Die thermea Energiesysteme GmbH hat seit 2011 CO2-Hochtemperaturwärmepumpen für die Prozess- und Versorgungstechnik für zahlreiche Projekte geliefert und dabei interessante Erkenntnisse für potenzielle Anwender gesammelt. Wenn auch die Stückzahl von Wärmepumpen in diesem Bereich in absehbarer Zeit nicht die der kleinen Heiz- und Warmwasserwärmepumpen erreichen kann, ist das Potenzial des volkswirtschaftlichen Nutzens durch Einsparungen an fossilen Energieträgern sowie der Vermeidung von umweltrelevanten Emissionen aufgrund der Leistungsgröße mindestens vergleichbar. Es ist eine Technologie der Zukunft.
Besondere Anforderungen an Wärmepumpen großer Leistung
Aus Tabelle 1 sind Unterschiede in den Anforderungen an Heizwärmepumpen kleiner Leistung und Wärmepumpen großer Leistung für Anwendungen in der Prozess- und Versorgungstechnik ersichtlich.
Eine der wichtigsten Anforderungen sind hohe Vorlauftemperaturen. Werden die Vorlauftemperaturen bei kleinen Heizwärmepumpen für Niedertemperaturheizungen ausgelegt, steigen die Einsatzmöglichkeiten in der Prozess- und Versorgungstechnik dagegen mit der Vorlauftemperatur. An der Leistungszahl (COPWP, C) soll es möglichst keine Abstriche geben. Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Carnot-Leistungszahl von der Temperaturdifferenz zwischen der warmen (TH) und kalten Seite (TL
Um hohe Vorlauftemperaturen und hohe Leistungszahlen erreichen zu können, müssen entsprechend hochtemperierte Wärmequellen genutzt werden. Eine Faustregel für die bisher eingesetzten Kältemittel besagt, dass die Differenz zwischen hohem und niedrigem Temperaturniveau auf der Kältemittelseite der Maschine für eine Leistungszahl COPWP > 3 nicht größer als 50 K … 60 K sein sollte. Für 90 °C Vorlauftemperatur muss demnach eine Quellentemperatur von 35 °C oder besser 45 °C verfügbar sein. Solche Wärmequellen für große Leistungen existieren vielfach, doch das weitaus größte Nutzungspotenzial bieten niedrig temperierte Wärmequellen mit Temperaturniveaus unter 35 °C. Rund 75 Prozent aller industriellen Abwärme fällt mit Temperaturen < 35 °C an oder wird direkt in Form von Kälteträgern benötigt. Um dieses Potenzial unter Berücksichtigung der Forderungen nach hohen Prozesstemperaturen und guten Leistungszahlen erschließen zu können, bietet sich die Nutzung sogenannter transkritischer Kreisprozesse, wie sie mit dem Arbeitsstoff CO2 möglich sind, an.
Warum Kohlenstoffdioxid als Kältemittel für Hochtemperaturwärmepumpen?
Aus bekannten Gründen finden gegenwärtig in der Kälte- und Wärmepumpentechnik einschneidende Veränderungen beim Kältemitteleinsatz statt. Deshalb gewinnen natürliche Stoffe (Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Kohlenwasserstoffe und Wasser) an Bedeutung. Sie sind umweltverträglich und vor allem mit Sicherheit nicht von den Auswirkungen der ab 2015 geltenden novellierten F-Gase-Verordnung betroffen.
Für Hochtemperaturwärmepumpen bietet Kohlenstoffdioxid (CO2) bei geeigneten Einsatzbedingungen neben den in Tabelle 2aufgezählten weitere thermodynamische Vorteile. Dies ist auf die niedrige kritische Temperatur des CO2 von 31,1 °C zurückzuführen. Bild 1 zeigt im Temperatur-Entropie-Diagramm den Unterschied zwischen unter- und transkritischem Prozessverlauf. Beim Einsatz von synthetischen Kältemitteln, wie zum Beispiel R 134 a, R 407 C oder R 410 A, erfolgt die Wärmeabgabe an das Heißwasser unterkritisch (linkes Diagramm) bei konstanter Temperatur und einem Phasenwechsel des Kältemittels im Verflüssiger. Enthitzung und Unterkühlung des Kältemittels spielen in der Energiebilanz eine untergeordnete Rolle. Im transkritischen Fall (rechtes Diagramm) erfolgt die Wärmeabgabe mit einer Temperaturänderung des Kältemittels ohne Phasenwechsel.
Für den COPWP ergeben sich für den transkritischen Prozess höhere Werte, denn bei der Berechnung nach Gleichung (1) wird anstelle Temperatur TH die niedrigere thermodynamische Mitteltemperatur (TM
Dieser Vorteil wirkt sich umso stärker aus, je niedriger die Rücklauftemperatur vom Wärmeverbraucher ist, denn davon hängt ab, auf welche Temperatur das CO2 gekühlt werden kann. Das folgende theoretische Beispiel zeigt die Auswirkung:
unterkritischer Fall TL = 293 K, TH = 353 K => COPWP, C = 5,9
transkritischer Fall TL = 293 K, TM = 328 K*) => COPWP, C = 9,4
Im transkritischen Fall wird das Kältemittel von 80 °C auf 30 °C gekühlt. Das ergibt näherungsweise linear gemittelt tM = 55 °C.
