Richtlinienentwurf VDI 4646 Großwärmepumpen

Published On: 27. Februar 2024By Tags: , , ,

Der Verein Deutscher Ingenieure gibt Vollgas für die Erneuerbaren Energien

Lange wurde der Entwurf der VDI 4646 „Anwendung von Großwärmepumpen“ angekündigt, seit Januar 2024 ist das Dokument verfügbar. Es wird der steigenden Nachfrage von Großwärmepumpen aus Industrie, Nah- und Fernwärmenetzbetreibern und EVU´s Rechnung getragen, somit eine einheitliche Planungsgrundlage zu erhalten. Der Einsatz von Wärmepumpen mit größeren Leistungen in Gewerbe und Industrie hat weltweit eine große Bedeutung zum Erreichen der Klimaschutzziele. Was mit der VDI 4645 „Wärmepumpen im Ein- und Mehrfamilienhaus“ für Heizungswärmepumpen im Wohngebäude bereits gelungen ist, soll nun mit der VDI 4646 auch für nicht standardisierte Wärmpumpen mit Leistungen ab 100 kW umgesetzt werden. Nachfolgender Artikel gibt einen Überblick über den Inhalt und die Anwendbarkeit des Entwurfs.

Darum bedarf es dieser Richtlinie

Die Versorgung von Industrie und Gebäuden beinhaltet ein riesiges Potential zur Einsparung fossiler Brennstoffe. Der BWP sowie die Agora Energiewenden in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IEG gehen davon aus, dass nur 20% des Wärmebedarfs aus erneuerbarer Energie stammen und ca. 80% weiterhin fossil erzeugt werden. Für den Gebäudesektor beträgt der Endenergieverbrauch für Raumwärme und Warmwasser rund 806 TWh, für die Prozesswärme im Industriesektor 543 TWh und für sonstige Anwendungen wie z.B. Klima- und Prozesskälte, mechanische Energie und Beleuchtung 1058 TWh. 2021 wurde für die Wärmenachfrage bis zu einem Temperaturniveau von 200°C 43% des deutschen Endenergieverbrauchs eingesetzt. Hierfür wurden ca. 75% des deutschen Erdgasverbrauchs notwendig. Diese Zahlen machen deutlich, welches Potential im Einsatz von Großwärmepumpen steckt. Anfang 2023 waren erst 60 Megawatt an Leistung installiert. McKinsey geht in einer Studie von einen Gesamtmarkt für Großwärmepumpen bis 2030 von 43 Mrd. € aus. Eine Standardisierung bei Produktion und Planung, wie diese z.B. bei Hauswärmepumpen oder auch bei Kaltwassersätzen in der Klimatechnik seit langem verfügbar ist, konnte bei Großwärmepumpen noch nicht erreicht werden. Dies ist aber unbedingt notwendig, um die Kosten und Zeitaufwand zu reduzieren und um die Effizienz und Betriebssicherheit zu verbessern.

Die erfolgreiche Nutzung und die Potenziale von Großwärmepumpen in den unterschiedlichen Anwendungsfällen sind bereits gut dokumentiert, aber es fehlt oft das Wissen bei den Nutzern. Diese Richtlinie soll dazu beitragen, den Anwendern von Großwärmepumpen ein Werkzeug an die Hand zu geben, um die Anwendungsbereiche zu erkennen, eine Grundlagenermittlung für die Entscheidung der Investition zu erstellen, eine Bewertung durchzuführen, Planungshinweise zu erhalten und die Betriebsweisen festzulegen.

So ist der Entwurf der VDI 4646 aufgebaut

Der Entwurf setzt sich auf insgesamt 87 Seiten mit dem Thema in der Tiefe auseinander. Es gibt neun Kapitel sowie die Anhänge A bis E. Die genaue Gliederung kann auf der Seite vom Beuth Verlag eingesehen werden.

Zusätzlich ist eine CD-Rom enthalten, welche weitere Informationen zur Pinch-Analyse enthält. Nachfolgend werden die einzelnen Kapitel genauer durchleuchtet.

