IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 37, No. 3/2019

Vorwort

In ihrem Vorwort diskutieren Van D. Baxter, Oak Ridge National Laboratories, USA und Reinhard Radermacher, University of Maryland, USA über die Zukunft der Gebäudekühlung. Der Kühlbedarf in Gebäuden wird bis 2050 in Nicht-OECD-Ländern um das 4,3- fache und in OECD-Ländern um das 1,2-fache ansteigen.

Zudem ist ein Anstieg des Kühlbedarfs für Lebensmittel um 70 % zu erwarten. Dieser steigende Bedarf, macht es deutlich schwerer die Klimaziele zu erreichen, weshalb es umso wichtiger ist weiterhin klimafreundliche Technologien zu entwickeln. Aus diesem Grund wurde 2018 der HPT Annex 53 "Advanced Cooling/Refrigeration Technologies Development." ins Leben gerufen, dessen Ziel es ist Forschungs- und Entwicklungsergebnisse von nicht konventionellen Kühlkonzepten (wie zum Beispiel magnetokalorischen, elastokalorischen oder elektrochemischen Kompressions-Konzepten) in die Industrie zu bringen.

Diese alternativen Konzepte zur klassischen Gaskompression haben zwar ein hohes Potential, allerdings benötigen sie noch weitere Entwicklungsschritte bevor sie auf den Markt kommen können. Deshalb widmen sich zwei Schwerpunktsartikel in dieser Ausgabe zwei dieser attraktiven in Entwicklung befindlicher Technologien.

Kolumne

Thomas Fleckl, vom AIT Austrian Institute of Technology in Wien, diskutiert, die im Vergleich zu den nord- und westeuropäischen Staaten, niedrigen Zahlen an Wärmepumpeninstallationen in Osteuropa. Alleine, die Marktstatistik des europäischen Wärmepumpenverbands (EHPA) zeigt ein stark differenziertes Bild, was die Verkaufszahlen von Wärmepumpen anbelangt (90% der Wärmepumpen werden in 10 Europäischen Ländern verkauft). In diesen Statistiken, sind fast keine Zahlen von den süd- osteuropäischen Ländern enthalten. Es ist aber anzunehmen, dass diese eher gering sind. Die Gründe dafür sind vielfältig und sollten nicht nur in den ökonomischen Zahlen gesucht werden.

Thomas Fleckl diskutiert im Allgemeinen basierend auf einem Interview mit dem bulgarischen Wissenschaftler Ivan Krastev in der österreichischen Wochenzeitschrift "Die Furche", die Einstellung in den osteuropäischen Staaten gegenüber der EU. Laut Ivan Krastev nehmen die osteuropäischen Staaten in den letzten Jahren immer mehr eine weniger EU-freundliche Haltung an. Ein Grund dafür ist, dass die osteuropäischen Staaten das Gefühl haben, ständig von den restlichen EU Staaten "besserwisserisch belehrt" zu werden.

Es wird empfunden, dass die westlichen EU-Staaten seit dem Ende des kalten Krieges das Bestreben haben die osteuropäischen Staaten verstärkt nach ihren Vorstellungen zu gestalten. Ein weiterer Aspekt ist, dass viele hoch ausgebildete und hochqualifizierte Arbeiter in den Westen ziehen und somit die osteuropäischen Staaten, nicht nur visionäre und ehrgeizige Menschen verlieren, sondern auch das bis dahin investierte Geld in diese.

Dadurch entsteht eine negative Grundhaltung der Menschen gegenüber der EU, die einerseits zu einem Aufschwung von nationalen und extremen Parteien führt und andererseits zu einer Verzögerung von europäischen Entscheidungen, die aufgrund der Klimakrise aber dringend gefällt werden müssen.

Der Zusammenhang zwischen der Stimmung der osteuropäischen Ländern gegenüber der EU und der Wärmepumpenverkaufszahlen mag vielleicht willkürlich oder zu weitreichend gedacht erscheinen. Allerdings sollen diese Gedanken zeigen, dass auch politischen Akteure gefragt sind, welche die Probleme kennen denen wir Techniker uns derzeit gar nicht bewusst sind, um Lösungen für eine Dekarbonisierung des Gebäudesektors in den osteuropäischen Staaten voranzutreiben.

