WÄRMEPUMPEN FÜR DEN INDUSTRIELLEN EINSATZ

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1 WÄRMEPUMPEN FÜR DEN INDUSTRIELLEN EINSATZ René Rieberer, Gerald Zotter, David Hannl TU Graz Institut für Wärmetechnik Inffeldgasse 25/B 8010 Graz Graz,

2 Inhalte: Motivation und Anforderungen Beispiele für Industrie-Wärmepumpen (WP) Projekt HyPump Graz,

3 Energiesituation in Österreichs Industrie Endenergieträger in der österreichischen Industrie (Daten: Statistik Austria, 2010) Anteiliger Endenergieverbrauch in Österreich (Daten: Statistik Austria, 2010) Graz,

4 Innerbetriebliche Abwärmenutzung Effizienz: Prozesswärme Hochtemperatur Primär Energie Pasteurisieren/Sterilisieren Trocknungsprozess Galvanik Bleichen etc. ( C) ( C) ( C) ( C). Prozesswärme Hochtemperatur Nutzwärme SPF = Antriebsenergie Ind-WP Primär Energie Kältemaschinen (20-50 C) Druckluftkompressoren (30-70 C) Back- und Beschichtungsöfen ( C) Reinigungsabwässer (20-60 C) etc.. Graz, Abwärme Niedertemperatur

5 Enormes ökologisches Potential Effizienz: Nutzwärme SPF = Antriebsenergie Annahmen: h gaskessel = 85% 320 g CO2 /kwh el (lt. KPC, 2011) CO 2 -Einsparpotential: elektr. Wärmepumpe vs. Gaskessel Graz,

6 Enormes ökologisches Potential: Lt. Studie von Lambauer et al. (2008) sind in Deutschland durch den Einsatz von Ind-WP Emissionseinsparungen i.d.h.v. 6 Mt CO 2 / a erzielbar. Prozentuell ähnliches (höheres) CO 2 -Einsparpotential für Österreich Graz,

7 Trotz großem ökologischen Potential bis dato geringe Verbreitung: Geringer Bekanntheitsgrad und fehlendes Know-how Skepsis aufgrund mangelnder Erfahrung (Betriebssicherheit) Gefordertes Temperaturniveau meist zu hoch für konventionelle WP Amortisationszeiten Industrie fordert meist < 3 a (Relation Strom / Gaspreis!) I.d.R. maßgeschneiderte Anlagen notwendig Invest > Graz,

8 Die wichtigsten Anforderungen an eine Ind. WP Nutztemperaturen meist > 80 ºC Hohe Zuverlässigkeit Hohe Effizienz Schnelle Amortisation Einfache Integration Graz,

9 Hochtemperatur -Wärmepumpen über 80 C Herausforderungen mit einfachen Kreisläufen: Einsatzgrenzen & Effizienz konventionellen Kältemitteln: hohe Drücke und Verdichter- Austrittstemperaturen Entwicklung neuer WP & Kältemittel Internat. Projekt IEA HPP Annex 35: Industrial HPs Ziel: Größere Verbreitung Überblick F&E-Aktivitäten Doku von realisierten Anlagen-Beispielen, Graz,

10 Anlagenbeispiel aus dem Ausland (lt. IEA HPP Annex 35) NH 3 -Kompressions WP in der Schoko-Herstellung (GB) Quelle: Final Report IEA Annex Nestle UK Ltd Wärmequelle: Prozesskühlwasser (5 C) Wärmesenke: Prozesswarmwasser (60 C) Heizleistung: 1,25 MW / Kälteleistung: 3,2 MW Inbetriebnahme: 2010 Laufzeit: 7400 h/a COP: 6,25 (Heizen/Kühlen) Einsparungen: 166 k /a & 120 t CO 2 /a Graz,

11 Anlagenbeispiel aus dem Inland (lt. IEA HPP Annex 35) H 2 O/LiBr-AbsorptionsWP zur Rauchgaskondensation (AUT) Quelle: Schweighofer Schweighofer Fibre GmbH Quelle: Rauchgas (50 C) Senke: Fernwärme (90 C) Heizleistung 7,5 MW Inbetriebnahme: 2006 Laufzeit: 7500 h/a COP: 1,6 (thermisch; Antrieb: Prozessdampf) Einsparungen: 15 GWh/a & 6000 t CO 2 /a Graz,

