Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

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1 Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Thema: Sorptionstechnik für Wärmepumpen, Kältemaschinen, Energiespeicher Sorptionstechnik 1

2 Arten von Wärmepumpen / Kältemaschinen Strom als Antriebsenergie Strom aus dem Stromnetz oder regenerativ erzeugt z.b. mit Photovoltaik, Wind/Wasserkraft Wärme als Antriebsenergie z.b. aus Verbrennungsabgasen, Solarkollektoren, Abwärme (hilfsweise elektrische Beheizung) konventionelle Kühl-/Gefriergeräte bzw. Wärmepumpen mit mechanischen Verdichtern, angetrieben durch Elektromotor (auch wenige Gerätetypen mit Verbrennungsmotor sind am Markt) einfache Camping-Kühlboxen mit Peltier-Elementen ( Metallrippen im Boxendeckel) Absorptions-Prozesse (mit Flüssigkeiten als Absorbens; erste Kältemaschinen im 19. Jahrhundert; Hotel-/Campingkühlschränke) Adsorptions-Prozesse (mit Feststoffen als Adsorbens) Desiccant Cooling (DEC) (nur für Kühlung von Luft geeignet) Dampfstrahl-Prozesse (nur für große Leistungen, selten) Sorptionstechnik 2

3 Funktionsprinzip von Wärmepumpe / Kältemaschine Medium mit mittlerer Temperatur T mittel Beispiel: Kühlschrank Aufstellraum (Küche) Wärmepumpe Heizung Warmwasser Energie ( Wärme ) = Antriebs- + Kälteenergie (Kreis-) Prozess mechanische Verdichtung Antriebsenergie Wärme hoher Temperatur T hoch z.b. Elektro-Motor (wie im Haushaltskühlschrank) z.b. Gasbrenner (wie im Campingkühlschrank) Energie ( Kälte ) Medium mit niedriger Temperatur T niedrig Kühlschrank- Innenraum Erdreich, Außenluft, Grundwasser, etc. Sorptionstechnik 3

4 Kältekreisprozess mit mechanischer Verdichtung Ab-/Nutz-Wärme T mittel Kontinuierlicher Prozess mit 1 Kältemittel (meist halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe HFKW; früher FCKW) Verdampfer: Verdampfung mit Energie aus der Drossel Kondensator Kältemittel Verdichter Antriebs- Energie (Elektromotor) Umgebung (Sieden des Kältemittels bei niedrigem Druck und Temperatur) Verdichter (z.b. mechanischer Kolbenverdichter): Verdampfer Druck- und damit Temperaturerhöhung Kondensator: Verflüssigung bei hoher Temperatur, Abfuhr von Wärme Kälte T niedrig Drossel: Entspannen des Kältemittels, Druck- und Temperaturabsenkung Sorptionstechnik 4

5 Kältekreisprozess mit Wärmeantrieb - Absorption Ab-/Nutz-Wärme T mittel Antriebswärme (T hoch ) Kontinuierlicher Prozess mit Kältemittel + Absorptionsmittel (meist: Wasser + Lithiumbromid, Ammoniak + Wasser) Drossel Kondensator Kältemittel Verdampfer Drossel Desorber Gemisch, flüssig Absorber Lösungspumpe Kondensator, Drossel, Verdampfer: wie bei Prozess mit mechanischer Verdichtung (hier zirkuliert nur Kältemittel) Absorber / Desorber: Lösen / Auskochen von Kältemittel im / aus flüssigem Absorptionsmittel Leistung für Druckerhöhung P_hydraulisch = p. V_pkt Faktor 10^3 kleiner als bei Dampf, da Dichte von Kälte T niedrig Ab-/Nutz-Wärme (T mittel ) Flüssigkeit soviel größer mit Blasenpumpe : kein Strom- bedarf Sorptionstechnik 5

6 Absorptionsprozess im Dampfdruckdiagramm Druck / mbar Druck im Kondensator Wasser + Lithiumbromid Desorber: aufheizen, desorbieren ab p Desorber > p Kondensator Druck im Verdampfer Absorber: abkühlen, absorbieren ab p Verdampfer > p Absorber T Niedrig = T Mittel = T Hoch = T Verdampfung T Kondensation,Absorptiom T Desorption Temperatur / C Sorptionstechnik 6

