Stand der Gaswärmepumpentechnik in Deutschland - ReSys AG

Stand der Gaswärmepumpentechnik in Deutschland
Dr.-Ing. Wolfgang Stahlberg, Dipl.-Ing. Gerhard Wolf
Mit dem drastischen Anstieg der Rohölpreise kommen auch Wärmepumpen erneut
ins Gespräch. Elektro- und auch Gaswärmepumpen haben in den letzten Jahren
eine deutliche technische Weiterentwicklung erfahren, dennoch ist ihr Marktanteil zur
Zeit gering. Während Elektrowärmepumpen eine relative Bedeutung haben, ist die
Gas-Wärmepumpe nur in einem geringen Maß vertreten. Aber sie hat die Herausforderung
ihrer Mitwettbewerberin angenommen.
Die folgenden Gaswärmepumpen-Typen sind in Deutschland auf dem Markt vertreten
bzw. in der Entwicklungsphase:
- Gasmotorwärmepumpen
- Absorptionswärmepumpen incl. Diffusionsabsorptionswärmepumpen
- Adsorptionswärmepumpen
- Vuilleumierwärmepumpen.
Gasmotorwärmepumpen
Im Gegensatz zur Elektrowärmepumpe wird hier der Verdichter von einem Gasmotor
angetrieben, wie das Blockschaltbild einer Gasmotor-Wärmepumpe zeigt (Abb. 1).
Dabei wird die Wärmeabgabe des Wärmepumpenkreislaufs mit der Wärmeabgabe
des Motorkreislaufs gemeinsam genutzt. D.h. die Wärmeauskopplung am Kondensator
wird mit der Wärme aus Kühlwasser und Abgas zusammengefasst. Damit sind
drei Temperaturniveaus vorhanden, die bei Bedarf auch unterschiedlich angewendet
werden können:
- Sensible Wärme im Abgas → von 600 °C ergibt Nutzwärme von 100 °C
- Kühlwasserwärme → erzeugt Nutzwärme von ca. 90 °C.
- Kondensatorwärme → liefert Nutzwärme von 40 °C bis 50 °C.
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Abb. 1: Blockschaltbild einer Gasmotorwärmepumpe
(Quelle: York International)
Die Energiebilanz einer Gasmotorwärmepumpe zeigt (Abb. 2). Aus einem Gasinput
von 100 % ergibt sich durch Einkopplung von Umwelt- oder Abwärme in Höhe von
70 % eine Heizleistung von 160 %. Eingekoppelte Wärme, Kondensationswärme
(36 %) sowie Kühlwasser und Abgas des Motors (54 %) liefern die Gesamtheizleistung.
Abb. 2: Energiebilanz einer Gasmotorwärmepumpe (Quelle: York International)
Die Fa. YORK INTERNATIONAL in Mannheim liefert Gasmotorwärmepumpen von
400 kW bis 1000 kW Nennwärmeleistung für die Entfeuchtung, Beheizung und Beckenwassererwärmung
von Hallenbädern, aber auch für Nahwärmekonzepte. Erwähnt
sei hier ein Projekt in Waren an der Müritz von 2 x 600 kW Leistung in Verbindung
mit Thermalwasser als Wärmequelle (Abb. 3).
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Abb. 3: Gasmotor-Wärmepumpe (Quelle: York International)
Optimierungsentwicklungen setzen sowohl am Gasmotor als auch an den Komponenten
der Wärmepumpe an (Abb. 4). Mit aufgeladenen Magermotoren und direkteinspritzenden
Erdgasmotoren sind deutliche Wirkungsgradsteigerungen erreichbar.
Von YORK neuentwickelte Schraubenverdichter (Abb. 5) mit Leistungsschieber ermöglichen
es, während des Betriebes das interne Volumen- und Druckverhältnis zu
verändern. Damit wird erreicht, auch bei Änderung des Kältebedarfs immer mit optimalem
Wirkungsgrad zu arbeiten.
Entwicklungsarbeit:
Vorteile:
Gasmotorische Wärmepumpen
Umstellung auf umweltfreundliche Kältemittel erfolgt
Optimierung und Anpassung der Verdichter
Verbesserung der Abgasreinigung
Verlängerung der Wartungsintervalle
doppelter Nutzungsgrad gegenüber reinem Heizkesselbetrieb
Zusatzfunktion „Entfeuchtung der Umluft“ möglich
Wärme auch auf hohem Temperaturniveau
geringerer Aufwand zur Erschließung der Wärmequelle
Abb. 4: Entwicklungsarbeiten für gasmotorische Wärmepumpen
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Abb. 5: Doppelrotor (Quelle: York International)
Durch die Weiterentwicklungen sind Steigerungen der Heizzahl von 1,6 in den Bereich
von 2,2 möglich.
