Cixten-Wärmekraftmaschinen
Nutzwärmeverwertung
Cixten-Wärmekraftmaschinen
Nutzwärmeverwertung
Eine bahnbrechende Technologie für die Industrie
Cixten wandelt Niedertemperatur-Abwärme in nutzbare Energie um:
THP : Trithermal Heat Pump
Wärmeverstärkungsmaschine bis zu 250 °C
Die neue Generation von Wärmepumpen
Die THP ist eine thermische Maschine der neuen Generation, mit der die Temperatur einer Abwärmequelle auf bis zu 250 °C angehoben werden kann – ausgehend von einer Niedertemperatur-Wärmequelle (ab 60 °C) und mit einem Temperaturhub von bis zu +100 °C.
Diese einzigartige Leistung beruht auf der Nutzung der außergewöhnlichen Eigenschaften von überkritischem CO₂ durch zwei kombinierte Kreisläufe:
Ergebnis :
Nutzwärme, die ohne Verbrennung aus einer Energiequelle erzeugt wird, die bislang ungenutzt blieb, günstiger als Gas ist und keine direkten Treibhausgasemissionen verursacht.
Die THP in Zahlen
Cixten definiert die Grenzen des Temperaturhubs neu
Im Gegensatz zu herkömmlichen industriellen Wärmepumpen, deren Austrittstemperaturen auf etwa 60 °C bis 120 °C begrenzt sind, ermöglicht die THP Temperaturen von bis zu 250 °C und nutzt dabei Abwärmequellen ab 60 °C mit einem Temperaturhub ΔT von bis zu 100 °C.
Während die Temperaturerhöhung und die Anpassung der Infrastruktur als wesentliche Hindernisse für den breiten Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie gelten, bietet die THP in diesem Bereich entscheidende Vorteile, da sie ihren eigenen Stromverbrauch erheblich reduziert.
Während herkömmliche Technologien einen Kompromiss zwischen Energieeffizienz und Temperaturhub erfordern, zeichnet sich die THP von Cixten durch ihre einzigartige Fähigkeit aus, beides gleichzeitig zu ermöglichen: einen bemerkenswerten COP von 5 bis 20 und sehr hohe erreichbare Temperaturen – eine in der Branche bislang einzigartige Kombination.
Diese Cixten-Technologie erschließt in vollem Umfang das Potenzial für den Einsatz industrieller Wärmepumpen. Dank ihrer Fähigkeit, sehr hohe Temperaturen zu erreichen, kann sie einen großen Teil des industriellen Wärmebedarfs decken, der heute noch überwiegend durch fossile Energieträger gedeckt wird.
Ein erhebliches Einsatzpotenzial, insbesondere in mehreren Schlüsselsektoren:
- Papier- und Kartonindustrie: bis zu 65 % der Wärmeerzeugungsprozesse können durch industrielle Wärmepumpen abgedeckt werden.
- Lebensmittelindustrie: 40 % der industriellen Wärmeerzeugungsprozesse sind mit einer Wärmepumpe kompatibel.
- Chemieindustrie: rund 25 % des Wärmebedarfs können trotz hoher Temperaturanforderungen abgedeckt werden.
Die Vorteile der THP:
Geringer Stromverbrauch
Dank seines ausschließlich durch Abwärme gespeisten Leistungskreislaufs bietet der THP-Verstärkungskreislauf COP-Werte, die bis zu 15-mal höher sind als bei herkömmlichen Wärmepumpen. Lediglich die Zirkulation von sCO₂ im Leistungskreislauf verbraucht Strom.
Sehr hohe Temperaturerhöhung
Die Konstruktion der THP ermöglicht den Betrieb bei hohen Drücken, und die von Cixten entwickelten technologischen Bausteine ermöglichen eine auf dem Markt für industrielle Wärmepumpen bisher unerreichte thermische Leistungssteigerung.
Einfachere Integration
Der geringe Stromverbrauch beschränkt die Eingriffe in die bestehende elektrische Infrastruktur und reduziert so Kosten, Zeitaufwand und Integrationsaufwand, wie beispielsweise die Änderung eines Liefervertrags oder die Modifizierung bzw. Installation eines Transformators.
Anpassungsfähigkeit an Lagerstätten
Die THP-Technologie zeichnet sich durch eine einzigartige Modularität aus, die eine Anpassung an die Leistung und Temperatur der Lagerstätten ermöglicht, wobei die nutzbare Wärmeleistung zwischen 300 kW und 1 MW liegt.
TCC : Thermo-Compression Cycle
Stromerzeugungsanlage
Die Maschine mit thermischem Kompressor
Die TCC ist ein Kraftprozess, bei dem der mechanische Kompressor vorteilhaft durch einen thermischen Kompressor ersetzt wurde. Die für die Verdichtung erforderliche Energie stammt ausschließlich aus der Abwärme. Die Umwandlung von Niedertemperaturwärme in Nutzenergie erfolgt in drei Schritten:
- Abwechselnde Erwärmungs- und Abkühlungszyklen des überkritischen CO₂ in den Modulen des thermischen Kompressors.
- Druck- und Volumenänderungen werden mithilfe einer Expansionseinheit in mechanische Energie umgewandelt.
- Umwandlung der mechanischen Energie mithilfe eines Generators in elektrische Energie.
Das überkritische CO₂ zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb der thermischen Maschine. Es bleibt während aller Phasen des Betriebszyklus in einem homogenen Zustand (kein Phasenwechsel).
Ergebnis:
Effiziente Nutzung der Abwärme zur Stromerzeugung in unmittelbarer Nähe des wärmeerzeugenden Prozesses.
Die TCC in Zahlen
Die Vorteile der TCC:
Optimierter Wirkungsgrad
Die modulare Zellarchitektur unserer Maschine ermöglicht eine Optimierung der Wärmeübertragung. Wir haben eine Regelung des Kreisprozesses entwickelt, um den theoretischen Wirkungsgrad möglichst weit zu erreichen.
Skalierbarkeit der nutzbaren Leistung
Die Zellen sind standardisiert. Dadurch können wir ihre Anzahl an die Größe des Abwärmepotenzials anpassen. Die zentrale Steuerung ist unabhängig von der Anzahl der Zellen.
Anpassungsfähigkeit an die Abwärmequelle
Unsere Maschine passt sich an die Schwankungen der Wärmequellen sowie an Temperaturänderungen der heißen Quelle an. Sie ermöglicht einen breiten Betriebsbereich bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad.
THP : Trithermal Heat Pump
Wärmeverstärkungsmaschine bis zu 250 °C
Die neue Generation von Wärmepumpen
Die THP ist eine thermische Maschine der neuen Generation, mit der die Temperatur einer Abwärmequelle auf bis zu 250 °C angehoben werden kann – ausgehend von einer Niedertemperatur-Wärmequelle (ab 60 °C) und mit einem Temperaturhub von bis zu +100 °C.
Diese einzigartige Leistung beruht auf der Nutzung der außergewöhnlichen Eigenschaften von überkritischem CO₂ durch zwei kombinierte Kreisläufe:
Ergebnis:
Nutzwärme, die ohne Verbrennung aus einer bislang ungenutzten Energiequelle erzeugt wird, kostengünstiger als Gas ist und keine direkten Treibhausgasemissionen verursacht.
Die THP in Zahlen
Cixten definiert die Grenzen des Temperaturhubs neu
Im Gegensatz zu herkömmlichen industriellen Wärmepumpen, deren Austrittstemperaturen auf etwa 60 °C bis 120 °C begrenzt sind, ermöglicht die THP Temperaturen von bis zu 250 °C und nutzt dabei Abwärmequellen ab 60 °C mit einem Temperaturhub ΔT von bis zu 100 °C.
Während die Temperaturerhöhung und die Anpassung der Infrastruktur als wesentliche Hindernisse für den breiten Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie gelten, bietet die THP in diesem Bereich entscheidende Vorteile, da sie ihren eigenen Stromverbrauch erheblich reduziert.
Während herkömmliche Technologien einen Kompromiss zwischen Energieeffizienz und Temperaturhub erfordern, zeichnet sich die THP von Cixten durch ihre einzigartige Fähigkeit aus, beides gleichzeitig zu ermöglichen: einen bemerkenswerten COP von 5 bis 20 und sehr hohe erreichbare Temperaturen – eine in der Branche bislang einzigartige Kombination.
Diese Cixten-Technologie erschließt in vollem Umfang das Potenzial für den Einsatz industrieller Wärmepumpen. Dank ihrer Fähigkeit, sehr hohe Temperaturen zu erreichen, kann sie einen großen Teil des industriellen Wärmebedarfs decken, der heute noch überwiegend durch fossile Energieträger gedeckt wird.
Ein erhebliches Einsatzpotenzial, insbesondere in mehreren Schlüsselsektoren:
- Papier- und Kartonindustrie: bis zu 65 % der Wärmeerzeugungsprozesse können durch industrielle Wärmepumpen abgedeckt werden.
- Lebensmittelindustrie: 40 % der industriellen Wärmeerzeugungsprozesse sind mit einer Wärmepumpe kompatibel.
- Chemieindustrie: rund 25 % des Wärmebedarfs können trotz hoher Temperaturanforderungen abgedeckt werden.
Die Vorteile der THP:
Geringer Stromverbrauch
Dank ihres ausschließlich durch Abwärme angetriebenen Leistungskreislaufs erreicht der Temperaturhub-Kreislauf der THP COP-Werte, die bis zu 15-mal höher sind als bei konventionellen Wärmepumpen. Lediglich die Zirkulation des sCO₂ im Leistungskreislauf benötigt Strom, wodurch bis zu 15-mal höhere Wirkungsgrade als bei konventionellen Wärmepumpen erreicht werden.
Sehr hohe Temperaturerhöhung
Das Design der THP ermöglicht den Betrieb bei hohen Drücken. Die von Cixten entwickelten Technologiebausteine ermöglichen Temperaturhübe, die auf dem Markt für industrielle Wärmepumpen bislang unerreicht sind.
Einfache Integration
Der geringe Stromverbrauch reduziert die erforderlichen Eingriffe in die bestehende elektrische Infrastruktur und damit Kosten, Zeitaufwand und Integrationsaufwand, beispielsweise Änderungen am Stromliefervertrag oder die Anpassung bzw. Installation eines Transformators.
Anpassungsfähigkeit an Abwärmequellen
Die THP bietet eine hohe Modularität, um sich an die Leistung und Temperatur der jeweiligen Abwärmequelle anzupassen, und ermöglicht eine Nutzwärmeleistung von 300 kW bis 1 MW.
TCC : Thermo-Compression Cycle
Stromerzeugungsanlage
Die Maschine mit thermischem Kompressor
Die TCC ist ein Kraftprozess, bei dem der mechanische Kompressor vorteilhaft durch einen thermischen Kompressor ersetzt wurde. Die für die Verdichtung erforderliche Energie stammt ausschließlich aus der Abwärme. Die Umwandlung von Niedertemperaturwärme in Nutzenergie erfolgt in drei Schritten:
- Abwechselnde Erwärmungs- und Abkühlungszyklen des überkritischen CO₂ in den Modulen des thermischen Kompressors.
- Druck- und Volumenänderungen werden mithilfe einer Expansionseinheit in mechanische Energie umgewandelt.
- Umwandlung der mechanischen Energie mithilfe eines Generators in elektrische Energie.
Das überkritische CO₂ zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb der thermischen Maschine. Es bleibt während aller Phasen des Betriebszyklus in einem homogenen Zustand (kein Phasenwechsel).
Ergebnis:
Effiziente Nutzung der Abwärme zur Stromerzeugung in unmittelbarer Nähe des wärmeerzeugenden Prozesses.
Die TCC in Zahlen
Die Vorteile der TCC:
Optimierter Wirkungsgrad
Die modulare Zellarchitektur unserer Maschine ermöglicht eine Optimierung der Wärmeübertragung. Wir haben eine Regelung des Kreisprozesses entwickelt, um den theoretischen Wirkungsgrad möglichst weit zu erreichen.
Skalierbarkeit der nutzbaren Leistung
Die Zellen sind standardisiert. Dadurch können wir ihre Anzahl an die Größe des Abwärmepotenzials anpassen. Die zentrale Steuerung ist unabhängig von der Anzahl der Zellen.
Anpassungsfähigkeit an die Abwärmequelle
Unsere Maschine passt sich an die Schwankungen der Wärmequellen sowie an Temperaturänderungen der heißen Quelle an. Sie ermöglicht einen breiten Betriebsbereich bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad.
Arbeitsmedium
Le CO2 supercritique
Überkritisches CO₂ – ein außergewöhnliches Arbeitsmedium für höchste Energieeffizienz
Cixten hat sich aufgrund seiner einzigartigen thermophysikalischen Eigenschaften, die denen konventioneller Fluide in industriellen thermischen Kreisprozessen deutlich überlegen sind, für überkritisches CO₂ (sCO₂) – auch R-744 – entschieden.
sCO₂ ist Kohlendioxid bei einem Druck von über 73 bar und befindet sich dabei in einem homogenen fluiden Zustand mit außergewöhnlichen thermodynamischen Eigenschaften. Es ermöglicht einen sehr effizienten Wärmeübergang, kompaktere Anlagen und eine optimale energetische Nutzung.
Ein wesentlicher Vorteil von sCO₂ liegt in der Möglichkeit, Wärmetauscher mit einer sehr geringen „Pinch-Temperaturdifferenz“ einzusetzen – also mit einem minimalen Temperaturunterschied zwischen heißer und kalter Quelle. Dies verbessert den Gesamtwirkungsgrad der Kreisprozesse, maximiert die Rückgewinnung von Abwärme und reduziert den zusätzlichen Wärme- bzw. Kältebedarf.
sCO₂ zeichnet sich außerdem durch eine hohe Leistungsdichte, hohe thermische Stabilität, fehlende Entflammbarkeit und die Eignung für breite Temperaturbereiche aus. Diese Eigenschaften machen es zu einem idealen Arbeitsmedium für kompakte, robuste und leistungsfähige Systeme.