Neuigkeiten

Ein neuer Annex, der Annex 55 (Comfort and Climate Box) wurde in das Programm der IEA HPT Annexe aufgenommen. Ziel dieses Annex ist es, die Marktentwicklung für intelligente integrierte Heiz-, Kühl- und Speicherlösungen durch die Entwicklung von so genannten
Komfort- und Klimaboxen (CCBs) zu beschleunigen.

Es wird um Nominierungen für den "Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award" gebeten. Dieser Preis ist die höchste Auszeichnung im Bereich Klimatisierung, Wärmepumpen und Kühlung und wird nur alle drei Jahre bei der IEA Wärmepumpenkonferenz vergeben.

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.

Seit einigen Jahren ist immer wieder von „Positive Energy Districts" (PEDs) zu hören. Dies sind Regionen, die über einen bestimmten Zeitraum mehr nutzbare Energie generieren als sie verbrauchen. Bisher fehlten jedoch genauere Definitionen für diese PEDs, die aber schon recht bald erarbeitet werden sollen.

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: CN, 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*, SE, US

* kennzeichnet den Operating Agent

Annex Projekte stellen sich vor

Im Rahmen des Annex 43, "Fuel driven sorption heat pumps" hat ein Konsortium aus Industrie- und akademischen Partnern zusammengearbeitet, um die Marktakzeptanz von brennstoffbetriebenen Sorptionswärmepumpen zu erhöhen, den Markt, Barrieren und Chancen zu identifizieren und die Leistungsfähigkeit von verschiedener Systeme zu quantifizieren.

Derzeit fehlt es vor allem an Geräten im Bereich von Heizleistungen kleiner als 20 kWh. Das Politecnico di Milano (Italien) arbeitet derzeit an einer kompakten Ammoniak/Wasser Anlage mit Plattenwärmeübertragern. Auch die italienische Firma Ariston arbeitet an einer Absorptionswärmepumpe für den Gebäudemarkt und die University of Warwick (UK) arbeitet an einer Adsorptionswärmepumpe mit aktiviertem Kohlenstoff und Ammoniak.

Am ISE-Fraunhofer wird gemeinsam mit der deutschen Firma Fahrenheit an einer Zeolith-Wasser Adsorptionswärmepumpe gearbeitet bei der Aluminiumwärmeübertrager mit Zeolithen beschichtet werden. Zudem hat das Oak-ridge National laboratory (USA) ein Simulationsprogramm (SorpSim) veröffentlicht mit dem Sorptionskreisläufe simuliert werden können.

Im Annex 47, „Heat pumps in district heating an cooling systems", geht es um die Integration von Wärmepumpen in das Fernwärmenetz. Eines der Hauptziele des Annex 47 war es einen Katalog von möglichen Implementierungen von Wärmepumpen in Fernwärmesysteme zu erstellen. Schlussendlich ist es gelungen 39 verschiedene Fallbeispiele zu beschreiben, die auf der Projektseite zum Download bereitstehen. Zudem wurde am AIT ein Excel-basiertes Tool entwickelt, mit dem die Kosteneffizienz und Machbarkeit von Fernwärmenetzen im Vorfeld abgeschätzt werden kann. Weiters wurden im Annex 47 einige Barrieren für die großflächige Integration von Wärmepumpen identifiziert. Diese sind: Der Mangel an ausreichend großer Wärmequellen, die fehlenden Erfahrung bei der Integration und dem Betrieb von Wärmepumpen oder die hohen Temperaturanforderungen der bestehenden Netze.

Im Annex 48, „Industrial heat pumps, second phase", geht es um die industrielle Nutzung von Wärmepumpen. Ziel ist vor allem die Entwicklung voran zu treiben und klare Informationsunterlagen für Entscheidungsträger, Verbände und Branchen auszuarbeiten. Bei einem Workshop im Rahmen der IIR Konferenz (IIR International Congress of Refrigeration) in Montreal wurden in sieben Vorträgen Ergebnisse aus dem Annex präsentiert.

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

Der Annex 52, "Long-term measurements of GSHP systems performance in commercial, institutional and multi-family buildings", erreicht gerade die Halbzeit der Projektlaufzeit. Bisher konnten im Rahmen des Annex 52, in sechs Publikationen, die saisonale Performance von 55 erdreichgekoppelter Wärmepumpen (GSHP) -Systeme untersucht werden. Davon sind in zwei Journal-Publikationen die Messdaten frei zugänglich (open access).

