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Zukunftsfähige Konzepte für flüssige Brennstoffe

Die Verringerung des Primärenergiebedarfs ist eine wesentliche Voraussetzung, um die energiepolitischen Ziele Klimaschutz und langfristige Versorgungssicherheit zu erreichen. Die Steigerung der Energieeffizienz im Gebäudebereich spielt dabei eine zentrale Rolle. Auf die Wärmeversorgung von Gebäuden entfällt in Deutschland etwa ein Drittel des gesamten Endenergieverbrauchs. In welchem Umfang der Energiebedarf sinken wird, hängt auch von der Entwicklung neuer effizienter Technologien für die Wärmeversorgung ab. Eine mit Heizöl betriebene Wärmepumpe und eine stromerzeugende Heizung auf Basis der Kraft-Wärme-Kopplung sind aus Sicht der Mineralölwirtschaft solche Zukunftstechnologien.

 

34,6 % des Primärenergiebedarfs in Deutschland wurden 2008 mit Mineralöl gedeckt, gefolgt von Erdgas (22,8 %) und Kernenergie (11,5 %). Der deutsche Gesamtprimärenergiebedarf lag 2008 bei 480 Mio. t Steinkohleeinheiten (SKE). 1 kg SKE = 8,141 kWh. 40,4 % der Endenergie in Deutschland werden im Gebäudebereich genutzt, allein 34,4 % für die Wärmeversorgung. Im Verkehrssektor fallen 31,3 %, im Bereich Industrie 28,3 % des Endenergiebedarfs an.

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Erste Prototypen werden jetzt in Forschungsprojekten gemeinsam mit Heizgeräteherstellern realisiert. Dazu haben sich die Mineralölunternehmen aws Wärme Service, Shell und Total mit den Geräteherstellern Bosch Thermotechnik und Otag in der Technologie-Initiative der Mineralölwirtschaft zusammengefunden und konkrete Projektpartnerschaften vereinbart.

"Die einfache und kostengünstige Speicherbarkeit von Energie wird im Hinblick auf den tendenziell sinkenden Energiebedarf und die im Jahresverlauf schwankende Heizenergie­nachfrage immer wichtiger für die Wärmeversorgung von Gebäuden werden", sagt Prof. Christian Küchen, Geschäftsführer des Instituts für wirtschaftliche Oelheizung e. V.

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Stromerzeugende Ölheizung
Ein Projekt dieser Partnerschaft ist das ölbetriebene Mikro-KWK-Gerät, ausgelegt für eine thermische Leistung von 3 bis 19 Kilowatt (kW) und einer elektrischen Leistung von bis zu 2 kW. Damit können die elektrische Grundlast und der Wärmebedarf in modernen Gebäuden mit bis zu drei Wohneinheiten abgedeckt werden. In Verbindung mit einem Pufferspeicher kann eine solche Mikro-KWK-Anlage auch in ein vorhandenes Heizsystem integriert werden.

Technische Grundlage der Entwicklung ist eine von Otag entwickelte modulierende gasbetriebene Mikro-KWK-Anlage. Deren technologische Besonderheit beruht auf einem Lineargenerator, der über einen geschlossenen Wasserdampfkreislauf angetrieben wird. Im Gegensatz zu konventionellen Generatoren mit Rotationsbewegung wandelt dieser "Linator" eine geradlinige Bewegungsenergie in Strom um.

Der Lineargenerator kann als Doppelfreikolben-Expansionsdampfmaschine bezeichnet werden. Beim Doppelfreikolben handelt es sich um einen im Zylinder frei beweglichen, in zwei Richtungen wirkenden Kolben ohne Pleuel oder sonstige Mechanik. Dieses Konzept benötigt keinen Schmiermittelkreislauf und erlaubt somit relativ lange Wartungsintervalle. Es ist außerdem leise im Betrieb. Dem jeweiligen Energiebedarf passt sich die Mikro-KWK-Anlage automatisch an: Der thermische Modulationsbereich liegt zwischen 3 und 19 kW, der elektrische Modulationsbereich zwischen 0,3 und 2 kW.

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Prototyp einer Öl-Wärmepumpe. Die bereits bei der Bosch Thermotechnik GmbH in der Entwicklung befindliche Gas-Wärmepumpe soll für den Betrieb mit flüssigen Brennstoffen adaptiert werden.

Passender Öl-Brenner kleiner
Leistung wird entwickelt
Das Prinzip dieses vorhandenen Gerätes soll mit nur geringen Modifikationen für den Betrieb mit schwefelarmem Heizöl - auch mit Bio­komponenten - nutzbar gemacht werden. Zur Umsetzung wird ein modulierbarer Ölbrenner mit sehr kleiner Leistung von 3 bis 19 kW und äußerst kompakten Abmessungen benö­tigt, um der vorgegebenen Wärmetauschergeometrie zu entsprechen.

