Effizienzsteigerung von Wärmepumpen durch optimierte WT-Flüssigkeiten

Die Zeiten, in denen Erdwärme in Mitteleuropa fast ausschließlich für Thermalbäder genutzt wurde, sind lange vorbei. Neben Großprojekten der Tiefengeothermie zur Wärme- und/oder Stromversorgung hat sich insbesondere die oberflächennahe Geothermie, sprich Bohrungen bis zu einer Tiefe von 200 Metern, stark ausgebreitet. Der Boom in Deutschland begann im Jahr 2004. Allein im Jahr 2008 meldet der Bundesverband Geothermie e. V. einen Anstieg der Verkaufszahlen um 28,5 Prozent, was 34450 installierten Neuanlagen auf dem deutschen Heizungsmarkt entspricht. Tendenz für die nächsten Jahre: weiter steigend. Laut dem Bundesverband kam 2009 bei fast jedem fünften Neubau oberflächennahe Geothermie zum Einsatz.

Dazu tragen auch eine zunehmende Sensibilisierung der Bevölkerung gegenüber Klimaschutz, gestiegene Preise für Erdöl und Erdgas sowie Novellierungen im Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) bei, wonach die Bauherren seit vergangenem Jahr bei Neubauten zum verstärkten Einsatz regenerativer Energien verpflichtet sind.

Know-how-Vorsprung bei Additiven

Mit dieser rasanten Entwicklung sind auch die Anforderungen an die Anlagentechnik gestiegen. Private und öffentliche Bauherren achten zunehmend auf lange Lebensdauer bei sämtlichen Anlagenkomponenten, ökologische Aspekte sowie Kostenvorteile bei möglichst hoher Qualität. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die Anlagenbauer auf maximale Effizienz setzen.

Das gilt selbstverständlich auch für die eingesetzten Wärmepumpen. In den ge-schlossenen oberflächennahen Erdwärme-S­ystemen zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit, um die Wärme aus dem Boden zur Wärmepumpe zu transportieren. Dort wird die Wärmeträgerflüssigkeit je nach gewünschter Nutzung abgekühlt bzw. aufgewärmt und fließt anschließend erneut in die Sonden bzw. Kollektoren. Dort gleicht sie sich wieder der Bodentemperatur an.

Zum Wärmetransport kommen in den meisten Anlagen Wasser-Glykol-Gemische auf Basis Propylenglykol oder Ethylenglykol zum Einsatz, um das Risiko eines Anlagenschadens durch Frost zu minimieren. Dabei gilt die Faustregel: Je weniger Glykol dem Wasser beigemischt wird, desto besser funktioniert die Wärmeübertragung, denn Wasser ist bei Weitem der beste Wärmeträger (siehe Bild 1).

Um die Effizienz von Wärmepumpenanlagen zu steigern, bietet die Firma Fragol eine weiterentwickelte Wärmeträgerflüssigkeit für den Markt der oberflächennahen Geothermie an: Zitrec M ist eine ­wasserhaltige Wärmeträgerflüssigkeit auf Basis von Monoethylenglykol. Den Ent­wicklern aus Mülheim an der Ruhr ging es in erster Linie darum, den Glykolanteil in der Wärmeträgerflüssigkeit ohne Beeinträchtigung des Korrosionsschutzes so weit wie möglich zu senken. Im Mittelpunkt standen richtige Auswahl und Konzentration an Additiven in der Flüssigkeit, die für einen dauerhaften Schutz der Anlage ausschlaggebend sind.

Erfolgsentscheidend war der Einsatz der innovativen OAT-Additivierung (Organic Acid Technology), die sich bereits in anderen Produktlinien des Unternehmens, beispielsweise in Kühlsolen für industrielle Anwendungen, bewährt hat. Der Unterschied zu anderen Wärmeträgerflüssigkeiten: Bei OAT bleiben die Inhibitoren in der Lösung. Es bildet sich keine, den Wärmeübergang behindernde, flächendeckende Passivschicht aus. Der Korrosionsschutz wirkt bei OAT selektiv (siehe Bild 2).

Der eingesetzte Glykol-Anteil kann dadurch auf bis zu zehn Prozent gesenkt werden. Die Wärmeübertragung verbessert sich deutlich gegenüber Produkten mit herkömmlicher Inhibitoren-Technologie, die zum Bewahren des Korrosionsschutzes wesentlich mehr Glykol benötigen. Die Energiebilanz der gesamten Anlage ­verbessert sich.

Durch OAT ist es bei dieser Wärmeträgerflüssigkeit möglich, den Frostschutzgrad variabel einzustellen beispielsweise einen Frostschutz von 5 °°°mit 15 Prozent Glykol-Anteil bei gleichbleibend hohem Korrosionsschutz. Alle Mischungsverhältnisse sind individuell einstellbar. Durch das selektive Arbeiten der Inhibitoren, Korrosionsschutz bei Bedarf, sinkt der Verbrauch bei gleichzeitig steigender Lebensdauer des Wärmeträgers.

