Wärmepumpen - Das Prinzip

Transkript

1 Wärmepumpen - Das Prinzip Wärmereservoir mit hoher Temperatur T = Nutzmedium z.b. Heizungswasser Brauchwasser Prozesswärme "Wärme pumpen" Q Q 0 Antriebsarbeit W z.b. Strom Diesel Erdgas Wärmereservoir mit niedriger Temperatur T 0 = Wärmequelle z.b. Erdreich Außenluft (Grund) Wasser Abluft, Abwasser Sonnenenergie Kreisprozess Kompressions-Wärmepumpe Nutzwärme Kreisprozess mit einem Kältemittel bzw. Kältmittelgemisch (z.b. R134a, R407c, Propan, Propen) Kondensator Drossel Verdichter Verdampfer Motorantrieb Strom Diesel Gas mechanischer Verdichter (z.b. Scroll-, Rollkolben-, Kolbenverdichter): Druck- und damit Temperaturerhöhung Kondensator: Verflüssigung bei hoher Temperatur, Nutzung der Kondensationswärme Drossel: Entspannung des Kältemittels, Druck- und Temperaturabsenkung Umweltwärme aus Erdreich, Außenluft, Abluft, (Grund)Wasser, Abwasser, Sonnenenergie, etc. Verdampfer: Verdampfung mit Umweltwärme bei niedriger Temperatur, niedrigem Druck

2 Wärmepumpenheizung - Wärmequelle Erdsonde Bohrloch-Ø ca. 120 mm Bohrloch-Tiefe bis 100 m PE-Rohr-Ø ca. 25 mm Temperaturen im Erdreich zwischen m: konstant etwa 10 C Wärmeentzugsleistung: 20 W/m Bohrlänge (sandiger Boden) bis 100 W/m (wasserführender Boden) Regeneration durch Wärmetransport im oberflächennahen Erdreich geringer Platzbedarf, hohe Arbeitszahlen! in BRD bei Neuanlagen mittlerweile häufigste Wärmequelle oder Niedertemperatur- Heizkörper + Rücklaufspeicher Quelle: RWE, 1998 Wärmepumpenheizung - Wärmequelle Erdreich Kunststoffrohre in ca. 1,50 m Tiefe mit 0,5-0,7 m Abstabd Temperaturen im Erdreich in 1,50 m Tiefe: ca C antizyklisch zu Heizlast und Heiznetztemperatur Wärmeentzugsleistung: 20 W/m 2 Erdreichfläche (sandiger Boden) bis 40 W/m 2 (wasserhaltiger Lehmboden) Regeneration durch Sonneneinstrahlung und versickernde Niederschläge großer Platzbedarf! geringe Verbreitung oder Niedertemperatur- Heizkörper + Rücklaufspeicher Quelle: RWE, 1998

3 Wärmepumpenheizung - Wärmequelle Außenluft Außenluft wird mittels Ventilator zur Wärmepumpe geführt Lufttemperaturen während Heizperiode: C antizyklisch zu Heizlast und Heiznetztemperatur Splitgeräte: Verdampfer außen, Rest der WP innen Kompaktgerät: für Innenoder Außenaufstellung (siehe Bild); bei Kelleraufstellung Luftkanäle zum und vom Verdampfer in den 70er und 80er Jahren häufig eingesetzt im Vergleich zu Erdsonden: geringere Arbeitszahlen, preiswerter oder Niedertemperatur- Heizkörper + Rücklaufspeicher Quelle: RWE, 1998 Wärmepumpenheizung - Wärmequelle Grundwasser Temperaturen während Heizperiode: ca C vorteilhaft hoch und konstant Wärmeentzugsleistung: je nach Menge des zur Verfügung stehenden Grundwassers (Pumpversuch!) Regeneration durch neu zufließendes Grundwasser häufig Probleme im Betrieb, z.b. Verstopfung des Schluckbrunnens wasserrechtliche Genehmigung geringe Verbreitung oder Niedertemperatur- Heizkörper + Rücklaufspeicher Quelle: RWE, 1998

