Marktaussichten für Gasmotor-Wärmepumpen zur Wärmeversorgung sowie zur Teilklimatisierung in Deutschland

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1 Marktaussichten für Gasmotor-Wärmepumpen zur Wärmeversorgung sowie zur Teilklimatisierung in Deutschland Studie im Auftrag der Gasversorgung Süddeutschland GmbH (GVS) Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli Fachhochschule Esslingen (FHTE), Hochschule für Technik, Fachbereich Versorgungstechnik und Umwelttechnik, Kanalstraße 33, Esslingen Esslingen,

2 Inhalt 1. Systembeschreibung von Kompressionswärmepumpen mit Gasmotor-Antrieb zur Wärmeversorgung und Teilklimatisierung Allgemeines Der Wärmemarkt sowie der Klimatisierungs- bzw. Teilklimatisierungsmarkt: Märkte mit schwierigen Wettbewerbsbedingungen Funktion von Multisplitanlagen Wettbewerbs- bzw. Ergänzungssysteme bei der Wärmeversorgung Erdgas- bzw. heizölbefeuerte Niedertemperaturkessel Biomasse-Kessel Elektrisch angetriebene Wärmepumpen mit Außenluft, Erdreich (Erdsonden, Erdkollektoren, Fundamenstrukturen) und Wasser (Oberflächenwasser, Grundwasser, Abwasser) als Wärmequelle Lüftungs-Kompaktgeräte für Wohngebäude mit hohem Wärmedämm- Standard (z. B. Passivhäuser) mit Wärmerückgewinnung aus der Abluft und elektrischer Kleinwärmepumpe Gas-Wärmepumpen: Absorptions-Wärmepumpen, Adsorptions-Wärmepumpen (Zeolith-Wärmepumpen) Blockheizkraftwerke (BHKW) Verbrennungsmotor-Blockheizkraftwerke Gasturbinen-Blockheizkraftwerke Stirlingmotor-Blockheizkraftwerke Dampfkraftmotor-Blockheizkraftwerke Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke Techniken zur Klimatisierung bzw. zur Teilklimatisierung Zwecke der Lüftung bzw. Klimatisierung Einsatzgebiete raumlufttechnischer Anlagen Systemübersicht Nur-Luft-Anlagen Einkanalanlagen mit konstantem Luftvolumenstrom (KVS-Anlagen) Einzonen-Anlagen Mehrzonen-Anlagen Einkanalanlagen mit variablem Luftvolumenstrom (VVS-Anlagen) Zweikanalanlagen mit variablem Luftvolumenstrom (VVS-Anlagen) Luft-Wasser-Anlagen Induktionsanlagen RLT-Anlagen mit Gebläsekonvektoren (Fan-Coil-Anlagen). 34 2

3 3.5.3 Fassadenlüftungsanlagen Luft-Kältemittel-Anlagen Weitere Systeme für die Klimatisierung Sorptionsgestützte Klimatisierung (Desiccant Cooling) Lüftungssysteme mit feststehendem Wärmerückgewinner und adiabater Verdunstungskühlung Solar unterstützte Wärmeversorgung und Kühlung Bewertung von elektrisch bzw. gasmotorisch angetriebenen VRF- Multisplitanlagen aus planerischer und betrieblicher Sicht Beispiele für den Einsatz von Multisplitanlagen Gesichtspunkte der Markteinführung von gasmotorisch angetriebenen Multisplitanlagen Erfahrungen bei der Markteinführung und Marktbegleitung von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen in der Schweiz Erfahrungen bei der Markteinführung und Marktbegleitung von gasmotorisch angetriebenen Klein-Blockheizkraftwerken EU-Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden Quellenverzeichnis 66 Dank des Verfassers Die vorliegende Studie wurde mit Hilfe von Fachveröffentlichungen, Fachaufsätzen, Informationsunterlagen und Herstellerunterlagen erarbeitet. Wesentliche Quellen stellen die Fachaufsätze von - Dipl.-Ing. Cord Müller [1], - Dipl.-Ing. Peter Iselt [12] sowie - Prof. Dr.-Ing. Karl-Josef Albers [18] dar. Für die Möglichkeit, diese Informationen nutzen zu können, sei den Autoren an dieser Stelle gedankt. Weiter wurden insbesondere Herstellerunterlagen der Firmen - Sanyo (Kaut) [14], - Mitsubishi Heavy Industries (Stulz) [15] und - Aisin (Berndt) [16] ausgewertet. 3

4 1. Systembeschreibung von Kompressionswärmepumpen mit Gasmotor- Antrieb zur Wärmeversorgung und Teilklimatisierung 1.1 Allgemeines In der Gebäudetechnik können verbrennungsmotorisch angetriebene Gaswärmepumpen für die Wärmeversorgung (also für die Beheizung und die Trinkwassererwärmung) und für Teilaufgaben der Klimatisierung (Kühlung und Entfeuchtung) eingesetzt werden. In Kombination mit einer Raumlufttechnischen Anlage (RLT-Anlage) sind Gaswärmepumpen aber auch in der Lage, Klimatisierungsaufgaben vollwertig zu übernehmen. Die Technik der Gaswärmepumpe zeichnet sich im Falle der Wärmebereitstellung durch einen besonders effizienten Primärenergieeinsatz aus, weil - im Gegensatz zu elektrischen Wärmepumpen - auch die Abwärme des Gasmotors für die Wärmeversorgung genutzt werden kann. Nach der ersten und der zweiten Ölpreiskrise 1973/74 und 1980/81 wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, die verbrennungsmotorisch angetriebene Gaswärmepumpe betriebsfähig zu entwickeln. Einige Jahre lang konnte der Absatz von Gaswärmepumpen in Deutschland ein begrenztes Wachstum verzeichnen. Hohe Investitionskosten und technische Anfangsprobleme sowie der Ölpreisrückgang ab 1985/86 führten allerdings - ähnlich wie bei elektrischen Wärmepumpen - zu einem erheblichen Rückschlag, so dass sich die Technik der Gaswärmepumpe im Wärmemarkt in Deutschland lediglich eine kleine Marktnische erschließen konnte. In Japan wurde - im Gegensatz zu Deutschland - der technischen Weiterentwicklung der Gaswärmepumpe besonderes Augenmerk geschenkt. Dort hat sich diese Technik in der Ausführung als Multisplitanlagen bewährt; diese sind inzwischen - parallel zur Technik der elektrischen Wärmepumpe in Multisplit-Ausführung - in hoher Stückzahl im Markt vertreten. Drei japanische Hersteller bieten nunmehr mit Hilfe von drei deutschen Betreuungs- und Vertriebsunternehmen Multisplitanlagen im deutschen Markt an. Seit etwa dem Jahr 2002 ist das Interesse an der Technik der Kompressionswärmepumpen mit Gasmotorantrieb wieder erheblich gestiegen. Dies ist insbesondere auf die folgenden Gründe zurückzuführen: - Das Preisniveau für Mineralölprodukte sowie für Strom ist wieder erheblich angestiegen. - Die Energieeinsparverordnung (EnEV) eröffnet durch das Kompensationsprinzip von energiesparender Anlagentechnik und Dämmung der Gebäudehülle neue Spielräume für Investitionen in eine energiesparende Anlagentechnik. In diese Richtung zielt auch die EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden: Erhöhte Anforderungen an den Wärmeschutz von Gebäuden führen zu einer kleineren Auslegung von Systemen zur Wärmebereitstellung; dies kommt tendenziell energiesparenden Systemen mit höheren Investitionskosten entgegen. - In Teilbereichen moderner Objektbauten, die durch großzügige Glasflächen gekennzeichnet sind und deshalb im Sommer erhöhte Wärmelasten durch Sonneneinstrahlung aufweisen (Glasarchitektur repräsentativer Büro- und Verwaltungsgebäude, Museen und andere öffentliche Gebäude, konsumorientierte Einrichtungen wie z. B. Gastronomiebetriebe, Einkaufszentren, Ladengeschäfte, Praxiszentren, Freizeiteinrichtungen usw.) steigt der Kühlbedarf an. 4