7 Kältekreisprozess mit Wärmeantrieb - Adsorption Periodischer Prozess mit Kältemittel + Adsorptionsmittel (meist: H 2 O+Silikagel, H 2 O+Zeolith) Phase A: Verdampfung und Adsorption (Befeuchtung) Phase B: Aufheizung (Temp., Druck ) Kältemittel Kältemitteldampf Kältemitteldampf Kälte (T niedrig ) Wärme (T mittel ) Kreis- Prozess feuchter Adsorbens Wärme (T hoch ) Phase D: Abkühlung (Temp., Druck ) Phase C: Desorption (Trocknung) und Kondensation flüssiges Kältemittel Kältemittel trockener Adsorbens Wärme (T mittel ) Wärme (T mittel ) Wärme (T hoch ) Sorptionstechnik 7

8 Adsorptionsprozess im Dampfdruckdiagramm Druck / mbar Dampfdruck im Kondensator Wasser + Silikagel C = Wassergehalt in Silikagel Desorber: aufheizen, desorbieren ab p Desorber > p Kondensator Dampfdruck im Verdampfer 10 Absorber: abkühlen, absorbieren ab p Verdampfer > p Absorber T Niedrig = T Mittel = T Verdampfung T Kondensation,Adsorptiom 120 T Hoch = T Desorption Temperatur / C Sorptionstechnik 8

9 Desiccant Cooling (DEC) Kühlprozess für Luft auf Basis sorptiver Luftentfeuchtung und Verdunstungskühlung Name von Desiccant = Trocknungsmittel Antrieb durch Wärme, z.b. Solarenergie, im Prozessschritt 7 8 bei typischen Temperaturen von 60 bis 80 C eingesetzte Sorptionsmittel: festes Silikagel, flüssiges Lithiumchlorid Blau: klassische Prozessführung zur Kühlung + Entfeuchtung von Luft Filter sorptive Entfeuchtung Erwärmung Desorption Erwärmung Abkühlung Antrieb durch Erwärmung Außenluft Fortluft Befeuchtung mit flüss. H 2 O Befeuchtung mit flüss. H 2 O Antrieb durch Kühlung absolute Luftfeuchtigkeit [ g H 2 O pro kg trockene Luft ] Gebäude Sorptionstechnik 9

10 Wärme pumpen / Kühlen mit Wärme Wie kann das gehen? Wirkprinzip basiert auf Sorptionsprozessen in Zwei- oder Mehrstoffsystemen Kältemitteldampf wird im Sorptionsmittel unter Wärmeabgabe absorbiert ("gierig aufgesaugt") Vorgang läuft von selbst ab Ab/Adsorber wird wärmer als Verdampfer (Temperaturhub), dadurch lässt sich aufgenommene Kälteenergie wieder aus dem Prozess auskoppeln (Kältemaschine Luft; Wärmepumpe Heizungswasser) Unterschiede zu konventionellen Kühlgeräten (Haupt)Antriebsenergie = Wärme (statt mechanische Energie bzw. Strom) auch periodische Prozessführung ist möglich Prozesszustände werden nacheinander durch Wärmezu/-abfuhr realisiert Desorption und Kälte- bzw. Wärmeerzeugung lassen sich zeitlich entkoppeln (Basis für thermische Energiespeicher) Sorptionstechnik 10

11 Sorptionskältemaschinen - Geräte Sorptionsgeräte = Verfahrenstechnische Apparate Leistungsklassen Bis zur Jahrtausendwende nur Geräte kleiner Leistung bis rund 1 kw als Hotel-/Campingkühlschränke großer Leistung ab rund 40 kw bis 1 MW (Adsorption) bzw. 20 MW (Absorption) in Klimatechnik, Lebensmittelindustrie, etc. Lücke dazwischen wird seitdem geschlossen (Prototypen, Kleinserien), z.b. SorTech, Halle: 7,5 kw, H 2 O/Silikagel Invensor, Berlin: 10 kw, H 2 O/Silikagel EAW, Westenfeld: kw, H 2 O/LiBr Yazaki, Japan: ab 17,5 kw, H 2 O/LiBr Pink, Österreich: 10 kw, NH 3 /H 2 O Robur, Italien: 17 kw, NH 3 /H 2 O Climatewell, Schweden: 10 kw, H 2 O/LiCl EAW Bildquellen, Gerätedaten: Hersteller SorTech Sorptionstechnik 11

