IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 37, No. 2/2019

Vorwort

In seinem Vorwort diskutiert Rainer M. Jakobs, Operating Agent des Annex 48, über die Rolle der Industriewärmepumpen und wie sie derzeit in der Praxis eingesetzt werden. Während in Gebäuden aus einem Katalog von Standardwärmepumpen gewählt werden kann, operieren Industriewärmepumpe hingegen bei Betriebsbedingung, die stark von dem individuellen Prozess abhängen. Daher wird bei der Auslegung und Installation einer Industriewärmepumpe ein hohes Level an Expertise benötigt.

Im Rahmen von vier HPT TCP Annexen wurden seit den 1980er Jahren Entwicklungen vorangetrieben und Best-Practice Beispiele gesammelt. Dabei wurde beobachtet, dass Industriewärmepumpen vielfältig eingesetzt werden können. In den meisten Anwendungen wird ungenutzte Abwärme als Wärmequelle genutzt und Wärme bei hohen Temperaturen für div. Industrieprozesse zur Verfügung gestellt.

Zudem gibt es auch Anwendungen von gleichzeitigen Heiz- und Kühlprozessen, wie in einigen Annexen bereits gezeigt wurde. Besonders hervorzuheben sind Trocknungsprozesse, wo die Qualität durch den Einsatz von Wärmepumpen oft steigt und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen und die Kosten gesenkt werden können.

Eine der Hauptbarrieren für die Marktdurchsetzung ist derzeit aber das Verhältnis von Gas- zu Strompreis. Da diese lokal schwanken, ergibt sich auch eine unterschiedliche Wirtschaftlichkeit in den einzelnen Ländern.

Kolumne

Rainer M. Jakobs, Operating Agent des Annex 48, diskutiert die Herausforderungen für Industriewärmepumpen:

• Hochtemperaturanwendungen: Für Wärmepumpen mit hohen Wärmesenkentemperaturen (100°C-160°C) stehen derzeit wenige nachhaltige Kältemittel zur Verfügung.
• Kältemittelreduktion: Bauteile mit möglichst wenig Kältemittelvolumen und hoher Effizienz sind notwendig um die Kältemittelmenge weiterhin zu reduzieren.
• Integration in das Fernwärmenetz: Um die ambitionierten Klimaziele zu erreichen sind Wärmepumpen notwendig, die das Fernwärmenetz optimal speisen können.
• Trocknungsprozesse: Von allen Industrieprozessen benötigen Trocknungsprozesse 12-25% der Gesamtenergie. Derzeit gibt es europaweit drei große Demonstrationsprojekte im Bereich Tierfutter-, Lebensmittel- und Ziegeltrocknung. Diese zeigen Lösungswege auf, wie Trocknungsprozesse energiesparend mit Wärmepumpen betrieben werden können.

Neuigkeiten

• Die Volksrepublik China ist seit kurzem ein Mitgliedsstaat des Technology Collaboration Programme on Heat Pumping Technologies (HPT TCP).
• Die 13te IEA Wärmepumpenkonferenz (HPC2020) wird vom 11. bis 14. Mai 2020 in Jeju, Korea, abgehalten und Themenbereiche wie Systeme und Komponenten, Anwendungen, R&D, Märkte und internationale Aktivitäten umfassen. Full papers müssen bis 1. November 2019 eingereicht werden.
• Das nächste IEA HPT TCP National Experts Meeting findet am Tag nach dem Heat Pump Summit in Nürnberg statt (24.10.2019).
• Das Sustainable Development Scenario (SDS) der IEA zeigt einen Weg auf, wie das 2°C Klimaziel erreicht werden kann. Dazu ist eine Marktdurchsetzung von nachhaltigen Energiesystemen wie Wärmepumpen notwendig.
• Derzeit sind die Wärmepumpeninstallationen weltweit zu niedrig um langfristig das 2°C Klimaziel zu erreichen. Dem muss durch geeignete Maßnahmen zeitnah entgegengesteuert werden.

