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NexGen Gasabsorptionswärmepumpe der nächsten Generation

Im Zuge des Projekts NexGen wurde untersucht, in wieweit GAX-Prozesse in gasbetriebenen Absorptionswärmepumpen (G-AWP) für den kleinen Leistungsbereich (≈ 18kW) eingesetzt werden können und welche Prozessmodifikationen dafür notwendig sind. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen dazu, in mittlerer Frist hoch effiziente Gas-Absorptionswärmepumpen zu entwickeln. Derartige Systeme verfügen über eine sehr hohe Effizienz (ca. 170% im Vergleich zu Gas-Brennwertgeräten) und stellen somit eine attraktive zukünftige Alternativtechnologie zur heutigen Brennwerttechnik dar.

Eine Schlüsselkomponente der G-AWP war der Generator, dessen Performance für die ganze Maschine maßgebend ist. Aus diesem Grund wurde diese Komponente im Projekt einer genaueren Untersuchung unterzogen. Zudem wurde das System mit einer Leistungsmodulation ausgestattet, um die G-AWP für Heizungsanwendungen im kleinen Leistungsbereich sinnvoll und effizient betreiben zu können. Nachdem sich bei einer Leistungsmodulation die fundamentalen physikalischen Prozesse (Strömungszustände, Stoff- und Wärmeübergangsprozesse) sehr stark verändern können, musste dafür die Natur dieser Prozesse in einem sehr weiten Betriebsbereich verstanden werden, bevor ein Konzept bzw. eine Regelungsstrategie für eine solche Maschine entwickelt werden konnte.

Um die Fragen, nach einer konkurrenzfähigen Anwendung der G-AWP im niedrigen Leistungsbereich, zu klären, wurden verschiedene GAX–Zyklus Konfigurationen simuliert. Die meistversprechenden Konzepte von GAX-Generatoren wurden anschließend gefertigt und hinsichtlich ihrer Charakteristiken experimentell untersucht. Danach wurde ein Funktionsmuster einer GAX Absorptionswärmepumpe samt Regelkonzept (Alpha-Anlage) gebaut, und auf einem eigens dafür entwickelten Prüfstand hinsichtlich Energieeffizienz und Stabilität des Regelalgorithmus analysiert. Am Projektende wurde das Funktionsmuster (Alpha-Anlage) zusätzlich einer Prüfung nach der geltenden Norm bei optimierten Betriebsparametern unterzogen.

Das Projekt behandelte primärprioritär den Schwerpunkt 3.3 „Erneuerbare Energieträger“, Subschwerpunkt: 3.3.4 „Sonstige Erneuerbare Energieträger & Umwandlungstechnologien“ innerhalb der 5. Ausschreibung Neue Energien 2020.

Ausgangssituation

In Österreich wird rund die Hälfte der Einfamilienhäuser mit fossilen Brennstoffen (Heizöl, Flüssig- oder Erdgas) beheizt, wobei etwa 50 % aller eingesetzten Öl- und 17 % aller Gaskessel älter als 15 Jahre sind und damit nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen. Hinzu kommt, dass viele dieser Anlagen überdimensioniert sind. Laut der Vereinigung Österreichischer Kessellieferanten hat dies zur Folge, dass Österreichs Haushalte rund 690 Millionen Euro pro Jahr zuviel an Heizkosten zahlen. In CO2-Emissionen ausgedrückt bedeutet dies einen unnötigen Ausstoß von 1,7 Mio. Tonnen pro Jahr. Im Kontext der ambitionierten Zielvorgaben zur nachhaltigen Ressourcennutzung sowie zur Verbesserung des Klimaschutzes müssen in Zukunft zwei Faktoren gleichermaßen Berücksichtigung finden: der zunehmende Einsatz erneuerbarer Energieträger sowie die Steigerung der Effizienz beim Einsatz konventioneller, fossiler Energieträger. Eine dafür geeignete, hoch effiziente Technologie ist die direkt befeuerte Absorptionswärmepumpe bzw. Gasabsorptionswärmepumpe. Diese 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 um auf diese Art Effizienzen zu erzielen, die jene der aus heutiger Sicht modernsten Technologie, der Brennwerttechnik, um 50 – 100 % übersteigen. Besonders interessant ist dieser Typ einer Wärmepumpe für das Segment der Gebäudesanierung. Dort werden aufgrund der bereits vorhandenen Energieversorgungsinfrastruktur wie Gasanschluss, Heizungsrohre, Heizkörper, etc. die installierten Energieformen in einem Großteil der Fälle beibehalten, womit eine Substitutionstechnologie für die bis heute vielfach eingesetzte Kesseltechnologie benötigt wird. Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung möglicher Ansätze für eine kompakte Gasabsorptionswärmepumpe (~18kW), die den so genannten GAX (Generator/Absorber Heat Exchange) – Prozess, welcher für eine optimale Nutzung der im Brennstoff enthaltenen Energie für die Kältemittelproduktion im Generator (Desorber) sorgt, verwendet. Eine Schlüsselkomponente dabei ist der GAX Generator/Absorber, dessen Performance für die ganze Maschine maßgebend ist. Weiters muss das System mit einer Leistungsmodulation ausgestattet werden, um die Gas-AWP für Heizungsanwendungen im kleinen Leistungsbereich sinnvoll und effizient betreiben zu können. Nachdem sich bei einer Leistungsmodulation die fundamentalen physikalischen Prozesse (Strömungszustände, Stoff- und Wärmeübergangsprozesse) sehr stark verändern können, muss dafür die Natur dieser Prozesse in einem sehr weiten Betriebsbereich bekannt und verstanden werden, bevor ein Konzept bzw. eine Regelungsstrategie für eine solche Maschine entwickelt werden kann. Derartige Untersuchungen wurden im anvisierten Leistungsbereich für GAX-Prozesse noch nicht durchgeführt worden. Um diese Ziele zu erreichen werden verschiedene GAX–Zyklus Konfigurationen simuliert (EES). Die meistversprechenden Konzepte von GAX-Generatoren werden anschließend gebaut und hinsichtlich ihrer Charakteristiken experimentell untersucht. Danach wird ein Funktionsmuster einer GAX Absorptionswärmepumpe samt Regelkonzept gebaut, und auf einem dazu entwickelten Prüfstand hinsichtlich Energieeffizienz und Regelalgorithmusstabilität analysiert, bevor die Wirtschaftlichkeit derartiger Maschinen untersucht wird.