12 Sorptionskältemaschinen - COP, Kälteleistung Am Beispiel der Yazaki WFC-SC05 Coefficient of Performance COP = QKälte Q Antrieb abhängig von T NT im Kältekreis (Verdampfer) T MT im Rückkühlkreis (Kondensator und Absorber) T HT : im Antriebskreis (Generator) T MT, T NT : Eintrittstemperaturen Anmerkung: mehrstufige Geräte (Abwärme 1. Stufe = Antrieb 2. Stufe) COP > 1 möglich (1,0 1,4) Antriebstemperatur > 140 C ( konzentrierende Kollektoren, für Deutschland uninteressant) Quelle: Adam, Lohmann: KI, Heft 1-2/2014, Seite Sorptionstechnik 12

13 Sorptionskältemaschinen - Beispielhafter Energiefluss Antriebswärme (Aufwand) 10 kw ca. 80 C Kälteenergie (Nutzen) 4 8 kw ca. 10 C Sorptions- Prozess COP th = 0,4 0.8 = 4 8 kw Nutzen / 10 kw Aufwand Ab-/Nutz-Wärme kw ca. 30 C Kältemaschine: Nass-/Trockenkühlturm, Schwimmbad, Erdsonde, etc. Wärmepumpe: Heizung, Warmwasser, etc. Elektrische Hilfsenergie (Aufwand), COP el ~ 10 COP (Coefficient of Performance) = Wirkungsgrad COP th = Kälte Antriebswärme COP el = Kälte elektr. Hilfsenergie Sorptionstechnik 13

14 Zusammenfassung - Kältemaschinen Absorption Adsorption DEC Kompression Kältemittel/ Sorptionsmittel H 2 O/LiBr Ammoniak/H 2 O Wasser/Silikagel Wasser/Zeolith Luft/Silikagel Luft/Zeolith - Kälteleistung bis 20 MW bis 1 MW kw bis 10 MW Antriebstemp C (einstufig) C (zweistufig) C C - Kältetemp. H 2 O/LiBr: > 6 C NH 3 /H 2 O: < 0 C > 6 C > ca. 15 C < oder > 0 C je nach Kältemittel COP th 0,4 0,8 (einstufig) 1,0 1,4 (zweistufig) 0,3 0,7 0,3 0,9 COP el = 2,5 5,5 Hersteller EAW, Yazaki, Pink, Climatewell, Carrier, Broad, Nishiyogo, SorTech, Invensor Munters, Robatherm z.b. Carrier u.v.m. Sorptionstechnik 14

15 Energetischer Vergleich - Sorptions-/Kompressionskälte Sorptions- Primärenergie 12 kw Bereitstellung Umwandlung f P,Gas/Öl = 1,2 Antriebs-Wärme 10 kw Kälteenergie 4 8 kw Prozess COP th = 0,4 0,8 Abwärme kw (3,5 2,25 kw pro kw Kälte) Elektrische Hilfsenergie (Aufwand), COP el ~ 10 Kompressions- Prozess COP el = 2,5 5,5 Primärenergie 12 kw Bereitstellung Umwandlung f p,strom = 2,4 Antriebs-Strom, 5 kw Kälteenergie 12,5 27,5 kw Abwärme 17,5 32,5 kw (1,4 1,2 kw pro kw Kälte) Fazit (einstufige) Sorptionskältemaschinen machen energetisch nur Sinn bei energetisch kostenloser Antriebswärme z.b. überschüssiger Solarenergie, Abwärme Sorptionstechnik 15

16 Solare Kühlung - Chancen allgemeiner Vorteil: gute zeitliche Korrelation zwischen Kühlbedarf und Solareinstrahlung im Sommer Solarenergie-Angebot Thermische Solare Kühlung klassische Form der Solaren Kühlung mit Sorptionskälteprozessen Nutzung von überschüssiger Solarenergie im Sommer aus thermischen Solaranlagen für Warmwasser und Raumheizung Energie Solarenergie- Überschuss zum Kühlen Wärmebedarf Warmwasser Jan Dez Jahresverlauf Wärmebedarf Heizung 16

17 Solare Kühlung (thermisch) - Komplettanlage Vergleichsweise komplexe Anlage Thermische Kollektoren: Ab/Adsorption: 2 4 m² pro kw Kälte DEC: ca. 40 % davon, Luftkollektoren Etliche Umwälzpumpen Strombedarf Stromsparpumpen einsetzen auch COP el = Kälte / elektrische Hilfsenergie Abfuhr von Abwärme Größere Leistung und Platzbedarf als bei elektr. Kompressionskälte Backup: Wärme oder Kälte C C 6 20 C Sorptionstechnik 17

