2. Februar 2022

Forschungsprojekt strebt doppelte Brennstoffausnutzung an

Energieeffizienzmaßnahmen in Kombination mit unterschiedlichen Technologien sind für ein Gelingen der Energiewende zielführend. Resiliente Energieversorgung muss zukünftig das Redundanzprinzip ersetzen. Dies erfordert einen ausgewogenen Technologiemix, anstatt sich auf einen Versorgungspfad zu verlassen. Die effiziente Nutzung heimischer regenerativer Ressourcen bietet dabei neben Versorgungssicherheit zusätzlich Vorteile bei der regionalen Wertschöpfung. In dem vom BMWi geförderten Forschungsvorhaben BioWap¹) wurde eine Lösung erarbeitet, die diesen Aspekten Rechnung trägt und sich letztlich aus zwei etablierten Technologien zusammensetzt.

Zusammen mit dem Kesselhersteller HDG Bavaria entwickelte das ZAE Bayern im Rahmen des Projektes BioWap ein hocheffizientes, mit Biomasse gefeuertes Heiz- und Kühlsystem. Mit Holzpellets oder Hackschnitzel als Antriebsenergie direkt befeuert, erreicht die Absorptionswärmepumpe mit dem Arbeitsstoff paar Lithiumbromid & Kältemittel Wasser (R718) eine nominelle Nutzwärmeleistung von 110 kWth. Die Brennerleistung des Systems wurde hierfür mit 55 kW festgelegt. Die Brennstoffausnutzung fällt also doppelt so hoch aus wie bei konventionellen Biomassekesseln.

Ziel des Projektes war es, ein Funktionsmuster zu bauen, welches einerseits mit den üblichen Fertigungsschritten von Biomassekesselherstellern produziert werden kann und andererseits die ambitioniert hohe Effizienz sowie Anwendungsflexibilität erreicht. Dies erlaubt zukünftig eine kostenattraktive Herstellung und erleichtert die Erschließung zahlreicher Anwendungen in Wohn- und Betriebsgebäuden.

Biomasse gezielt hocheffizient einsetzen
Die direkte Kopplung aus Biomassefeuerung und Absorptionswärmepumpe, also der vollintegrierte thermische Wärmepumpenprozess, verdoppelt die Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Heizkesseln. Dadurch werden Brennstoffbedarf und Emissionen halbiert. Möglich wird dies, indem die bei der Verbrennung der Biomasse freigesetzte Energie in einem Hochtemperaturdesorber (HTD) direkt zum Antrieb des Wärmepumpensystems genutzt wird. Die durch das Wärmepumpensystem bereitgestellte Nutzwärme setzt sich folglich aus der durch die Verbrennung des Biomasse-Brennstoff s eingekoppelten Energie und die durch die Wärmepumpe aufgewertete Energie einer Niedertemperaturwärmequelle (z. B. Grundwasser oder Erdwärmesonden) zusammen.

Biomasseenergie muss in diesem Zusammenhang als Problemlöser gesehen werden, der immer dort ideal einzusetzen ist, wo andere Klimaschutztechnologien an ihre Grenzen stoßen. Biomasse sollte also fossile Ressourcen überall dort ersetzen, wo keine klimafreundlichen Alternativen existieren oder ein langfristiges Überangebot an Holz zu erwarten ist. Stoffliche Nutzung von Holz muss gegenüber der energetischen Nutzung wo immer möglich Vorrang haben, um größtmögliche Klimaschutzwirkung zu entfalten.

Der Technologieansatz im Projekt BioWap ist entsprechend nicht als Konkurrenzmodell zu konventionellen Wärmepumpensystemen zu verstehen, sondern als Ergänzung. BioWap bietet sich als attraktive, umweltfreundliche Alternative an, wenn beispielsweise vollumfängliche Raumwärmeversorgung mit erneuerbarem Strom nicht möglich, Stromnetzentlastung nötig oder ein klimafreundliches, bivalentes Heiz- und Kühlsystem gewünscht ist. In all diesen Fällen kann der sehr gut speicherbare Brennstoff Holz einen hervorragenden Beitrag zur Wärmewende beitragen – insbesondere wenn die Nutzung so effizient wie möglich erfolgt und damit auch die begrenzte Ressource Biomasse nachhaltig eingesetzt wird.

