Adsorptionswärmepumpen Nachfolger der Brennwertkessel?

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1 Adsorptionswärmepumpen Nachfolger der Brennwertkessel? Dr.-Ing. Franz Lanzerath 10. Energieberatertag Kaiserslautern,

2 Wirkungsgrade einer Adsorptionswärmepumpe Herstellerangaben / Produktprospekte Vaillant zeotherm Normnutzungsgrad H s 126 % Viessmann Vitosorp Normnutzungsgrad H s 125 % Vergleich: Brennwertkessel: < 100 % über 25 % Wirkungsgradsteigerung Vaillant Viessmann 2 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

3 Heizwertkessel / Brennwertkessel Umsetzung Brennstoff in Wärme zugeführte Energie: m H s Heizwertkessel: ohne Kondensation des Wassers Brennwertkessel: mit Kondensation des Wassers Maximaler Wirkungsgrad: Heizwertkessel: η HW = H i H s = 0,9 Brennwertkessel: η BW = H s H s = 1 Benutzer:Kino 3 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

4 Aufbau einer Gas-Adsorptions-Wärmepumpe Brennwertkessel + Adsorptionseinheit η Ads = H s+ Q Um H s = 1 + Q Um H s > 1 Einkopplung von Umgebungswärme Wirkungsgrade > 100 % möglich Vaillant Viessmann 4 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

5 Effizienz von Heizungsanlagen 140 Gesamtnutzungsgrad HS für Heizung und Warmwasser (%) solare Warmwasserbereitung 10% Adsorptionswärmepumpen können Umgebungswärme besser nutzen 5 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

6 Nutzbare solare Wärme in Heizsystemen Warmwasserbereitung direkte Nutzung in Heizsystem Adsorptions-Wärmepumpen C Nutzung von Wärme mit T Umg < T Heiz nur mit Wärmepumpen 6 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

7 Energiebilanz einer Wärmepumpe Q Umg Wärmepumpe Q Heiz Antriebsenergie E Antrieb Q Heiz = Q Umg + E Antrieb es kann nicht beliebig viel Umgebungswärme zugesetzt werden Carnot-Wirkungsgrad: ε WP = Q Heiz E Antrieb < T Heiz T Heiz T Umg = η C,WP 7 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

8 elektrische vs. thermische Wärmepumpe Energiebilanz max. Wirkungsgrad elektrisch Q Heiz = Q Umg + E Antrieb ε WP = Q Heiz E Antrieb < T Heiz T Heiz T Umg = η C,WP thermisch Q Heiz = Q Umg + Q Antrieb ε AWP = Q Heiz Q Antrieb < η C,WP η C,WKM Beispiel: 0 C, 40 C, 100 C Wärme enthält weniger Exergie als Strom η C,WP = 7,83 η C,WKM = 0,27 η C,AWP = 2,1 E Q Antrieb η C,WKM = 1 = Q Antrieb η C,WKM T Umg T Antrieb < 1 8 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

9 Adsorptionswärmepumpen Adsorptionsprozess Stoffpaarungen Funktionsprinzip Technisch Umsetzung Isosteren-Diagramm Zykluszeit Temperatur-Einfluss Wärmequellen Potenziale Vaillant Vaillant 9 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

10 Adsorptionsprozess Bindung von Gas oder Flüssigkeit an Oberfläche Feststoff exothermer und reversibler Prozess LTT 10 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

11 Stoffpaarungen LTT LTT Ravedave Adsorbent: Zeolith Silicagel Aktivkohle Adsorbat: Wasser Wasser Ammoniak Methanol ungiftig nicht entzündlich GWP = 0 ODP = 0 11 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

12 Funktionsprinzip Adsorptionswärmepumpe Desorption Adsorptionsmittel Adsorption Q Des Q Ads Antriebswärme Adsorptionswärme Austreiben des Wassers Aufnahme des Wassers Q Kond Q Verd Kondensationswärme Wasser Verdampfungswärme zyklischer Prozess 12 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

13 Technische Umsetzung Prototyp einer Adsorptionswärmepumpe am LTT Kondensator Q Kond Q Des Adsorber Q Ads Q Verd Verdampfer LTT 13 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

14 Zykluszeit Wirkungsgrad steigt mit zunehmender Zykluszeit Leistung hat Maximum bei niedriger Zykluszeit Zykluszeit ist bedarfsorientiert zu regeln 14 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

15 Adsorptionsprozess im Isosteren-Diagramm x x T des T evap T cond 15 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

16 Temperaturabhängigkeit Prozessbegünstigende Temperaturen: 90 C 35 C Umgebungstemperatur Heiztemperatur Antriebstemperatur x Δx Δx x T des x T des 10 C T evap T cond 16 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

17 Antriebswärme Gasbrenner + hohe Temperatur + Verfügbarkeit - CO2-Emission - Brennstoffkosten G. Shuklin Solarkollektoren + keine CO2-Emission + keine Brennstoffkosten - niedrige Temperatur (max. 100 C) - Verfügbarkeit W. Pilsak Weitere: Fernwärme, Abwärme Mini-BHKW, 17 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

18 Heiztemperatur Fußbodenheizung Vorlauftemperatur so niedrig wie möglich H. Raab Warmwasserbereitung mit Adsorptionswärmepumpen ineffizient ähnlich zu elektrischen Wärmepumpen Warmwasserbereitung besser mittels Alternativen Gasbrenner Solar turydddu 18 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

19 Niedertemperatur-Quelle Umgebungsluft - große Temperaturschwankungen - niedrige Temperatur im Winter + kostengünstig I. Sagdejev Solarkollektoren + keine CO2-Emission + keine Brennstoffkosten + Temperatur höher als Umgebung - Verfügbarkeit W. Pilsak PBaeumchen Erdboden / Grundwasser + recht konstante Temperatur - hohe Investitionskosten 19 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

20 weitere Anwendungen Solare Kühlung Sonneneinstrahlung und Kühlbedarf CO2-freie Klimatisierung Entlastung der Stromnetze LTT Offene Adsorptionssysteme Luftentfeuchtung Adsorptionstrocknung Wassergewinnung Thermische Speicher hohe Kapazität LTT Wärme- und Kältespeicherung 20 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

21 Potenziale neue Adsorbentien SAPO-34: Beladungsbreite max. 35% Metal-Organic-Frameworks: Beladungsbreite > 100 % kompaktere Anlagen effizientere Adsorptionszyklen PNNL mehr-modulare Adsorptionsanlagen interne Wärmerückgewinnung möglich höhere Wirkungsgrade Wärmeübertrager-Design Beschichtungen vs. Pellets Faser-Strukturen, höhere Leistungsdichten LTT 21 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

22 Adsorptionswärmepumpen - Nachfolger der Brennwertkessel? ja aus technologischer Sicht, aber viele Unwägbarkeiten: Strom- und Gaspreisentwicklung Verschiebung zwischen Strom und Wärmemarkt Politische Rahmenbedingungen Förderungen, Skaleneffekte geringere Herstellungskosten Klimatisierungsbedarf LTT Nutzung der Adsorptionswärmepumpe als Kälteanlage Alternative Technologien mechanische Wärmepumpe + Photovoltaik ja! 22 Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH