Anwendungen

Anwendungsfelder

Es gibt eine große Zahl an Anwendungsmöglichkeiten für Wärmeerzeugung. Wirtschaftlich besonders sinnvoll ist sie dort eingesetzt, wo Abwärme als Wärmequelle keine zusätzlichen laufenden Kosten verursacht. Ihre besonderen Stärken spielt sie dort aus, wo hohe Temperaturen gebraucht werden, um sie direkt zu nutzen.

Besondere Vorteile bietet die Rotationswärmepumpe, wenn Quelle und Senke nicht konstant sind. Auch die Kombination von zwei Rotationswärmepumpen, um einen Temperaturhub von bis zu 120°C zu erreichen, ist eine einzigartige Anwendung.

Die Wärme kann für den Eigenbedarf verwendet werden oder gegebenenfalls auch in ein bestehendes Fernwärmenetz eingespeistwerden.

Die Rotationswärmepumpe kann bei standardisierter Bauweise an spezifische Anforderungen und auch jederzeit für neue Temperaturbereiche angepasst werden. Sie kann bei bestehenden Anlagen und Prozessen ergänzt, in neue Produktionsanlagen integriert werden und auch bestehende konventionelle Systeme zur Prozesswärmeerzeugung ersetzen.

Einsatzmöglichkeiten finden sich beispielsweise in folgenden Industrien: Papierbranche (Grafische Papiere, Hygiene-Papiere, Verpackungen, Technische Papiererzeugungen…), Lebensmittelbranche (Molkereien, Zuckerherstellung, Brennereien, Brauereien, Tiefkühlkostherstellung…), Chemiebranche (Organische Grundstoffe, Düngemittel, Petrochemie, sonstige chemische Erzeugnisse), Textilindustrie, Trocknungsprozesse (Holz, Ziegel, etc.), Kunststoffe, Automobilindustrie, Metallindustrie.

Folgende exemplarischen Rahmenbedingungen geben einen Eindruck von den verschiedenen Einsatzmöglichkeiten, wobei natürlich auch alle Wert dazwischen möglich sind. Es handelt sich um Richtwerte, die in der Praxis erreicht werden. Die exakten Daten hängen von der konkreten Anwendung ab.

Senke in (°C)	95	115	60	65	120	90	70
Senke aus (°C)	120	140	90	85	140	105	95
Quelle in (°C)	80	100	70	60	110	80	65
Quelle aus (°C)	60	80	45	45	95	70	45
COP	5,15	5,14	7,95	6,51	5,33	4,99	6,17

Die Voraussetzungen für die Integration sind gering und die Installationskosten üblicherweise niedriger als bei konventionellen Wärmepumpen.

Nah- und Fernwärme

In der Wärmeerzeugung kann Abwärme aus Verbrennungsprozessen – etwa auf sehr niedrigem Temperaturniveau, wie aus einem Rauchgaskondensator – auf direkt nutzbares Niveau angehoben werden – z.B. zur Anhebung des Fernwärmerücklaufs auf den Fernwärmevorlauf.

Dabei gestaltet sich die Einbindung typischerweise relativ einfach, da es bereits einen Wasserkreislauf gibt, der entweder direkt genutzt oder über Wärmetauscher eingebunden wird.

Für eine derartige Anwendung kann von einem bis zu 100% höheren COP im Vergleich mit konventionellen Wärmepumpen ausgegangen werden.

Beispielhafte Kennzahlen für Fernwärmeeinsatz

Senke ein(°C) (Fernwärmerücklauf)	60
Senke aus (°C) (Fernwärmevorlauf)	100
Quelle ein (°C) (Luft aus Rauchgaskondensator)	60
Quelle aus (°C) (Abluft)	30
COP	5,44

Industrielle Trocknungs- und Kühlungsprozesse

In vielen Industrien kommen Trocknungsprozesse zum Einsatz (z.B. Ziegelherstellung, Lebensmittelindustrie, Papierindustrie). Dabei kann mit Hilfe der Rotationswärmepumpe die Umgebungsluft genutzt werden, um die Lufttemperatur für industrielle Trocknung zu erhöhen und gleichzeitig Umgebungsluft für einen anderen Prozessschritt abzukühlen. Ebenso gut kann natürlich Abwärme aus anderen Prozessen eingesetzt werden.

Oft benötigt Trocknung im Laufe des Prozesses unterschiedliche Temperaturen. Die RHP kann diese elektronisch gesteuert kontinuierlich anpassen.

Beispielhafte Kennzahlen für industrielle Trocknungsprozesse

Senke ein (°C) (Umgebungsluft)	10-35
Senke aus (°C) (Luft für Trocknungsprozess)	40-60
Quelle ein (°C) (Umgebungsluft)	10-35
Quelle aus (°C) (Luft zur Kühlung im Prozess)	0-5
COP (abhängig von den genauen Temperatur-Kombinationen)	3,50-7,00

Hochtemperaturanwendung

Eine besonders günstige Anwendung liegt vor, wenn in einem Prozess Heißwasser für den Produktionsprozess benötigt wird (z.B. in der Chemischen Industrie). In diesem Fall kann Kühlwasser als Quelle dienen und das Heißwasser für den Produktionsprozess bereitgestellt werden. Dabei handelt es sich um eine sehr effiziente Anwendung in einem Temperaturbereich, der von konventionellen Wärmepumpen nicht erreicht werden kann.

Anstatt Wärme und Kälte gesondert zu erzeugen, kann auch eine Rotationswärmepumpe verwendet werden.

