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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.
2                                                                                                                  BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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
       3                                        BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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

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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.

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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)




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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!

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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
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thermea.- Wärmepumpen




      Fokus




              H2O



9                      BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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

10                                        BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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.

11                         BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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 „

12                                      BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
thermea. Wärmepumpen




     Da ein breites Angebot an Wärmepumpen kleiner Leistung existiert,
     setzt thermea. auf den industriellen Bereich.
13                            BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
thermea. Wärmepumpen


        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




14                               BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
thermea. Wärmepumpen




                                                              Isobare

         Isobare                    T
T



                     Kritischer Punkt


                     S                                                  S




    15                   BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
thermea. Wärmepumpen

                                                                                 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
16                           BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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



17                          BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter




                                    Aufbau:
                                      als kompakte Versuchsanlage,
                                      geeignet für Dauererprobung

                                    Erprobung:
                                      Funktionsnachweis
                                      Regelungskonzept
                                      Auslegungsroutinen


18                     BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter



             Messpunkt 7:
 T
                                                                       91,2 °C




                                                                        45,0 °C
         26,7 °C



            tWA=7,2 °C                                        tWE=10,4 °C


                                                                             S

19                       BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter




20                     BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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
21                                          BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
thermea CO2 Wärmepumpe mit Schraubenverdichter




22                       BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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
                                                                                                                                                                   Wärmepreis 70 €/MWh

                                                                                100
                                                                                                                                                                   Wärmepreis 60 €/MWh

                                                                                 50
                                                                                                                                                                   Wärmepreis 50 €/MWh


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

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



23                                                                                                                BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
Ausblick: Links- und Rechtsprozess mit CO2




     Wärmepumpenprozess                           Kraftprozess
24                        BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
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
25                                                BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009

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

  • 1. 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
  • 2. 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. 2 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 3. 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 3 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 4. 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 4 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 5. Kältemaschine - Wärmepumpe Grundsätzlich können die gleichen physikalischen Effekte genutzt werden. Die aktuellen Herausforderungen der Kältetechnik treffen gleichermaßen auf die Wärmepumpen zu. 5 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 6. 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) 6 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 7. 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! 7 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 8. 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 8 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 9. thermea.- Wärmepumpen Fokus H2O 9 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 10. 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 10 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 11. 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. 11 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 12. 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 „ 12 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 13. thermea. Wärmepumpen Da ein breites Angebot an Wärmepumpen kleiner Leistung existiert, setzt thermea. auf den industriellen Bereich. 13 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 14. thermea. Wärmepumpen 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 14 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 15. thermea. Wärmepumpen Isobare Isobare T T Kritischer Punkt S S 15 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 16. thermea. Wärmepumpen 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 16 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 17. 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 17 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 18. thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter Aufbau: als kompakte Versuchsanlage, geeignet für Dauererprobung Erprobung: Funktionsnachweis Regelungskonzept Auslegungsroutinen 18 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 19. thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter Messpunkt 7: T 91,2 °C 45,0 °C 26,7 °C tWA=7,2 °C tWE=10,4 °C S 19 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 20. thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter 20 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 21. 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 21 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 22. thermea CO2 Wärmepumpe mit Schraubenverdichter 22 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 23. 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 Wärmepreis 70 €/MWh 100 Wärmepreis 60 €/MWh 50 Wärmepreis 50 €/MWh 0 Wärmepreis 40 €/MWh 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Netto-Strompreis in €/MWh (inkl. Netznutzung, EEG/KWK-Zuschläge) 23 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 24. Ausblick: Links- und Rechtsprozess mit CO2 Wärmepumpenprozess Kraftprozess 24 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009
  • 25. 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 25 BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.2009