Absorptionswärmepumpen
Gasmotor- und Gasabsorptionswärmepumpe unterscheiden sich wesentlich durch
den Antrieb (Abb. 6). Dem gasmotorisch-angetriebenen Verdichter bei der Gasmotorwärmepumpe
stehen bei der Absorptionstechnik ein thermischer Antrieb, bestehend
aus Austreiber, Absorber, einer Lösungspumpe, die den Kreislauf in Gang hält,
und einem Drosselelement zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite gegenüber.
Bei beiden Technologien gibt es einen Kondensator und einen Verdampfer für das
Kältemittel, mit der entsprechenden Kondensationswärmeabgabe und dem Wärmeeintrag
aus der Umwelt in den Verdampfer.
Abb. 6: Vergleich von Kompressions- und Absorptionskälteanlage
(Quelle: AWT GmbH)
Verbesserungen der Technologie führen zu einem Absorptionsprozess, der durch
eine Verschaltung zahlreicher Wärmeaustauscher, ein sehr komplexes Schema er-
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gibt (Abb. 7). In einer größeren Zahl von Wärmetauschprozessen kommt die Arbeit
der letzten Jahre zum Ausdruck.
Abb. 7: Absorptionsprozess „GAX-Ausführung“
(Quelle: Gesellschaft für GasKlima mbH)
Abb. 8 zeigt eine Gasabsorptionswärmepumpe der AWT GmbH, Iserlohn, mit 40 kW
Wärmeleistung zusammen mit einem Brennwertkessel der Viessmann-Werke, Allendorf,
mit 100 kW Leistung zur Spitzendeckung bei einer Anwendung im Hallenbadbereich.
Abb. 8: Gasabsorptionswärmepumpe mit 40 kW Wärmeleistung
(Quelle: AWT GmbH)
Durch Kooperation der AWT mit der Firma Robur, Evansville, USA, einem Hersteller
von gasbetriebenen Absorptionswasserkühlsätzen, und mit dessen deutscher Vertretung,
der Gesellschaft für GasKlima, Maintal, ergab sich die Möglichkeit einer weiteren
Heizzahlsteigerung und zugleich einer Kostenreduzierung. Die Robur-
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Wasserkühlsätze (Abb. 9) haben den sogenannten GAX-Wärmetauschkreislauf
(Generator Absorber Heat Exchanger) integriert, also eine Verbindung zwischen Generatorkreislauf
und Absorberkreislauf, mit der eine Verbesserung des Wirkungsgrads
von 37 % erreicht wird.
Abb. 9: Robur Absorptionskaltwassersatz GA-ACF (Wasser-Ammoniak)
(Quelle: Robur)
Die daraus entwickelte Absorptionswärmepumpe hat eine Heizzahl, die im Bereich
1,5 und teilweise auch darüber liegt. Darüber hinaus kann man auf größere Stückzahlen
aus der Wasserkühlsatzproduktion zurückgreifen, wo durch die Kosten um
ca. 10.000,- DM pro Gerät geringer sein können. AWT hat Anfang 2001 ihre Aktivitäten
an die Gesellschaft für GasKlima / Robur übergeben, die jetzt die neuen Gasabsorptionswärmepumpen
fertigt.
Diffusionsabsorptionswärmepumpe DAWP
Die Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe aus dem Hause Buderus, Wetzlar (Abb.
10), hat keine Lösungspumpe mehr, keinen Antrieb des Kältemittelkreislaufs nach
konventioneller Art, sondern zwischen Absorber und Verdampfer wird mit Helium als
Hilfsgas durch eine Bauhöhe von ca. 2 m eine Auftriebssäule erzeugt, d. h. ein Blasenpumpeneffekt.
Ein System, das technisch elegant ist - ohne bewegliche Teile -,
welches dadurch aber in der Leistungsgröße begrenzt ist.
Helium als Hilfsgas ermöglicht ferner durch einen geringeren Ammoniakdruck im
Verdampfer die Verdampfungstemperaturen zu erniedrigen. Verdampfungstemperaturen
bis –25 °C erlauben dann auch bei niedrigen Temperaturen, Wärme in den
Kreislauf einzukoppeln, wodurch die Heizzahlen im Bereich der niedrigen Wärmequellentemperaturen
begünstigt werden.