4 Wärmepumpe: Heizen mit Strom und Umweltwärme Kumulierter Primärenergieaufwand im Vergleich zu Gas- und Öl-Heizungen Kumulierter Primärenergieaufwand [GJ] Ölkessel, η a = 90 % Gas-Brennwertgerät, η a = 108 % Elektro-Wärmepumpe, β a = 4 Elektro-Wärmepumpe, β a = 3-28 % Herstellung Nutzung (20 Jahre) Entsorgung Analog für Treibhausgase: Elektro-WP ca. 20 % schlechter als Gas, etwa so gut wie Öl Quelle: nach Wärmepumpen-Special, et, 7/97 Heizkostenvergleiche für neue Einfamilienhäuser REN-Impulsprogramm RAVEL NRW ( objektiv ) Ergebnis: Invest Verbrauch + Betrieb Gesamt pro Jahr Gasbrennwertkessel, Dachaufstellung DM = 1420 DM/a 2762 DM/a Ölkessel DM = 1093 DM/a 3116 DM/a Sole/Wasser-WP mit Erdsonde / DM mit / ohne Förderung = 750 DM/a 2826 / 3518 DM/a ASUE ( Gaslobby ) Ergebnis: Invest inkl. Heiznetz Verbrauch + Betrieb Gesamt pro Jahr Gasbrennwertkessel, Dachaufstellung DM = 1320 DM/a 3512 DM/a Ölkessel DM = 1215 DM/a 3754 DM/a Sole/Wasser-WP mit Erdsonde DM ohne Förderung = 725 DM/a 4769 DM/a

5 Elektro-Heizwärmepumpe Chance - mit vertikalen Erdsonden als Wärmequelle Wärmepumpe Heizanlage hohe Jahresarbeitszahlen, geringer Flächenbedarf, Monovalenz Erdsonden Kostendegression bei Erdsonden zurückgehender Wärmebedarf zunehmende Auslegungssicherheit ( W/m Bohrlänge) zunehmende Anbieterkonkurrenz Förderung und Unterstützung, v.a. auch von EVU s: Geld, Planung, Garantie,... Konkurrenz zu Ölheizungen in Neubauten ohne Gasversorgung geringe Nachteile bei den Investkosten deutliche Vorteile bei den laufenden Kosten Geothermische Energievorkommen Temperaturen in 2000 m Tiefe hydrothermale Vorkommen Norddeutsches Becken (salzhaltiges Wasser) Quelle: Kaltschmitt, Wiese (salzhaltiges Wasser) Molassebecken (geringer Salzgehalt)

6 Erschließung von Thermalwasservorkommen Geothermische Heizzentrale (Fernwärme) Quelle: Kaltschmitt, Wiese Nutzung Geothermie BRD, 1996 Quelle: Kaltschmitt, Wiese

7 Energiebereitstellung aus Biomasse - Überblick Quelle: Kaltschmitt, Wiese Stoffbilanz eines Hainbuchenwaldes Energieinhalt ca. 0,38 TJ/(ha a) Wirkungsgrad Photosynthese = 1 % Energieinhalt ca. 0,1 TJ/(ha a) Wirkungsgrad Holzbildung = 0,25 % Quelle: Kaltschmitt, Wiese

