Absorptionskälteanlagen für den KWKK-Betrieb - Aktuelle Entwicklungen an der TU Berlin

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1 Absorptionskälteanlagen für den KWKK-Betrieb - Aktuelle Entwicklungen an der TU Berlin Wolfgang Lanser Stefan Petersen 1

2 Übersicht Motivation KWKK Kreisläufe & Prinzipien Systemverschaltung & Regelung Sonderanwendungen Neuentwicklungen TU Berlin Zusammenfassung 2

3 Motivation wachsender Markt der Gebäudeklimatisierung (10-15%/a) Energiekostensenkung & -effiziensteigerung in Industrie & Gewerbe Richtlinie zur Förderung von KWK / 25% KWK Strom bis 2020 Stromerzeugung [GWh/Monat] Anteil KWK- Strom 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0 0% Jan 03 Jan 04 Jan 05 Jan 06 Jan 07 Jan 08 Jan EnerSys

4 Prozeß geschlossene Systeme offene Systeme Flüssig Fest Fest / Flüssig Beispiele Wasser/LiBr Ammoniak/Wasser Wasser/Silikagel Wasser/Zeolith Wasser/Silikagel Wasser/LiCl Technologie Absorption Adsorption Sorptionsgestütztes Lüftungssystem verfügbare Leistungen kw kw kw Hersteller div. Asien, USA div. Europa Japan, Deutschland diverse COP Temperatur (Antrieb) Wärmepumpenbetrieb 0,5 0,8 (single ef.) 1,2 1,4 (double ef.) C (s.e.) C (d.e.) 0,3 0,7 0,3 0, C C WRG 4

5 Geschlossene Kälteerzeugungsverfahren Thermischer Verdichter 5

6 Kälteleistung [kw] COP [-] Aktionskreis Energie: Workshop KWK-Praxis, Berlin Standardregelung t_rkw=konstant, Volumenströme konstant => Regelung der Kälteleistung über Heisswassereintrittstemperatur Designgrenzen Nominalbetrieb 1,00 0, , ,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0, Heisswassereintrittstempertur [ C] 6

7 Kälteleistung [kw] Aktionskreis Energie: Workshop KWK-Praxis, Berlin Antriebsvariation t_rkw=30 C, V_RKW=3,8 l/s, t_kw=21/16 C BHKW, ein- /austritt [ C] ,9 l/s 0,6 l/s 0,3 l/s ,1 l/s Antriebstemperatur, Eintritt[ C] 7

8 Kälteleistung [kw] Aktionskreis Energie: Workshop KWK-Praxis, Berlin Rückkühlvariationen t_fw=90 C, m_fw=0,9kg/s, t_kw=21/16 C 60 3,8 l/s ,0 l/s 1,5 l/s 1,0 l/s P hydraulic = nominal =100% P hydraulic = 1/64*nominal Abwärmetemperatur, Eintritt[ C] 8

9 Systemtechnik für Sorptionskälteanlagen 9

10 Absorption (kontinuierlich) Adsorption (periodisch) LiBr/H 2 O höchste machbare Effizienz geringer Systemaufwand Kristallisationsgefahr (?) NH 3 Kaltwassertemperaturen < 0 C Rektifikation i.d.r. notwendig Wasser/Silicagel & Wasser/Zeolith stabile Kaltwassertemperaturen mit 2 Sorptionskammern Verzicht auf interne Pumpen => robust, wartungsarm 10

11 Regelung KWKK im Spreebogen, Berlin AKM - Inst. Kälteleistung notwendige Heizleistung RKW - Inst. Leistung ~2000 kw ~2800 kw >4600 kw..gemittelte Leistungen, Frühsommertag: Messung Simulation Gefördert von: Kälteleistung AKA kw Antriebsleistung AKA kw Nachkühlung WT kw Rückkühlleistung RKW kw Heizwasser Eintritt AKA C Heizwasser Austritt AKA C Heizwasser Eintritt BHKW C Kühlwasser Eintritt AKA C

12 Q D, Q E / kw Aktionskreis Energie: Workshop KWK-Praxis, Berlin Intelligente Regelung mit Char. Gleichung Heizleistung Q D Kälteleistung Q E Heizleistung Q D,sim Kälteleistung Q E,sim Wer seine Anlage kennt, kann ihr Verhalten mit sehr einfachen abstrahierten Zusammenhängen prognostizieren! Aus der reinen Regelung wird somit eine schnelle und stabile Steuerung, die nur noch im Feintuning von einer Regelung ergänzt wird t* = t Di t ACi t Eo / K Volumenstromvariation 12

13 Optimiert mit Charakteristischer Gleichung Reduktion der Wärmeleistung zur Kälteerzeugung von 630 kw auf 470 kw (Reduktion um ca. 25%) => ca. 160 kw HT-Wärme eingespart Alternativ möglich: Gefördert von: => HT-Wärme bleibt eingekoppelt => Verringerung Elektroenergiebedarf Messung Optimierter Betrieb Kälteleistung AKA kw Antriebsleistung AKA kw Nachkühlung WT kw Rückkühlleistung RKW kw Heizwasser Eintritt AKA C Heizwasser Austritt AKA C Heizwasser Eintritt BHKW C Kühlwasser Eintritt AKA C Elektroenergiebedarf (nur RKW) kw ca Spez. Elektroenergiebedarf (RKW) kw el /kw RKW

14 Effizienzverhalten in Kleinstlast 14

15 Besondere Anwendungen 15

16 Double Effect-Kälteanlage interne Nutzung der Kondensationswärme Doppelte Desorption (und damit Absorptionspotential für die Verdampfung) mit einfacher Wärmemenge Antriebstemperaturen C C ca. 1,3 bis 1,4 MT 16

