Elektrischer Strom wird immer teurer. Daher sollten Alternativen für die Erzeugung von notwendiger Kälteenergie ins Auge gefasst werden. Eine Absorptionskältemaschine wird mit Wärme als Antriebsenergie betrieben. Die elektrischen Anschlusswerte sind bezogen auf die Kälteleistung niedrig. Der Einsatz ist daher vor allem dann interessant, wenn Überschusswärme zur Verfügung steht und durch eine niedrige elektrische Anschlussleistung Einsparungen erzielbar sind.
Die Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik ist mit mehr als 12 Prozent des Stromkonsums einer der größten Energieverbraucher in Mitteleuropa. Aufgrund der sich weiterhin abzeichnenden Preissteigerungen für elektrischen Strom aus dem öffentlichen Netz sollte die Erzeugung der Kälteenergie überdacht werden. Ein Augenmerk sollte dabei der Nutzung der vorhandenen thermischen und elektrischen Infrastruktur unter dem Aspekt einer hohen jährlichen Auslastung gelten. Umso mehr, als insbesondere wegen der Zunahme der Extremwettersituationen bestehende Kälte- und Klimaanlagen zunehmend an ihre Einsatzgrenzen stoßen.
Absorptionskältemaschinen als Alternative
Die erste Absorptionskältemaschine für den industriellen Einsatz wurde 1859 durch F. Carré mit dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser gebaut. Die Firma Carrier begann 1940 mit der Entwicklung einer Wasser-/Lithiumbromid-Absorptionskälteanlage und baute 1945 das erste kommerzielle Modell. Die Clima Net AG hat sich auf diese Technik spezialisiert und bereits mehr als 30 Jahre Erfahrung damit gesammelt.
Bei beiden Arten der Kälteerzeugung mittels Absorptionskältemaschinen werden natürliche Kältemittel verwendet, nämlich Ammoniak und Wasser oder Lithiumbromidlösung und Wasser. Nachfolgend sollen speziell Lithiumbromid-Absorptionskältemaschinen zur Erzeugung von Kaltwasser für Klimaanlagen und Prozesskälte sowie zur Wärmerückgewinnung oder als Wärmepumpen zur Erzeugung von Heißwasser im Temperaturbereich ab 55 bis 120 °C behandelt werden.
Bis in die 60er-Jahre wurden Absorptionskältemaschinen vorwiegend in den USA hergestellt, ehe sich die Produktion zum großen Teil nach Fernost verlagerte. Seitdem wurde die Technik stetig weiterentwickelt, um höhere Leistungszahlen zu erzielen. Heute sind China, Japan, Korea und Indien die führenden Produktionsländer in der Absorbertechnik, wobei in China die wichtigsten Produktionsstätten beheimatet sind.
Vorteile einer Absorptionskältemaschine
Eine Absorptionskältemaschine wird mit Wärme als Antriebsenergie betrieben. Die elektrischen Anschlusswerte sind bezogen auf die Kälteleistung niedrig und können daher fast vernachlässigt werden. Dies ist vor allem dann interessant, wenn Überschusswärme günstig zur Verfügung steht und durch die niedrige elektrische Anschlussleistung entsprechende Einsparungen erzielt werden können. Da diese Maschinen zudem (außer den hermetisch abgedichteten Lösungs- und Kältemittelpumpen) keine weiteren mechanischenTeile haben, sind Absorptionskältemaschinen besonders vibrationsarm, erzeugen lediglich einen niedrigen Schallpegel und verursachen für die Maschinengröße vergleichsweise niedrige Wartungs- und Unterhaltskosten.
Die Herausforderungen der anstehenden und umzusetzenden F-Gase-Verordnung in der EU, wie auch der ChemRRV in der Schweiz, erfordern ein Umdenken und eine Abkehr von den Kohlenstoff-basierten Kältemitteln, mit Ausnahme von CO2. Dies hat die Chance zur Realisierung von Absorberlösungen zum Kühlen oder auch von Absorberlösungen für Wärmepumpen mit hoher Primärenergieeffizienz erhöht. Die vollständige Nutzung der energetischen Potenziale macht das Kühlen mit Absorbern ab Vorlauftemperaturen von 70 °C möglich.