Anwendungsbereich, Begriffe, Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes

Wie bei jeder VDI Richtlinie erfolgt zuerst eine Definition, welche Bereiche behandelt werden und welche nicht. Wie bereits einleitend erwähnt ist die Planung und Bewertung von Großwärmepumpenanlagen mit einer thermischen Leistung > 100 kW im Visier dieser Richtlinie, welche ihren Einsatz bei Gewerbe, Industrie und Quartierslösungen finden. Aus Sicht der spezifischen Investitionskosten in Abhängigkeit von der thermischen Leistung ist erst ab 200 kW eine signifikante Reduzierung festzustellen (Bild 11 in der VDI).

Im 2. Kapitel werden unter anderem Begriffe wie Allokationsfaktor, Carnot-Leistungszahl im Heiz- und Kühlbetrieb, Gütegrad, Lorenz-Prozess und zugehörige Leistungszahlen im Heiz- und Kühlbetrieb sowie die Pinch-Analyse definiert, die mit Großwärmepumpen im Zusammenhang sind. Kapitel 3, Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes ist selbsterklärend.

Wärmepumpensysteme

Im Kapitel 4 wird einleitend der Einsatz von Großwärmepumpen bespielhaft erläutert, um dann auf die wesentlichen Wärmepumpensysteme und deren Komponenten einzugehen. Vielfach sind Kälteanlagen im Gewerbe- und Industriebereich ein wichtiger Ansatzpunkt für die sinnvolle Nutzung der Abwärme durch Wärmepumpen. Eine hybride Nutzung von Kälte- bzw. Wärmepumpenanlagen, das heißt eine möglichst gleichzeitige Nutzung der warmen und kalten Seite, bietet energetische Vorteile. Anhand von zwei Tabellen wird ein Überblich unterschiedlicher, typischer Wärmequellen und Wärmesenken aufgezeigt. Abhängig vom Sektor (z.B. Papier, Textilien, Metalle) und dem Prozess (z.B. Trocknung, Destillation) stehen Wärmequellentemperaturen von ca. 10-150°C zur Verfügung, benötigte Wärmesenken Temperaturen werden mit ca. 40-170°C definiert.

Abhängig von der Antriebsenergie (Wärme, Brennstoff, Strom) sind unterschiedliche Verdichter-Bauarten verfügbar. Antrieb kann thermisch (Ab-, Adsorption, Strahlverdichter) oder mechanisch mit Strömungsmaschinen (Turboverdichter) oder Verdrängern (Hubkolben, Schraube) erfolgen. Daraus ergibt sich dann ein offener oder geschlossener Kreislauf, wo bei der Kompressionswärmepumpe Kältemittel Einsatz findet. Bild 1 zeigt hier den Einsatzbereich typischer Kältemittel.

Bild 1: Einsatzbereiche üblicher Kältemittel (Quelle: Hochtemperatur-Wärmepumpen für industrielle Anwendungen, Dr. Cordin Arpagaus, Institut für Energiesysteme IES, OST Ostschweizer Fachhochschule)

Abschließend werden noch kurz die Hauptbestandteile einer Wärmepumpe erläutert und das TEWI Konzept zur Gesamtbeurteilung zum Treibhauseffekt (direkter und indirekter Beitrag) erwähnt, hier wird auf die EN 378-1, Anhang B Bezug genommen. Bei der Wahl des Kältemittels sind die Vorgaben der überarbeiteten Verordnung (EU) 2024/573 unbedingt zu berücksichtigen, siehe Bild 2. Diese beinhaltet ab 1. Januar 2023 ein Verbot des Inverkehrbringens für Wärmepumpen mit Nennleistung > 50 kW mit fluorierten Treibhausgasen mit einem GWP von 150 oder mehr. Die entsprechende Verordnung (EU) 2024/573 kann hier heruntergeladen werden.

Bild 2: Ausschnitt aus der VE (EU) 2024/573, Anhang IV, (8) e)

Bei einer für den Großwärmepumpenkongress im Mai 2023 durchgeführte Umfrage durch Dr. Cordin Arpagaus vom Institut für Energiesysteme (IES) an der Ostschweizer Fachhochschule (OST) unter 14 Herstellern, welche Kältemittel Einsatz finden/finden werden, gab es folgende Resultate (Bild 3):

Bild 3: Umfrageergebnis verwendetes Kältemittel derzeit und geplant für die Zukunft (Quelle: Dr. Cordin Arpagaus, Institut für Energiesysteme (IES), Ostschweizer Fachhochschule (OST), Stand Mai 2023)

