Das Plus-Energiedach als neue Technologie - BHKW

Energie
Praxiswissen
Projektförderung
Die bisher ungenutzte solare Energie im
Sommer wird jetzt zur Erzeugung elektrischen Stroms eingesetzt. Dafür wird die
Wärmepumpe in einem ORC-Prozess
gleichsam umgedreht und ihr Motor als
Generator genutzt. So wird im Sommer
mehr elektrischer Strom erzeugt als im
Winter verbraucht wird.
Das System produziert keine Energiekosten, sondern Energieerträge, die zur
Finanzierung der Investitionskosten verwendet werden können.
Es werden keine fossilen Brennstoffe und
keine Infrastruktur zur Versorgung (Gasleitung, Tankwagen, Heizöltank) benötigt
(Wärmepumpe + ORC-Prozess).
Besteht das System aus einem AbsorptionsWärme-Kälte-Dampf-Prozess, kann die
„solare Überschussenergie“ im Sommer
parallel zur Stromerzeugung – in Kälte
umgewandelt und das Gebäude damit klimatisiert werden.
48
Über das Forschungsprogramm Solarthermie 2000, das seit 1998 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) getragen wird, werden im Teilprogramm 3 die Begleitforschung und der Bau von solar unterstützten Nahwärmesystemen
mit Kurzzeit- und Langzeitwärmespeichern in Zusammenarbeit mit einem Netzwerk von
Wissenschaftlern und Praktikern aus dem gesamten Bundesgebiet gefördert. Innerhalb
der wissenschaftlich-technischen Programmbegleitung sind mittlerweile sieben Anlagen
mit Langzeitwärmespeicher detailliert vermessen und untersucht worden. Die Ergebnisse sollen dazu dienen, „noch vorhandene“ technische Schwachstellen offen zu legen
und zu verbessern. Auch die Wirtschaftlichkeit dieser Konzepte soll verbessert werden,
um eine wesentliche Voraussetzung für eine Verbreitung dieser Technik zu schaffen
(Zitat aus dem Forschungsbericht, Teilprogramm 3).
Mit der Fördermaßnahme „Solarthermie 2000 Plus“ werden die langfristig
angelegten Forschungsaktivitäten mit neuen Schwerpunkten wie solare Kälteerzeugung
fortgesetzt.
Die solaren Wärmekosten liegen bei den bisher umgesetzten Konzepten lediglich zwischen 15,6 und 45,5 Cent/kWh. Außerdem werden lediglich etwa 50 % des Jahresheizwärmebedarfs gedeckt. Die Restwärme wird über konventionelle Heizungstechnik
bereitgestellt. Die Leitungswärmeverluste, der zusätzliche elektrische Pumpenstromaufwand für die Solarflüssigkeit und Warmwasser hin zum Speicher und wieder zurück
sowie nicht zuletzt der finanzielle Bauaufwand dieser solaren Nahwärmekonzepte
(einige 100 m Leitungsnetz, riesige Warmwasserspeicher) sind nicht unerheblich.
S
olare Wärme- und Kälteerzeugung
gewinnt aufgrund der globalen Erderwärmung weltweit an Bedeutung.
Nahezu sämtliche Großgebäude sind
heute vollklimatisiert. Auch in Deutschland wird bereits die Hälfte der größeren
Büro- und Geschäftsneubauten mit Klimaanlagen ausgerüstet, Tendenz steigend.
In vielen Ländern führt der Anstieg
mechanischer Klimaanlagen immer häufiger zur Überlastung und letztlich zum
Zusammenbruch des Stromnetzes. Solare
Heizung und Kühlung verspricht weltweit
enormes Potenzial zur Energie- und CO2Einsparung.
Bei gleichzeitiger Stromerzeugung kann
(wie nachfolgend beschrieben) künftig
mehr Energie erzeugt werden als verbraucht wird. Solare Energiesysteme können somit deutlich effizienter und wirtschaftlicher betrieben werden. Herkömmliche solarthermische Systeme können die
Stromkosten für die Gebäudeklimatisierung bereits um etwa 40 bis 70 % reduzieren. Zusätzlich wird die Solarwärme ganzjährig für die Warmwasserbereitung und
an kalten Tagen zur Heizungsunterstützung genutzt.
Nach der europäischen „Richtlinie zur
Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden“
und der EnEV-Novelle werden auch NichtWohngebäude energetisch zu bewerten
sein. Damit gewinnt die solare Wärmeund Kälteerzeugung weiterhin an Bedeutung.
Das hier beschriebene System gibt es so
noch nicht (mit einer solarthermischen
Anlage Wärme und Strom und ggf. Kälte
zu erzeugen ist neu). Zwar sind die einzelnen Komponenten bekannt und erprobt,
in dieser Konstellation und Nutzungsart
aber noch nicht zur Anwendung gekommen. Die möglichen Auswirkungen auf die
Heizungs- und Klimatechnik können kaum
überschätzt werden.
Für die Entwicklung des beschriebenen Systems sind einschlägige staatliche
Förderprogramme vorhanden. Die Regierung der Bundesrepublik Deutschland hat
beschlossen, die CO2-Emissionen bis zum Jahr 2005 um 25 % (bezogen auf das Niveau
von 1990) zu reduzieren.
Mit der Wärmepumpe und Energierückgewinnung über den ORC- bzw.
AWKD-Dampfprozess lassen sich künftig nicht nur erhebliche fossile Energiemengen
und CO2-Emissionen einsparen, sondern insbesondere bei guter Wärmespeicherung
und -dämmung des Gebäudes auch noch mehr elektrische Energie erzeugen
als für die Wärmebereitstellung und Kühlung bzw. Klimatisierung verbraucht wird.
Das Konzept ist patentrechtlich geschützt.
Die Stadt Kiel, die dieses Konzept in 2005
mit einem Preis ausgezeichnet hat (wie
zuvor auch das Land Schleswig-Holstein),
will es im Rahmen ihrer „Innovativen Bauausstellung 2008“ bei einer ihrer Immobilien zur Anwendung bringen.