5 Ein weiterer Kühlbedarf ergibt sich aus inneren Wärmelasten durch Beleuchtung, elektronische Bürogeräte wie Computer, Faxgeräte, Kopierer u. ä. Günstige Voraussetzungen ergeben sich hier für Anlagen mit niedrigen Systemtemperaturen bei Verwendung von Flächensystemen zum Heizen und Kühlen. - Im gehobenen Wohnbereich deutet sich ein - mengenmäßig allerdings begrenztes - Interesse an Techniken an, mit denen in Ergänzung zur Hauptaufgabe der Wärmeversorgung zusätzlich auch Kühl- und Entfeuchtungsaufgaben wahrgenommen werden können. Die hier beobachtbaren Komfortansprüche stützen sich u. a. auf positive Erfahrungen der Nutzer mit Klimaanlagen in Personenkraftwagen. - Längerfristig muss - als Folge des zu beobachtenden Klimawandels - auch in Deutschland und anderen europäischen Staaten mit höheren Mitteltemperaturen im Sommer gerechnet werden; damit könnte die Nachfrage nach Systemen mit zusätzlicher Kühl- und Entfeuchtungsfunktion weiter ansteigen. - Gasmotorisch betriebene Wärmepumpen sind technisch bewährt. Als Wärmepumpen eingesetzt haben sie energetische Vorteile, diese sind allerdings für Kühlfunktionen nicht vorhanden. - Als modular aufgebaute Multisplitanlagen können Gasmotor-Wärmepumpen in der Planung flexibel eingesetzt werden und mehrere technische Funktionen abdecken. Im Betrieb weisen sie eine gute Regelbarkeit auf; dies erhöht ihre Lebensdauer und macht sie für einen energiesparenden Betrieb besonders geeignet. - Die Investitionskosten von Multisplitanlagen sind durch Großserienfertigung gegenüber den bisher im deutschen Markt vereinzelt vertretenen, in Einzelausführung bzw. in Kleinserie gefertigten gasmotorischen Wärmepumpen größerer Leistung vergleichsweise günstiger. - Stationäre gasmotorische Anlagen in Form von Gasmotor-Blockheizkraftwerken haben sich in den vergangenen zwei Jahrzehnten technisch bewährt. Damit können die positiven Erfahrungen, die hiermit vorliegen, auch auf gasmotorische Wärmepumpen übertragen werden. - Multisplitanlagen eignen sich durch ihren geringen Platzbedarf nicht nur für Neubauten, sondern auch für die Sanierung bestehender Gebäude. - Der Markterfolg von Multisplitanlagen mit elektrischen Antrieben unterstützt die Markteinführung von Multisplitanlagen mit gasmotorischen Antrieben. Die genannten Einflussgrößen wirken sich mittel- und langfristig auf den Wärmemarkt sowie auf den Klimatisierungs- bzw. Teilklimatisierungsmarkt aus. Hiervon sind Neubauten, teilweise aber auch bestehende Gebäude betroffen. Planungsingenieure, Architekten und Unternehmen der Technischen Gebäudeausrüstung werden diese Entwicklungen künftig in ihre Aufgaben verstärkt mit einzubeziehen haben. 1.2 Der Wärmemarkt sowie der Klimatisierungs- bzw. Teilklimatisierungsmarkt: Märkte mit schwierigen Wettbewerbsbedingungen Es sollte jedoch nicht verkannt werden, dass der Wärmemarkt sowie der Klimatisierungs- bzw. Teilklimatisierungsmarkt hart umkämpfte Märkte sind, in denen neben bewährten klassischen technischen Lösungen zahlreiche weitere Lösungen angeboten werden, die um wachsende Marktanteile ringen, und die teilweise durch öffent- 5

6 lich Förderungen und Subventionierungen begünstigt werden, was bei gasmotorischen Wärmepumpen praktisch nicht der Fall ist. Kompressionswärmepumpen mit Gasmotorantrieb befinden sich in den Bereichen der Wärmeversorgung (Heizen, Trinkwassererwärmung) sowie der Klimatisierung bzw. der Teilklimatisierung mit zahlreichen anderen Techniken im Wettbewerb. Allerdings sind die nachfolgend aufgeführten Wettbewerbstechniken nicht nur unter Konkurrenzgesichtspunkten zu bewerten, sondern bieten die Möglichkeit zur Integration, zur Ergänzung bzw. zur Weiterentwicklung der Gasmotor-Wärmepumpe. Dies soll anhand von zwei Beispielen erläutert werden: Bei der Wärmeversorgung stehen Erdgas-Kessel und Gasmotor-Wärmepumpe dann im Wettbewerb zueinander, wenn diese Systeme als monovalente Systeme eingesetzt werden sollen. Soll jedoch die Gasmotor-Wärmepumpe als kapitalintensives System im Grundlastbereich arbeiten und damit eine hohe jährliche Benutzungsdauer erreichen, so erscheint parallel hierzu zur Spitzendeckung der Einsatz eines Erdgas-Spitzenkessels sinnvoll. Bei der Wärmeversorgung - z. B. von Hotels u. ä. - stellen dezentrale Gasmotor- Blockheizkraftwerke und Gasmotor-Wärmepumpen ebenfalls Wettbewerbssysteme dar. Beide Techniken könnten jedoch längerfristig in derselben Weise von der Weiterentwicklung der Antriebstechnik profitieren: So ist in beiden Fällen etwa der Ersatz von Motoren mit innerer Verbrennung durch Motoren mit äußerer Verbrennung (z. B. durch Stirling-Motoren oder durch Dampfkraftmotoren) oder durch Antriebsquellen mit direkter Energiewandlung (Brennstoffzellen) denkbar. Für Bauherren, Architekten und Planungsingenieure gelten bei der Systemauswahl im Wesentlichen die folgenden Entscheidungskriterien: Technische Eigenschaften im Hinblick auf die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalls Technische Reife (Lebensdauer, Aufwand für Wartung und Instandhaltung, Risiken hinsichtlich Betriebssicherheit und Gewährleistungsfragen) Ökologische Vor- oder Nachteile Energieeffizienz Wettbewerbs- bzw. Ergänzungssysteme bei der Wärmeversorgung: - Erdgas- bzw. heizölbefeuerte Niedertemperaturkessel - Erdgas- bzw. heizölbefeuerte Brennwertkessel - Biomasse-Kessel: z. B. Pellet-Kessel, Holzhackschnitzel-Kessel, Scheitholz- Kessel - Elektrisch angetriebene Wärmepumpen mit Außenluft, Erdreich (Erdsonden, Erdkollektoren, Fundamenstrukturen), Wasser (Oberflächenwasser, Grundwasser, Abwasser) als Wärmequelle - Lüftungs-Kompaktgeräte für Wohngebäude mit hohem Wärmedämm-Standard (z. B. Passivhäuser) mit Wärmerückgewinnung aus der Abluft und elektrischer Kleinwärmepumpe - Gas-Wärmepumpen: Absorptions-Wärmepumpen, Adsorptions-Wärmepumpen (Zeolith-WP) 6