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Abb. 10: Funktionsschema der Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe
(Quelle: Buderus Heiztechnik)
Ein Modul hat (Abb. 11) eine Heizleistung von 3,6 kW bei 193 cm Höhe, 56 cm Breite,
24 cm Tiefe und einem Gewicht von 120 kg. Mit dem Gerät kann man heizen,
Warmwasser bereiten und kühlen. Eine Umweltwärmeeinkoppelung von 1,2 kW und
ein Gaseinsatz von 2,4 kW führen zu einer Heizzahl von 1,5. Die Umweltwärmeeinkopplung
entspricht der Kühlleistung von 1,2 kW.
Abb. 11: Ein Modul einer Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe
(Quelle: Buderus Heiztechnik)
Dieses Gerät ist in der Schweiz entwickelt worden. Basis waren die Absorptionskühlschränke,
die im Campingwagen, aber auch in jedem Hotel eingesetzt werden, weil
sie sehr leise sind und mit Helium als Hilfsgas arbeiten. Die Lizenz hat Buderus erworben.
Die Wärmepumpen werden bei der Tochtergesellschaft Nefit in den Niederlanden
hergestellt. Stand der Technik ist, dass 60 Wärmepumpen als Feldtestgeräte
in den Niederlanden im Einsatz sind und weitere 40 zur Zeit in Deutschland installiert
werden. Die ersten Erfahrungen sind positiv.
Für die Feldtestserie ist das Gerät mit einem 11-kW-Brennwertkessel gekoppelt worden
(Abb. 12). Beim Einsatz im Einfamilien-Niedrigenergiehaus kann mit 3,6 kW
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Leistung der gesamte Heizwärmebedarf abgedeckt werden. Bei Häusern mit einem
höheren Wärmebedarf kann dieser in der Übergangszeit auch weitgehend ganz ausgeglichen
werden, aber für die Warmwasserbereitung hat man mit Sicherheit, um
das Wasser schnell aufzuheizen, einen höheren Leistungsbedarf. Deshalb wurde
der 11-kW-Brennwertkessel integriert.
Abb. 12: Heizsystem mit Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe
Im Wärmepumpenbetrieb werden durchaus Heizzahlen von 1,5 erreicht (Abb. 13)
und insgesamt mit dem Kessel ergibt sich ein Jahresnutzungsgrad von 132 %. Dem
gegenüber ist der Brennwertkessel alleine mit 107 % anzusetzen. Die Verquickung
zeigt, dass selbst für den Fall, dass die Wärmepumpe nicht den vollen Wärmebedarf
decken kann, doch noch eine recht ordentliche Heizzahl erreicht wird.
Abb. 13: Entwicklung des Normnutzungsgrades (Quelle: Buderus Heiztechnik)
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Eine kurze Zusammenfassung zur Buderus-DAWP (Abb. 14):
Selbständiger Prozeßablauf bei Wärmezufuhr, keine bewegten Teile, geräuschlos,
wartungsfrei. Gegenüber dem Brennwertkessel gibt es noch einmal einen Wirkungsgradvorteil
von 25 %. Gebäudeheizung und Gebäudekühlung sind möglich. Die Felderprobung
hat begonnen. Also eine vielversprechende Anwendung, ein vielversprechendes
Gerät mit einem namhaften Hersteller im Rücken.
Abb. 14: Feldtesterfahrungen mit der DAWP (Quelle: Buderus Heiztechnik)
Adsorptionswärmepumpe
Ein weiterer namhafter Hersteller, die Firma Vaillant, Remscheid, befasst sich mit
einer Adsorptionswärmepumpe, die aber technisch noch nicht soweit fortgeschritten
ist. Es handelt sich hier um eine Vorentwicklung mit einer Designstudie. Man hat Ü-
berlegungen angestellt, wie man mit einem einfacheren Kreislauf, durch Einsatz der
Adsorptionstechnik, ein hohes Maß an Energieeinsparung erreicht (Abb. 15).
Abb. 15: Eine Design-Studie für die Zeolith-Wasser-Wärmepumpe
(Quelle: Vaillant)
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Der Adsorptionsprozess arbeitet mit einem Granulat aus Zeolith, an das Wasser als
Kältemittel angelagert, d. h. adsorbiert wird. Durch Wärmezufuhr wird das Wasser
wieder freigesetzt, desorbiert, und dann nach der Kondensation als flüssiges Kältemittel
im Verdampfer verdampft, wobei Wärme aus der Umwelt aufgenommen wird.