Hier sind (je nach Last- und Anwendungsfall)
unterschiedliche Prozess-Varianten möglich.
Das System kann noch weiter optimiert werden durch den Einsatz hocheffizienter und
nahezu verlustfreier thermochemischer Speichersysteme (Sorptionsspeicher) und/oder
Phasenwechselmaterialien (PCM-Technik).
Kurzbeschreibung
des zu entwickelnden Systems
Beschreibung des Systems
und seiner Komponenten
Das Prinzip ist einfach: Zunächst wird ein
möglichst großer Teil der benötigten Energie für Raumheizung und Warmwasser
durch eine relativ groß ausgelegte solarthermische Anlage mit entsprechendem
Pufferspeicher gewonnen. Die in den
Wintermonaten zusätzlich benötigte Heizenergie wird durch eine elektrische Wärmepumpe erzeugt. Deren Wirkungsgrad
(Wärmepumpenzahl) wird gegenüber herkömmlicher
Funktionsweise
dadurch
erheblich gesteigert, dass der Wärmeentzug (Verdampfung) im Solarkreislauf bzw.
Speicher stattfindet. Erst wenn infolge
lange ausbleibender Sonneneinstrahlung
auch hier die Wärme nicht mehr ausreicht,
wird sie der Umgebung entzogen.
Die solare Strahlungswärme wird wesentlich besser ausgenutzt und auf teure
Langzeitspeicher und eine Zusatzheizung kann verzichtet werden. Die solaren
Nutzwärmekosten sind bei deutlich geringeren Investitionskosten wesentlich
niedriger.
Bei einer nennenswerten Ausbreitung dieser Energiesysteme kann
(insbesondere in der Übergangszeit) dort Strom erzeugt werden, wo gerade die Sonne
scheint und an anderen Orten (Regen, Kälte, Schnee) wieder verbraucht werden.
Vorlauftemperatur (Kondensator) für die
Heizungsanlage, desto wirtschaftlicher
arbeitet die Wärmepumpe.
Die Leistungszahl errechnet sich aus dem
Verhältnis
Nutzleistung/aufgewandte
Leistung. Gute Wärmepumpen erreichen
bei einer Temperaturdifferenz von 25 °C
(10 °C Verdampfungstemperatur, 35 °C
Kondensationstemperatur) eine Leistungszahl von durchschnittlich 5,2 bis 5,6!
Der ORC-Prozess (Bild ➊)
Der ORC-Prozess basiert auf dem WasserDampf-Prozess ähnlichen Verfahren mit
dem Unterschied, dass an Stelle von Wasser
ein organisches Arbeitsmedium (Kohlenwasserstoffe wie Iso-Pentan, Iso-Oktan,
Pentan, Perfluorpentan, Toluol, Silikonöl)
oder ein Kältemittel (wie bei der Wärmepumpe) verwendet wird. Diese Arbeitsmedien besitzen günstigere Verdampfungseigenschaften bei tieferen Temperaturen
und Drücken. Die im Sommer anfallende
Überschusswärme aus der Solaranlage wird
über ein Wärmeträgermedium oder besser
direkt (Direktverdampfung des Arbeitsmittels ohne zusätzlichen Wärmetauscher) an
den ORC-Dampfmotorprozess übertragen.
Organische Arbeitsmittel zeichnen sich
gegenüber Wasser durch günstigere Verdampfungseigenschaften aus. Sie verdampfen und überhitzen bei niedrigeren Temperaturen und geringerer Wärmezufuhr. Der
Dampfdruck ist gering, die Dampfmenge
hingegen entsprechend groß.
Eine weitere Eigenschaft ist die fast isentrop abfallende Sättigungskurve. Dadurch
kann das Arbeitsgas direkt vom gesättigten oder überhitzten Zustand expandieren, ohne in das Zwei-Phasen-Gebiet zu
gelangen. Tropfenschlag in dem Kolbenoder Schraubendampfmotor, der zu vorzeitigen Schäden führen kann, ist dadurch
ausgeschlossen. Da der Kreislauf des ORCProzesses geschlossen ist und somit keine
Verluste des Arbeitsmittels auftreten können, sind auch die Betriebskosten gering.
Bislang wurden ORC-Prozesse vorwiegend
in geothermischen Anwendungen und in
Die Wärmepumpe
Unter Wärmepumpen versteht man
Maschinen, die Nutzwärme dadurch
bereitstellen, dass sie Umgebungswärme
über den Verdampfer bei einer tiefen Temperatur (z. B. aus der Umgebungsluft, dem
Erdreich oder Grundwasser) aufnehmen
und sie bei einer höheren Temperatur als
Nutzwärme an den Kondensator wieder
abgeben. Der Energieaufwand für diesen
„Pumpprozess“ ist bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen wärmeaufnehmender und -abgebender Seite deutlich geringer als die abgegebene Nutzwärme. Je
geringer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle (Verdampfer) und der
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Praxiswissen
Energie
Energie
Kältemitteldampf
Solarwärme,
Abwärme
Expansionsmaschine
Austreiber
III
G
⬃
II
Kondensationswärme
Kondensator
IV
Lösungswärme
I
Eckdaten
und Ergebnisse
Generator
2 PGen
Lösungspumpe
Drossel
arme Lösung
Projektbeispiel
1
reiche Lösung
Die Heizwärmeverteilung erfolgt über eine Fußboden- bzw. Kapillarrohrmattenheizung bei einer Vorlauftemperatur
von 30 bis max. 35 °C mit ausreichender Wärmespeicherung (massiver Bau). Die Leistungszahl der Wärmepumpe schwankt
zwischen 3,0 und 8,5 (abhängig vom Kollektorwärmeertrag, Außentemperatur und Jahreszeit).
Für die Berechnungen wurde mit einer durchschnittlichen Leistungszahl von 5,5 gerechnet.