7 - Blockheizkraftwerke (BHKW): Verbrennungsmotor-Blockheizkraftwerke, Mikrogasturbinen-Blockheizkraftwerke, Stirlingmotor-Blockheizkraftwerke, Dampfkraftmotor-Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke - Solarthermische Anlagen zur teilweisen Trinkwassererwärmung Wettbewerbs- bzw. Ergänzungssysteme bei der Klimatisierung bzw. der Teilklimatisierung: - Raumlufttechnische Anlagen als Nur-Luft-Anlagen (Einkanalanlagen mit variablem Volumenstrom (VVS) bzw. mit konstantem Volumenstrom (KVS)) - Raumlufttechnische Anlagen als Luft-Wasser-Anlagen (Anlagen mit konstantem Volumenstrom (KVS), kombiniert mit Raumkühlsystemen wie Kühldecken, Kühlsegeln, Betonkernaktivierung, Kühlkonvektoren) - Raumlufttechnische Anlagen als Luft-Wasser-Anlagen in Form von Induktionsanlagen - Raumlufttechnische Anlagen als Luft-Wasser-Anlagen (Anlagen mit konstantem Volumenstrom (KVS), kombiniert mit Gebläsekonvektoren (Fan- Coil-Anlagen) - Raumlufttechnische Anlagen als Luft-Wasser-Anlagen in Form von Fassadenlüftungsanlagen - Raumlufttechnische Anlagen mit Absorptionskälteanlagen (erdgas-, fernwärme- bzw. solarthermisch betrieben) - Elektrisch angetriebene Multisplitanlagen Sonderausführungen von Nur-Luft-Anlagen wie z. B.: - Sorptionsgestützte Klimatisierung mit Wärme- und Feuchterückgewinnung (erdgas-, fernwärme- bzw. solarthermisch betrieben) - Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung und adiabater Verdunstungskühlung - Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung und adiabater Verdunstungskühlung sowie Unterstützung durch elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen Von besonderer Bedeutung ist, dass sich bei Multisplitanlagen die Nutzungsmöglichkeiten von Kompressionswärmepumpen mit Gasmotorantrieb praktisch von den Nutzungsmöglichkeiten von Kompressionswärmepumpen mit elektrischem Antrieb kaum unterscheiden. Elektrische Wärmepumpen sind im deutschen und mitteleuropäischen Markt jedoch bisher wesentlich stärker verankert als Gaswärmepumpen; dies hängt mit deren einfacher Planung, deren einfachem, wartungsfreien und am Einsatzort emissionsfreien Antriebs sowie der damit verbundenen hohen Lebensdauer zusammen. Diese Aussage trifft bisher in besonderem Maße auf den deut schen sowie westeuropäischen Markt zu, gilt aber auch für Japan als den Heimatmarkt von Multisplit-Anlagen: In Japan macht der Anteil gasmotorisch angetriebener Multisplit-Anlagen etwa ein Viertel aus; rund drei Viertel sind elektrisch angetriebene Multisplit-Anlagen. 7

8 Das Übergewicht elektrisch angetriebener Systeme bedeutet eine Erschwernis, Gasmotor-Wärmepumpen stärker im Markt zu positionieren. Andererseits können die Marktverbreitung und die positiven Erfahrungen mit Multisplitanlagen, die über elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen verfügen, für die Markteinführung von Multisplitanlagen mit gasmotorischem Antrieb genutzt werden. 1.3 Funktion von Multisplitanlagen Nach thermodynamischen Begriffen stellt Wärme eine Prozessgröße dar, die als Form der Energieübertragung von selbst von einem hohen zu einem niedrigen Temperaturniveau übertragen wird [1]. Es besteht dabei ein Temperaturgefälle vom Wärme abgebenden zum Wärme aufnehmenden Stoff. Mit Hilfe einer Wärmepumpe ist es jedoch auch möglich, Wärme umgekehrt von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Dies erfordert den Einsatz von hochwertiger Energie wie etwa mechanischer Energie bzw. Druckänderungsarbeit für den Antrieb eines Verdichters, um über den Aufbau eines Druckunterschiedes den Temperaturabstand zwischen niedrigem und hohem Temperaturniveau zu überwinden. Mit einem linkslaufenden Kreisprozess wie beispielsweise dem Kaltdampfprozess lässt sich die Wärmeübertragung nach diesem Prinzip von einem niedrigen zu einem hohen Temperaturniveau durchführen (vgl. das unten stehende Bild links). Dabei nimmt das in einem geschlossenen Kreislauf geführte Arbeitsmittel durch Verdampfen in einem Wärmeübertrager bei einem geringen Druck- und Temperaturniveau Wärme auf. Der im Verdampfer entstandene Dampf wird dem Verdichter zugeführt. Unter Zufuhr der Antriebsenergie des Verdichters wird der Dampf auf ein Wärmeabfuhr Q ab Wärmeabfuhr Q ab Druck hoch Temperatur hoch Druck hoch Temperatur hoch Erdgas Kältemittel flüssig Druck reduzier- Ventil Verflüssiger Verdichter Antriebsleistung P Kältemittel flüssig Druck reduzier- Ventil Verflüssiger Verdichter Druck niedrig Temperatur niedrig Verdampfer Kältemittel gasförmig Druck niedrig Temperatur niedrig Verdampfer Kältemittel gasförmig Kaltdampfprozess Wärmezufuhr Q zu Wärmezufuhr Q zu Gasmotorischer Kaltdampfprozess höheres Druckniveau verdichtet. Mit der Komprimierung steigt das Temperaturniveau, da der Verdichter nicht gekühlt ist. In einem weiteren Wärmeübertrager - dem Verflüssiger - wird das Arbeitsmittel auf hohem Druck- und Temperaturniveau zunächst gasförmig entwärmt und hiernach kondensiert (also verflüssigt). Dabei wird Wärme abgeführt. Geschlossen wird der Kreislauf durch ein Drosselorgan (Druckreduzierventil), in dem das flüssige Arbeitsmittel auf das niedrigere Druck- und Temperaturniveau des Verdampfers isenthalp entspannt wird (isenthalpe Drosselung in einem Zustandsgebiet des Arbeitsmittels mit positivem Joule-Thomson-Effekt). Der Kreislauf beginnt hiernach von neuem. 8

