Prüfstandsmessungen und Simulation

Weltweit verbrauchen Industrieprozesse rund 30 % des Primärenergieeinsatzes, in den OECD-Ländern beträgt der Anteil 22 %. Mehr als die Hälfte davon stammt aus nicht-erneuerbaren Energiequellen. Die Industrie spielt daher eine wichtige Rolle, durch Effizienzmaßnahmen und verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien den CO₂-Ausstoß zu verringern und zum Klimaschutz beizutragen [2]. Studien gehen davon aus, dass derzeit 20 bis 50 % der Energie, die in Industrieprozessen eingesetzt wird, in Form von Abwärme in Abgasen und Abwasser verloren geht [3]. Diese Abwärmeströme können auf Grund des niedrigen Temperaturniveaus derzeit nicht mehr sinnvoll eingesetzt werden und werden ungenutzt an die Umgebung abgegeben.

Hochtemperatur-Wärmepumpen ermöglichen die Nutzung dieser Abwärmeströme, da sie Prozesswärme auf höherem Temperaturniveau bereitstellen. In Bild 1 wird der Nutzenergiebedarf der europäischen Industrie in verschiedenen Sparten dargestellt. Prozesswärme mit 100 bis 150 °C, die Hochtemperatur-Wärmepumpen liefern können, wird vor allem in der Lebensmittelindustrie und in der chemischen Industrie benötigt. Auch in der Verarbeitung von Eisen, Stahl und Nichtmetallen und in der Papierindustrie gibt es Wärmebedarf in diesem Temperaturbereich. Wärmepumpen stellen deshalb eine zielführende Energieeffizienzmaßnahme für Industrieprozesse dar.

Simulationsmodell einer Hochtemperatur-Wärmepumpe

Das Simulationsmodell basiert auf einer neuentwickelten Hochtemperatur-Wärmepumpe der Ochsner Energie Technik GmbH (Bild 2). Dabei handelt es sich um eine elektrisch angetriebene Kompressionsmaschine, mit der Vorlauftemperaturen von bis zu 130 °C erreicht werden können. Als Simulationsumgebung wurde die Software „IPSEpro“ gewählt, die insbesondere für Simulationen im Bereich der Kraftwerks- und Energietechnik Verwendung findet. Detaillierte Messdaten der Hochtemperatur-Wärmepumpe, die am Prüfstand der Ochsner Energie Technik GmbH vermessen wurde, sind die Grundlage für das Wärmepumpenmodell. Mit Hilfe des Modells kann die Einbindung diese Wärmepumpe in verschiedene Industrieprozesse simuliert werden.

Simulationsumgebung

„IPSEpro“ (Integrated Process Simulation Environment) ist ein gleichungsorientiertes Simulationsprogramm für stationäre Fließprozesse, das für Prozesssimulationen im Bereich der Kraftwerks- und Energietechnik entwickelt wurde [4]. Für die Simulation wird der Prozess gemäß dem apparatetechnischen Aufbau als Fließbild in „IPSEpro“ abgebildet. Die einzelnen Komponenten (Wärmetauscher, Verdichter, Drossel, etc.) sind durch stoff- und energieführende Leitungen miteinander verbunden. Die Prozesskomponenten werden entsprechend den Erhaltungssätzen für Masse und Energie bilanziert und können entweder der Modellbibliothek der Simulationssoftware entnommen oder selbst angelegt werden. In den Modellbibliotheken sind die wesentlichen Komponenten für Kompressions- und Absorptionswärmepumpen verfügbar, ebenso wie Kraftwerkskomponenten, wie Turbinen, Feuerungen, etc. Für die Berechnung der Massen- und Energiebilanzen können in „IPSEpro“ zahlreiche Stoffe ausgewählt werden, wie Wasser/Dampf nach IAPWS97 [5], ideale Gase, zahlreiche Kältemittel, die mit der „Refprop“-Datenbank verknüpft sind und die Absorptionsstoffpaare Lithiumbromid/Wasser und Wasser/Ammoniak [6].

