Betriebs- versus Investitionskosten
Die gewählte Ausführung stellt das Kostenoptimum im Anlagendesign dar. Christian Schlemminger: „Die richtige Dimensionierung oder Minimierung der Wärmepumpensysteme im Verbund mit thermischen Energiespeichern ist wichtig für den effizienten Betrieb der Anlage und für die optimale Versorgung der Prozessverbraucher. Das Ziel ist dabei, den Ausgleich von produktionsbedingt auftretenden Lastspitzen und zeitlichen Schwankungen zwischen vorhandenem Wärmeangebot und -bedarf sowie von Temperaturunterschieden zu ermöglichen.“
Die Abteilung Energie- und Prozesstechnik der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) analysierte über eine Woche im Februar 2020 den Betrieb. Der Gesamtenergiebedarf bewegte sich bei 326 MWh, wobei Heißwasser von 95 °C mit 22 Prozent und Warmwasser von 67 °C mit 17 Prozent die größten Verbraucher darstellten. Die Energiebereitstellung verteilte sich zu 56 Prozent auf Elektrizität, elf Prozent Fernwärme und zu 33 Prozent auf die Rückgewinnung von Abwärme aus den NH3-Kaltwassersätzen. Die Abb. 3 veranschaulicht die thermischen Stundenlastprofile der verschiedenen Verbraucher und Erzeuger innerhalb der untersuchten Woche. Wärmebedarf und -versorgung stimmen die meiste Zeit gut überein. Das heißt, die Wärmespeicher schaffen tatsächlich einen angemessenen Ausgleich für das Ungleichgewicht zwischen der benötigten Prozesswärme und der von dem Wärmepumpensystem gelieferten Wärme. Der Nutzungsgrad der Abwärme steigt damit auf etwa 95 Prozent.
Das Fazit
Die NTNU ermittelte Leistungszahlen der Wärmepumpensysteme in der untersuchten Woche von COP 4,2 für die NH3-Kaltwassersätze, COP 5,3 für die NH3-Wärmepumpen und 5,9 für die Hybrid-Wärmepumpe.
Schlemmingers Fazit: „Die Analyse hat gezeigt, dass der Prozessbedarf nahezu vollständig von den Wärmepumpensystemen gedeckt werden kann. Der hohe Nutzungsgrad der verfügbaren Abwärme von 95 Prozent führt im Vergleich zu konventionellen Produktionsanlagen mit getrennten Kühl- und Heizkreisläufen und dem Einsatz von fossilen Brennstoffen zu einem Energieeinsparpotential von bis zu 67 Prozent.“
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