Diese Projektarbeit untersucht die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) mit Fokus auf die technische Funktionsweise und wirtschaftliche Aspekte thermisch betriebener Kältemaschinen im Vergleich zur Kompressionskältemaschine (KKM). Die Arbeit beleuchtet die Prinzipien von Absorptions- (AKM), Adsorptionskältemaschinen (AdKM) und dem DEC-Verfahren, die durch Nutzung von Abwärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die Effizienz von Energieanlagen steigern können, insbesondere in den Sommermonaten, wenn der Wärmebedarf sinkt. Es werden thermodynamische Grundlagen, Effizienzkennzahlen, Normen und wirtschaftliche Analysen, einschließlich Kostenvergleichs- und Amortisationsrechnungen, dargestellt. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf zukünftige Entwicklungen, wie die Integration erneuerbarer Energien und hybrider Systeme, um die Flexibilität und Effizienz der KWKK weiter zu verbessern.
Inhaltsverzeichnis
3. Einleitung
4. Bezug zur KWK
5. Kälteanlagen der KWKK im Vergleich zur Kompressionskältemaschine
5.1 Kompressionskältemaschine
5.2 Absorptionskältemaschine
5.2.1 Prinzip und Verfahren
5.2.2 Kennzahlen und Verfahrensvarianten
5.2.3 Vergleich wesentlicher Eckdaten von AKM und KKM
5.3 Adsorptionskältemachine (AdKM)
5.3.1 Prinzip und Verfahren der Adsorptionskältemaschine
5.3.2 Kennzahlen und Verfahrensvarianten der AdKM
5.3.3 Vergleich wesentlicher Eckdaten von AdKM und KKM
5.4 DEC – Verfahren
5.4.1 Prinzip des DEC – Verfahrens
5.4.2 Kennzahlen und Verfahrensvarianten
5.4.3 Vergleich wesentlicher Eckdaten des DEC – Verfahrens und KKM
6. Effizienzbetrachtung
6.1 Kennwerte der Kältetechnik
6.2 Effizienzvergleich bei thermisch getriebenen Kältemaschinen
7. Normen und Richtlinien
8. Wirtschaftliche Betrachtung
8.1 Zu vergleichende Kältemaschinen
8.2 Kostenrechnung
8.3 Amortisation
8.4 Bewertung der Wirtschaftlichkeitsanalyse
9. Anwendung
10. Zusammenfassung und Fazit
11. Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die technische Funktionsweise und die wirtschaftliche sowie effizienzbezogene Vorteilhaftigkeit der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK). Dabei steht die Kältebereitstellung durch thermisch getriebene Kältemaschinen im Fokus, um die sommerliche Problematik der Wärmeüberkapazitäten bei herkömmlichen KWK-Anlagen zu adressieren.
- Vergleich von Kältetechnologien (Kompressions-, Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen sowie DEC-Verfahren).
- Detaillierte Analyse der technischen Funktionsprinzipien und thermodynamischen Grundlagen.
- Untersuchung der Wirtschaftlichkeit durch Kostenrechnungen und Amortisationsanalysen.
- Bewertung der Effizienz mittels verschiedener Kennzahlen (COP, EER, SEER).
- Einordnung in geltende Normen und Richtlinien sowie Untersuchung aktueller Marktanwendungen.
Auszug aus dem Buch
5.1 Kompressionskältemaschine
Kompressionskältemaschinen basieren auf linkslaufenden Kreisprozessen. Das bedeutet, dass ein Arbeitsmedium unter Durchlaufen von Zustandsänderungen Wärme bei oberen Prozesstemperaturen abgibt und bei unteren Temperaturen Wärme aus der Umgebung aufnimmt [7, S. 253]. Das Prinzip ist in Abb. 3 dargestellt.
Abb. 3 zeigt, wie beim Verdampfen des Kältemittels bei konstantem Druck von 4 zu 1 dem zu kühlenden Raum Wärme entzogen und damit der Sattdampfzustand 1 erreicht wird. Dabei steigt die spezifische Enthalpie des Kältemittels. In diesem Schritt erfolgt die eigentliche Kühlung des Zielraums durch den Phasenübergang des Kältemittels. Für diese Zustandsänderung wird dem Raum Wärme entzogen. Der Phasenwechsel erfolgt annähernd adiabat und isobar.
Von Punkt 1 zu 2 erfolgt die namensgebende Verdichtung bei der KKM. Hierbei steigen der Druck und die Temperatur des Kältemittels und seine Phase ändert sich zu gasförmig.
Im Schritt von Punkt 2 zu 3 kondensiert das Kältemittel isobar und adiabat. Dabei gibt es so die dem Raum entzogene Wärme ab. Die gestrichelte Linie im log(p)-h-Diagramm (rechts) deutet dabei an, dass beim Clausius-Rankine-Prozess in der Praxis eine weitere Unterkühlung erfolgt. So kann der flüssige Zustand des Kältemittels gewährleistet und die Effizienz gesteigert werden. Bei Punkt 3 liegt das Kältemittel im Siedezustand vor.
