Forschung für unsere Zukunft

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InnoGen InnoGen - Innovative Generatorkonzepte für hocheffiziente direkt befeuerte Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpen

In Österreich werden etwa 60 % der Einfamilienhäuser mit fossilen Brennstoffen (Heizöl, Flüssig- oder Erdgas) unter Nutzung einer Zentralheizung beheizt. Etwa 50 % aller Ölkessel und 17 % der Gaskessel sind dabei mehr als 15 Jahre alt und damit nicht mehr auf dem Stand der Technik. Dazu kommt, dass viele dieser Anlagen überdimensioniert sind, was zur Zeit der Installation weitgehend üblich war. Laut dem VÖK (Vereinigung Österreichischer Kessellieferanten) hat dies zur Folge, dass Österreichs Haushalte aufgrund der veralteten Technik rund 690 Millionen Euro pro Jahr zuviel an Heizkosten zahlen. In CO2-Emissionen ausgedrückt bedeutet dies eine unnötige Emission von 1,7 Millionen Tonnen pro Jahr. Das Einsparungspotential an Treibhausgas (THG) Emissionen durch Ein-satz modernster Technologien ist demnach enorm. Eine solche hocheffiziente Technologie ist die direkt befeuerte Absorptionswärmepumpe. Die Technologie ist in der Lage neben der im Brennstoff gespeicherten Energie auch Umgebungswärme (d.h. erneuerbare Energie zum Beispiel in Form von Erdwärme) für Heizzwecke zu nutzen. Auf diese Art ist es möglich Effizienzen zu erzielen, die jene der aus heutiger Sicht modernsten Technologie, der Brennwerttechnik, um 50 – 100 % übersteigen. Besonders interessant ist die Absorptionswärmepumpe für den Bereich der Gebäudesanierung. Dort werden aufgrund der bereits vorhandenen E-nergieversorgungsinfrastruktur die installierten Energieformen in einem Großteil der Fälle beibehalten, womit eine Substitutionstechnologie für die bis heute vielfach eingesetzte Kesseltechnologie benötigt wird. Oft ist es im Sanierungsbereich aufgrund baulicher Gegebenheiten auch notwendig auf Heizungssysteme mit hohen Vorlauftemperaturen zurückzugreifen, was den potentiellen Einsatz von Niedertemperaturheizsystemen ausschließt. Auch hier bieten direkt befeuerte Absorptionswärmepumpen entscheidende Vorteile, da hohe Vorlauftemperaturen erreicht werden. Eine Schlüsselkomponente für die Entwicklung hocheffizienter direkt befeuerte Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpen ist der Generator. Ein gängiges Problem in diesem Zusammenhang ist die Dissoziation von Ammoniak bei hohen Temperaturen, was die theoretisch erzielbare Effizienz dieser Systeme signifikant beeinträchtigt. Um das volle Potential und damit den Durchbruch der Technologie am Markt zu erhöhen, müssen daher neue Generatorkonzepte durch Einsatz neuester wissenschaftlicher Methoden und Erkenntnisse entwickelt werden. In diesem Forschungsprojekt wird die Temperaturverteilung in einem direkt befeuerten Generator mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) in Kombination mit experimentellen Analysen charakterisiert. Des Weiteren wird der Dissoziationsprozess von Ammoniak bei erhöhten Temperaturen untersucht. Durch diese Forschung werden wichtige theoretische Grundlagen für die Entwicklung leistungsfähiger und hoch effizienter Generatorkonzepte für Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpen erarbeitet.

Ausgangssituation

Zielsetzung in diesem Projekt war die Entwicklung und Evaluierung eines innovativen Generatordesigns einer direkt befeuerten Absorptionswärmepumpe unter Durchführung folgender Forschungsarbeiten:
• Untersuchungen der Korrosionseigenschaften unterschiedlicher Materialien und der Dissoziation von NH33 bei Temperaturen bis 200 °C
• Charakterisierung eines existierenden Generatorkonzeptes in Bezug auf dessen lösungsseitigen Temperaturverteilung
• Design eines innovativen neuen Generatorkonzeptes und dessen experimentelle Charakterisierung
• Test der beiden Generatortypen in einer Absorptionswärmepumpe

Projektverlauf

Es wurden mehrere Generatorkonzepte für eine gasbetriebene Absorptionswärmepumpe entwickelt, gebaut und getestet. Augenmerk lag dabei auch auf der Vermeidung von Korrosion durch die Ammoniak/Wasser-Lösung.

Ergebnisse

Basierend auf den Projektresultaten sollten weitere zukünftige Forschungsarbeiten zum Thema Korrosion und Korrosionsvermeidung (z.B. durch Verwendung von Inhibitoren) in direkt befeuerten Absorptionswärmepumpen unter Verwendung des Arbeitsstoffpaares Ammoniak/Wasser durchgeführt werden, da die Korrosion und nicht die Dissoziation die Ursache der Fremdgasbildung in den Anlagen ist und die Resultate teilweise auch im Widerspruch zu Literaturquellen stehen. Diese Thematik spielt auch eine wesentliche Rolle im Generatordesign, da dieser, wie im Projekt gezeigt wurde, bei möglichst hohen Temperaturen betrieben werden sollte, aber andererseits die Korrosionseffekte und die damit verbundene Fremdgasbildung bei höheren Temperaturen begünstigt werden. Aus diesem Grund ist auch eine Verbesserung der verfügbaren CFD-Modelle notwendig, um bei zukünftigen Entwicklungsarbeiten präzisere Aussagen über die lösungsseitigen Temperaturverteilungen im Generator treffen zu können. Diese Entwicklungen müßten vor allem die Modellierung der Lösungsseite aber auch die komplexe Koppelung zur Rauchgasseite beinhalten. Als Folge dieser Entwicklung- und Forschungsarbeiten könnten auch zwei- oder mehrstufige Absorptionswärmepumpen in Zukunft ein Thema werden, mit denen höhere Leistungszahlen erreichbar wären und auf Grund deren höheren Betriebstemperaturen ein tieferes Verständnis für die Korrosionsmechanismen und für das Design der Komponenten notwendig sein wird.

Steckbrief

Projektnummer
821858
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Peter Benovsky, pbenovsky@compen.sk
Schlagwörter
Wärmepumpe Absorption Ammoniak
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
08.2009 - 07.2012
Budget
377.030 €