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Die Entwicklung dieses modulierenden Oberflächenbrenners wird im Oel-Wärme-Institut (OWI) umgesetzt. Das innovative Brennerkonzept basiert auf einer Gemischaufbereitung mittels der "Kalte-Flammen-Technologie". Kalte Flammen eröffnen flüssigen Energieträgern Einsatzbereiche, die bislang nur gasförmigen Ener­gieträgern offen standen. Denn mit ihrer Hilfe wird ein homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch unter Freisetzung von Wärme in einem Teilluftstrom zunächst vollständig verdampft. Anschließend wird das so entstandene Brenngas mit der restlichen Verbrennungsluft auf einer Metalldrahtoberfläche verbrannt. Gemischbildung und Verbrennung erfolgen dabei in zwei räumlich voneinander getrennten Prozessen.

In Kürze soll ein Prototyp für Testzwecke zur Verfügung stehen. In einer anschließenden Feldversuchsreihe mit cirka zehn Anlagen sollen weitere praktische Erfahrungen insbesondere zur Alltagstauglichkeit des neu entwickelten modulierenden Ölbrenners gesammelt werden. Otag-Geschäftsführer Franz Josef Schulte ist von den Zukunftsperspektiven dieser Technik überzeugt: "Immer mehr Hausbesitzer werden in einigen Jahren ihren Strom selbst produzieren, effizient und wirtschaftlich - mit ihrer Heizung."

Heizölbetriebene Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung kann den Primärenergiebedarf für die elektrische Stromversorgung deutlich reduzieren und so einen Beitrag zu Ressourcenschonung und Klimaschutz leisten.

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Die Öl-Wärmepumpe kommt
Ziel eines weiteren Projektes ist die Entwicklung einer Öl-Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von 4 bis 10 kW. Basis des geplanten Prototyps ist eine bei Bosch Thermotechnik in der Entwicklung befindliche Gas-Absorptionswärmepumpe, die für den Betrieb mit flüssigen Brennstoffen adaptiert werden soll. Eine Absorptionswärmepumpe arbeitet nach demselben Prinzip wie ein Campingkühlschrank. Im Gegensatz zur Elektrowärmepumpe dient anstelle von Strom eine Wärmequelle als Antrieb für den Absorptionskreislauf.

Maßgebliche Voraussetzung für die Realisierung der Öl-Wärmepumpe ist die Entwicklung eines modulierenden Ölbrenners mit kleiner Leistung, weil herkömmliche Ölbrenner für den Einsatz in thermischen Wärmepumpen zu groß dimensioniert sind. Die technologische Herausforderung bei der Realisierung eines solchen Kleinbrenners liegt in der Brennstoffdosierung sowie in der Aufbereitung eines homogenen Brennstoff-Luftgemischs. Für die Öl-Wärmepumpe wird hierfür ein neuartiger Ölbrenner entwickelt, dessen Leistung sich stufenlos dem Wärmebedarf anpasst. Das Verbrennungskonzept basiert wie beim KWK-Prototyp auf der "Kalte-Flammen-Technologie".

Aus dem thermischen Antrieb ergeben sich für ölbetriebene Wärmepumpen neben dem hohen primärenergetischen Nutzungsgrad eine Reihe weiterer Vorteile: Sie passen sich sehr schnell an den jeweiligen Wärmebedarf an. Und sie erreichen hohe Spitzentemperaturen, wie sie etwa für die Trinkwassererwärmung benötigt werden. Höhere Temperaturen erweisen sich gerade auch im Modernisierungsbereich als vorteilhaft, weil dort seltener eine auf niedrige Temperaturen ausgelegte Flächenheizung vorhanden ist. Darüber hinaus benötigen ölbetriebene Absorptionswärmepumpen einen vergleichsweise kleinen und damit auch kostengünstigeren Luft- oder Erdkollektor zur Aufnahme der Umweltwärme. Ein weiterer Vorteil ist der äußerst geräuscharme Betrieb.

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Mit Öl-Brennwerttechnik lassen sich schon heute beträchtliche Primärenergieeinsparungen erzielen. Eine weitere Verbesserung ist durch die Nutzung von Umweltwärme möglich - beispielsweise durch die Einbindung von Solarthermie oder durch eine ölbetriebene Wärmepumpe.

Zentrale Bewertungsgröße: primärenergetischer Nutzungsgrad
Mittel- bis langfristig könnte die Zukunftstechnologie Öl-Wärmepumpe zur Verringerung des Primärenergiebedarfs im Wärmemarkt beitragen, sind sich die Fachleute in der Technologie-Ini­tiative sicher. Die üblicherweise zur Kennzeichnung der Effizienz von Wärmepumpen verwendete Jahresarbeitszahl (JAZ) sei als Bewertungskriterium allerdings nicht ausreichend. Denn sie berücksichtige nicht den Ener­gieaufwand für die Bereitstellung der Antriebsenergie, zum Beispiel Strom oder Heizöl.

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"Daher nutzen wir zum Vergleich der Effizienz unterschiedlicher Heizsysteme den primär­ener­getischen Nutzungsgrad", erklärt IWO-Geschäftsführer Prof. Dr.-Ing. Christian Küchen. Denn die Größe Primärenergiebedarf berücksichtigt neben der im Gebäude für die Wärmeversorgung benötigten Ener­gie auch die für Förderung, Herstellung und Transport des Ener­gieträgers aufgewendete Energie. Künftige ölbetriebene Wärmepumpen sollen einen primärenergetischen Nutzungsgrad von 120 bis 130 % erreichen können.