Grundlagenermittlung

Hier findet eine Klärung der notwendigen Voraussetzungen zum Einsatz einer Wärmepumpe statt. Grundsätzlich müssen geeignete Wärmequellen- und Senken vorhanden sein. Sowohl Wärmequelle als auch Wärmesenke sollten auf absehbare Zeit in ihren Anforderungen und technischen Rahmenbedingungen konstant verfügbar sein eine hohe Gleichzeitigkeit besitzen. Die Temperaturen und der daraus resultierende Temperaturhub bestimmen die Einsatzgrenzen, Art und Effizienz der Wärmepumpe. Als weitere Voraussetzung müssen die baulichen Gegebenheiten passen. Besonders der Platzbedarf, die Entfernungen Wärmequelle zur Wärmesenke und die Verfügbarkeit eines ausreichend groß dimensionierten Netzanschlusses bei Kompressionswärmepumpen sind zu prüfen. Zu guter Letzt sind die ökonomischen Rahmenbedingungen zu untersuchen. Das Kostenverhältnis von konventionell bereitgestellter Wärme zur Antriebsenergie der Wärmepumpe ist zu ermitteln. Zusammen mit dem zu erwartenden COP kann eine Abschätzung erfolgen. Sind alle drei Voraussetzungen erfüllt, kann die Datenerfassung für die Vorplanung erfolgen.

Folgende Teilbereiche empfiehlt die VDI zu erfassen:

  • Allgemeine Situation des Energieaufwandes
  • B. eingesetzte Energieträger und dessen monatlicher/jährlicher Verbrauch, Kosten
  • Bestehende Wärme- und Kälteversorgung
  • Leistung, Zustand, Temperaturen, Drücke, Speicher
  • Wärmesenken
  • Solltemperatur, Laufzeiten, Leistung, Volumenströme, Temperaturen, Fluidqualität
  • Wärmequellen
  • Solltemperaturen (min/max), Laufzeiten, Leistung, Volumenströme, Temperaturen, Fluidqualität
  • Örtliche und betriebliche Randbedingungen
  • Platzbedarf für Einbringung, Aufstellung, Instandhaltung, Rückkühlung, TA Lärm
  • Ökonomische Randbedingungen / Vorgaben
  • Förderprogramme, Amortisationszeiten, interne Verzinsung, ROI

Um diese Punkte geordnet auf Papier zu bringen, hat die VDI einen hilfreichen Datenerfassungsbogen (zusätzlich im Anhang E) erstellt, wo alle relevanten Daten einzutragen sind.

Vorplanung

Die Vorplanung beinhaltet die Auswahl eines geeigneten Wärmepumpensystems, die Identifikation eines geeigneten Integrationspunkts, der Konfiguration eines hydraulischen Integrationsschemas sowie der Grobdimensionierung der Wärmepumpenanlage. Mit einem übersichtlichen Entscheidungsdiagramm wird die Wahl eines geeigneten Integrationspunktes ermöglicht. Für komplexere Energiesysteme ab zwei Wärmequellen und Wärmesenken wird für die Ermittlung des optimalen Integrationspunktes die Pinch-Methode empfohlen. Dies ist ein Werkzeug, um die auftretenden Energieströme zu erfassen und grafisch, geordnet nach Temperatur und Leistung, darzustellen. Ein Beispielprogramm wird hierzu auf einer CD-ROM mitgeliefert.

Danach ist die Systemkonfiguration vorzunehmen, wie die hydraulische Schaltung erfolgt. Dies kann in der Tiefe nicht behandelt werden, einzelne Schaltbilder stehen zur Verfügung. Bei der Wärmepumpe wird die einstufige Ausführung bis 50 K Temperaturhub, die mehrstufige Ausführung darüber hinaus empfohlen. In Abhängigkeit vom notwendigen Temperaturhub ist auch bereits eine Voreffizienzeinstufung möglich. Herstellerbedingt, durch mögliches WQ-Temperaturniveau und notwendiges WS-Temperaturniveau sowie durch das eingesetztes Kältemittel können Abweichungen resultieren, Anhang B gibt hierzu weitere Informationen.  Als Richtwert kann bei einem Temperaturunterschied THA, aus zu TKA, ein von 30 K ein COP von 5, bei 50 K von 3 angenommen werden. Berechnungen sind auch über Carnot-COP oder den Lorenz-COP mit Berücksichtigung vom Gütegrad möglich

