In der Ausgabe 9/2005 der KK wurde unter dem Titel Erdwärmerohr mit CO2 als Transportfluid“ über erste Entwicklungsergebnisse der Firma Kaeltro, Berlin, zu umweltgerechten Erdwärmesonden mit dem nicht das Grundwasser gefährdenden natürlichen Stoff Kohlendioxid berichtet.
Verwaltungsvorschrift als Initialzündung
Bereits vorher, vor nunmehr 15 Jahren, war in der Bundesrepublik Deutschland eine neue Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Wasserhaushaltsgesetz über die Einstufung wassergefährdender Stoffe in Wassergefährdungsklassen“ (VwVwS) vom 17. Mai 1999 erlassen worden, die besonders die Stadt Berlin als Wasserschutzgebiet betraf [1].
Dadurch wurden die bisher üblichen Transportflüssigkeiten für Solesonden von Erdwärmepumpen, beispielsweise Äthylenglykol-Wasser-Mischungen, als schwach Grundwasser gefährdend“ in die Wassergefährdungsklasse 1 eingestuft. Diese durften in Wasserschutzgebieten grundsätzlich nicht mehr genehmigt werden und erforderten seitdem in den übrigen Gebieten eine Ge-nehmigung der Unteren Wasserbehörde.
Auf Initiative des Forschungszentrumsfür Kältetechnik und Wärmepumpen (FKW) in Hannover hatte zunächst die FKW-Tochterfirma FKU, Berlin-Adlershof, in einer Machbarkeitsstudie im Auftrag des BMWi bei der Niederlassung der Geothermie Neubrandenburg in Wildau bei Berlin positive Ergebnisse mit einer CO2-Erdwärmesonde erzielt. Auf dieser Basis förderte die Deutsche Bundesstiftung Umwelt“ (DBU) eine Weiterentwicklung durch das FKW und den Berliner Kälteanlagenbauer Kaeltro.
Beim FKW bestehen langjährige Erfahrungen mit der durch das Montreal- und das Kyoto-Protokoll geforderten Substitution von Kältemitteln, welche die Erdatmosphäre durch Ozonzerstörung und Treibhauseffekt beeinflussen. Bereits 1998 wurde CO2 als ein nicht das Grundwasser gefährdender Stoff in Erdwärmesonden zum deutschen Patent DE 198 60 328 B4 angemeldet, das 2008 erteilt wurde.
Erstes Erdwärmepumpen-Versuchsfeld
Nach den positiven Versuchsergebnissen im Versuchsfeld bei Kaeltro setzte das FKW unter weiterer Förderung durch das BMWi die Entwicklung seiner ebenfalls patentierten Edelstahl-Wellrohre (Patent DE 103 27 602 B4) als CO2-Erdwärmerohre fort, gemeinsam mit deren Herstellerfirma Brugg aus Wunstorf bei Hannover.
Hierzu erstellte das FKW ein Erdwärmepumpen-Versuchsfeld neben seinem Betriebsgebäude. Es beinhaltete zwei 100 m tiefe CO2-Erdwärmesonden und (in der Mitte dazwischen) eine herkömmliche Solesonde (siehe Lageplan). Dabei wurde das im Bild untere CO2-Erdwärmerohr direkt in die Erde einzementiert, die obere gleiche Forschungssonde in ein ebenfalls in die Erde einzementiertes, jedoch größeres und mit Wasser gefülltes Edelstahl-Wellrohr eingebracht, um einen versuchsweisen Ein- und Ausbau dieses CO2-Erdwärmerohres zu ermöglichen.
Die Bilder 1 bis 4 zeigen das Anbohren für das im Lageplan unten befindliche CO2-Erdwärmerohr, den Wärmepumpenraum mit der Solewärmepumpe im Hintergrund und der zum CO2-Erdwärmerohr gehörenden Wärmepumpe (links) im Vordergrund. Bei beiden handelt es sich um den gleichen Typ. Die Soleleitungen (oben links) wurden durch Kältemittelleitungen ersetzt und führen zum und vom Verdampferkopf des Erdwärmerohres. Der bisherige, zum Betrieb der Wärmepumpe als Verdampfer vorgesehene Solekühler (rot) wurde stillgelegt und durch einen für die CO2-Verflüssigung geeignetenPlattenwärmeübertrager als Sondenkopf ineinen Schacht eingebaut, zusammen mit dem inneren Wärmeübertrager, dem Schauglas und dem Thermoventil (grün).
