Adsorptionswärmepumpen Nachfolger der Brennwertkessel?
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Adsorptionswärmepumpen Nachfolger der Brennwertkessel? Dr.-Ing. Franz Lanzerath 10. Energieberatertag Kaiserslautern, 5. November 2015 Wirkungsgrade einer Adsorptionswärmepumpe Herstellerangaben / Produktprospekte Vaillant zeoTHERM Normnutzungsgrad Hs 126 % Viessmann Vitosorp Normnutzungsgrad Hs 125 % Vergleich: Brennwertkessel: < 100 % über 25 % Wirkungsgradsteigerung © Vaillant 2 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 © Viessmann Heizwertkessel / Brennwertkessel Umsetzung Brennstoff in Wärme zugeführte Energie: 𝑚̇ 𝐻s Heizwertkessel: ohne Kondensation des Wassers Brennwertkessel: mit Kondensation des Wassers Maximaler Wirkungsgrad: Heizwertkessel: 𝜂HW = 𝐻i 𝐻s Brennwertkessel: 𝜂BW = 3 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 = 0,9 𝐻s 𝐻s =1 © Benutzer:Kino Aufbau einer Gas-Adsorptions-Wärmepumpe Brennwertkessel + Adsorptionseinheit 𝜂Ads = 𝐻𝑠 + 𝑄Um 𝐻s =1+ 𝑄Um 𝐻s >1 Einkopplung von Umgebungswärme Wirkungsgrade > 100 % möglich 4 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 © Vaillant © Viessmann Effizienz von Heizungsanlagen Gesamtnutzungsgrad HS für Heizung und Warmwasser (%) 140 solare Warmwasserbereitung 10% 120 100 80 60 113 82 95 126 98 40 Adsorptionswärmepumpen können Umgebungswärme besser nutzen 5 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 Nutzbare solare Wärme in Heizsystemen Warmwasserbereitung direkte Nutzung in Heizsystem Adsorptions-Wärmepumpen 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 °C Nutzung von Wärme mit TUmg < THeiz nur mit Wärmepumpen 6 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 Energiebilanz einer Wärmepumpe Wärmepumpe Antriebsenergie 𝐸Antrieb QUmg QHeiz 𝑄Heiz = 𝑄Umg + 𝐸Antrieb es kann nicht beliebig viel Umgebungswärme zugesetzt werden Carnot-Wirkungsgrad: 7 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 𝜖WP 𝑄Heiz 𝑇Heiz = < = 𝜂C,WP 𝐸Antrieb 𝑇Heiz − 𝑇Umg elektrische vs. thermische Wärmepumpe Energiebilanz max. Wirkungsgrad elektrisch 𝑄Heiz = 𝑄Umg + 𝐸Antrieb thermisch 𝑄Heiz = 𝑄Umg + 𝑄Antrieb Beispiel: 0°C, 40°C, 100°C 𝜂C,WP = 7,83 𝜂C,WKM = 0,27 8 𝜂C,AWP = 2,1 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 𝜖WP 𝑇Heiz 𝑄Heiz < = 𝜂C,WP = 𝑇Heiz − 𝑇Umg 𝐸Antrieb 𝜖AWP = 𝑄Heiz < 𝜂C,WP ⋅ 𝜂C,WKM 𝑄Antrieb Wärme enthält weniger Exergie als Strom 𝐸 𝑄Antrieb = 𝑄Antrieb ⋅ 𝜂C,WKM 𝜂C,WKM = 1 − 𝑇Umg <1 𝑇Antrieb Adsorptionswärmepumpen Adsorptionsprozess Stoffpaarungen Funktionsprinzip Technisch Umsetzung Isosteren-Diagramm Zykluszeit Temperatur-Einfluss Wärmequellen Potenziale © Vaillant © Vaillant 9 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 Adsorptionsprozess Bindung von Gas oder Flüssigkeit an Oberfläche Feststoff exothermer und reversibler Prozess © LTT 10 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 Stoffpaarungen © Ravedave © LTT © LTT Adsorbent: Zeolith Silicagel Aktivkohle Adsorbat: Wasser Wasser Ammoniak Methanol ungiftig nicht entzündlich GWP = 0 ODP = 0 11 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 Funktionsprinzip Adsorptionswärmepumpe Desorption Adsorption Adsorptionsmittel 𝑄̇Des 𝑄̇Ads Antriebswärme Adsorptionswärme Austreiben des Wassers 𝑄̇Kond Aufnahme des Wassers Wasser