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Warum treibt man Wärmepumpen mit Strom statt Öl/Erdgas (Verbrennungsmotor) an?

Themenstarteram 14. März 2010 um 13:44

Hallo,

eine Frage, die ich mir schon oft gestellt habe: Strom wird im Kraftwerk mit 45% Wirkungsgrad aus Primärenergie erzeugt, hinzu kommen dann die Übertragungsverluste. Mit diesem Strom treibt man dann den mechanischen (!!!) Kompressor einer elektrischen Wärmepumpe an. Die kann mit ihrer Nutzungszahl gerade mal die Verluste Primärenergie -> Strom -> Stromübertragung wieder kompensieren.

Ist das nicht idiotisch?

Warum geht man den Umweg über Strom-Fernübertragung?

Würde man die ohnehin flächendeckend verfügbare Primärenergie Heizöl oder Erdgas direkt in einem Verbrennungsmotor verfeuern und dieser dann den Kompressor der Wärmepumpe antreiben, hätte man nicht nur die Verluste der doppelten Wandlung (mach.->el.->mech.) eingespart. Nein, man könnte die Abwärme des Verbrennungsmotors sogar noch besser nutzen als bei einem BHKW, indem man nämlich die Abgase mit Hilfe der Wärmepumpe unter den Taupunkt abkühlt (Brennwerttechnik).

Rechnung:

Verbrennungsmotor mit 25% Wirkungsgrad erzeugt

P mech 1kW

P therm 3kW

Von P therm können 2,5kW direkt in den Heizungsvorlauf geschickt werden. Die Restenergie der Auspuffgase von 0,5kW muß wegen des niedrigen Temperaturniveaus über die Wärmepumpe entzogen werden.

Wärmepumpe mit Erdsonde, Nutzungszahl 5. Kann bei 1kW Antriebsleistung 5kW Wärmeleistung auf das Niveau des Heizungsvorlaufs bringen, davon entzieht es 4,5kW der Erdsonde und 0,5kW den Auspuffgasen. Gesamtwärmeleistung 6kW (da die Antriebsleistung des Kompressors ebenfalls im Heizkreislauf landet)

Summe:

Durch die Gas- oder Ölleitung fließen 4kW "chemische Leistung" (gibt es diese Angabe für den Volumenstrom eines Treibstoffs überhaupt?).

Daraus entsteht zum Heizen folgende Heizleistung:

direkte Motorabwärme: 2,5kW

Abkühlung des Abgases unter Taupunkt: 0,5kW

Wärmeleistung von der Erdsonde: 4,5kW

Kompressor-Antriebsleistung, welche ebenfalls als Wärmeleistung endet: 1kW

Summe: 8,5kW

"Wirkungsgrad" der Heizanlage: 212,5%, also das Doppelte eines Brennwertkessels. Zudem völlig unabhängig vom Stromnetz, da auch sämtliche Nebenaggregate (Umwälzpumpen u.s.w.) direkt mechanisch angetrieben werden.

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29 Antworten
am 14. März 2010 um 14:36

Kannst du kaufen, gibt es schon seit Jahren:

http://www.waermetechnik.com/.../Gaswaermepumpen_AISIN.pdf

Frage an, dann hat sich vermutlich auch Deine Frage geklärt...........;)

 

Gruß SRAM

Themenstarteram 14. März 2010 um 15:01

Zitat:

Kannst du kaufen, gibt es schon seit Jahren:

OK, ich habe meine Threadüberschrift zu unpräzise formuliert:

Warum sind die ineffizienten strombetriebenen Wärmepumpen so weit verbreitet und alle Medienberichte beziehen sich ausschließlich auf strombetriebene Wärmepumpen?

Dem Normalbürger wird somit die Existenz eines Direktantriebs mit Brennwerttechnik völlig vorenthalten.

PS: Dein Link geht nicht

am 14. März 2010 um 15:23

Der Link geht bei mir in firefox und IE, mehr kann ich nicht tun.......

