Großwärmepumpen für Gewerbe und Industrie. Energieberatertag S. Wolf IER. Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

Transkript

1 Großwärmepumpen für Gewerbe und Industrie Energieberatertag 2016 S. Wolf Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe IER

2 Rolle der Wärmepumpe in der Energiewende Beitrag zu den Zielen der Energiewende (bis 2050): Reduktion des Primärenergieverbrauchs (-50 %): Reduktion des Treibhausgasausstoßes (-80 bis -95 %): Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch (60 %): Steigerung der Energieproduktivität (+2,1 % p.a.) Kosteneffiziente Energieversorgung:? Senkung des Stromverbrauchs (-25 %): Stabilisierung des Stromnetzes: Reduktion der Importabhängigkeit: Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

3 Rolle der Wärmepumpe in der Energiewende Beitrag zu den Zielen der Energiewende (bis 2050): Reduktion des Primärenergieverbrauchs (-50 %): Reduktion des Treibhausgasausstoßes (-80 bis -95 %): Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch (60 %): Steigerung der Energieproduktivität (+2,1 % p.a.) Kosteneffiziente Energieversorgung:? Senkung des Stromverbrauchs (-25 %): Stabilisierung des Stromnetzes: Reduktion der Importabhängigkeit: Positive Wechselwirkungen mit Zielen der Energiewende: Steigerung des Anteils Erneuerbarer Energien an der Bruttostromerzeugung (80 %): Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

4 Stand der Wärmepumpentechnik Überblick Antriebsenergie Antrieb Verdichter offener/geschlossener Kreislauf Abwärme Thermischer Verdichter: - Absorption - Adsorption - Jet Verdichter geschlossen (Adsorptions/Absorptions Wärmepumpe) Brennstoff Strom Gasmotor, Dampfturbine Elektromotor Mechanischer Verdichter: - axial - zentrifugal - Rollkolben - Hubkolben - Schrauben - Scroll offen (themischer Brüdenverdichter) offen (mechanischer Brüdenverdichter) geschlossen (Kompressionswärmepumpe) Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

5 Stand der Wärmepumpentechnik Überblick Antriebsenergie Antrieb Verdichter offener/geschlossener Kreislauf Abwärme Thermischer Verdichter: - Absorption - Adsorption - Jet Verdichter geschlossen (Adsorptions/Absorptions Wärmepumpe) Brennstoff Strom Gasmotor, Dampfturbine Elektromotor Mechanischer Verdichter: - axial - zentrifugal - Rollkolben - Hubkolben - Schrauben - Scroll offen (themischer Brüdenverdichter) offen (mechanischer Brüdenverdichter) geschlossen (Kompressionswärmepumpe) Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

6 Stand der Wärmepumpentechnik Kaltdampfkompressionswärmepumpen Funktionsweise: Arbeit (W) Wärme- Senke (QO, TO) 3 Verflüssiger 2 Verdichter 1 Verdampfer Wärmequelle (QU, TU) 4 Expansionsventil Technische Daten: Verwendete Kältemittel: Verdichterbauart: Max. Wärmesenkentemperatur: Max. Temperaturhub: Nennheizleistung: u. a. R134a, R717, R744, R245fa u. a. Hubkolben, Schraube, Turbo 110 C (Demoanlagen 120 C; Prototypen 170 C) 50 K pro Stufe 2 bis kw th Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

7 Stand der Wärmepumpentechnik Absorptionswärmepumpen Funktionsweise: 4 Austreiber 7 Expansionsventil 8 Wärmeübertrager 2 Absorber Absorption Desorption Antriebswärme (QO, TO) 3 Pumpe Wärmesenke (QM, TM) Wärmesenke (QM, TM) 5 Verflüssiger 6 Expansionsventil 1 Verdampfer Wärmequelle (QU, TU) Technische Daten: Verwendete Kältemittel: u. a. R717, R718 Verdichterbauart: thermischer Verdichter Antriebswärmewärme: > 100 C Max. Wärmesenkentemperatur: 95 C Max. Temperaturhub: 50 K pro Stufe Nennheizleistung: 25 bis kw th Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

