Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Potenziale von Absorptionswärmepumpen in zentralisierten Wärmeversorgungsnetzen

Fernwärmenetze sind zentrale Säule der Wärme- und Energiewende. In Kombination mit KWK-Anlagen stellen sie effizient Wärme für die Versorgung verschiedenster Abnehmer bereit. Netzseitig werden hohe Exergieniveaus zur Verfügung gestellt, die abnehmerseitig nur bedingt benötigt und ineffizient genutzt werden. Es resultieren

1. hohe Netzrücklauftemperaturen in Folge einer suboptimalen Auskühlung des bereitgestellten Fernheizwassers in der Hausübergabestation und

2. hohe Wärmeverteilverluste.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die effizientere Nutzung bestehender Exergieniveaus im Netzvorlauf durch die Einbindung einer Absorptionswärmepumpe innerhalb der Hausübergabestation. Diese nutzt das hohe Exergieniveau zum Antrieb des Wärmepumpenprozesses. Zudem wird durch optimierte Auskühlung des Fernheizwassers die Netzrücklauftemperatur des Verbrauchers abgesenkt. So werden Kostenpotenziale durch verringerte Wärmeverteilverluste, bessere Effizienz der Wärmebereitstellung und erhöhte technische Gebrauchsdauer gehoben. Der Lösungsweg wird nachfolgend skizziert:

1. Anpassung und Vermessung einer bestehenden Absorptionswärmepumpe für den Fernwärmenetzbetrieb

2. Vorgabe von Zielgrößen für die Auslegung der Absorptionswärmepumpe (thermisch, hydraulisch und sicherheitstechnisch)

3. Integration der Absorptionswärmepumpe in eine Hausübergabestation

4. Demonstrationsbetrieb unter typischen Betriebsparametern

5. Entwicklung eines Simulationsmodells der Hausübergabestation mit integrierter Absorptionswärmepumpe

6. Quantifizierung des integralen Einflusses der angepassten Hausübergabestation auf den Gesamtnetzbetrieb

Der Nutzen dieses technologischen Ansatzes liegt in der verbesserten Effizienz des Fernwärmenetzbetriebes. Der Fokus liegt auf der Einbindung dieser Technologie bei großen Abnehmern. KMUs profitieren durch eine Erweiterung ihres Dienstleistungsportfolios sowie eine angestrebte Anpassung relevanter Regelwerke und Normen hinsichtlich der Einbindung dieser Technologie.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt wurde erstmals eine Absorptionswärmepumpe (AWP) mit der Arbeitsstoffpaarung Ammoniak-Wasser bei den Betriebsbedingungen einer Hausstation in Fernwärmenetzen zur Wärmebereitstellung von Gebäuden ausgelegt, aufgebaut und untersucht. Es konnte durch die Verwendung des fernwärmeseitigen Rücklaufs für die Beheizung des Verdampfers eine besonders hohe Effizienz (Wärmeverhältnis=1,7) der Wärmepumpe erzielt werden. Die erreichte Absenkung der Rücklauftemperatur des Fernwärmnetzes beträgt dabei zwischen 9K bis 17K. Darüber hinaus konnte im Rahmen des Projektes das Verständnis für die thermodynamischen Prozesse innerhalb des AWP-Kreislaufs und dessen Bewertungsmöglichkeiten vertieft werden.

Die Konturdiagramme sind eine einfache Beurteilung für die Einsetzbarkeit von Ammoniak-Wasser AWP. Diese Diagramme sind für viele Verschaltungsarten von Ammoniak-Wasser AWP und Kältemaschinen gültig und bieten damit in der Planung und Auslegung solcher Maschinen ein breites Anwendungsfeld.

Im Rahmen des Projektes ist auch ein Simulationsmodell entstanden, in dem das gesamte Fernwärmesystem (Wärmeerzeuger, Verteilungsnetz, Hausstation und Wärmeverbraucher) dargestellt wird. Durch den modularen Aufbau der Simulation kann ein Teilmodell als Berechnungstool für die technische Auslegung sofort in der Praxis angewendet werden. Bspw. können im Teilmodell Verteilungsnetz die thermischen und hydraulischen Verluste für beliebige Rohrnetz berechnet werden oder im Teilmodell Hausstation die Betriebsbedingungen für die Auslegung des Hauptwärmeübertragers einer Hausstation mit AWP ermittelt werden.

Insbesondere werden in dem Gesamtmodell die Auswirkungen der AWP auf das Fernwärmenetz (z.B. Reduktion der Wärmeverluste, Verbesserung der Wärmebereitstellung, Einsparung der Pumpenleistung) betrachtet. Auf dieser Basis können auch Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zu dem in diesem Projekt verfolgtem Konzept schnell und einfach direkt durch die KMUs durchgeführt werden.