Direktantrieb mit Verbrennung statt Strom
Das innovative Kernstück des Systems, der Hochtemperaturdesorber HTD, wurde auf der Basis der Brennraumgeometrie eines bestehenden Warmwasserkessels der HDG Bavaria GmbH entworfen. Als Brennstoff wurden in den Laborversuchen Holzpellets eingesetzt, wobei Brennraum und Rauchgastrakt insbesondere für den Einsatz von Holzhackschnitzeln geeignet sind. Das Funktionsprinzip des thermischen Verdichters macht bei dieser Bauart eine kaskadenartige Nutzung der Brennstoffenergie und damit höhere Wirkungsgrade möglich. Der Strombedarf ist dabei nahezu vernachlässigbar.

Wie bei einstufigen Absorptionswärmepumpen zirkuliert das Kältemittel Wasser in einem geschlossenen, vollständig evakuierten Kreislauf. Dieser Prozess ist im p-T-Diagramm in Bild 1 schematisch dargestellt.

Am Verdampfer V₁ verdampft das Wasser und entzieht damit der angeschlossenen Niedertemperatur-Umweltwärmequelle die Wärme Q_V1. Der entstandene Dampf wird zum Absorber A₁ geführt und dort von wässriger Lithiumbromidlösung absorbiert. Diese Flüssigkeit wird auf ein höheres Druckniveau gebracht und in die Desorber D₁ und D₂ gefördert. Der hohe Gehalt an Lithiumbromid in der Lösung erhöht die Siedetemperatur gegenüber dem Kältemittel Wasser stark. Im Desorber D₂ wird unter Zufuhr der – aus der Biomassenverbrennung stammenden – Antriebswärme Q_D2 das Kältemittel wieder aus der Lösung freigesetzt (Desorption). Der Kältemitteldampf kondensiert unter dem gegebenen Druck auf entsprechend höherem Temperaturniveau am Kondensator K₂ und steht dem Verdampfer V₁ wieder flüssig zur Verfügung. Die freiwerdende Kondensationswärme Q_K2 dient anschließend dem Antrieb des Desorbers D₁ (Q_K2 = Q_D1), welcher ebenfalls Wasser aus der Lösung desorbiert. Die in den Desorber D₂ eingebrachte Verbrennungswärme wird also zweifach genutzt, die Effizienz so erhöht. Die Wärmen Q_K1 und Q_A1 an K₁ und A₁ entsprechen der Nutzwärme und setzen sich aus den an D₂ und V₁ eingebrachten Wärmen zusammen und können z. B. für Heizzwecke eingesetzt werden.

Durch die mehrstufige Anordnung der Desorber ergibt sich ein modularer Systemaufbau, welcher vielfältige Betriebsweisen ermöglicht.

Neben dem in Bild 1 gezeigten Betrieb mit verdoppelter Effizienz, dem sogenannte Double-Effect-Modus, ist beispielsweise auch besonders hoher Temperaturhub von bis zu 85 K möglich. In diesem als Double-Lift bezeichneten Modus dient die Kaskade nicht für die Effizienzsteigerung, sondern für das zweifache Anheben der Niedertemperaturwärme. Hervorzuheben ist, dass mit demselben System auch eine hocheffiziente Kältebereitstellung erfolgen kann – im Idealfall sogar für gleichzeitige Bedienung von Heiz- und Kühlbedarf. Die Kälteleistung am Verdampfer V₁ entspricht dabei mindestens dem Energiefluss durch zugeführten Brennstoff.

Reale Bedingungen im Labor
Wie in Bild 2 dargestellt, wurde die gesamte Installation der Komponenten im Labor des ZAE Bayern aufgebaut. Mit Hilfe eines Hardware-in-the-Loop-Prüfstandes (HIL) wurden realitätsnahe Messungen durchgeführt. Die umfangreiche Messtechnik wurde mit dem Ziel gewählt, die relative Messunsicherheit bei den Effizienzkennzahlen (BUE,ζ) unter 10 % zu halten.

