Gas-Wärmepumpen. Übersicht Technologien und die Zeolith-Gas-Wärmepumpe zeotherm im System. Remscheid, A. Hellner

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1 Gas-Wärmepumpen Übersicht Technologien und die Zeolith-Gas-Wärmepumpe zeotherm im System Remscheid, A. Hellner

2 Gas-Wärmepumpe Übersicht Technologien und die Zeolith-Gas-Wärmepumpe zeotherm im System Rahmenbedingungen Funktionsprinzipien unterschiedlicher Gas-Wärmepumpen Zeolith-Gas-Wärmepumpe zeotherm 1

3 Rahmenbedingungen Politisches Umfeld Bundesebene EEWärmeG Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energie bis 2020 (ab 01. Jan. 2009), Neubau Förderung im Rahmen des MAP nur noch im Gebäudebestand möglich Technische Möglichkeiten (Auswahl): Gaskessel mit solarer Energieeinkopplung*** Gaswärmepumpe Jahresarbeitszahl 1,2 MAP 1,3 Heizen Warmwasser MAP Elektrowärmepumpe Jahresarbeitszahl Luft ** 3,5 3,3 3,7 Erdreich/Wasser 4,0 3,8 4,3 Zum Nachweis der JAZ müssen Wärmepumpen mit Wärmemengen- und Stromzählern ausgerüstet werden *** 0,04 m² Kollektorfläche / m² Nutzfläche; Kollektorflächen zertifiziert nach dem europäischen Prüfzeichen Solar Keymark Klimaziele: CO 2 -Vermeidung und Senkung des Primärenergiebedarfs 2

4 CO 2 -Vermeidung Erfüllung der Klimaziele Klimaschutz durch mehr Effizienz und regenerative Energien CO 2 -Vermeidung Gas-Brennwert- Gas-Brennwert- Bio-Erdgas Zeolith-Gas- Mikro-KWK Brennstoffzelle gerät gerät + Solar Wärmepumpe zeotherm im System bedeutet schon heute mehr als 20% weniger CO2-Ausstoß gegenüber einer Kombination Gas-Brennwert mit solarer TW-Bereitung 3

5 Was erwartet uns nach der Generation Gas-Brennwert? Senkung Primärenergieaufwand durch Steigerung der Effizienz mit der Gas-Wärmepumpe 140 Effizienz bezogen auf Primärenergie 1) Elektrowärmepumpe Mikro-KWK Brennstoffzelle 1) Primärenergie-Effizienz im Neubau, inkl. WW und Stromeinspeisung KWK Im Vergleich besserer Primärenergiefaktor für Gas = 1,1 als für Strom = 2,6 4

6 Vereinfachtes Energieflussbild Wärmepumpen Gegenüberstellung Primärenergieaufwand El.-WP und Gas-WP Primärenergie 73 kwh 48 kwh Verluste durch Stromerzeuger und Transport 34% Wirkungsgrad 25 kwh Strom 75 kwh Erdwärme 100 kwh Heizwärme ca. 1 kwh Wärmeverluste, hauptsächlich Abgas 76 kwh Erdgas 77 kwh Primärenergie 25 kwh Umweltwärme Elektrowärmepumpe Jahresarbeitszahl: 4,0 73 kwh Primärenergie 77 kwh Primärenergie Gaswärmepumpe Jahresarbeitszahl: 1,3 Durch Verluste bei der Stromerzeugung ist die tatsächlich benötigte Primärenergie fast gleich 5

7 neue Kundengruppen Erneuerbare Energien 6

8 Funktionsprinzipien unterschiedlicher Gas-Wärmepumpen Kompressions-Wärmepumpe (mechanischer Kompressor, Stand der Technik) 1. Elektro-Wärmepumpe und Gasmotor-Wärmepumpe Sorptions-Wärmepumpen (thermische Verdichtung über Sorptions- und Desorptionsprozesse) 2. Absorptions-Wärmepumpe verdampftes Kältemittel wird in einer flüssigen Lösung absorbiert 3. Adsorptions-Wärmepumpe verdampftes Kältemittel lagert sich an der Oberfläche eines Feststoffes (Zeolith) an 7

