Gasbasierte Wärme- und Kälteerzeugung: Grundlagen und Funktionsprinzipien

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1 Gasbasierte Wärme- und Kälteerzeugung: Grundlagen und Funktionsprinzipien Fachveranstaltung ASUE 19. April 2018, Bielefeld Jürgen Stefan Kukuk, ASUE

2 Aufgaben und Zielsetzungen Broschüren und Fachinformationen Online-Informationen Arbeitskreise und Netzwerke Newsletter und Presseinformationen Energiepolitik und Kommunikation 2

3 Aufgaben und Zielsetzungen ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v. Seit über 40 Jahren ist die ASUE Drehscheibe für innovative Energiespartechniken ASUE ist streng technisch ausgerichtet und vertritt keine Unternehmensinteressen ASUE fördert die sparsame und effiziente Nutzung von Ressourcen ASUE veröffentlicht Broschüren und Informationen zu effizienten Energiesystemen Mitglieder der ASUE: 45 Unternehmen der Energiewirtschaft, Hersteller und Anwender Über 110 ehrenamtlich engagierte Unterstützer in 5 Arbeitskreisen organisiert ASUE im Dialog mit Entscheidern aus: Wissenschaft, Politik, Technik, Medien, Wirtschaft und Interessenverbänden 3

4 ASUE Broschüren BHKW-Kennzahlen GT-Kennzahlen CO 2 -Vermeidung Umgang m. Risiken Brennstoffzellen EnEV 2016 Erfüllungsoptionen mit Erdgas EnEV-Optionen KWK f. Energieber. Erdgas-Fibel G W P Stromerz. Heizung Klimatisierung von IT-Zentren Spars. Haushaltsgeräte Contracting KWK-Gesetz inno. Wärmenetze 4

5 ASUE Broschüren 2018 Marktübersicht Gaswärmepumpen Bestandsbausanierung mit Brennstoffzellen KWK-Anlagen in Hotels Biomethan erneuerbare Energie Innovative Wärmeinfrastrukturen Die KWK-Ausschreibungsverordnung von 2017 Innovative Quartiersversorgung im Altbau 5

6 Einschränkung von HFKW durch EU-Verodnung : Verbot des Inverkehrbringens von Haushaltskühl- und -gefriergeräten mit HFKW (GWP > 150) : HFKW in vorbefüllten Kälte- und Klimageräten müssen vom Quotensystem erfasst sein : Verbot von HFKW mit GWP > : Verbot von HFKW mit GWP > 150 (gewerblich) : Verbot von HFKW mit GWP > 750 (auch unter 3 kg Füllmenge) 6

7 Steigender Klimatisierungsbedarf Jahressumme des Klimatisierungsbedarfs nach Bundesländern in GWh/a Bis zu 7 % des Strombedarfs für Klimatisierung Quelle: Oeko-Institut,

8 Systematische Einordnung der Kälteerzeugung Gas-Wärmepumpen Gasmotorwärmepumpen Gas-Sorptionswärmepumpen o Adsorptionspumpen Silica-Gel (nur als KWK-K oder Abwärme) Zeolith o Absorptionspumpen Ammoniak Brom-Lithium (nur als KWK-K oder Abwärme) 8

9 Einsatz von Gaswärmepumpen im Wärme- und Kältebereich Funktionsprinzip der Gasmotorwärmepumpe (motorischer Verdichter) 9

10 Einsatz von Gaswärmepumpen im Wärme- und Kältebereich Funktionsprinzip der Gasabsorptionswärmepumpe (thermischer Verdichter) 10

11 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung: Absorptionsverfahren Funktionsprinzip des Absorptionsverdichters 11

12 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung: Adsorptionsverfahren Funktionsprinzip des Adsorptionsverdichters 12