Modellentwicklung

Der schematische Aufbau der Wärmepumpe wird in Bild 3 gezeigt. Es handelt sich um eine einstufige Kompressionswärmepumpe mit Schraubenverdichter und Economizerschaltung. Dabei wird ein Teilstrom des flüssigen Kältemittels nach dem Kondensator in einem Expansionsventil entspannt. Es wird im Economizer-Wärmetauscher verdampft und bei einem mittleren Druck in den Verdichter eingebracht. Der verbleibende Kältemittelstrom, der nicht verdampft wird, wird im Economizer-Wärmetauscher weiter unterkühlt und in einem weiteren Expansionsventil auf den Verdampfungsdruck gedrosselt. Im Verdampfer nimmt dieser Kältemittelstrom Wärme auf, verdampft und wird im Verdichter verdichtet. Durch den Economizer hat der Verdichter bei gleicher elektrischer Leistung eine höhere Kapazität und fördert einen größeren Massenstrom. Der Verdichter ist außerdem mit einem Ölkühler ausgerüstet, damit die Endtemperatur des Verdichters nicht zu hoch wird.

Das Modell der Wärmepumpe wurde in „IPSEpro“ analog zu Bild 3 aufgebaut. Das Verdichtermodell der Modellbibliothek wurde dazu um den Economizeranschluss erweitert. Die Verdichtung besteht nun aus drei Teilschritten:

Der Verdichtungsvorgang ist nicht isentrop und nicht adiabat und wird daher durch einen isentropen Wirkungsgrad und einem austretenden Wärmestrom beschrieben. Der isentrope Wirkungsgrad gibt die Abweichung von der isentropen Verdichtung an. Es wird angenommen, dass für beide Verdichtungsvorgänge der gleiche isentrope Wirkungsgrad gilt. Der Wärmestrom gilt ebenfalls für den gesamten Verdichter und umfasst den Ölkühler und etwaige weitere Wärmeverluste an die Umgebung. Da der Ölkühler am Prüfstand nicht extra bilanziert wird, kann nicht zwischen dem Ölkühler und weiteren Wärmeverlusten unterschieden werden.

Die beiden Expansionsventile werden als adiabate Drosselung abgebildet. Außerdem können Rohrleitungswärmeverluste nach dem Kondensator und vor dem Expansionsventil des Hauptstroms berücksichtigt werden.

Auf dem Prüfstand der Ochsner Energie Technik GmbH wurde die Wärmepumpe in verschiedenen Betriebspunkten vermessen. Dabei wurden die Eintrittstemperaturen der Wärmequelle von 45 bis 60 °C und die Wärmenutzungstemperaturen von 80 bis 105 °C variiert. Bild 4 gibt einen Überblick über die Versuchspunkte der Prüfstandsmessung. In jedem Betriebspunkt wurden Temperaturen und Drücke an verschiedenen Stellen im Kältekreis, sowie die elektrische Leistung des Verdichters und die Heizleistung gemessen. Dieses Kennfeld war die Grundlage für die Modellbildung.

Zunächst wurden alle Betriebspunkte in „IPSEpro“ nachgerechnet. Durch die zahlreichen Messgrößen ist das Gleichungssystem überbestimmt. Daher können der isentrope Wirkungsgrad und der austretende Wärmestrom des Verdichters sowie die Wärmeverluste in den Rohrleitungen berechnet werden. Durch die Nachrechnung in „IPSEpro“ können alle Zustandsgrößen in jedem Prozessschritt der Wärmepumpe bestimmt werden. Als Beispiel dafür zeigt Bild 5 das log-p-h-Diagramm des Kältekreises für die Quellentemperatur von 45 °C und die Wärmenutzungstemperatur von 105 °C. Der Abschnitt 4 – 7 – 8 ist der Teilstrom, der im Economizer verdampft wird, Abschnitt 6 – 1 der Verdampfer und Abschnitt 2 – 3 der Kondensator. Der Abschnitt 3 – 4 sowie die eng nebeneinander liegenden Punkte bei 5 und 1 stellen Rohrleitungswärmeverluste dar.

Ziel der Modellbildung ist es, dass das Wärmepumpenmodell in Systemsimulationen eingebunden werden kann und es sich dabei so wie die Wärmepumpe am Prüfstand verhält. Dazu sollen die Größen, die zur Regelung einer „realen“ Wärmepumpe verwendet werden, als wählbare Eingangsgrößen dienen. Diese Setzwerte sind die Temperatur der Wärmequelle und die Wärmenutzungstemperatur.