9 Funktionsprinzipien unterschiedlicher Gas-Wärmepumpen 1. gasmotorische Wärmepumpe (verschiedene Hersteller) (Quelle: ASUE) Antrieb: Erdgasmotor / mechanischer Verdichter (Kompressor) Kreisprozess Output Heizung: kw Heizleistungszahlen: 1,5 1,8 Kühlleistung: kw Wärmequelle: Erde, Luft, Wasser Heizsystem: Fußboden- und Radiatorenheizung Mehrfamilienhäuser / Gewerbe Bekannte Technik am Markt - Entzug der Umgebungswärme durch Verdampfer - Verdichter Kompression - Verflüssiger - Einspeisung ins Heiz-/ Wärmenetz zur Aufnahme und Abgabe von Wärme wird kontinuierlich der Aggregatzustand des Kältemittels geändert (flüssig / gasförmig) Gasmotorische Wärmepumpe, Umweltenergie: Erdreich, Wasser, Luft 8

10 Funktionsprinzipien unterschiedlicher Gas-Wärmepumpen 2a Absorptions-Wärmepumpe mit Lösungspumpe (Robur) (Quelle: ASUE) Stoffpaar: Ammoniak (Kältemittel) und Wasser (Lösungsmittel) Kreisprozess modulierende Betriebsweise: 15 kw 40 kw Nutzungsgrad (Hi bei B0/W35) 170 % Wärmequelle: Erde, Luft, Wasser Heizsystem: Fußboden- und Radiatorenheizung Mehrfamilienhäuser / Gewerbe Entzug der Umgebungswärme durch Verdampfer Verdichter thermisch Verflüssiger Einspeisung ins Heiz-/ Wärmenetz zur Aufnahme und Abgabe von Wärme wird kontinuierlich der Aggregatzustand des Kältemittels geändert (flüssig / gasförmig) das verdampfte Kältemittel wird in einer flüssigen Lösung (Ammoniak/ Wasser) absorbiert. Markteinführung: März 2009 (ISH) Absorptionstechnologie, Umweltenergie: Erdreich, Luft, Wasser 9

11 Funktionsprinzipien unterschiedlicher Gas-Wärmepumpen 2b Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe mit Blasenpumpe (Bosch Thermotechnik) (Quelle: Bosch Thermotechnik) Stoffpaar: Ammoniak (Kältemittel) und Wasser (Lösungsmittel) und Helium (Hilfsgas), Kreisprozess modulierende Betriebsweise: 3 kw 10 kw Nutzungsgrad (Hi B0 / W35) 135 % Wärmequelle: Erdwärmesonde Heizsystem: Fußboden- und Radiatorenheizung Einfamilienhäuser Markteinführung: geplant 2011 Entzug der Umgebungswärme durch Verdampfer Verdichter thermisch Verflüssiger Einspeisung ins Heiz-/ Wärmenetz zur Aufnahme und Abgabe von Wärme wird kontinuierlich der Aggregatzustand des Kältemittels geändert (flüssig / gasförmig) das verdampfte Kältemittel wird in einer flüssigen Lösung (Ammoniak/ Wasser) absorbiert. Die Lösungspumpe wird hier durch eine Blasenpumpe ersetzt, die keine elektrische Energie benötigt Absorptionstechnologie, Umweltenergie: Erdreich 10

12 Funktionsprinzipien unterschiedlicher Gas-Wärmepumpen 3a Adsorptions-Wärmepumpe mit Zeolith und Wasser (Vaillant) (Quelle: Vaillant) Stoffpaar: Wasser (Kältemittel) und Zeolith als Sorptionsmittel, 2 abwechselnde Phasen Bild 1 Desorptionsphase Bild 2 Adsorptionsphase modulierende Betriebsweise: 1,5 kw 10 kw Nutzungsgrad (Hi 40/ 30 ) 130% Wärmequelle: Solarkollektoren Heizsystem: Fußbodenheizung/ Flächenheizung Einfamilienhäuser Markteinführung: April 2010 Desorption: Wasserdampf wird durch Gasbrenner aus dem Zeolith ausgetrieben (desorbiert) Kondensationswärme entsteht Adsorption: Umgebungswärme Solar verdampft Wasser als Kaltdampf und wird vom Zeolith adsorbiert. Adsorptionswärme wird ebenfalls zum Heizen genutzt Adsorptionstechnologie, Zeolith-Gas-Wärmepumpe, Umweltenergie: Solar 11

