Effizienz von Wärmepumpen

Hallo,

ich habe mir gerade einmal das Funktionsprinzip von Wärmepumpen angeschaut (Thema: Erdwärme-Heizung) [1] und habe zu dem Thema gleich einmal ein paar Fragen.

Meine Frage:

1) Es ist ja so, dass ein nicht unwesentlicher Teil der Wärmeerzeugung durch die Verdichtung (Kompression) erzeugt wird. Ist das wirklich so Energie-effizient, dass sich das lohnt? Schließlich wird hier ja _indirekt_ über die Kompression elektrische Energie in Wärme umgewandelt. 2) Oder hat der Teil der Erwärmung des Kältemittels durch die Erdwärme (die ja bspw. in 2m Tiefe wohl konstant 10°C sein soll) dermaßen großen Einfluss auf die gesamte Wärmeerzeugung?

Mir leuchtet es immer noch nicht so richtig ein, dass die Erzeugung von Wärme durch Kompression eines Gases so viel effizienter sein soll, als die direkte Umwandlung des Stroms in Wärme (was ja bekanntermaßen sehr ineffizient ist).

MfG Susann

[1]
formatting link
Reply to
Susann Markward
Loading thread data ...

Wenn du die Verluste des Prozesses meinst: Ja, auch diese stehen zusätzlich als Wärme zur Verfügung. Aber du musst den Begriff Wärmepumpe ernst nehmen. Die Wärme wird von einem niedrigen Niveau auf ein hohes Niveau gepumpt. Dies erfordert (je nach den beiden Temperaturniveaus) wesentlich weniger Energie, als eine schlichte Erwärmung von Temperatur 1 auf Temperatur 2.

Reply to
Werner Holtfreter

Hallo, Susann,

Du (Susann.Markward) meintest am 07.01.09:

Dafür ist mechanische Energie nötig - die muss nicht zwingend von einem Elektromotor geliefert werden.

So isses (etwas vereinfacht).

Derzeit scheinen Erdwärme-Pumpen mit Verbrennungsmotor als Antrieb am ehesten wirtschaftlich zu sein. Dann kann nämlich die Abwärme des Motors mitgenutzt werden.

Viele Gruesse! Helmut

Reply to
Helmut Hullen

So geht das:

Medium1 Energie Medium2

| v | | v | | v | | | | +-------+ | | +----+ | | > > | | +-------------+ | | v | | v |

Der Wirkungsgrad ist letztlich die gewonnene Energie in Medium 2 (z.B. dem Innenraum) geteilt durch die aufgewendete Energie. Und das ist größer 100%, da ja zusätzlich noch Energie aus Medium 1 dazu kommt. Natürlich muss man fairerweise noch weitere Energieaufwände, beispielsweise für Umwälzpumpen berücksichtigen.

Medium 1 könnte beispielsweise die Flüssigkeit sein, die man in die Erde pumpt. Und wenn man sie mit der Wärmepumpe auf beispielsweise 0° abkühlt und dann von der Erde auf 8° aufwärmen lässt, dann ist das der Bonus. (Nagelt mich nicht auf die Zahlen fest, die sind völlig willkürlich gewählt.)

Die Umwandlung von Strom in Wärme hat einen Wirkungsgrad von 100%. Weniger wird es nur, wenn die Erzuegte Wärme nicht komplett da ankommt, wo man sie haben will, oder man den Prozess der Stromerzeugung und des Stromtransports mit berücksichtigt.

Die Wärmepumpe hat aber /mehr/ als 100%, weil man den nicht bezahlten Teil der Wärme aus Medium 1 natürlich nicht mitrechnet.

Dass dabei irgend ein Gas komprimiert wird, ist letztlich nur Mittel zum Zweck. Man nutzt adiabatische (De)Kompression, um den Temperaturunterschied in Medium 1 und Medium 2 auszugleichen. Siehe Joule-Thomson Prozess. Es gibt auch andere Verfahren für Wärmepumpen, z.B. das Absorberprinzip in Kühlschränken für Gasbetrieb (Campling) oder den Peltiereffekt. Aber für den Zweck und die Leistungsklasse ist Joule-Thomson das Mittel der Wahl.