Laufende Annex Projekte

• Annex 43: Fuel-driven sorption heat pumps, Teilnehmer: AT, DE*, FR, IT, KR, SE, UK, US
• Annex 45: Hybrid heat pumps, Teilnehmer: CA, DE, FR, NL*, UK
• Annex 46: Domestic hot water heat pumps, Teilnehmer: CA, CH, FR, JP, NL*, KR, UK, US
• Annex 47: Heat pumps in district heating and cooling systems, Teilnehmer: AT, CH, DK*, SE, UK
• Annex 48: Industrial heat pumps, second phase, Teilnehmer: AT, CH, DK, FR, JP, UK, [DE*]
• Annex 49: Design and integration of heat pumps for nZEB, Teilnehmer: AT, BE, CH*, DE, NO, SE, UK, US
• Annex 50: Heat pumps in multi-family buildings for space heating and DHW: AT, DE*, FR, IT, NL
• Annex 51: Acoustic signature of heat pumps, Teilnehmer: AT*, DE, DK, FR, IT, SE
• Annex 52: Long term measurements of GSHP Systems performance in commercial, institutional and multi-family buildings, Teilnehmer: FI, NL, NO, SE*,US, UK, DE
• Annex 53: Advanced cooling/refrigeration technologies development, Teilnehmer: DE, IT, KR, US*
• Annex 54: Heat pump systems with low GWP refrigerants, Teilnehmer: IT, JP, KR, US*
• Annex 55: Comfort and climate box, Teilnehmer: AT, IT, NL*

* kennzeichnet den Operating Agent

Annex Projekte stellen sich vor

IEA HPT Annex 45: Hybrid Heat Pumps

Der Abschlussbericht des IEA HPT Annex 45, wurde kürzlich veröffentlicht. Das Ziel war, die Entwicklungen und Möglichkeiten am Markt von Hybridwärmepumpen (das sind Wärmepumpen, welche zur Bereitstellung von hohen Temperaturen einen Gasboiler oder einen Ofen verwenden) zu evaluieren. Schlüsselergebnisse des Annexes waren:

• Hybrid Wärmepumpen können mittelfristig zu einer schnellen CO2 Einsparung führen, da sie sofort in Bestandsgebäuden, die hohe Temperaturen im Heizungskreis benötigen, eingesetzt werden können.
• Die Regelungsstrategie hat eine Schlüsselaufgabe um den CO2 Ausstoß optimal zu reduzieren.
• Ultimative Flexibilität bietet sich durch die Möglichkeit, das Heizen von der elektrischen Energiebereitstellung zu entkoppeln.
• Die Wirtschaftlichkeit hängt stark von den lokalen Energiepreisen (Strom, Gas, Holz, etc.) ab.
• Anwendungsgebiete sind sehr stark Länder abhängig.
• Hybridsysteme stellen eine mittelfristige Lösung am Weg zu 100% erneuerbaren Energien beim Heizen dar.

IEA HPT Annex 48: Industrial Heat Pumps, Second Phase

Im IEA HPT Annex 48, geht es um Industriewärmpumpen, die ungenützte Industrieabwärmen auf niedrigem Temperaturniveau dazu verwenden, Nutzwärme auf einem höheren Temperaturniveau zur Verfügung zu stellen.

Eine der Hauptentscheidungskriterien für den Einsatz von Industriewärmepumpen ist das Verhältnis von elektrischen zu fossilen Energiekosten. In Ländern mit einem niedrigen Verhältnis, d.h.: der Strompreis ist ähnlich dem Gaspreis, wie Schweden, Finnland oder Niederlande, ist es deutlich wirtschaftlicher, eine Industriewärmepumpe zu betreiben als in Ländern mit einem hohen Verhältnis wie z.B.: Deutschland, Irland oder Großbritannien.

IEA HPT Annex 49: Design and Integration of Heat Pumps for nZEB

Im IEA HPT Annex 49, geht es um Technologien für Nearly Zero Energy Buildings (nZEB). Ab 2021 müssen alle neuen Gebäude in der EU diesen Standard erfüllen. Aus diesem Grund beschäftigt sich der Annex 49 mit den Technologien, die in nZEB zum Einsatz kommen können.

IEA HPT Annex 55: Comfort und Climate Box

Der IEA HPT Annex 55, wird Technology Collaboration Programme (TCP) übergreifend gemeinsam mit dem Energy Conservation through Energy Storage (ECES)-TCP durchgeführt. Das zentrale Konzept ist die Comfort and Climate Box (CCB), die ein Paket aus Wärmepumpe, verschiedenen Energiespeichern und deren Regelung umfasst. Die einzelnen Komponenten sollen optimal miteinander zusammenarbeiten und als Paket bestehende, weniger nachhaltigere, Systeme ersetzen. 