13 Einteilung der Gaswärmepumpen/Sorptionsanlagen Gasmotorische WP Absorptions WP Adsorptions WP Klimatisierung / Kühlung Industrie / Gewerbe Ammoniak/ Brom-Lithium Zeolith Anwendung Kälteerzeugung Neue Markteinführung Ammoniakanwendungen Wärmeerzeugung Industrie / Gewerbe Neu: Hausgeräte in der Markteinf. häusliche Zeolith- Anwendung 13

14 Einteilung der Gaswärmepumpen/Sorptionsanlagen Gasmotorische WP Absorptions WP Adsorptions WP Klimatisierung / Kühlung Industrie / Gewerbe Ammoniak/ Brom-Lithium Zeolith Anwendung Kälteerzeugung Neue Markteinführung Ammoniakanwendungen Wärmeerzeugung Industrie / Gewerbe Neue Markt- Einführung häusliche Zeolith- Anwendung Direkte Gasanwendung KWKK-Anwendung 14

15 Industrielle Kälte aus Abwärme Lithium Bromid Absorptions Kältemaschine Ammoniak Absorptions Kältemaschine Quelle: York Quelle: AGO Energie u. Anlagen 15

16 Industrielle Kälte aus Abwärme Diffusionsabsorptions- Kältemaschine Zeolith-Adsorptions- Kältemaschine Quelle: J. Reichelt Quelle: Invensor 16

17 Bildquelle: KKU Concept Bildquelle: Robur Gasmotor Wärmepumpe/Kältemaschine Einsatz Industrie, Gewerbe, Logistik Gasmotorwärmepumpe motorischer Verdichter: Erdgas-Motor 17

18 Kompressor Motor Primärenergie Gasmotorwärmepumpe Wärmebilanz Erdgaseinsatz 100 % Welle 32 % Wärme 58 % Verluste Abwärme 92 % Kälte 94% Wärme 58 % Verluste 18

19 Einsatz Wohnungsbau Bildquelle: Buderus Bildquelle: Viessmann Bildquelle: Robur Gas-Sorptionsgeräte mit Erdgasbrenner Gasadsorptionswärmepumpe Gasabsorptionswärmepumpe Gasabsorptionswärmepumpe 19

20 Verfahren, Temperaturen und Haupteinsatzgebiete Technologie Absorption NH3 Absorption LiBr Adsorption Zeolith Gasmotorwärme Baugröße Kälteleistung Temp. max min kw + 65 C - 20 C kw + 40 C C 40 kw + 30 C C kw + 50 C - 30 C Einsatzbeispiel Prozesskühlung Klimatisierung; Kühlung Gebäudekühlung Prozesskühlung Klimatisierung 20

21 Einsatzmöglichkeiten Kühlen und Klimatisieren => Zeolith oder LiBr KM Klimatisierung von Büro- und Geschäftshäusern Gastronomie und Hotels Gesundheitswesen IT Kühlung Kältetechnik und Gefrieren => NH3 und motorische KM Lebensmittelhandel Logistik und globalisierte Beschaffung Lebensmittelverarbeitung Eisspeicher 21

22 Funktionsweise der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Nutzung der Wärme des BHKW zur Wärme- und Kälteerzeugung Stromerzeugung; hohe Jahreslaufzeiten; keine synthetischen Kühlmittel Abb.: Huber-Wärmetechnik GmbH 22

23 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Wärmebilanz Erdgaseinsatz 100 % Primärenergie Strom 32 % Wärme 58 % Verluste BHKW Strom 31 % Kälte 72 % Abwärme 82 % Sorptions- Kältemaschine 23

24 Elektrische Wärmepumpe Energiebilanz Wärmeenergie = 5,78 ct/kwh 320 % Elektrische Energie = 18,5 ct/kwh 100 % W A = W wärme - W Kälte 220 % Kälteenergie = 8,8 ct/kwh 24

25 Gaswärmepumpe Energiebilanz Wärmeenergie = 2,75 ct/kwh Gas als Energie = 4 ct/kwh 145 % 100 % W A = W wärme - W Kälte 45% Kälteenergie = 8,8 ct/kwh 25

