Großwärmepumpen mit R744: Vorteile und Stärken kurz erklärt
CO2 ist in aller Munde, zum Großteil aber sehr negativ behaftet. Überall wird die Forderung der Reduzierung der CO2 Emissionen laut. Bei Wärmepumpen und Kälteanlagen mit dem Kältemittel Kohlendioxid (R744) schaut die Welt aber auf einmal ganz anders aus. Dieses gilt als natürliches Kältemittel, wird von unterschiedlichen Programmen stärker gefördert als HFO Kältemittel und unterliegt nicht der Regulierung durch die EU VE 2024/573. CO2 unterscheidet sich jedoch in einigen Punkten von den anderen gebräuchlichen Kältemitteln.
Mittlerweile werden Kälte- und Heizleistungen von 40 kW bis zu 45 MW erreicht, als Verdichterbauarten werden hauptsächlich Scroll, Hubkolben und Turbo eingesetzt. Da bei CO2Wärme-Anwendungen sehr hohe Drücke weit über 100 bar auftreten können, dürfen hier nur ausgebildete Kältetechniker Hand anlegen.
Eigenschaften von CO2
Der GWP-Wert beträgt 1, dies ist selbsterklärend, da CO2 die Grundlage für das Äquivalent ist. Nach DIN EN 378 -1 erfolgt die Einteilung in die Klasse A1; nicht brennbar, geringe Toxizität, nur bei hoher Konzentration für den Menschen schädlich. Das Gas ist schwerer als Luft und geruchlos und unsichtbar. Aus thermodynamischer Sicht sind der hoher Wärmeübertragungskoeffizient, ein günstiges Druckverhältnis und eine hohe volumetrische Kälteleistung sehr vorteilhaft.
Die Verfügbarkeit dieses Kältemittels ist sichergestellt, aus umweltrelevanter Sicht gibt es keine gesetzlichen Verbote, der Anschaffungspreis für das Gas ist sehr gering, der Einsatz mit einer sehr hohen Reinheit (> 99,995%) ist obligatorisch. Je nach Arbeitsbereich können Drücke bis zu 140 bar auftreten, dies ist bei der Material- und Komponentenwahl sowie der normativ vorgeschriebenen Sicherheitseinrichtungen konstruktiv durch den Hersteller zu lösen und beherrschbar. Der kritische Punkt ist bei 31,1°C und 73,8 bar, aus diesem Grunde wird bei Wärmepumpenanwendung der transkritische Prozess ausgenutzt. Dieser wird nachfolgend im T- s Diagramm erklärt.
Subkritischer und transkritischer Bereich
Bis zu einem Einsatzbereich unter dem kritischen Punkt bewegen wir uns im subkritischen Bereich. Die Darstellung und Einteilung im log p – h Diagramm kann dem Bild 1 entnommen werden. Die links vom kritischen Punkt liegende Kurve zeigt alle Zustandspunkte der siedenden Flüssigkeit auf, die rechts vom kritischen Punkt liegende Kurve zeigt die Dampfzustände. Verbindet man diese beiden Kurven über den kritischen Punkt miteinander, erhält man die Grenzkurve (Glockenkurve) eines Kältemittels.
Links von der Grenzkurve ist das Kältemittel flüssig (einphasig), zwischen beiden Grenzkurven liegt ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf (zweiphasig) vor, dies ist der so genannte Nassdampf. Der Dampfanteil wird über die Kurvenlinien in der „Glocke“ angezeigt. Durch eine weitere Enthalpieerhöhung wird die rechte Grenzkurve erlangt, dort hat sich der letzte Flüssigkeitstropfen in Dampf verwandelt, und es liegt einphasiger, trockener, gesättigter Dampf vor. Rechts davon kann durch weitere Wärmezufuhr das Gebiet des überhitzten Dampfes erreicht werden. Der kritische Punkt ist der Gipfelpunkt der Grenzkurve. Dies ist der Punkt, an dem die Gasphase und flüssige Phase des Kältemittels die gleichen Eigenschaften haben; kritische Temperatur, Druck und Volumen fallen im kritischen Punkt zusammen. Oberhalb der kritischen Temperatur oder des kritischen Druckes existiert keine Trennung mehr zwischen Flüssigkeit und Gasphase.
Oberhalb des kritischen Punktes bewegen wir uns im transkritischen Bereich, in dem sich das Kältemittel anders verhält. Hier ist zu beachten, dass Druck und Temperatur voneinander unabhängig zu betrachten sind. Der Grundsatz innerhalb des subkritischen Betriebs – niedriger Druck gleich niedrigere Verflüssigungstemperatur ergibt eine bessere Effizienz der Anlage, ist hier nicht mehr gültig. Eine Verflüssigung findet erst statt, wenn man dieses Gas bis in den Nassdampfbereich entspannt. Bild 2 zeigt im log p–h Diagramm, das mit geringerer Austrittstemperatur vom Gaskühler eine höhere Enthalpiedifferenz und somit eine größere Kälte- bzw. Heizleistung erreicht wird.
CO2-Wärmepumpe im T-S Diagramm
Besonders der transkritische Bereich lässt sich im T-S Diagramm deutlich darstellen. Auf der Abszisse wird die Entropie S und auf der Ordinate die Temperatur aufgezeigt. Im Bild 3 ist der Prozess einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe dargestellt. Auf der Verdampferseite wird Kaltwasser von 12 auf 6°C gekühlt und dies als Wärmequelle genutzt. Nach der Verdichtung des Kältemittels auf 120 bar und einer Endtemperatur von 140°C im transkritischen Bereich erfolgt die Wärmeabgabe über einen Gaskühler auf die Heizungswasserseite mit 30°C/90°C.