Den Vorteil der primärenergetischen Bewertung verdeutlicht das IWO an einem Beispiel: Mit einem primärenergetischen Nutzungsgrad von 124 % benötigt die Öl-Wärmepumpe 18 150 Kilowattstunden (kWh) Primärenergie für die Bereitstellung von 22 500 kWh Nutzwärme. Das entspricht einer JAZ von 1,36. Um denselben primärenergetischen Nutzungsgrad zu erreichen, muss eine elektrische Wärmepumpe eine JAZ von 3,2 aufweisen. Sie benötigt vor Ort zwar nur knapp 7000 kWh Strom. Allerdings müssen für die Erzeugung dieser Strommenge 18 150 kWh Primärenergie aufgewendet werden. Für jede Kilowattstunde Strom, die an der Steckdose ankommt, werden insgesamt 2,6 kWh Primärenergie benötigt (Primärenergiefaktor für Strom aus der EnEV).

"Ich bin überzeugt, dass flüssige Brennstoffe aufgrund ihrer hohen Energiedichte und einfachen Speicherung langfristig unverzichtbar für die Erreichung der energiepolitischen Ziele sind. Die einfache und kostengünstige Speicherbarkeit von Energie wird im Hinblick auf den tendenziell sinkenden Ener­giebedarf und die im Jahresverlauf schwankende Heizenergie­nachfrage immer wichtiger für die Wärmeversorgung von Gebäuden werden", so Prof. Küchen.

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Prinzip des dampfbetriebenen Lineargenerators
Im Gegensatz zum typischen Generator mit einer Rotationsbewegung wird bei einem Lineargenerator die Energie einer geradlinigen Bewegung in Strom umgewandelt. Der sogenannte Linator (1) ist ein von der Firma OTAG GmbH & Co. KG entwickelter spezieller Lineargenerator, der auch als Doppelfreikolben-Expansionsdampfmaschine bezeichnet werden kann. Was passiert im Linator? In einem geschlossenen Wasser-Dampf-Kreislauf wird im Rohrverdampfer (4) durch den Ölbrenner (5) der Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird durch die Dampfleitung (2) zu den beiden seitlichen Antrieben des Linators geführt. Je nach Stellung des Doppelfreikolbens (7) strömt der Dampf in den rechten (3) oder linken (10) Zylinder des Linators. Ab einer gewissen Kolbenstellung verschließt sich der Dampfzustrom und durch den Druck und die Expansion des Dampfs wird der Kolben im Zylinder verschoben. Zum Ende des Arbeitstaktes öffnet sich der Dampfauslass im aktuellen Zylinder. Gleichzeitig öffnet sich die Dampfzufuhr im gegen­überliegenden Zylinder. Dadurch bewegt sich der Kolben wieder zurück in die entgegengesetzte Richtung. Durch diese Oszillation im Magnetfeld des Linators wird in der Spule (9) der Strom erzeugt, der dann durch die Stromabführung (6) zum Wechselrichter und von dort in das Hausnetz fließt. Der aus dem Zylinder abgeführte Dampf kondensiert und wird zum Wärmetauscher (8) transportiert. Dort wird die Wärme auf den Vorlauf des Heizungssystems übertragen. Das Kondensat wird danach zur Kühlung des Linators beziehungsweise des austretenden Dampfes genutzt und bereits vorgewärmt, bevor der Prozess im Rohrverdampfer wieder von Neuem beginnt.

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Grundprinzip der Absorptions-Wärmepumpe
Eine Absorptions-Wärmepumpe arbeitet nach demselben Prinzip wie ein Campingkühlschrank. Im Gegensatz zu einer Strom-Wärmepumpe wird als Energiequelle nicht Strom, sondern Wärme eingesetzt. Diese kann durch die Verbrennung von Heizöl bereitgestellt werden. Im Falle der Öl-Wärmepumpe ist die Wärmequelle ein modulierender Ölbrenner kleiner Leistung.

Der Weg des Kältemittels in der Wärmepumpe: Das Kältemittel Ammoniak (NH₃) wird aus dem Absorptionsmittel Wasser durch Wärme (hier durch den modulierenden Ölbrenner) im sogenannten Austreiber "ausgetrieben". Das gasförmige Kältemittel gelangt dann in den sogenannten Verflüssiger. Dem Kältemittel wird durch die Heizungsanlage Wärme entzogen und es verflüssigt sich. Das unter Druck stehende flüssige Kältemittel wird über ein Drosselventil entspannt und verdampft. Die für die Verdampfung benötigte Wärme wird der Umwelt entzogen. Dann wird das nun wieder gasförmige Kältemittel in den Absorber geführt und erneut vom Lösungsmittel aufgenommen. Hierbei wird Wärme freigesetzt, die von der Heizungsanlage genutzt werden kann. Das Wasser mit dem Kältemittel fließt zum Austreiber, der Kreislauf schließt sich.

Bilder: IWO, Hamburg

www.iwo.de

 


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