Bei der nun folgenden Grobdimensionierung wird die Betriebsart (heizen, kühlen) und mögliche Betriebsweisen (monovalent, bivalent), in Anlehnung an die VDI 4645, definiert. Es folgt die Auswahl der Führungsgröße WQ oder WS, welche dann die Basis der Dimensionierung der Wärmepumpe darstellt. WQ und WS werden kurz erläutert, für tiefere Informationen ist die VDI 4640 Reihe verfügbar. Bei den Auswahlkriterien der Wärmepumpe findet der Temperaturhub, das Kältemittel, die Betriebsstunden und die Verdichter-Technologie mit unterschiedlichen Leistungsbereichen Beachtung. Es findet eine Unterscheidung von jährlichen Betriebsstunden (Bh) und Vollaststunden (Vlh) statt. Eine gleichzeitige Verfügbarkeit von WQ und Bedarf bei der WS erhöht die Volllaststunden, eine längerfristige Ungleichheit zu puffern wird als nicht wirtschaftlich eingestuft. Nachfolgend sind Schnittstellen der Mess-, Steuer- und Regeltechnik des Gesamtsystems zu definieren. Nachfolgend wird in der VDI eine einfache Methodik zur Abschätzung von benötigter Heiz- und Kühlleistung sowie der Betriebsweise.

Bewertung der Wärmepumpenanlage

Eine Betrachtung der wirtschaftlichen und ökologischen Parameter und politischen Rahmenbedingungen sind notwendig, dabei hat jedes Unternehmen selbst eine Gewichtung der einzelnen Punkte durchzuführen. Für eine Investitionsentscheidung gilt hauptsächlich die Wirtschaftlichkeit, Investitions- und Betriebskosten finden Beachtung. Daneben beeinflussen jedoch auch weitere Kriterien, wie z.B. CO2-Emissionen und Umweltziele, diese Entscheidung. Die Effizienz der Wärmepumpe hat auf alle genannten Bereiche einen großen Einfluss.

Die „Finnische Methode“ dient dazu, einen Allokationsfaktor zu finden, mit dem Endenergiebedarf, CO2-Emissionen oder Energiekosten den jeweiligen Nutzenergieformen Wärme und Kälte zugeordnet werden kann. Es wird die relative Primärenergieeinsparung gegenüber eines Referenzprozesses ermittelt. Da die verwendeten Wirkungsgrade den Umwandlungswirkungsgrad zwischen Nutz- und Endenergieniveau beschreiben, wird in diesem Fall die Endenergieeinsparung (ΔEE) berechnet.

Eine wirtschaftliche Bewertung wird in der VDI 2067 Blatt 1 über die Wärmeentstehungskosten (LCOH) der TGA nach der Annuitätenmethode empfohlen. Im Nomogramm ist schnell das Verhältnis der Wärmegestehungskosten im Vergleich zum Standard gesetzten Gas-Brennwertkessel (LCOHWP/LCOHSGB) in Abhängigkeit vom Temperaturhub (ΔTHub) und des Stromel-zu-Gaspreisng-Verhältnissen kel/kng ersichtlich. Hieraus ergibt sich eine Machbarkeitsabschätzung. Im Anhang C wird dies näher bearbeitet.

Kapitalgebundene Kosten betreffen die Investition bis zur IBN, betriebsgebundene Kosten entstehen bei Instandhaltung, Wartung, Inspektion und Anlagenbedienung. Bedarfsgebunden Kosten stehen im direkten Zusammenhang mit dem Bezug von Endenergie.

Unter einer definierten Grundannahme wird ein zweidimensionales Nomogramm als Funktion von Temperaturhub (ΔTHub) und dem Verhältnis der Energieträgerpreise verwendet. Der Farbverlauf von grün nach rot spiegelt ökonomisch sinnvolle bis unwirtschaftliche Kombinationen vom Temperaturhub (∆THub) und Strom-zu-Gaspreisverhältnis (kel/kng) wider. Die Legende gibt das Verhältnis von Wärmegestehungskosten von Wärmepumpe und Gas-Brennwertkessel (LCOHWP/LCOHSGB) in Abhängigkeit vom Farbcode an. Ist das Strom-zu-Gaspreisverhältnis und der Temperaturhub bekannt, lässt sich über das Verhältnis der Wärmegestehungskosten eine erste, qualitative Aussage über die Wirtschaftlichkeit eines Integrationskonzepts anhand der Farbgebung treffen. Auch ist eine Darstellung der direkten CO2 -Emissionen in Abhängigkeit vom Temperaturhub möglich.