12 Anlagenbeispiel aus dem Ausland (lt. IEA HPP Annex 35) Hybrid-WP (NH 3 /H 2 O) in der Milchpulverherstellung Arla Foods Arinco Quelle: Prozesskühlwasser (40 C) Senke: Trocknungsluft (80 C) Heizleistung: 1,25 MW/ Kälteleistung: 1 MW Inbetriebnahme: 2012 Laufzeit: 7400 h/a COP: 4,6 Einsparung: 1400 t CO 2 /a Amortisation: 1,5-2,3 a Graz, Quelle: DTI Annual Report 2012

13 FFG-Projekt HyPump Partner: TU Graz - IWT, AIT, Frigopol GmbH Projektziel: Entwicklung und experimentelle Analyse einer hybriden Absorptions/Kompressions-Wärmepumpe kleiner bis mittleren Leistung für Hochtemperaturanwendung (ca. 100 C) Verwendung standardisierter Komponenten (moderate Druckniveaus) Graz,

14 Absorptions/Kompressions-Wärmepumpe ( Hybrid WP ).. Graz,

15 Absorptions/Kompressions-Wärmepumpe Q Sink Q Source Graz,

16 Charakteristika einer Hybrid-Wärmepumpe Absorption und Desorption anstelle von Kondensation und Verdampfung Moderate Druckniveaus: veränderbar über das Verhältnis Kältemittel zu Lösungsmittel im System Leistungsregelung durch Variation des Niederdruckniveaus möglich Graz,

17 Charakteristika einer Hybrid-Wärmepumpe Annäherung an den Lorenz -Prozess: Wärmeübertragung im Absorber und Desorber bei gleitender Temperatur tabs, tsink [ C] t ABS t SINK Q [%] x 10-1 SINK Wärmesenke, SOURCE Wärmequelle Graz, tdes, tsource [ C] t SOURCE t DES Q [%] x 10-1

18 Highlights beim Kreislaufdesign Neues Stoffpaar: Ammoniak/Lithiumnitrat 2-stufige Kompression mit Zwischenkühlung (Reduktion der Kompressor-Austrittstemperatur) 2-stufige Ölabscheidung für hohe Abscheideraten Absorber mit Blasenabsorption und spezieller Verteilgeometrie am Eintritt Systemregelung für stabilen Betrieb bei variierenden Betriebsbedingungen Graz,

19 Basierend auf Kreislaufschema wurde am IWT ein Simulationsmodell (EES) aufgebaut Graz,

20 Graz, Nr.

21 Aufbau eines Funktionsmusters am IWT Adaptierte NH 3 -Trennhaubenkompressoren wurden von der Fa. Frigopol geliefert Vorstudien zum optimierten Absorber- Einlassdesign wurden am AIT durchgeführt Ausschließlich Plattenwärmetauscher verwendet (inkl. Absorber und Desorber) Graz,

22 Bild des Funktionsmusters am IWT Graz,

23 t comp,out, t sink,out, t source,out [ C] COP H [-] Industriewärmepumpen Bsp. Messungen mit Funktionsmuster am IWT p low = 3 bar p high = 18 bar t sink,in = t source,in Q Sink 13 kw Anm.: Fehlerindikatoren gemäß Gauß scher Fehlerfortpflanzung t comp,out t sink,out t source,out COP H t sink,in / t source,in [ C] 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 Graz,

24 Messung vs. Simulation: Simulierter Temperaturhub und Effizienz konnten mit erstem Funktionsmuster noch nicht erreicht werden. Analyse der Messergebnisse zeigt Optimierungsbedarf: beim Absorberdesign bei der elektr. Leistungsaufnahme und den Wärmeverlusten der Kompressoren hinsichtlich Verschleppung von Lösungsmittel in Kältekreislauf. Graz,

25 Fazit Weltweite Anstrengungen um größere Verbreitung von Ind. Wärmepumpen zu erreichen Gefordert werden relat. hohe Temperaturen, Zuverlässigkeit, kurze Amortisationszeiten I.R. des Projekts HyPump wurde ein neues Arbeitsstoffpaar (NH 3 /LiNO 3 ) eingesetzt, ein Funktionsmuster erfolgreich aufgebaut, in Betrieb genommen & getestet Messdatenanalyse zeigt Optimierungspotentiale Graz,

26 Danke für Ihre Aufmerskamkeit und an die Födergeber! Die Beteiligung am IEA HPP ANNEX 35 Application of Industrial Heat Pumps (FFG-Projekt Nr & ) wurde durch das bmvit Austria im Rahmen der IEA-Beteiligung finanziell gefördert. Das Projekt HyPump (FFG-Projekt Nr ) wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms NEUE ENERGIEN 2020 durchgeführt. Graz,

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