Ziel des Verbundvorhabens ETA-Fabrik ist die Senkung des Energiebedarfs in der industriellen Fertigung gegenüber konventioneller Technologie um etwa 40Prozent. Erreicht werden soll dies maßgeblich durch die Entwicklung und Optimierung von Einzeltechnologien sowie der technischen Integration dieser in das Gebäude und die gesamte Prozesstechnologie. Vom ZAE Bayern werden hierbei die Teilprojekte TP3 (Energieeffiziente Bauteilreinigung) und TP7 (Thermische Interaktion Fabrikgebäude, Gebäudetechnik, Prozesskette) bearbeitet. Im TP3 wird vom ZAE Bayern zusammen mit einem Reinigungsmaschinenhersteller die Energieeffizienz exemplarisch in einem konkreten Produktionsschritt - der Bauteilreinigung - optimiert. Ziel ist hierbei, den erforderlichen Energieeinsatz bei der industriellen Bauteilreinigung ohne Minderung des Reinigungsergebnisses zu senken. Dazu werden die gewonnen Erkenntnisse nach einer detaillierten Analyse aller Wärmeströme und der Identifizierung bisher ungenutzter Möglichkeiten an einem Reinigungsmaschinen-Prototyp umgesetzt, der mit dem Gesamtsystem ETA-Fabrik vernetzt wird. Die erzielte Energieeinsparung wird messtechnisch nachgewiesen. Ein übergreifendes Konzept zur Abwärmenutzung mit thermischer Energiespeicherung und Wärmetransformation wird im TP7 entwickelt. Das ZAE Bayern wird diesbezüglich in der Demonstratorfabrik einen Heißwasserspeicher mit Vakuum-Superisolation sowie eine Absorptionskältemaschine prototypisch umsetzen, um die Nutzung anfallender Abwärme in Produktion und Gebäude zu realisieren. Vorgesehen ist auch die Entwicklung eines Modellierungswerkzeugs zur Identifizierung der geeignetsten Konstellation von Speicher, Wärmepumpe und Kältemaschine in der industriellen Produktion für die Abschätzung des Einsparpotentials bei vergleichbaren zukünftigen Aufgabenstellungen.
Viele Anwendungspotentiale für Absorptionswärmepump-Anlagen bleiben ungenützt:
Aufgrund der Eigenschaft, die Kombination verschiedener Technologien und Systeme sowie Anwendungen (Heizen, Lüften, Kühlen) zu unterstützen oder überhaupt erst zu ermöglichen, kommt thermisch angetriebenen Absorptionskältemaschinen wie auch Absorptionswärmepumpen - verallgemeinert als Absorptionswärmepump-Anlagen bezeichnet - besondere Bedeutung bei der Steigerung der Effizienz des Energiesystems sowie Erhöhung des Anteiles erneuerbarer Energien zu. Aufgrund von Schwächen der aktuell in Absorptionswärmepump-Anlagen eingesetzten Regelungen können viele potentielle mögliche Anwendungen (z.B. die Bereitstellung von Prozesswärme/-kälte, die Einbindung in Fernwärme- oder -kältenetze über die Grundlast hinaus) aktuell nicht bzw. unzureichend realisiert werden, da die jeweiligen Anforderungen an das (dynamische) Betriebsverhalten nicht erfüllt werden können. Zusätzlich führt das Fehlen von systematischen Ansätzen zur Regelung der Anlagen zu erhöhtem Aufwand im Zuge der Konzeptionierung und Inbetriebnahme.
Steigerung der Effizienz, Zuverlässigkeit und Effektivität bestehender Anwendungen und Schaffung zusätzlicher Anwendungsmöglichkeiten durch Entwicklung einer Methode zur modellbasierten Regelung für Absorptionswärmepump-Anlagen.
Aus diesem Grund adressiert dieses Projekt das übergeordnete Ziel, die Regelung von Absorptionswärmepump-Anlagen soweit zu verbessern, dass sie in der Lage sind, die komplexen, verkoppelten und zum Teil nichtlinearen Zusammenhänge der verschiedenen Teilprozesse und Prozessgrößen, alle internen und externen Stellgrößen sowie auch die Schwankungen der externen Störgrößen (z.B. Temperaturschwankungen der eintretenden, externen Stoffströme) explizit zu berücksichtigen und soweit möglich zu kompensieren. Dazu soll eine Methode zur modellbasierten Regelung von Absorptionswärmepump-Anlagen entwickelt werden, die für beide gängigen Arbeitsstoffpaare (Ammoniak/Wasser bzw. Wasser/Lithiumbromid) geeignet ist und aufgrund ihres systematischen und modularen Ansatzes eine breite Basis für spezifische Weiterentwicklung der Regelung sowohl für die Anwendung als Kältemaschine als auch als Wärmepumpe darstellt. Schlussendlich soll durch die neue Regelung die bereitgestellte Nutz-Kälte bzw. -Wärme deutlich genauer an die Anforderungen herangeführt werden und zusätzlich dazu das Temperaturniveau auf dem diese Nutzenergie bereitgestellt wird, sehr genau auf dem geforderten liegen. Das würde in einem vergrößerten Einsatzbereich von Absorptionswärmepump-Anlagen resultieren und die Zuverlässigkeit, durch eine geringere Anzahl an Störabschaltungen, sowie die Effizienz erhöhen. (Text gekürzt)
