Aktive Rauchgaskondensation mit Absorptionswärmepumpen Erfahrungen aus dem Projekt Bioenergie Wagrain 2020/2021

Aktive Rauchgaskondensation mit Absorptionswärmepumpen
        Erfahrungen aus dem Projekt Bioenergie Wagrain 2020/2021

Harald Blazek, StepsAhead Energiesysteme GmbH   QM Heizwerke Fachtagung 2021, Bad Vöslau

Anlieferung der Absorptionswärmepumpe
September 2020
                                        Wärmeleistung AWP: 2 MW

                                        IBN Oktober 2020
                                        Antriebsenergie:
                                        Heißwasser mit
                                        VL/RL = 150°/130°
                                        Niedertemperaturquelle:
                                        Rauchgaskondensation mit
                                        VL/RL = 32°/22° (0,85 MW)
                                        Fernwärmeeinspeisung:
                                        Rücklaufanhebung mit
                                        VL/RL = 55°/70° (2 MW)

LiBr Absorptions Wärmepumpe
                                  (single stage, COP 1,7 – 1,75)
           Taupunkt H2O = 81°C
           493 mbar
                                 Austreiber,         Kondensator
                                 Generator                           80°C

 Antrieb          155°C
 1 MW             135°C
                                                                   Wärmelieferung
                                                                      1,7 MW

                   45°C
Niedertemp.
  0,7 MW
                   25°C                                              55°C
                                 Verdampfer             Absorber

  Siedetemperatur H2O = 24°C
  30 mbar

LiBr Absorptions Wärmepumpe
                                  (single stage, COP 1,7 – 1,75)
           Taupunkt H2O = 81°C
           493 mbar
                                 Austreiber,         Kondensator
                                 Generator                           80°C

 Antrieb          155°C
 1 MW             135°C
                                                                   Wärmelieferung
                                                                      1,7 MW

                   45°C
Niedertemp.
  0,7 MW
                   25°C                                              55°C
                                 Verdampfer             Absorber

  Siedetemperatur H2O = 24°C
  30 mbar

1 Absorptionsmaschine =
= 4 Rohrbündelwärmetauscher, 1 Plattenwärmetauscher, Pumpen, Ventile.

Funktionsprinzip der LiBr-Absorptions-Kältemaschine:

Schritt 1, Verdampfer und Absorber:
- Um Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aufnehmen zu können, wird im Verdampfer Wasser
    bei niedrigem Druck verdampft.
- Dieser Dampf wird im Absorber von konzentrierter LiBr-Salzlösung absorbiert.
- Eine Pumpe bringt die nun verwässerte Salzlösung zum Generator.

Schritt 2, Generator und Kondensator:
- Im Generator wird bei höherem Druck (unter 1 bar absolut) durch Wärmezufuhr das Wasser aus
    der verwässerten Salzlösung verdampft. Dadurch wird die Salzlösung konzentriert und kann somit
    wieder im Absorber verwendet werden.
- Im Kondensator wird der entstandene Dampf an einem Wärmetauscher kondensiert.
    So steht auch das im Verdampfer benötigte Wasser wieder in flüssiger Phase zur Verfügung.

Die in Absorber und Kondensator freiwerdenden Wärmemengen werden von Wärmetauschern
aufgenommen und bei Wärmepumpen an Heizsysteme, bei Kältemaschinen an Kühltürme abgegeben.

Umweltbetrachtung und verwendete Betriebsstoffe:
Die verwendeten Betriebsstoffe sind Wasser und Lithiumbromid Salz. Diese Wärmepumpe verwendet
somit weder ozonschädigende Stoffe, noch Stoffe die zu einer Verstärkung des Treibhauseffekts führen
würden.

Rauchgaskondensation Biomasse:
Wie viel zusätzliche Ernte ist möglich?

