Umweltentlastung und Energieeinsparung in der Industrie mit CO 2 - Hochtemperaturwärmepumpen

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1 Umweltentlastung und Energieeinsparung in der Industrie mit CO 2 - Hochtemperaturwärmepumpen Prof. Eberhard Wobst Dipl.- Ing. (FH) Steffen Oberländer Dr.-Ing. Walter Nestler thermea. Energiesysteme GmbH wobst@thermea.de

2 Inhalt Motivation Warum CO 2? Besonderheiten von CO 2 Demonstrationsanlage Anwendungsbeispiele Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung Halle 1 Stand

3 Entwicklung des Weltenergiebedarfs Energie aus fossilen Brennstoffen davon Erdöl Energie aus Kernkraft erneuerbare Energien 1500 Exajoule exa = Exajoule = 34,12 Mio t SKE Quelle: Shell-Studie 2002:

4 Treibhausgasemissionen, global Climate Forcing since 1765 Wm Potential Future Contributions from Greenhouse Gases Quelle: AFEAS CO 2 CH 4 N 2 O HFCs Year CFCs/HCFCs HFCs Methane Nitrous Oxide Carbon Dioxide CFCs/HCFCs Globale Aufgaben zur Zukunftssicherung: nachhaltige Energieversorgung trotz steigendem Bedarf Reduzierung von klimaschädlichen Emissionen

5 Motivation Zukunftssicherung geht nur mit erneuerbarer Energie Sonne Wind Wasser - Biomasse Die Wärmepumpe (ε = 4) ist ein wichtiger Baustein! Antriebsenergie: ¼ der benötigten Wärme CO 2 Emissionen: Gaskessel: 0,242 kg CO2/kWh Wärmepumpe : 0,134 kg CO2/kWh Wärmepumpeneinsatz verringert Abhängigkeit von Energiepreisen! Wärmebedarf der deutschen Industrie (Quelle IER Stuttgart): Nutztemperatur 70 C Nutztemperatur 100 C Gesamtwärmebedarf 64 Mrd. kwh/a 110 Mrd. kwh/a 370 Mrd. kwh/a Das Potential für Industrie- Wärmepumpen ist bei weitem nicht ausgeschöpft!

6 Warum CO 2? NH 3, KW, H 2 O, CO 2 in der Natur vorhandener Stoff, keine Restriktionen nicht brennbar, nicht toxisch (8%- Grenze beachten) bei Wärmepumpen ausschließlich transkritischer Prozess gute Leistungszahlen bei hohen Heiztemperaturen unschlagbar bei Aufheiz-, Vorwärm- und Trocknungsprozessen

7 Besonderheiten CO 2 Leistungszahlen R134a, R744 (einfacher, einstufiger Kreisprozess, Drosselentspannung) 5 ε Klimakälte Warmwasser 6 C / 12 C 80 C R134a R744 R134a R744 t 0 = 0 C t 0 = 6 C t L = 32 C t WE = 15 C η is = 0,6 η is = 0,

8 Besonderheiten CO 2 Isobare T Isobare T S S

9 Besonderheiten CO 2 T TM Thermodynamische Mitteltemperatur T 2 ε c = TM T - M T 0 t 2 / C t 3 / C t M / C T M /K T 3 T ,15 333,15 T 4 T 0 S

10 Besonderheiten CO 2 zwei Gaskühler ein Gaskühler

11 Aufbau Demoanlage / Erprobungsziel Aufbau: Radialkolbenverdichter Koaxialwärmeübertrager Hochdruckregelung elektronische Einspritzventile Sammler Erprobung: Funktionsnachweis Regelungskonzept Auslegungsroutinen

12 Anlagenschema K: Verdichter GKA: Gaskühler A GKB: Gaskühler B Reku: innerer Wärmeübertrager V: Verdampfer S: Sammler

13 Erprobungsergebnis T/ C 91,2 C 45,0 C 26,7 C

14 Anwendungsbeispiel, Trockner

15 Anwendungsbeispiel Trockner h h Offener Prozess x Umlufttrockner x

16 Weitere Anwendungsbeispiele Wärmerückgewinnung in der Industrie Produktionsunternehmen Erwärmung von Prozessluft Erwärmung von Prozesswasser Entlastung von Rückkühlanlagen Wärme-Kälte-Kopplung Krankenhäuser Warmwassererzeugung für Sanitärbereich Klimakälte Produktionsunternehmen mit Wärme- und Kältebedarf Kühlung von Laser- und Punktschweißgeräten Heizung (RLT- Geräte) Fern- und Nahwärmenetze Netzerweiterungen

17 Weitere Anwendungsbeispiele WWB/Heizung (20 C 65 C), ca. 800 kw Elektrische Leistungsaufnahme 220 kw Kaltwassernetz (12 C 6 C), ca. 600 kw ε WKK = (800 kw+600 kw) / 220 kw = 6,

18 Wirtschaftlichkeit thermea. WP vs. Gasbrennwertkessel Gaspreis /MWh Jährl. Kostenvorteil /a ε WP = 3,5;η K = 1; Heizleistung kw, h/a Strompreis /MWh

19 Zusammenfassung verstärkte Nutzung erneuerbarer Energie Wärmepumpen sind Energiesparer und reduzieren Emissionen Wärmepumpeneinsatz verringert die Abhängigkeit von Energiepreisen großes Potential für Wärmepumpen in der Industrie Wärmepumpen mit Kohlendioxid als Arbeitsstoff sind besonders geeignet bei großen Temperaturspreizungen auf der Gaskühlerseite (Warmwassererzeugung, industrielle Prozesse) auch für CO 2 Wärmepumpen gilt: Wärme-Kälte-Kopplung ist besonders wirtschaftlich

20 Das ist die thermea. Energiesysteme GmbH: Gesellschafter bw energiesysteme GmbH, Dr. Bodo Wolf (CHOREN) thermea. Energie + Service GmbH Geschäftsfelder Hochtemperaturwärmepumpen für die Industrie Wärmecontracting TGA Anlagen mit dem Entwicklungsziel: Speicherung u. Rückgewinnung von regenerativ erzeugter Energie Firmensitz Freital (bei Dresden) Poisentalstr. 75 Tel mail@thermea.de thermea. Halle 1, Stand