9 Im Kaltdampfprozess wird die abgegebene Wärmeleistung im Verflüssiger bestimmt durch die im Verdampfer aufgenommene Wärmeleistung zuzüglich der zugeführten Antriebsleistung im Verdichter. Häufig werden die Verdichter im Kaltdampfprozess elektrisch betrieben. Der Strom hierfür wird überwiegend in Großkraftwerken mit fossiler und nuklearer Primärenergie erzeugt und über Höchst-, Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze zum Verdichter transportiert. In Deutschland ist dabei - bei Berücksichtigung der gegenwärtigen Kraftwerks- und Netzstruktur - mit ungenutzter Energie im Umfang von insgesamt etwa 64 % zu rechnen. Wird der strombetriebene Verdichterantrieb durch einen gasmotorischen ersetzt, kann der überwiegende Teil dieser sonst verlorenen Umwandlungsverluste im Wärmepumpenbetrieb zur Wärmeversorgung genutzt werden; dies trifft allerdings nicht im Betrieb als Kälteanlage zur Kühlung (Klimatisierung bzw. Teilklimatisierung) zu. Der direkte Verdichterantrieb mit einem Gasmotor wird als gasmotorischer Kaltdampfprozess bezeichnet (vgl. das oben stehende Bild rechts). Der gasmotorische Kaltdampfprozess lässt sich für die Wärmeversorgung wie auch für die Kühlung einsetzen. Der Prozessverlauf bleibt hierbei unverändert. Liegt der Nutzen auf der hohen Temperaturseite des Prozesses am Verflüssiger, wird die Funktion der Wärmebereitstellung genutzt und der Prozess als Wärmepumpenprozess bezeichnet (unten stehendes Bild links). Liegt hingegen der Nutzen auf der niedrigen Temperaturseite am Verdampfer, wird die Kühlfunktion verwendet und der Prozess als Kälteanlagenprozess bezeichnet (unten stehendes Bild rechts). Heizung Wärmeabfuhr Erde Wasser Luft Kältemittel flüssig Druck hoch Temperatur hoch Kältemittel flüssig Druck hoch Temperatur hoch Antriebsleistung P Antriebsleistung P Druck niedrig Temperatur niedrig Kältemittel gasförmig Druck niedrig Temperatur niedrig Kältemittel gasförmig Wärmequellen Erde Wasser Luft Kühlung Kaltdampfprozess Heizfunktion = Wärmepumpe Kaltdampfprozess Kühlfunktion = Kälteanlage In der Wärmebereitstellungsfunktion nutzt der Verdampfer Wärme aus der Umwelt (Erde, Wasser, Luft) oder industrielle Abwärme zum Verdampfen des Kältemittels. Das erwärmte Kältemittel wird im Verdichter auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau gebracht, und im Verflüssiger wird die Wärme wieder freigesetzt - zusammen mit der Antriebsenergie des Verdichters sowie des überwiegenden Teils der Abwärme des Gasmotors. Die gesamte Nutzwärme lässt sich zur Wärmeversorgung von Gebäuden nutzen; wird allerdings Wärme auf höherem Temperaturniveau benötigt, gelten Einschränkungen. 9

10 Heizung Wärmeabfuhr Erde Wasser Luft Kältemittel flüssig Druck hoch Temperatur hoch Erdgas Kältemittel flüssig Druck hoch Temperatur hoch Erdgas Druck niedrig Temperatur niedrig Kältemittel gasförmig Druck niedrig Temperatur niedrig Kältemittel gasförmig Warmwasserbereitung Warmwasserbereitung Wärmequellen Erde Wasser Luft Gasmotorischer Kaltdampfprozess Heizfunktion = Wärmepumpe Kühlung Gasmotorischer Kaltdampfprozess Kühlfunktion = Kälteanlage In der Kühlfunktion (oben stehendes Bild rechts) entzieht der Verdampfer dem zu kühlenden Gebäude Wärme mit Hilfe der Verdampfung des Kältemittels. Der Kältemitteldampf gelangt zum Verdichter und wird komprimiert. Über den Verflüssiger wird die aus dem zu kühlenden Gebäude aufgenommene Wärme - einschließlich der Antriebsenergie - an die Umwelt abgegeben. Prinzip der Wärmepumpe Heizung Kältemittel flüssig Druck hoch Temperatur hoch Erdgas Druck niedrig Temperatur niedrig Kältemittel gasförmig Warmwasserbereitung Wärmequellen Erde Wasser Luft Gasmotorischer Kaltdampfprozess Kraft-Wärme-Kopplung & Wärmepumpe Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung Gasmotorische Kaltdampfanlagen (bzw. Wärmepumpen) sind seit vielen Jahren im Einsatz. Insbesondere bei industrieller Abwärmenutzung auf hohem Temperaturniveau und einem ganzjährigen Wärmebedarf ergeben sich mit dem Wärmepumpeneffekt wirtschaftliche Vorteile. Diese Technik hat sich inzwischen bewährt und gilt als praxistauglich. In den realisierten Anlagen wird jedoch häufig nur eine Funktion - entweder die Wärmebereitstellung oder das Kühlen - genutzt. Die Möglichkeit, wechselweise beide Funktionen zu nutzen, wurde bisher in nur wenigen Fällen verwirklicht, da keine standardisierten Lösungen für die Umschaltung von Heiz- auf Kühlfunktion und umgekehrt vorhanden waren. In Japan ist dieses Hindernis durch die Entwicklung von gasmotorischen Multisplit-Klimageräten, auch als Gasmotor-Wärmepumpen (bzw. im angelsächsischen Sprachraum als Gas Heat Pump (GHP) bezeichnet), behoben worden [1]. Ein wichtiger Grund für die Entwicklung der gasmotorisch betriebenen Split- und Multisplit-Anlagen vor etwa 20 Jahren - als Paralleltechnik zur entsprechenden elektromotorischen Technik - waren Engpässe in der japanischen Stromversorgung, die vor allem durch die Zunahme des Kühlbedarfs in den Sommermonaten auftraten. Neben der Substitution von Strom durch Erdgas in der Anwendung Kühlung sollte darüber hinaus mit einer einfachen Umschaltung die Heizfunktion im Wärmepum- 10

11 penbetrieb nutzbar sein. Die Gebäudebewirtschaftung ist dadurch mit einer einzigen Anlagentechnik möglich und deshalb ein höherer wirtschaftlicher Nut zen erzielbar. Nach einer zehnjährigen Entwicklungs- und Erprobungsphase ist die GHP seit Ende der 80er Jahre im kommerziellen Einsatz. In Japan wurde sie vom Markt schnell als wirtschaftlich interessante Alternative zu elektrischen Klimageräten akzeptiert. Inzwischen sind dort mehr als GHP-Anlagen installiert und werden erfolgreich zum Heizen und Kühlen von Gebäuden genutzt. In Japan gibt es viele Hersteller für die GHP. Seit etwa 2002 kann die GHP auch in Deutschland über Vertriebspartner von bisher drei Herstellern bezogen werden [1]. Wärmeabfuhr Q ab Innengerät Erdgas Kältemittel flüssig Druck reduzier- Ventil Verflüssiger Verdampfer Verdichter Kältemittel gasförmig Antriebsleistung P Quelle: Mitsubishi, Stulz Außengerät Wärmezufuhr Q zu Gas Heat Pumps (GHP) (Gasmotorische Kaltdampfanlagen) Funktionsprinzip GHP: Räumliche Trennung des Prozesses Die GHP-Anlagen (vgl. die oben stehenden Bilder) bestehen aus einem Außenteil (Gasmotor und Verdichter mit Verflüssiger bzw. Verdampfer), mehreren Innengeräten (jeweils Umluftventilator mit Verdampfer bzw. Verflüssiger) und den Leitungen zum Betrieb (Datenleitungen zur Steuerung, Stromleitungen zum Antrieb der Lüfter bzw. Ventilatoren sowie Leitungen zur Ableitung des anfallenden Kondensates). Dabei wird das technische Prinzip der so genannten Splittechnik verwendet, bei der das Außengerät räumlich getrennt von den Innengeräten ist. Die Innengeräte (Umluftventilator mit Verdampfer bzw. Verflüssiger) werden als Klimageräte direkt in den zu kühlenden und zu heizenden Räumen installiert. Der rein gasmotorische Kaltdampfprozess arbeitet also - nach mitteleuropäischem Verständnis eher ungewöhnlich - hinsicht lich des Verdichters räumlich getrennt von den vielen Verflüssigern im Heizfall bzw. den vielen Verdampfern im Kühlfall (den Innen- oder Klimageräten). Dies setzt voraus, dass die damit verbundenen Dichtheitsfragen sowie die komplexen Aufgaben der hydraulischen Netztechnik zuverlässig gelöst werden können. Dies ist ohne Einschränkungen der Fall ([1], [5], [6], [12], [14] - [16]). Als Verdichterantrieb kommt im Außengerät ein modifizierter und mit Gas betriebener Personenkraftfahrzeug-Motor nach dem Otto-Prinzip zum Einsatz. Durch eine starke Leistungsverminderung des Motors zur Steigerung der Lebensdauer, die seit langem erprobte Technik und die Verwendung bewährter Komponenten arbeiten die Außengeräte und der Gasmotor sehr zuverlässig und weisen lange Wartungsintervalle auf (bis zu Betriebsstunden; dies entspricht einem Betriebszeitraum von etwa zwei bis drei Jahren). 11