8 Stand der Wärmepumpentechnik Hybridwärmepumpen Funktionsweise: 3 Verdichter Absorption Desorption 4 Mischer 7 Druckminderer 5 Absorber 1 Austreiber 2 Pumpe Wärmesenke (QO, TO) 6 Wärmeübertrager Wärmequelle (QU, TU) Technische Daten (Demoanlagen): Verwendete Kältemittel: R717/R718 Verdichterbauart: thermischer und mechanischer Verdichter kombiniert Max. Wärmesenkentemperatur: 115 C Max. Temperaturhub: 60 K pro Stufe Nennheizleistung: 250 bis kw th Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

9 Combitherm Marktübersicht Großwärmepumpen (Herstellerauswahl) L7 GH [ ] PP SchraubeR C L7 GH [ ] PP Kolben R C L1 KH R134a 65 C Spectrum R134a 65 C HWW R134a 80 C Sonderanfertigung R245fa 100 C Friotherm Unitop diverse 90 C Schrauben-WP 52 bar R C 500 kw bis kw Schrauben-WP 63 bar R C kw bis kw Kolben-WP 50 bar R C 230 kw bis 450 kw YCWL/YCRL R410A 52 C YLCS R134a 70 C YVWA R134a 65 C YMC² R134a, R245fa 70 C, 105 C SHP R134a 80 C YK R134a 70 C CYK R134a 70 C OM R134a 90 C KKT Chillers ThermoDynamixX k. A. 70 C Klima Jentzsch Sonderanfertigung diverse 80 C Mayekawa Ochsner Hersteller Cofely Refrigeration GEA Refrigeration Johnson Controls KWT/Viessmann Vitocal 350-G/W Pro R410A 60 C 89 kw bis 290 kw Vitocal 350-G Pro R134a 73 C 27 kw bis 198 kw Vitocal 350-G Pro Screw R134a 65 C 223 kw bis kw Sonderanfertigung diverse 65 C 15 kw bis kw PlusHEAT R C 430 kw bis 487 kw PlusHeat X R C 465 kw bis 523 kw ISWS[ ]ER2 R134a 65 C 81 kw bis 493 kw IWWS[ ]ER2 R134a 65 C 111 kw bis 464 kw IWWS[ ]ER1 R407C 50 C 165 kw bis 966 kw ISWS[ ]ER1 R407C 50 C 123 kw bis 723 kw ISWS[ ]R2 R134a 65 C 72 kw bis 434 kw IWWS[ ]R2 R134a 65 C 105 kw bis 599 kw IWHS[ ]ER3 Öko 1 98 C 65 kw bis 634 kw IWHSS[ ]R2R3 R134a/Öko1 98 C 176 kw bis 723 kw IWT 400 ER2 (Turbo) R134a 50 C 360 kw ILWS 170 ER1 R407C 50 C 165 kw ChillHeat RE [ ] R410A 65 C 110 kw bis 420 kw Oilon Scancool ChillHeat P [ ] R134a 80 C 150 kw bis 380 kw ChillHeat S [ ] R134a 67 C 180 kw bis 540 kw Star Refrigeration Produkt Kältemittel maximale Vorlauftemperatur Neatpump R C k. A. R C 45 kw bis 200 kw k. A. diverse 65 C Dürr thermea thermeco2 R C (110 C) kw bis 300 kw kw bis kw 50 kw bis 750 kw 150 kw bis 700 kw 160 kw bis 570 kw 188 kw bis 580 kw kw bis kw 100 kw bis kw 400 kw bis kw 650 kw bis kw 700 kw bis kw 700 kw bis kw kw bis kw kw bis kw kw bis kw Stefan Wolf 100 kw Wärmepumpen bis 500 kw für Industrie und Gewerbe kw bis kw Nennheizleistung [kw th ] kw bis kw 350 kw bis kw kw bis kw

10 Großvolumige Gebäude Wärmepumpenanwendungen Typische Wärmequellen und -senken in Bürogebäuden Wärmequelle Temperatur [ C] Klimatisierung 4 bis 18 Abwasser 15 bis 30 Serverkühlung 10 bis 40 Umgebungswärme -5 bis 20 Beispiel: Vattenfall Bürogebäude Standort: Nennheizleistung: Wärmequelle: Wärmesenke: JAZ: Amortisationszeit: Hamburg (DE) 2 x 313 kw th Klimatisierung, Serverkühlung Raumwärme 7,8 (integriert) 2,5 Jahre Wärmesenke Temperatur [ C] Raumwärme 30 bis 80 Warmwasser 60 bis 90 Quelle: Wolf, S.; Fahl, U.; Blesl, M.; Voß, A.; Jakobs, R.: Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen in Deutschland: Forschungsbericht. FKZ A. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) (Hrsg.). Stuttgart, 2014 Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

