Adsorptionswärmepumpen Nachfolger der Brennwertkessel?

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
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© 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 =
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= 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
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© 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
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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
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Energiebilanz einer Wärmepumpe
Wärmepumpe
Antriebsenergie
𝐸Antrieb
QUmg
QHeiz
𝑄Heiz = 𝑄Umg + 𝐸Antrieb
 es kann nicht beliebig viel Umgebungswärme zugesetzt werden
 Carnot-Wirkungsgrad:
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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
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𝜂C,AWP = 2,1
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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
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Adsorptionsprozess
 Bindung von Gas oder Flüssigkeit an Oberfläche Feststoff
 exothermer und reversibler Prozess
© LTT
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Stoffpaarungen
© Ravedave
© LTT
© LTT
Adsorbent:
Zeolith
Silicagel
Aktivkohle
Adsorbat:
Wasser
Wasser
Ammoniak
Methanol
 ungiftig
 nicht entzündlich
 GWP = 0
 ODP = 0
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Funktionsprinzip Adsorptionswärmepumpe
Desorption
Adsorption
Adsorptionsmittel
𝑄̇Des
𝑄̇Ads
Antriebswärme
Adsorptionswärme
Austreiben des Wassers
𝑄̇Kond
Aufnahme des Wassers
Wasser
Kondensationswärme
 zyklischer Prozess
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𝑄̇Verd
Verdampfungswärme
Technische Umsetzung
Prototyp einer
Adsorptionswärmepumpe am LTT
Kondensator
𝑄̇Des
𝑄̇Verd
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Adsorber
𝑄̇Kond
𝑄̇Ads
Verdampfer
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© LTT
Zykluszeit
 Wirkungsgrad steigt mit zunehmender Zykluszeit
 Leistung hat Maximum bei niedriger Zykluszeit
 Zykluszeit ist bedarfsorientiert zu regeln
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Adsorptionsprozess im Isosteren-Diagramm
x
x
𝑇des
𝑇evap
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𝑇cond
Temperaturabhängigkeit
x
𝑇evap
10°C
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𝚫𝒙
Antriebstemperatur
35°C
Heiztemperatur
90°C
Umgebungstemperatur
Prozessbegünstigende
Temperaturen:
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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, …
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Heiztemperatur
 Fußbodenheizung
 Vorlauftemperatur so niedrig wie möglich
© H. Raab
 Warmwasserbereitung
 mit Adsorptionswärmepumpen ineffizient
 ähnlich zu elektrischen Wärmepumpen
 Warmwasserbereitung besser mittels Alternativen

Gasbrenner
© turydddu

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Solar
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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
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© W. Pilsak
weitere Anwendungen
 Solare Kühlung

Sonneneinstrahlung und Kühlbedarf

CO2-freie Klimatisierung

Entlastung der Stromnetze
© LTT
 Offene Adsorptionssysteme

Luftentfeuchtung

Adsorptionstrocknung

Wassergewinnung
 Thermische Speicher
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
hohe Kapazität

Wärme- und Kältespeicherung
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© 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
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© 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
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ja!
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit
Dr.-Ing. Franz Lanzerath
TLK Energy GmbH
www.tlk-energy.de
[email protected]

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