In das Modell gehen auch konstante Größen ein, die für alle Versuchspunkte gelten. Dazu gehören die Überhitzungsregelung der Expansionsventile, die die Temperatur des Kältemittels am Verdampferaustritt und nach dem Economizer-Wärmetauscher bestimmt, und die Unterkühlung am Kondensatoraustritt. Alle anderen Größen, die man zur Berechnung des Kältekreises braucht, werden als Korrelationen implementiert, die aus den Prüfstandsdaten abgeleitet werden. Dabei handelt es sich um die Heizleistung, die elektrische Leistung, den isentropen Wirkungsgrad, den Volumenstrom am Verdichtereintritt und den Economizerdruck. Da diese Parameter wesentlich durch die Wärmenutzungstemperatur und den Temperaturhub der Wärmepumpe beeinflusst werden, werden zusammengesetzte lineare Funktionen nach dem Aufbau dieser Gleichung erstellt.

A = k₁ x T_Kond,aus + k₂ x (T_{Kond, aus} – T_Verd,aus) + k₃

Für die Betriebspunkte mit gleichem Temperaturhub (44, 49, 54 K) wird eine lineare Regressionsgerade ermittelt. Die Konstante k₁ist der Mittelwert der Steigungen dieser Geraden. Der Einfluss des Temperaturhubs kann näherungsweise so beschrieben werden, dass die Geraden dadurch nach oben oder unten verschoben werden. Das geben die Konstanten k₂und k₃ an (Tabelle 1).

Der Wärmeverlust in der Rohrleitung vor dem Verdichter wird mit folgender Gleichung  beschrieben.

Q_loss = 0,444 xT_Verd,ein – 15,814

Mit dem parametrierten Modell wurden nochmals alle Versuchspunkte nachgerechnet. Das Modell kann in allen Versuchspunkten die Massen- und Energiebilanzen mit den angegebenen Korrelationen und Setzwerten lösen. Um die Abweichung des Modells von den Messungen darzustellen, wurden in Bild 6 einige Modellergebnisse über den Messwerten aufgetragen. Es wurde der COP ausgewählt, weil es sich um eine wichtige Kenngröße für die techno-ökonomische Bewertung handelt. Der Verdichterenddruck dient als Beispiel für die Zustände im Kältekreis. Liegen die Punkte auf der Linie, stimmen die Werte überein, je weiter die Punkte von der Linie entfernt sind, desto ungenauer ist das Modellergebnis. Das Bestimmtheitsmaß R² gibt an, wie gut die Punkte durch einen linearen Zusammenhang beschrieben werden können. Das Modell stimmt gut mit den Messwerten überein, was an hohen Werten für R² erkennbar ist.

Systemsimulation und techno-ökonomische Bewertung

Das parametrierte Wärmepumpenmodell enthält alle Versuchspunkte und kann Betriebszustände, die zwischen den Versuchspunkten liegen, interpolieren. Die Integration einer derartigen Wärmepumpe in verschiedene thermische Energiesysteme kann nun in „IPSEpro“ berechnet werden.

Im Folgenden wird die Nutzung der Wärmepumpe bei verschiedenen Quellen- und Senkentemperaturen simuliert, um einen Überblick über unterschiedliche Anwendungen zu bekommen. Die Quellentemperatur wurde im Bereich von 45 und 60 °C variiert. Industrielle Wärmequellen in diesem Temperaturbereich sind beispielsweise Kühlwasser von Maschinen und hydraulischen Anlagen, Abwärme von Kälteanlagen, sowie warme Abluftströme, die derzeit nicht genutzt werden. Die Wärmenutzungstemperatur wurde von 80 bis 130 °C variiert. Die Wärmepumpe liefert warmes Wasser, das als Prozesswasser z.B. in der Papierindustrie, der Kunststoff- oder Metallverarbeitung eingesetzt werden kann. Weitere Anwendungen sind Reinigungsanlagen, Kochen, Pasteurisieren und Trocknungsprozesse in der Lebensmittelindustrie [8], [9], [10], [11]. Es kann auch Fernwärme ausgekoppelt werden. Je nach zeitlicher Übereinstimmung von Wärmequelle und Nutzung kann ein Speicher erforderlich sein.