Beispielhafte Kennzahlen für Hochtemperaturanwendung

Senke ein (°C) (Heißwasser aus der Produktion – Rücklauf)	90
Senke aus (°C) (Heißwasser für die Produktion – Vorlauf)	120
Quelle ein (°C) (Kühlwasser – Rücklauf)	80
Quelle aus (°C) (Kühlwasser – Vorlauf)	55
COP	5,33

Wirtschaftlichkeit

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Einsparungen

In der Installation können niedrigere Querschnitte in der Verrohrung zwischen der Anlage und der Quelle bzw. Senke verwendet werden.Da die Verrohrung oft mehrere hundert Meter lang ist, ergibt sich dadurch eine signifikante Einsparung. Weiters kann oft auf Speicher verzichtet werden. Im Betrieb besitzt die ROTATION HEAT PUMP deutliche Vorteile gegenüber wartungsintensiven Anlagen mit Hubkolben und Schraubenverdichtern. Das Prinzip der Rotation ist deutlich materialschonender und es können überwiegend erprobte Standardindustriebestandteile eingesetzt werden.

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Kostenvorteile

Die Kostenvorteile der Rotationswärmepumpe entstehen im Wesentlichen durch ihre Effizienz, die günstigen Investitionskosten (Anschaffung, Installation) und die niedrigen Betriebskosten.

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Wirkungsgrad

Die hohe Flexibilität des ecop-Verfahrens wird im Wirkungsgrad sichtbar: Bei konkreten Anwendungen schwanken die Temperaturen oft sehr stark um die Auslegungspunkte, so dass starre Systeme hier häufig niedrige Volllaststunden, geringere Leistungen, schlechte COPs und damit auch lange tatsächliche Amortisationszeiten verzeichnen müssen.

Vergleich der Gesamtkosten in den ersten 10 Jahren – die genauen Zahlen und die Steigung der Geraden hängen von der konkreten Anwendung ab. Die Gesamtkosten meinen alle Kosten eines Projektes zur Errichtung und Einbindung, also Kosten der Anlage, Installation, Planung, Bauingenieurskosten, Speicherung, Regelung.

Selbst bei den aktuell niedrigen Strom- und Gaspreisen liegt die Amortisationsdauer der ROTATION HEAT PUMP unter 3 Jahren.

Zwar sind die reinen Anlagekosten höher als bei den verglichenen Systemen, aber bereits bei Berücksichtigung der geringeren Installationskosten ist die Gesamtanschaffung billiger als konventionelle Wärmepumpen. Ein Gasbrenner ist in der Anschaffung natürlich deutlich billiger, besitzt aber signifikant höhere Betriebskosten und wird auch nicht gefördert, so dass die Gesamtkosten bereits nach 3 Jahren höher sind als mit der ROTATION HEAT PUMP. In der Folge wird der Vorteil der ROTATION HEAT PUMP von Jahr zu Jahr größer. Konventionelle Wärmepumpen sind von Anfang an teurer und benötigen auch deutlich länger, um sich gegenüber einem Gasbrenner zu amortisieren.Auch sie verlieren mit fortschreitender Dauer aufgrund des niedrigeren COPs gegenüber der Rotationswärmepumpe von ecop.

Referenzprojekt

Anlage in der Bioenergie Bucklige Welt

Von der Bioenergie Bucklige Welt GmbH in Schwarzau (Niederösterreich) wurde im Jahr 2020 eine ROTATION HEAT PUMP vom Typ K7 in Betrieb genommen. Die Bioenergie Bucklige Welt betreibt eine Biomasse-KWK-Anlage. Sie erzeugt 16 mio kWh Strom und 33.000 MWh Wärme pro Jahr. Damit werden in der Fernwärme öffentliche und private Gebäude in der Region versorgt (z.B. die Therme Linsberg Asia). Aufgrund der steigenden Nachfrage war eine Kapazitätserweiterung geplant. Da bisher ungenutzte Abwärme zur Verfügung steht, die allerdings deutlich variiert, fiel die Wahl auf die ROATION HEAT PUMP von ecop.

Für uns waren die Vorteile dieser völlig neuen Technologie sofort klar, daher haben wir nicht gezögert, als Vorreiter das Produkt einzubauen. Abgesehen von der technischen Faszination gibt es sehr handfeste wirtschaftliche Gründe für ihren Einsatz und natürlich ist für uns auch der Umweltaspekt sehr wichtig.

Peter Aigner

Geschäftsführer Bionergie Bucklige Welt

Integration
Für die Integration wurden rund 20 Varianten berechnet und die effizienteste ausgewählt. Die Wärmepumpe nutzt als Quelle die Wärme aus dem Kondensator der Dampfturbine und hebt die Rücklauftemperatur des Fernwärmenetzes an. Dadurch muss weniger Energie zugeführt werden, um die erforderliche Vorlauftemperatur zu erzielen. Der Dampf wurde bisher mit Ventilatoren gekühlt und die Wärme an die Umgebung abgegeben.

Flexibilität
Die Flexibilität der ROTATION HEAT PUMP kommt voll zur Geltung, weil die Temperaturen zwischen Winter- und Sommer deutlich schwanken (Quelle Winter: 42° Celsius, Quelle Sommer: 60°).
Konventionelle Wärmepumpen können nur für einen Betriebspunkt optimiert werden, die RHP bleibt als Anlage unverändert und kann diese unterschiedlichen Zustände (und alle dazwischen) effizient verarbeiten.

Mit ein und derselben Anlage werden im Sommer- und Winterbetrieb unterschiedliche Zustände gefahren – auch alle Bereiche dazwischen sind möglich. Die Anpassung erfolgt über die Rotationsgeschwindigkeit der Wärmepumpe.