Zusammenfassung der Kapitel
3. Einleitung: Diese Einleitung definiert die KWKK als Lösung für die ineffiziente sommerliche Wärmenutzung von KWK-Anlagen und skizziert das Ziel der Arbeit, die technischen und wirtschaftlichen Aspekte dieser Kopplung zu bewerten.
4. Bezug zur KWK: Dieses Kapitel erläutert das Grundprinzip der Kraft-Wärme-Kopplung und verdeutlicht anhand von Diagrammen das Problem des sommerlichen Wärmenachfrageminimums.
5. Kälteanlagen der KWKK im Vergleich zur Kompressionskältemaschine: Dieser umfangreiche Hauptteil beschreibt detailliert die Funktionsweisen von Kompressions-, Absorptions-, Adsorptionskältemaschinen und dem DEC-Verfahren und stellt diese in Tabellen gegenüber.
6. Effizienzbetrachtung: Dieses Kapitel analysiert die verschiedenen Kennzahlen zur Effizienzbewertung wie COP, EER, SEER und TEPF und führt einen Effizienzvergleich der thermisch getriebenen Systeme durch.
7. Normen und Richtlinien: Hier werden die für KWKK-Anlagen und Kältetechnik relevanten VDI-Richtlinien sowie DIN-Normen systematisch zusammengestellt.
8. Wirtschaftliche Betrachtung: Dieses Kapitel führt eine vereinfachte Wirtschaftlichkeitsanalyse mittels Kostenvergleichs- und Amortisationsrechnung zwischen einer KKM und einer AKM durch.
9. Anwendung: Die Praxisanwendung von KWKK-Anlagen wird beleuchtet, inklusive einer Einschätzung der Marktpotenziale und Anwendungsbereiche in Deutschland.
10. Zusammenfassung und Fazit: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet das Potenzial der Substitution von Kompressionskältesystemen durch wärmegetriebene Verfahren.
11. Ausblick: Der Ausblick zeigt zukünftige technologische Entwicklungstendenzen und die Rolle der KWKK im Kontext der Energiewende auf.
Schlüsselwörter
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, KWKK, Absorptionskältemaschine, Adsorptionskältemaschine, Kompressionskältemaschine, DEC-Verfahren, Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit, Wärmenutzung, Kältetechnik, Nachhaltigkeit, Energiewende, Prozesskühlung, Kältezahl, Wärmeverhältnis.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Projektarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK), bei der überschüssige Wärme, insbesondere im Sommer, zur Kälteerzeugung genutzt wird, um die Effizienz von KWK-Anlagen zu steigern.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zentrale Themen sind die verschiedenen Kälteerzeugungsverfahren (thermisch vs. mechanisch), deren technische Funktionsweisen, die energetische Effizienzbewertung sowie die Wirtschaftlichkeitsanalyse von Investitionsszenarien.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, eine Übersicht über die Funktionsweise der KWKK zu schaffen und zu bewerten, ob und unter welchen Bedingungen die Kältebereitstellung durch thermisch getriebene Kältemaschinen technologisch und wirtschaftlich vorteilhaft gegenüber konventionellen Kompressionskältemaschinen ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Die Arbeit nutzt eine literaturbasierte Analyse sowie technische Datenblätter und vereinfachte statische Kostenvergleichs- und Amortisationsrechnungen, um einen Vergleich zwischen verschiedenen Systemvarianten anzustellen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Beschreibung der Kälteanlagen (AKM, AdKM, DEC), die Erläuterung der Effizienzkennzahlen, eine Übersicht relevanter Normen und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich maßgeblich durch die Begriffe Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Sorptionskältemaschinen, Energieeffizienz, KWK und Wirtschaftlichkeitsanalyse charakterisieren.
Was ist die kritische Auslastung bei dem Wirtschaftlichkeitsvergleich der Kältemaschinen?
Die kritische Auslastung beschreibt den Punkt der jährlichen Kältearbeit (im Beispiel ca. 970 MWh), ab dem die Kosten des Betriebs einer KKM die Kosten einer AKM übersteigen, womit die AKM kosteneffizienter wird.
Warum wird im Sommer bei KWK-Anlagen häufig Wärme ungenutzt an die Umgebung abgegeben?
In den Sommermonaten sinkt der Bedarf an Heizwärme drastisch, sodass die mit der Stromerzeugung gekoppelte Wärmeerzeugung oft zu einem Wärmeüberschuss führt, für den ohne KWKK-Anbindung kaum Abnehmer existieren.
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- Paul Steven (Author), 2022, Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Die Funktion thermisch getriebener Kältemaschinen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1592288