Projektverlauf

Thermodynamische Simulationen
Aufbauend auf einer detaillierten Literaturrecherche hinsichtlich möglicher Prozessvarianten des GAX-Prozesses wurden diese mittels thermodynamischer Simulationen untersucht und die Umsetzungsstrategien diskutiert. Ein von E-Sorp vorgeschlagener Prozess, bei dem die reiche Lösung nach dem kältesten Abschnitt am Absorber über den warmen Teil des Absorbers vorgewärmt wird, bevor sie in den Generator eintritt, wurde in Folge mit anderen Absorptionswärmepumpen-Prozessen verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die „E-Sorp-Schaltung“, im Vergleich zur einstufigen Absorptionswärmepumpe (AWP) bzw. zum „klassischen“ GAX-Prozess, Verbesserungen bringt. Zudem konnten die Massenströme der Lösung für die verschiedenen Leistungen abgeschätzt werden. Dieser Schritt war wichtig für eine spätere Implementierung der Regelung. Für das bestgeeignete Konzept wurden schlussendlich die GAX- Komponenten wärmetechnisch ausgelegt und konstruiert.

Entwicklung der Kernkomponenten Generator und Absorber
Im Rahmen des Projekts wurde ein Generator entwickelt, der einige Besonderheiten gegenüber früheren Generatorgenarationen aufweist:

• Die internen Strömungsverhältnisse wurden für kleinere Leistungen (5-18 kW) angepasst.
• Der Dephlegmator wurde in das Generatorgehäuse integriert.
• Die gesamte Baugröße wurde deutlich verkleinert.
• Die Brennkammer wurde zur Vermeidung von Hotspots optimiert.
• Neue Hochleistungskeramiken wurden in der Brennkammer verbaut.
• Hohe Generatoraustrittstemperaturen von 160°C-180°C konnten ermöglicht werden.
• Schwierigkeiten der Dichtheit, die bei früheren Modellen auftraten wurden gelöst.

Von einzelnen Kernkomponenten, wie dem Generator, wurden mehrere Varianten gebaut, welche in Voruntersuchungen charakterisiert wurden. Dadurch konnten wichtige Erfahrungswerte gewonnen werden, welche schließlich zu dem im Gesamtprozess verbauten optimierten Generator führten.

Funktionsmuster Gesamtprozess (Alpha-Anlage)

 

Ergebnisse

Im Projekt NexGen wurde erfolgreich demonstriert, dass es möglich ist, eine modulierende Gasabsorptionswärmepumpe im kleinen Leistungsbereich zu entwickeln und zu konstruieren. In weiterer Folge muss es das Ziel sein, diese Maschine weiter zu optimieren. Mögliche Optimierungspotentiale könnten sein:
• Die Reduktion des elektrischen Energieverbrauchs
o durch effizientere Lösungsmittelpumpen oder
o durch Ersetzten der Pumpe mit einem Kältemitteldampf-angetriebenen, Lösungsmittelumlauf.
• Die Erhöhung der Zuverlässigkeit (Langlebigkeit) der einzelnen Bauteile.
• Der Einsatz von kostengünstigen Komponenten in Hinblick auf die Serienfertigung.
• Die gesamte Konstruktion bezüglich Wartungs- und Bedienungsfreundlichkeit zu optimieren.

Im Speziellen das Ersetzen der Lösungsmittelpumpe durch eine mit Kältemitteldampf angetriebene Lösungsmittelumlauf ist eine herausfordernde Forschungsfragestellung, die derzeit von E-Sorp, gemeinsam mit der TU Graz, in einem Forschungsprojekt (Doublepump, FFG Projektnummer 843842) behandelt wird.

Besonders interessant sind gasbetriebene Wärmepumpen (G-AWP) für das Segment der Gebäudesanierung. Dort wird die bereits vorhandenen Infrastruktur (Gasanschluss, Heizungsrohre, Heizkörper, etc.) oftmals beibehalten. Somit wird eine Substitutionstechnologie (Retrofit) für die bis heute vielfach eingesetzten Gaskessel benötigt. Da die bestehenden Heizungssysteme des alten Bestandes meist hohe Vor /Rücklauftemperaturen benötigen, sollte bei zukünftigen F&E-Projekten der Fokus vor allem auf einer Effizienzsteigerung der G-AWP bei höheren Heizungswassertemperaturniveaus liegen.

Steckbrief

Projektnummer
834516
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Heinrich Huber, MSc., Heinrich.Huber@ait.ac.at
Partner
E-Sorp GmbH
TU Graz
Schlagwörter
Absorption Wärmepumpe
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
01.2011 - 07.2017
Budget
773.604 €