13 Funktionsprinzipien unterschiedlicher Gas-Wärmepumpen 3b Adsorptions-Wärmepumpe mit Zeolith und Wasser (Viessmann) (Quelle: Vaillant) Stoffpaar: Wasser (Kältemittel) und Zeolith als Sorptionsmittel, 2 abwechselnde Phasen Bild 1 Desorptionsphase Bild 2 Adsorptionsphase modulierende Betriebsweise: 1,6 kw 10 kw Wärmequelle: Erdwärmesonde (Luft) Nutzungsgrad (Hi 40/ 30 ) 130% Heizsystem: Fußbodenheizung Einfamilienhäuser Markteinführung: Ende 2012 Desorption: Wasserdampf wird durch Gasbrenner aus dem Zeolith ausgetrieben (desorbiert) Kondensationswärme entsteht Adsorption: Umgebungswärme Solar verdampft Wasser als Kaltdampf und wird vom Zeolith adsorbiert. Adsorptionswärme wird ebenfalls zum Heizen genutzt Adsorptionstechnologie, Zeolith-Gas-Wärmepumpe, Umweltenergie: Erdreich (Luft) 12

14 Zeolith-Gas-Wärmepumpe zeotherm zeotherm im System 13

15 Grundlagen Sorption durch Zeolith und Wasser Zeolith: - kristalline Substanz, die Wasser aufnimmt und bei Erhitzung wieder abgibt - ungiftig, nicht brennbar und in jeder Hinsicht umweltverträglich Wasser: - kein Treibhauspotenzial - keine Schädigung der Ozonschicht Zeolithstruktur H 2 O Wasser In den Hohlräumen des Zeolith wird Wasserdampf heftig angezogen Bei der Einbindung der Moleküle in die Kristallstruktur wird Wärmeenergie freigesetzt (Adsorption) und zum Heizen genutzt Dieser Vorgang ist durch Wärmezufuhr umkehrbar (Desorption), wobei hier die Kondensation des Wasserdampfes ebenfalls nutzbare Wärme liefert 14

16 Zeolith-Gas-Wärmepumpe zeotherm System-Komponenten hydraulische Anbindung aurostor VIH S x aurotherm (Solarsystem komplett) zeotherm eine Einheit: zeotherm, Solar-Kollektoren inkl. Zubehör und Speicher 15

17 Daten und Aufbau zeotherm Technische Daten VAS 106/3 Nennwärmeleistungsbereich 1,5-10,2 kw Jahresarbeitszahl > 1,3 einstellbare Vorlauftemperatur C empfohlene max. Vorlauftemp. HK < 40 C el. Leistungsaufnahme 200 W Gerätebreite 772 mm Gerätehöhe inkl. Abgasstutzen mm Gerätetiefe 718 mm Transportgewicht (o. Verkleidung) 160 kg Betriebsgewicht 183 kg oberer Bereich: Gas-Brennwert Unit mögliche Teilung des Gerätes zum Transport unterer Bereich: Zeolith Unit Die Zeolith-Gas-Wärmepumpe ist ein innovatives Produkt mit höchster Energieeinsparung, trotzdem im wesentlichen bekannte Komponenten für den FHW 16

