Eine KWKK, also Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, greift auf die Abwärme und den Strom einer KWK beziehungsweise eines Blockheizkraftwerks (BHKW) zurück, um einen Kälteprozess aufrechtzuhalten und somit klimatisieren zu können. Den zusätzlichen Nutzen ermöglicht der Absorber, der das Verdunstungsprinzip aus der Physik für sich arbeiten lässt und als weitere Komponente einer KWK-Anlage Kälte generiert, indem er unterschiedliche Wärmeflüsse und Temperaturbereiche ausnutzt.
Der Vorteil: Man erhält Kälte, ohne dafür extra Wärme oder Strom beziehen zu müssen, und klimatisiert so wirtschaftlich und energetisch effizienter. Denn eine KWKK nutzt die bereits vorhandene Abwärme einer KWK oder die Arbeitsfähigkeit des Gases eines mit Erdgas betriebenen BHKWs fast vollständig aus und benötigt, anders als ein Heizkessel, nur eine elektrische Leistung von weniger als 18 kW.
Bild: Johnson Controls
Das Spiel mit den Aggregatzuständen
Grundsätzlich umschreibt der Begriff Absorption das „Aufsaugen“ eines Stoffes durch einen anderen. Genau das geschieht bei Absorptionskälteanlagen, abgekürzt AKM. Sie verwenden Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Kälteträger. Diese beiden Stoffe verbinden und trennen sich unablässig, in einem fortwährenden Kreislauf. Sie besitzen eine hohe Affinität zueinander und haben sich deshalb für KWKK-Anlagen bewährt.
Da Wasser nicht zum Abbau der Ozonschicht beiträgt, unterliegt es keiner Verordnung, ist nachhaltig und so von Vorteil gerade in der anhaltenden Klimaschutz-Diskussion. Wenn das Kaltwassertemperaturniveau unter − 5 °C liegt, wird auch das natürliche Kältemittel Ammoniak in AKM verwendet, allerdings wird im Folgenden das Funktionsprinzip von AKM anhand der Stoffpaarung Lithiumbromid und Wasser erläutert.
Konkret der Absorptionsprozess dieser beiden Stoffe verursacht die Kühlung: Lithiumbromid kann Wasser nur in Form von Wasserdampf aufnehmen. Deshalb wird der Aggregatzustand des flüssigen Wassers durch einen Wärmetauscher verändert – und dem Verdampfer wird in dieser Phase Wärmeenergie entzogen. Diese wandelt sich in Bewegungsenergie, und durch eben diese Veränderung setzt der gewünschte Kühleffekt ein. Der Prozess folgt physikalisch dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass Energien ineinander umwandelbar sind, jedoch nicht gebildet beziehungsweise vernichtet werden können. Für den Übergang eines geschlossenen Systems vom Zustand A nach B lautet der Hauptsatz: ΔU = ΔQ + ΔW, wobei U für Abwärme, Q für Kälteenergie und W für Wärmeauskopplung steht.
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Den Kreislauf aufrechterhalten
Der Kreislauf kann nur fortwähren, wenn dem Lithiumbromid das absorbierte Wasser wieder entzogen wird, denn sonst wäre es irgendwann gesättigt. Der erzeugte Strom aus der KWK beziehungsweise des BKHWs betreibt in dieser Phase eine Pumpe, die das mit dem Lithiumbromid vermengte Wasser in einen weiteren Behälter führt, wo es – bei noch höherer Temperatur – erneut verdampft. Im sogenannten Austreiber trennen sich die beiden Stoffe dadurch wieder. Dampfförmig schwebt das Wasser über der ebenfalls heißen Lösung aus Lithiumbromid. Damit das Lösungs- das Kältemittel dann neu aufnehmen und der Kreislauf weitergehen kann, muss das Wasser abkühlen: Danach sind die Ausgangsstoffe wieder auf den Neustart des Prozesses vorbereitet. Überschüssige Energien werden über ein separates Rückkühlwerk abgeleitet.
Anwendungsmöglichkeiten
Ob Neubau oder Bestandsobjekt, KWKK sind extrem flexibel und es gibt passende Absorber in zahlreichen Leistungsgrößen. Grundsätzlich eignen sich KWKK für alle Objekte, in denen eine eigene Stromerzeugung angestrebt wird und Wärme und/oder Kälte über viele Stunden im Jahr benötigt wird: etwa in Rechen- und Telekommunikationszentren, Bürogebäuden mit integrierten Rechenzentren, Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen, Hotels mit Fitness- und Spa-Bereichen, Flughäfen und anderen öffentlichen Gebäuden.
