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CO2-Wärmepumpen großer Leistung
WISSENSCHAFT Wärmepumpe/CO2 Schlüsselwörter: Wärmepumpe ! Kohlendioxid ! Industrie ! Prozessführung ! Erprobungsergebnisse Steigender Energiebedarf und steigende Umweltbelastung bei der Energieversorgung erfordern einen verstärkten Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie. Das Potenzial ist vorhanden, wobei insbesondere hohe Nutztemperaturen benötigt werden. CO2 als Arbeitstoff in Wärmepumpen bietet energetische Vorteile wenn Luft oder Wasser von einem niedrigen auf ein hohes Temperaturniveau angehoben werden sollen. Die Besonderheiten der Prozessführung von Wärmepumpen mit CO2 werden erläutert und durch experimentelle Ergebnisse, die an einer Demonstrationsanlage kleiner Leistung ermittelt wurden, untermauert. CO2-Large Scale Heat Pumps – Essential for Sustainable Heat Supply Keywords: Heat pump ! carbon dioxide ! industry ! process design ! experimental results Rising energy demand and increasing environmental pollution due to energy supply an amplification of industrial heat pump applications is necessary. The potential is available whereas high effective temperatures are needed. CO2 as working fluid in heat pumps offers energetic advantages if air or water are to be warmed up from a low to a high temperature level. Particularities of heat pump process design using CO2 are described and experimental results are presented. Autoren Prof. Dipl.-Ing. Eberhard Wobst, Dipl.-Ing. (FH) Steffen Oberländer, Dr.-Ing. Walter Nestler, thermea. Energiesysteme GmbH, Freital CO2-Wärmepumpen großer Leistung – unverzichtbar für eine nachhaltige Wärmeversorgung*) Statistiken zeigen den wachsenden Weltenergiebedarf auf und prognostizieren einen weiteren Anstieg in den kommenden Jahren. Vertrauenswürdige Studien verweisen demgegenüber mit Nachdruck auf die endliche Verfügbarkeit fossiler Energiequellen und Uranvorkommen. Die Kernfusion steckt noch in der Grundlagenforschung. Einzige realistische Alternative ist aus heutiger Sicht die Nutzung erneuerbarer Energien. Neben der Entwicklung des Energiebedarfs ist der anthropogen verursachte Anstieg der CO2 Emission ein Alarmsignal. Hierbei entfällt ein maßgeblicher Anteil auf die Stromerzeugung auf Basis fossiler Rohstoffe. Sie trägt zur globalen Erwärmung bei. Wichtige Schlussfolgerungen aus dieser Situation sind: l sparsame Verwendung von Energie, l stärkere Nutzung erneuerbarer Energieträger und l verantwortungsvoller Umgang mit fossilen Energieträgern. Die Wärmepumpe kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten: l Die CO2-Emissionen liegen im Vergleich zur herkömmlichen Wärmeerzeugung signifikant niedriger (Wärmepumpe 0,134 kg CO2/kWh, Gaskessel 0,242 kg CO2/kWh). l Bei einer Leistungszahl von 4 muss nur 1/4 der benötigten Energie für den Antrieb der Wärmepumpe aufgebracht werden, allerdings als hochwertige Exergie. Der Antrieb der Wärmepumpe mit Elektroenergie, die aus 100 % Exergie besteht, ist kein Nachteil, denn die Nutzung erneuerbarer Energie aus Wasser, Wind und Sonne erfolgt mit Ausnahme der Solarthermie ohnehin über Elektroenergie. Auch die nachwachsenden Rohstoffe sollten in thermodynamisch sinnvoller Weise in geeigneten Anlagen verstromt werden, anstatt de- *) Auszüge aus dem Vortrag [1] 18 KI Kälte ! Luft ! Klimatechnik ! Dezember 2008 zentral zur alleinigen Wärmeerzeugung genutzt zu werden. Jegliches Verbrennen von Energieträgern zum Zweck der Wärmeerzeugung ist Ressourcenverschwendung. Eine Konsequenz ist der nachhaltige Ausbau der Wärmebereitstellung mittels Wärmepumpe. Insbesondere in der Industrie liegt ein bisher zu wenig genutztes Potenzial für den Einsatz von Wärmepumpen. Für Deutschland werden in [2] angegeben: Nutztemperatur 70 " C 64 Mrd. kWh/a Nutztemperatur 100 " C 110 Mrd. kWh/a Die Erschließung dieses Potenzials gelingt umso besser, je höher die mit der Wärmepumpe energetisch effektiv erreichbaren Vorlauftemperaturen sind. Warum CO2 als Arbeitstoff? Fluorierte Kohlenwasserstoffe als Kältemittel besitzen ein erhebliches Treibhauspotenzial und stehen deshalb unter Kritik. Obwohl ein Verzicht auf diese Stoffe in absehbarer Zeit nicht möglich ist, sollte überall dort, wo es technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, der Umwelt zuliebe darauf verzichtet werden. Als Alternativen stehen mit CO2, Ammoniak, Kohlenwasserstoffe und Wasser die sog. natürlichen Kältemittel für den Kaltdampfprozess zur Verfügung. Jeder dieser Stoffe hat Vor- und Nachteile. Der ausschlaggebende Vorteil des CO2 sind die hohen erreichbaren Nutztemperaturen. Die Eigenschaften von CO2 sind bekannt. Eine auf den Einsatz als Kältemittel/Arbeitsstoff zugeschnittene Zusammenfassung enthält [3]. Hier sei nur auf einige typische Vorteile (þ) und Nachteile ($) verwiesen: þ die Umweltverträglichkeit (Treibhauspotenzial ¼ 1, Ozonzerstörungspotenzial ¼ 0) þ die Erreichbarkeit hoher Nutztemperaturen, þ die hohe volumenbezogenen Kälteleistung (kompakte Bauweise), þ das geringe Druckverhältnis, þ die gute Materialverträglichkeit, þ die Verfügbarkeit und den geringen Preis WISSENSCHAFT Wärmepumpe/CO2 $ den kritischen Punkt bei 31 " C, 74 bar, $ die hohe Drucklage (optimaler Hochdruck bei ca. 95 bar) und $ die Beeinflussung der Atmung durch CO2, die Sicherheitsmaßnahmen erforderlich macht. Die Vorteile überwiegen. Technisch sichere Wärmpumpen sind machbar. Voraussetzungen für den Einsatz von CO2- Hochtemperaturwärmepumpen großer Leistung Die Wärmepumpe hebt unter Aufwendung von (meist elektrischer) Antriebsenergie Wärmeenergie von einem niedrigen, nicht nutzbaren Temperaturniveau auf ein nutzbares, höheres Niveau. Die energetische Effektivität einer Wärmepumpe wird mit der Leistungszahl eH beschrieben. Sie ist der Quotient aus Nutzen (Wärmeleistung, Q_ H ) und Aufwand (Klemmenleistung, PKL oder Wellenleistung PW bei offenen Verdichtern): eH ¼ Q_ H PKL ð1Þ Soll bei einer Leistungszahl von eH ¼ 4 eine Wärmeleistung von 1000 kW bereitgestellt werden, muss die Wärmepumpe 750 kW Wärme auf niedrigem Niveau aus einer Wärmequelle aufnehmen. Wärmequellen, wie z.B. Erdsonden mit max. 50 W/m, die sich bei Wärmepumpen kleiner Leistung bewährt haben, erweisen sich für große Leistungen als nicht geeignet. Für das Zahlenbeispiel würden 15 000 m Bohrung gebraucht. Es sind große Leistungspotenziale gefragt, vorzugsweise Abwärme aus industriellen Prozessen, die bisher ungenutzt über Kühltürme oder direkt an die Umgebung abgeführt wird. Auch Wärmequellen wie z.B. Kaltwassernetze von Klimaanlagen großer Leistung, Rückläufe von Fernwärmesystemen, Abwassersysteme oder Wasser aus Tiefenbohrungen sind