 

Der Grund ist der exorbitant hohe Preis, da nun sogar zwei sehr aufwendige Maschinen (Wärmepumpenkompressor und Verbrennungsmotor), nebst allen Nebenaggregaten und Steuerungen bezahlt werden müssen. Aus dem gleichen Grunde ist der Wartungs- und Instandsetzungsaufwand enorm (ca. 2% der Investsumme pro Jahr).

Eine Wirtschaftlichkeit ist nicht erzielbar.

Gruß SRAM

P.S.: ja ich weis: mit beliebig hohem Energiepreis und beliebig hohen Subventionen geht alles (bis der Steuerzahler es nicht mehr bezahlen kann) --> und, sagt das was substantielles aus ?

Themenstarteram 14. März 2010 um 15:37

Zitat:

Der Grund ist der exorbitant hohe Preis, da nun sogar zwei sehr aufwendige Maschinen (Wärmepumpenkompressor und Verbrennungsmotor)

Wie wärs mit einer Freikolbenmaschine. Gibts sogar als Baustellenkompressor.

Extremst einfacher Aufbau.

am 14. März 2010 um 15:49

Ein einfacher Aufbau bedeutet oft niedrigen Wirkungsgrad und schlechte Regelbarkeit (in dem Fall eigentlich garkeine).

Hinzu kommt:

- nicht hermetisch dicht --> bei Kältemitteln ein no go

- fürchterliche Abgaswerte (Zweitakter)

- keine Getrenntschmierung möglich

- laut

Aber versuchs ruhig auf dem Markt zu plazieren.

Gruß SRAM

 

Themenstarteram 14. März 2010 um 18:07

Zitat:

Eine Wirtschaftlichkeit ist nicht erzielbar.

OK, aber selbst du als Kernkraftfreund solltest doch wenigstens die relativ bessere Effizienz gegenüber einer strombetriebenen Wärmepumpe begrüßen.

Themenstarteram 14. März 2010 um 20:43

Zitat:

Der Grund ist der exorbitant hohe Preis, da nun sogar zwei sehr aufwendige Maschinen (Wärmepumpenkompressor und Verbrennungsmotor)

So, hier mal eine Idee für ein extrem einfach aufgebautes Aggregat, was trotzdem eine hohe Abgasnorm durch 3-Wege-Kat schafft.

- die Heizung läuft mit Flüssiggas (LPG)

- der Brennstoff ist gleichzeitig Kältemittel

- Motorzylinder und Kompressorzylinder sind ein- und dasselbe Bauteil

- Einzylinder-4Takter

Funktion:

Im Zylinderkopf befindet sich ein drittes Ventil, durch welches während des Verdichtungstakts in oberer Totpunktnähe auf 10bar verdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch entnommen wird. Die geometrische Verdichtung des Motors ist wegen dieses eingeplanten Druckverlustes 20:1.

Das hochverdichtete Gemisch wird einem Wärmetauscher zugeführt, wo das Propan/Butan kondensiert und seine Wärme an den Heizungsvorlauf abgibt. In einem Phasentrenner wird die Flüssigkeit von der Luft abgeschieden. Die Flüssigkeit läuft wieder über ein Entspannungsventil in den Verdampfer der Erdsonde, die Luft mit Restkraftstoffdämpfen wird wieder in den Motor eingeblasen. Dampfförmiges Propan/Butan aus der Erdsonde wird dem Motor nach dem Lambda1-Verfahren zugeführt. (kennfeldgesteuerte Einblasung oder Venturi-Ansaugung)

Der größere Teil des Propans/Butans wandert unverbrannt als Kältemittel durch den Motor.

am 14. März 2010 um 21:10

Den Seitenhieb auf Kernkraft kannst du dir sparen, ist kein guter Stil......

Nehmen wir deinen postulierten Motor mit 25% Wirkungsgrad. Die Leistungszahl COP der Wärmepumpe sei 5 (vergleichs mal mit kommerziellen Modellen).