Da aber hier ein Feststoff das sogenannte Adsorbenz ist, spricht man von Adsorption.
Nach der Designstudie erscheint die Bauweise relativ einfach. Das entwickelte
Gerät ähnelt einem Heizkessel und hat eine Wärmeleistung von 20 kW.
In dem Fall der Absorptionswärmepumpen handelt es sich um einen Kreisprozess.
Der Adsorptionsrotzes verläuft jedoch periodisch. Man macht den Prozess aber dadurch
gefügiger, wandelt ihn in einen „Quasi Kreisprozess“ um, indem man mehrere
Module installiert, von denen man zwei immer paarweise, einmal als Desorber und
einmal als Absorber arbeiten lässt. Die einzelnen Module haben 150 mm Durchmesser
und 800 mm Länge. Der Prozess wird von einem Schrittmotor gesteuert.
Die Weiterentwicklung besteht im wesentlichen auch darin, dass man den Wärmeübergang
einfacher und effizienter gemacht hat. Man nimmt Rippenrohre mit einer
geringen Spaltbreite, die Spalte sind nicht größer als die Granulatstärke, so dass nur
eine äußerst dünne Granulatschicht auf den Rippen liegt. Damit werden ein sehr guter
Wärmeübergang und eine gute Eindringtiefe erreicht. Früher musste man bei den
Zeolith-Geräten von großen Abmessungen und großen Gewichten ausgehen. Das
Problem hat man jetzt mit dieser eleganteren Technik gelöst.
Durch die Modulschaltung hat man auch die Möglichkeit höhere Heizzahlen zu realisieren.
Einen Hinweis auf die zu erwartenden Heizzahlen gibt Abb. 16. Bei acht verschalteten
Modulen und einem Heiznetz von 40°/30° kann man also durchaus bei
höheren Umgebungstemperaturen zu einem Wärmeverhältnis in dem Bereich von
1,5 bis 2 kommen.
Dieses Jahr soll das erste Gerät für einen ersten Einsatz im Feldtest gebaut werden.
Abb. 16: Erwartete Heizzahlen für verschaltete Absorptionsmodule
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Vuilleumier-Wärmepumpe
Die Vuilleumier-Wärmepumpe nutzt als Antrieb einen regenerativen Gas-
Kreisprozess, der nach seinem französischen Erfinder benannt wurde. Dieser Prozess
kann neben den bereits in Wärmepumpen genutzten mechanischen und thermischen
Verdichtern als weitere Verdichterbauart angesehen werden (Abb. 17). Hier
strömt ein Gas periodisch über Regeneratoren zwischen verschiedenen Temperaturniveaus
hin und her. Dabei wird Wärme aus der Umgebung bzw. aus der Gasverbrennung
aufgenommen.
Abb. 17: Verdichterbauarten (Quelle: Viessmann)
Bekannter ist der Stirling-Motor mit einem Verdränger- und einem Verdichterkolben,
der, mechanisch angetrieben, auch als Wärmepumpe eingesetzt werden kann. Vuilleumier-Wärmepumpen
arbeiten im Gegensatz zu Stirling-Maschinen mit zwei
Verdrängerkolben. Der Antrieb erfolgt thermisch durch eine Gasverbrennung. Der
Vuilleumier-Prozess ist in (Abb. 18) dargestellt.
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Abb. 18: Der Vuilleumier-Prozess (Quelle: Viessmann)
Die Viessmann-Werke, Allendorf, haben die Vuilleumier-Wärmepumpe im kleinen
Leistungsbereich weiterentwickelt. Zur Zeit liegt ein Serienentwurf für ein 20 kW-
Gerät vor (Abb. 19). Die Leistungszahlen liegen im Bereich über 1,6 (Tabelle 1).
Abb. 19: Serienentwurf einer 20 kW Vuilleumier-Wärmepumpe
(Quelle: Viessmann)
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Tabelle 1:
Im Vergleich Heizzahlen von Vuilleumier-Wärmepumpe
und Brennwertkessel
Fußbodenheizung
40/30°C
Niedertemperaturheizung
55/45°C
Radiatorheizung
75/60°C
Brennwertkessel 1,09 1,08 1,06
Vuilleumier-WP 1,68 1,62 1,52
Schlussbemerkung
Namhafte Kälteanlagen- und Heizgerätehersteller sind gegen die Herausforderungen
des Energiemarktes - wie z. B. steigende Energiepreise und Auflagen zur CO 2 -
Reduzierung - mit Gaswärmepumpen gerüstet.
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