Marcel

Reply to
Marcel Müller

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Susann Markward schrieb:

Das ist nicht "ineffizient", sondern liefert einen Wirkungsgrad von fast 100 %: Die gesamte elektrische Arbeit wird in Wärme umgewandelt.

Bei der Wärmepumpe ist der wesentliche Effekt, daß sich das Arbeitsmedium nach Abgabe der Wärme auf dem hohen Temperaturniveau durch Entspannung auf eine sehr viel niedrigere Temperatur als die Außentemperatur bzw. die Temperatur des kalten Reservoirs abkühlen würde, wenn der Prozeß adiabat, also von der Umgebung tehermisch entkoppelt, abliefe. Statt dessen nimmt es Wärme, und zwar ziemlich viel, aus dem kalten Reservoir auf, die dann anschließend auf ein höheres Temperaturniveau "gepumpt" wird. In der Praxis kann dabei annähernd die vierfache Wärmemenge gegenüber der einfachen Direktheizung auf die Nutztemperatur gebracht werden.

Die theoretische Grenze der Arbeitszahl (AZ) bzw. Leistungszahl (LZ) ergibt sich dabei aus der umgestellten Formel für den Carnot-Wirkungsgrad:

eta = (T_o - T_u) / T_o ,

T_o: Temperatur des warmen Reservoirs T_u: Temperatur des kalten Reservoirs

die den maximal möglichen Wirkungsgrad eta einer Wärmekraftmaschine angibt, also denjenigen Anteil der Wärmeenergie, die eine Wärmekraftmaschine in mechanische Arbeit umwandeln kann. Mit zunehmender Temperatur der Warmseite wird dieser Wirkungsgrad immer höher und strebt gegen 100 %.

Eine Wärmepumpe macht exakt das gleiche wie eine Wärmekraftmaschine, nur rückwärts: Man steckt mechanische Arbeit hinein, und dadurch wird Wärme vom kalten zum warmen Reservoir transportiert. Das Verhältnis von transportierter Wärmeenergie E_Wärme zu aufgewendeter mechanischer Arbeit P_mech ergibt sich entsprechend zu

E_Wärme / P_mech = 1/ eta = T_o / (T_o - T_u)

Hier sind wegen der Reziprozität nun gerade niedrige Warmtemperaturen günstig. Wenn beispielsweise aus einem Reservoir von T_u = 0 °C die Wärme auf eine Vorlauftemperatur von T_o = 30 °C = 303 K gepumpt werden soll, dann ist E_Wärme / P_mech maximal

E_Wärme / P_mech = T_o / (T_o - T_u) = 303 / 30 = 10,1

d. h. es wird bis zu zehnmal so viel Wärme "erzeugt" (eigentlich von kalt nach warm transportiert) als bei Direktheizung erhalten würde.

(In der Praxis sind die Verhältnisse wegen diverser Verluste und anderer Rahmenbedingungen (kältere Kaltseiten und höhere Vorlauftemperaturen) allerdings nicht ganz so günstig.)

Gruß aus Bremen Ralf

Reply to
Ralf Kusmierz

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Helmut Hullen schrieb:

Wirtschaftlich, aber nicht umweltfreundlich: In Großanlagen kann nämlich aus den Primärenergieträgern der Strom preiswerter, sauberer und mit höherem Wirkungsgrad erzeugt werden als die mechanische Arbeit in kleineren Verbrennungsmotoren. Damit kann dann die Gesamteffizienz trotz Verlustes der Kraftwerkabwärme höher werden.

Beispiel:

Die verwendete Wärmepumpe habe eine LZ von 3, d. h. es wird dreimal so viel Wärme erzeugt wie Arbeit hineingesteckt.

Zur Auswahl steht Stromerzeugung in einem GuD-Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 60 % und ein konventioneller Verbrennungsmotor mit einem Wirkungsgrad von 40 %. Dann wird aus hundert Einheiten Primärenergie erzeugt

beim BHKW: 60 Einheiten Abwärme plus 40 Einheiten Antriebsleistung, daraus 120 Einheiten Pumpwärme, zusammen --------------------------------- 180 Einheiten Nutzwärme

beim GuD-Kraftwerk: 40 Einheiten verlorene Abwärme plus 60 Einheiten Antriebsleistung, daraus ebenfalls --------------------------------- 180 Einheiten Nutzwärme

Der Primärenergieverbrauch wäre in beiden Fällen gleich, so daß hier weitere Aspekte (Gerätekosten, Immissionsbelastungen) in die Betrachtung aufzunehmen wären.