12 Kompressionswärmepumpe mit Gasmotor-Antrieb Eine Besonderheit der Gasmotorwärmepumpe ist das Angebot von gleich vier unterschiedlichen Temperaturniveaus: Verdampferwärme 10 C und tiefer, je nach Wärmequelle. Kondensatorwärme aus dem Wärmepumpenprozess, 40 bis 50 C. Kühlwasserabwärme des Gasmotors, ca. 90 C. Sensible Wärme aus dem Abgas des Gasmotors, ca. 600 bis 100 C. Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli 6 Eine Gasmotorwärmepumpe kann Wärme aus vier verschiedenen Temperaturebenen nutzbar machen (vgl. das oben stehende Bild): Die Verdampferwärme von etwa 10 C (in Abhängigkeit von der Wärmequelle), die Kondensatorwärme aus dem Wärmepumpenprozess mit etwa 45 C, die Kühlwasserwärme des Motors mit rund 90 C sowie die Abgaswärme mit bis zu 600 C. Außengeräte werden auf dem deutschen Markt inzwischen mit Wärmeleistungen zwischen 18 und 85 kw sowie mit Kühlleistungen zwischen 14 und 71 kw angeboten. Durch den modularen Aufbau können mit dem Einsatz vieler baugleicher Außengeräte die Wärme- und Kälteleistungen auf das Vielfache der genannten Werte vergrößert werden. Eine Kleinausführung, die etwa auch für die Wärmeversorgung und Kühlung von Einund Zweifamilienhäusern geeignet wäre, ist in Deutschland nicht verfügbar; nach Herstellerangaben soll allerdings bis zum Jahr 2007 ein Außengerät für dieses Marktsegment - speziell auf die hohen Komforterwartungen in Deutschland angepasst - entwickelt werden (Wärmeleistung: 11 kw; Kühlleistung: 8 kw). Gaswärmepumpen lassen sich sowohl für monovalenten als auch für bivalenten Betrieb auslegen. Beim bivalenten Betrieb übernimmt die Gaswärmepumpe die Grundlast, während ein weiteres Heizsystem die Lastspitzen im Heizwärmebedarf abdeckt. Bei der Anlagenplanung ist zu beachten, dass die Temperaturspreizung des Wärmeversorgungsnetzes so ausgelegt wird, dass auch bei höchster Vorlauf temperatur die Rücklauftemperatur so niedrig bleibt, dass die gesamte anfallende Kondensationswärme abgeführt wird. Generell wird die Einbindung einer Gaswärmepumpe in ein Niedertemperatur-Heizsystem empfohlen, vor allem weil die Temperaturobergrenze für den Wärmepumpenkreislauf bei den heute eingesetzten Kältemitteln bei maximal 70 o C liegt. Eine Ausnahme hiervon bilden Wärmepumpenanwendungen für industrielle Prozesse. Von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit eines Wärmepumpensystems sind das Temperaturniveau und die Verfügbarkeit der externen Wärmequelle. Neben geothermischen und Abwärmequellen erfüllen diese Voraussetzungen von den Umweltwärmequellen am ehesten das Grundwasser oder Erdsonden. Sie liefern das ganze Jahr über Wärme mit einer relativ engen Temperaturspanne von 7 bis 12 C. Zwar weist von den Umweltwärmequellen die Außenluft mit 25 C das höchste maximale durchschnittliche Temperaturniveau auf - allerdings mit - 18 C auch das niedrigste durchschnittliche Minimum. Diese Schwankungen vermindern die Jahresheizzahl einer außenluftgekoppelten Wärmepumpenanlage und relativieren die Vorteile dieser Wärmequelle wie ihre unbegrenzte zeitliche und örtliche Verfügbarkeit. 12

13 Da jede Wärmepumpe über eine warme und eine kalte Seite verfügt, lässt sie sich sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen einsetzen. Je nach Dimensionierung des Systems und verwendetem Kältemittel reicht die Temperaturspanne von Temperaturen unter dem Gefrierpunkt bis hin zu über 90 C. Diese Eigenschaft prädestiniert die Wärmepumpe für Einsätze überall dort, wo Wärme und Kälte gleichzeitig gebraucht werden, beispielsweise bei der Lebensmittelverarbeitung, in Krankenhäusern oder in Hotels, aber auch für Anwendungen wie Gebäudeheizung, Warmwasserbereitung, Klimatisierung, Kühlung oder Entfeuchtung. Bei Multisplitanlagen wird die erforderliche Kühl- oder Heizenergie direkt und bedarfsgerecht von dem Außengerät über das Kältemittel R 407C den Innengeräten zur Verfügung gestellt. Der linkslaufende Kreisprozess im Heiz- und im Kühlbetrieb ist im unten stehenden Bild links im p,h-diagramm für R 407C dargestellt. Bei elektrisch angetriebenen Anlagen und künftig auch bei gasmotorisch angetriebenen Anlagen wird außerdem das volumetrisch noch günstigere Kältemittel R 410A eingesetzt. Multisplitanlagen arbeiten mit dem VRF-System (Variable Refrigerant Flow): Hierbei wird die Durchflussmenge des Kältemittels in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung der Innengeräte verändert. VRF bedeutet somit eine zeitlich und örtlich veränderliche, an den jeweiligen Bedarf angepasste Bereitstellung von Kältemittel. In Deutschland sind VRF-Anlagen seit langem über das Kältehandwerk und über Spezialunternehmen eingeführt. Wasserbasierte Heizungs- und Klimasysteme sind in Deutschland jedoch wesentlich stärker verbreitet als VRF-Systeme. Deshalb ist es für den Markterfolg von Multisplitanlagen mit elektrischem oder mit Gasmotor-Antrieb von besonderer Bedeutung, dass sie auch mit wasserbasierten Klimasystemen kompatibel sind. Gasmotor-Wärmepumpen als Multisplitanlagen: Heiz- und Kühlbetrieb Wassersystem! Wärmepumpenprozess im Heiz- und im Kühlbetrieb, dargestellt im log p,h-diagramm von R 407C Quelle: Aisin, Berndt GHP - Hydraulikmodule Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli 35 Hierfür kann die GHP zusammen mit einer so genannten Speicher-Kondensator- Verdampfer-Pumpenstation, kurz SKVP, eingesetzt werden (Bild oben rechts). Die SKVP stellt eine Übergabestation vom Kältemittelkreislauf (mit R 407 C bzw. künftig auch R 410A) auf den Wasserkreislauf der klassischen Klimaanlage dar. Damit eröffnet sich für die GHP das gesamte Spektrum wassergeführter Heiz- und Kühlsysteme, also Induktionsanlagen, Gebläsekonvektoren (Fan-Coils), Kühl- und Heizdecken usw. Da die Übergabestation innen aufgestellt wird, besteht keine Frostgefahr für den Wasserkreislauf (anders als beim elektrischen Kaltwassersatz). 13