18 Solare Kühlung (thermisch) - Anlagenbeispiele ca Anlagen weltweit, ca. 100 Anlagen in Deutschland Kleinste Anlagen: ab ca. 5 kw Kälte, 10 m² Kollektorfläche FH Düsseldorf: 17,5 kw Kälte (H 2 O/LiBr), 50 m² Röhrenkollektoren, 1 3 m³ Wärmespeicher, 0,5 1,5 m³ Kältespeicher Fa. H.C. Mayer, Althengstett (D): 110 kw Kälte (DEC), 100 m² Luftkollektoren + Prozessabwärme mit je 50 % Anteil Bild: Festo AG Fa. Festo, Berkheim (D): Europas größte Anlage, 1050 kw Kälteleistung (H 2 O/Silikagel), 1218 m² Kollektorfläche Weltgrößte Anlage: United World College, Singapore, 1450 kw Kälte (H 2 O/LiBr), 3900 m² Kollektorfläche DEC mit sich drehenden Regeneratoren Quelle: Statusworkshop Solares Kühlen, 2012, Berlin Sorptionstechnik 18

19 Solare Kühlung (elektrisch) Das neue System zur Solaren Kühlung: Photovoltaik + Elektrische Kompressionskältemaschine Photovoltaik-Anlage Abwärmeabfuhr an Außenluft Batterie Antrieb mit Strom Elektrische Kälte- Maschine Kompressionstechnik Kälteversorgung des Gebäude Sorptionstechnik 19

20 Solare Kühlung - Wann welche Technik? Thermische Solaranlage + Sorptionskälte: bei Warmwasser-, Raumheizund Kältebedarf im Sommer trivalente Solarenergienutzung, insbesondere sommerlicher Überschüsse für Kälte im Süden bei konzentrierenden Kollektoren + zweistufige Sorptionskältemaschine 100 % Sonne Thermische Solaranlage 50 % Wärme Thermische Kältemaschine 35 % Kälte (COP = 0,7) Photovoltaikanlage + Kompressionskälte wenn Kältebedarf im Vordergrund steht höhere Gesamteffizienz bei reiner Kühlung, geringere Investition (Kältemaschine, Rückkühlung, PV) Photovoltaik 15 % Strom Elektrische Kältemaschine 60 % Kälte (COP = 4,0) Sorptionstechnik 20

21 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Abwärme der Kraft-Wärme-Kopplung / Fernwärme = Antrieb der Sorptionsmaschine Wärmeabnahme im Sommer erhöht die Laufzeit bzw. Wirtschaftlichkeit der KWK Erdgas, Heizöl, Biogas, etc. 100 % Antriebsenergie Kraft- Wärme- Kopplung η el = 0,3 η th = 0,6 z.b. Blockheizkraftwerk Wärmeverlust 10 % (Antriebs-)Wärme 80 C, 60 % Nutzen: Strom 30 % Eigennutzung Einspeisung Sorptionskältemaschine COP Kälte = 0,7 Nutzen: Kälte 10 C 42 % ggf. Nutzen: Abwärme 30 C, 102 % Abfuhr an Umgebung, ggf. Nutzung für Kaltwasservorwärmung, Schwimmbad, etc. wechselnd Sommer: zur Kühlung Winter: Einkopplung von Umgebungswärme im Wärmepumpenbetrieb Sorptionstechnik 21

22 Wärme/Kälte-Speicher ohne Wärmeverluste, über lange Zeiträume (solange das Ventil dicht ist), da physikalisch/chemische Speicherung statt thermischer Speicherung Erste Projekte in den 90er Jahren z.b. Fa. UFE Solar, Fraunhofer ISE: Saisonaler H 2 O/Silikagel-Speicher für Einfamilienhaus TU München: Zeolith/Wasser- Wärmespeicher für Fernwärme Bierfass mit Selbst-Kühlung: Aktivierung durch Öffnen des Ventils zwischen trockenem Adsorbens und der am Bier anliegenden Wasservorlage Aktuell: zahlreiche neue Projekte zur Energiespeicherung Technisch möglich aber nicht preiswert Kältemittel Ventil Adsorbens Aufladen : Adsorbens beheizen bzw. trocknen + Kondensationswärme abführen, Ventil schließen Entladen : Ventil öffnen, Kälte und / oder Wärme erzeugen Bier Ventilhebel trockener Zeolith (außen) Ventil zwischen Wasser und Zeolith flüssiges Wasser (innen am Bier) Sorptionstechnik 22