Expansionsventil
4
➋
Verdampfer
Verdampfungswärme
5
Kältemitteldampf
Kombination mit Biomassefeuerungen ab
einer Leistung von etwa 200 kWel eingesetzt, wodurch bereits ein wesentlicher
Schritt in Richtung nachhaltige Energiepolitik und CO2-Emissionsreduktion gesetzt ist.
Der Wärmepumpen-ORC-Prozess
Bei dem Wärmepumpen-ORC-Prozess wird
ein gemeinsames Kältemittel verwendet.
Eine modifizierte Wärmepumpe arbeitet
bei ausreichender Wärmezufuhr als
Antrieb für den Generator. Die Anlage
arbeitet in einem großen Temperatur- und
Druckbereich. Bei der Energieerzeugung
erfolgt die Kondensation auf einem höheren Druckniveau als bei getrennten Prozessen (einfache und preisgünstige Lösung,
da nur ein Aggregat benötigt wird). Eine
Anwendung dieser Prozess-Variante ist bislang nicht bekannt.
Der AWKD-Prozess (Bild ➋ )
Der nachfolgend beschriebene Prozess
(Begriff und Anwendungen sind bisher
noch nicht bekannt) stellt eine Abwandlung und Erweiterung des oben beschriebenen Prozesses dar. Und zwar derart,
dass auch solare Kühlung/Klimatisierung
sowie die Anwendung weiterer Technologien (z. B. die Abwärmenutzung einer
Brennstoffzelle) möglich wird.
Der AWKD-Prozess (Absorptions-WärmeKälte-Dampfkraftprozess) ist ein erweiterter Absorptionswärmepumpen-Prozess,
bei dem jedoch mechanische bzw. elektrische Energie und Kälte/Wärme gleichzeitig erzeugt werden können.
Niedertemperaturwärme kann dem Kondensator und/oder dem Absorber entnommen werden. Kälte wird über den Verdampfer bereitgestellt. Solarwärme und/oder
Abwärme mit relativ hohem Temperaturniveau beheizt den Austreiber, so dass das
Kältemittel (z. B. Ammoniak) aus der reichen Lösung (NH3/H2O) ausdampft.
Der in dem Austreiber erzeugte Dampf wird
hierbei nicht wie bei einer Absorptionswärmepumpe über einen Kondensator und
Expansionsventil, sondern über eine Expansionsmaschine (1 – 2) (Bild ➋ ) entspannt
und somit zusätzlich mechanische Leistung
50
Als ein mögliches Projektbeispiel wurde ein Einfamilienhaus in Niedrigenergiebauweise gewählt. Die Wohnfläche beträgt
178 m2, die thermische Solaranlage besteht aus Flachkollektoren mit einer Gesamtfläche von 60 m2. Der Heizenergiebedarf
beträgt 10.000 kWh/a, der Warmwasserwärmebedarf 2.500 kWh/a. Der spezifische Gesamtwärmebedarf beträgt damit 70 kWh/m2 a.
3
Absorber
Schematische
Darstellung
AWKD-Prozess
Praxiswissen
bzw. elektrischer Strom erzeugt. Der Dampf
strömt anschließend in den Kondensator
(2 – 3) und wird bei möglichst niedriger Temperatur verflüssigt. Der Kondensator gibt je
nach Bedarf die Wärme an den Heizungskreislauf (Wärmebedarf), an die Umgebung
(Kühlbedarf) oder an den Verdampfer
(weder Kühl- noch Wärmebedarf) ab, wobei
zahlreiche Zwischenschritte möglich sind.
Im Verdampfer entzieht das „Kältemittel“
dem zu kühlenden Gut Wärme. Im Anschluss wird der „Kältemitteldampf“ im Absorber von der ammoniakarmen Lösung
unter Wärmeabgabe absorbiert.
Systemvarianten
in Abhängigkeit unterschiedlicher
Last- und Anwendungsfälle:
䉴 Wird wenig oder gar keine Kälte be -
nötigt , kann der Kondensator über den
anschließenden Verdampfungsprozess gekühlt werden. Bedingt durch das günstige
Wärmeübertragungsverhältnis bei der Verdampfung und Kondensation besteht hierdurch eine im Vergleich zum ORC-Prozess
niedrigere untere Prozesstemperatur, was
einen besseren Carnot-Wirkungsgrad bewirkt. Ebenso kann das Arbeitsmittel nach
Durchströmen der Expansionsmaschine direkt in den Absorber gelangen.
Da der Druck im Absorber bei gleicher Temperatur wesentlich niedriger ist als im Kondensator, kann mit einer deutlichen Leistungssteigerung gerechnet werden. Außerdem entfällt die Kühlung des Kondensators.
䉴 Bei geringem Niedertemperatur-Wär -
mebedarf und ausreichender Solarwärme
(Frühjahr/Herbst) kann die benötigte Heizwärme über den Kondensator und/oder
dem Absorber entnommen werden. Die
Expansionsmaschine liefert bereits bei
einer geringen Temperaturdifferenz (zwischen Austreiber und Kondensator/Absorber) einen geringen Energiebetrag.
䉴 Bei hohem Wärmebedarf und geringer
Solarwärme kann der Austreiber über
einen Heizkessel oder über die Abwärme
eines Verbrennungsmotors bzw. einer
Brennstoffzelle beheizt werden. Dem Ver-
Bei den Wirkungsgraden des ORCProzesses wurde vorsichtig mit
䉴 1,5 % bei 50 °C,
䉴 3 % bei 60 °C,
䉴 5 % bei 80 °C,
䉴 7 % bei 100 °C,
䉴 10 % bei 120 °C und
䉴 12 % bei 150 °C
Kollektortemperatur und
䉴 10 bis 30 °C Kondensationstemperatur gerechnet.
Damit können während der Heizperiode ca. 9.700 kWh erzeugt
werden. Um diesen hohen Ertrag
zu erreichen, sind große Wärmespeicher (ca. 8 bis 10 m3 PCMSpeichermassen für 8 bis 14 Tage)
erforderlich.
Der Gesamtrestwärmebedarf,
der von der Wärmepumpe
erbracht werden muss, reduziert
sich von 12.500 auf 2.800 kWh/a
bzw. auf ca. 23 %.