In Bild 7 werden die dabei errechneten Zustände als Kreuze und die gemessenen Betriebspunkte als Punkte dargestellt, als Scharparameter dient der Temperaturhub. Da die Messungen nur bis 105 °C durchgeführt wurden, handelt es sich bei den Betriebspunkten über 105 °C um Extrapolationen, die mit größerer Unsicherheit behaftet sind. Die untere Einsatzgrenze des Modells liegt bei einem Temperaturhub von 39 K. Beträgt der Temperaturhub 34 K, wird ebenfalls extrapoliert. Bei Quelleneintrittstemperaturen von 60 °C liefert das Modell bei diesem Temperaturhub keine sinnvollen Ergebnisse mehr.

Bild 8 zeigt die elektrische Leistung und die Heizleistung der Wärmepumpe bei verschiedenen Quellen- und Wärmenutzungstemperaturen. Der Strombedarf nimmt mit der Wärmenutzungstemperatur zu, bei konstanter Quellentemperatur steigt auch der Temperaturhub. Bei einer Wärmenutzungstemperatur von 130 °C ist der Strombedarf ungefähr doppelt so groß wie bei 80 °C. Die Heizleistung nimmt dagegen ab und liegt je nach Betriebspunkt zwischen 250 und 400 kW. Das liegt daran, dass bei hohen Temperaturen weniger Kältemittel durch den Verdampfer strömt und mehr Kältemittel im Economizer-Wärmetauscher verdampft wird. Daher wird der Quelle weniger Wärme entnommen und die Heizleistung sinkt. Man kann davon ausgehen, dass die lineare Korrelation im Bereich der hohen Wärmenutzungstemperaturen, wo extrapoliert wird, die Heizleistung über- und die elektrische Leistung unterschätzen. Die Heizleistung wird stärker abnehmen und die elektrische Leistung stärker zunehmen, als in Bild 8 gezeigt wird. Die Leistungszahl COP ist das Verhältnis von Heizleistung und Strom. Sie nimmt mit steigendem Temperaturhub ab und liegt zwischen 1,7 und 4,2.

Für die Betrachtung der Umweltauswirkungen werden die CO₂-Emissionen und der Primärenergieeinsatz der Wärmepumpe berechnet und einem erdgasbefeuerten Kessel, der die gleiche Heizleistung liefert und einen thermischen Wirkungsgrad von 90 % hat, gegenübergestellt.

Der CO₂-Emissionsfaktor beschreibt, wie viel CO₂ und andere Treibhausgase pro Einheit an Endenergie, die als Prozesswärme verfügbar ist, in die Atmosphäre abgegeben wird. Der Primärenergiefaktor gibt an, wie viel Energie benötigt wird, um eine Einheit der Endenergie bereitzustellen. Dazu wird der Energieverbrauch der Förderung, Verarbeitung, Speicherung, Transport, Umwandlung, Übertragung und Verteilung summiert. Die Faktoren wurden GEMIS entnommen, es wurde der elektrische Strommix in Österreich im Jahr 2011 gewählt [7]. Zur Beurteilung der Energiekosten ist das Preisverhältnis von elektrischem Strom und Gas maßgeblich. Da es hier zu großen Unterschieden kommen kann, weil sich die Preise nach der Abnahmemenge und dem Vertragstyp der jeweiligen Unternehmen richtet, wird mit einem hohen und einem niedrigen Preisverhältnis gerechnet (Tabelle 2). Die möglichen Einsparungen werden als Stundenwerte angegeben. Je nach Art des Prozesses ergeben sich unterschiedliche Jahresbetriebsstunden (ganzjährig, saisonal, tagsüber, etc.). Typische Werte liegen zwischen 3.000 und 8.500 h.

Der Einsatz der Wärmepumpe hat in jedem Betriebspunkt positive Auswirkungen auf die Umwelt, was in Bild 9 verdeutlicht wird. Es werden zwischen 24 und 76 kg CO₂/h gespart, das entspricht 35 bis 74 % der Emissionen für die Wärmebereitstellung. Die Primär- und Endenergieeinsparung sind bei geringen Wärmenutzungstemperaturen ähnlich hoch. Bei hohen Temperaturen nimmt die Primärenergieeinsparung ab, da zur Erzeugung von Strom mehr Primärenergie benötigt wird als zur Bereitstellung von Gas. Die Einsparungen betragen 63 bis 324 kWh/h (= 19 bis 67 %) Primärenergie und 130 bis 331 kWh/h (= 47 bis 78 %) Endenergie.

