co2-hochtemperaturwärmepumpen für die industrie (prof. dipl.-ing. eberhard wobst, thermea ag)
DESCRIPTION
Vortrag von Prof. Dipl.-Ing. Eberhard Wobst, Thermea AG, über CO2-Hochtemperaturwärmepumpen für die IndustrieTRANSCRIPT
BMU Fachtagung, Berlin, 08.12.20091
Hocheffiziente Kaltdampfanlagen mit halogenfreien Kältemitteln
CO2- Hochtemperatur-wärmepumpen für die IndustrieProf. Eberhard WobstDipl.-Ing. FH Steffen Oberländerthermea. Energiesysteme GmbH
Büro FertigungPoisentalstrasse 75 Jakobsdorfer Strasse 4 -6 01705 Freital 01458 Ottendorf-Okrilla www.thermea.de
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Potential Future Contributionsfrom Greenhouse Gases
0
1
2
3
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5
6
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
Clim
ate
For
cing
sin
ce 1
765
Wm
-2
N2O
CH4 HFCs
CFCs/HCFCs
CO2
� Gleichgewicht zwischen
> Sonneneinstrahlung> Energieumwandlung und – speicherung auf der Erde> Abstrahlung an das Universum
� Anthropogen verursachte Anreicherung der Atmosphäremit Kohlendioxid und anderen treibhausrelevanten Gasen
� Ein Umdenken hat begonnen …
� Regenerativen Energien, Energiespeicherverfahren undWärmepumpen gehört die Zukunft.
Zur Motivation der thermea.
bilanzieren
analysieren
handeln
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Quelle:Shell-Studie 2002
Exa
joul
e
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060
1500
1000
500
exa = 1018 1 Exajoule = 34,12 Mio t SKE
Energie aus fossilenBrennstoffen davon Erdöl
erneuerbareEnergien
Energie ausKernkraft
2025
2030
2060
Die Vorräte an fossilen
Energieträgern und
Uran sind endlich.
Entwicklung des
Weltenergiebedarfs
Zur Motivation der thermea.
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Rückführungan die Umwelt
Thermische Energie
Elektrische Energie
Speicher
Wär
mep
umpe
Kra
ftpro
zess
Antriebsenergie
UmweltenergieProzessabwärmeAbwasser
Schritt 1: CO2- Hochtemperaturwärmepumpen für die Industrie
*) Thermokompverfahren TKV: HT-Wärmepumpe, Speicher, Kraftprozess (EU-Patent Nr.: 1987299)
umweltfreundlich - effizient –standortunabhängig
Beitrag der thermea:Speichern und Rückgewinnung regenerativer Energie *)
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Kältemaschine - Wärmepumpe
� Grundsätzlich können die gleichen physikalischen Effekte genutzt werden.
�Die aktuellen Herausforderungen der Kältetechnik treffen
gleichermaßen auf die Wärmepumpen zu.
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Die Kälte- und Klimatechnik ist hinsichtlich
� Energiebedarf: 14 % ( DKV Statusbericht Nr. 20)
� Primärenergie: 5,8 % ( DKV Statusbericht Nr. 20)
� Emission von Treibhausgasen: 11 % (DKV Statusbericht Nr. 22)
eine bedeutender Faktor in Deutschland.
(Zahlenangaben bezogen auf die nationalen Gesamtwerte)
Kältetechnik - Umwelt
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DKV- Statusbericht Nr. 9:
Hauptverfahren: Kaltdampfmaschine,
andere Verfahren: Sonderanwendungen
Verringerung der Umweltbelastung:
� Umweltfreundliche Kältemittel /Arbeitsstoffe
� hohe Effizienz der Anlagen
Die Wärmepumpe muss zusätzlich an anderen Wärmeerzeugern
gemessen werden!
Leckagen
Verbesserungspotential
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Mit die KWK wird die Primärenergie gut genutzt, aber:
Das Verbrennen fossiler Energieträger ist nicht nachhaltig:� zu wertvoll� nachhaltige Erhöhung der CO2 Konzentration in der Atmosphäre � das Verbrennen fossiler Energieträger muss längerfristig beendet werden
Die mit regenerativer Energie angetriebene Wärmepumpe ist die bessere
Alternative:
ε
Wärmepumpe - KWK
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H2O
Fokus
thermea.- Wärmepumpen
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Effizienz des Kaltdampfprozesses
Wärmepumpe
Effizienzbewertung*)
Kältemaschine
Wärme-Kälte-Kopplung
P
Q=ε
HWP
&
PQ+Q
=εHL
WKK
&&
PQ
=εL
KM
&
Vorzugslösung:
Wärme-Kälte-Kopplung*) zusätzliche Kriterien werden z. Zt. vom FKT definiert
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Peter Ritter von Rittinger
The award is named for Peter Ritter von Rittinger,
an Austrian engineer who designed and installed
the first known heat pump, in 1855, for the salt
works in the village of Ebensee in Upper Austria.