Wie aus den Berechnungen
(Tabelle) hervorgeht, kann
theoretisch (bei optimaler Wärmespeicherung) mit der Solaranlage
und dem ORC-Prozess etwa drei
bis vier mal so viel elektrische
Energie gewonnen werden wie
für den Betrieb der Wärmepumpe
benötigt wird (ohne Hilfs- und
Zusatzantriebe).
Bei einem ausgeglichenen Verhältnis zwischen Energieverbrauch
und Energieerzeugung reichen
auch deutlich geringere Wärmespeicherkapazitäten aus. Bei dem
nachfolgenden Berechnungsbeispiel wird von einer Heizenergieeinsparung von 35 bis 40 %
ausgegangen (direkt über die
thermische Solaranlage) und
einer Warmwasserenergieeinsparung von etwa 70 %
(realistische Werte bei dieser
Anlagengröße).
Hierbei erreicht die Anlage bereits
eine mehr als ausgeglichene
Energiebilanz.
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Berechnung
10.000 kWh × 60 % + 2.500 kWh × 30 % = 6.750 kWh/a
6.750 kWh/5,5 = 1.227 kWh el./a
Die durchschnittliche Leistungszahl der Wärmepumpe betrage 5,5:
Für Hilfsaggregate (Umwälzpumpen usw.) werden pauschal 15 % beaufschlagt: 1.227 kWh × 1,15 = 1.411 kWh el./a Gesamtstromverbrauch
Die gesamte Stromerzeugung ergibt sich nach Tabelle zu 2.006 kWh.
Für Hilfsaggregate (Kühlung, Pumpen, evtl. Ventilatoren usw.)
werden etwa 20 % benötigt. Daraus ergeben sich
2.006 kWh/1.2 = 1.672 kWh el./a Gesamtstromerzeugung
Wärmepumpen-ORC-Prozess im wirtschaftlichen Vergleich
Wärmepumpe:
Wärmepumpentarif:
Solaranlage:
Gesamtstromkosten:
ORC-Prozess:
Stromeinspeisung:
Überschuss:
Stromverbrauch 1.411 kWh/a, einschließlich Hilfsaggregate
0,10 bis 0,12 €/kWh (Tagstrom)
Stromverbrauch ca. 150 kWh/a
1.411 kWh × 0,12 € + 150 kWh × 0,17 = 195 €/a
Stromerzeugung: 1.672 kWh/a
1.672 kWh × 0,55 € = 920 €/a (Stand 2005)
920 € – 195 € = 725 €/a
Heizkosten Öl, Gas, Wärmepumpe
Ölheizung:
Heizölkosten 0,065 €/kWh (Stand: August/September 2005), Stromverbrauch pauschal 3 % vom
Heizwärmeverbrauch = 375 kWh (Umwälzpumpe und Brenner), Schornsteinfeger ca. 80 €/a
Gas-Brennwerttechnik:
Erdgaskosten ca. 0,065 €/kWh, Stromverbrauch min. 150 kWh (Umwälzpumpe),
Schornsteinfeger ca. 80 €/a, Gasanschlussgebühren ca. 170 €/a
Konventionelle
Wärmepumpenheizung
mit Erdkollektoren:
durchschnittliche Jahresleistungszahl WP ca. 4,0
Stromverbrauch 12.500 kWh/4,0 = 3.125 kWh × 1,15 (Hilfsantriebe) = 3.594 kWh/a + 150 kWh/a (Umwälzpumpe)
Wärmepumpentarif:
Durchschnitt:
Jahresheizkosten Öl:
Jahresheizkosten Gas:
Jahresheizkosten WP
mit Erdkollektoren:
0,10 bis 0,12 €/kWh (Tagstrom); 0,07 bis 0,09 €/kWh (Nachtstrom)
0,10 €/kWh
12.500 kWh/a × 0,065 €/kWh + 375 kWh × 0,17 €/kWhel. + 80 €
= 956 €/a
12.500 kWh/a × 0,065 €/kWh + 150 kWh × 0,17 €/kWhel. + 80 € + 170 €/a = 1.088 €/a
3.594 kWh/a × 0,1 €/kWh + 150 × 0,17 €/kWh
= 385 €/a
Überschüsse im Vergleich
Überschuss zu Ölheizung:
725 € + 956 € = 1.681 €/a
Überschuss zu Gasheizung:
725 € + 1.088 € = 1.813 €/a
Überschuss zu WP mit Erdkollektoren: 725 € + 385 € = 1.110 €/a
Vergleich mit einer konventionellen Wärmepumpenheizung:
Eine konventionelle Wärmepumpenheizungsanlage benötigt bei gleichem Heizwärmebedarf eine etwa drei- bis fünfmal so große
Erdkollektorfläche oder eine entsprechende Anzahl Erdsonden. Die Kosten betragen ca. 35 bis 50 €/m2 Kollektorfläche bzw. lfd. m Erdsonden.
Auf das Beispielprojekt bezogen wäre eine Erdkollektorfläche von mindestens 240 m2 erforderlich.
Bei dauerhaftem Wärmeentzug des Erdreichs wird dieses während der Heizperiode auf etwa 0 °C abgekühlt. Hierdurch sinkt die Leistungszahl
der Wärmepumpe erheblich, der Strombedarf steigt. Um die Erdwärme besser zu nutzen, wären wesentlich größere Erdkollektorflächen
notwendig, wobei auch die Investitionskosten entsprechend steigen. Ohne Berücksichtigung der staatlichen Förderung für thermische Solaranlagen entstehen bei der Nutzung von Erdkollektoren oder Erdsonden Mehrkosten von etwa 1.200 bis 4.800 € (bei 240 m2 bzw. 240 m).
Unter Berücksichtigung der staatlichen Förderung für thermische Solarkollektoren von zurzeit 135 €/m2 entstehen sogar Mehrkosten von
9.300 bis 12.900 € und ein etwa 2,4facher Stromverbrauch ohne die Möglichkeit einer Energierückgewinnung.
