HighRef Untersuchung eines neuartigen Hochtemperaturkältemittels für Wärmerückgewinnungsanwendungen in industriellen Prozessen
Ausgangssituation
Schätzungen zufolge wird der Zukauf von CO2-Emissionszertifikaten
im Zeitraum von 2013 bis 2020 zu einer Mehrbelastung der österreichischen
Industrieunternehmen von insgesamt bis zu 9,5 Milliarden Euro führen. Grund
dafür ist der überwiegende Einsatz fossiler Energieträger in den
unterschiedlichen industriellen Sparten (ca. 65% des Endenergieverbrauchs). Der
industrielle Wärmebedarf liegt dabei bei 74% des Gesamtendenergieverbrauches.
In etwa 30 bis 40% dieses Wärmeenergiebedarfs wird zurzeit als Abwärme an die
Umgebung abgeführt und könnte theoretisch mit Industriewärmepumpen wieder auf
für Prozesse nutzbare Temperaturniveaus angehoben werden. Der Stellenwert der
Wärmepumpe als Effizienzsteigerungstechnologie in industriellen Prozessen wird
daher in den nächsten Jahren signifikant steigen. Um Abwärmen in Prozesse
rückführen zu können sind Wärmepumpen erforderlich, die bei großen
Temperaturhüben und hohen Kondensationstemperaturen sehr hohe Leistungszahlen
aufweisen. Die zurzeit erhältlichen Hochtemperaturwärmepumpen decken einen
Temperaturbereich von maximal 90°C Kondensationstemperatur ab. In dem für die
Prozessdampferzeugung notwendigen Temperaturbereich von bis zu 150°C gibt es
zum jetzigen Zeitpunkt keine entsprechenden Wärmepumpen. Der wesentliche Grund
dafür ist das Fehlen von Kältemitteln für diesen Anwendungsbereich. Bisher
entwickelte und eingesetzte Kältemittel sind dafür nicht ausreichend geeignet,
da entweder die Drucklage, die thermische Beständigkeit, die thermodynamischen
Daten, die Sicherheitsaspekte (Brennbarkeit, Giftigkeit) oder die ökologischen
Kriterien (ODP-Wert und GWP-Wert) nicht den gewünschten Anforderungen
entsprechen. Ein Technologiesprung in diesem Bereich ist einem namhaften
Kältemittelhersteller durch die Entwicklung eines neuen
Hochtemperaturkältemittels gelungen. Dieses Kältemittel namens Opteon™ MZ (auch
bekannt als HFO‑1336mzz‑Z) war zu Projektbeginn nicht kommerziell erhältlich.
Es sollte bei Kondensationstemperaturen von bis zu 155 °C einsetzbar sein und
als Arbeitsmedium in hocheffizienten Prozesswärmepumpen die erforderlichen
ökologischen und ökonomischen Kriterien erfüllen. Allerdings gab es keine
Erfahrungen im praktischen Einsatz dieses Kältemittels in Wärmepumpen.
Projektverlauf
Projektziel war die erstmalige experimentelle
Validierung des neuen Hochtemperaturkältemittels Opteon™ MZ für
Prozesswärmepumpen mit Kondensationstemperaturen bis 155°C unter Verwendung
unterschiedlicher Verdichtertechnologien und Kältekreiskonfigurationen. In
einer Vorauswahl wurden Kältekreiskonfigurationen auf ihre Eignung hin analysiert
und die vielversprechendsten detailliert berechnet. Die ausgewählten
Kältekreiskonfigurationen wurden in einem Versuchsaufbau mit marktverfügbaren
Komponenten (lediglich geringfügige Modifikationen am Verdichter waren
erforderlich) umgesetzt. In Versuchsreihen wurde eine Bandbreite von
Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen experimentell untersucht und
Leistungszahlen eruiert. Um die Auswirkungen der Integration einer Wärmepumpe auf
den Prozess festzustellen, wurden Modelle auf Basis dieser Leistungszahlen
erstellt und Prozesssimulationen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse sind
die Grundlage für die Betrachtung der Umweltauswirkungen. Dazu wurden die Kohlendioxidemissionen
und der Primärenergieeinsatz für den Prozess vor und nach der Integration der
Wärmepumpe berechnet und gegenübergestellt
"Wärmepumpenanwendungen über 100°C werden einen wesentlichen Beitrag zur Effizienzsteigerung industrieller Prozesse leisten"
– Thomas Fleckl –
Ergebnisse
Mithilfe der experimentellen Untersuchungen wurden
Verdampfungstemperaturen bis etwa 90 °C und Kondensationstemperaturen bis
etwa 160 °C demonstriert. Die Kältekreiskonfiguration mit einem internen
Sauggasüberhitzer stellte sich besonders vorteilhaft für große
Temperaturunterschiede zwischen Wärmequelle und Wärmesenke der Wärmepumpe
heraus. Durch das Projekt wurden neue Erkenntnissen über die Eignung von
Komponenten wie Kompressoren, Ventilen und Schmiermitteln für den Einsatz von
Opteon™ MZ bei Temperaturen von bis zu 155°C erarbeitet. Die im Projekt
experimentell bestimmten Leistungszahlen stehen als Basis für ökonomische und
ökologische Potentialabschätzungen zukünftiger Wärmerückgewinnungsanwendungen
in industriellen Prozessen zur Verfügung. Es wurden Industrieprozesse
identifiziert, die für die Anwendung von Hochtemperaturwärmepumpen gut geeignet
sind. Alle Anwendungsfälle haben positive Umweltauswirkungen und ermöglichen
CO2- und Primärenergieeinsparungen.
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Steckbrief
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Projektnummer834666
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Koordinator
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ProjektleitungThomas Fleckl, Thomas.Fleckl@ait.ac.at
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SchlagwörterEffizienzsteigerung industrieller Prozesse, Hochtemperaturanwendung, Industriewärmepumpen, Kältemittel
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FörderprogrammNeue Energien 2020
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Dauer01.2014 - 04.2016
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Budget179.534 €