Relativ wichtig: Während die dezentrale Lösung auf den Auslegungsbrennstoff angewiesen ist (Gasmotor braucht eben Gas), können bei der Versorgung über das Elektrizitätsnetz auch regenerative Energien je nach Angebotslage mit zum Einsatz kommen.

Gruß aus Bremen Ralf

Reply to
Ralf Kusmierz

Hallo, Ralf,

Du (me) meintest am 07.01.09:

Diesel- oder Gasmotoren sind inzwischen durchaus umweltfreundlich.

Könntest Du bitte noch dem Preis pro Einheit für den Endabnehmer abschätzen? Beim (privaten) Blockheizkraftwerk kaufe ich Diesel oder Erdgas ein, bei Versorgung aus dem (EVU-)Kraftwerk kaufe ich Strom ein.

Viele Gruesse! Helmut

Reply to
Helmut Hullen

"Ralf Kusmierz":

Damit hast Du ja vorgerechnet, daß die dezentrale Lösung ebensogut wie die zentralisierte Lösung funktionieren kann.

Sind das denn realistische Annahmen?

Also was man heute zuhause (glaube ich) praktisch ungefähr machen kann, ist sowas (mit der von Dir in den Raum gestellten Leistungszahl 3):

Einsatz von 100 Einheiten Diesel Ergibt bis zu 30 Einheiten Strom Mit LZ=3 also 90 Einheiten Wärme Zuzüglich bis 70 Einheiten Dieselabwärme Macht zusammen bis zu (90+70)=160 Einheiten Nutzwärme

Wann (wenn überhaupt) wird denn unser Steckdosenstrom eine Gesamteffizienz von (160/3)= über 50% aufweisen?

Wo, wenn nicht zur Erzeugung von niedertemperatur-Wärme sollen denn die Brennstoffe mit geringerer Prozesstemperatur eingesetzt werden?

Gruss

Jan Bruns

Reply to
Jan Bruns

Alles ist relativ.

Diesel und Erdgas kosten pro kWh etwa 6 ct.

Strom für Wärmepumpen z.B. bei E.ON Power therm in der NT-Zeit ca. 10 ct pro kWh Strom. Man braucht aber nur 60 % davon bezahlen, d.h. ebenfalls

6 ct/kWh.

Aus der Differenz von 0 ct/kWh müsstest Du jetzt die Mehrkosten der WP mit Verbrennungsmotor und die Betriebskosten bezahlen.

An diesem Beispiel kann man sehen warum sich Wärmepumpen mit Verbrennugnsmotor bisher überhaupt nicht durchgesetzt haben.

Reply to
Emil Naepflein

Helmut Hullen schrieb:

Was ist "wirtschaftlich"? eine Erdwärme-Wärmepumpe sorgt dafür, dass die Vegetationsperiode im Garten etwa 2 Wochen später einsetzt als bei den Nachbarn. Wie wird das in der Wirtschaftlichkeit berücksichtigt?

Reply to
Christoph Müller

Die 3 ist etwa bei Luft-Wärmepumpen realistisch. Bei Wasser/Erdsonden geht es in Richtung 4.

Z.B. wenn er aus GUD-Kraftwerken und regenerativen Energien wie Wasser, Wind und Sonne kommt. Bei letzteren wird 0 fossile Primärenergie verbraucht.

Welche Brennstoffe meinst Du?

Reply to
Emil Naepflein

Solange man nicht gerade Grasfresser ist sehe ich da kein größeres Problem.

-ras

Reply to
Ralph A. Schmid, dk5ras

Ralf Kusmierz schrieb:

Kenne nur eine einzige solche Anlage. Die steht in Irsching. Wo hat man sonst noch die Wahl?

Außerdem: Was ist mit der Mobilität? Diese könnte auch mit nur 5% der heute nötigen Energie betrieben werden. Warum nutzt man nicht erst mal diese Abwärme, bevor man so großen Aufwand treibt?