CO2-Wärmepumpen in Wärmenetzen
Wie bereits erläutert ist R744 besonders effizient, wenn eine niedrige Rücklauftemperatur erreicht wird. Die Vorlauftemperatur hat hier einen deutlich geringeren Einfluss. Dies ist ein riesiger Unterschied zu den herkömmlichen Kältemitteln welche subkritisch Betrieben werden (z.B. R1234ze). Um dies zu verdeutlichen, wurden in Tabelle 1 die Leistungszahlen einer Luft-Wasser-Wärmepumpe bei -2°C Umgebungstemperatur gegenübergestellt. Bei 35°C Rücklauftemperatur und 55°C Vorlauftemperatur ist der COP 2,8, bei 30 K höherer Vorlauftemperatur beträgt er 2,74, die Reduzierung ist minimal.
Wenn es mal etwas größer sein darf!
In Dänemark wurde das bisher größte CO2 Projekt weltweit realisiert und befindet sich aktuell in der Inbetriebnahme. Zwei Wärmepumpen mit jeweils > 30 MW thermischer Leistung versorgen 25.000 Haushalte mit Wärme. 1°C kaltes Seewasser wird als Wärmequelle genutzt. Mit Hilfe eines magnetisch gelagertem Turboverdichters und dem Kältemittel R744 wird eine Vorlauftemperatur von bis zu 90°C erzeugt. Die Wärmepumpen wurden über Monate vor Ort von Ingenieuren der MAN Energy Solutions zusammengebaut. Um einen Eindruck über die Dimension zu bekommen, ist im Bild 4 der Verdampfer dargestellt. Dieser ist 17 m lang und wiegt ca. 60 Tonnen.
Fazit
Im CO2 steckt sehr viel Potenzial, wenn es als Kältemittel zum Einsatz kommt. Je nach Kompressorbauart sind Leistungsbereiche von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Megawatt möglich. Vorteilhaft um die Effizienz entfalten zu können, sind große Temperaturspreizungen zwischen Vor- und Rücklauf und eine maximale Vorlauftemperatur von 90°C. Da CO2 ein natürliches Kältemittel ist, ist auch in Zukunft mit keinerlei gesetzlichen Restriktionen zu rechnen.
Exkurs CO2 in der Raumluftechnik: CO2-Belastung in der Luft
Die Außenluft hat eine bestimmte CO2-Belastung. Der CO2-Gehalt der Außenluft ist hauptsächlich vom Gebäudestandort abhängig, die Werte liegen ca. zwischen 400 ppm (Land) und 600 ppm (Stadt). Wie berechnet sich nun die CO2-Belastung im Raum und welche Werte sind zulässig?
Welche Grenzwerte sind erlaubt?
Normalerweise herrscht in der Luft ein Sauerstoffvolumengehalt von 21 %. Erst bei einem Sauerstoffvolumengehalt von weniger als 12 % treten Atembeschwerden auf, ab 7 % tritt die Bewusstlosigkeit ein. Da die zu klimatisierenden Räume nicht gasdicht sind, befindet sich der Sauerstoffvolumengehalt nicht unter 20 %. Demnach kann von einer Behaglichkeitsminderung durch Sauerstoffmangel nicht die Rede sein.
Der Mensch verbraucht zum Atmen Sauerstoff. Dieser Sauerstoffbedarf ist abhängig vom jeweiligen Aktivitätsgrad. Je mehr Sauerstoff er verbraucht, desto mehr CO2 wird produziert und ausgestoßen. Kurzzeitig verträgt der Mensch eine Kohlendioxidkonzentration von zwei Vol.-%, die akut tödliche Grenze liegt bei 10 %. Seit vielen Jahrzehnten ist der CO2-Gehalt in der Raumluft ein Indikator für die Luftqualität. Der Leitwert für Aufenthaltsräume wurde mit 0,10 %, entsprechend 1.000 ppm (Pettenkofer-Zahl), fixiert. Über 0,15 % wird die Luft nicht mehr als frisch und hygienisch einwandfrei empfunden. Das ist jedoch besonders auf die Anreicherung mit Geruchsstoffen durch menschliche Ausdünstungen zurückzuführen, denn die Zunahme der Humangeruchsstoffe (Bioeffluenten) verläuft etwa proportional zur CO2-Zunahme.
In den Technischen Regeln für Gefahrenstoffe (TRGS), insbesondere in der TRGS 900 „Arbeitsplatzgrenzwerte“, wurde der Arbeitsplatzgrenzwert für Kohlenstoffdioxid mit 5.000 ml/m3 (ppm) bzw. 9.100 mg/m3 festgelegt. Die Arbeitsstättenregel ASR 3.6 „Lüftung“ beispielsweise empfiehlt einen CO2-Gehalt in der Raumluft von maximal 1.000 ppm. Sobald dieser überschritten wird, sollten Maßnahmen zur Senkung ergriffen werden, z. B. Lüftungsverhalten überprüfen und verbessern, Lüftungsplan aufstellen (z. B. Verantwortlichkeiten festlegen, Außenluftvolumenstrom oder Luftwechsel erhöhen).
