Was? Erdgas kann nach der Verbrennung tatsächlich zur Kühlung genutzt werden!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Tian Jiayao (Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Im Allgemeinen kann Erdgas nach der Verbrennung eine große Menge an Wärmeenergie liefern, mit der sich Menschen warm halten und kochen können. Aber wussten Sie, dass die Verbrennung von Erdgas auch zum Kühlen genutzt werden kann?

Abbildung 1: Erdgas aus inländischen Leitungen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Was ist eine Gaswärmepumpe

Wie wir alle wissen, können gewöhnliche Wasserpumpen Wasser von einem niedrigen auf einen hohen Pegel pumpen. Was ist also eine „Wärmepumpe“?

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme spontan von einem Objekt mit hoher Temperatur auf ein Objekt mit niedriger Temperatur übertragen werden kann, nicht jedoch spontan von einem Objekt mit niedriger Temperatur auf ein Objekt mit hoher Temperatur. Ähnlich wie beim „Rückwärtsbetrieb“ einer Wasserpumpe kann eine Wärmepumpe eine bestimmte Menge mechanischer Energie verbrauchen, um Wärme aus einer Umgebung mit niedriger Temperatur in eine Umgebung mit hoher Temperatur zu „pumpen“. Dies ist das Temperaturregelungsprinzip herkömmlicher Klimaanlagen. Je nach Antriebsart der Wärmepumpe können Wärmepumpen in Elektroantrieb, Wärmeenergieantrieb und Motorantrieb unterteilt werden.

Abbildung 2 Demonstrationsprojekt zur Industrialisierung einer Gaswärmepumpe

(Bildquelle: Website des Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Anders als der elektrisch betriebene Kompressor in herkömmlichen elektrischen Klimaanlagen ist die erste Gaswärmepumpe für den Hausgebrauch (GHP), die vom Forschungslabor für Energiespeichertechnologie des Guangzhou Institute of Energy Conservation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurde, ein Luftwärmepumpensystem mit ultrahoher Energieeffizienz, das hauptsächlich einen offenen Spiralkompressor verwendet, der von einem Gasmotor angetrieben wird. Seine komplexe Steuerungstechnologie zur Kopplung thermischer Systeme und seine Systemintegration haben das technologische Monopol japanischer Unternehmen auf diesem Gebiet gebrochen, eine Lokalisierung erreicht und werden zur Verwirklichung der „dualen Kohlenstoffziele“ beitragen.

Abbildung 3 Gas-Wärmepumpen-Außengerät

(Bildquelle: Website des Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Abbildung 4 Schematische Darstellung des GHP-Systems

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Zusätzlich zum Steuerungssystem umfasst GHP vier Subsysteme, nämlich das Stromsystem, das Wärmepumpensystem, das Umlaufwassersystem und das Abwärmerückgewinnungssystem. Das Antriebssystem besteht im Wesentlichen aus einem Erdgasmotor und einer Riemenscheibe. Das Wärmepumpensystem besteht im Wesentlichen aus einem offenen Scroll-Kompressor, einem Kondensator, einem Verdampfer und einem Drosselventil. Das Umlaufwassersystem gewinnt die Wärme im Kühlmittel zurück, wenn der Wärmetauscher im Innenbereich ein Kondensator ist, und gewinnt die Kälte im Kühlmittel zurück, wenn es sich auf der Innenseite um einen Verdampfer handelt. Das Abwärmerückgewinnungssystem gewinnt nicht nur die Wärme im Zylindermantelwasser des Erdgasmotors zurück, sondern auch die Wärme im Rauchgas, wodurch die Rauchgasemissionstemperatur unter 100 °C liegt.