Ein großer Teil der eingesparten Kosten sollte allerdings für die Wärmespeichertechnik, den ORC-Prozess und für die Kühlung des
ORC-Prozesses investiert werden, wodurch schließlich die Verbrauchskosten entsprechend sinken.
Werden auch Großenergieverbraucher wie Waschmaschine und Geschirrspüler über die Solaranlage mit Warmwasser versorgt,
so können nochmals einige 100 kWhel/a Energie eingespart werden.
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51
Praxiswissen
Energie
dampfer (4 – 5) wird hierbei die Solar- oder
Umgebungswärme zugeführt. Die benötigte Heizwärme wird dem Kondensator
und/oder dem Absorber entnommen. Der
Dampf wird über den Kondensator (2 – 3)
auf dem benötigten Temperaturniveau
ausgekoppelt. Dies ermöglicht eine gute
Anpassung an einen variablen Wärmebedarf, wobei der mechanische Wirkungsgrad bei höherem Temperaturniveau sinkt.
Werden hohe Temperaturen benötigt
(z. B. für Heißwasser), kann die Expansionsmaschine vorübergehend überbrückt werden (Bild ➋ , gestrichelt dargestellt). Der
Dampf gelangt somit wie bei einer konventionellen Absorptionswärmepumpe auf
einem höheren Druck- und Temperaturniveau direkt in den Kondensator.
Bezogen auf den Primärenergieeinsatz
kann z. B. unter Verwendung einer erdgasbetriebenen Brennstoffzelle, die gewöhnlich etwa 40 bis 50 % elektrische Energie
und ca. 40 bis 60 % Abwärme erzeugt, und
bei zusätzlicher Nutzung der Solar- bzw.
Umgebungswärme etwa 70 bis 120 % Niedertemperaturwärme und 45 bis 55 %
elektrische Energie gewonnen werden.
Der Gesamtwirkungs- bzw. Nutzungsgrad
Tabelle
Energie
steigt auf 130 bis 160 %. Gleiches gilt auch
für die Nutzung von Fernwärme auf Basis
der Kraft-Wärme-Kopplung und für
BHKW-Anlagen.
Technik
䉴 Bei gleichzeitigem Wärme- und Kälte -
Für die Kondensator- und Absorberkühlung
des ORC- oder des AWKD-Prozesses sollte
nach Möglichkeit Umgebungskälte genutzt
werden, da bei maximaler Sonneneinstrahlung erhebliche Mengen an möglichst kaltem Kühlwasser benötigt werden. Bei Wärmebedarf und ausreichender Sonneneinstrahlung erfolgt die Kondensatorkühlung
über den Heizungsrücklauf (nur auf niedrigem Temperaturniveau). Hierdurch kann
auch im Winter und in der Übergangszeit solarer Strom erzeugt werden. Bei einer maximalen Sonneneinstrahlung von etwa
1.000 W/m2, einem Kollektorwirkungsgrad
von etwa 50 % bei einer Temperatur von 100
bis 120 °C und einem Prozesswirkungsgrad
von etwa 7 bis 12 % fällt eine Kühl- bzw. Kondensationswärme von etwa 450 W/m2 Kollektorfläche an (Kondensatoreintrittstemperatur 10 °C, Austrittstemperatur 20 °C). Der
Dampfprozess erzeugt dabei eine Leistung
von ca. 35 bis 70 W/m2.
In sonnenreichen Gegenden können mit
Hochtemperaturanlagen deutlich höhere
bedarf (z. B. in der Lebensmittelindustrie)
wird die benötigte Kälte dem Verdampfer
entnommen (bis -60 °C). Ebenso ist auch
ein Antrieb (elektrisch oder über einen Verbrennungsmotor) der Expansionsmaschine
möglich, die jetzt als Wärmepumpe dient.
Hierbei wird der Prozess zwischen dem
Absorber und dem Austreiber (5 – 1) überbrückt (Bild ➋ , gestrichelt dargestellt).
Der Strom für den elektrischen Antrieb
kann von der Brennstoffzelle oder aus
dem EVU-Netz geliefert werden.
䉴 Bei hohem Kälte- und/oder Strombedarf
und hoher solarer Einstrahlung wird der
Austreiber über die Solaranlage und zusätzlich über einen Heizkessel oder über die
Abwärme eines Verbrennungsmotors bzw.
einer Brennstoffzelle beheizt. Die benötigte
Kälte wird dem Verdampfer (4 – 5) entnommen. Die Kondensatorkühlung erfolgt über
Außenluft, über das Erdreich, über Grundoder Brunnenwasser.