Bei einem Kilowatt mechanischer Energie erhalten wir also 5 Kilowatt Wärmeleistung. Von den im Motor notwendigen 4 Kilowatt Wärmeleistung des Brennstoffes geht 25% in mechanische Energie, von den restlichen 3 Kilowatt können wir vieleicht noch 2 nutzen, der Rest ist Abwärmeverlust, Strömung, Wasserdampf aus der Verbrennung, etc.). Macht also 7 kW. (Es spielt keine Rolle, ob du dieses eine Kilowatt auch noch über die Wärmepumpe einkoppelts oder nicht, sobald es über die Maschine geht sind Erdwärme und die Nidertemperaturabwärme gleichwertig).

Nun nehmen wir dieselbe Menge Erdgas (also 4 Kilowatt) und setzen diese mit einem modernen GuD Kraftwerk um. Macht bei 60% Wirkungsgrad (Irsching) 2.4 Kilowatt elektrische Leistung. Netzverluste bei gut gewartetem Netz ca. 5%. Kommen also noch 2.28 kw beim Motor der elektrischen Wärmepumpe an. der habe nochmals einen Wirkungsgrad von 90%, die Wärmepumpe sei die gleiche Maschine wie in deinem Beispiel.

--> Macht knapp über 10 Kilowatt Wärmeleistung. (und dabei habe ich die Abwärme des Elektromotors, den ich durchaus bei 70°C betreiben kann noch garnicht verwendet ;) )

So, sind nur Deine Zahlen, die ich genutzt habe, den Wirkungsgrad eines GuD und die Netzverluste kannst du gerne nachprüfen.

Nicht alles, was auf den ersten Blick gut aussieht übersteht die Nachrechnung mit dem spitzen Bleistift :)

Gruß SRAM

Das die Dinger mit Strom betrieben werden müssen, scheint eine neue Abzockermasche der EVUs zu sein. Erst wird die Kundschaft mit günstigen Konditionen geködert, um die Preise dann hochzutreiben. Hinzu kommt, dass sie oft nicht gut funktionieren und sich die Leute den Hintern abfrieren, sodass noch irgendein Pelletofen mitlaufen muss. Man sollte abwarten, bis Absorptionsklimaanlagen am Markt etabliert sind, dann kann man die Dinger mit Gas, Öl oder direkt mit Solarenergie betreiben. Es gibt wohl schon einige Installationen.

am 14. März 2010 um 21:18

Trotz der schweren Sicherheitsbedenken, die den Betrieb einer solchen Maschine zumindest im Bereich der BG unmöglich machen würden (verdichtetes, zündfähiges Krafstoff-Luft-Gemisch in einem Wärmetauscher --> im Falle der Zündung würde das Teil heftig detonieren, und eine Zündquelle findet sich immer.....), werde ich das Teil gerne mal durchsimulieren (kann ein Weilchen dauern, habe im Augenblick viel Projektarbeit).

Ich warne jedoch vor zuviel Hoffnung: Da die Wärmeübergangskoeffizienten bei Anwesenheit eines nicht kondensierenden Gases (Luft) in einem Kondensator sehr schlecht sind, wird dieser ein hohes delta_T und damit große Verluste produzieren. Ferner Ergeben sich durch das Überströmventil recht große Drosselverluste. Mal sehen was rauskommt......

Gruß SRAM

Themenstarteram 14. März 2010 um 21:44

Zitat:

Von den im Motor notwendigen 4 Kilowatt Wärmeleistung des Brennstoffes geht 25% in mechanische Energie, von den restlichen 3 Kilowatt können wir vieleicht noch 2 nutzen, der Rest ist Abwärmeverlust, Strömung, Wasserdampf aus der Verbrennung, etc.). Macht also 7 kW.

Nein, ich habe doch begründet, warum es keinen Abwärmeverlust gibt. Das Abgas des Motors wird über die ohnehin vorhandene Kältemaschine auf unter Taupunkt abgekühlt, das Kondenswasser wird aufgefangen. Brennwerttechnik!