Nach der Verbrennung des Erdgases im Gasmotor werden etwa 30 bis 35 % der Wärme in Wellenarbeit umgewandelt und von einem Spiralkompressor mit Keilrippenriemen und extrem hohem mechanischem Wirkungsgrad angetrieben, sodass das darin enthaltene Kältemittel R410A einen Dampfkompressionszyklus durchläuft. Der Großteil der verbleibenden 65 bis 70 % der Wärme wird durch das Abwärmerückgewinnungssystem an das Umlaufwassersystem übertragen. Die Nennheizleistung des Geräts beträgt 85 kW, die maximale Heizleistung übersteigt 100 kW und die Nennkühlleistung beträgt 71 kW.

Die Rolle der Gaswärmepumpe

Im heißen Sommer ist die Temperatur im Raum niedriger als draußen. Wie kann also die Wärme aus dem Raum nach draußen entweichen?

Dies liegt daran, dass das Kühlmittel im Wärmepumpensystem durch den Kompressor zu einem Hochtemperatur- und Hochdruckgas komprimiert wird und sich im Vergleich zur Umgebungstemperatur im Außenwärmetauscher in einem Hochtemperaturzustand befindet. Dabei wird die Wärme spontan an die Umgebung abgegeben und es entsteht flüssiges Kältemittel. Nach der Reduzierung und Drosselung durch das elektronische Expansionsventil wird es zu einem Niederdruck- und Niedertemperatur-Zweiphasenkältemittel und fließt dann in den Innenwärmetauscher. Nachdem es die Wärme im zirkulierenden Wasser absorbiert hat, verdampft es vollständig zu einem gasförmigen Kühlmittel und gelangt dann in den Kompressor, um den nächsten Zyklus zu starten. Gleichzeitig tauscht das zirkulierende Wasser mit niedriger Temperatur Wärme mit der Raumluft aus und gibt seine Kälte an den Raum ab.

Überlegen Sie einmal: Im kalten Winter ist die Temperatur im Raum höher als draußen. Wie gelangt also die Wärme von draußen in den Raum?

Dies liegt daran, dass das Kühlmittel im Wärmepumpensystem durch den Kompressor zu einem Hochtemperatur- und Hochdruckgas komprimiert wird und dann die Wärme an das zirkulierende Wasser im Innenwärmetauscher überträgt. Das zirkulierende Wasser wird erwärmt und tauscht Wärme mit der Raumluft aus, wobei es seine Wärme an den Raum abgibt. Gleichzeitig wechselt das Kältemittel vom gasförmigen in den flüssigen Zustand und gelangt nach dem Passieren des elektronischen Expansionsventils zur Druckreduzierung und Drosselung in einen Niederdruck- und Niedertemperatur-Zweiphasenzustand und fließt dann in den Außenwärmetauscher. Nachdem die Wärme aus der Umgebung absorbiert und vollständig verdampft wurde, gelangt es in den Kompressor, um den nächsten Zyklus zu starten.

Gibt es darüber hinaus noch leistungsfähigere Funktionen?

Ja, das gibt es! Mit dem einzigartigen Abwärmerückgewinnungssystem in GHP können 25 bis 30 kW Warmwasser für den Einsatz in verschiedenen Szenarien beim Kühlen und Heizen gewonnen werden. In Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen können sogar Heizbedingungen erreicht werden, die mit elektrischen Wärmepumpen nicht vergleichbar sind. Bei einer Umgebungstemperatur von -10 °C wird die Heizleistung nicht beeinträchtigt und das Abtauen kann ohne Anhalten der Maschine erfolgen.

Abbildung 5 Anwendungsszenarien von Gaswärmepumpen

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Vorteile von Gaswärmepumpen

Im Vergleich zu elektrischen Wärmepumpen (EHP) weist GHP eine sehr hohe Primärenergienutzungsrate auf. Lassen Sie uns am Beispiel der Winterheizung sehen, welche Änderungen sich bei einer Energieeinheit in EHP bzw. GHP ergeben haben.