Die Einsatzbereiche ergeben sich in der Regel durch die Einsatzgrenzen: Generell kann die Absorptionstechnologie auf der Kaltwasserseite eine Soleaustrittstemperatur bis minimal − 5 °C erzeugen. So eignet sie sich ideal für die Klimatisierung, bei der die Anforderungen im Bereich zwischen 6 °C und 10 °C liegen. AKM kommen aber auch in der Gewerblichen Kälte zum Einsatz, zum Beispiel in Betrieben, die Fleisch verarbeiten und dafür Temperaturen um die 0 °C benötigen. Auch die Anwendung in Brauereien, Molkereien und weiteren Betrieben, die Lebensmittel verarbeiten, kommt immer häufiger vor.
KWKK effizient betreiben
Der Grund für die Entscheidung zum Beispiel für eine YORK©-Absorptionskältemaschine der YHAU-Serie ist häufig eine Wirtschaftlichkeitsberechnung. Deren Anfertigung gehört mit zu den Services von Johnson Controls. Bestimmen lässt sich die Effizienz einer AKM mithilfe des Coefficient of Performance, kurz COP: Dessen Wert liegt in der Regel unter 1, daher sollte die Antriebsenergie auch immer als „Waste Heat“, also in Form von Abwärme, mit in die KWKK-Anlage einfließen.
Damit sich der Betrieb rentiert, sollte der Absorber möglichst durchgängig laufen – unnötige Schaltzeiten sollte man vermeiden. Als Orientierung gilt, dass sich eine AKM ab mindestens 1 500 Betriebsstunden im Jahr lohnt. Den größten Einfluss auf den Wirkungsgrad und somit auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage hat aber die Kühlwassertemperatur: Schon eine um 1 °C höhere Kühlwassertemperatur bedeutet eine sieben Prozent höhere Antriebsleistung und entsprechend Leistungsverlust. Denn je geringer das Temperaturniveau des eintretenden Kühlwassers ist, desto besser ist der Wirkungsgrad und umso höher steigt der COP.
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Effizienzsteigerung mit zweistufigen Absorbern
Die Kälteanforderungen sind jedoch höchst individuell. Da es sich bei Absorbern in der Basis um traditionelle Wärmetauscher handelt, gilt die Faustregel: Wer viel Kälte erreichen möchte, braucht auch viel Wärmetauscher-Fläche. Die Effizienz der Kälte-Komponente lässt sich mit zweistufigen Absorbern steigern.
Die YHAU-Modelle von Johnson Controls sind mit einer zweistufigen Verdampfer-/Absorber-Technologie ausgestattet. Sie haben eine in Serie geschaltete Gegenstromwärmetauscher-Anordnung, die die Arbeit auf zwei Kältemaschinen aufteilt. Das YHAU-Design besitzt dabei zwei Druckniveaus, die den Absorptionsprozess in zwei Schritte teilen. Das Kaltwasser fließt durch die Rohre der beiden Verdampfer in Reihe, während die konzentrierte Lithiumbromid-Lösung auf der Mantelseite des Absorbers in die entgegengesetzte Richtung verteilt wird. Dies verbessert die Absorption des Kältemittels in die konzentrierte Lösung und verringert dadurch die Lösungskonzentrationen und den Gesamtdruck. Die Kältemaschinen arbeiten somit effizienter und zuverlässiger als herkömmliche Anlagen. Sie sind in 21 Baugrößen mit einer Kälteleistung von 47 bis 2 919 kW erhältlich.
Neben diesen Double Effect Absorbern, die mit einer Antriebstemperatur von VL = 90 °C und RL = 70 °C – was einer klassischen BHKW-Anwendung entspricht – eine Austrittstemperatur von − 5 °C erreichen können, bietet Johnson Controls den Single Lift Double Effect Absorber, der ideal auch mit einer Antriebstemperatur von 55 °C auskommt und sich dadurch für den Einsatz in Fernwärmenetzen oder Stadtwerken eignet. Denn Fernwärmenetze möchten in den Sommermonaten eine Temperatur unter 60 °C fahren. Vor der Entwicklung des Single Lift Double Effect Absorbers ließ sich das mit Absorptionskälteanlagen nicht realisieren, denn sie bedurften mindestens einer Antriebstemperatur von über 80 °C.
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Michael Müllers