Ein viergliedriges Nomogramm ermöglicht die Berücksichtigung von COP, dem Preisverhältnis, die Abschreibungsdauer und die Betriebsstunden, den Kalkulationszins und die Investitionskosten. Besonders die Betriebsstunden haben einen großen Hebel auf die Wirtschaftlichkeit.

Passive Abwärmenutzung mit aufgesetzter Wärmepumpe

Für ein BHKW mit einer elektrischen Leistung von 2000 kW wird das Kühlwasser der Gasturbine über einen Kühlturm (180 kW) von 45 °C auf 40 °C abgekühlt. Die gesamte Abwärme des Kühlwassers soll parallel zum Kühlturm durch eine Wärmepumpe zur Vorwärmung des Rücklaufs der Heizungsseite des BHKW verwendet werden. Die Maßnahme ist als reine Effizienzmaßnahme zu betrachten. Die maximale Einspeiseleistung im firmeneigenen Nahwärmenetz beträgt 500 kW, bei einer Temperaturspreizung von 5 K (70 °C/75 °C). Das Strom-zu-Gaspreisverhältnis (kel/kng) beträgt 3,5. Die Volllaststunden des BHKW und auch der Wärmepumpe liegen bei 4500 h/a. Die spezifischen Investitionen für die WP werden auf kInv,WP,Effizienz = 300 €/kWth geschätzt. Der COP = 5 der Wärmebereitstellung können wir über den Temperaturhub aus Bild 5 entnehmen. Als Wärmequelle stehen 180 kW zur Verfügung, über den EER Wert (COP-1) von 4 wird die elektrische Antriebsleistung von 45 kW errechnet, dadurch ergibt sich eine Heizleistung von 225 kW.

Diese Werte werden im Nomogramm eingetragen und folgendes Ergebnis wird ausgelesen:

Auswertung: Bei

  • einer Leistungszahl COP = 5,0,
  • einem Strom-zu-Gaspreisverhältnis von 3,5,
  • 4500 Betriebsstunden pro Jahr,
  • den spezifischen Investitionen von kInv,WP,Effizienz = 300 €/kWth und
  • einer Nutzungsdauer von 20 Jahren

ergibt sich eine statische Amortisationszeit von PP = 5,5 Jahren und eine interne Verzinsung von IRR = 19 %.

FAZIT

Eine exemplarische Anwendung der Richtlinie wird im achten Kapitel aufgezeigt. Die Vorplanung, die wirtschaftliche Bewertung und die Bewertung der CO2-Emissionen wird anhand eines Beispiels durchgeführt. Im abschließenden Kapitel Hinweise zu Planung und Betrieb wird auf die Ausführung der Maschinenräume (DIN EN 378-2) hingewiesen, Transport, Einbringung und Aufstellung erläutert und Hinweise zur Planung von Kälteträger- und Wärmeträgerkreisläufen gegeben. Informationen zum Betrieb und häufige Planungsfehler runden das letzte Kapitel ab. Die Einspruchsfrist zum Entwurf endet zum 30.4.2024, so dass noch 2024 eine VDI Richtlinie zur Verfügung stehen sollte, welche zur Planung von Großwärmepumpen als Grundlage dienen kann.

Wer tiefer in das Thema „Großwärmepumpen und Hochtemperaturanwendungen“ einsteigen möchte, dem empfehle ich die Youtube Videos von Dr. Cordin Arpagaus. Hier wird ein komplexer Sachverhalt in 60-90 Minuten kompakt erklärt und zusammengefasst. Weitere Informationen können dem Annex 58 – Task 1 Report entnommen werden. Auf der Homepage der Heat Pump Technologies ist auch eine Übersicht zum TRL – Technology Readiness Level unterschiedlicher Hersteller einsehbar. Der Leistungsbereich geht bis 100 MW und Temperaturen von bis zu 280°C.

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