus HT-Wärmepumpe und Gasmotoren-BHKW werden aufgezeigt.

Hochtemperaturwärmepumpe

Wärmepumpen nehmen thermische Energie aus einem Reservoir niedriger Temperatur auf und machen diese unter Aufwendung von technischer Arbeit auf einem höheren Temperaturniveau nutzbar. Vereinfacht besteht eine Anlage aus den vier Komponenten Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Drosselventil. Am Verdampfereintritt liegt das Kältemittel im flüssigen Zustand vor und wird unter Energiezufuhr bei niedrigem Temperaturniveau verdampft. Um die zugeführte Abwärme oder Umgebungswärme zu nutzen, wird das verdampfte Kältemittel mit einem Verdichter unter Aufwand von elektrischer Energie auf den Kondensationsdruck komprimiert. Das überhitzte Kältemittel verflüssigt sich daraufhin im Kondensator und gibt die entstehende Kondensationswärme an einen Heizkreis ab. Im Drosselventil wird das flüssige Kältemittel wieder auf den Verdampferdruck entspannt.
Die Leistungszahl der Wärmepumpe, auch COP (Coefficient of Performance) genannt, beschreibt das Verhältnis von abgegebener Wärme im Kondensator zu zugeführter elektrischer Arbeit im Verdichter.
Handelsübliche Wärmepumpen werden überwiegend zur Beheizung von Wohngebäuden mit niedrigen Vorlauftemperaturen bis etwa 45 °C zum Beispiel in Flächenheizungen eingesetzt. Als Wärmequelle nutzen sie entweder Grundwasser- und / oder Erdreichwärme bei konstanter Temperatur (rund 10 °C) oder die Umgebungsluft, bei der die Quellentemperatur abhängig von Wetterlage und Jahreszeit variiert.
Neuartige HT-Wärmepumpen können mit höheren Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen betrieben werden. Möglich sind Abwärmequellen mit Temperaturen bis zu 55 °C und Vorlauftemperaturen im Heizkreis bis zu 95 °C. Dadurch ergeben sich neue Einsatzgebiete im Bereich der Niedertemperatur-Abwärmenutzung (NT-Abwärmenutzung) und der Einbindung der Heizseite in Nah- und Fernwärmenetze. Eine Recherche im Rahmen einer Masterthesis Anfang 2016 ergab, dass am Markt zurzeit nur wenige Anbieter für HT-Wärmepumpen auftreten; Tabelle 1 zeigt eine Übersicht.

Tabelle 1 Hersteller von HT-Wärmepumpen mit Nennleistungen zwischen 100 und 1 000 kW und Kondensatoraustrittstemperaturen > 80 °C.

Tabelle 1
Hersteller von HT-Wärmepumpen mit Nennleistungen zwischen 100 und 1 000 kW und Kondensatoraustrittstemperaturen > 80 °C.


Dabei können einige konventionelle Kältemittel aufgrund ihres zu niedrigen kritischen Punktes für den höheren Temperaturbereich oder aufgrund der Verschärfung der Umwelt-Richtlinien in Neuanlagen nicht mehr eingesetzt werden. In den HT-Wärmepumpen kommen bei den identifizierten Herstellern die beiden natürlichen Kältemittel Ammoniak und Kohlenstoffdioxid sowie synthetische Kältemittel wie Öko1 oder HFO1234ze zum Einsatz. Bei den beiden synthetischen Kältemitteln und Ammoniak findet sowohl bei der Wärmeaufnahme als auch bei der Abgabe an den Heizkreis ein Phasenübergang des Kältemittels statt. Die CO2-Wärmepumpe hingegen wird im überkritischen Bereich betrieben, so dass ein Gaskühler anstatt des Kondensators verwendet werden muss. Bei der Gaskühlung erfährt das Kältemittel CO2 eine gleitende Temperaturänderung bei nahezu konstantem Druck.

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Autoren

M. Eng. Christian Braasch

Jahrgang 1989, studierte Maschinenbau an der Hochschule Koblenz. Seit Oktober 2016 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule Koblenz.
braasch@hs-koblenz.de

Prof. Dr.-Ing. Willi Nieratschker

Jahrgang 1957, studierte Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität Stuttgart. Von 1983 bis 1988 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Technische Thermodynamik des DLR. 1988 Promotion an der Fakultät Energietechnik der Universität Stuttgart. Seit 1996 Professor für Thermodynamik sowie Energie- und Umwelttechnik im Fachbereich Ingenieurwesen der Hochschule Koblenz.

Dr.-Ing. Stefan Döring

Jahrgang 1970, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen, Fachrichtung Energietechnik/Kraftwerkstechnik. Nach der Promotion war er bis 2006 Betriebsingenieur für Heizkraftwerke bei der Mann Energie im Westerwald. Im Januar 2006 gründete er die Plant Engineering GmbH, Leutesdorf, deren Geschäftsführender Gesellschafter er ist.

Dipl.-Ing. (FH) Marc Muscheid

Jahrgang 1973, studierte Maschinenbau an der Fachhochschule Koblenz. Seit 2011 ist er bei der Firma Plant Engineering GmbH als Projektleiter im Bereich dezentrale Kraftwerksanlagen tätig.

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