11 Fernwärme Wärmepumpenanwendungen I Typische Wärmequellen und -senken in der Fernwärmeversorgung Wärmequelle Temperatur [ C] Städtisches Abwasser 10 bis 20 Industrielle Abwärme 30 bis 80 Rechenzentren 10 bis 40 Fernkälteerzeugung 5 bis 15 Thermalwasser 20 bis 100 Umgebungswärme -5 bis 20 Beispiel 1: Ropsten (Stockholm) Standort: Stockholm (SE) Nennheizleistung: 250 MW th Wärmequelle: Meerwasser (2 C) Wärmesenke: Fernwärme (80 C) JAZ: 2,9 Wärmesenke Temperatur [ C] Fernwärme 1. Generation 120 bis 160 Fernwärme 2. Generation 80 bis 130 Fernwärme 3. Generation 70 bis 120 Fernwärme 4. Generation 60 bis 100 Quelle: Nowacki, J.-E.: Large Water Source Heat Pumps: The Swedish Experience. Neo Energy. 2014; Hill, A.: District heating and cooling in Stockholm Site visit to the Ropsten plant. Stockholm (Schweden), ; Friotherm AG: Värtan Ropsten: Weltgrößte Anlage mit Meerwasser. Wärmepumpen: 6 Unitop 50FY, Gesamtkapazität 180 MW. Winterthur, 2008 Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

12 Fernwärme Wärmepumpenanwendungen II Typische Wärmequellen und -senken in der Fernwärmeversorgung Wärmequelle Temperatur [ C] Städtisches Abwasser 10 bis 20 Industrielle Abwärme 30 bis 80 Rechenzentren 10 bis 40 Fernkälteerzeugung 5 bis 15 Thermalwasser 20 bis 100 Umgebungswärme -5 bis 20 Beispiel 2: Skjern Papierfabrik Standort: Skjern (DK) Nennheizleistung: 4 MW th Wärmequelle: Industrielle Abwärme (40 C) Wärmesenke: Fernwärme (68 C) JAZ: 5,0 Amortisationszeit: 3,4 Jahre Heat Sink Temperature [ C] Fernwärme 1. Generation 120 bis 160 Fernwärme 2. Generation 80 bis 130 Fernwärme 3. Generation 70 bis 120 Fernwärme 4. Generation 60 bis 100 Quellen: HPP/iets Annex 35/13 Members: Application of Industrial Heat Pumps: IEA Industrial Energy-related Systems and Technologies Annex 13, IEA Heat Pump Programme Annex 35. Final Report. Hannover, 2014; Gerhardt-Petersen, I.: Skjern Paper Mill: Energy efficient manufacturing of paper. Danish Energy Agency (Hrsg.) Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

13 Industrie Wärmepumpenanwendungen I Typische Wärmequellen und -senken in der Industrie Wärmequelle Temperatur [ C] Prozessabwasser 15 bis 50 Kältemaschinen 30 bis 50 Maschinenkühlung 30 bis 60 Drucklufterzeugung 45 bis 80 Abgase 60 bis 260 Kondensation 40 bis 60 Beispiel 1: Malzherstellung Standort: Hamburg (DE) Nennheizleistung: kw th Wärmequelle: Darrenabwärme Wärmesenke: Trockenluftvorerwärmung JAZ: 6,3 Amortisationszeit: 5,3 Jahre Wärmesenke Temperatur [ C] Raumwärme 30 bis 80 Warmwasser 60 bis 90 Prozessheißwasser 50 bis120 Prozessdampf 100 bis 220 Quellen: Wolf, S.; Fahl, U.; Blesl, M.; Voß, A.; Jakobs, R.: Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen in Deutschland: Forschungsbericht. FKZ A. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) (Hrsg.). Stuttgart, 2014 Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