Im Rahmen des Annex 53, "Advanced cooling/refrigeration technologies development", werden vor allem alternative Kühltechnologien wie zum Beispiel magnetokalorische-, elastokalorische- oder elektrochemischen Kompressions-Konzepte untersucht. Als neuester Teilnehmer durfte vor kurzem die Volksrepublik China im Annex begrüßt werden. Die Ames Laboratories (Ames, USA) und das Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge, USA) berichten über Fortschritte bei der magnetokalorischen Kühlung und die Xi'an Jiaotong University (VR China) sowie die Firma Gree (VR China) präsentieren deren Pläne für die Entwicklung einer elastokalorischen Wärmepumpe. Die University of Maryland (USA) berichtet über deren aktuelle Projekte zum Thema elektrochemische Kompression.

Der Annex 54, „Heat pump systems with low GWP refrigerants", zielt unter anderem darauf ab Konstruktionsrichtlinien für optimierte Komponenten und Systeme für Kältemittel mit niedrigem GWP-Gehalt zu entwickeln. Bei einem Workshop im Rahmen der IIR Konferenz (25th IIR International Congress of Refrigeration) in Montreal wurden in sieben Vorträgen Ergebnisse aus dem Annex präsentiert. Piotr A. Domanski von NIST (USA) präsentierte bei dem Workshop unter anderem Screening Ergebnisse von Kältemitteln mit niedrigem GWP-Wert, die als Alternative zu R410A in Frage kommen. Er kam zu dem Schluss, dass es keine direkte Alternative gibt, ohne deutliche Abstriche bezüglich der Entflammbarkeit oder der volumetrischen Kälteleistung zu machen.

Der Annex 55, Comfort und Climate Box, 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.

Strategischer Ausblick für die Niederlande: Klimaabkommen

Marion Bakker von der Netherlands Enterprise Agency berichtet über die Strategie der Niederlande um internationale und nationale Klimaziele zu erreichen. Bis 2030 wollen die Niederlande die Treibhausgasemissionen um 49% im Vergleich zu den 1990er Jahren senken. Dabei spielen Wärmepumpen eine wichtige Rolle, da ein vollständiger Ausstieg aus Erdgas geplant ist.

Im Gebäudebereich alleine, müssen 3,4 Mt CO2 eingespart werden. Dies soll durch ein erhöhtes Tempo bei der Umrüstung auf nachhaltige Energiesystem erreicht werden. Bis 2021 sollen daher pro Jahr 50 000 und danach 200 000 existierende Gebäude pro Jahr umgerüstet werden. Strukturiert soll eine Region nach der anderen umgerüstet werden, wobei auf die spezifischen Rahmenbedingungen jeder Region eingegangen werden soll.

In manchen Regionen wird auch die Gasinfrastruktur bis nach 2030 aufrechterhalten, um diese evtl. später für Gas aus erneuerbaren Energiequellen zu verwenden. Alle beteiligten Stakeholder sind bereits jetzt eine Vielzahl an Verpflichtungen eingegangen um die Klimaziele zu erreichen.

Zudem wurden verschiedene Business Modelle und Fördermöglichkeiten erarbeitet um die Umrüstungen finanzierbar zu machen. Trotzdem sind weitere Innovationen notwendig um vor allem die Kosten zu senken. Zusammengefasst kann gesagt werden, dass obwohl bereits jetzt die Niederlande zu den Top-drei Staaten bei den Wärmepumpenverkaufszahlen gehören, es dennoch einige Bedenken hinsichtlich Leistbarkeit, Schallaufkommen und Qualität der Installationen gibt.

Um die vorgeschlagenen Maßnahmen im Rahmen des niederländischen Klimaabkommens umzusetzen werden innovative Konsortien eingeladen erschwingliche und robuste Lösungen vorzuschlagen, die im Rahmen von nationalen Projekten gefördert werden.

Schwerpunktartikel: Elektrochemische Membrantechnologien für den Einsatz in Energiesystemen"

Joe Baker von der University of Maryland (USA) berichtet über zwei Anwendungsfälle von elektrochemischen Verdichtern. Der eine Prozess verwendet Ammoniak als Gas und hat das Potential in zukünftigen Kälteanlagen den Kältemittelverdichter zu ersetzen. Zudem kann das Konzept auch dazu verwendet werden um Ammoniak-Druckspeicher zu beladen.

