Um bis zu 30 Prozent kann der Wirkungsgrad von Biomassekesseln durch die Kopplung mit einer rein thermisch angetriebenen Wärmepumpe gesteigert werden. Ein solches System hat ein Forschungsteam der Hochschule München (HM) im „BreBiSorp“ entwickelt.
Heizanlagen, die mit Biomasse und nachwachsenden Rohstoffen wie zum Beispiel Holzpellets oder Hackschnitzel betrieben werden, werden eine wichtige Option für die Energiewende im Wärmesektor bleiben – auch das ist eines der Ergebnisse der jüngsten Beschlüsse zum Gebäudeenergiegesetz. Allerdings steht der Brennstoff Holz nur begrenzt zur Verfügung und für eine nachhaltige Nutzung ist es zentral, dass nicht mehr verbrannt wird, als nachwachsen kann. Umso wichtiger ist es, ihn für die Einspeisung von Energie in das Nahwärmenetz vor Ort möglichst effizient zu nutzen. Ein Forschungsteam der Fakultät für Versorgungs- und Gebäudetechnik der Hochschule München (HM) hat dazu im Projekt „Brennwertnutzung an Biomassekesseln mittels angekoppelter Sorptionswärmepumpe“ (BreBiSorp) ein System entwickelt, das die Brennwertnutzung für Biomassekessel optimiert. Durch Einsatz einer thermisch angetriebenen Wärmepumpe können auch größere Anlagen, die oftmals Wärmenetze mit höheren Rücklauftemperaturen versorgen, von dieser Brennwerttechnik profitieren – damit erzielen sie eine deutlich bessere Energieausbeute.
Nutzung der Energie des Rauchgases
Das vom Forschungsteam des Instituts für energieeffiziente Gebäude und Quartiere (CENERGIE) um Prof. Dr. Christian Schweigler hat dazu ein System entwickelt, bei dem das heiße Rauchgas, das nach dem Verbrennungsvorgang aus dem Heizkessel austritt, von circa 140 Grad Celsius auf bis zu 25 Grad Celsius abgekühlt wird. Dabei wird der Taupunkt unterschritten, der Wasserdampf kondensiert und gibt dabei Wärme ab.
Um diesen zusätzlichen Energiegewinn aus dem Abgas zu ermöglichen, müsste die Rücklauftemperatur im Heizsystem deutlich unterhalb des Taupunkts liegen. Viele Nahwärmenetze haben jedoch Rücklauftemperaturen um 50 Grad Celsius. Um diese Temperaturdifferenz zu überbrücken, setzt man am CENERGIE eine Wärmepumpe ein. Diese hebt das niedrige Temperaturniveau an, um die aus dem Abgas gewonnene Wärme in das Wärmenetz einspeisen zu können. „Je nach Brennstoffgehalt bewirkt unser Konzept eine Wirkungsgradsteigerung um bis zu 30 Prozent. Damit kann gut ein Fünftel des Biomasse-Brennstoffs eingespart werden“, so Schweigler.
Optimierter Einsatz der Wärmepumpe
Im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelt HM-Doktorandin Tina Hermann eine angepasste Absorptionswärmepumpe, die eine besondere Kreislaufführung verwendet. Die Antriebswärme für die Wärmepumpe wird aus dem Biomassekessel abgezweigt und geht nicht für die Wärmenutzung verloren. Der Einsatz einer Absorptionswärmepumpe ist besonders attraktiv, da sie im Vergleich zur Kompressionswärmepumpe einen sehr geringen Strombedarf aufweist. „Bei der aktuellen Entwicklung wird der Kreislauf der thermisch angetriebenen Wärmepumpe nach dem sogenannten Thermosiphon-Prinzip ausgeführt. Der Verdampfer wurde für den Betrieb mit geringen Kältemittelmengen optimiert. Damit konnten wir auf mechanische Umwälzpumpen innerhalb der Wärmepumpe verzichten“, so Hermann.
Durch den besonderen Aufbau der Wärmepumpe ist ein robuster Betrieb mit geringem Wartungsaufwand möglich. Künftig soll diese angepasste Absorptionswärmepumpe als Zusatzgerät Biomassekessel in großen Stückzahlen ergänzen.
Nach dem Bau des Modellsystems im Labor wird im nächsten Schritt eine Versuchsinstallation vor Ort beim Projektpartner Scherdel Energietechnik in Marktredwitz aufgebaut, um den Betrieb mit einem Hackschnitzel-Heizkessel zu erproben. Ziel des Forschungsprojektes ist es, weiter an einer technisch und wirtschaftlich möglichst günstigen Kopplung der Wärmepumpe für verbesserte Brennwertnutzung an Biomassekesseln zu forschen. Hier finden Sie ein Video zum Projekt >>>