26 Kältesysteme im Vergleich 3,5 COP 3 2,5 2 1,5 Thermische Verdichter 1 0,5 PEF = 2,4 0 Elektro WP Elektro umgerechnet Gas WP Adsorption Zeolith Adsorption Zeo, KWKK Absorption Ammo Absorption Ammo, KWK K Thermische Verdichter haben einen kleineren Wirkungsgrad 26

27 Kältesysteme im Vergleich 3500 spez. Investitionskosten in EUR/kW Kälteleistung Elektro WP Gasmotor WP WP Adsorption Zeolith Adsorption Zeo, KWKK Absorption Ammo Absorption Ammo, KWK Thermische Kältemaschinen werden nur in kleiner Stückzahl hergestellt 27

28 Kosten der Kälteerzeugung in ct/kw Kälte spez. Kosten Gutschrift Elektro WP Gasmotor WP WP Adsorption Zeo, KWKK Absorption Ammo Absorption Ammo, KWK K Hohe Gutschriften durch Stromerträge 28

29 Maßgebliche Vorteile der Sorption mit KWKK Unkritische Kältemittel (Ammoniak, Wasser, LithiumBromid, Zeolith,) Kaum bewegliche Teile Lange Standzeiten Geringe Wartungskosten Kälte aus Abwärme zu geringen Kosten Ganzjährige Auslastung des BHKW Hohe Stromeinsparung 29

30 Maßgebliche Vorteile der Gasmotorwärmepumpen Günstige Antriebsenergie: GAS Hohe Stromeinsparung, geringere Anlagenkosten Lange Wartungsintervalle Ganzjährige Auslastung der Anlage durch Wärmeauskopplung Motorische Gaswärmepumpen schulden keine EEG Umlage Bei sommerlicher Wärmenutzung Energiesteuer befreit 30

31 Praxisbeispiele Gasmotorkältemaschine Lebensmittelindustrie: Fruchteinlagerung im Aartal: Kälteleistung 126 kw nutzbare Motorwärme 60 kw Betriebskosten: statt

32 Praxisbeispiele Adsorptionskältemaschine Quelle: Invensor Rechenzentrum der Stadt Marburg: wassergekühlte Serverschränke 5 x LTC 30 mit 45 kw Kälteleistung BHKW 25 kw Free cooling Einrichtung 32

33 Praxisbeispiele Absorptionskältemaschine Quelle: ecoenergytherm GmbH 33

34 Wärmeanwendung 1 Hersteller η = 130 % Umweltquelle Solar oder Erdboden Markteinführung η = 180 % Umweltquelle Erdboden oder Sonde ab 41,3 kw th η = 164 % Umweltquelle Luft oder Sonde ab 65 kw th η = 140 % Umweltquelle Erdboden oder Sonde 34

35 Kosten der Wärmeerzeugung im Vergleich ct/kwh Betrieb ct/kwh Invest

36 Entwicklungsmöglichkeiten Zukunftsaussichten Nutzung von Umweltwärme im Wohnungs- und Gewerbebau, Vermehrte Kühlanwendungen im Sommer Eisspeicher als Gasanwendung (Gasmotor und Ammoniak) Solar Cooling, auch mit Gasunterstützung Heiz-Energiegewinnung durch Wasserdampf-Kondensation, Luftkonditionierung im Altbau mehrstufigen Absorptionska lte-maschinen für Tieftemperaturanwendungen 36

37 ASUE Engagement Innovation und Energieeffizienz werden Sie Mitglied bei der ASUE ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V. Jürgen Stefan Kukuk Geschäftsführer Robert-Koch-Platz 4 in Berlin Tel: Fax: kukuk@asue.de I 37

38 TECHNIK EFFIZIENZ INNOVATION Vielen Dank! 38