Sofern man NUR an Wärme interessiert ist. Wir sind aber doch auch an Mobilität, Computerei, Rundfunk, Fernsehen usw. - sprich Strom - interessiert. Wenn wir nur Wärme aus dem Strom machen, haben wir nicht viel davon. Die kriegen wir mit Abwärme doch auch.

Außerdem: Im Winter ist der Strombedarf sowieso am Höchsten. Wenn jetzt auch noch massenweise Wärmepumpen zum Einsatz kommen würden, würde er noch erheblich stärker steigen. Im Sommer stehen diese teuren Stromerzeuger dann aber nur rum, weil ja keiner Wärme braucht. Da kommen jetzt die Kosten pro kW elektrischer Leistung ins Spiel. Mit Massenproduktion kommen man da leicht auf Werte, die die Betriebsstunden pro Jahr relativ unwichtig werden lassen. Je teurer aber die spezifischen Kosten sind, um so wichtiger werden die Volllaststunden. Dann gibt's aber im Sommer Probleme, wenn zu viel mit Wärmepumpen gearbeitet wird.

Das Kraftwerk möchte ich sehen, das mal eben von Biogas über Hackschnitzel, Pellets und Stroh bis auf Kohle umschalten kann. Jedes Kraftwerk ist typischerweise auch auf SEINEN Brennstoff angewiesen. Genauso, wie die Kleinanlagen. Wenn es allerdings sehr viele Kleinanlagen gibt, dann kann man davon ausgehen, dass es sehr viele mit sehr unterschiedlichen Brennstoffen geben wird. In der Landwirtschaft werden z.B. Biogasanlagen weit verbreitet sein. Dieses wird evtl. auch in Gasnetze eingespeist, so dass in der ganzen Gegend viel damit gearbeitet werden kann. In waldreichen Gebieten wird man mehr mit Hackschnitzeln arbeiten. Wo es viel Gemüseanbau gibt, vielleicht mit Pellets usw. Arbeitet man mit Großkraftwerken, ist es eine Katastrophe, wenn DEREN Brennstoff ausfällt. In dezentral organisierten Netzen verschieben sich dagegen nur die Schwerpunkte.

Reply to
Christoph Müller

Ich kenne jemanden, der so eine Wärmepumpe hat. Es stört ihn durchaus, dass in seinem Garten noch Winter herrscht, während bei den Nachbarn schon der Frühling ausgebrochen ist.

Reply to
Christoph Müller

"Emil Naepflein":

Ok. Das beantwortet die Frage aber zu wörtlich. Immerhin kann man ja Dieselmotoren ebenfalls mit nicht-fossilen brennstoffen betreiben.

Naja, mag so nicht 100%ig korrekt dargestellt sein. So genau kenne ich mich nicht aus. Aber wir werden nunmal nicht sowohl für all unsere Fahrzeuge, zum Heizen, zur Stromversorgung, sowie für alles andere jeweils immer nur Gas verwenden können. Zumindest nicht in Form eines Primärenergieträgers (auch nicht in einer dem nahestehenden Form). Irgendwo muss man auch Brennstoffe einsetzen, die weniger geeignet sind (und sei es auch nur Aufwandbedingt), hohe Wirkungsgrade zu erzielen, also flüssiges oder festes Zeugs, das vielleicht erst vergast werden muss, bis es brennfähig ist, und evtl. mehr die Endtemperatur senkende "Zusätze" wie bspw. Wasser enthält.

Mag schon sein, daß meine Aussage bzgl. der Prozesstemperatur so nicht gänzlich richtig ist, aber so die grobe Tendenz gibt es ja, daß bspw. Holz, Kohle, und Öl eher schwierig auf gute Wirkungsgrade zu bringen sind, und gleichzeitig Unterschiede im Wirkungsgrad mehr oder weniger direkt auf die Prozesstemperatur zurückzuführen sind.

Gruss

Jan Bruns

Reply to
Jan Bruns

Hallo, Ralph,

Du (ralph) meintest am 07.01.09:

Nicht nur das: das o.g. Problem (wenn es denn ein Problem ist) tritt nur dann auf, wenn der gesamte Garten des freistehenden Einfamilienhauses für Verrohrung in 1 m Tiefe benutzt wird. Es ist auch möglich, mit 2 Tiefbohrungen zu arbeiten; kostet vielleicht etwas mehr, benötigt aber erheblich weniger Fläche.