Rittinger recognized that the use of heat pump technology could achieve energy savings of as much as 80% in comparison with direct firing of wood. The award celebrates the technical skills and entrepreneurial spirit of Rittinger that are shared by the awarded.
Nachdem Perkins 1834 die Kältemaschine zum Patent angemeldet
hatte, wendete Rittinger den Kaltdampfprozess bereits 1855 als
Wärmepumpe an.
Die Wurzeln der Wärmepumpe reichen weit zurück
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Beispiel: Freibad Freiyburg / Unstrut
Errichtet: 1979, Federführung ILKHeizleistung: ca. 180 kWAntriebsleistung: ca. 36 kWLeistungszahl: 5 … 6Wärmequelle: Solaranlage, Brunnen
Ziel: Verlängerung der Saison
Erste großtechnische Anlage mit Nutzung von Solarenergie des ILK
Wärmepumpen- KaltwassersatzMafa Halle
Zustand heute: desolat
1979: Eine Leistung Dresdner Ingenieure mit WeitblickRonald P. Vallort: „ Everything Old is New Again „
Die Wurzeln der Wärmepumpe reichen weit zurück
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thermea. Wärmepumpen
Da ein breites Angebot an Wärmepumpen kleiner Leistung existiert,
setzt thermea. auf den industriellen Bereich.
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Kohlendioxid als Arbeitsstoff
� in der Natur vorhandener Stoff, keine Restriktionen
� nicht brennbar, nicht toxisch (8%- Grenze beachten)
� bei Wärmepumpen ausschließlich transkritischer Prozess
� gute Leistungszahlen bei hohen Vorlauftemperaturen
� unschlagbar bei Aufheiz-, Vorwärm- und Trocknungsprozessen
� Vorteile beim Zusammenwirken mit einem CO2 Kraftprozess
thermea. Wärmepumpen
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SS
TT
Isobare
Isobare
thermea. Wärmepumpen
Kritischer Punkt
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S
Tεc TT
T=0M
M
-
333,15604080
333,156020100
TM /KtM /°Ct3 /°Ct2/°C
thermea. Wärmepumpen
Thermodynamische Mitteltemperatur TM
T2
T3
T1
T4 T0
! ε
T3
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Demo-Anlage HHR 20
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Aufbau� Radialkolbenverdichter� 2 Gaskühler (in Reihe)� Kältemittelsammler (Mitteldruck)� Rekuperator
Regelung:� Warmwasseraustrittstemperatur� Hochdruck� Überhitzung am Verdampferaustritt
thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter
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Aufbau:� als kompakte Versuchsanlage,
geeignet für Dauererprobung
Erprobung:� Funktionsnachweis� Regelungskonzept� Auslegungsroutinen
thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter
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Messpunkt 7:
tWE=10,4 °C
26,7 °C
91,2 °C
45,0 °C
tWA=7,2 °C
S
T
thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter
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thermea. CO2 Wärmepumpen mit Hubkolbenverdichter
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Auslegungspunkt:Temperatur Wärmequelle (Eintritt / Austritt): 32 °C / 22 °C
Temperatur Wärmesenke (Eintritt / Austritt): 30 °C / 80 °C
Verdampfungstemperatur: 20 °°°°C
Hochdruck: 116 bar
Heizleistung (Gaskühler + Ölkühler): 1041 kW
Antriebsleistung (Klemme) 301 kW
Leistungszahl (bez. auf Wellenleistung): 3,76
Geometrischer Verdichterförderstrom: 155 m3/h
Hauptbauteile:Verdichter: Schraubenverdichter
Verdampfer: Rohrbündelapparat (2 Stück)
Gaskühler: Rohrbündelapparat (2 Stück)
Reku: Rohrbündelapparat
Ölabscheider: Sonderanfertigung
Ölkühler: Koaxialapparat (2 Stück)
Einspritzventil: EEV
Arbeitsstoff: CO2
Öl: PAG 220
thermea. CO2 Wärmepumpe mit Schraubenverdichter
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thermea CO2 Wärmepumpe mit Schraubenverdichter
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Kostenvorteile der thermea. Hochtemperaturwärmepumpen
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Netto-Strompreis in €/MWh (inkl. Netznutzung, EEG/KWK-Zuschläge)
Vergleich thermea.HHS1000 - Feuerungsanlage mit Brennwertnutzung
Wärmepreis 80 €/MWh
Wärmepreis 70 €/MWh
Wärmepreis 60 €/MWh
Wärmepreis 50 €/MWh
Wärmepreis 40 €/MWh
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Ausblick: Links- und Rechtsprozess mit CO2
Wärmepumpenprozess Kraftprozess
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thermea. Energiesysteme GmbHBüro: Poisentalstraße 75, Fertigung: Jakobsdorfer Strasse 4 -6
01705 Freital 1458 Ottendorf-Okrilla
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Telefax: 03 51 - 640 15 15
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