Schwerpunktartikel

Abwärmenutzung im Stahl- und Walzwerk "Marienhütte", Graz (Österreich)

Erstautor Alexander Arnitz von der TU Graz berichtet gemeinsam mit seinen Mitautoren von der TU Graz, des AITs und der Energie Graz GmbH & Co KG über ein Projekt in dem die Abwärme aus dem Stahl- und Walzwerk „Marienhütte" in der Nähe von Graz dafür verwendet wird, um mit zwei Großwärmepumpen thermische Energie für das Fernwärmenetz zur Verfügung zu stellen.

Die beiden Wärmepumpen sind zusammen auf 11.5 MW ausgelegt und verwenden Abwärmen mit einer Temperatur von ca. 30-35°C. Die von den parallellaufenden Wärmepumpen auf ein höheres Temperaturniveau gehobene thermische Energie wird in ein Niedertemperaturfernwärmenetz (ca. 70°C) gespeist.

Zudem besteht auch die Möglichkeit, die beiden Wärmepumpen in Serie zu schalten und somit in das bestehende Fernwärmenetz (95°C) einzuspeisen. Dabei werden die Wärmepumpen ausschließlich durch Strom aus erneuerbaren Quellen gespeist.

Durch die Einbindung in das neue Niedertemperaturfernwärmenetz, das parallel zum bestehenden Netz gerade aufgebaut wird, kann die Wärmepumpe mit einem COP von 4.5 anstatt mit 3.3 betrieben werden.

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Von der Wärme zum Käse

Cordin Arpagaus von der Interstaatlichen Hochschule für Technik in Buchs beschreibt in seinem Artikel, wie im Appenzeller Dorf Gais, in der Schweiz, eine Hochtemperatur-Wärmepumpe dazu verwendet wird, um Abwärme aus einem Rechenzentrum in Prozesswärme für eine benachbarte Käserei umzuwandeln. Dadurch spart die Bergkäsefabrik rund 1,5 Mio. kWh an Erdgas pro Jahr.

Das derzeit modernste Datenzentrum der Schweiz verwendet ein adiabates Kühlsystem zur Kühlung des Datenzentrums. Dabei fällt Abwasser auf einem Temperaturniveau von 20°C an, das in ein lokales Fernwärmnetz gespeist wird. Die Käsefabrik nutzt einen Teil des Wassers aus dem Fernwärmenetz für eine Hochtemperaturwärmepumpe, um Wärme bei Temperaturen von bis zu 92°C bei einer Volllast-Heizleistung von ca. 520 kW und einem COP von 2.85 bereit zu stellen.

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Artikel

Der Mehrwert von Wärmepumpen für die Netzstabilität

Anke Uytterhoeven von der KU Leuven untersucht die Anwendung von Wärmepumpen zur Netzstabilisierung. Durch die Einspeisung von erneuerbaren Energiequellen entstehen enorme Schwankungen zwischen Angebot und Nachfrage im elektrischen Netz.

Durch die Ausnutzung von Wärmepumpen, die das Potential haben elektrische Schwankungen abzufedern indem sie thermische Energiespeicher bei Bedarf beladen oder entladen können diese Schwankungen besser ausgenutzt werden. Forschungsergebnisse zeigen, dass ein beträchtliches Potential bei den Wärmepumpen liegt um das volatile Netz der Zukunft zu stabilisieren.

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Konferenzen 2019 und 2020

• 22. - 23. Oktober 2019, European Heat Pump Summit 2019, Nuremberg Germany
• 24. Oktober 2019, HPT TCP National Experts' meeting, Nuremberg, Germany
• 4. - 6. Dezember 2019, 50th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrad, Serbien
• 1. - 5. Februar 2020, ASHRAE Winter Conference Orlando, Florida, USA
• 11. - 14. Mai 2020, 13th IEA Heat Pump Conference 2020, Jeju, South Korea
• 27. Juni - 1. Juli 2020, ASHRAE Annual Conference,Austin, Texas, USA
• 13. - 16. Juli 2020, Purdue International Compressor Engineering, Refrigeration & AC, High Performance Buildings Conferences, West Lafayette, Indiana, USA
• 6 - 9. Dezember 2020, 14th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants Kyoto, Japan

IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 37, No. 2/2019