                                                    Messung Wagrain, Dez. 2020:
                                                    (mit Wärmepumpe)

                                                                                   Aktive RGK:
                                                                                   (mit Wärmepumpe)

                                                                                                                                                                           ECO Rauchgaskondensation
                                                                                                                        Passive RGK:
                                                                                                                        (mit Fernwärme Rücklauf)

                                                                                                                                                          Economizer:
                                                                                                                                                          (mit FW Rücklauf)
Randbedingungen: Rauchgas 160°C / Lambda 1,5 (= z.B. Rest O2 feucht = 5,99% bei W45) / Heizwert Holztrocken = 18,78 MJ/kg / Tumg = 10°C, 13% rel. Luftfeuchte, 1000 mbar

Simulation Gesamtanlage zur Definition aller Komponenten:
Für das Projekt Wagrain wurden von StepsAhead 18 verschiedene Lastfälle in Ebsilon® simuliert.
Diese Simulation umfasst die gesamte Anlage, wie im untenstehenden Symbolbild gezeigt.
•     Auslegung aller Komponenten und Bestätigung der Komponenten in allen relevanten Lastfällen
      Hohe Energiemengen in Teillast wegen touristischer Sommernutzung.
•     Kaltwasser für die Rauchgaskondensation bei Nennlast 22°C, bei Schwachlast bis zu 15°C.
                                  Rauchgas                                      Rauchgas: < 30°C
                                  Rezirkulation

                 Kessel 1

     Hackgut
     W50
                   Kessel 2

     116% Gesamtwirkungsgrad                                     Absorptionswärmepumpe
    Beispielsimulation in Ebsilon®, Werte für Nennlast Wagrain in Rot im Symbolbild eingetragen

Vereinfachtes Schema Wagrain:
Volllast W50, 100°C
116% Brennstoffnutzungsgrad

Neue Regelung zur automatischen Ertragsoptimierung:
In Wagrain wurde bereits zum zweiten Mal ein von StepsAhead entwickeltes Regelungskonzept
eingesetzt. Dieses garantiert unabhängig vom Betriebspunkt immer die maximale Konzentration
der Salzlösung und somit die niedrigste Kaltwassertemperatur.
So wird der Ertrag aus der Rauchgaskondensation maximiert.

   So kalt wie möglich!                                                 Temperatur vom FW-Netz
   Je kälter, desto mehr                                                vorgegeben.
   Ertrag der RGK.

                           Der Wasserstand im Verdampfer wird gemessen.
                           Je höher der Pegel, desto höher die Salzkonzentration.
                           Einstellung bei Inbetriebnahme: 63% LiBr + 37% H2O.

Siedetemperaturen LiBr/H2O bei verschiedenen Konzentrationen        [kg LiBr / 100 kg Lösung]
                                                  0

 Taupunkt H2O = 81°C
 493 mbar

 Siedetemperatur H2O = 24°C
 30 mbar

                                                      Diagramm: https://stepsahead.at/download/

Erfolgsfaktor Kooperation:
Die besten Absorptionsmaschinen werden heute in China gebaut.
(> 100.000 Maschinen seit 1990, diese Erfahrung haben wir in Europa nicht.)
Um in Europa gute Ergebnisse sicherzustellen ist eine enge Kooperation mit dem Hersteller
über die gesamte Projektlaufzeit notwendig.

Themen vor Ort:
•   Sehr gute Zusammenarbeit mit allen Gewerken, Planer und Betreiber!
•   Schwierige Einbringung im Obergeschoß.
•   Wegen COVID19:
    IBN von StepsAhead ohne Personal des Herstellers vor Ort durchgeführt.
•   2 Mal Kristallisation der Maschine aufgrund IBN-bedingter Sonderzustände.
•   1 Flansch der Maschine wurde undicht und wurde nachträglich gerichtet.
•   Der Fernwärme-Massenstrom im Sommer 2021 war niedriger, als in der Planung
    angenommen (Tourismus Sommer 2021…). Die Regelung wurde entsprechend angepasst.

Fazit aus Sicht des Maschinenlieferanten:
•   Durch die frühzeitige Einbindung:
     - Wurde eine ideale Dimensionierung aller Komponenten möglich.
     - Konnten die Teillastzustände wie simuliert auch real erreicht werden.
     - War es in diesem Projekt nicht notwendig, nachträglich größere Veränderungen der
       Betriebspunkte an „Realbedingungen“ anzupassen.

• Wir kennen derzeit keine Biomasse Anlage in Österreich, die einen höheren
  Brennstoffnutzungsgrad als Wagrain erreicht.
• Die nächsten Anlagen mit nahwaerme.at sind:
     - Straß, Steiermark:    Lieferung & IBN November 2021
     - Seekirchen, Salzburg: Lieferung & IBN Sommer/Herbst 2022

StepsAhead Energiesysteme GmbH
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Tel.: +43 316 318 719
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Harald Blazek:     +43 664 8427 954
Michael Barnick:   +43 680 3030 627