Einfach ausgedrückt ist die aus der Luft gewonnene Niedertemperaturwärme sowohl bei EHP als auch bei GHP gleichwertig. Im Vergleich zu EHP nutzt GHP jedoch direkt die Abwärme nach der Erdgasverbrennung, sodass der thermische wirtschaftliche Wert wieder dem Benutzer zugutekommt. Berechnungen zufolge beträgt der Primärenergieverbrauch bei gleicher Heizwirkung bei der Nutzung von EHP das 1,36-fache des Verbrauchs von GHP.

Abbildung 6 Vergleich der GHP- und EHP-Energieflüsse

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Derzeit beruht die Hauptquelle der Elektrizitätsressourcen in meinem Land immer noch auf der Erzeugung von Wärmekraft, und die Schwankungen und Volatilitäten des „grünen Stroms“ sind nach wie vor Probleme, die nicht ignoriert werden können. Mit anderen Worten: Erneuerbare Energien werden dieser Aufgabe kurzfristig nicht gewachsen sein. Statistiken zufolge wird Erdgas als saubere Energie den Kohlendioxidausstoß um 200 Millionen Tonnen reduzieren, wenn 1 % der Kohle ersetzt wird. Gleichzeitig weist sie einen Trend auf, der der Spitzendifferenz der Stromnetzlast entgegengesetzt ist. Da der Energieverbrauch von Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik 15 % des gesamten gesellschaftlichen Energieverbrauchs ausmacht, kann GHP die Verteilungskapazität erheblich reduzieren und eine positive Rolle bei der „Spitzenverschiebung und Talauffüllung“ spielen.

Am Beispiel von Chongqing sind es die relativ günstigen Erdgasvorkommen, die die Monate mit der höchsten Stromnachfrage effektiv ausgleichen konnten.

Abbildung 7 Stromerzeugung und Erdgasversorgung in Chongqing im Jahr 2021

(Fotoquelle: Nationales Statistikamt, Wirtschafts- und Informationskommission der Stadt Chongqing)

Als Gasquelle für GHP kommt nicht nur Erdgas, sondern auch „grünes Gas“ wie Biogas und Biomassegas zum Einsatz. Am Beispiel von Erdgas: Wenn Gaskessel durch GHP ersetzt werden, sinken der Gasverbrauch und die Kohlendioxidemissionen um mehr als 40 %. Beim Einsatz in Wärmepumpen-Klimaanlagen beträgt der CO2-Ausstoß pro verbrauchter Kilowattstunde Strom rechnerisch 0,79 kg. Unter denselben Umständen betragen die Kohlenstoffemissionen von GHP 60 % derjenigen von EHP.

Man denke nur daran: In ländlichen Gebieten, wo es reichlich Biogas gibt, kann das CO2 nach der Verbrennung auch in Gewächshäuser transportiert werden. Ist das nicht wunderschön!

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

[1] Jiayao Tian, ​​​​Yafei Hu, Jie Lv, Ziping Feng, Wenji Song. Modellierung und Leistungsanalyse des Energiesystems einer gasmotorbetriebenen Wärmepumpe, Angewandte Wärmetechnik (2023) DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120015

[2] Roselli C, Marrasso E, Sasso M. Gasmotorbetriebene Wärmepumpen für Kleinanwendungen: Stand der Technik und Zukunftsperspektiven[J]. Energien, 2021, 14.

[3] Y. Hu, J. Lv, C. Huang, W. Song, Z. Feng, Experimentelle Untersuchung der Heizleistung eines gasmotorbetriebenen Wärmepumpensystems mit R410A, Angewandte Wärmetechnik (2022)

doi:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118863

[4] Hu Yafei, Lü Jie, Han Tao, Song Wenji, Feng Ziping. Hochtemperatur-Heizeigenschaften eines Gas-Wärmepumpensystems auf Basis der Abwärmerückgewinnung [J/OL]. Fortschritte in der chemischen Industrie: 1-17[2022-07-15].DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1869.

[5] Sanaye S, Chahartaghi M. Thermische Modellierung und Betriebstests für gasmotorbetriebene Wärmepumpensysteme[J]. Energie, 2010, 35(1):351-363.