Entwicklung der Absorptionskälte
Im Zuge der Entwicklung von Absorptionskälteanlagen wurden die Leistungsgrenzen nach oben und unten ausgebaut. Das heutige Leistungsspektrum beginnt bei 10 kW Kälteleistung für Kleinanwendungen, betrieben durch solarthermische Generatoren, und reicht bis hin zu mehreren MW, betrieben auch mithilfe erneuerbarer Energien. Dabei können Anlagen entsprechend dem jeweiligen Anforderungsprofil konzipiert werden, ebenso wie standardisierte Anlagen. Insbesondere müssen dabei dynamische Anforderungen mit mehreren Anwendungsarbeitspunkten für den Sommer- und Wintereinsatz berücksichtigt werden, um Kriterien wie hoher Energieeffizienz und idealem COP-Wert bei den gegebenen Rahmenbedingungen des jeweiligen Projekts gerecht zu werden.
Einsatzbeispiele für Absorptionskälteanlagen
Eine Anlage zur CO2-neutralen Kaltwassererzeugung bei Pfizer in Freiburg/Breisgau erreicht eine Kälteleistung von 2 200 kW. Betrieben wird sie mit Dampf, der aus Biomasse gewonnen wird.
Auf dem ehemaligen Industriegelände der von Roll AG im Nordwesten von Bern entstand ein Hochschulzentrum für die Pädagogische Hochschule und die Universität Bern. Vor allem im großen Rechenzentrum entstehen das ganze Jahr hindurch rund 400 kW Abwärme, die für die Heizung und Warmwasserbereitung verwendet werden. Als Antriebsenergie für die Absorptionswärmepumpe dient Heißwasser aus der Müllverbrennungsanlage.
Mit dem Institutsgebäude entstand eines der größten Minergie-P-Eco-Gebäude in der Schweiz. Dieses Projekt stellte hohe Anforderungen an die Haustechnik. Daher wollte man als Hauptenergiequelle das Hochtemperaturnetz der Abfallverbrennungsanlage nutzen. Darüber hinaus sollte möglichst keine Energie ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden.
Das integrierte Rechenzentrum benötigt ganzjährig eine Kühlleistung von 400 kW. Diese Abwärme nutzt die Absorptionswärmepumpe für die Heizung und Warmwasseraufbereitung. Dabei stellte die Auflage, Vorlauftemperaturen von 70 °C zu fahren, eine Herausforderung dar, was eine eigens für dieses Projekt hergestellte Absorptionswärmepumpe von Clima Net erforderte. Sie entstand in Zusammenarbeit mit Shuangliang, einem der weltweit größten Hersteller von Absorptionstechnik.
Die Absorptionswärmepumpe nutzt als primäre Energiequelle die Abwärme der Abfallverbrennung. Aus deren Heißwassersystem steht 160 °C heißes Wasser zur Verfügung. Diese Energie nutzt die Absorptionswärmepumpe zum Betrieb des Generators. Elektrische Energie wird lediglich für die Pumpen benötigt. Auf diese Weise wird für 400 kW Kühlleistung nur 4,6 kW elektrische Energie benötigt.
Im Winter werden so rund 900 kW Energie für die Heizung und die Warmwassererwärmung aufgewendet, inklusive 400 kW „kostenfreier“ Energie von der Kühlung des Rechenzentrums. Im Sommer ist die Warmwasseraufbereitung größter Abnehmer dieser Energie, vor allem in den sanitären Anlagen der Turnhalle und der Mensa, wo täglich 1 200 Mahlzeiten zubereitet werden.
Wärme unterschiedlich zuführbar
Absorptionskältemaschinen mit Lithiumbromid können in einem Temperaturspektrum ab 65 °C bis 520 °C betrieben werden. Dabei sind die folgenden Wärmequellen möglich, jeweils mit unterschiedlichen Wirkungsgraden der Absorptionskältemaschine:
Niedrigtemperaturen von ca. 65 °C können von Solarkollektoren oder industrieller Abwärme bereitgestellt werden. Die Absorptionskältemaschinen haben dann in der Regel eine Leistungszahl ab 0,5 und sind im Vergleich zur erbrachten Leistung wegen der voluminösen Wärmeübertrager sehr groß.