Die Messungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den simulierten bzw. erwarteten Prozessparametern. Lediglich die Wärme- und Kälteleistung sowie die Brennstoffeffizienz ist um 10 bis 15 % geringer als berechnet. Dies liegt an den Wärmeverlusten des HTD an die Umgebung, welche aufgrund der umfangreichen messtechnischen Ausstattung und damit größerer Verlustoberflächen vergleichsweise hoch ausfallen.

In den Laborversuchen des Double-Effect-Betriebs konnte ein brennstoffbezogener Wirkungsgrad (Quotient Nutzwärme zu Brennstoffenergie) für die Wärmebereitstellung von BUE_Heat = 1,7 nachgewiesen werden. Das als Quotient aus Nutzwärme und in den Prozess eingekoppelter Antriebsenergie definierte Wärmeverhältnis erreichte einen sehr guten Wert von ζ_Heat,DE = Q_Wärme/Q₂ = 2,21. Weitere Daten aus Messungen einschließlich der absoluten Unsicherheiten (bezogen auf eine 1-σ-Wahrscheinlichkeit) sind in Tabelle 1 angegeben. Hervorzuheben ist der geringe elektrische Energiebedarf von etwa 1 % der nutzbaren Wärme Q_Wärme. Die Emissionen (Staub, CO) konnten geringgehalten werden und betrugen bei gleicher Wärmeleistung nur etwa 54 % der Emissionen konventioneller Systeme.

Das System hat Optimierungspotenzial hinsichtlich des Brennstoffwirkungsgrads BUE. Durch den Verzicht auf alle für allein wissenschaftliche Zwecke erforderlichen Einbauten, Sensoren und Aktoren, die für den rein funktionalen Betrieb nicht notwendig sind, können die thermischen Verluste enorm reduziert werden. In Kombination mit einer verbesserten Verbrennungsregelung könnten beispielsweise im Double-Effect-Betrieb weitere 15 % an zusätzlicher Heizleistung bereitgestellt werden, da mehr Wärme zum Systemantrieb zur Verfügung stünde.

Feldtests im Folgeprojekt
Die unterschiedlichen Betriebsmodi, etwa Heizen, Kühlen oder beides, sowie auch die zugehörigen Temperaturniveaus, Temperaturhübe und Brennstoffarten müssen nun für eine anwenderfreundliche Weiterentwicklung auf einen Hauptanwendungszweck reduziert werden. Entsprechend wird derzeit eine umfassende Markt- und Kundenanalyse erarbeitet. Anwender wie auch Installateure im Umfeld der Forschungsakteure sollen eingebunden werden, um ein kompaktes, robustes und zuverlässiges System zu erreichen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse soll ein vereinfachtes Funktionsmuster erarbeitet werden, welches als Feldtestanlage bei interessierten Kunden installiert werden kann. Im Dialog mit diesen Anwendern ist die Praxistauglichkeit nachzuweisen. Im Rahmen eines wissenschaftlich begleiteten Folgeprojektes sollen Fragestellungen hinsichtlich Standfestigkeit im Dauerbetrieb oder der realen Jahresarbeitszahl hinlänglich beantwortet werden können. Der dafür anzusetzende Zeitraum wird auf drei Jahre geschätzt. Der Zeitpunkt der Marktreife hängt dementsprechend auch von den Ergebnissen dieser Feldtests ab.

Die Kosten eines solchen Systems liegen voraussichtlich, je nach Stückzahlen und Anwendungsfeld, letztlich auf demselben Niveau bereits heute verfügbarer biomassebetriebener Absorptionswärmepumpensysteme – jedoch bei enorm verbesserter Brennstoffausnutzung. Ökonomische Betrachtungen attestieren dem Systemkonzept daher bereits in der erreichten Entwicklungsstufe wirtschaftliche Anwendbarkeit und gute Marktchancen.

Autoren: Manuel Kausche, Martin Helm und Manuel Riepl, alle ZAE Bayern e.V., Bereich Energiespeicherung – Arbeitsgruppe Wärmetransformation Wolfgang Aich, HDG Bavaria GmbH

www.zae-bayern.de

¹) Das Kürzel steht für Biomassebetriebenes Wärmepumpen- und Kälteanlagensystem, Förderkennzeichen: 03KB127