geeignet. Das Temperaturniveau der Wärmequelle sollte möglichst zwischen dem von Kaltwassernetzen (12 " C/6 " C) und dem von Kühlkreisläufen (32 " C/27 " C) liegen. Auf der Wärmenutzungsseite sind bei CO2 Wärmepumpen insbesondere die Anwendungen geeignet, bei denen Luft- oder Wasserströme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres gehoben werden müssen (s. nächster Abschnitt). Beispiele sind Erwärmung von Trinkwasser von ca. 15 " C auf 65 " C und höher, Vorwärmung von Prozesswasser oder Prozessluft von Umgebungstemperatur auf 80 " C und höher oder Erwärmung von Luft in Trocknungsprozessen von 40 " C auf 80 " C. Weniger oder nicht geeignet sind Anwendungen, bei denen nur eine geringe Erwär- mung des Wärmeträgers auf hohem Niveau erfolgt. Das sind z.B. Maischekochprozesse in Brauereien mit Temperaturerhöhung um ca. 5 K in der Nähe von 100 " C oder Heiznetze, die auf 90 " C/70 " C ausgelegt sind. Die Wirtschaftlichkeit des Wärmepumpeneinsatzes muss fallweise nachgewiesen werden. Dazu stehen mehrere Verfahren zur Verfügung. Gut geeignet ist die in [4] beschriebene Kapitalwertmethode. Allgemein gilt, hohe jährliche Betriebsstundenzahl, hohe Wärmequellentemperaturen und für CO2-geeignete Nutztemperaturen sind Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Wärmepumpeneinsatz. Als Parameter haben die Energiekosten einen erheblichen Einfluss. Abb. 1 zeigt beispielhaft die Kosteneinsparungen, die mit einer Wärmepumpe von 1000 kW Heizleistung (Leistungszahl eH ¼ 3,5; 5000 Betriebsstunden/a) gegenüber einem Gaskessel erreicht werden. Strom- und Gaspreis sind als Abszisse bzw. Parameter dargestellt. Bei den Strompreisen ist zu beachten, dass durch Einsatz von Speichern eine Erhöhung der Spitzenlast vermieden werden kann. In den Fällen muss nur der Arbeitspreis für die von der Wärmepumpe benötigte Elektroenergie auf der Aufwandsseite angerechnet werden. Besonders effektiv ist die Wärme-Kälte-Kopplung. Das trifft zu, wenn Kälte- und Wärmebedarf gleichzeitig vorhanden sind. Unterschiede im Tages- gang können durch Speicher ausgeglichen werden. Besonderheiten des Wärmepumpenprozesses mit Kohlendioxid Wärmepumpen mit CO2 (R744) arbeiten nach dem Kaltdampfprozess, wobei sich das CO2 auf Wärmenutzungsseite im überkritischen Gebiet befindet. Das heißt es findet keine Verflüssigung sondern eine Gaskühlung statt. Abb. 2 zeigt einen Vergleich der Leistungszahlen von Kaltdampfprozessen mit R134a (unterkritisch) und CO2 als Arbeitsstoff (hochdruckseitig überkritisch). Es ist ersichtlich, dass die CO2-Wärmepumpe im Fall der Trinkwassererwärmung deutlich überlegen ist. Bei der Erzeugung von Klimakälte liegt dagegen die Leistungszahl bei R134a über der von CO2. Das heißt CO2 bietet bei geeigneten Einsatzbedingungen Vorteile, ist aber nicht in jedem Fall überlegen. Die Erklärung dieses Sachverhalts ist aus Abb. 3 ersichtlich. Im unterkritischen Fall erfolgt die Wärmeabgabe isobar (ohne Berücksichtigung des Druckabfalls) bei konstanter Temperatur und einem Phasenwechsel des Arbeitsstoffes im Verflüssiger. Der zu erwärmende Stoffstrom ändert seine Temperatur bei der Wärmeaufnahme. Die rote Fläche zwischen beiden Linien stellt exergetische Verluste dar. Bei hochdruckseitig überkritischem Verlauf erfolgt die isobare Wärmeabgabe (wieder 1 & 1 Jährliche Kosteneinsparung mit