ORC/AWKD-Prozess
➁
Kollektorwärmeerträge bei fester mittlerer Kollektortemperatur Tm (kWh/m2)
Tm < 10 °C
> Umgebungstemperatur
14,2
18,9
23,5
23,0
17,0
14,0
9,0
8,0
10,0
12,5
12,1
11,4
173,6
kWh/m2
Tm = 10 °C
6,7
8,1
11,1
13,8
19,0
20,0
22,0
22,0
17,7
13,4
7,4
6,0
167,2
kWh/m2
Tm = 20 °C
5,0
7,1
9,6
11,7
14,0
19,2
16,0
15,0
11,5
9,6
5,5
3,9
128,1
kWh/m2
Tm = 30 °C
3,9
5,7
9,1
10,5
12,9
13,1
14,0
13,0
10,2
8,3
4,1
3,2
108,0
kWh/m2
Tm = 40 °C
3,2
4,4
8,1
9,8
11,5
11,7
12,7
11,9
9,7
7,5
3,3
2,6
96,4
kWh/m2
Tm = 50 °C
2,5
3,7
7,4
8,7
10,6
10,5
12,0
11,5
9,1
6,4
3,0
2,4
87,8
kWh/m2
Tm = 60 °C
4,0
6,0
12,9
14,0
18,0
19,1
22,2
21,6
16,5
11,1
5,2
3,8
154,4
kWh/m2
Tm = 80 °C
3,0
4,2
10,5
11,3
14,4
15,9
18,4
18,3
14,2
8,6
3,9
2,4
125,1
kWh/m2
Tm = 100 °C
2,3
3,0
7,8
9,1
12,5
13,1
15,6
16,2
11,6
6,3
2,3
1,2
101,0
kWh/m2
Tm = 120 °C
1,2
2,5
6,5
9,6
14,9
12,6
16,4
18,2
12,2
4,9
1,3
0,5
100,8
kWh/m2
Tm = 150 °C
0,0
0,3
1,5
2,5
5,2
3,8
6,7
9,3
4,3
0,5
0,0
0,0
34,1
kWh/m2
mittlere
Außentemperatur
2,5
2,4
7,0
10,5
15,2
17,6
20,5
20,5
16,4
11,5
5,7
4,0
11,1
°C
Heizwärmebedarf
2.092
1.905
1.339
729
0
0
0
0
0
586
1.507
1.841
10.000
kWh
von der Solaranlage
bis 30 °C
1.206
1.788
3.828
4.530
6.000
5.988
7.080
7.200
5.268
3.216
1.386
966
48.456
kWh
Warmwasserwärmebedarf
212
192
212
205
212
205
212
212
205
212
205
212
2.500
kWh
Gesamtwärmebedarf
2.304
2.097
1.551
934
212
205
212
212
205
798
1.712
2.053
12.500
kWh
Restwärmebedarf
über Wärmepumpe
1.098
309
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
326
1.087
2.820
kWh
Stromverbrauch
Wärmepumpe
199,6
56,2
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
59,2
197,7
512,8
kWh
Stromerzeugung
35,3
56,5
143,9
180,7
264,5
249,5
318,1
348,3
233,4
111,0
41,2
24,2 2.006,6
kWh
Leistungen erzielt werden und mit dem
AWKD-Prozess (evtl. zweistufig) auch
deutlich höhere Kühlleistungen.
„Spitzenleistungen“ können über einen Zwischenwärmespeicher reduziert werden, um
eine konstante Energieerzeugung bei geringerer Leistung bereitzustellen und die Größe und Kosten der ORC-Dampfanlage zu minimieren. Außerdem kann ein Teil der Kondensationswärme über einen Rekuperator
zurück gewonnen werden, indem das kondensierte Arbeitsmedium vorgewärmt wird.
Der Rekuperator (Wärmetauscher) befindet
sich vor dem Kondensator (ORC-Prozess).
Im Anschluss ist eine weitere Vorerwärmung
und evtl. Verdampfung über den Pufferspeicher möglich. Eine weitere Verdampfung und/oder Überhitzung des Arbeitsmittels erfolgt über die Solarkollektoren.
Ist die Nutzung von Grundwasser (über einen Brunnen) nicht möglich, so kann die
Kühlung auch über die Außenluft (günstige
Lösung, aber Wirkungsgradverlust aufgrund
höherer Außentemperaturen) oder über eine größere, ins Erdreich eingebrachte Regenwasserzisterne erfolgen, die sinnvollerweise auch für die Grundstücksbewässerung,
Toilettenspülungen, Waschmaschinen und
dergleichen genutzt wird (ca. 50 % des Wasserbedarfs). Die Zisterne befindet sich im
ständigen Austausch mit der Umgebungswärme des Erdreichs bei ca. 10 °C (Sommer
wie Winter) und sollte eine möglichst große
Oberfläche zur Erdumgebung bei ausreichender Tiefe haben. Sie kann somit sowohl
im Sommer als Kondensator für die Stromerzeugung dienen als auch im Winter bei nicht
ausreichendem Solarwärmeertrag einen Beitrag zur Wärmeerzeugung leisten.
Ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung dieser Technik ist die Zusammenwirkung einer elektrischen Wärmepumpe
und eines ORC-Dampfprozesses unter
Nutzung gemeinsamer Technik. Unter
Verwendung eines gemeinsamen Kältemittels dient die Wärmepumpe im Sommer als Antrieb für den Generator (Wärmepumpen-ORC-Prozess).
Mess-, Steuer- und Regelungstechnik ist für
einen optimalen, wirtschaftlichen und sparsamen Betrieb unumgänglich. Bei dem
AWKD-Prozess sollten das Drosselventil und
die Pumpe (zwischen Absorber und Austreiber) in einer Einheit zusammengefasst werden, damit der Überdruck einen Teil der benötigten Pumpleistung kompensieren kann.
Gleichzeitig wird über einen Lösungswärmeübertrager (Gegenstromwärmetauscher)
die Effizienz der Anlage deutlich verbessert.
Die zukünftigen Entwicklungsziele sollten sich auf eine weitere Verbesserung
des erreichbaren Wirkungsgrads und die
Weiterentwicklung von umweltfreundlichen organischen Arbeitsmitteln und
Zwei- bzw. Mehrstoffgemischen für geringe Temperaturbereiche fokussieren.
Bei direkter Erwärmung des Arbeitsmittels
über die Solarkollektoren oder über Abwärme erreicht der Dampfprozess einen höhe-
ren Wirkungsgrad, da die Wärmeverluste
des Wärmetauschers entfallen. Wird die Solarflüssigkeit durch das Arbeits- oder Kältemittel ersetzt (z. B. Perfluorpentan oder
R134a), so muss die gesamte Anlage allerdings einem hohen Druck standhalten, der
jedoch schon heute von vielen Herstellern
garantiert wird. Das Arbeitsmittel siedet ab 30 °C und kann somit bereits bei geringen
Temperaturen und geringem Dampfdruck
einen Beitrag zur Stromerzeugung leisten.
Solartechnik
Zum Erzielen eines möglichst hohen Solarwärmeertrags während der Wintermonate
müssen die Kollektoren je nach Art des Gesamtsystems ca. 35 bis 70° gegen die Horizontale geneigt sein. Die architektonische
Integration solch stark geneigter Kollektorflächen ist insbesondere bei Mehrfamilienhäusern und Pultdächern schwierig. Ein Teil
der Gesamtfläche sollte daher einen optimalen Neigungswinkel zur Sonne aufweisen.