Die Vorteilhaftigkeit niedriger Rücklauftemperaturen ist auch Bild 2 ersichtlich, in der der COP als Funktion der Rücklauftemperatur aufgetragen ist.
Wegen dieses Effekts und dem geringen Druckverhältnis sind die einstufigen CO2-Wärmepumpen bei hohen Vorlauftemperaturen im Vorteil gegenüber denen mit unterkritischer Prozessführung. In der Praxisführt die transkritische Prozessführung dazu,dass die gesamte Leistung einer CO2-Wärmepumpe in einem technisch einfachen System auf Hochtemperaturniveau zur Verfügung gestellt werden kann. Die notwendigenWärmequellen- oder Kälteträgertemperaturen bewegen sich dabei am Verdampfereintritt im niedrigen Temperaturniveau zwischen 35 °C und 5 °C. Die transkritische Prozessführung bietet damit gute Möglichkeiten, Niedertemperatur-Energiepotenziale zu erschließen und hochtemperierte Heiz- und Prozesswärme zurückzugewinnen.
Ausführung der Wärmepumpen
Die Wärmepumpenbaureihe thermco2 besteht aus zehn Grundtypen und deckt einen Leistungsbereich von 45 kW bis über 1 100 kW ab. Die einzelnen Typen können bei Bedarf individuell an konkrete Projekte angepasst werden. Ihr Aufbau gleicht dem von Flüssigkeitskühlern dieser Leistungsklasse (Bild 3). Es sind kompakte, werkseitig komplettierte Units. Vor Ort müssen lediglich Wärmequelle, Wärmeverbraucher und Elektroenergie angeschlossen werden. Zur Inbetriebnahme gehört wie bei anderen Wärmepumpen/Kältemaschinen großer Leistung auch die Füllung mit Kältemittel. Eingesetzt werden u. a. Kolbenverdichter, Rohrbündelwärmeübertrager, in zunehmenden Maß auch Plattenwärmeübertrager (kleinere Masse und geringere Abmessungen), Ölabscheider, Armaturen und SPS-Steuerung.
Projektüberblick
Die bisher realisierten Projekte ermöglichen einen ersten Überblick über die Einsatzmöglichkeiten von CO2-Hochtemperatur-Wärmepumpen.
Bild 4 zeigt die Anwendungsbreite der Wärmepumpen. Bemerkenswert ist der Anteil der Nahwärmenetze, deren Rücklauftemperatur auf den Wärmepumpeneinsatz ausgelegt wurde. Generell steigen bei CO2-Hochtemperaturwärmepumpen Wärmeleistung und Leistungszahl mit sinkender Rücklauftemperatur stark an (Bild 2). Dieser interessante Aspekt ermöglicht sehr moderne Nahwärmekonzepte mit tiefen Rücklauftemperaturen. Die resultierenden hohen Temperaturspreizungen zwischen Heizungsvor- und Rücklauf sorgen für kleine Verteilsysteme. Die Integration von thermischen Solaranlagen und moderner Gasbrennwerttechnik in Nahwärmenetze, die ebenfalls mit niedrigen Rücklauftemperaturen betrieben werden, bietet sich an. Weitere Einsatzfälle der Wärmepumpen als Flüssigkeitskühler ohne Wärmenutzung und modifiziert für Spezialanwendungen (Drucklufttrockner) sind nicht in die Analyse einbezogen worden.
Bei den Vorlauftemperaturen kommen 80 °C am häufigsten vor (Bild 5). Die Ursacheliegt in der Anzahl der Einsatzfälle Heizung und Nahwärmenetze. Die höheren Temperaturen entfallen auf Prozesswärmepumpen.
Die kleinste gelieferte Wärmepumpe hat eine Nennleistung von 45 kW, die größte 1 675 kW (zwei Maschinen). Die am häufigsten nachgefragte Wärmeleistung liegt im Bereich 100 bis 500 kW (Bild 6). Die Lücke im Bereich 500 bis 700 kW ist technisch nicht begründet. Es haben sich lediglich noch keine Anwendungen ergeben.
Die hohe Anzahl von Wärmepumpen, die als Wärme-Kälte-Kopplung betrieben werden, ist interessant und zeigt die Stärke des Arbeitsstoffes CO2 für Aufgabenstellungen in diesem Bereich (Bild 7). Die Nutzung von Abwärme als Wärmequelle entspricht ebenfalls dem Ansatz der thermea bei der Vermarktung und wird durch die Auswertung bestätigt. Aufgrund der großen notwendigen Quellenleistungen steht bei der Nutzung von Umweltwärme die Nutzung von Grundwasser, Grubenwasser, Tagebauwasser im Vordergrund. Geothermische Großanlagen wurden noch nicht realisiert, sind aber ohne Weiteres vorstellbar.
