Absorptions-Kältesystem: Was ist das?
Absorptionskältemaschinen werden als sinnvolle und ökologische Alternative zu den verschiedenen Kompressionskältemaschinen angeboten. Während Letztere in der Regel mit elektrisch angetriebenen Verdichtern arbeiten, nutzen Absorptionskältemaschinen eine Wärmequelle als Antriebsenergie – meist die vorhandene Abwärme des Blockheizkraftwerks (BHKW). Dieser Synergieeffekt, die Weiternutzung der Wärmeenergie des Abgases sowie des Motors, führt zu einer deutlichen Steigerung der Energieeffizienz. Dadurch haben Ab-sorptionskältemaschinen in der Umwelttechnik, vor allem in Kombination mit BHKW, an Bedeutung gewonnen (Bild 1).
Kältemittelkreis: Aufbau und Hauptelemente
Der technisch recht einfache Kältemittelkreislauf besteht aus Kondensator, Kältemitteldrossel und Verdampfer. Diesen Teil der Anlage durchfließt ausschließlich das Kältemittel. Darüber hinaus gehört ein thermischer Kompressor zur Anlage, der den Antrieb übernimmt. Er setzt sich zusammen aus einem Absorber, einer Lösungspumpe, einem Austreiber und einer Lösungsdrossel.
Der entscheidende technische Unterschied zwischen Kompressions- und Ab-sorptionskälteanlage ist, dass der mechanische Verdichter der Kompressionskälteanlage durch einen thermischen Verdichter bei einer Absorptionskälteanlage ersetzt wird. Hierbei wird ein Zweistoffgemisch in unterschiedlichen Konzentrationen im Kreislauf geführt, das sich im Wesentlichen aus dem Kältemittel und dem für dieses Kältemittel geeigneten Lösungsmittel (Absorptionsmittel) zusammensetzt. Der hocheffiziente Absorptionszyklus des Kühlers nutzt dann Wasser als Kältemittel und Lithiumbromidlösung als Absorptionsmittel. Durch die hohe Affinität der beiden Substanzen zueinander und ihre leichte Trennbarkeit kann Wasserdampf vom Verdampfer im Lösungskreislauf auf ein höheres Druckniveau im Kondensator transportiert werden. Ein Kreislauf aus Verdampfung und Verflüssigung besteht. Beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand des Kältemittels wird Wärmeenergie aufgenommen. Entsprechend wird dem Kälteträger im Prozess Wärme entzogen, die für Kühlzwecke genutzt werden kann.
Weil Kältemittel abhängig vom Umgebungsdruck bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen – kurz: je niedriger der Druck, desto kleiner die Siedetemperatur – herrscht in der Absorptionskältemaschine oder genauer gesagt in den hermetischen Behältern Unterdruck. Dadurch kann das Kältemittel bereits ab 4,5 °C sieden. Dieser Prozess gibt den Anlagen übrigens ihren Namen: Unter Absorption versteht man die Aufnahme eines Dampfes bzw. Gases in einer Flüssigkeit (Bild 2).
Aufgrund der aktuellen F-Gase-Verordnung und der nationalen Klimaschutzinitiativen sind vor allem Absorptionskältemaschinen mit Wasser als Kältemittel und Lithiumbromidlösung als Lösungsmittel von besonderem Interesse. Zum einen haben natürliche Kältemittel kein (oder nur ein geringes) Treibhauspotenzial und leisten somit keinen (oder nur geringen) direkten Beitrag zum Treibhausproblem. Zum anderen nutzen Absorptionskältemaschinen die Wärmeenergie (Abwärme) und bedürfen daher weniger Strom.
Anwendungsbereiche
Zu den Standardanwendungen gehören die Kühlung der Raumtemperatur sowie die Kühlung bei industriellen Verfahren, bei denen überschüssige Wärme von Kraft-Wärme-Systemen (BHKW), industriellen Verfahren oder anderen verfügbaren Wärmequellen genutzt werden kann.
Die heutige Absorptionstechnik mit Li-thiumbromidlösung und Wasser bietet dank innovativer Technologien eine optimierte Effizienz und Zuverlässigkeit und ist für die Nutzung mit einer niedrigen Heizwasser-Temperatur von nur 55 °C ausgelegt – einem Bereich, in dem Anlagen mit älterer Technologie nicht funktionierten. Insgesamt bietet sich die Absorptionstechnik mit Lithiumbromidlösung und Wasser bei Klimatisierungen zwischen +6 °C Standard-Klimatisierung und +12 °C Komfortkälte sowie bei gewerblichen Kälteanlagen zwischen +2 °C und 5 °C für unterschiedlichste Anwendungsmöglichkeiten an. Johnson Controls ermöglicht mit der neuen Technologie Double Lift“ auch Anwendungen in der Fernwärmeversorgung, weil damit Temperaturniveaus von 110 °C auf 55 °C möglich sind.