Einstufige Absorptionskältemaschinen erfordern Heißwassertemperaturen von 80 bis 130 °C. Die Wärme kann beispielsweise von Blockheizkraftwerken stammen, um dann die gesamte erzeugte Wärme in ein Heißwassernetz einzuspeisen. Alternativ sind eine Fernwärmeversorgung oder eine sonstige Wärmequelle auf einem hohen Temperaturniveau erforderlich. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Absorbers, Generators und Kondensators sind Heißwasseraustrittstemperaturen von 68 °C erreichbar. Unter diesen Voraussetzungen bleibt die Leistungszahl wie bei den anderen Absorptionskältemaschinen bei 0,78.
In diese Kategorie fallen auch die meisten Absorptionskältemaschinen für die solare Kühlung. In diesem Bereich gibt es Anlagen ab einer Kälteleistung von 15 kW, und zusammen mit effizienten Anlagekomponenten sind interessante Systeme realisierbar.
Doppeleffekt-Absorptionskältemaschinen mit einer Leistungszahl von COP = 1,35 erhalten ihre Energie durch gesättigten Dampf zwischen 4 bis 8 bar oder direkt durch Gas oder Öl. Eine weitere interessante Anwendung ist die direkte Energieversorgung durch Abgase mit einer Temperatur von 300 bis 520 °C, wie sie von Brennstoffzellen, Gasmotoren, Gasturbinen und Nachverbrennungen bereitgestellt werden können. Dies hat den Vorteil, dass die Absorptionskältemaschinen mit einer doppelt so hohen Leistungszahl betrieben werden können. Außerdem muss die Wärme nicht zuerst in ein Heißwassernetz eingespeist werden, und es ist keine einstufige Absorptionskältemaschine mit entsprechend schlechterer Leistungszahl notwendig. Daneben lässt sich Brüdendampf zur Kälteerzeugung mit einer Leistungszahl von 0,73 einsetzen. Da die Rückkühltemperatur einen sehr großen Einfluss auf die Leistungszahl hat, beziehen sich die angegebenen Werte auf eine Kaltwassertemperatur von 12 / 7 °C und eine Kühlwassertemperatur von 32 / 37 °C.
Brüdendampf (auch als Brodem, Wrasen oder Trocknungsbrüden bezeichnet, ist mit Wasserdampf gesättigte Luft, die beim Trocknen von Feststoffen entsteht. In der Verfahrenstechnik umfasst Brüdendampf alle Gase, die beim ein- oder mehrstufigen Destillieren von Flüssigkeitsgemischen, beim Verdampfen, Entgasen oder Trocknen entstehen.
Absorptionswärmepumpen mit COP bis 2,2
Absorptionswärmepumpen werden mit Temperaturen von über 150 °C versorgt, in Form von Dampf, Heißwasser, BHKW-Abgasen, Prozessabwärme und durch Gasbrenner. Dabei werden COP-Werte zwischen 1,7 bis 2,2 erreicht. Diese Absorptionswärmepumpen sind jedoch nur für Leistungen über >1 MW Heizleistung und bei hohen Wärmequellentemperaturen realisierbar, wie sie aus Rechenzentren und Prozessabwärme gewonnen werden können. Mit speziellen Absorptionswärmepumpen (Wärmetransformatoren) sind sogar Temperaturen bis 160 °C erreichbar.
Zuverlässig in Betrieb, günstig im Unterhalt
Lithiumbromid-Absorptionskältemaschinen werden intern mit einem sehr tiefen Vakuum betrieben. Daher müssen sie besonders dicht ausgeführt werden. Sofern dann noch die Lithiumbromid-Inhibitoren richtig eingestellt sind, die Kältemaschinen regelmäßig überprüft und die Betriebsbedingungen eingehalten werden, arbeiten die Absorptionskältemaschinen absolut zuverlässig und können eine Lebensdauer von über 40 Jahren erreichen. Zusammen mit den im Vergleich zur Leistung niedrigeren Servicekosten und der hohen Verfügbarkeit ergeben sich geringere Betriebskosten als bei klassischen Kaltwassersätzen.
Fazit
Bei vorhandener Wärmeenergie, nur eingeschränkt möglicher elektrischer Anschlussleistung oder der Forderung nach einem natürlichen Kältemittel sind Absorptionskältemaschinen im Klimabereich eine klare Alternative. Clima Net realisiert alle entsprechenden sowie auch Wärmepumpen-Projekte, zudem spezielle Anwendungen wie EDV-Kühlungen oder Kombinationen mit Tiefkühlhäusern.