Mit dieser Versuchseinrichtung wurden umfangreiche Vergleichsmessungen zur Solesonde durchgeführt, die eine verbesserte Energieeffizienz gegenüber der Sole-Wärmepumpe von 15 bis 20 Prozent bestätigten. Dies war auf theoretischem Wege bereits durch das schweizerische Bundesamt für Energie (BFE) vorhergesagt worden [2].
Erste NWF-Konferenz (Natural Working Fluids)
Im Mai 1994 fand in Hannover unter Federführung des damaligen Präsidenten Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Horst Kruse der IIR-Kommission B2 Refrigerating Machinery“ des International Institute of Refrigeration“, die erste IIR-Konferenz über natürliche Arbeitsstoffe in der Kälte- und Klimatechnik statt: New Applications of Natural Working Fluids in Refrigeration and Airconditioning“.
Dies war der Beginn einer Reihe von bisher zehn weiteren Konferenzen im Zweijahresturnus, zuletzt 2014 im chinesischen Hangzhou. Sie wurden später in Gustav-Lorentzen-Konferenzen“ umbenannt, nach dem Wiederentdecker des natürlichen Kältemittels CO2.
CO2-Forschungsprojekte
Aufgrund der Ergebnisse der ersten Konferenz 1994 in Hannover hat das FKW in der Folge intensive F & E-Arbeiten durchgeführt, vorwiegend mit CO2 als natürlichem Kältemittel.
Am Anfang standen drei CO2-Forschungsprojekte der Europäischen Union: RACE, COHEPS I und COHEPS II. Im RACE-Projekt CO2-Klimaanlagen für Automobile“ hatte das FKW einen Unterauftrag der dänischen Firma Danfoss, Nordborg, über die Mitarbeit an der Entwicklung des ersten CO2-Verdichters für Automobil-Klimaanlagen erhalten. Diese Entwicklung wurde gemeinsam mit den Automobilherstellern BMW, Daimler-Benz, Volkswagen und Volvo sowie mit einigen weiteren Komponentenherstellern durchgeführt.
Die beiden weiteren Projekte COHEPS I und II zur Entwicklung von CO2-Wärmepumpen wurden durch das FKW koordiniert. Das erste Projekt COHEPS I wurde auf Anregung der Oberösterreichischen Kraftwerke in Linz installiert. Weitere Teilnehmer an beiden Projekten waren die Danfoss A/S aus dem dänischen Nordborg mit der Entwicklung eines aus dem RACE-Verdichter entwickelten semihermetischen Verdichters für Wärmepumpen, die Firma Siemens aus Erlangen mit der Entwicklung einer Luft/ bzw. Sole/Wasser-Wärmepumpe und die Universitäten Hannover, Essen, Trondheim und Graz mit Teilprojekten zu CO2-Wärmepumpen.
Weitere Entwicklungsprojekte
Das FKW hat danach auch weiterhin im Rahmen von nationalen und internationalen F & E-Aufträgen an der Entwicklung von CO2-Wärmepumpen teilgenommen. Gleiches gilt für die Entwicklung von industriell nutzbaren CO2-Verdichtern in Deutschland und Italien und von CO2-Supermarkt-Anlagen für unter anderem Arneg in Italien und Carrier in den USA. Nach der späteren Übernahme des seinerzeit größten deutschen Herstellers von Supermarktanlagen, Linde, durch den bedeutenden Klimaanlagenhersteller Carrier aus den USA, gewannen CO2-Supermarktkälteanlagen in Deutschland und Europa beachtliche Marktanteile. Mit beiden Unternehmen kooperierte das FKW seinerzeit.
CO2 ausgebremst
Während das RACE-Projekt zur Entwicklung von CO2-Automobil-Klimaanlagen bis nahezu zur Serienreife führte, gab es in Deutschland keine weiteren industriellen Entwicklungen von CO2-Wärmepumpen auf der Basis der beiden COHEPS-Projekte. Ein namhafter deutscher Wärmepumpenhersteller bevorzugte stattdessen als natürliches Kältemittel den brennbaren Stoff Propan. Aus Gründen der Produktmithaftung von Komponentenherstellern wurde anschließend für den Einsatz in Propan-Wärmepumpen die Freigabe der Kompressoren durch deren nationale und internationale Hersteller verweigert.