Hoch-leistungs-Vakuumkollektoren können
z. B. an der Fassade angebracht werden.
Noch besser wäre eine schwenkbare Konstruktion (im Winter ca. 60 bis 80° Neigungswinkel, im Sommer 20 bis 30° Neigungswinkel – z. B. überdachte Terrasse). Die vorgewärmte Solarflüssigkeit wird über diese „optimal ausgerichtete“ Fläche weiter erwärmt
und kann somit besser genutzt werden.
Für die Vorerwärmung können auch mit der
Solarflüssigkeit oder über das Arbeitsmittel
gekühlte Photovoltaik-Elemente zum Einsatz kommen (Reihenschaltung, Nacherwärmung über thermische Solaranlage).
Die Photovoltaik-Elemente können somit
ebenfalls in die Dach- oder Fassadenkonstruktion integriert werden und müssen
nicht aufwändig hinterlüftet werden. Auch
bei der Photovoltaik wird ein Großteil der
Sonneneinstrahlung in Wärme umgesetzt.
Diese Wärme muss abgeführt werden.
Aufgrund der Kühlung kann bei starker Sonneneinstrahlung aber auch schon während
der Heizperiode ein deutlich besserer elektrischer Wirkungsgrad der Photovoltaik-Elemente erreicht werden (der elektrische Wirkungsgrad sinkt pro °K Temperaturerhöhung um etwa 0,4 bis 0,5 %). Außerdem
kann eine Überhitzung vermieden und die
Lebensdauer hierdurch erhöht werden.
Wärme-Kälte-Speichertechniken
Das Gebäude sollte eine hohe Wärmespeicherkapazität haben. Hierzu sind zunächst
schwere Bauteile (z. B. Beton, Kalksandstein) von Vorteil. Um eine SchlechtwetterÜberbrückungszeit von möglichst 8 bis
14 Tagen (je nach Außentemperatur) zu erreichen, sind weitere Wärmespeicher erforderlich (etwa Warmwasserpufferspeicher,
Sorptions- oder PCM-Speicher). Die Raumwärme und ggf. Kälteabgabe erfolgt über
eine Fußbodenheizung oder einem Warm-/
Kaltluftsystem mit Wärme-/Kälterückgewinnung. Ebenso können Kapillarrohrmatten im Estrich und teilweise im Wandputz
Praxiswissen
Praxiswissen
Energie
verlegt werden. Dem Estrich und Wandputz
können neuartige Phasenwechselmaterialien (PCM-Technik) beigemischt werden, um
eine höhere Wärmespeicherung (bei gleichbleibender Temperatur) zu erreichen.
Der Vorteil von Kapillarrohrmatten liegt gegenüber konventioneller Systeme bei einer
gleichmäßigeren Wärmeverteilung und einer deutlich geringeren Spreizung von Vorund Rücklauftemperatur von etwa 4 bis
5 °C. Hierbei sind Vorlauftemperaturen von
nur 25 bis 30 °C realisierbar (Direktbeheizung über die Solaranlage bzw. über die
Kondensationswärme bei gleichzeitiger
Stromerzeugung). Die Wärme- bzw. Kälteleistung beträgt bei 10 °C Temperaturdifferenz bereits etwa 90 W/m2.
Eine Kühlung der Gebäude kann direkt
über das Kühlwasser (mittels Wärmetauscher) oder über den Verdampfer des
AWKD-Prozesses und lediglich durch die
Umwälzpumpe erfolgen. Hier ist ebenfalls
nur eine geringe Temperaturspreizung erforderlich (Vermeidung von Luftkondensation). Der Energieaufwand für die Kühlung
beschränkt sich hierbei auf die Pumpleistung und beträgt ca. 2 bis 4 % einer konventionellen Klimatisierung.
Stromerzeugung und -verbrauch
In dem Projektbeispiel wurde ein großer Teil
der Dachfläche mit einer thermischen Solaranlage bestückt. Selbst im Winter wird
mehr Solarwärme (auf niedrigem Temperaturniveau) eingestrahlt als für den Betrieb
der Wärmepumpe im Durchschnitt benötigt wird. Schon mit einem gewöhnlichen
Wärmepumpenprozess (Verdampfungswäme über die Solarwärme statt Umgebungs„Kälte“) können große Energiemengen
(ca. 60 % gegenüber einer konventionellen Wärmepumpenheizung) eingespart
werden. Es ist zu erkennen, dass ca. 30 %
Solar-/Wohnfläche für die Beheizung eines
„Standard-Niedrigenergiehauses“ und 100 %
Energierückgewinnung ausreichen können.
Ein so genanntes „3-Liter-Haus“ käme entsprechend mit etwa 12 bis 15 % Solarfläche
bzw. 25 bis 30 m2 Kollektorfläche aus.
Größere Gebäude haben ein besseres A/VVerhältnis (Oberfläche zu Volumen) und
benötigen daher bei gleicher Wärmedämmung entsprechend weniger Heizwärme.
Bei einer deutlich geringeren Solarfläche
würde jedoch auch der solare Wärmeertrag sinken. Die Wärmepumpe benötigt
dann über einen längeren Zeitraum mehr
mechanische Energie.
Entwicklung
Ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung dieser Technik ist die Zusammenwirkung einer elektrischen Wärmepumpe und
eines ORC-Dampfprozesses unter der Nutzung gemeinsamer Technik. So kann z. B.
der Elektromotor (Drehstrom-Asynchronmotor), der für den Antrieb des Verdich-
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Energie
ters dient, auch als Generator für den ORCProzess genutzt werden. Hierfür ist eine
gemeinsame Welle, eine Kupplung und
evtl. eine Übersetzung erforderlich. Über
eine Stern-Dreieck-Schaltung kann der Motor bzw. Stromgenerator in zwei Leistungsstufen betrieben werden.