Die Wärmepumpe führt in den meisten Fällen zu einer Reduktion der laufenden Energiekosten. Sie können um bis zu 6 €/h oder 60 % der Kosten reduziert werden. Lediglich bei einem hohen Preisverhältnis sind hohe Wärmenutzungstemperaturen nicht mehr wirtschaftlich (Bild 10). Bei niedrigen Wärmenutzungstemperaturen können die Energiekosten durch die Wärmepumpe um bis zu 30 % gesenkt werden.

Bei hohen Quellentemperaturen und geringem Temperaturhub werden bei allen Parametern der techno-ökonomischen Analyse die höchsten Einsparungen erzielt. Dabei ist auch die Heizleistung am höchsten.

Schlussfolgerungen

Die neu entwickelte Hochtemperatur-Wärmepumpe der Ochsner Energie Technik GmbH kann durch den gewählten Modellbildungsansatz gut nachgebildet werden. Das Simulationsmodell kann zur Berechnung weiterer Betriebszustände durch Inter- und Extrapolation eingesetzt werden. Um typische industrielle Prozessanforderungen zu simulieren, wurden die Quelleneintrittstemperatur von 45 bis 60 °C und die Wärmenutzungstemperatur von 80 bis 130 °C variiert. Anhand der Simulationsergebnisse kann die Effizienzsteigerung bewertet werden, die eine wichtige Entscheidungsgrundlage für eine mögliche Umsetzung darstellt. In allen berechneten Betriebspunkten hat die Wärmepumpe positive Auswirkungen auf die Umwelt, da die CO₂-Emissionen und der Primärenergiebedarf deutlich verringert werden. Es kommt auch zu einer Betriebskosteneinsparung.

Bei den hier verwendeten Messdaten handelt es sich um die ersten Versuche mit der neuen Wärmepumpe. Weitere Prüfstandsmessungen, bei denen die Wärmenutzungstemperatur auf bis zu 130 °C gesteigert wird, wurden Ende 2016 durchgeführt. Die Messdaten dienen auch der Optimierung der Wärmepumpe. Daher kann man davon ausgehen, dass die erreichten Leistungszahlen und möglichen Einsparungen in Zukunft weiter erhöht werden können.

Fazit

Industriewärmepumpen, die hohe Wärmenutzungstemperaturen liefern können, stellen eine wichtige Effizienzmaßnahme für industrielle Prozesse dar. Durch die Integration von bisher ungenutzten Wärmeströmen können CO₂-Emissionen und Primärenergiebedarf der Wärmebereitstellung deutlich verringert werden, was ein wichtiger Schritt zur Erreichung der nationalen und internationalen Klimaziele ist.

Für die neu entwickelte Hochtemperatur-Wärmepumpe der Ochsner Energie Technik GmbH wurde ein stationäres Simulationsmodell erstellt, mit dem der Einsatz dieser Wärmepumpe in Industrieprozessen berechnet werden kann. Die Modellbildung beruht auf einem Kennfeld, das in Prüfstandsmessungen erhoben wurde. Wesentliche Parameter der Wärmepumpe, wie die Heizleistung und die elektrische Leistung, wurden im Modell berechnet. Dazu wurden zusammengesetzte lineare Funktionen in Abhängigkeit von der Wärmenutzungstemperatur und dem Temperaturhub integriert. Das Modell gibt die Messdaten mit sehr guter Genauigkeit wieder und wurde zu Berechnung von weiteren Betriebszuständen, die für industrielle Anwendungen geeignet sind, eingesetzt. In allen berechneten Betriebspunkten hat die Wärmepumpe positive Auswirkungen auf die Umwelt, da die CO₂-Emissionen und der Primärenergiebedarf deutlich verringert werden. Es kommt auch zu einer Betriebskosteneinsparung.

Mit dem Simulationsmodell kann die Integration dieser Wärmepumpe nach techno-ökonomischen Kriterien bewertet werden und somit eine Entscheidungshilfe für mögliche Umsetzungen sein.

Literatur