Kältelieferung unter 0 C mittels KWKK Anlagenkonzept und Realisierung

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1 Kältelieferung unter 0 C mittels KWKK Anlagenkonzept und Realisierung Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse Technische Universität Dresden Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik IHR LOGO Statusseminar Energieforschung für die Wärmewende Frankfurt, April 2016

2 Projekt Titel: RESOFREEZE Partner: Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Gefördert durch: Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 2

3 Eisspeicher Nutzung von günstigen Rückkühlbedingungen Zeitliche Entkopplung Strom- /Kältebedarf Einsatz bei Kältebedarfsspitzen Sorptionskältemaschine Projektansatz - KWKK Brennstoff elektr. Energie Abwärme Rückkühlung Quelle: Eisspeicher Kälte Nutzkälte Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 3

4 Projektinhalt Neuartiges Anlagenkonzept zur Kältelieferung im Bereich unter 0 C mittels Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) Leistungsbereich bis ca. 150 kw Kälte Zielbereich: u.a. Gewerbekälte Phase 1: Entwicklung eines demonstrationstauglichen Funktionsmusters Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 4

5 KWKK - Sorptionskälte Anforderungen Nutzung von Abwärme im Bereich 70 < 100 C (T 2 ) Rückkühlung möglichst bei Umgebungstemperatur (T 1 ) Größe und Kosten vergleichbar mit Kompressionskältemaschinen Hohe Verfügbarkeit Q Antrieb: Abwärme h T 2 Q a T 1 T 0 Nutzen: Kälte Q 0 Rückkühlung Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 5

6 Stand der Technik Absorptionstechnik Stoffgemisch aus Kältemittel + Sorptionsmittel Stoffkombination: NH 3 /H 2 O H 2 0/LiBr Nutzkälte (T 0 ) < 0 C > 4 C Betriebsdrücke ~ 1 18 bar < 0,15 bar Besonderheiten Rektifikation des Dampfes notwendig Gefahr der Kristallisation Arbeitsstoffgemisch NH 3 /H 2 O Neuartiges Anlagenkonzept Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 6

7 Absorptionskältemaschine Trennsäule bei NH 3 /H 2 O Q C Abwärme Q h IHX h Kälteleistung Q 0 Q a Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 7

8 Ansatz für neues Konzept Resorptionskreislauf Arbeitsstoffpaar NH 3 /H 2 O Kältebereitstellung < 0 C Verzicht auf Trennsäule Standardkomponenten /Alpha Laval/ EnEff:Stadt-Kongress

9 Resorptionskältemaschine IHX c IHX h IHX h Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 9

10 kalter Absorber kalter Kreislauf heißer Kreislauf heißer Desorber Q k,a Abwärme Q h IHX c IHX h IHX h kalter Desorber Kälteleistung heißer Absorber Q h,a Q 0 Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 10

11 Absorptionsprozess p C 3* 1,0 r,h log p p 0 1/T 0 1/T a = 1/T C 1/T D* 1/T Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 11

12 Resorptionsprozess p C 3* p d,h 1,0 1,0 1, r,h log p p 0 r,k r,k r,h r,h p d,c /T 1/T 0 = 1/T d,c 0 d,c 1/T a,h 1/T 1/T = 1/T a = a,h 1/T a,c = = C 1/T a,cc 1/T d,h 1/T D* 1/T Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 12

13 Versuchsumgebung Wärmeabfuhr Wärmezufuhr Kälteleistung Durchflusssensor Temperatursensor Dreiwegeventil Kugelventil Strangregulierventil Pumpe Rückschlagventil Resorptionsanlage Eisspeicher system Druckhaltevorrichtung 30% Wasser- Glykol Gemisch Verbra ucher Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 13

14 Versuchsanlage Aufbaukonzept EnEff:Stadt-Kongress

15 Versuchsanlage Einsatzbereich Temperaturbereich (Abwärme) C Rückkühltemperatur 45 C Rückkühltemperatur 45 C Kühltemperatur C Kälteleistung 25 kw Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 15

16 Versuchsstand - Eisspeicher Eisspeicherverbund: Linearisierung der Be- und Entladekurven Gesamtspeicherkapazität: ~ 500 MJ Speicherleistung: 17,5 kw über 8 h Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 16

17 Kennfeld - Versuchstand Versuchsdurchführung Definition von 3 Lastfällen Eiserzeugung: Soletemperatur T 0 < 0 C Kühlung: 0 C < T 0 < 6 C Klimatisierung: 6 C < T 0 < 12 C Variation Kühlwassertemperatur C Variation Wärmequelle C -6 / 0 C Eiserzeugung Kühlwassertemperatur (T 3/ T 5) Variation Wärmequelle (T 1) Variation Wärmequelle (T 1) Variation Wärmequelle (T 1) 0 / 6 C 6 / 12 C Kühlung Klimatisierung Kühlwassertemperatur (T 3/ T 5) Kühlwassertemperatur (T 3/ T 5) Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 17

18 Ergebnisse Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse Folie 18

19 Ergebnisse - Eiserzeugung Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 19

20 Ergebnisse - Kühlung Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 20

21 Simulation Eisspeicher Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 21

22 Optimierungspotential Baugruppe kalte Pumpe: Kavitation am Pumpeneintritt durch NPSH-Unterschreitung unzureichende Kühlung der Pumpendichtung Kalter Desorbe r Phasentrenner Kalte Pumpe beschädigte Dichtung unbeschädigte Dichtung Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse Folie 22

23 Optimierungspotential Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 23

24 Projekt II. Phase Titel: RESOFIELD Partner: EDEKA Handelsgesellschaft Südwest mbh Resotec GmbH Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik Gefördert durch: Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 24

25 Projektinhalt Steigerung von Effizienz und Leistung Verbesserung des Stoff- und Wärmeübergangs durch günstige Phasenverteilung Überarbeitung von Regelstrategie und Regler Umsetzung des Konzepts und Erprobung zur Demonstration in einem Supermarkt Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 25

26 Demonstrationsphase Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 26

27 Zusammenfassung Entwicklung eines neuartigen KWKK-Konzepts basierend auf der Resorptionstechnik Kältebereitstellung unter 0 C Einsatz von Eisspeichern zur zeitlichen Entkopplung von Kältebedarf und Kältebereitstellung Beherrschbare Technik Optimierungspotential vorhanden Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse Technische Universität Dresden Bitzer Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik IHR LOGO Statusseminar Energieforschung für die Wärmewende Frankfurt, April 2016