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.