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C - Klima

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WÄRMEPUMPEN FÜR DEN
INDUSTRIELLEN EINSATZ
René Rieberer, Gerald Zotter, David Hannl
TU Graz – Institut für Wärmetechnik
Inffeldgasse 25/B
8010 Graz
rene.rieberer@tugraz.at
Graz, 14.10.2014
1
Industriewärmepumpen
Inhalte:
 Motivation und Anforderungen
 Beispiele für Industrie-Wärmepumpen (WP)
 Projekt „HyPump“
Graz, 14.10.2014
2
Industriewärmepumpen
Energiesituation in Österreichs Industrie
Endenergieträger in der österreichischen Industrie
(Daten: Statistik Austria, 2010)
Anteiliger Endenergieverbrauch in Österreich
(Daten: Statistik Austria, 2010)
Graz, 14.10.2014
3
Industriewärmepumpen
Innerbetriebliche Abwärmenutzung
•
•
•
•
•
Pasteurisieren/Sterilisieren
Trocknungsprozess
Galvanik
Bleichen
etc.
Prozesswärme
Effizienz:
Nutzwärme
(70 - 120°C)
SPF = -------------------(40-250°C)
Antriebsenergie
(20-100°C)
(60-100°C)
Prozesswärme
….
Hochtemperatur
Hochtemperatur
Ind-WP
Primär
Energie
•
•
•
•
•
Kältemaschinen
Druckluftkompressoren
Back- und Beschichtungsöfen
Reinigungsabwässer
etc.
Graz, 14.10.2014
Primär
Energie
(20-50°C)
(30-70°C)
(20-100°C)
(20-60°C)
….
Abwärme
Niedertemperatur
4
Industriewärmepumpen
Enormes ökologisches Potential
Effizienz:
Nutzwärme
SPF = -------------------Antriebsenergie
Annahmen:
hgaskessel = 85%
320 gCO2/kWhel (lt. KPC, 2011)
CO2-Einsparpotential: elektr. Wärmepumpe vs. Gaskessel
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
Enormes ökologisches Potential:
 Lt. Studie von Lambauer et al. (2008) sind in
Deutschland durch den Einsatz von Ind-WP
Emissionseinsparungen i.d.H.v. ≈ 6 Mt CO2 / a erzielbar.
 Prozentuell ähnliches (höheres) CO2-Einsparpotential
für Österreich
Graz, 14.10.2014
6
Industriewärmepumpen
 Trotz großem ökologischen Potential bis dato
geringe Verbreitung:
 Geringer Bekanntheitsgrad und fehlendes Know-how
 Skepsis aufgrund mangelnder Erfahrung
(Betriebssicherheit)
 Gefordertes Temperaturniveau meist zu hoch für
konventionelle WP
 Amortisationszeiten
Industrie fordert meist < 3 a (Relation Strom / Gaspreis!)
I.d.R. „maßgeschneiderte“ Anlagen notwendig  Invest >
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
 Die wichtigsten Anforderungen an eine Ind. WP
 Nutztemperaturen meist > 80 ºC
 Hohe Zuverlässigkeit
 Hohe Effizienz
 Schnelle Amortisation
 Einfache Integration
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
 „Hochtemperatur“-Wärmepumpen über 80 °C
 Herausforderungen mit
 „einfachen“ Kreisläufen: Einsatzgrenzen & Effizienz
 konventionellen Kältemitteln: hohe Drücke und VerdichterAustrittstemperaturen
 Entwicklung neuer WP & Kältemittel
 Internat. Projekt „IEA HPP Annex 35: Industrial HPs“
 Ziel: Größere Verbreitung
 Überblick F&E-Aktivitäten
 Doku von realisierten Anlagen-Beispielen, …
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
Anlagenbeispiel aus dem Ausland (lt. IEA HPP Annex 35)
 NH3-Kompressions WP in der Schoko-Herstellung (GB)
 @ Nestle UK Ltd
Quelle: Final Report IEA Annex 35
Graz, 14.10.2014
 Wärmequelle: Prozesskühlwasser (5 °C)
 Wärmesenke: Prozesswarmwasser (60 °C)
 Heizleistung: 1,25 MW / Kälteleistung: 3,2 MW
 Inbetriebnahme: 2010
 Laufzeit: 7400 h/a
 COP: 6,25 (Heizen/Kühlen)
 Einsparungen: 166 k€/a & 120 t CO2/a
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Industriewärmepumpen
Anlagenbeispiel aus dem Inland (lt. IEA HPP Annex 35)
H2O/LiBr-AbsorptionsWP zur Rauchgaskondensation (AUT)
Quelle: Schweighofer 2013
Graz, 14.10.2014
@ Schweighofer Fibre GmbH
Quelle: Rauchgas (50 °C)
Senke: Fernwärme (90 °C)
Heizleistung 7,5 MW
Inbetriebnahme: 2006
Laufzeit: 7500 h/a
COP: 1,6 (thermisch; Antrieb: Prozessdampf)
Einsparungen: 15 GWh/a & 6000 t CO2/a
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Industriewärmepumpen
Anlagenbeispiel aus dem Ausland (lt. IEA HPP Annex 35)
 Hybrid-WP (NH3/H2O) in der Milchpulverherstellung (DK)
@ Arla Foods Arinco
Quelle: Prozesskühlwasser (40 °C)
Senke: Trocknungsluft (80 °C)
Heizleistung: 1,25 MW/ Kälteleistung: 1 MW
Inbetriebnahme: 2012
Laufzeit: 7400 h/a
COP: 4,6
Einsparung: 1400 t CO2/a
Amortisation: 1,5 - 2,3 a
Graz, 14.10.2014
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Quelle: DTI Annual Report 2012
Industriewärmepumpen
FFG-Projekt „HyPump“
 Partner: TU Graz - IWT, AIT, Frigopol GmbH
 Projektziel: Entwicklung und experimentelle
Analyse einer „hybriden“
Absorptions/Kompressions-Wärmepumpe
kleiner bis mittleren Leistung für
Hochtemperaturanwendung (ca. 100°C)
 Verwendung standardisierter Komponenten
(moderate Druckniveaus)
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
 Absorptions/Kompressions-Wärmepumpe
(„Hybrid WP“)
.