17 DESE*: Double Effect - Single Effekt Kombianlage Kälteerzeugung Teillast-COP bis 1,25 diverse Betriebsarten frei kombinierbar HT (Hochtemperatur) NT (Niedertemperatur) MT (Mitteltemperatur) Kälte / Umgebungswärme *Ideengeber: ZAE Bayern 17

18 DESE: Double Effekt - Single Effekt Kombianlage 180% 160% 140% 120% 100% Kälte NT Wärme MT Wärme HT Wärme Strom 80% 60% 40% 20% 0% 18

19 EnEff Wärme: Entwicklung von Absorptionskälteanlagen für den Niedertemperaturantrieb Gefördert von: 19

20 Projektziele Entwicklung von Absorptionskälteanlagen für FW-Antrieb ( kw) Niedrige Investitionskosten bei hoher Systemeffizienz Modularität / Türgängigkeit Kondensatfreier Kühlbetrieb Auswahl geeigneter Systemkomponenten Systemdemonstration (Betrieb & Effizienz) in Zahlen: COP der Kälteanlage in jedem Lastpunkt (25%-100%) > 0,72 Nebenstromverbräuche (inkl. Steuerung, Rückkühlung) < 6% der Kälteleistung Frischwasserbedarf < 3,2 m 3 /MWh Kälte 20

21 50 kw AKA Prototyp Typ Single Effekt LiBrH 2 O Gewicht 955 kg L / h / b [m] 1,9 / 1,8 / 0,8 COP nenn 0,80 Desorber (T in, T out [ C]) T in, min [ C] T in, max [ C] (V [l/s] / dp [bar]) 90 / ,9 / 0,12 Verdampfer (T in, T out [ C]) T in, min [ C] T in, max [ C] (V [l/s], dp [bar]) 21 / ,4 / 0,23 Absorber / Kondensator (T in, T out [ C]) T in, min [ C] T in, max [ C] (V [l/s], dp [bar]) 30 / >45 3,4 / 0,49 21

22 Regelstrategien: Nebenenergieverbräuche Elektrische JAZ / SEER Thermische JAZ / SEER Strategie SEER el SEER th 1 Classic (Antriebstemperatur) 2 RKW (Temperatur und Vol.-Strom) 3 Antrieb (Temperatur und Vol.-Strom Kombination (2+3) 12,6 0,75 18,9 0,75 13,8 0,75 21,9 0,75 Seasonal Energy Efficiency Ratio 22

23 160 kw AKA Typ Gewicht Single Effekt LiBr-H 2 O 1750 kg (netto) L / h / b [m] 1,95 / 2,05 / 0,86 Module (<850 kg) COP nenn 0,79 Desorber T in [ C] T in, min [ C] T in, max [ C] (V [l/s] / dp [bar]) ,7 / 0,36 Verdampfer T in, out [ C] T in, min [ C] T in, max [ C] (V [l/s], dp [bar]) 21 / ,7 / 0,25 Absorber / Kondensator T in [ C] T in, min [ C] T in, max [ C] (V [l/s], dp [bar]) >50 10,8 / 0,57 23

24 Zusammenfassung Sorptionskälteanlagen ab ca. 10 kw marktverfügbar sehr gute Kombinierbarkeit mit BHKWs Kälteanlagen bis 500 kw Leistung werden signifikant günstiger LiBrH 2 O Anlagentechnik für hohe Rückkühltemperaturen / ohne Kristallisationsprobleme verfügbar Optimierte Regelungen (z.b. Charakteristische Gleichung) weisen enorme Potentiale auf Leistungsregelung unter Berücksichtigung von Temperaturen und Volumenströmen halbiert die systemischen Jahresstromverbräuche Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Wolfgang.Lanser@tu-berlin.de & Stefan.Petersen@tu-berlin.de 24

25 Kälteleistung [kw] Aktionskreis Energie: Workshop KWK-Praxis, Berlin V_Antrieb=0,9 l/s, V_RKW=4,0 l/s, V_Kaltwasser = 2,4 l/s t 02 / 27 / 90 t 02 / 30 / 90 t 02 / 33 / t 02 Verdampferaustrittstemperatur [ C] 25

26 spezifischer Preis [ /kw] Aktionskreis Energie: Workshop KWK-Praxis, Berlin Investitionsvergleich AKA EnEff System KKA Installierte Kälteleistung [kw] 1) Quelle: IUTA (nur AKA), 2) bei ca. 200 Anlagen/a 3) Quelle: ASUE, 26

27 Temperatur [ C] Spontane Laständerung Aktionskreis Energie: Workshop KWK-Praxis, Berlin Antrieb Vorgehen Laständerung 25% -> 100% Ziel: Lastdeckung nach 15 min wie: Anlagenkenntnisse & feed forward control 50 Rückkühlung 30 Kaltwasser 10 17:00 17:15 17:30 17:45 18:00 Uhrzeit [hh:mm] Strategie: Classic (Antriebstemperatur): (@25% Last => COP=0,77) Reaktion:13 min RKW Control: (@25% Last => COP=0,62) Reaktion:7 min Combi-Control (@25% Last => COP=0,69) Reaktion:10 min 27

28 Besichtigung TU Berlin 160 kw - AKA :00 Uhr (max. 20 Teilnehmer) 160 kw AKA TU Berlin, Marchstrasse 18, Berlin Bei Interesse kann evtl. auch eine mit einer 50kW - AKA ausgestattete Liegenschaft in Berlin Syringenplatz angefragt werden. 28