Möglichkeiten - Seegen

Optimierung von Kondensationsanlagen
& Einbindung von Wärmepumpen am
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Beispiel der Holzwärme Flachau
TBU Stubenvoll GmbH
Bernhard Kronberger
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• Abgaskondensation
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Überblick
• Planungsaspekte Abgaskondensation
• Betriebsaspekte Abgaskondensation
• Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen
• Umbauprojekt Flachau
– Abgaskondensation
– Projekt Wärmepumpe

Ziele der Abgaskondensation
• Rückgewinnung von latenter Wärme des
Wasserdampfs im Rauchgas
• Zusätzlich Abscheidungsstufe
– für Staubpartikel (Partikel (v.a. > 1µm) wirken als
Kondensationskeime und werden daher mit Tropfen
abgeschieden)
– für saure Gasbestandteile HCl, SO2,.. und Schwermetalle
(Hg,.. – je nach pH bzw. Cl- Konzentration im Quenchwasser)
• Minimaler Instandhaltungs- und Wartungsaufwand
Verbesserung der Betriebswirtschaftlichkeit der
Anlage = höherer Brennstoffnutzungsgrad
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Konzept der indirekten Abgaskondensation
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• Abb. aus Wärmeversorgung mit fester Biomasse bei kleiner Leistung; Matthias Gaderer, 2007

Kesselwirkungsgrad mit/ohne Abgaskondensation
Wärmerückgewinnung ist abhängig von:
– Rücklauftemperatur Fernwärmenetz
– Brennstofffeuchte
– Luftüberschuss
– Luftdruck (Höhenlage der Anlage)
– Anlagentechnik (Wärmetauscher,…)
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Abbildungen entnommen aus Grundlagen der Abgaskondensation bei
Holzfeuerungen; Peter Neuenschwander, Jürgen Good, Thomas
Nussbaumer Bundesamtes für Energie Juli 1998.