.
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
Absorptions/Kompressions-Wärmepumpe
QSink
QSource
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
 Charakteristika einer Hybrid-Wärmepumpe
 Absorption und Desorption anstelle von
Kondensation und Verdampfung
 Moderate Druckniveaus: veränderbar über das
Verhältnis Kältemittel zu Lösungsmittel im System
 Leistungsregelung durch Variation des
Niederdruckniveaus möglich
…
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
 Charakteristika einer Hybrid-Wärmepumpe
110
100
90
80
70
60
0
tABS
tSINK
20
40
60
Q [%]
80
100
x 10-1
tDES, tSOURCE [°C]
tABS, tSINK [°C]
 Annäherung an den „Lorenz“-Prozess:
Wärmeübertragung im Absorber und Desorber
bei gleitender Temperatur
70
60
50
40
30
20
0
tSOURCE
tDES
20
SINK … Wärmesenke, SOURCE … Wärmequelle
Graz, 14.10.2014
17
40
60
Q [%]
80
100
x 10-1
Industriewärmepumpen
 Highlights beim Kreislaufdesign
 „Neues“ Stoffpaar: Ammoniak/Lithiumnitrat
 2-stufige Kompression mit Zwischenkühlung
(Reduktion der Kompressor-Austrittstemperatur)
 2-stufige Ölabscheidung für hohe Abscheideraten
 Absorber mit Blasenabsorption und spezieller
Verteilgeometrie am Eintritt
 Systemregelung für stabilen Betrieb bei
variierenden Betriebsbedingungen
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
Basierend auf Kreislaufschema wurde am IWT
ein Simulationsmodell (EES) aufgebaut
Graz, 14.10.2014
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Graz, 14.10.2014
‹Nr.›
Industriewärmepumpen
 Aufbau eines Funktionsmusters am IWT
 Adaptierte NH3-Trennhaubenkompressoren
wurden von der Fa. Frigopol geliefert
 Vorstudien zum optimierten AbsorberEinlassdesign wurden am AIT durchgeführt
 Ausschließlich Plattenwärmetauscher verwendet
(inkl. Absorber und Desorber)
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
Bild des Funktionsmusters am IWT
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
plow = 3 bar
phigh = 18 bar
tsink,in = tsource,in
QSink ≈ 13 kW
Anm.: Fehlerindikatoren
gemäß Gauß‘scher
Fehlerfortpflanzung
Graz, 14.10.2014
tcomp,out, tsink,out, tsource,out [°C]
120
100
3,0
2,9
2,8
2,7
2,6
2,5
2,4
2,3
2,2
2,1
2,0
tcomp,out
80
COPH
tsink,out
60
40
tsource,out
20
0
40
50
60
70
tsink,in / tsource,in [°C]
23
80
COPH [-]
 Bsp. Messungen mit Funktionsmuster am IWT
Industriewärmepumpen
 Messung vs. Simulation:
 Simulierter Temperaturhub und Effizienz konnten mit
erstem Funktionsmuster noch nicht erreicht werden.
 Analyse der Messergebnisse zeigt
Optimierungsbedarf:
 beim Absorberdesign
 bei der elektr. Leistungsaufnahme und den Wärmeverlusten
der Kompressoren
 hinsichtlich Verschleppung von Lösungsmittel in
Kältekreislauf.
Graz, 14.10.2014
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Industriewärmepumpen
Fazit
 Weltweite Anstrengungen um größere
Verbreitung von Ind. Wärmepumpen zu erreichen
 Gefordert werden relat. hohe Temperaturen,
Zuverlässigkeit, kurze Amortisationszeiten
 I.R. des Projekts „HyPump“ wurde
 ein neues Arbeitsstoffpaar (NH3/LiNO3) eingesetzt,
 ein Funktionsmuster erfolgreich aufgebaut, in Betrieb
genommen & getestet
 Messdatenanalyse zeigt Optimierungspotentiale
Graz, 14.10.2014
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Danke für Ihre Aufmerskamkeit
und an die Födergeber!
Die Beteiligung am IEA HPP ANNEX 35 „Application of Industrial Heat Pumps“
(FFG-Projekt Nr. 824966 & 839570) wurde durch das bmvit Austria im Rahmen der
IEA-Beteiligung finanziell gefördert.
Das Projekt „HyPump“ (FFG-Projekt Nr. 834614) wird aus Mitteln des Klima- und
Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „NEUE ENERGIEN 2020“
durchgeführt.
Graz, 14.10.2014
26
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