8 Kraft-Wärme- Kopplung 90 % Strom Was ist das? 38 % Energetisch sehr effiziente, gleichzeitige Erzeugung von Strom (ca. 35 %) und Wärme (ca. 55 %) - siehe Vergleich zur getrennten Erzeugung im Bild Verteilung der Wärme über ein Rohrnetz mit Wärmeträger Wasser, Nah- oder Fernwärme 143 % 53 % 100 % % Verluste Heizwärme Strom Quelle: nach ASUE Heizwärme Kraft-Wärme-Kopplung Technische Realisierung Blockheizkraftwerk: Verbrennung von Gas, Diesel in einem Motor, ca. 10 bis 5000 kw therm. Brennstoffzelle: elektrochemische Oxidation wasserstoffhaltiger Gase (Erprobungsstadium) Gasturbinen- und kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke, für große Leistungen Günstige wirtschaftliche Einsatzbedingungen gleichzeitiger Bedarf an Wärme + Strom (falls notwendig: Stromüberschüsse zu Mindererlösen ins Netz einspeisen) ganzjähriger Bedarf an Wärme, auch im Sommer lange Betriebszeiten niedrige Gas- bzw. Dieselpreise, hohe Stromerlöse bzw. Strompreise Typische wirtschaftliche Einsatzbereiche für Blockheizkraftwerke (ggf. zukünftig Brennstoffzellen) Gewerbe und Industrie mit ganzjährigem Wärmebedarf, Schwimmbäder, Krankenhäuser, jeweils plus angrenzende Wohnbebauung (Grundlast) reine Wohnblöcke, Siedlungen: unter bestimmten Voraussetzungen wie preiswertes Nahwärmenetz durch Häuserkeller oder Wiesengelände, Eigenverkauf des produzierten Stroms (Grundlast) sehr gut wärmegeschützte Gebäude, da der ganzjährige Warmwasserenergiebedarf hier größer ist als der saisonale Heizwärmebedarf (Grundlast und ggf. Spitzenlast!)

9 Stromverbrauch von Haushaltsgeräten gesamt: ca kwh/a weiterhin durchschnittlich für: Gas-/Ölheizung: ca. 400 kwh/a Rest (Fön, Staubsauger, Kaffeemaschine, Bohrmaschine, PC, etc.): ca. 400 kwh/a 1): bei Leuchtstofflampen 2): bei Waschmaschine mit Schleuderdrehzahl von 1500/min Quelle: RWE Energie Bau-Handbuch, 1993 Energiesparende Haushaltsgeräte Allgemein siehe Euro-Label für Weiße Ware siehe Zusammenstellung Energieagentur NRW Primärenergie Beispiel Wäschetrockner 5 kg Wäsche beste konventionelle Geräte, Kondens-Trockner: ca. 10,5 kwh beste konventionelle Geräte, Abluft-Trockner: ca. 10 kwh Wärmepumpen-Trockner: Abkühlung der Fortluft und Erwärmung der ca. 5,4 kwh Trocknerluft mit Elektro-Wärmepumpe, Kondenstrockner, ca Euro Gas-Trockner: Erwärmung der Trocknerluft mit Gasbrenner, Abluft, ca. 5,0 kwh ca Euro, Gasanschluss nötig!! Trockenschrank: Trocknen mit kalter Luft, Abluft, ca Euro ca. 2,5 kwh Nachteil: ca. 7 h Trockendauer Weitere Hinweise Kochen mit Gas statt mit Strom: ca. 60 % Einsparung an Primärenergie Anschluss geeigneter Waschmaschinen und Geschirrspüler an zentrale gas-/öl-/solarbeheizte Warmwasserversorgung; auf kurzer Anschlussleitung achten

10 Grüner Strom Erlöse werden nennenswert in neue Anlagen zur regenerativen Stromerzeugung investiert!! Die Gemeinschaft aller Stromkunden wird nicht finanziell entlastet durch den Bezug von Grünem Strom!! Negativbeispiel: Aquapower, Fa. Bayernwerk = Strom aus alten Wasserkraftanlagen Sinnvolle Produkte Strommix nur aus regenerativen Energien oder auch mit Anteilen aus Kraft-Wärme-Kopplung Zertifizierung = Überwachung der Produktqualität Ökopower-Siegel (Ökoinstitut Freiburg, WWF, Greenpeace) Grüner Strom Label e.v. (Eurosolar, BUND, NABU) (TÜV: geringere Qualitätsansprüche)