Beispiel Lebensmittelverarbeitung: Wenn Milch schnell auf 2 °C heruntergekühlt werden muss, sind solche Minustemperaturen extrem wichtig. Die Komplettsysteme und Module von Johnson Controls, die eine Soletemperaturen bis 5 °C ermöglichen, werden auch zu Prozesskühlungen für die unterschiedlichsten Anwendungen im Solebetrieb eingesetzt, wie bei der Herstellung von Stahl, Kunststoffen, Gummi, Aluminium, Gasen oder Lacken, aber auch für die Nahrungsmittel und Getränke. Aber auch für industrielle Liegenschaften, Rechenzentren, Hotels, Pflegeeinrichtungen und Einkaufszentren liefern KWKK-Lösungen gute Alternativen zu herkömmlichen Kälteanlagen. Kurz: KWKK-Modelle eignen sich grundsätzlich für alle Objekte, in denen eine eigene Stromerzeugung angestrebt wird und Wärme und/oder Kälte über viele Stunden im Jahr benötigt wird.
Vielen Betreibern ist leider gar nicht bewusst, dass sie durch eine unverbindliche Vergleichsberechnung die Möglichkeit zu mehr Flexibilität, mehr Zukunftssicherheit und mehr Preissicherheit eröffnen. Mehr noch: Dank der Standardisierung ist auch eine einfache Einbindung in Energiemanagementsysteme nach DIN ISO 50001 möglich. Und durch den Einsatz von Wasser als natürliches Kältemittel gelingt der frühzeitige Ausstieg aus der Verwendung von F-Gasen, was gleichzeitig den CO2-Fußabdruck sehr deutlich reduziert.
KWKK-Lösungen, die sich rechnen
Die steigenden Energiekosten und die sich verschärfenden rechtlichen Anforderungen im Zuge der Energiewende haben die ökonomischen Rahmenbedingungen für Industrie und Gewerbe massiv geändert. Während konventionell erzeugter Strom kontinuierlich teurer wird, gewinnen alternative Energiekonzepte zunehmend an Attraktivität. Neben den regenerativen Energiequellen wie Solar oder Wind, die mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gefördert werden, stehen energieeffiziente Technologien wie Absorptionskältemaschinen und BHKW im Fokus der staatlichen Förderprogramme. Allen voran sind hier vom Bundesumweltministerium initiierte und mit Investitionszuschüssen geförderte Maßnahmen an Kälte- und Klimaanlagen im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative, NKI, (Kälte-Klima-Richtlinie) zu nennen, aber auch das noch im Jahr 2016 novellierte Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz. Die am 1. Januar 2017 in Kraft getretene Richtlinie zur Förderung von Maßnahmen an Kälte- und Klimaanlagen fördert Sorptionsanlagen für die Gebäude-, Produktions- und Serverkühlung mit einer Kälteleistung von mindestens 5 kW und höchstens 500 kW. Für die Basis- und Bonusförderung gilt eine Förderhöchstgrenze von insgesamt 150 000 Euro pro Maßnahme.
Der ökologische Hintergrund, sprich die besonders hohe Energieeffizienz, ist Antriebsmotor der Förderung. Nutzt man die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme, z. B. zum Betrieb einer Heizung oder einer Absorptionskältemaschine, steigt der Gesamtwirkungsgrad des Systems auf über 90 Prozent an. Das wirkt sich natürlich auch finanziell aus – und rechnet sich.
Für eine Gesamtbetrachtung der jährlichen Betriebskosten und Einsparpotenziale müssen von den Brennstoffkosten der KWK-Anlage und der Instandhaltung sowohl die durch Eigenerzeugung eingesparten Strombezugskosten, die möglichen Erlöse durch Stromverkauf, die Erstattung der Mineralölsteuer sowie die eingesparten Brennstoffkosten für den Heizkessel abgezogen werden. Die Amortisationszeit in Jahren ergibt sich, wenn die Eigenfinanzierung durch die Investitionskosten der Anlage dividiert wird. Bei einer Fremdfinanzierung ergibt sich der jährliche Gewinn oder Verlust aus der Finanzierungssumme minus den Kapitalkosten pro Jahr (Bild 3).
Wie bereits festgestellt, steigen die Erwartungen der Kunden in Bezug auf Flexibilität, Zukunfts- und Preissicherheit kontinuierlich und die Grenze dessen, was technisch möglich ist, hat die Branche sicher noch lange nicht erreicht. Johnson Controls begegnet den stetig wachsenden Kundenerwartungen und Marktanforderungen mit einer standardisierten und gleichzeitig flexiblen Container-Lösung – mit der YKWKK – die nach Bedarf Strom, Kälte und Wärme liefert.
Die York-Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (YKWKK) ist eine technisch optimal aufeinander abgestimmte Einheit aus Blockheizkraftwerk, Absorptionskälteanlage und Rückkühlwerk, die sich platzsparend und flexibel aufstellen lässt und in 15 verschiedenen Modulgrößen elektrische Leistungen von 200 kW bis 1199 kW und Kälteleistungen von 187 kW bis 999 kW bietet. Damit deckt das Unternehmen den Kundenwunsch nach maximaler Auslastung und Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten und CO2-Emissionen ab.
Ulrich Brinkmann,
Branch Manager HVAC bei Johnson Controls, Essen
