Konzeptionierung energieeffizienter Anlagen mit Wärmepumpen Frigopol Infotage 19.-20.03.2009 Dr. Klaus Ramming Einen Schritt voraus.
Gliederung Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Konzeptionierung industrieller Wärmepumpenanlagen Zusammenfassung 2
3 Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Energie ist nicht gleich Energie Strom lässt sich in alle möglichen Energieformen umwandeln Wärme lässt sich nicht in alle möglichen Energieformen umwandeln Wärme lässt sich aber in Kraftwerken in Strom umwandeln Es gibt Energie mit unterschiedlicher Qualität (hochwertig und minderwertig) Hochwertige Energie heißt Exergie Minderwertige Energie heißt Anergie (Wärme bei Umgebungstemperatur) Energie = Exergie + Anergie 4
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Bewertung der Energiequalität mit Hilfe des Exergieanteils 100 90 80 70 60 50 40 30 Anergie Exergie 20 10 0 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 840 880 920 960 1000 Exergieantei in % Temperatur in C 5
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Heizwärmeversorgung: Ziel: Zimmertemperatur 22 C 100% -Ich muss heizen, weil Energie über die Wände an die Umwelt verloren geht -Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 92 % Anergie 100 % Anergie Verloren gegangene Exergie wurde in Anergie umgewandelt Bei jeder Energieumwandlung wird ein Teil Exergie in Anergie umgewandelt 20% 10% 0% 8 % Exergie Verlust von 8 % Exergie Hauswärme Umwelt Wir haben kein Energieproblem, sondern ein Exergieproblem 6
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Heizwärmeversorgung: Konventionelle Lösung 100% 90% 80% 21 % Anergie 70% 60% 50% 40% 30% 92 % Anergie Vergeutung von 71 % Exergie 79 % Exergie 20% 10% 0% 8 % Exergie Hauswärme (Nutzen) Öl- Gasheizung (Einsatz) 1000 C Flammentemperatur 7
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Heizwärmeversorgung: Wärmepumpenlösung 100% 90% 80% 70% 60% 50% 92 % Anergie 92 % Umweltwärme 75 % Umweltwärme 40% 30% 20% 10% 0% 8% Exergie 8 % Strom 25 % Strom Hauswärme 22 C Wärmepumpe theoretisch Wärmepumpe real 8
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Industriebeispiel: Kunde mit gleichzeitigem Wärme- und Kältebedarf 100% 90% 80% 70% z. B. aus -Kältemaschinenabwärme -Prozesskühlung -Klimakühlung 60% 50% 89 % Anergie 78 % Anergie 40% 30% 20% 10% 0% 9 11 % Exergie Abwärme 35 C z. B. für -Warmwassererzeugung -Prozesswärme -Heizung 22 % Exergie Nutzwärme 75 C
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Konventionelle Lösung bei gleichzeitigem Wärme- und Kältebedarf 10
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Alternative Lösung bei gleichzeitigem Wärme- und Kältebedarf 140% 120% 100% 80% 60% 40% 89 % Anergie 100 % Abwärme 125 % Nutzwärme 78 % Anergie 20% 0% 11 % Exergie Abwärme 35 C 25 % Strom 22 % Exergie Wärmepumpe Nutzwärme 75 C 11
Effiziente Wärmeversorgung mit Wärmepumpen Einfluss der Verdampfer- und Verflüssigungstemperatur auf den Stromverbrauch 12
13 Konzeptionierung industrieller Wärmepumpenanlagen
Konzeptionierung energieeffizienter Wärmepumpenanlagen Konventionelle Lösung 14
Konzeptionierung energieeffizienter Wärmepumpenanlagen Wärmepumpenlösung -Heizen mit Wärmepumpe -Kälteverbraucher als Wärmequelle -Erdwärmesonden als Wärmequelle -Erdwärmesonden als Wärmesenke 15
Konzeptionierung energieeffizienter Wärmepumpenanlagen Wärmepumpenlösung Einbindung der Pufferspeicher in Reihe im Vorlauf 16
Konzeptionierung energieeffizienter Wärmepumpenanlagen Wärmepumpenlösung Einbindung des Spitzenlastkessels in Reihe in den Pufferspeicher 17
Konzeptionierung energieeffizienter Wärmepumpenanlagen Wärmepumpenlösung Reihenschaltung von WP 18
Konzeptionierung energieeffizienter Wärmepumpenanlagen Wärmepumpenlösung Erdwärmesondenfeld als saisonaler Kältespeicher 19
Konzeptionierung energieeffizienter Wärmepumpenanlagen Wirtschaftlichkeitsbewertung Art konventionell Wärmepumpe + Geothermie Heizen mit Gas Kühlen aus Zentrale Heizen mit WP direkte Kühlung Heizen mit WP Kühlen aus Zentrale kwh/a 1.627.000 1.295.000 1.627.000 1.295.000 1.627.000 1.295.000 Investitionen Nur Wärmepumpe zusätzliche Investition für Wärmepumpenanlage WP-Anlage 360.000 WP-Anlage 360.000 Betonkerntemperierung 200.000 Betonkerntemperierung 200.000 Erdwärmesonden 561.000 Summe 1.121.000 Summe 560.000 Heizkessel - 35.000 Heizkessel - 35.000 stat. Heizfläche - 150.000 stat. Heizfläche - 150.000 Summe - 185.000 Summe - 185.000 Gaspreis (kwh) 0,048 Kältepreis 6/12 C (kwh) 0,100 0,100 Kältepreis 17/23 C (kwh) 0,050 Strompreis (kwh) 0,115 0,115 0,115 0,115 Wirkungsgrad/JAZ 90% 4,70 20,00 5,00 Bedarf (kwh/a) 1.807.778 1.295.000 346.170 64.750 325.400 1.295.000 Einsparung 17/23 C (kwh) - 1.295.000 Energiekosten 86.773 129.500 39.810 7.446 37.421 64.750 ges. Energiekosten 216.273 47.256 102.171 jährliche Kosteneinsparung bezüglich dem konventionellen Konzept Konzeptvergleich Konzeptvergleich Einsparungen Wirksame zusätzliche Investition Betrieb 936.000 169.018 114.102 Amortisation bezüglich dem konventionellen Konzept (in Jahren) 5,5 3,3 375.000 20
21 Zusammenfassung
Zusammenfassung -Energie = Exergie + Anergie -Eine Wärmepumpe führt idealer Weise lediglich die fehlende Exergie zu -Wärmepumpen eignen sich ideal zur Wärmerückgewinnung -Pufferspeicher in Reihe mit Rückschlagklappen sind energieeffizienter als parallel geschaltete Pufferspeicher und Schichtenspeicher -Spitzenlastkessel können im Pufferspeicher eingebunden werden -Reihenschaltung von Wärmepumpen sind bei größerer Spreizung einer Parallelschaltung vorzuziehen -Mit Geothermienutzung steht ein großer Kältespeicher zur saisonalen Wärmespeicherung zur Verfügung 22
23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit