Praxisreport CO2-Wärmepumpe: Jede Menge heißes Wasser für Autowaschanlagen

Die Firma Ehrle ist ein europaweit führender Hersteller und Anbieter von Lösungen rund um die Fahrzeugwäsche und Reinigungstechnik. Ein Geschäftsbereich sind SB-Waschanlagen. Ehrle legt dabei großen Wert darauf, die Anlagen umwelt- und ressourcenschonend zu betreiben, etwa durch den Einsatz von wassersparenden Technologien und effizienten Reinigungsmitteln.

„Um eine gründliche Reinigung der Fahrzeuge zu gewährleisten, ohne dabei Kompromisse bei der Qualität einzugehen, ist Wärme eine sehr wichtige Komponente. Dies geht zurück auf den sogenannten Sinnerschen Kreis, nach dem die vier Faktoren Chemie, Mechanik, Temperatur und Zeit den Erfolg eines Reinigungsvorganges bestimmen“, erklärt dazu Reiner Ehrle, Gründer und CEO der Ehrle Group, „Das heißt, um chemische Zusatzmittel auf ein Minimum zu reduzieren, Zeit zu sparen und effektiv zu sein, sollte eine Fahrzeugwäsche mit möglichst heißem Wasser erfolgen, um die Waschqualität zu erhöhen“, so Ehrle weiter. Die Warmwassererzeugung benötigt – insbesondere bei einem höheren Temperatureinsatzfeld – Energie, die über unterschiedliche Energieträger abgebildet werden kann. 

Luft/Wasser-Wärmepumpen statt fossile Energieträger

Fossile Energieträger stellen vor dem Hintergrund der aktuellen Situation und der Preisentwicklung der letzten Jahre keine optimale Wahl zur nachhaltigen und effizienten Warmwassererzeugung mehr dar. Wesentlich umweltschonender und wirtschaftlicher ist es hingegen, die in der Außenluft enthaltene Energie zu nutzen. Luft/Wasser-Wärmepumpen bieten hierfür die optimale Lösung und echte Alternative zu klassischen Wärmeerzeugern. Das Funktionsprinzip ist dabei denkbar einfach: Die von der Luft/Wasser-Wärmepumpe aufgenommene Umweltwärme wird auf ein in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierendes Kältemittel übertragen. Im Kältemittelverdichter wird der Druck erhöht, das Temperaturniveau steigt an, und über einen Wärmeübertrager erfolgt der Energieaustausch vom Kältemittel auf das Brauchwarmwasser. 

Um die Abkehr von fossilen Brennstoffen für die Warmwasserbereitung nachhaltig umzusetzen und gleichzeitig leistungsfähige Anlagen mit niedrigen Betriebskosten zur Verfügung zu stellen, bietet die Wärmeerzeugung mit Luft/Wasser-Wärmepumpen viele Vorteile. Wird die Wärmepumpe dabei auch noch von mit einer Photovoltaik-Anlage gewonnenem Strom betrieben, ist eine komplett klimaneutrale Wärmeerzeugung möglich. Genau dies sieht das Konzept des Ehrle CarWash Technik-Container mit HeatStorage vor.

Klimaschonende Autowäsche mit Wärmepumpe

Der CarWash Technik-Container mit HeatStorage besteht im Prinzip aus einem Technik-Modul. Pro Technik-Modul kommen eine oder zwei in Kaskade geschaltete QAHV-Heißwasser-Wärmepumpen auf Basis des Kältemittels CO₂ von Mitsubishi Electric mit jeweils 40 kW Nennwärmeleistung zum Einsatz. Im Technik-Modul werden sämtliche Baugruppen und Komponenten montiert. Von dort aus findet die Speisung und die Infrastruktur für die Waschplätze statt. Die vier Grundbestandteile der Wärmepumpenanlage bestehen aus Heißwasser-Wärmepumpen, den Brauchwasserspeichern, der bauseitigen Steuerung und sofern es der Kunde wünscht, einer Photovoltaik-Anlage auf dem Dach der Waschstation, die eine vollständige Versorgung der gesamten Anlage mit regenerativ erzeugtem Strom ermöglicht. 

Das Konzept ist mit leichten Modifikationen immer gleich: Die HeatStorage Wärmepumpenanlage ist auf dem Dach des Technik-Containers installiert. Das System wurde den Herstellerangaben entsprechend für diese spezifische Anwendung hydraulisch ausgelegt. Um das gewünschte Temperaturniveau und eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, speisen die beiden Luft/Wasser-Wärmepumpen zwischen zwei und vier interne Warmwasserspeicheranlagen mit jeweils 1.000 Litern. In dieser Konfiguration wird bis zu 85 °C heißes Wasser bei einer Außentemperatur von bis zu -3 °C mit einem COP (Coeffizient of Performance) bis zu 3 erzeugt. Das heißt, mit einem kW elektrischer Energie werden 3,6 kW Wärmeleistung erzeugt. 

CO₂-Wärmepumpe optimal zur Warmwasserbereitung

Bei der QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe kommt eine speziell entwickelte Verdichter-Technologie mit CO₂ als natürlichem Kältemittel zur Maximierung der Effizienz zum Einsatz. Für die Warmwasserbereitung ist das Kältemittel CO₂ optimal geeignet, da es das für die Trinkwarmwasserbereitung erforderliche Temperatureinsatzfeld deutlich effizienter abbilden kann als herkömmliche Kältemittel. Gleichzeitig ist CO₂ ein natürliches Kältemittel, das keine Schädigung der Ozonschicht verursacht und ein niedriges Treibhauspotenzial besitzt. Die Heißwasser-Wärmepumpen nutzt CO₂ als natürliches Kältemittel, das ein Treibhauspotenzial mit einem niedrigen GWP (Global Warming Potential) von 1 hat und deshalb als sehr umweltschonend gilt.