Viele Gruesse! Helmut

Reply to
Helmut Hullen

Wenn man sonst keine Probleme hat?! :-) Der soll froh sein, daß er nicht so viel Arbeit mit dem wuchernden Grünzeug hat...

-ras

Reply to
Ralph A. Schmid, dk5ras

Bei den heutigen Grundstückspreisen sind die Flächen der Gärten oft gar nicht mehr so groß. Die haben dann nur 400-500 qm und das ist sowieso zu wenig. Die Tiefbohrungen sind er richtige Weg vorallem weil sich die Temperatur auch nicht so stark verändert und damit die AZ der Wärmepumpe.

Reply to
Emil Naepflein

Das wäre wieder ungeschickt da man aus der vorhanden Fläche mit Biodiesel/Pflanzenöl nur einen Bruchteil der Primärenergie herausholen kann als wenn man auf die gleiche Fläche ein PV-Kraftwerk errichten würde. Zudem ist man dann genau auf diesen Energieträger angewiesen und kann nicht regenerative Energie aus anderen Quellen nutzen und damit einen Ausgleich im Netz bewirken. Der Brennstoff ist geschickter für die Stromerzeugung eingesetzt als zum Betrieb einer WP.

Nein, man wird das Gas und andere gespeicherte Energie nur dann einsetzen wenn der Bedarf nicht durch die intermittierenden regenerativen Energien (Sonne, Wind, Wasser), durch Energie in Speichern und durch Lastmanagement ausgleichen kann.

Mit Kohle erreicht man heute Wirkungsgrade von ca. 45 %. Holz liegt bei ähnlichen Größenordnungen. Großdieselmotoren erzeilen dagegen auch Wirkungsgrade deutlich über 50 %.

Bei allen Energieträgern wo man bei der Verstromung keine 50 % Wirkungsgrad erreicht sollte man meiner Meinung nach sich darauf beschränken diese in wärmegeführten BHKWs verstromen.

Reply to
Emil Naepflein

Er hat auch nicht das Gegenteil behauptet. Du hast ihn nur absichtlich missverstanden.

Es geht darum dass jemand der eine WP zur Heizung nutzt alleine Strom als Energieträger für die Heizung braucht. Wie der Strom im Netz erzeugt wird ist völlig egal. Er kann an windreichen Tagen vom Wind, an Sonnentagen von der Sonne und an anderen Tagen von Kraftwerken kommen die gespeicherte Energie nutzen können. Dies können noch fossile Energien, aber auch Biomasse sein. Natürlich kann der Strom auch von einem wärmegeführten BHKW kommen.

Damit macht er sich nicht abhängig von einer einzigen Art von Brennstoff sondern hat in der WP quasi eine multivalente Wärmequelle. Wie wichtig sowas ist zeigt sich aktuell hinsichtlich Gas. Wären die deutschen Haushalte weitgehend auf Wärmepumpen ausgelegt, mit entsprechendem Dämmstandard, dann könnte uns der Gasstreit völlig egal sein. Dann können eben andere Kraftwerke einspringen und den nötigen Heizstrom liefern.

Wir haben auch bei den Großkraftwerken eine Diversifikation bei den Brennstoffen. Man kann prakisch in jedem Kohlekraftwerk auch Holz verfeuern und in GUD-Kraftwerken auch Biogas. Dies ist kein Argument für die dezentral organisierten Netze. Mit den dezentral organisierten netzen hat man eher das Problem dass kein Wettbewerb herrscht und sich der einzelen Hausbesitzer wieder von einem Energieträger abhängig macht.

Nein, richtigen Wettbewerb gibt es erst wenn Strom weitgehend als primärer Energieträger für die Heizung fungiert. Dann können alle Kraftwerke - auch Klein-BHKWs - im Wettbewerb Strom einspeisen. Dies sorgt für niedrige Preise, garantiert die Nutzung der intermittierenden regenerativen Energien, erlaubt eine weitgehende Lastregeleung über vorhandene Wärmespeicher, usw.

Reply to
Emil Naepflein

PolyTech Forum website is not affiliated with any of the manufacturers or service providers discussed here. All logos and trade names are the property of their respective owners.