Absorptionskälteerzeugung – Kälte aus Wärme

So vielfältig die heutige Produktpalette auch ist, so unterschiedlich und komplex können die dafür nötigen Produktionsbedingungen sein. Neben Strom kann Dampf, Warmwasser sowie Kälte benötigt werden. Durch Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen (KWKK), können diese Energieformen gemeinsam erzeugt und dadurch hocheffizient bereitgestellt werden.

Auch Unternehmen die keinen nennenswerten Wärmebedarf aufweisen, können die Vorteile der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) nutzen, wenn mit Hilfe von Absorptionskältemaschinen aus der überschüssigen Wärme Kälte erzeugt wird. Die Absorptionskältetechnik bietet somit eine ideale Möglichkeit die Motorwärme aus einem Blockheizkraftwerk (BHKW) sinnvoll zu nutzen und somit den Produktionsprozess mit Kälte, Strom und gegebenenfalls Dampf und Warmwasser zu versorgen.


Sinnvolle Nutzung der BHKW Motorwärme

Viele Industriebetriebe sind zum Aufrechterhalten ihrer Wettbewerbsfähigkeit auf niedrige Energiepreise angewiesen. Durch die sukzessive Erhöhung der staatlich veranlassten Preisbestandteile, wie der EEG-Umlage auf den Strompreis, kann diese Wettbewerbsfähigkeit gefährdet werden. Da nur ein kleiner Teil der Unternehmen von der EEG-Umlage befreit wird, ist der Großteil der Unternehmen betroffen.

Eine Lösung für derartige Betriebe ist die Eigenstromerzeugung, da diese durch reduzierte Abgaben begünstigt wird. Trotz einer größeren Investition und laufenden Kosten für z.B. Wartung und Instandsetzung können dadurch die Stromkosten nachhaltig gesenkt werden. Aufgrund der spezifisch geringeren Investitionskosten werden dabei häufig motorisch betriebene Blockheizkraftwerke (BHKW) betrieben. Neben der Stromerzeugung können die heißen Abgase zur Dampferzeugung genutzt werden und ins Werksnetz eingespeist werden. Anlagen, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen werden als Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen  bezeichnet und zeichnen sich durch ihre hohe Brennstoffausnutzung und somit Umweltfreundlichkeit aus. Derartige Anlagen werden aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften und Effizienz auch staatlich gefördert und tragen somit zur Senkung der Energiekosten bei.

Bei einem Blockheizkraftwerk fällt, zur Kühlung des Motors, auch Warmwasser bei rund 90 °C an. Um eine ausreichende Kühlung des Motors zu gewährleisten, muss das Kühlwasser wieder auf ca. 70 °C zurückgekühlt werden. Es hat sich gezeigt, dass die meisten Unternehmen des produzierenden Gewerbes über einen Strom- und Dampfbedarf verfügen, der mit Hilfe eines BHKWs zumindest teilweise gedeckt werden kann. Viele Unternehmen haben jedoch nur einen geringen oder gar keinen Bedarf an Warmwasser. Zum effizienten, wirtschaftlichen und klimafreundlichen Betrieb eines BHKWs muss diese Wärme sinnvoll genutzt werden. Absorptionskälteanlagen eignen sich hierfür hervorragend. Erst durch den Einsatz von Absorptionskälteanlagen ist es unter Umständen möglich ein Blockheizkraftwerk zu betreiben bzw. kann ein BHKW mit einer höheren Leistung gewählt werden, wodurch ein größerer Teil des Energiebedarfs abgedeckt werden kann.


Funktion einer Absorptionskälteanlage

Zur Kälteerzeugung werden meist Kompressionskältemaschinen verwendet. Diese nutzen einen elektrisch angetriebenen Kompressor, um das gasförmige Kältemittel von einem niedrigen auf ein hohes Druckniveau zu heben.