Generelle Betriebsweise von Heizwerken ohne/mit
Abgaskondensation
• Ohne Abgaskondensation:
– Trockener Brennstoff für
• hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad 85%
• 2-4%-Punkte als Verbesserungspotential)
• Geringer Brennstoffbedarf
• Geringe Lagerverluste
• Hohe Verbrennungstemperatur oder Rezigaseinsatz
• Mit Abgaskondensation:
– Feuchter Brennstoff für
• Erhöhung des Anlagenwirkungsgrads um bis zu 30%
• Kesselwirkungsgrad > 110% (bezogen auf Heizwert!)
• Meist niedrigere Verbrennungstemperatur und damit Reduktion
von Anbackungsneigung und Rezirkulationsgasmenge
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Aspekte der Planung von Abgaskondensationsanlagen
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Abbildungen entnommen aus Präsentationsunterlagen
Fa Scheuch (2007)
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Einfluss wesentlicher Parameter auf WRG
• Netzrücklauftemperatur (Ziel: niedrig):
Überproportionaler Anstieg der WRG
2do: Sekundärseitenoptimierung, Hydr. Einregeln…
zB HW Flachau: 2010: ca 60°C; 2013 ca. 50°C!!
• Restsauerstoffgehalt (Ziel: niedrig)
Erhöhung des Abgastaupunktes
2do: Flaschlufteintritt in RG Weg reduzieren:
– Mengenabschätzung über Temperaturvergleich Kesselaustritt und Temp. vor
Kondensation
– Unterdruck nicht unnötig „tief“ stellen
– Kontrolle Luftabschlussorgane (ZRS,DPKL)
2do: O2 Feuerung reduzieren
– Feuerung optimieren (Schwankungen reduzieren, vollst. Verbrennung anstreben)
– Rezigasmenge erhöhen
– Max Verbrennungstemperatur erhöhen: ACHTUNG auf Anbackungen im Feuerraum
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Einfluss wesentlicher Parameter auf WRG
• Netzwassermenge (Ziel: hoch):
Meist hydraulisch vorgegeben
• Abgaszusammensetzung + Staub:
– V .a. im Teillastbetrieb führt Unverbranntes zu Belägen auf
Wärmetauscherflächen.
– Staubgehalt: Führt zur Verschmutzung der Bündeloberfläche,
v.a. bei nicht eindeutige nasser Fahrweise
• Anlagenservie
– Zugänglichkeit zu Quenchdüsen, Abreinigungsdüsen
– Austauschbarkeit der Bündel
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Planungaspekte von Abgaskondensationsanlagen 1
Definierte Betriebsweise von ECO Bündeln
(nass/trocken)
• Trockenen Betriebsweise:
bis ca. 100°C (mind 85°C Heisswassertemperatur um Korrosion
zu vermeiden)
• Nasse Betriebsweise mit Quench:
– Wichtig vor allem bei wechselnden Brennstofffeuchten
– Säuren werden in Quench ausgewaschen
– Austrocknen und die Aufkonzentrierung der Säuren an
Metalloberflächen der Bündel wird verhindert
– Ablagerungs- und Korrosionsgefahr ist deutlich vermindert
– Intensive Vermischung von Kondensatwasser und den alkalischen
Aschepartikeln K, Na, Ca, führt zur besseren Neutralisierung des
ablaufenden Kondensatwassers
• Nachteil: Stromaufwand für Quenchpumpe
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Planungaspekte von Abgaskondensationsanlagen 2
Strömungstechnisch durchdachte Planung
– Geeignete Strömungsführung
• Enge Umlenkungen vermeiden, ggf. mit Leitblechen Druckverlust
reduzieren
• Rasche Querschnittsveränderungen vermeiden (Verwirbelungen,
Rückströmungen)
– Geeignete Strömungsgeschwindigkeiten auch für
• Überlastbetrieb des Kessels
• erhöhte Rauchgasmenge durch sehr feuchten Brennstoff oder hohen
Luftüberschuss
– Strömungsführung der Anströmung der Bündel
• Möglichst gleichmäßige Anströmung
– Definierte Mischkammer zur gesicherten Entsättigung des
Reingases und Schutz des Reingasgebläses vor Feuchtigkeit
– Stromverbrauch Entschwadungsluftgebläse minimieren
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Ausführungsdetails – Anströmung 1
• Ausnutzung der verfügbaren Platzverhältnisse
– Aufweiterung der Anströmung
– Verlangsamung durch vorgeschaltete Quench
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Ausführungsdetails – Anströmung 2
• Nächste Verbesserung: Lamellen zur verbesserten
Querverteilung
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Verbesserung der WRG von Abgaskondensationsanlagen
• Wärmeübergang
– Ist wenig von Mediengeschwindigkeiten abhängig:
1.Wasserseite: alpha ca. 1000W/m2,K
2.Gasseite: Differenz der H2O-Partialdrücke bestimmt
Wärmeübergang
3.Gesamtwärmeübergang: ca. 500W/m2,K
Ursache für reduzierte Leistung ist (fast immer)
ungleiche RG Verteilung durch Bündel
– Wird im Teilllastbetrieb verstärkt (RG Menge sinkt
und Verteilung wird schlechter)
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• Entschwadungsluvo
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Entschwadungsluvo
– Vibrationen der Rohre deuten auf „Überfahren“ hin –
Gefahr für gebrochene Glasrohre
– Zerbrochende Glasrohre rasch abstoppeln
(Kondesatfrostgefahr im Winter und Folgeschäden,
Austausch ist fachmännisch fast unmöglich)
– Nachtschaltung zur Reduktion der Entschwadung
– Entschwadungsluftmenge an Außenbedingungen
anpassen und minimieren (Automatisierung)
– Die generelle Notwendigkeit hinterfragen.
Ökologisch und ökonomisch ist Entschwadung
sinnlos!
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Wärmepumpen zur Abgaskondensation
auch bezeichnet als „Aktive Kondensation“
• Ziel: bessere Nutzung der Energie des
Verbrennungsgases, als von der Rücklauftemperatur
zugelassen
• Optimum: Nutzung von Absorptionswärmepumpen und Antriebsenergie
Holz, aber
– Antriebsenergie bei hoher Temperatur (ca. 50% der Wärmezufuhr bei ca. 150°C)
– Schlechtes Teilllast- und Lastwechselverhalten
– Hohe Investitionskosten.
– => erfordert große Umbauten an Anlagentechnik um Antriebsenergie auskoppel zu können
• Kompressionswärmepumpen angetrieben mit Elektromotoren
– zusätzliche elektrische Hilfsenergie notwendig
– Kompressionswärmepumpen sind standardmäßig verfügbar daher rel günstig
– Hochtemperaturwärmepumpen bis zu 95°C möglich.
• Einsatz von Wärmepumpen vermindert den
Entschwadungsaufwand. 16
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• Möglichkeiten:
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Integration von Wärmepumpen
– Abkühlen des Rücklaufs VOR Kondensation und
Wärmeabgabe in Rücklauf NACH Kondensation
• Ausreichend Wärmeaustauscherfläche in Kondensation notwendig
• Netzwasserschwankungen beeinflussen WP auf beiden Seiten =>
starke Schwankungen des COP, Erniedrigung GesamtCOP
– Einbindung eigener Bündel und Wärmeabgabe in
Rücklauf NACH Kondensation
• Definierte Betriebsweise der Wärmepumpe
• COP Wärmepumpe entspricht GesamtCOP
– Weitere Möglichkeiten
• Sommerbetrieb solarthermisch bis zu VL Temp 95°C (mit
Puffernutzung)
• Ausnutzung unterschiedlicher Temperaturniveaus …
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Integration von Wärmepumpen
• Wirtschaftlichkeitsfaktoren:
– Temperaturniveaus
• Kältemitteltyp
– COP Wärmepumpe
– Teilllastbetriebsverhalten
• Notwendigkeit prüfen (je nach gesamt verfügbarer Kondensationswärme
und Gesamtwirtschaftlichkeit)
• Z B bei Schraubenverdichtern > 50% Mindestleistung
• reduziertem COP, ab 75% volles COP.
Einsatz mehrerer WP
Kaskadenschaltung mehrere Aggregate
WP mit mehreren Kältekreisen
– Gesamt-COP (Jahresnutzung) ist entscheidend!
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Projekt Nachrüstung einer Wärmepumpe
• Eigene Bündel sind vorgesehen
• Wärmeabgabe in RL NACH Kondensation
• Abkühlung Rauchgas auf ca. 25°C und Nutzung von
bis zu 1MW zusätzlicher Kondensationswärme
• COP ca. 4,2 bei (max.) Auslegungsleistung
• COP Teilllastbetrieb
– höher durch Kaskadenschaltung (Temperaturniveau)
– höher bei Anpassung der Verdampfer und
Kondensatortemperaturen
• Amortisation gegen Spitzenlast Ölkessel und
Brennstoffnutzungsgrad genügend
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Nachrüstung einer Wärmepumpe - Übersicht
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WP

• Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
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