Mehr Umweltschutz weniger Wartungsaufwand

Wärmeträgerflüssigkeiten mit einem möglichst geringen Anteil an Glykol werden sich in Zukunft auch aus ökologischen Erwägungen am Markt durchsetzen, da so im Fall eines Austritts des Wasser-Glykol-Gemischs aus der Anlage die Umweltbelastung deutlich herabgesetzt wird. In Wasserschutzgebieten ist der Einsatz von Frostschutzmitteln stark eingeschränkt. Sonderregelungen erlauben hier zum Teil nur einen minimalen Glykol-Anteil in der Wärmeträgerflüssigkeit, der mit Zitrec M zuverlässig für den Betreiber eingestellt werden kann.

Mittel- bis langfristig ist in den Geothermieanlagen mit Fouling zu rechnen. Diese Ablagerungen behindern die Wärmeleitfähigkeit, die Energie wird nur mangelhaft ausgenutzt, die Pumpleistung muss erhöht werden. Der Energieaufwand zum Betreiben der Anlage steigt ebenso wie der Pumpenverschleiß. Nach einer Laufzeit von durchschnittlich sieben bis zehn Jahren müsste die gesamte Wärmeträgerflüssigkeit zur Effizienzsteigerung komplett ausgetauscht und gereinigt werden. Bei Zitrec M ist durch die OAT-Additivierung nicht mit Fouling zu rechnen. Zudem ist einfaches Nachdosieren der Inhibitoren ohne Austausch der gesamten Flüssigkeit und unabhängig von der Glykolkonzentration möglich. Fragol stellt aus auf der WTT-Expo 2010 in Karlsruhe, Halle 3, Stand E 030. -

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen präsentiert auf der WTT Expo aktuelle Ergebnisse des InnoNet-Forschungsprojekts „OrbiLas“. Das OrbiLas-Projekt hat die Entwicklung des automatisierten Fertigungsverfahrens „Laser-Rohreinschweißen“ zum Ziel. Dieses innovative Verfahren wird in naher Zukunft in der Rohrbündelfertigung seinen Einsatz finden und im Vergleich zur konventionellen Fertigungsweise, dem Rohreinschweißen mit halbautomatischen WIG-Orbitalschweißgeräten, die Schweißprozesszeiten um mindestens 90 Prozent reduzieren. Das Schweißen ohne Zusatzwerkstoff, das Entfallen von Mehrlagenschweißungen und ein reduzierter Nahtvorbereitungsaufwand sind weitere wichtige Merkmale dieser Technologie, die zusätzliche Zeit- und Kosteneinsparpotenziale mit sich bringen. (Halle 3, Stand B 014)

Die KSB AG, Frankenthal, zeigt auf der WTT Expo in Karlsruhe Pumpen wie die Magnetkupplungspumpe Etamagno oder die Spaltrohrmotorpumpen aus der Nikkiso-KSB-Kooperation. Mit dem PumpDrive, der Antriebseinheit zur Drehzahlregelung von Kreiselpumpen, präsentiert KSB eine Möglichkeit, Energiekosten zu senken. Durch den Einsatz solcher Aggregate, welche die Förderleistung der Pumpen an den tatsächlichen Bedarf anpassen, können Betreiber jährlich Milliarden Kilowattstunden Strom sparen.

Im Segment der Armaturen für die Wärmeträgertechnik sorgt z. B. die strömungsgünstige Innenkontur der Baureihe NORI 40 aus Stahlguss für sehr niedrige Druckverluste in den Armaturen. Wärmeträgeranlagen lassen sich durch den Einsatz dieser Armaturen energiesparend auslegen. Schmutzfänger, die aus den gleichen Gehäusen wie die Ventile hergestellt sind, filtern Partikel aus und schützen so hochwertige Anlagenkomponeten vor Beschädigungen. Neben diesen Armaturen zeigt der Hersteller auch noch Faltenbalgventile, Rückschlagarmaturen und Schmutzfänger aus Sphäroguss. (Halle 3, Stand B 030)

Feuerstein wird unter der wiederbelebten Marke „Kotthaus & Busch“ eine komplett neue vollautomatische Einwalzanlage u.a. für Kühler, Wärmetauscher und Rohrbündel zeigen. Neben den verschiedenen Arbeitsvorgängen wie Einwalzen und Senken ist auch optional ein Takten mit Drehtisch und das Ausmessen der einzelnen Rohre nach dem Einwalzen möglich. Die Einwalzanlage ist kundenspezifisch programmierbar, kann durch eine Rezepturverwaltung bis zu 500 verschiedene Typen speichern, besitzt eine flexible Kühlerspannvorrichtung und ermöglicht den Werkzeugwechsel durch Schnellspannfutter. Neu ist auch der elektronische Gewichtsausgleicher, der durch die Antriebstechnik Kromatic das stufenlose, feinfühlige Positionieren ermöglicht. (Halle 3, Stand E 022)

Leiter Wärmeträgerfluide Fragol, Mülheim an der Ruhr

Vertrieb Wärmeträgerfluide Fragol, Mülheim an der Ruhr