Und das mechanische 1kW verschwindet nicht einfach im Kompressor, sondern wandert über die adiabatische Erwärmung und Reibungswärme mit in den Heizkreislauf.

Also nochmal: 2,5kW+0,5kW+1kW+4,5kW=8,5kW

Zitat:

(verdichtetes, zündfähiges Krafstoff-Luft-Gemisch in einem Wärmetauscher --> im Falle der Zündung würde das Teil heftig detonieren, und eine Zündquelle findet sich immer.....)

Eine zugegegebenermaßen deutliche Schwachstelle dieser Einfachst-Konstruktion. Der Wärmetauscher muß entsprechend robust ausgelegt werden, so daß er eine Rückzündung mit der entsprechenden Druckspitze übersteht. (200bar-fähig)

Zitat:

Ferner Ergeben sich durch das Überströmventil recht große Drosselverluste.

Die abgeschiedene Luft auf 10bar Druckniveau aus dem Kondensator läßt sich nachträglich beim Beginn des Verdichtungstaktes in den Zylinder einblasen, so daß der Liefergrad erhöht wird. Angesaugt wird dann fast pures Propan/Butan (Lambda 0,2), nur die Luft für die tatsächlich stattfindende verbrennung muß von außen zugeführt werden. Man hat dann quasi 2 rotierende Medien: LPG und Luft.

Themenstarteram 14. März 2010 um 21:46

Zitat:

Den Seitenhieb auf Kernkraft kannst du dir sparen, ist kein guter Stil......

Warum so empfindlich? Das sollte nur ein freundliches Schulterklopfen sein.

am 14. März 2010 um 22:05

Zitat:

Nein, ich habe doch begründet, warum es keinen Abwärmeverlust gibt. Das Abgas des Motors wird über die ohnehin vorhandene Kältemaschine auf unter Taupunkt abgekühlt, das Kondenswasser wird aufgefangen. Brennwerttechnik!

Klar, geht, allerdings dann auf die Eingangsseite der Wärmepumpe und daher nicht additiv, sondern als von dieser durchgeleiteter Strom. Womit er in Konkurrenz zur Wärmequelle der Wärmepumpe steht --> du kannst nur eines durchleiten.

 

Zitat:

Und das mechanische 1kW verschwindet nicht einfach im Kompressor, sondern wandert über die adiabatische Erwärmung und Reibungswärme mit in den Heizkreislauf.

Richtig, allerdings ist COP definiert als: ( Wärmestrom Eingangsseite Wärmepumpe aus Wärmequelle + mechanische Energie Antrieb - Wärmeverluste Wärmepumpe ) / mechanische Energie Antrieb

Ist also schon enthalten. Spielt aber für die obige Betrachtung keine Rolle, da bei beiden Maschinen in gleicher Weise behandelt.

Für dieselbe Endwärmeleistung auf der Verbraucherseite (also Heizung oder Warmwasser) wäre das GuD Kraftwerk immer deutlich besser.

Sorry w.g. Kernkraft, war nicht so gemeint.

Gruß SRAM

 

Themenstarteram 14. März 2010 um 22:42

So, ich habe jetzt mal ergoogelt, was ein GuD-Kraftwerk ist. Gasturbine mit nachgeschaltetem Dampferzeuger und Niederdruck-Dampfturbine. 55% Brutto-Wirkungsgrad. Industrielle Großanlage im MW-Bereich.

Ist ja wirklich toll, wenn es denn unsere Energie-Oligopolisten vorantreiben würden.

Meine Primärenergie-betriebene Wärmepumpe ist eine autarke Insellösung, entkoppelt von Oligopolisten, im kW-Bereich. Häuslicher Bereich. Daher auch die Idee des LPG-Einfachst-Motorkompressors mit einem Zylinder und 3 Ventilen.

 

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