Deshalb wurden seitdem in Deutschland Gebäude-Wärmepumpen für synthetische HFKW-Kältemittel wie R 134 a, R 407 C oder aktuell auch R 410 A hergestellt. Eine Ausnahme bildeten größere Industriewärmepumpen auf der Basis von CO2-Verdichtern für Supermarktanlagen.
Japan als Vorreiter
In Japan wurde die Anwendung von CO2 als natürliches Kältemittel im Wärmepumpenbereich durch die Tokyo ElectricPower Company TEPCO initiiert. Das Unternehmen beauftragte ab 2001 eine Reihe von japanischen Klimageräteherstellern mit der Entwicklung und Vermarktung von CO2-Luft/Wasser-Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung und Fußbodenheizung. Im Zeitraum von 2001 bis 2011 wurden gemäß einer IEA-Veröffentlichung über 3 Mio. dieser sogenannten EcoCute–Luft/Wasser-Wärmepumpen auf dem Weltmarkt abgesetzt [3].
Für die Entwicklung der EcoCute-Wärmepumpe kamen, auf der Basis von offenen CO2-Kompressoren für die Automobil-Klimatisierung, spezielle hermetische Verdichter verschiedener Bauarten nach dem Scroll-, Rotary- und Swing-Prinzip in ein- oder zweistufiger Arbeitsweise zum Einsatz.
2008, als in Hannover bei einer Tagung des dortigen IZW-Informationszentrums für Wärmepumpen und Kältetechnik u. a.ein Vortrag des Heat Pump Technology Center of Japan HPTC über die EcoCute-Wärmepumpe gehalten wurde, gab es bereits mehr als 500 000 verkaufte EcoCute-Wärmepumpen. Seinerzeit wurde für 2010 noch eine Stückzahl von 5,2 Mio. EcoCute-Wärmepumpen erwartet. Allerdings ist danach der Markt von strombetriebenen Geräten in Japan durch das Reaktorunglück in Fukushima stark eingebrochen und erholt sich erst aktuell wieder.
Energieeffizienz-Messungen
Bei der IZW-Tagung 2008 in Hannover berichtete das FKW über eigene Energieeffizienz-Messungen (Tabelle 1) an der Denso-EcoCute-Wärmepumpe, ausgerüstet mit einem Scroll-Verdichter-Prototyp.
Bei den durch das FKW gemessenen Leistungszahlen sind die für den Gebäudebestand und die Brauchwasserbereitung günstigen hohen Heizwasser-Vorlauftemperaturen sowie die für den Temperaturgleit des Gaskühlers erforderlichen niedrigen Rücklauf- bzw. Frischwassertemperaturen zu berücksichtigen. Gleiches gilt dafür, dass es sich bei der EcoCute–Wärmepumpe grundsätzlich um eine Luft/Wasser-Wärmepumpe handelt, die aufgrund der Wärmequelle Luft gerade in der Heizsaison nur mäßige Heizleistungszahlen erreicht. Besonders im Norden Japans, beispielsweise auf der Insel Hokkaido, ist wegen der dort allgemein tieferen Temperaturen die Luft als Wärmequelle äußerst ungünstig. Es lässt sich weniger Leistung aus der Luft entziehen, wodurch die Effizienz der Wärmepumpe abnimmt, also deren Wärmeleistungszahl sinkt.
Kürzlich wurde deshalb von Mitsubishi Heavy Industries ein zweistufiger Rollkolben-Scroll-Verdichter mit höherer Energieeffizienz für die EcoCute-Luft/Wasser-Wärmepumpe vorgestellt, vorgesehen für den Einsatz in kalten Klimaregionen [4].
Intensiverer CO2-Einsatz in Deutschland wäre sinnvoll
Eine breitere Anwendung des natürlichen Kältemittels CO2 wäre auch für Gebäude-Wärmepumpen in Deutschland sinnvoll, denn es ist ein großer Altbaubestand vorhanden. Mit CO2 und einer Optimierung der Wärmeübertragung ließen sich die vielfach notwendigen höheren Heizungsvorlauftemperaturen mit ihren größeren Spreizungen ebenso abdecken wie die Brauchwasserbereitung mit Vermeidung der Legionellenbildung.
CO2-Erdwärmerohre für größere Leistungen im 100 m tiefen Sondenfeld
Im Rahmen eines derzeit am FKW laufenden F & E-Vorhabens des BMWi zur Entwicklung von CO2-Erdwärmesonden größerer Leistungen durch parallel geschaltete CO2-Erdwärmerohre in Form eines Sondenfeldes wurde die bestehende Versuchsanlage umgebaut. Mit ihr lässt sich nun ein Sondenfeld aus den beiden vorhandenen Sonden betreiben. Hierzu wurde der bisherige Plattenwärmeübertrager aus dem Schacht in eine Kabine an der FKW-Gebäudewand mittig zwischen den beiden CO2-Erdwärmerohren verlegt (Bild 5 und 6).
Dabei wurde der Versuchsaufbau (Bild 7) der Transportrohre zwischen dem Plattenwärmeübertrager und dem Erdwärmerohr mit Gefälle für die herablaufende CO2-Flüssigkeit bzw. Steigung für den CO2-Dampf gestaltet. Als Wärmetransportrohre wurden den Erdwärmerohren ähnliche Wellrohre (Gebrauchsmusternummer DE 202 014 103 680.6) verwendet, um eine Systemkompatibilität zu erzielen. Dafür wurde ein treppenartiger Strömungskanal in Kauf genommen, weil sich durch die konkaven Treppenstufen außer einer größeren CO2-Füllmenge keine weiteren Nachteile für die Thermosyphonströmung ergeben, wie eine japanische Veröffentlichung ergeben hat [5].
Zunächst wurde die Machbarkeit des selbsttätigen CO2-Transports von und zu den Sonden als Flüssigkeit und Dampf vom und zum Wärmeübertrager untersucht. Dies hat man durch eine entsprechende Verlegung der Transportrohre vom Schacht zum Wärmeübertrager (Bild 6) umgesetzt. Um die Abkühlkurven (Bild 8 und 9) ermitteln zu können, wurden am Rohr Temperaturmessungen in verschiedenen Tiefen vorgenommen.
Konkret wurden zur Beurteilung der gleichmäßigen Verteilung des verflüssigten CO2 die Oberflächentemperaturen an der Außenwand der beiden Sonden nach dem Anfahren der Wärmepumpe aufgezeichnet. Bei dem direkt im Erdreich einzementierten CO2-Erdwärmerohr EWR 1 erfolgte dies bei Tiefen von 2,5 m, 5 m, 7,5 m, 10 m, 50 m, 75 m, 85 m und 90 m, bei der Forschungssonde EWR 2 in einer Tiefe von 25 m.
Dass sich an der Sonde EWR 2 nur ein Temperaturaufnehmer befindet, ist der Beschaffenheit als Versuchssonde geschuldet. Denn die Eigenkonvektion des umgebenden Wassers würde bei gleicher Anzahl an Temperaturaufnehmern wie bei der Sonde EWR 1 die Temperaturverläufe verfälschen.
Versuch mit zwei EcoCute-Wärmepumpen
Nachdem beide Sonden im Einzelbetrieb ähnliche Verlaufskurven erbrachten, ergab sich die Überlegung – entsprechend der erforderlichen Entzugsleistung der beiden Sonden im Sondenfeld – industriell gefertigte, marktgängige CO2-Wärmepumpen zu verwenden. Gedacht wurde an eine CO2-Wärmepumpe (Bild 10) ähnlich der EcoCute mit einer Leistung von ca. 10 kW für den Wärmeentzug aus einem Sondenfeld mit zwei parallelen, je 100 m langen CO2-Erdwärmerohren.
Dank einer Spende aus der Industrie zur Förderung der Grundlagenforschung wurden dem gemeinnützigen Verein In-stitut für Kältetechnik und Wärmepumpen e. V.“ je eine 4,5 kW- und 9 kW-EcoCute-Wärmepumpe zur Verfügung gestellt. Diese Wärmepumpen sind zwar als Luft/Wasser-Wärmepumpen entwickelt worden, sie können aber statt des Wärmeentzugs aus der Umgebungsluft durch einen kleinen Umbau auch für den Wärmeentzug aus der Erde durch einen zusätzlichen Wärmeübertrager als CO2-Erdwärmerohrkopf betrieben werden.