14 Multisplitanlagen mit Kältemittel bzw. Wasser als Arbeitsfluid Gaswärmepumpen: 2 Lösungen VRF-Prinzip (VRF = Variable Refrigerant Flow) in Anlagen mit veränderlichem, dem Bedarf angepassten Kältemitteldurchfluss und Direktexpansion des K ältemittels in den Innengeräten Wassergeführte Heizungs- und Klimasystemesind in Deutschland stärker verbreitet als VRF-Systeme. Für diese Einsatzfälle können die Gasklimageräte zusammen mit einer Hydraulik-Übergabestation eingesetzt werden. Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli 46 Multisplitanlagen mit Gasmotor-Antrieb sind für kleinere und größere Gebäude geeignet. Hohe Kälte- und Wärmeleistungen können durch die Installation mehrerer GHP- Einheiten verwirklicht werden. Einsatzbereiche können u. a. Hotels, Restaurants, Büro- und Verwaltungsgebäude, Kundenzentren (z.b. von Banken, Versicherungen), Gewerbebetriebe, Ladenlokale, Einkaufszentren, Veranstaltungsräume, Autohäuser sowie Tankstellen sein. In Verbindung mit der SKVP-Übergabestation können Multisplitanlagen auch in größere wasserbasierte Klimaanlagen integriert werden. Bei konventionellen Systemen wird üblicherweise mit Hilfe zweier getrennter Anlagentechniken geheizt und gekühlt: - Für die Heizung wird ein öl- bzw. gasbefeuerter Niedertemperatur- oder Brennwertkessel eingesetzt, an den meist auch die Warmwasserbereitung gekoppelt ist. - Die Kühlung und Entfeuchtung übernimmt eine elektrisch betriebene Kältemaschine. Dabei handelt es sich in der Regel entweder um wassergeführte Systeme (Kaltwassersätze) oder um Anlagen, die nach dem VRF-Prinzip arbeiten. Eine Alternative zu zwei getrennten Heiz- und Kühlsystemen ist die Multisplitanlage mit Gasmotor-Antrieb (GHP). Diese übernimmt die Kühl- und Entfeuchtungsfunktion im Sommer sowie die Wärmeerzeugung für die Heizung und Trinkwassererwärmung. Von Bedeutung ist dabei, dass diese Funktionen von einer Multisplitanlage mit Gasmotor-Antrieb monovalent - also ohne zusätzlichen weiteren Wärmeerzeuger - bereitgestellt werden können [1]. In der GHP wird die Heiz- oder Kühlfunktion zentral vorgegeben. Die Umschaltung erfolgt für die gesamte Anlage über ein 4-Wege-Ventil im Außengerät, wobei die Fließrichtung des Kältemittelkreislaufs umgekehrt wird. Im Heizbetrieb fördert der Verdichter das gasförmige Kältemittel zu den Innengeräten, wo es zunächst als Gas gekühlt und daraufhin verflüssigt wird; dabei wird Wärme an den Raum abgegeben. Im Kühlbetrieb wird das flüssige Kältemittel zum Raum transportiert, verdampft in den Innengeräten und nimmt dabei Wärme aus dem Raum auf; diese Wärme wird - zusammen mit der dem Verdichter bei der Kältemittelverdichtung zugeführten Arbeit - nach draußen abgegeben. Mit der Nutzung der Heiz- und Kühlfunktion mit nur einem einzigen Gerät sind wirtschaftliche Vorteile verbunden, weil damit verringerte Investitionskosten verwirklichbar sind. 14

15 Gasmotor-Wärmepumpe: Gute Energieeffizienz (Pilotprojekt Hohenweiden) Gasmotor-Wärmepumpe: Gute Energieeffizienz Energetische Kennwerte: Ermittelte COP-Werte 1,600 Herstellerangaben 1,400 Coefficient Of Performance (COP) 1,400 Monitoringdaten 1,200 1,218 1,000 0,996 0,951 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 Heizbetrieb Kühlbetrieb Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli 52 Energetische Kennwerte: Vergleich mit Elektro-Wärmepumpensystemen 1,800 WW 1,600 max Elektro-Wärmepumpen Nutzungsgrad COP WW...Wasser/Wasser-WP 1,400 SW SW...Sole/Wasser-WP LW...AußenluftWasser-WP 1,200 Gas-Wärmepumpe 1,000 LW max 0,800 min 0,600 min 0,400 Elektrische Raumklimageräte (Multisplit), Leistungszahlen 0,200 im europäischen Markt. Durchschnitt: 0,9 0,000 Heizbetrieb Kühlbetrieb (Quelle: Panasonic) Daten: DIN 4701 T10 Abschn Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli 53 Hinsichtlich der primärenergetischen Effizienzbewertung einer Anlage eignet sich als Kenngröße das Verhältnis zwischen dem erzielten energetischen Nutzen zum primärenergetischen Aufwand. Eine solche Kennzahl ist der COP-Wert (angelsächsisch: Coefficient of Performance). Der Nutzen einer gasmotorischen Wärmepumpe ist im Heizbetrieb die zur Verfügung gestellte Wärme, bei Kühlbetrieb die bereitgestellte Kälte. Der primärenergetische Aufwand wird im Wesentlichen durch den Energiegehalt des eingesetzten Erdgases (einschließlich der Stromaufnahme der Ventilatoren) erfasst. An einer untersuchten Anlage in Hohenweiden ergab sich ein COP-Wert beim Heizbetrieb mit Außenluft als Wärmequelle von etwa 1,4 und beim Kühlbetrieb von etwa 0,95 (vgl. [2] - [4]; oben stehendes Bild links). Beim Vergleich mit der Energieeffizienz von elektrisch angetriebenen Systemen ist der primärenergetische Aufwand der Stromerzeugung zu berücksichtigen. Wie das oben stehende Bild rechts zeigt, weist die untersuchte Gasmotor-Wärmepumpe gegenüber einer vergleichbaren elektrischen Außenluft/Wasser-Wärmepumpe einen höheren - also günstigeren - COP-Wert auf; dies trifft allerdings im Vergleich mit einer elektrischen Sole/Wasser-Wärmepumpe (d.h. mit einer die Erdwärme nutzenden elektrischen Wärmepumpe) sowie einer elektrischen Wasser/Wasser-Wärmepumpe nicht mehr zu. Im Kühlbetrieb weist die untersuchte Gasmotor-Wärmepumpe gegenüber einer vergleichbaren, im Kühlbetrieb arbeitenden elektrischen Außenluft/Wasser-Wärmepumpe etwa gleich gute energetischen Vorteile auf. EnEV: Anlagenaufwandszahlen im Vergleich (Pilotprojekt Hohenweiden) Energieeinsparverordnung (EnEV): Anlagenbewertung Anlagenbewertung nach DIN 4701 Teil 10 /EnEV 1,4 1,3 Gaswärmepumpe GHP, Innengeräte mit Ventilatoren 1,2 Brennwertgerät 55/45 C, innerhalb der thermischen Hülle Anlagenaufwandszahl e(p) 1,1 1 0,9 0,89 0,96 1,10 Brennwertgerät 55/45 C, außerhalb der thermischen Hülle Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Flächenheizung 35/28 C 0,8 0,7 Anlagenaufwandszahl bezogen auf das Untersuchungsobjekt (Nichtwohngebäude, 300 m² NF) GHP 0,6 Nutzenergiebedarf im Ausgangszustand ca. 150 kwh/m²a 150 kwh/m²a 90 kwh/m²a 50 kwh/m²a Spezifischer Heizenergiebedarf Anlagenaufwandszahl e P, Vergleich mit Alternativsystemen Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli 54 Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli 55 Eine primärenergetische Bewertung der in Hohenweiden untersuchten Anlage gemäß der Energieeinsparverordnung von 2002 (EnEV [26]) über die Anlagenaufwandszahl (vgl. [2] - [4]; oben stehendes Bild links) ergibt sehr günstige, vergleichs- 15