einer thermea. CO2-Wärmepumpe gegenüber einem & Gaskessel 2 & 2 Vergleich Leis& tungszahlen Kaltdampfprozess mit R134a und CO2 (einfacher, einstufiger Kreisprozess, Drosselentspannung) KI Kälte ! Luft ! Klimatechnik ! Dezember 2008 19 WISSENSCHAFT Wärmepumpe/CO2 ohne Berücksichtigung des Druckabfalls) bei einer Temperaturänderung des CO2. Die Temperaturänderungen von CO2 und dem zu erwärmenden Stoffstrom können aneinander angepasst werden, so dass die exergetischen Verluste (rote Fläche) auf ein Minimum reduziert werden. Die theoretisch maximal erreichbare Leistungszahl, die Carnot- Leistungszahl, lässt sich durch Temperaturen des Wärmepumpenprozesses ausdrücken (Abb. 4). Gleichung (2) gilt für den unterkritischen Prozess mit der konstanten Temperatur TH in Kelvin. Für den überkritischen Prozessverlauf gilt Gleichung (3). TM ist die thermodynamische Mitteltemperatur [5] in Kelvin. Sie ist näherungsweise das lineare Mittel aus den CO2-Temperaturen am Ein- und Austritt des Gaskühlers. T0 ist die von der Wärmequellentemperatur bestimmte Verdampfungstemperatur. eHunterkritisch ¼ TH TH $ T0 ð2Þ eHüberkritisch ¼ TM TM $ T0 ð3Þ Die Leistungszahlen werden neben dem Temperaturhub (TH – T0) bzw. (TM – T0) von den absoluten Temperaturen TH und TM bestimmt. Es ist ersichtlich, dass TM unter TH liegt. Je größer dieser Unterschied ist, desto vorteilhafter ist der überkritische Prozess bei gleichem T0. Das kann mit einem Beispiel belegt werden. Wird Heißwasser 15 " C auf 65 " C erwärmt, liegt TH bei 343 K (70 " C) und TM bei 318 K (45 " C), wenn 5 K zwischen beiden Stoffströmen angesetzt werden. Rechnet man bei gleicher Verdampfungstemperatur für beide Prozesse überschläglich mit nur 1 % Verbesserung der Leistungszahl pro Kelvin Absenkung der Temperatur auf der warmen Seite der Wärmepumpe ergibt sich ein Vorteil für den überkritischen Prozess von 25 %. Abb. 5 zeigt den Prozess der thermea. Wärmepumpe mit innerem Wärmeübertrager und zwei Gaskühlern. Der Verdichter saugt gasförmiges CO2 (1) an und verdichtet es auf den Hochdruck (2). Die Wärmeabgabe erfolgt in den Gaskühlern A und B bis (3). Im inneren Wärmeübertrager wird das CO2 durch das Sauggas weiter bis (4) gekühlt, bevor es auf das Niederdruckniveau am Verdampfereintritt (5) entspannt wird. Vom Verdampferaustritt (6) bis zum Verdichtereintritt (1) nimmt das Sauggas Wärme von der Druckseite auf. Es ist ersichtlich, dass mit 2 Gaskühlern eine bessere Anpassung des zu erwärmenden Stoffstromes an den Temperaturverlauf des CO2 möglich ist. Es können damit 2 Temperaturniveaus zur Versorgung von 20 KI Kälte ! Luft ! Klimatechnik ! Dezember 2008 3 & 3 Vergleich unter- und überkritische Prozessführung (Diagrammvorlage CoolPack) & 4 4 Qualitativer CO2 & & Wärmepumpenprozessverlauf 5 & Verbrauchern genutzt oder die beiden Teilströme wieder zusammengeführt werden. Die Leistungszahl wird von der CO2 Seite bestimmt und ist unabhängig von diesen Optimierungsmöglichkeiten, solange dadurch die Gaskühleraustrittstemperatur nicht verändert wird. Experimenteller Nachweis Zur Führung des quantitativen Nachweises wurde im Institut für Luft- und Kältetech- 5 Prozessverlauf & der Demonstrationsanlage nik, Dresden eine Demonstrationsanlage kleiner Leistung aufgebaut und erprobt. Abb. 6 zeigt das R&I- Schema für den oben beschriebenen Prozess