Anwendungsbeispiel innovative Nahwärmeversorgung
Das Kommunalunternehmen Energie Dollnstein realisiert ein neues Nahwärmenetz mit 45 Nutzern, für das thermea eine Hochtemperaturwärmepumpe thermeco2-HHR 520 geliefert hat. Die Planung lag in den Händen der Fa. Ratiotherm, die ein beispielhaft innovatives Konzept umgesetzt hat. Bild 8 zeigt einen Lageplan und Bild 9 das vereinfachte Funktionsschema mit den Wärmeerzeugern thermeco2-HHR 520, BHKW, Hackschnitzelkessel und Solaranlage, die einen Hochtemperaturspeicher laden. Als Wärmequelle dient Uferfiltrat der Altmühl, die thermisch mit der Abwärme des BHKW, dem Abgas des Hackschnitzelkessels, mit der Solarthermieanlage aufgewertet in einem Niedertemperaturspeicher gepuffert werden kann. Die Nutzung des Hackschnitzelkessels ist auf wenige Stunden bei Spitzenlast im Winter beschränkt.
Eine Besonderheit ist die Absenkung des Temperaturniveaus im Netz von 70 °C bis 90 °C im Winterbetrieb auf 3 °C bis 30 °C außerhalb der Heizperiode. Zur Warmwasserbereitung bei den Verbrauchern sind Wärmepumpen kleiner Leistung, die das Netz als Wärmequelle kalte Fernwärme“ nutzen, in Kombination mit Speichern vorgesehen. Die Elektroenergie zum Betrieb der kleinen Wärmepumpen wird von der PV-Anlage bereitgestellt. Niedrige Stromgestehungskosten für den Wärmepumpenbetrieb ergeben sich durch Kombination mit BHKW und PV-Anlage.
Die Hochtemperaturwärmepumpe ther-meco2 HHR 520 ist mit drei Hubkolbenverdichtern mit einem Förderstrom voninsgesamt 90 m³/h, Plattenwärmeübertra-gern, Hochdruckregelventil, elektronischemExpansionsventil, Kältemittelsammler, Öl-managementsystem, SPS-Steuerung ausgerüstet. Um beim Gleiten der Vorlauf- oder Änderungen der Quellentemperaturen stets maximale Leistungszahl zu erreichen, ist eine neben der Regelung des Hochdrucks die Optimierung der Kältemittelfüllung in die Steuerung integriert. Bei Bedarf wird Kältemittel aus dem Kreislauf in einem Zusatzsammler ausgelagert oder von dort entnommen. Bei 80 °C Vorlauf- und 30 °C Rücklauftemperatur liegt die Heizleistung bei 440 kW. Die Wärmequelle wird von dabei 10 °C auf 7,5 °C ausgekühlt. Einen optischen Eindruck von der Wärmepumpe vermittelt das Bild 10.
Zusammenfassung
CO2-Hochtemperaturwärmepumpen be- währen sich seit Jahren sehr betriebssicher und zuverlässig in der Praxis. thermea kann auf umfangreiche Erfahrungen zurückgreifen und unterstützt Planer und Anwender in allen Entscheidungsphasen durch ein hoch qualifiziertes Ingenieurteam.
Die thermodynamischen Eigenschaften, die erreichbaren Vorlauftemperaturen und die verfügbaren Leistungsgrößen öffnen dem Arbeitsstoff ein weites Spektrum für Anwendungen zur Steigerung der Energieeffizienz.
Die gleichzeitig geringen Anforderungen an das Temperaturniveau der Wärmequellen erleichtern den universellen Einsatz der Maschinen an den unterschiedlichsten Standorten.
Realisierte Projekte und weitere Einsatzbeispiele finden sich unter http://www.thermeco2.com/de/anwendungen.
Ein wesentlicher Aspekt, der den Arbeitsstoff CO2 nicht nur für Hochtemperatur-Wärmepumpen, sondern auch für Kältemaschinen interessant macht, ist seine Klimafreundlichkeit.
Mit einen GWP = 1 bietet er Betreibern in Neuanlagen die Möglichkeit, Investitionen zukunftssicher zu gestalten, gesetzliche Vorschriften langfristig zu erfüllen und Anlagen energieeffizient zu betreiben.
Das kostengünstige CO2 ist nicht toxisch, nicht brennbar und damit nicht nur aus energieeffizienter und ökologischer Sicht, sondern auch aus ganz praktischer Sicht ein sehr betreiberfreundliches Kältemittel. Neben dem einfachen administrativen Umgang mit Kohlendioxid aus Sicht der Gesetzgebung und einer einfachen technischen Betriebsführung, sind es vor allem die unkalkulierbaren Nachinvestitionen durch die sich schnell verschärfende Kältemittelproblematik, mit denen nicht gerechnet werden muss.
Dipl.-Ing. (FH) Steffen Oberländer,
thermea Energiesysteme GmbH, Ottendorf-Okrilla
Prof. Eberhard Wobst,
Berater, Ottendorf-Okrilla
Fußnoten
Literatur
[1] Baehr, Thermodynamik , Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2002