16 weise niedrige Werte, die deutlich unter denen von - primärenergetisch bereits günstigen - Brennwertgeräten liegen; diese Werte werden im gewählten Vergleich nur noch von einer energetisch besonders sinnvollen Kombination einer elektrisch betriebenen Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer Niedertemperatur-Flächenheizung unterschritten. Damit führen die Untersuchungen an der gasmotorischen Wärmepumpe des Pilotprojekts Hohenweiden zu einer insgesamt sehr günstigen Anlagenbewertung (vgl. [2] - [4]; oben stehendes Bild rechts). Hinsichtlich der Umweltauswirkungen führt eine Substitution von - überwiegend mit Braun- und Steinkohle erzeugtem - Strom durch den C0 2 -spezifisch günstigen Energieträger Erdgas beim Einsatz der gasmotorischen Wärmepumpe zu C0 2 -Emissionseinsparungen. Diese C0 2 -Einsparungen werden nicht nur bei der Kühlfunktion, sondern vor allem bei der Heizfunktion erreicht, da im Heizfall das Prinzip der Wärmepumpe mit dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung verknüpft wird. Die gleichzeitige Nutzung beider Prinzipien ermöglicht einen ressourcenschonenden und rationellen Einsatz von Energie für die Versorgung von Gebäuden. 16

17 2 Wettbewerbs- bzw. Ergänzungssysteme bei der Wärmeversorgung Kompressionswärmepumpen mit Gasmotorantrieb stehen mit den nachfolgend aufgeführten Techniken im Wettbewerb. Allerdings sind diese Techniken nicht nur unter Konkurrenzgesichtspunkten zu bewerten, sondern bieten die Möglichkeit zur Integration, zur Ergänzung bzw. zur Weiterentwicklung der Gasmotor-Wärmepumpe: 2.1 Erdgas- bzw. heizölbefeuerte Niedertemperaturkessel Die klassische Wärmeversorgung für die Aufgaben von Heizen und Trinkwassererwärmung ist in den vergangenen drei Jahrzehnten in Deutschland zu einer Domäne von erdgasbasierten Systemen geworden. Deren Bedeutung überwiegt inzwischen diejenige von heizölbasierten Systemen deutlich. 75 bis 80 % der Neubauwohnungen werden über Erdgaskessel mit Wärme versorgt. Neben Niedertemperaturkesseln (Normnutzungsgrad: zwischen 92 und 95 %) bestimmen nunmehr auch Brennwertkessel (Normnutzungsgrad: zwischen 103 und 109 %) den Markt; energetisch weniger günstige Standardkessel haben nur noch begrenzte Bedeutung. Seit einigen Jahren ist etwa jeder zweite neu installierte Kessel in Deutschland ein Brennwertkessel. Diese Technik wird inzwischen nicht nur für Erdgas, sondern auch für leichtes Heizöl (sinnvollerweise für schwefelarmes Heizöl EL) angeboten. Die Leistungsgrößen überspannen den Bereich von wenigen Kilowatt bis über 50 Megawatt. Der Absatz von erdgas- und heizölbasierten Kesseln hat in Deutschland im Mittel einen Umfang von etwa 0,7 bis 0,8 Millionen Einheiten je Jahr. Die günstigen regelungstechnischen Eigenschaften, die inzwischen erreichten hohen Normnutzungsgrade, die spezifisch niedrigen Investitions-, Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie ein breites Angebot an unterschiedlichen technischen Lösungen (bodenstehende sowie platzsparende wandhängende Ausführungen; Ausführung ohne bzw. mit Integration der Trinkwassererwärmung und -speicherung) sichern Niedertemperaturkesseln und Brennwertkesseln auch künftig eine günstige Marktposition. Erdgas-undHeizöl-Niedertemperaturkessel Erdgas- und Heizöl-Brennwertkessel Biomasse-Kessel (Holzhackschnitzel-, Scheitholz-, Pellet-Kessel) Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli 6 Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli Biomasse-Kessel Seit einigen Jahren stößt die Wärmeversorgung mit Biomasse in Deutschland wieder auf wachsendes Interesse. Neben handbeschickten Einzelöfen (oft als Ergänzung zu anderen Systemen der Wärmeversorgung eingesetzt) gibt es inzwischen leistungsfähige Zentralheizungskessel auf Biomasse-Basis. Für kleinere Leistungen haben 17

18 sich Kessel mit Presslingen aus Sägemehl und Sägespänen (Holzpellets) bewährt; für mittelgroße Leistungen stehen auch Scheitholz- und Holzhackschnitzelkessel zur Verfügung. Der Absatz von Biomasse-Kesseln liegt in Deutschland bei etwa bis Einheiten je Jahr. 2.3 Elektrisch angetriebene Wärmepumpen mit Außenluft, Erdreich (Erdsonden, Erdkollektoren, Fundamenstrukturen) und Wasser (Oberflächenwasser, Grundwasser, Abwasser) als Wärmequelle Elektrisch betriebene Wärmepumpen erleben in Deutschland zur Zeit eine Renaisance : Nach einem ersten Markterfolg zu Anfang der achtziger Jahre kam der Absatz in Deutschland nach 1985 fast zum Erliegen, erholt sich jedoch seit Mitte der neunziger Jahre stetig wurden knapp elektrische Heizungswärmepumpen sowie knapp 3800 Warmwasser-Wärmepumpen abgesetzt. Fast die Hälfte der neu installierten Elektro-Wärmepumpen nutzt Erdreich als Wärmequelle, wobei neben oberflächennahen Erdreichkollektoren Erdsonden an Bedeutung gewinnen. Daneben spielen Wasser sowie Luft als Wärmequellen eine tragende Rolle. Dabei lassen sich mit Niedertemperatur-Heizungssystemen Leistungszahlen (Verhältnis von Nutzwärme zu eingesetzter elektrischer Energie) von 3,5 bei Elektro- Wärmpumpen mit Luft als Wärmequelle, von 4,5 bei Elektro-Wärmpumpen mit Erdreich als Wärmequelle und von 5,5 bei Elektro-Wärmpumpen mit Wasser als Wärmequelle erreichen. Elektrische Kompressionswärmepumpen Wärmequellen von elektrischen Wärmepumpen in Deutschland Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli 8 Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli Lüftungs-Kompaktgeräte für Wohngebäude mit hohem Wärmedämm- Standard (z. B. Passivhäuser) mit Wärmerückgewinnung aus der Abluft und elektrischer Kleinwärmepumpe Im Markt neuer Ein- und Zweifamilienhäuser gibt es technische Lösungen, die über den Niedrigenergiehaus-Standard der Wärmeschutzverordnung von 1995 bzw. die Mindestbedingungen der Energieeinsparverordnung von 2002 [26] deutlich hinausgehen. Die Obergrenze des heute wärmeschutztechnisch Verwirklichbaren markieren Passivhäuser; deren Heizenergieverbrauch ist so gering, dass wasserbasierte Heizungen nicht erforderlich sind; Luftheizungen erweisen sich - in Kombination mit Wohnungslüftungsanlagen - als ausreichend und sinnvoll. Hierfür können Lüftungs- Kompaktgeräte mit Wärmerückgewinnung aus der Abluft und elektrischer Kleinwärmepumpe eingesetzt werden. Solche Systeme werden u. a. von Fertighausherstel- 18