Absorptionskälteanlagen nutzen an dieser Stelle einen so genannten thermischen Verdichter. Dieser arbeitet im Gegensatz zum Kompressor nicht mit elektrischer Energie sondern mit dem Einsatz von Wärme. Der thermische Verdichter funktioniert mit Hilfe eines Arbeitsstoffpaares bestehend aus Kälte- und Lösungsmittel. Das Lösungsmittel hat die Eigenschaft das Kältemittel in sich aufnehmen zu können. Das Lösungsmittel wird deshalb auch als Sorptionsmittel bezeichnet.

Zu Beginn des thermischen Verdichters liegt ein Gemisch aus Lösungs- und Kältemittel in flüssiger Form vor, auch als reiche Lösung bezeichnet, da vergleichsweise viel Kältemittel darin gelöst ist. Die Flüssigkeit kann mit einem sehr geringen Aufwand an Pumpenergie auf ein höheres Druckniveau gebracht werden. Ganz ohne elektrische Energie kommt die Absorptionskälteanlage deshalb in der Regel nicht aus.

Aufgrund der unterschiedlichen Siedetemperaturen ist eine Trennung von Kälte- und Lösungsmittel durch die Zufuhr von Wärme möglich. Dies erfolgt im Generator oder auch Austreiber genannt durch das Einbringen von Wärme von außen, z.B. aus der Motorabwärme des BHKWs. Der ausgekochte Kältemitteldampf wird zum Kondensator (Verflüssiger) geleitet. Dort erfolgt eine Verflüssigung des Kältemittels unter Abgabe von Wärme an die Umgebung. Mit Hilfe einer Drossel wird das Kältemittel auf das untere Druckniveau entspannt und zum Verdampfer geleitet. Aufgrund des niedrigen Dampfdrucks reicht die Wärme des Kühlkreisrücklaufs aus, um das Kältemittel zu verdampfen. Dadurch wird dem Kühlkreis Wärme entzogen und dieser kann Kälteleistung vollbringen. Das gasförmige Kältemittel wird in einem nächsten Schritt im Absorber mit der entspannten und nun kältemittelarmen Lösung aus dem Generator in Kontakt gebracht. Dabei wird das Kältemittel in der Lösung gebunden und kann erneut zum Generator gepumpt werden.

Der Konzentrationsunterschied zwischen kältemittelreicher und kältemittelarmer Lösung wird als Entgasungsbreite bezeichnet und kann als Maß für die Effektivität des thermischen Verdichters angesehen werden. Eine möglichst große Entgasungsbreite ist dabei anzustreben. Die Temperatur der Rückkühlung ist durch die Umgebungstemperatur bestimmt und die Temperatur auf der die Kälteleistung erbracht werden soll, ist von den Prozessbedingungen abhängig. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur der Wärmequelle, die zum Austreiben des Kältemittels im Generator eingesetzt wird, steigen muss, um die Entgasungsbreite zu vergrößern. Je größer die Entgasungsbreite ist, desto stärker kann das Heizmedium ausgekühlt werden. Das bedeutet, dass eine größere Leistung übertragen werden kann.

Betrachtet man lediglich die Leistungen, so kann man das Wärmeverhältnis verwenden. Dies beschreibt die erzielte Kälteleistung zur eingesetzten Wärmeleistung bei den für die Anlage geltenden Temperaturen.

Zur Verbesserung der Prozesse innerhalb der Absorptionskälteanlage werden weiterhin interne Wärmeübertrager eingesetzt. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Anlage gesteigert werden.

Am Markt haben sich zwei Systeme etabliert, die mit unterschiedlichen Arbeitsstoffpaaren arbeiten: Wasser-Lithiumbromid und Ammoniak-Wasser. Ersteres kommt dabei zum Einsatz, wenn Kühltemperaturen von über 0 °C benötigt werden. Ist ein Tiefkühlen nötig, so muss auf Ammoniak als Kältemittel ausgewichen werden. Derartige Systeme sind deutlich komplexer und benötigen Rektifikationseinrichtungen um Kältemitteldampf mit hoher Konzentration zu erzeugen.



Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung zur Klimakälteerzeugung

Absorptionskälteanlagen zur Klimakälteerzeugung auf Basis von Lithiumbromid sind mittlerweile als Kompaktanlagen in unterschiedlichen Leistungsbereichen fertig am Markt verfügbar. In Kombination mit der Niedertemperaturwärme aus einem BHKW kann effizient Prozess- oder Klimakälte zur Klimatisierung von Bürogebäuden oder Kühllagern bereitgestellt werden.



Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung zur Tiefkühlkälteerzeugung

Die Verwendung der Niedertemperaturabwärme eines BHKWs zur Tieftemperaturkälteerzeugung in einer Absorptionskälteanlage ist durch die Heiztemperatur von ca. 90 °C stark eingeschränkt. Zum einen sind in einstufigen Anlagen lediglich Temperaturen im einstelligen Minusgradbereich möglich und zum anderen ist das Wärmeverhältnis derartiger Anlagen eher gering. Weiterhin reicht die Auskühlung des Heizmediums unter Umständen nicht aus, um eine sichere Kühlung des Motorkreises des BHKWs zu gewährleisten, weshalb ingenieurtechnische Lösungen für die Verwendung der verbleibenden Wärmemenge nötig sind. Durch die Nutzung mehrstufiger Anlagen könnten auch tiefere Temperaturen erreicht und eine ausreichende Kühlung des BHKWs sichergestellt werden. Derartige Anlagen finden momentan aufgrund des erheblichen apparativen Aufwands nur in Sonderfällen oder der Forschung Anwendung.

Nichtsdestotrotz ist durch die Kombination aus BHKW, Abhitzekessel und Absorptionskälteanlage ein monetärer als auch ökologischer Vorteil gegenüber dem Referenzfall mit Stromfremdbezug, Kompressionskälte sowie gesamter Dampferzeugung durch einen Erdgaskessel möglich.

Aufgrund der hohen Investitionskosten in die Kälteanlage und Aufbereitungsstufen ergibt sich der wirtschaftliche Vorteil weniger dadurch, dass die Absorptionskälteanlage Kälte aus einer Kompressionskälteanlage verdrängt, sondern daher, dass durch die Eigenstromerzeugung teurer Fremdstrom ersetzt und in einem Abhitzekessel äußerst kostengünstig Dampf bereitgestellt werden kann.

Der ökologische Vorteil eines derartigen Systems ergibt sich durch die effektive Brennstoffausnutzung und der Tatsache, dass der Primärenergiefaktor für Erdgas deutlich unterhalb des Primärenergiefaktors für Strom liegt. Dadurch, dass der Fremdbezug von Strom verringert werden kann, sinkt auch der Primärenergieaufwand für die Energieversorgung des Betriebs.

Bei einem BHKW mit einer elektrischen Leistung von 2 MW, dass weiterhin durch einen Abhitzekessel zur Sattdampfversorgung bei 10 bar(ü) beiträgt und durch eine Absorptionskälteanlage Tiefkühlkälte von etwa -7 °C bereitstellt, ist eine Primärenergieeinsparung von über 15 % durchaus möglich! Sollte der Sattdampf bei einem geringeren Druck oder die Kälte auf einem höheren Temperaturniveau benötigt werden, so verbessert sich der Wirkungsgrad der KWKK-Anlage wodurch sich eine höhere Primärenergieeinsparung ergibt.



Vorteile der Absorptionskälteerzeugung

Kälteerzeugung durch Absorptionskälteanlagen ist klimaschonend, auf Grund

  • der Nutzung von Abwärme
  • des geringen Stromverbrauches

Die Kälteerzeugung in Systemverbund mit einem BHKW (und Abhitzekessel) ist kostengünstiger als die getrennte Energiebereitstellung auf Grund folgender Vorteile:

  • wirtschaftliche Vorteile durch KWKG und EEG
  • Energie-/Stromsteuerbefreiung
  • Fördermöglichkeiten von Absorptionskälteanlagen und Kältenetzen

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