18 Vergleich Gesamtnutzungsgrad Zeolith-Gas-Wärmepumpe Durch die Einkopplung von Umweltwärme steigt der Gesamtnutzungsgrad (Brennwert für Heizung und Warmwasserbereitung) auf 131% an. Damit ist das Gesamtsystem über 20% besser als eine Kombination aus Gas-Brennwert und solarer TW-Bereitung. Gesamtnutzungsgrad [%] 140% 120% 100% 80% 60% 40% 82% 95% 108% solare Trinkwasserbereitung 123% 10% 10% 113% 98% 10% 121% 131% Umweltwärme für Heizung 49% 23% 140% 120% 100% 80% 60% 40% CO2 Reduzierung [%] 20% 20% 0% Gas- Heizw ertgerät Gas- Brennw ertgerät Gas- Brennw ertgerät + Solarthermie WW Gas- Brennw ertgerät + Solarthermie HU Zeolith-Gas- Wärmepumpe + Solarthermie WW vgl. mit Heizw ert vgl. mit Brennw ert + Solarthermie WW 0% 17

19 Anwendungsfall und Systemvoraussetzungen Neubau oder energetisch sanierter Bestand max. 10 kw Leistung (also in der Regel Einfamilienhaus) geeignete Dachfläche (min. 8 m² durchgängig, idealer weise Südausrichtung) Gasversorgung/ -anschluss notwendig/ vorhanden Fußboden- oder andere Flächenheizung (Niedertemperaturheizung) eventuell in Einzelfällen auch für Radiatoren VL < 40 C geeignet Aufstellung im Keller, Etage oder Dachgeschoß Wartung Das Zeolith Modul ist ohne bewegte Teile und komplett wartungsfrei Nur bekannte Installation und Wartung der Technologien Gas-Brennwert und Solarthermie Keine Verwendung von Kältemittel außer Wasser kein Kälteschein notwendig 18

20 Entscheidungskriterien - Zeolith ist vergleichbar mit einer Keramik ungiftig, nicht brennbar und in jeder Hinsicht umweltverträglich - Kältemittel ist Wasser = keine Schädigung der Ozonschicht - Mehr als 20% höhere Effizienz als ein Standardsystem Gas- Brennwert + solare WW-Bereitung (bei fast gleichem Installationsaufwand) - Doppelter Solarnutzen: - Nutzung solarer Umweltwärme für den Sorptionsprozess - direkter Solarnutzen zur Erwärmung des Solar-Warmwasserspeichers - Im Neubau: Pflicht zur Nutzung erneuerbarer Energien - einfache Kollektormontage im Vergleich zu einer Bohrung für Erdsonde - keine Möglichkeit einer Erdsonde für Sole/Wasser-Wärmepumpe - Kein Platz oder zu enge Bebauung für Außenaufstellung Luft/Wasser-Wärmepumpe, da Geräuschentwicklung zu hoch - auch bei Außentemperaturen deutlich im Minusbereich werden im Solarkollektor Plusgrade für den Wärmepumpenbetrieb erreicht 19

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 20

22 Backup 21

23 Betriebsphasen der Zeolith-Gas-Wärmepumpe Betriebsphasen: M Desorption Adsorption 1. Wasserdampf wird durch Wärme aus dem Gasbrenner aus Zeolith ausgetrieben = Desorption Der heiße Dampf strömt in den unteren Teil des Moduls, kühlt hier ab und kondensiert. Die freigesetzte Energie wird als Nutzwärme abgeführt. Hydraulische Umschaltung, Ende der Desorptionsphase Gasbrenner Dampf Zeolith Modul 22

24 Betriebsphasen der Zeolith-Gas-Wärmepumpe Betriebsphasen: M Desorption Adsorption Wärmezufuhr zum Adsorber/ Desorber wird unterbrochen, Druck und Temperatur im Modul sinken ab. 2. Temperatur des Verdampfers/ Kondensators sinkt unter das Temperaturniveau der Umgebungswärmequelle Einschaltung der Solepumpe. Das Kältemittel im unteren Teil des Moduls verdampft kalt, der Kaltdampf strömt nach oben und wird vom Zeolith adsorbiert. Die Adsorpionswärme wird ebenfalls als Nutzwärme abgeführt. Gasbrenner Dampf Zeolith Modul 23

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