Schließlich ist CO₂ ein natürliches Arbeitsmedium ohne Auswirkungen auf die Ozonschicht (ODP = 0) und mit sehr geringem Treibhauspotenzial (GWP = 1), das den strengsten aktuellen und zukünftigen Umweltvorschriften entspricht.
Um das Potenzial von sCO₂ vollständig auszuschöpfen, stützt sich Cixten auf eine fortschrittliche F&E-Basis. Eine Doktorarbeit zur Modellierung von Strömungen und Wärmeübertragungsprozessen in sCO₂, angewandt auf unsere thermischen Maschinen, trägt dazu bei, das Design unserer Kreisprozesse zu optimieren und die Leistungsfähigkeit unter industriellen Bedingungen zuverlässig abzusichern.
Parallel dazu werden die hochdruckbeanspruchten kritischen Komponenten in Zusammenarbeit mit Forschungslaboren und spezialisierten Industriepartnern entwickelt, um Robustheit, Leistungsfähigkeit und die Einhaltung der normativen Anforderungen sicherzustellen (europäische Maschinenrichtlinie, Druckgeräterichtlinie (DGRL) usw.).
Die außergewöhnlichen Eigenschaften von sCO₂:
Hohe volumetrische Dichte
sCO₂ besitzt eine flüssigkeitsähnliche Dichte von etwa 200 bis 800 kg/m³, die deutlich über der von Gasen liegt. Dadurch kann mehr thermische Energie pro Volumeneinheit transportiert und umgewandelt werden.
Hervorragende Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit von sCO₂ liegt nahe an der von Flüssigkeiten, während gleichzeitig eine niedrige Viskosität erhalten bleibt. Dies ermöglicht einen sehr effizienten Wärmeübergang in kompakten Wärmetauschern.
Hohe Energiedichte
Die Leistungsdichte ist höher als bei anderen Fluiden wie HFC, HFO oder Wasserdampf. Dadurch lassen sich für eine gegebene Leistung kompaktere thermische Maschinen konzipieren.
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FAQ
Nein, unsere Maschinen verwenden CO₂, das ungiftig und nicht brennbar ist, und arbeiten in einem geschlossenen, druckbeaufschlagten System. Um die Sicherheit der Anwender und der umliegenden Prozesse zu gewährleisten, werden sie nach den strengsten geltenden Normen ausgelegt, einschließlich der Europäischen Maschinenrichtlinie und der Druckgeräterichtlinie.
Je nach Art des Fluids kann die Abwärmequelle direkt in die Cixten-Maschinen integriert werden, wodurch eine optimale Einbindung gewährleistet wird. Bei Verunreinigungen, korrosiven Stoffen, chemisch aggressiven Substanzen oder Partikeln, die unser System verstopfen könnten, kann jedoch ein Zwischenwärmetauscher erforderlich sein, um einen optimalen Betrieb der Maschine und die Aufrechterhaltung ihrer Effizienz sicherzustellen.
Die Machbarkeitsstudie ermöglicht es, zu prüfen, ob der Einsatz eines Zwischenwärmetauschers erforderlich ist.
Die Mindesttemperatur der von unserer thermischen Maschine nutzbaren Abwärmequelle liegt derzeit bei 60 °C. Diese Grenze ist nicht technisch bedingt, sondern beruht auf einer wirtschaftlichen Entscheidung, um Ihre Anforderungen insbesondere hinsichtlich des ROI bestmöglich zu erfüllen.
Unsere Maschine arbeitet mit einem sehr niedrigen Geräuschpegel. Zusätzliche Hilfsaggregate können jedoch höhere Geräuschemissionen verursachen, beispielsweise beim Einsatz von Förderpumpen.
Dank der hohen Energiedichte von überkritischem CO₂ ist die Stellfläche der Maschine auf 6 m² begrenzt. Sie passt in einen kompakten Seecontainer.
Wir entwickeln bewusst kompakte thermische Maschinen, die sich einfach integrieren lassen – sowohl im Innen- als auch im Außenbereich und möglichst nahe am abwärmeerzeugenden Prozess –, um Zugänglichkeit und Wartung optimal an Ihre Anforderungen anzupassen.
TRL 6 steht für „Technology Readiness Level 6“, also Technologiereifegrad 6.
Diese Skala wird verwendet, um den Entwicklungsstand einer Technologie zu bewerten. Auf TRL 6 wurde die Technologie in einer Umgebung getestet, die die realen Einsatzbedingungen möglichst genau simuliert. Das bedeutet, dass unser Prototyp seine Funktionsfähigkeit unter nahezu realen Betriebsbedingungen nachgewiesen hat – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung.