14 Industrie Wärmepumpenanwendungen II Typische Wärmequellen und -senken in der Industrie Wärmequelle Temperatur [ C] Prozessabwasser 15 bis 50 Kältemaschinen 30 bis 50 Maschinenkühlung 30 bis 60 Drucklufterzeugung 45 bis 80 Abgase 60 bis 260 Kondensation 40 bis 60 Beispiel 2: Metallverarbeitung Standort: Nennheizleistung: Wärmequelle: Wärmesenke: JAZ: 3,8 Amortisationszeit: 6 Jahre Großrückerswalde (DE) 274 kw th Laserschneidanlage, Abgase Raumwärme, Oberflächenbehandlung Wärmesenke Temperatur [ C] Raumwärme 30 bis 80 Warmwasser 60 bis 90 Prozessheißwasser 50 bis120 Prozessdampf 100 bis 220 Quellen: Wolf, S.; Fahl, U.; Blesl, M.; Voß, A.; Jakobs, R.: Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen in Deutschland: Forschungsbericht. FKZ A. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) (Hrsg.). Stuttgart, 2014; Preuß, A. (Hrsg.): Einsatz einer Wärmepumpe in einem metallverarbeitenden Betrieb zur Nutzung technologischer Wärme. 3. Energietechnisches Symposium. Zittau, 2011 Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

15 Hemmnisse und Lösungsstrategien Hemmnis Hohe Komplexität der Integration einer Wärmepumpe Strukturelle Barrieren im Unternehmen Hohe Wirtschaftlichkeitsansprüche Niedrige Gas- und hohe Strompreise Imageprobleme Lösungsstrategie Erarbeitung von Richtlinien und Leitfäden. Fokussierung auf mittelständische Unternehmen mit flexibleren Strukturen und flacheren Hierarchien. Hinweis auf Langlebigkeit der Wärmepumpentechnik und Verwendung der Internen Verzinsung statt Amortisationszeit. Gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Kälte. Fokussierung auf ländliche Regionen ohne Gasversorgung. Verweis auf die weltweit zahlreich umgesetzten und dokumentierten Demonstrationsanlagen. Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

16 Hemmnisse und Lösungsstrategien Ökonomische Bewertung Aufgrund der langen Nutzungsdauer von Wärme- und Kälteerzeugungsanlagen (> 15 Jahre) ist es sinnvoll die Entscheidung über die Wirtschaftlichkeit der Investition anhand der internen Verzinsung (statt Amortisationszeit) zu treffen. Nebeneffekte wie die gleichzeitige Kälteerzeugung oder eine Verbesserung der Produktqualität sollten quantifiziert und in der Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt werden. Amortisationszeit [a] Interne Verzinsung Nutzungsdauer der Wärmepumpe [a] % 84% 93% 97% 98% 99% 100% 100% 100% 100% 100% 2 0% 23% 35% 41% 45% 47% 48% 49% 49% 50% 50% 3 0% 13% 20% 24% 27% 29% 30% 31% 33% 33% 4 0% 8% 13% 16% 19% 20% 21% 24% 25% 5 0% 5% 9% 12% 14% 15% 18% 19% 6 0% 4% 7% 9% 11% 14% 16% 7 0% 3% 5% 7% 11% 13% Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe % 2% 4% 9% 11% 16

17 Schlussfolgerungen Stand der Großwärmepumpentechnik Die Wärmepumpentechnik passt sehr gut zu den energie- und klimapolitischen Zielen der Bundesregierung. Die Großwärmepumpentechnik ist reif für die Anwendung in Gewerbe und Industrie. Der Markt für Großwärmepumpen beginnt sich zu entwickeln. Zukünftige Entwicklung Reduktion der Investitionskosten durch modulares Anlagendesign und Steigerung der Produktionszahlen. Weitere Steigerung der Anlageneffizienz durch Verbesserung von Komponenten (Verdichter, Expansionsventil), den Einsatz neuer Kältemittel und die Entwicklung neuer Anlagenkonfigurationen. Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe

18 Vielen Dank! Stefan Wolf Telefon +49 (0) Fax +49 (0) Universität Stuttgart Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) Heßbrühlstraße 49a Stuttgart Stefan Wolf Wärmepumpen für Industrie und Gewerbe