Für hohe Warmwasserleistungen bei bestmöglicher Effizienz sind die 40 kW-Monoblock-Geräte mit der neuesten Generation eines invertergeregelten Scroll-Verdichters für R744 mit Flash-Injection ausgestattet. Die Wärmepumpen sind in der Lage, auch bei Außentemperaturen von -3 °C, die volle Heizleistung zu erbringen. Darüber hinaus sind die Geräte bei Umgebungstemperaturen von bis zu -25 °C funktionsfähig und in der Lage bis zu 90 °C heißes Wasser zu liefern, sodass ein weiterer Wärmeerzeuger auch bei sehr tiefen Außentemperaturen nicht erforderlich ist. Die monovalente Warmwasserbereitung ist mit diesem System zur Außenaufstellung also problemlos möglich.

PV-Strom intelligent gesteuert

Zusätzlich steht in diesem Objekt eine Photovoltaik-Installation (PV) auf dem Dach der CarWash Bay zur Verfügung, die die Erzeugung des Warmwassers durch die Wärmepumpen 24 Stunden pro Tag unterstützt. Bei Einsatz einer PV-Anlage in Verbindung mit Wärmepumpen wird zuerst die Wärmepumpe mit der elektrischen PV-Energie angetrieben. Das warme Wasser wird gespeichert. Final werden dann auch noch Batteriespeicher betrieben. Erst wenn die Batteriespeicher ihre maximale Ladekapazität erreicht haben, erfolgt die Einspeisung des PV-Stromes in das Stromnetz. Um eine optimale Effizienz des Gesamtsystems zu erzielen, ist die Wärmepumpen-Anlage mit einem intelligenten Steuerungsprogramm hinterlegt.

Dabei wird die Einstrahlungsdichte der Sonne gemessen und je nach Strahlungsintensität werden die Wärmepumpen in zwei unterschiedlichen Leistungsstufen betrieben. Ist die Strahlungsdichte geringer, erfolgt der Betrieb der Wärmepumpen in der Leistungsstufe 1. Sobald die Strahlungsintensität der Sonne auf einen festgelegten Wert ansteigt, wird die 2. Stufe der Wärmepumpe aktiviert, um so eine möglichst hohe Ausbeute des regenerativ erzeugten Stroms bzw. des Wirkungsgrads der Gesamtanlage zu erzielen. „Auf diese Weise ermöglichen die Wasch-Anlagen eine CO₂-neutrale Autowäsche ohne auf den Einsatz fossiler Energieträger angewiesen zu sein“, so Reiner Ehrle.

Regelungstechnisch werden die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpen standardmäßig über Kabelfernbedienungen vom Typ PAR-MAA-31 gesteuert. Darüber hinaus hat der Waschanlagen-Hersteller die Heißwasser-Wärmepumpen direkt in seine bauseitige Regelungstechnik integriert. Dadurch kann der Betreiber eine bedarfsgerechte und betriebsoptimierte Warmwasserbereitung realisieren, die sich den jeweiligen Anforderungen des Waschbetriebs vor Ort anpasst und die regenerativ erzeugten PV-Strom optimal nutzt. Auch ein Jahresmonitoring ist hier hinterlegt, um eine besonderes wirtschaftliche Betriebsweise zu ermöglichen. „Nach aktuellem Stand wird sich die Investition in die CO₂-Luft/Wasser-Wärmepumpenbereits innerhalb von sieben Jahren trotz des relativ hohen Energiebedarfs von SB-Autowaschanlagen amortisieren“, so Ehrle abschließend.

Fazit

Der Hersteller von SB-Autowaschanlagen suchte nach einer klimaschonenden, zukunftssicheren und wirtschaftlichen Lösung für seine Anwendung, die ganzjährig einen besonders hohen Warmwasserbedarf erfordert. Die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpen auf Basis des natürlichen Kältemittels CO₂ decken dieses Anforderungsprofil optimal ab. Zum einen hat das Kältemittel CO₂ ein extrem niedriges Treibhauspotenzial von 1 und ist damit besonders klimaschonend. Zum anderen kommen die Luft/Wasser-Wärmepumpen ohne fossile Energieträger aus und können – wie in diesem Projekt realisiert – mit regenerativ erzeugtem PV-Strom betrieben werden. 

Als besonders wirtschaftlich stellen sich die Heißwasser-Wärmepumpen dar, weil sich mit CO₂ als Kältemittel das für die Warmwasserbereitung erforderliche Temperatureinsatzfeld deutlich effizienter abbilden lässt als mit herkömmlichen Kältemitteln. Mit der QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe steht ein Modell zur Verfügung, das mit 40 kW Heizleistung Warmwasser von bis zu 90 °C bei Außentemperaturen von bis zu -25 °C erzeugen kann. Damit ist ein monovalenter Betrieb ohne zusätzlichen Warmwassererzeuger problemlos möglich. Bei höheren Leistungsanforderungen ist eine Kaskadierung von bis zu sechzehn Geräte realisierbar.