Projekt 21409/01

Nutzung der Rotteabwärme aus einer Bioabfallkompostieranlage durch den Einbau einer Erdgas betriebenen Absorptionswärmepumpe – Demonstrationsvorhaben

Projektträger

VIVO Kommunalunternehmen für Abfall-Vermeidung, Information und Verwertung im Oberland
Verleeyer Str. 60
83627 Warngau
Telefon: 08024/9038-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Um den steigenden Energiebedarf des Gewerbegebiets Birkerfeld langfristig decken zu können, musste die Wärmeerzeugungskapazität zur Versorgung des angeschlossenen Nahwärmenetzes erhöht werden.
Die VIVO GmbH setzt zu diesem Zweck im Energieversorgungssystem des Wertstoffzentrums Warngau eine Erdgas betriebene Absorptionswärmepumpe zur Abwärmenutzung an einer Biomüllkompostieranlage ein. Die aus dem aeroben Abbau der Bioabfallverrottung entstehende Abwärme wird auf Heiztemperaturniveau (Vorlauftemperatur 82°C) angehoben und so eine direkte Nutzung im Nahwärmenetz ermöglicht werden. Durch die Integration der Absorptionswärmepumpe kann ein Großteil der durch die Spitzenlast-Ölkessel erzeugten Heizwärme substituiert und somit fossiler Brennstoff einspart werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Systemplanung (Rohrnetzberechungen, Komponentenauslegung etc.) wurde vom Ingenieurbüro Joachim Färber (Holzkirchen) mit Unterstützung durch das ZAE Bayern durchgeführt. Das ZAE Bayern unterstützte hierbei auch den indischen Hersteller (Thermax LTD.) bei der Auslegung der Absorptionswärmepumpe, da hier eine genaue Anpassung an die gegebenen Systemverhältnisse erfolgen musste.
Zur Durchführung des Projektes dienten die nachfolgend beschriebenen Arbeitsschritte:
1. Grundlagenermittlung
Messkampagne an der Rotteabluft zur Bestimmung der Abwärmeleistung des Kompostes.
2. Dimensionierung der Absorptionswärmepumpe
Auslegungsrechnungen und Ermittlung der Teillastfähigkeit der Wärmepumpe.
3. Systemplanung und Integration
Dimensionierung des Pufferspeichers und aller weiteren Systemkomponenten sowie Erarbeitung eines Regelungskonzeptes.
4. Inbetriebnahme der Wärmepumpenanlage
Die Inbetriebnahme der Wärmepumpenanlage durch den Hersteller erfolgte zum Ende der Heizperiode 2004/2005.
5. Messtechnische und wissenschaftliche Betreuung
Während der Heizperiode 2005/2006 wurde auf der Grundlage einer Messkampagne des ZAE Bayern die Anlagenfunktion überprüft und soweit erforderlich eine Anpassung der Systemeinstellungen vorgenommen.


Ergebnisse und Diskussion

Die direkt-befeuerte einstufige Absorptionswärmepumpe wurde für eine Kaltwasservor-/rücklauftemperatur von 42/33 °C und einer Wärmeabgabe mit 82/64 °C ausgelegt. Die Anlage basiert auf einer Kombination einer Verdampfereinheit eines herkömmlichen Kaltwassersatzes mit der Hochdruckstufe einer zweistufigen Anlage.
Um eine Nutzung der diskontinuierlich anfallenden Rotteabwärme zu ermöglichen, wurde ein Kaltwasserpufferspeicher in den Wärmequellenkreislauf integriert. Auf diese Weise kann die Wärmeaufnahme aus dem Kompostprozess und die Wärmeeinkopplung in die Wärmepumpe mit variablen Volumenströmen und dadurch konstanten Temperaturen betrieben werden.
So weit es zum derzeitigen Zeitpunkt eingeschätzt werden kann, erfüllt die Wärmepumpe sehr gut die gestellten Systemanforderungen - insbesondere die Nutzung der diskontinuierlich angebotenen Abwärme der Kompostrotte. Die Pufferung der Kompostabwärme über den eingesetzten Kaltwasserpufferspeicher funktioniert einwandfrei.

Bislang kann jedoch noch keine abschließende Bewertung hinsichtlich der Primärenergieeffizienz und Wirtschaftlichkeit der hier untersuchten Absorptionswärmepumpenanlage gegeben werden. Die bislang gemachten Erfahrungen lassen allerdings ein positives Ergebnis erwarten.

Die Wärmepumpe wurde im Winter 2004/2005 installiert und konnte nach Behebung anfänglicher Schwierigkeiten auf der Systemseite sowie einer Fehlfunktion der internen Wärmepumpensteuerung ab 2006 dauerhaft betrieben werden. Dabei erreichte der Wärmepumpenkreislauf ein Wärmeverhältnis (COP) von 1,47. Unter Berücksichtigung des Feuerungswirkungsgrades ergibt sich schließlich eine Heizzahl (PER) von 1,31. Durch eine weitere Optimierung soll versucht werden, die Auslegungswerte (COP = 1,65 bzw. PER = 1,51) zu erreichen.

In den Sommermonaten des Jahres 2006 wurde die Ankopplung der Wärmepumpe an das zu versorgende Nahwärmenetz verbessert, um die Wärmepumpe vollständig auslasten zu können. Für die Heizperiode 2006/2007 sind dann alle Voraussetzungen geschaffen, um die Wärmepumpe kontinuierlich und mit hoher Wärmeabnahme zu betreiben.

Die messtechnische und wissenschaftliche Begleitung des Anlagenbetriebs wird während der Heizperiode 2006/2007 weiter fortgesetzt, um letzte Unstimmigkeiten und Probleme zu beheben und abschließende, exakte Aussagen über die Funktion des Gesamtsystems und insbesondere der Absorptionswärmepumpe treffen zu können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Systemkonzept sowie die erzielten Ergebnisse wurden auf nationalen und internationalen Tagungen vorgestellt sowie in Form von Artikeln in den jeweiligen Tagungsbänden veröffentlicht. Der Abschlussbericht zu diesem Pilotvorhaben kann über die VIVO GmbH bezogen werden.


Fazit

Es ist gelungen, eine speziell angepasste Absorptionswärmepumpe für die Nutzung von Niedertempera-turabwärme im Energieversorgungssystem der VIVO GmbH einzusetzen. Die Nutzwärmeabgabe erfolgt mit einer Vorlauftemperatur zum Heizsystem von 82 °C. Der Einsatz einer Absorptionswärmepumpe ver-spricht eine deutlich höhere Effizienz, bezogen auf die zum Antrieb der Wärmepumpe eingesetzte Pri-märenergie, im Vergleich zur Verwendung einer Standard-Gasheizkesselanlage.
Basierend auf einer durchschnittlichen Verdampferleistung von 195 kW - entspricht einer Heizleistung der Wärmepumpe von 500 kW - und einer Laufzeit von 3.500 Betriebsstunden (Heizperiode von Mitte Oktober bis Mitte April) ergibt sich eine jährliche Kosteneinsparung für den Betrieb von 26.000 Euro pro Jahr im Vergleich zum Referenzsystem (Gasheizkesselanlage mit einem Kesselwirkungsgrad von 90%). Folglich wird bei einem angenommenen Zinssatz von 0% eine Amortisationszeit von 6,7 Jahren erreicht.
Bei einer jährlichen Heizwärmeerzeugung von 1.750 MWh kann der Brennstoffverbrauch gegenüber dem Referenzsystem um 37,5% und der CO2-Ausstoß um ca. 160 Tonnen gesenkt werden.