23 (Gasbetriebene) Sorptions-Wärmepumpen Elektro-Wärmepumpe Gas-Wärmepumpe mit β a = 3,6 mit β a = 1,3 Wandel der Stromerzeugungsstruktur verbessert die ökologische Bilanz Spitzenlastabdeckung durch elektrische Heizpatrone ca. 60 % geringere Leistung der Umweltwärmequelle pro kw Heizleistung Spitzenlastabdeckung durch Gasbrenner Bildquelle: e.on Ruhrgas / Brune Sorptionstechnik 23

24 (Gasbetriebene) Sorptions-Wärmepumpen Seriengeräte: Bosch Thermotechnik Vaillant Viessmann Robur (Bosch) Absorption (Diffusion) H 2 O / NH 3 (He) Adsorption Zeolith / H 2 O Adsorption Zeolith / H 2 O Absorption LiBr / H 2 O ca. 5 kw ca. 10 kw ca. 10 kw kw bereits gezeigt auf ISH 1999 seit 2010 am Markt seit 2014 am Markt seit 2009 am Markt Geräte großer Leistung: Einzelanfertigung von Anlagenbauern Quelle: eigene Infos Sorptionstechnik 24

25 (Gasbetriebene) Absorptionswärmepumpe von Robur Geräteausführung für Wärmequelle Außenluft Luft Ventilator modulierbare Leistung bis 50 % durch modulierbaren Gasbrenner (bei Taktbetrieb sinkt der COP deutlich ab) Vorlauftemperaturen bis C Geräteart Luft großflächiger dreiseitiger Lamellen-Wärmeübertrager Heiz- Leistung COP Sole B0 / W50 37,6 kw 1,49 Luft Betriebspunkt Wasser W10 / W50 41,6 kw 1,65 A7 / W50 34,9 kw 1,51 COP-Werte: stationär, ohne elektrischen Hilfsenergiebedarf für Lösungsmittelpumpe, Ventilator, etc. von COP 1,09 kw bei Außenluftgerät 0,47 kw bei Sole-/Wassergerät 1,8 1,4 für Außenluft-Gerät T(Vorlauf) = 50 C 1, Außenlufttemperatur in C Sorptionstechnik 25

26 (Gasbetriebene) Adsorptions-Wärmepumpe von Vaillant Solarkollektor als Wärmequelle; Gasbrenner zur Desorption / Spitzenlastdeckung Jahres-COP des Gesamtsystems für Heizung + Warmwasser von 1,2 1,3 Quelle: Vaillant Sorptionstechnik 26

27 Weiterentwicklung Absorptionstechnik Entwicklung von TU Berlin, ZAE Bayern, Fa. Vattenfall 2 Kältemaschinen 50 kw ( Biene ) 160 kw ( Hummel ) Eigenschaften, Ziele Investitionskosten von /kw (etwa halb so groß wie aktuelle AKM) gute COP auch bei höheren Rückkühltemperaturen (s. Bild) 35% bessere Temperaturspreizung durch Volumenstromreduktion bei nur 10% Verlust an Kälteleistung Quelle: absorptionskaelteanlage-nutzt-fernwaerme-und-solare-niedertemperaturquellen/ Sorptionstechnik 27

28 Weiterentwicklung Adsorptionstechnik z.b. Vaillant-WP z.b. Viessmann-WP Deutliche Leistungssteigerung durch schnellere Kinetik Sorptionstechnik 28

29 Weiterentwicklung Desiccant Cooling Entwicklung der Fa. Menerga Technische Eigenschaften Entfeuchtung der Außenluft durch konzentrierte Salzlösung (Absorption) statt durch Adsorbentien Geringe Antriebstemperatur: C Konzentriertes, regeneriertes Sorptionsmittel kann als verlustfreier Speicher dienen (zeitversetzter Betrieb möglich) Anlage beim Solar Building Innovation Center (SOBIC) in Freiburg Anlage mit m³/h Jahres-COP th von 1,4 (!!!) Quelle: Edo Wiemken; Solare Kühlung und Klimatisierung Stand der Techniken und Perspektiven; Fraunhofer Institut für solare Energieerzeugung, Hannover 2009 Sorptionstechnik 29