Im zweiten vorgestellten Prozess wird Wasserdampf aus Luft entzogen was wiederum Anwendung in der Entfeuchtung findet. Im Gegensatz zur konventionellen Kondensation muss in diesem Fall nicht bis zum Taupunkt abgekühlt werden um die gleiche Entfeuchtung zu erreichen.

Im Fall des Ammoniakverdichters werden auf der einen Seite der Membran positiv geladene Ionen generiert (2NH₃ + H₂ --> 2NH₄⁺ + 2e^-) und mittels elektrischer Spannung auf die andere Seite der Membran geleitet. Dabei werden Druckgradienten überwunden und die Ionen reagieren danach wieder zu einem Molekül mit neutraler Ladung auf der Hochdruckseite (2NH₄⁺ + 2e^- --> 2NH₃ + H₂). Versuche mit diesem Konzept zeigen eine beeindruckende Performance, v.a. bei hohen Druckverhältnissen, im Vergleich zu einem isentropen Prozess für Ammoniak.

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Schwerpunktartikel: Elastokalorische Kühlung

David Catalini von der University of Maryland (USA), berichtet über die Entwicklung von Kühlkreisläufen mit festen Kältemitteln: den kalorischen Materialien. Mit Hilfe eines Phasenübergangs in der festen Phase, der durch ein externes Feld angeregt wird, kommt es in einem kalorischen Material zu einem adiabatischen Temperaturanstieg bzw. zu einem isothermen Entropieanstieg.

Dieser Effekt wird ausgenutzt um einen Kältekreislauf zu realisieren. Je nachdem wie das externe Feld aufgeprägt wird (elektrisches Feld, magnetisches Feld, mechanische Kraft) spricht man vom elektro-, magneto- oder elastokalorischen Effekt. Zwei Anwendungsfälle, nämlich ein elastokalorischer Kühlkreislauf mit interner Wärmerückgewinnung und ein aktiver elastokalorischer Regenerator werden im Artikel genauer diskutiert.

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Artikel: Entwicklung einer unterirdischen Wärmebatterie zur Ermöglichung von Erdwärmepumpenanwendungen und zur Gestaltung des elektrischen Bedarfs von Gebäuden.

Xiaobing Liu vom Oak Ridge National Laboratory (USA) berichtet über die Fortschritte bei unterirdischen thermischen Batterien (UTBs). Eine innovative UTB stellt nicht nur eine stabile Wärmequelle bzw. -senke dar, sondern ist auch ein thermischer Energiespeicher, der Diskrepanzen zwischen der Erzeugung von erneuerbaren Energien und dem schwankender Wärmebedarf eines Gebäudes ausgleichen kann.

Dieser Artikel stellt die neuesten Entwicklungen der UTBs, einschließlich Konzeptdesigns, Labortests und Modellierungen vor. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die UTB ein großes Potenzial hat, einerseits effizient zu Klimatisieren aber auch aktives bedarfsgerechtes Management zu ermöglichen, ohne den gewünschten Komfort zu beeinträchtigen.

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Artikel: Industrielle Wärmepumpen im dänischen Energiesystem - Aktuelle Situation, Potenziale und Ausblicke

Benjamin Zühlsdorf vom DTI, Danish Technological Institute (Denmark) berichtet über aktuelle und zukünftige Entwicklungen im Bereich der industriellen Wärmepumpen in Dänemark. Im Bereich der Fernwärme werden Großwärmepumpen in Dänemark schon erfolgreich eingesetzt, während die Zahl der industriellen Anwendungen noch begrenzt ist.

Im Zusammenhang mit der Fernwärme verlagert sich der Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung auf Fragen der Skalierbarkeit während für industrielle Anwendungen der Fokus auf der Vereinfachung der Systeme, der optimalen Integration und dem Erreichen von höheren Temperaturen liegt.

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Interessante Konferenzen 2019 und 2020

• 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
• 7.-11. Juni 2020: 9th International Conference on Caloric Cooling and Applications of Caloric Materials (Thermag IX), College Park, Maryland, USA
• 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. 3/2019