mit zwei Gaskühlern und innerem Wärmeübertrager und Abb. 7 den Aufbau. Wichtige Regelkreise sind eingetragen. Die Überhitzungsregelung am Verdampfer erfolgt mit einem elektronischen Einspritzventil. Zur Regelung des optimalen Hochdruckes [3] wurde ein Regelventil nach dem inneren Wärmeüber- WISSENSCHAFT Wärmepumpe/CO2 6 & 6 R&I Schema der & Demonstrationsanlage 7 & 7 Messergebnisse an der Demonstra& tionsanlage 8 & trager eingebaut. Es wird von einem Druckregler angesteuert. Als Ausgleichsvolumen für die vom Arbeitspunkt abhängige Kältemittelfüllung der Wärmeübertrager wurde ein Sammler nach dem Regelventil vorgesehen. Der Verdichter ist eine Radialkolbenmaschine mit einer Wärmeleistung von ca. 20 kW. Alle Wärmeübertrager sind als Koaxialapparate ausgeführt. Ziel der Erprobung waren Funktionsnachweis und Bereitstellung von Versuchsdaten für die Verifizierung eigener Software. Abb. 8 zeigt einen ausgewählten Messpunkt. Eine Optimierung der Demonstrationsanlage war nicht vorgesehen, obwohl mit der Leistungszahl von 3,01 die Möglichkeiten nicht ausgeschöpft sind. Reserven lagen z.B. bei Druckabfällen in einigen Apparaten. Die Wassereintrittstemperatur auf der Verdampferseite betrug bei diesem Messpunkt 10,4 " C, die Austrittstemperatur bei 7,2 " C. Wasser von 26,7 " C wurde im Gaskühler B auf 45 " C und im Gaskühler A weiter auf 91,2 " C erwärmt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass weitere Gestaltungsmöglichkeiten auf der Warmwasserseite bestehen. So kann z.B. der Prozesspunkt zwischen den beiden Gaskühlern nach höheren Temperaturen verschoben werden. Damit sind Austrittstemperaturen am Gaskühler A von mehr als 100 " C möglich. Bemerkenswert ist die Aufteilung der Leistung auf Gaskühler A und B. Im Gaskühler A werden mit 12,3 kW 55,4 % der gesamten Wärmeleistung übertragen. Nutzt man beispielsweise die Überhitzungswärme einer R134a Wärmepumpe zur Heißwassererzeugung bei einer Verdampfungstemperatur von 20 " C und einer Verflüssigungstemperatur von 60 " C , liegt die Verdichtungsendtemperatur bei 81 " C, Die Enthitzungswärme beträgt weniger als 16 % der gesamten am Verflüssiger übertragenen Wärmemenge. Auf dem Temperaturniveau von 60 " C werden bei der Verflüssigung 84 % abgeführt. Dieses Beispiel verdeutlicht die Vorteile von CO2 hervorragend. Die mit der Demonstrationsanlage erzielten Ergebnisse lieferten die notwendige Sicherheit für Errichtung von Wärmepumpenanlagen mit CO2 als Arbeitsstoff im Bereich großer Leistungen. Dank der Fortschritte in der Verfügbarkeit von Komponenten ist dafür auch die Hardwarebasis gegeben, so dass zeitnah erste Anwendungen realisiert werden können. Literatur [1] [2] [3] [4] [5] Wobst, E., Oberländer, St., Nestler W.: Wärmepumpensymposium des DKV anlässlich der Chillventa, Nürnberg (2008) Lambauer, J.: Großwärmepumpen in der Industrie – Potenziale, Hemmnisse und BestPractice Beispiele, Vortrag 1 Großwärmepumpensymposium, Stuttgart (2008) DKV Statusbericht Nr. 20: Kohlendioxid – Besonderheiten und Einsatzchancen als Kältemittel, Neuauflage Februar (2006) Schramek, E.-R.: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, Oldenburg Industrieverlag München (2006) Behr, H.D.: Thermodynamik und Grundlagen, Springerverlag Berlin (2002) 8 Diagrammvorlage CoolPack & KI Kälte ! Luft ! Klimatechnik ! Dezember 2008 21