Kondensationswärme zyklischer Prozess 12 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 𝑄̇Verd Verdampfungswärme Technische Umsetzung Prototyp einer Adsorptionswärmepumpe am LTT Kondensator 𝑄̇Des 𝑄̇Verd 13 Adsorber 𝑄̇Kond 𝑄̇Ads Verdampfer Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 © LTT Zykluszeit Wirkungsgrad steigt mit zunehmender Zykluszeit Leistung hat Maximum bei niedriger Zykluszeit Zykluszeit ist bedarfsorientiert zu regeln 14 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 Adsorptionsprozess im Isosteren-Diagramm x x 𝑇des 𝑇evap 15 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 𝑇cond Temperaturabhängigkeit x 𝑇evap 10°C 16 𝚫𝒙 Antriebstemperatur 35°C Heiztemperatur 90°C Umgebungstemperatur Prozessbegünstigende Temperaturen: Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 𝑇cond x x 𝑇des 𝑇des 𝚫𝒙 Antriebswärme Gasbrenner + hohe Temperatur + Verfügbarkeit - CO2-Emission - Brennstoffkosten © G. Shuklin Solarkollektoren + keine CO2-Emission + keine Brennstoffkosten - niedrige Temperatur (max. 100°C) - Verfügbarkeit © W. Pilsak Weitere: Fernwärme, Abwärme Mini-BHKW, … 17 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 Heiztemperatur Fußbodenheizung Vorlauftemperatur so niedrig wie möglich © H. Raab Warmwasserbereitung mit Adsorptionswärmepumpen ineffizient ähnlich zu elektrischen Wärmepumpen Warmwasserbereitung besser mittels Alternativen Gasbrenner © turydddu 18 Solar Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 Niedertemperatur-Quelle Umgebungsluft - große Temperaturschwankungen - niedrige Temperatur im Winter + kostengünstig © I. Sagdejev Solarkollektoren + keine CO2-Emission + keine Brennstoffkosten + Temperatur höher als Umgebung - Verfügbarkeit © PBaeumchen Erdboden / Grundwasser + recht konstante Temperatur - hohe Investitionskosten 19 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 © W. Pilsak weitere Anwendungen Solare Kühlung Sonneneinstrahlung und Kühlbedarf CO2-freie Klimatisierung Entlastung der Stromnetze © LTT Offene Adsorptionssysteme Luftentfeuchtung Adsorptionstrocknung Wassergewinnung Thermische Speicher 20 hohe Kapazität Wärme- und Kältespeicherung Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 © LTT Potenziale neue Adsorbentien SAPO-34: Beladungsbreite max. 35% Metal-Organic-Frameworks: Beladungsbreite > 100 % kompaktere Anlagen effizientere Adsorptionszyklen © PNNL mehr-modulare Adsorptionsanlagen interne Wärmerückgewinnung möglich höhere Wirkungsgrade Wärmeübertrager-Design Beschichtungen vs. Pellets Faser-Strukturen, … höhere Leistungsdichten 21 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 © LTT Adsorptionswärmepumpen - Nachfolger der Brennwertkessel? „ja“ aus technologischer Sicht, aber viele Unwägbarkeiten: Strom- und Gaspreisentwicklung Verschiebung zwischen Strom und Wärmemarkt Politische Rahmenbedingungen Förderungen, … Skaleneffekte geringere Herstellungskosten Klimatisierungsbedarf © LTT Nutzung der Adsorptionswärmepumpe als Kälteanlage Alternative Technologien mechanische Wärmepumpe + Photovoltaik 22 Dr.-Ing. Franz Lanzerath | TLK Energy GmbH 10. Energieberatertag | Kaiserslautern 5. November 2015 ja! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Franz Lanzerath TLK Energy GmbH www.tlk-energy.de [email protected]
