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ICON Rauchgaskondensation der Zukunft mit hohem Jahresnutzungsgrad durch Kombination mit einer Industriewärmepumpe

Ausgangssituation

Rauchgaskondensationsanlagen für Biomasseverbrennungsanlagen sind eine bekannte Technologie für die Anwendung im Bereich Wärmerückgewinnung, Staubreduktion und Entschwadung des Rauchgases, wie sie typischerweise ab Biomassekesselleistungen von ca. 1 MWth sinnvoll eingesetzt werden können. Rauchgaskondensation ist umso effizienter je stärker das Rauchgas unter den Taupunkt abgekühlt und die freiwerdende fühlbare und insbesondere latente Wärme genutzt werden kann. In der Praxis ist die sinnvolle Nutzung von Niedertemperatur leider meist sehr eingeschränkt, da der zur Kühlung des Rauchgases verfügbare Heizungsrücklauf (50 und 60°C) häufig zu hohe Temperaturen aufweist, um das Rauchgas deutlich unter dessen Wassertaupunkt (ebenfalls im Bereich 50 und 60°C) abkühlen zu können und die Anlagen oftmals nicht ganzjährig in Betrieb sind. Aufgrund dieser Limitierung ist meist keine effiziente Nutzung der Kondensationswärme möglich - dafür müsste ein Rücklauf von rund 40°C oder niedriger zur Verfügung stehen, sodass der erzielbare Jahresnutzungsgrad wie auch die Wirtschaftlichkeit der Anlagen negativ beeinflusst werden. Ein positiver Nebeneffekt einer effizienten Rauchgaskondensation ist auch die verbesserte Entstaubung durch stärkere Bindung der Feinstaubpartikel an den Kondensationstropfen. Die meisten Rauchgaskondensationsanlagen sind mit einer anschließenden Rauchgasentschwadung ausgestattet, welche bei einem verstärkten Kondensationsbetrieb eine geringere erforderliche Entschwadungsluftmenge benötigen und dadurch der Investitions- und Betriebskostenaufwand für die Ventilatoren deutlich verringert.

Projektverlauf

Ziel dieses Projektes war es, die Kondensationswärme der Rauchgaskondensationsanlage durch Integration einer Industriekompressionswärmepumpe effizient und ganzjährig nutzbar zu machen, indem die Niedertemperaturwärme des Rauchgases auf ein Temperaturniveau angehoben wird (z.B. von 40°C auf rund 60°C), das direkt in konventionellen Heizungsrückläufen von Fern- bzw. Prozesswärmesystemen genutzt werden kann. Dafür war die Entwicklung eines für das Arbeitsmittel der Wärmepumpe geeigneten Rauchgaskondensators erforderlich, welcher im Rahmen dieses Projektes neu entwickelt wurde. Das höchste Entwicklungs- und Optimierungspotenzial wurde dabei in der direkten Einbindung der Wärmepumpe (Rauchgaskondensator = Kältemittelverdampfer) in die Rauchgaskondensationsanlage, in der richtigen Kältemittelwahl und in der Verbesserung der Kondensatorauslegung, die mit den derzeitigen Methoden nur relativ ungenau möglich ist, gesehen. Die Kondensatorentwicklung erfolgte dabei in einer 1. Stufe durch entsprechende Berechnungen und Simulationen und in einer 2. Stufe im praktischen Test an einer Versuchsanlage.

Das erarbeitete Konzept beinhaltete die Auslegung der Kondensationsanlage und der Wärmepumpe selbst als auch ihrer Komponenten sowie die optimierte Systemeinbindung und die energetische, ökologische und ökonomische Bewertung des gesamten Systems.

Im Projekt wurde zuerst eine Bestandsaufnahme durchgeführt, auf deren Basis Anforderungsprofile für die neuartige Technologie erstellt wurden. Für die Systemintegration der Wärmepumpe wurden Konzepte zur hydraulischen Einbindung, zur Regelung und für eine sicherheitstechnisch einwandfreie Betriebsweise entwickelt. Ein Schwerpunkt des Projektes lag auf der Entwicklung des Rauchgaskondensators, der auf Grund der direktverdampfenden Ausführung der Wärmepumpe auch gleichzeitig als Verdampfer der Wärmepumpe diente. Für die Auslegung des Rauchgaskondensators wurden dabei zwei Modelle (stationäres Kondensationsmodell nach VDI und ein CFD-Modell auf Basis der Nukleationstheorie) entwickelt, die an einer im Projekt entwickelten Versuchsanordnung validiert wurden. Weiters wurden mit experimentellen Methoden Korrosionsversuche bzw. Versuche zur Bewertung des Abwasserbehandlungssystems an einer Großanlage unter realen Betriebsbedingungen durchgeführt. Auf Basis dieser Arbeiten konnte der Rauchgaskondensator für die Versuchsanlage ausgelegt werden.

Für Planungsarbeiten (Konstruktion, Kältekreisberechnungen, MSR Arbeiten etc.) wurden gängige Ingenieurtools eingesetzt. Die Wärmepumpe wurde vor Inbetriebnahme an einem Prüfstand getestet und anschließend inklusive einer für den Anwendungsfall ausgelegten Rauchgaskondensationsanlage in einer Biomasseanlage integriert und getestet. Auf Basis dieser Versuchsläufe erfolgte eine Bewertung der Technologie in Bezug auf Wirkungsgrade, Teillastverhalten, hydraulischer Einbindung der Wärmepumpe, Auswirkungen auf Staubemissionen sowie auf deren wirtschaftlichen und ökologischen Potential.

Ergebnisse

Die wesentlichen Erkenntnisse aus dem Projekt sind, dass einerseits die technische Machbarkeit der untersuchten Technologie gezeigt wurde und diese andererseits auch, aufgrund der relativ kurzen Amortisationszeiten von etwas mehr als 3 Jahren, ein großes wirtschaftliches Potential zur Steigerung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Biomasseheizwerken ab einer thermischen Leistung von 2 MW hat, sofern die Rücklauftemperaturen des Fernwärmenetzes über 50 bis 55 °C liegen, was in Österreich und mitteleuropäischen Ländern sehr häufig der Fall ist. Weiters ist die effiziente Wärmerückgewinnung auch bezüglich der Biomassebrennstoffeinsparung (Ressourcenschonung) und der CO2-Emissionsreduktion von großer Bedeutung. Die Ergebnisse des Versuchsanlagenbetriebs zeigen Effizienzsteigerungen durch die Wärmerückgewinnung von bis zu 14 %-Punkte (in Bezug auf den Primärenergieeinsatz) gegenüber einer reinen Kesselanlage. Auf Basis dieser Ergebnisse erscheint eine Weiterführung (Demonstration) der neuen Technologie grundsätzlich sinnvoll und möglich.

Steckbrief

Projektnummer
829964
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Thomas Fleckl, Thomas.Fleckl@ait.ac.at
Partner
BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH
OCHSNER Wärmepumpen GmbH
Scheuch GmbH
Schlagwörter
Rauchgaskondensation Industriewärmepumpen Energieeffizienz Biomasseverbrennungsanlagen
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
01.2011 - 06.2016
Budget
968.737 €