Nach dem Umbau des Wärmeübertragers mit Hosenrohr ergaben sich entlang der Erdwärmerohre EWR 1 und EWR 2 im Parallelbetrieb veränderte Temperaturverlaufskurven (Bild 11 und 12). Erste Messungen ergaben dabei qualitativ sehr ähnliche Abkühlkurven der Erdwärmerohre, ob als Einzelrohr oder parallel geschaltet. Hierbei ist zu beachten, dass anders als beim Einzelbetrieb der Sonden mit einem 5-kW-Verdichter und einem 5-kW-Plattenwärmeübertrager, die Versuchsanlage zum Parallelbetrieb mit zwei Sonden betrieben wurde. Dazu wurde nach dem Umbau eine EcoCute-Wärmepumpe mit 9 kW und ein entsprechend anderer Plattenwärmeübertrager mit Hosenrohr in der Kabine genutzt.
Die Nutzung eines Sondenfeldes mit mehreren CO2-Sonden wird aufgrund der ähnlichen Temperaturverläufe im Einzel- und Parallelbetrieb als machbar angesehen, was in weiteren Untersuchungen bestätigt werden soll.
CO2-Erdwärmerohre für größere Leistungen im 400 m tiefen Sondenfeld
Zum Erzielen noch höherer Leistungen sollen in einem zweiten Teil des Forschungsvorhabens vergleichende Untersuchungen von zwei mitteltiefen“ Einzelsonden aus je einem Edelstahl-Wellrohr und einem Schwarzstahl- Glattrohr vorgenommen werden. Beim entsprechenden Projekt will man Sondenlängenvon jeweils ca. 400 m am Standort Nienburg/Weser umsetzen, auch unter dem Einsatz neuer Einbringungstechniken. Vorrangig soll das Verhalten des CO2 beim Einsatz in solchen Tiefen und bei bisher nicht genutzten Rohrqualitäten und Rohrdimensionen untersucht werden. Die Anlagen werden in der Heizsaison 2014/2015 in den Betrieb gehen.
CO2-Erdwärmerohr zum Wärmeentzug aus Bergwerk-Wasser
Ein weiteres vom BWMi (Bundeswirtschaftsministerium) gefördertes Projekt zur Nutzung höherer Leistung ist am Standort Siegen zur Umsetzung vorgesehen, wo man einen Bergwerksschacht nutzen will. Dieser ist zum Teil mit Schachtwasser gefüllt, dessen geothermische Wärme mithilfe einer Spiralsonde unter Anwendung von CO2 genutzt werden soll. Dieses Vorhaben wird am FKW mit Modelluntersuchungen des Spiralrohres beginnen.
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Kruse,
Geschäftsführer des Forschungszentrums für Kältetechnik und Wärmepumpen (FKW), Hannover
Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Glawon,
General Manager des Forschungszentrums für Kältetechnik und Wärmepumpen (FKW), Hannover
Fußnoten
Literatur:
[1] Bundesanzeiger vom 29. Mai 1999. Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Wasserhaushaltsgesetz über die Einstufung wassergefährdender Stoffe in Wassergefährdungsklassen; (VwVwS vom 17. Mai 1999)
[2] Peterlunger, A., Ehrbar, M. et al.: Pumpenlose Erdwärmesonde Phase 1: Potentialabklärung, Machbarkeitsstudie energetisch und wirtschaftlich. DIS-Projekt Nr. 100.237, Bundesamt für Energie, Schweiz
[3] Can EcoCute market switch to recovery mode?”, IEA Heat Pump Centre Newsletter Vol. 31 – No. 1/2013, S. 10
[4] Tobayashi, T. , Yoshiyui, K.: R 744 two stage compressor for commercial heat pump water heater“, IEA Heat Pump Centre Newsletter Vol. 31 – No. 4/2013, S. 27
[5] Hirashima, M., Nisshikawa, Y., Taguchi, M., Negishi, K., Kaneko, K., Matsuoka, T.: Characteristics of Long Size Thermosyphons Made of Corrugated Tube“