Darüber hinaus können die Drehzahl und
die Leistung über eine Polumschaltung in
zwei oder mehreren Stufen variiert werden
(z. B. 1.500 und 3.000 U/min). Hierdurch ergeben sich Leistungsstufen von z. B. 1/1,
1/2, 1/3 und 1/6 der Nennleistung für Generator und Motor. Für den ORC-Dampfprozess kann vorerst eine modifizierte oder
umgerüstete Kolben- oder Schraubenverdichterwärmepumpe dienen (Weiterentwicklung und Verbesserung). Mess-, Steuerund Regelungstechnik ist für einen optimalen und sparsamen Betrieb unumgänglich.
Die zukünftigen Entwicklungsziele sollten
sich ebenfalls auf eine weitere Verbesserung des erreichbaren Wirkungsgrads und
die Weiterentwicklung von umweltfreundlichen organischen Arbeitsmitteln für geringe Temperaturbereiche fokussieren.
Bei direkter Erwärmung des Arbeitsmittels
über die Solarkollektoren erreicht der ORCDampfprozess einen höheren Wirkungsgrad, da die Wärmeverluste des Wärmetauschers entfallen.
Wird die Solarflüssigkeit durch das Arbeitsmittel ersetzt (z. B. Perfluorpentan), so
muss die gesamte Anlage allerdings einem
Druck von bis zu 8 bar standhalten, was jedoch schon heute von vielen Herstellern garantiert wird.
Das Arbeitsmittel siedet unter Normalbzw. Umgebungsdruck bei etwa 30 °C und
kann bereits bei geringen Temperaturen
und geringem Dampfdruck einen kleinen
Beitrag zur Stromerzeugung leisten.
Wärmepumpe und ORC-Prozess bilden hierbei eine Einheit, d. h., die Wärmepumpe
dient unter Einsatz des gleichen Kältemittels auch als Expansionsmaschine. Noch
sinnvoller kann die Nutzung eines Zweistoffgemischs wie Ammoniak-Wasser sein,
da hier die Verdampfungstemperatur von
der Ammoniakkonzentration des Stoffgemischs abhängt.
Bei dem Wärmepumpen-ORC-Prozess wird
ein gemeinsames Kältemittel verwendet. Eine modifizierte Wärmepumpe arbeitet bei
ausreichender Wärmezufuhr als Antrieb für
den Generator. Die Anlage arbeitet in einem
großen Temperatur- und Druckbereich. Bei
der Energieerzeugung erfolgt die Kondensation auf einem höheren Druckniveau als
bei getrennten Prozessen. Dieses Aggregat
kann zu ähnlichen oder gleichen Kosten wie
eine Wärmepumpe hergestellt werden.
Verschiedene Hersteller bieten industriell
gefertigte Großkollektormodule mittlerweile zu einem Preis von ca. 200 €/m2 einschließlich Montage, ohne Mwst. an (siehe
Forschungsbericht Solarthermie 2000).
Rechnet man dagegen die Kosten für eine
konventionelle Dacheindeckung von 80 bis
über 150 €/m2, so entstehen Mehrkosten
von 50 bis 120 €/m2. Darüber hinaus kann
bei gut wärmegedämmten Großkollektoren auf eine zusätzliche Wärmedämmung
verzichtet werden (insbesondere, wenn
der Dachbereich unbewohnt ist oder für
Abstellmöglichkeiten genutzt wird). Außerdem gibt es für thermische Solarkollektoren einen staatlichen Zuschuss.
Optisch ist eine komplette Dacheindeckung wesentlich anspruchsvoller als aufwändige und wesentlich teurere Auf- und
Indachmontagen. Dachfenster lassen sich
integrieren. Auch eine Kombination mit
Photovoltaik-Elementen wäre denkbar.
Durch Weiterentwicklung und Zusammenarbeit mit Wärmepumpen- und Absorptionswärmepumpen-Herstellern lassen sich
noch beträchtliche Potenziale für signifikante Kostenreduzierungen erschließen.
Praxiswissen
auch die Nutzung einer Brennstoffzelle,
wobei der erzeugte Strom für den Antrieb
der Wärmepumpe genutzt wird. Natürlich
sollte auch hier nicht auf eine Stromerzeugung während der Sommerzeit verzichtet
werden. Der erzeugte Strom kann in das
EVU-Netz
gespeist werden.
Fazit
Wenn es gelingt, alle genannten Potenziale zu erschließen, eröffnen sich für die
Solarwärmenutzung mittels ORC- bzw.
AWKD-Prozess große Marktchancen in
und für Deutschland (Export).
Größere Objekte und Altbauten mit geringerer Wärmedämmung und höherem
Temperaturniveau können mit einer Gasoder Heizöl-Wärmepumpe betrieben werden, da hier zusätzlich die Kühl- und Abgaswärme (bis zur Kondensation) des Motors genutzt werden kann. Denkbar ist
Dipl.-Ing. Gerhard Steger,
Fahrdorf
55 Jahre, aufgewachsen in
Berlin, Studium Bauingenieur/
Wirtschaftsingenieur an der
TU Berlin, berufliche Stationen in Amsterdam, Berlin,
Hamburg, Schleswig, Kiel;
eigenes Büro seit 1995; berufliche Schwerpunkte: Energieberatung, Modernisierungsplanung im Hochbau, Bauphysik
Dipl.-Ing. Jörg Dryczynski,
Kiel
44 Jahre, geboren in Kiel,
Studium Elektrotechnik an
der FH Kiel, Fernstudium
Energie- und Umweltmanagement an der TU Berlin,
beruflich tätig bei Stadtwerke Kiel AG, Siemens AG (Planung und Projektierung), Landesbauamt Kiel (Bauleitung Klinikum), Ingenieurbüro Steger (Energieberatung)
Kontakt
Ingenieurbüro Steger
Gerhard Steger
Jörg Dryczynski
Mühlenberg 8
Hofholzallee 19
24857 Fahrdorf
24109 Kiel
Tel.: 04621/932251
Tel.: 0431/5350645
E-Mail: [email protected]
E-Mail: [email protected]
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