Die Zielstellung des Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung eines kostengünstigen und energieeffizienten Systems zur sommerlichen Raumkühlung unter Einbeziehung regenerativer Energiequellen. Die aus früheren theoretischen Untersuchungen resultierenden Erkenntnisse sollen dabei einer praktischen Nutzung zugeführt werden. Mit dem verfolgten Ansatz soll die Raumkühlung über eine konventionelle Heizungsanlage erfolgen. Die Kältebereitstellung erfolgt vorzugsweise über ein Gasmotor-BHKW oder eine Brennstoffzelle, deren Abwärme im Sommer mittels Ab- oder Adsorptionskältemaschine oder einer Wärmepumpe zur Kältebereitstellung genutzt wird. Auch Fernwärme aus einem Heizkraftwerk kann auf diese Weise im Sommer genutzt werden. Die passive Kühlung (ohne Kompressor) mithilfe einer Sole-Wasser-Wärmepumpe (Wärmequelle/-senke Erdreich/Grundwasser) stellt eine besonders günstige Möglichkeit dar. Für die Bearbeitung des Forschungsvorhabens werden 5 Pilot- bzw. Feldtestanlagen betrachtet. Die Arbeiten gliedern sich grundsätzlich in eine Vorbereitungs- und in zwei sich abwechselnde Mess- und Bewertungsphasen. - Phase 1: Vorbereitung und Inbetriebnahme Die bestehenden Heizungsanlagen der Untersuchungsobjekte müssen zunächst für den Kühlfall erweitert und mit Messtechnik ausgestattet werden. - Phase 2: Erste Messphase Der Bearbeitungszeitraum umfasst die gesamte Kühlperiode. - Phase 3: Erste Bewertungs- und Optimierungsphase Im Bearbeitungszeitraum erfolgt die detaillierte Bewertung der Messergebnisse, insbesondere unter Berücksichtigung des aus den vorangegangenen theoretischen und praktischen Untersuchungen resultierenden Erkenntnisstandes. - Phase 4: Finale Messphase Die Arbeiten der finalen Messphase orientieren sich an denen der ersten Messphase unter Berücksichtigung der bis dahin vorliegenden Erfahrungen und Erkenntnisse. - Phase 5: Finale Bewertungsphase Innerhalb der finalen Bewertungsphase wird eine zusammenfassende Darstellung zum Forschungsvorhaben entwickelt.
Eine Möglichkeit Wärme, Kälte und Strom gebäudeintegriert aber auch gebäudeübergreifend bereitzustellen sind Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungen (KWKK). Erste Ergebnisse aus einschlägigen Projekten (z.B. PolySMART) mit Anlagen im kleinen Leistungsbereich zeigen die Potenziale aber auch die notwendigen Schritte auf, um die Systeme wirtschaftlich und primärenergetisch sinnvoll auszuführen. Vor allem der Abstimmung der Hauptkomponenten Blockheizkraftwerk (BHKW) und Absorptionskältemaschine (AKM) und der Systemkonfiguration (Verbrauchsprofil, Hydraulik, Regelung, etc.) wird hohe Bedeutung beigemessen. Bisher wurden für KWKK-Anlagen Standard Absorptionskältemaschinen (AKM), welche für andere Betriebsweisen ausgelegt sind, verwendet. Durch die Anpassung der AKM an die höheren Antriebstemperaturen und die dynamischen Betriebsbedingungen einer KWK-Kopplung und die Umsetzung von Verbesserungspotenzialen im internen Kreislauf sollen die Voraussetzungen für eine erfolgreiche und gleichzeitig vereinfachte (z.B. Trockenkühlturm statt Nasskühlturm) systemtechnische Umsetzung geschaffen werden. Durch die Steigerung der Abwärmenutzung des wärmegeführten BHKWs durch die thermisch angetriebene Kälteerzeugung kann die Laufzeit und damit die jährliche Stromerzeugung deutlich erhöht und somit wirtschaftlicher gemacht werden. Mit Hilfe marktrelevanter, wirtschaftlicher und primärenergetischer Überlegungen, sowie dynamischen Systemsimulationen sollen geeignete Profile für den gebäudeübergreifenden Betrieb (Wohn- und Nichtwohngebäude mit unterschiedlichen geeigneten Nutzungsprofilen) erstellt und entsprechend angepasste Systemkonfigurationen (mit/ohne Speicher, Wahl des geeigneten BHKW Typs, ) mit passenden Regelungskonzepten ausgelegt werden. Nach der Anpassung der AKM an diese Betriebsbedingungen werden die unterschiedlichen Systemkonfigurationen in Hardware-in-the-Loop Messungen untersucht. Dabei werden die Systemperformance und das Betriebsverhalten unter dynamischen Bedingungen in Kombination mit parallel laufenden Systemsimulationen realistisch abgebildet und vermessen. Mit dieser Methode ist es möglich das gesamte System bereits im Labor zu analysieren und zu optimieren. Damit werden Zeit und Kosten reduziert und die Chancen einer erfolgreichen Umsetzung der Systeme bzw. Anlagen ist höher. Mit den Daten aus den Labormessungen können Aussagen bzgl. Wirtschaftlichkeit und Primärenergieeffizienz der Systemkonfigurationen getroffen bzw. diese Systeme optimiert werden. Letztlich kann nur durch die optimale Wahl und Abstimmung der Einzelkomponenten auf Gesamtsystemebene ein wirtschaftlicher und primärenergetisch sinnvoller Betrieb gewährleistet werden und damit ein signifikanter Beitrag zur Reduktion (bei mit biogenen Brennstoffen angetriebenem BHKW sogar Vermeidung) der treibhausrelevanten Emissionen im Gebäudesektor geleistet werden.