19 lern in neue Fertighäuser integriert angeboten; daneben gibt es zahlreiche Einzelanbieter dieser Technik. Die Absatzzahlen in Deutschland sind in den obengenannten Zahlen für elektrische Wärmepumpen enthalten. Lüftungs-Kompaktgeräte mit Wärmerückgewinnung und elektrischer Wärmepumpe Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli Gas-Wärmepumpen (Absorptions-Wärmepumpen, Adsorptions-Wärmepumpen (Zeolith-Wärmepumpen) Neben den Gasmotorwärmepumpen sind in einer Reihe von Anwendungsbereichen Gasabsorptionswärmepumpen interessant. Sie arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip; das Kältemittel wird hier jedoch nicht mechanisch über einen Kompressor, sondern mit Hilfe eines Zweistoffgemischs und einem Absorber und einem Austreiber thermisch verdichtet (vgl. unten stehendes Bild links). Da Absorptionswärmepumpen kaum bewegte Teile haben, zeichnen sie sich durch einen geringen Wartungsaufwand und niedrige Lärmemission aus. Auf der Betriebskostenseite wirkt sich auch die Reduzierung des elektrischen Leistungsbezuges zugunsten der Gasmotorwärmepumpe aus. Gas- und fernwärmebetriebene Absorptions-Wärmepumpen haben sich als Kältemaschinen im Segment großer und mittlerer Leistungen bewährt. Als Systeme der Wärmeversorgung haben sie jedoch bisher - vor allem im Bereich kleiner und mittlerer Leistung - noch keine Bedeutung. Seit mehreren Jahren befindet sich eine Gas-Absorptionswärmepumpe kleiner Leistung im Feldtest; daneben ist eine Gas- Adsorptionswärmepumpe kleiner Leistung in Entwicklung. Wärmeabfuhr Q ab Gas-Absorptionswärmepumpen und Gas-Adsorptionswärmepumpen Kältemittel flüssig Verflüssiger Druck hoch Temperatur hoch NH 4 Austreiber Druck reduzier- Ventil Druck reduzier- Ventil Erdgas Pumpe Antriebsleistung P Verdampfer Druck niedrig Temperatur niedrig Absorber Wärmezufuhr Q zu Absorptionsprozess Wärmeabfuhr Q ab Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli 10 19

20 2.6 Blockheizkraftwerke (BHKW) Verbrennuungsmotor-Blockheizkraftwerke (BHKW) Mikrogasturbinen-Blockheizkraftwerke (BHKW) Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli 12 Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli 16 Blockheizkraftwerke dienen zur gekoppelten, verbrauchsnahen Erzeugung von Strom und Wärme. Dabei wird eine deutlich bessere Energienutzung erreicht als bei der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme. Schätzungen gehen davon aus, dass zur Zeit in Deutschland etwa 2,5 bis 3 % der gesamten Stromerzeugung aus Blockheizkraftwerken stammen Verbrennungsmotor-Blockheizkraftwerke Nachdem bereits früher in der Elektrizitätswirtschaft Erfahrungen mit Hubkolben-Verbrennungsmotoren zur Stromerzeugung gesammelt worden waren, werden seit rund drei Jahrzehnten u. a. auf Erdgasbasis systematisch Verbrennungsmotoren kleinerer, mittlerer und großer Leistung (rund 4 bis 6800 kw el ) eingesetzt. Die elektrischen Wirkungsgrade liegen für Kleinanlagen bei etwa 24 bis 32 %, für Anlagen mittlerer Größe bei 32 bis 38 % und für große Anlagen bei 38 bis 42 %. Die Gesamtwirkungsgrade (Strom und Wärme) liegen für Kleinanlagen bei etwa 78 bis 91 %, für Anlagen mittlerer Größe bei 85 bis 93 % und für große Anlagen bei 80 bis 95 %; soweit bei der Abgasentwärmung eine Brennwertnutzung erfolgt, können Gesamtwirkungsgrade von bis zu 98 % erreicht werden [24]. Bei Kleinanlagen muss mit spezifisch hohen Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen sowie mit einer begrenzten Lebensdauer gerechnet werden; größere Anlagen schneiden hinsichtlich der genannten Gesichtspunkte deutlich günstiger ab Gasturbinen-Blockheizkraftwerke Daneben werden Gasturbinen-Blockheizkraftwerke zur dezentralen gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme genutzt; diese Anlagen haben in der Regel elektrische Leistungen zwischen etwa 500 und 5000 kw el. Im Bereich kleiner Leistungen (zwischen etwa 28 und 100 kw el ) hat in den letzten Jahren die Technik der Mikrogasturbinen in den Markt Eingang gefunden; dabei wird der Anteil der Stromerzeugung an der gesamten Energieerzeugung durch eine Prozessverbesserung mit Hilfe eines rekuperativen Wärmeübertragers erhöht. Gasturbinenanlagen weisen spezifisch geringere Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen sowie eine höhere Lebensdauer als Verbrennungsmotor-Blockheizkraftwerke auf. 20

21 2.6.3 Stirlingmotor-Blockheizkraftwerke Im Bereich sehr kleiner bis kleiner Leistungen (etwa 0,6 bis 9 kw el ) sind im vergangenen Jahrzehnt durch die Weiterentwicklung des Stirling-Motors interessante Möglichkeiten zur Erweiterung der dezentralen gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme erschlossen worden; die Stirling-Technik befindet sich kurz vor bzw. bereits in der Phase der Markteinführung. Stirling-Motoren haben besondere thermodynamische Vorzüge. Durch eine äußere Verbrennung ermöglichen sie eine günstige Integration in die klassische Wärmebereitstellung durch Erdgas-Niedertemperaturbzw. Brennwertkessel, die als Wärmebereitstellungssysteme zur Deckung der Wärme-Spitzenlast genutzt werden, während das Stirling-Aggregat die Grundlast abdeckt. Stirling-Motoren weisen spezifisch wesentlich geringere Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen sowie eine höhere Lebensdauer als Verbrennungsmotor-Blockheizkraftwerke auf. Stirlingmotor-Blockheizkraftwerke (BHKW) Dampfmotor-Blockheizkraftwerke (BHKW) Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli 15 Prof. Dr. -Ing. Martin Dehli Dampfkraftmotor-Blockheizkraftwerke Als weitere Neuentwicklung im Segment kleiner dezentraler Blockheizkraftwerke könnten künftig auch Dampfkraftmotor-BHKW an Bedeutung gewinnen: Mit ihnen könnten die thermodynamischen Vorteile des Dampf-Heizkraftprozesses auch für kleine Leistungseinheiten genutzt werden. Mit elektrischen Leistungen von rund 1 bis 6 kw el und durch eine äußere Verbrennung erscheint auch mit ihnen eine günstige Integration in die klassische Wärmebereitstellung durch Erdgas-Niedertemperaturbzw. Brennwertkessel möglich, welche als Wärmebereitstellungssysteme für die Deckung der Wärme-Spitzenlast genutzt werden, während das Dampfheizkraft-Aggregat die Grundlast abdeckt. Dampfheizkraft-Aggregate weisen spezifisch wesentlich geringere Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen sowie eine höhere Lebensdauer als Verbrennungsmotor-Blockheizkraftwerke auf Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke beruhen auf der direkten Umwandlung von chemisch gebundener Energie in elektrische Energie; gleichzeitig anfallende Wärme kann zur Wärmebereitstellung verwendet werden. In der öffentlichen Wahrnehmung stehen dezentrale BHKW-Konzepte im Mittelpunkt; die Brennstoffzellentechnik ist aber auch für die Verwirklichung von Großkraftwerken interessant. Bereits zu Mitte 21

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