Absorptionskältemaschine
LiBr-Wasser
Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Wärme (T < 100°C) | Kälte (T<25°C) | Wärme (T<100°C) |
Kurzbeschreibung
Anders als bei einer elektrisch angetriebenen Kältemaschine erfolgt die Verdichtung des Kältemittels bei einer Absorptionskältemaschine mit Hilfe eines kombinierten Lösungsmittel-Kältemittelkreislaufes. Der Kühleffekt der Anlage erfolgt durch die Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer. Wird Wasser als Kältemittel eingesetzt muss ein Vakuum in der Anlage herrschen, um Kühltemperaturen im Bereich von 5–10 °C zu erreichen. Der entstehende Dampf wird vom Lösungsmittel absorbiert. Bei diesem Prozess wird Wärme freigesetzt, sodass der Absorber auf ein mittleres Temperaturniveau (z.B. ca. 35 °C im Fall von Lithiumbromid als Lösungsmittel und Wasser als Kältemittel) gekühlt werden muss. Das gesättigte Lösungsmittel wird mit der elektrisch betriebenen Lösungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt. Sie ist neben der Vakuumpumpe und der Steuerung der einzige elektrische Verbraucher im System. Im Austreiber wird das in der Lösung absorbierte Kältemittel wieder desorbiert, indem das System durch externe Wärmezufuhr aufgeheizt wird. Der heiße Dampf wird in den Kondensator geleitet, wird gekühlt und kondensiert. Anschließend fließt das Kältemittel wieder zurück in den Verdampfer und der Prozess beginnt von neuem. (bhkw-infozentrum.de)
- Typische Stoffpaare sind Ammoniak (=Kältemittel)/Wasser (=Lösungsmittel) sowie Wasser (=Kältemittel)/Lithiumbromid (=Lösungsmittel). Beim Einsatz von Wasser als Kältemittel können keine Kühltemperaturen unter 0°C erreicht werden
- Absorptionskältemaschinen gibt es als ein- und mehrstufige Ausführung. Mehrstufige Anlagen arbeiten mit verschiedenen Druckniveaus und können so höhere Antriebstemperaturen verwerten (absorptionsmaschine.de)
Funktionsskizze
Funktionsskizze Absorptionskältemaschine (Rasi57 at de.wikipedia.org, Absorption chiller scheme, CC BY-SA 3.0)
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Die Leistungszahl einer Absorptionskältemaschine wird aus dem Verhältnis von zugeführter Wärme zur erzielten Kühlleistung berechnet.
[
COP=frac{.{Q}_{k:{u}hl}}{.{Q}_{heiz}}
]
Die Abkürzung COP steht hierbei für „Coefficient of Performance“ und wird auch elektrisch angetriebenen Kältemaschinen oder Wärmepumpen verwendet. Eine andere Bezeichnung für den COP bei thermisch betriebenen Kältemaschinen nach der obigen Formel ist das „Wärmeverhältnis ζ“ (Müller 2008). Wird die Abwärme der Absorptionskältemaschine auf dem mittleren Temperaturniveau (Kondensator und Absorber) genutzt, funktioniert die Anlage als Wärmepumpe und die Wärme kann als zusätzliche Nutzenergie gewertet werden.
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | 1-stufig
Sorptionsmittel: LiBr Kältemittel: Wasser |
2-stufig
Sorptionsmittel: LiBr Kältemittel: Wasser |
1-stufig
Sorptionsmittel: Wasser Kältemittel: Ammoniak |
Anmerkungen |
| Typisches Lastprofil Energieeingang (Endenergie) | dynamisch/ stufenlos | dynamisch/ stufenlos | dynamisch/ stufenlos | |
| Typisches Lastprofil Energieeingang (Nutzenergie) | dynamisch/ stufenlos | dynamisch/ stufenlos | dynamisch/ stufenlos | |
| Maximale Schalthäufigkeiten | > 30 Minuten | > 30 Minuten | > 30 Minuten | Nach Abschalten der Anlage benötigen Absorptionskältemaschinen eine gewisse Nachlaufzeit, in der eine Rückkühlung des mittleren Temperaturniveaus gewährleistet sein muss, da die chemischen Prozesse im Inneren der Anlage auch nach dem Abschalten noch nachlaufen (dbu.de). |
| Typische Anfahrzeiten | < 1 h | < 1 h | < 1 h | Absorptionskältemaschinen benötigen beim Kaltstart eine gewisse Anlaufzeit, bis sie auf Betriebstemperatur kommen. Dieser Vorgang kann je nach Größe der Anlage und Temperaturniveau ca. 15–30 Minuten dauern (dbu.de). |
| Regelbarkeit | Stufenlos | Stufenlos | Stufenlos | Die Kälteleistung kann geregelt werden indem die Wärmezufuhr auf Antriebstemperaturniveau oder die Lösungsmittelkonzentration variiert wird. Beide Varianten ermöglichen prinzipiell eine stufenlose Regelung der Anlage zwischen ca. 10–100 % (dbu.de). |
| Wandlungsrichtung umkehrbar? | nein | nein | nein | Die AKM kann auch als Wärmepumpe eingesetzt werden, wenn statt dem kalten Temperaturniveau das Rückkühl-Temperaturniveau genutzt wird. Die Wandlungsrichtung kehrt sich dadurch jedoch nicht um. |
| Weitere Betriebs-Charakteristika | Eher für Dauerbetrieb als für häufiges Zu- und Abschalten geeignet (dbu.de). Kompliziert bei der Regelung von thermischen Kältemaschinen ist die Tatsache, dass immer drei Temperaturniveaus berücksichtigt werden müssen, die die aktuell erzielbare Effizienz der Anlagen beeinflussen. Die Genauigkeit der Regelung der Kühlleistung hängt davon ab, wie genau die Antriebs- und Rückkühltemperaturen bekannt sind und prognostiziert werden können. | |||
Energetische Kennwerte
| Bauart | 1-stufig
Sorptionsmittel: LiBr Kältemittel: Wasser |
2-stufig
Sorptionsmittel: LiBr Kältemittel: Wasser |
1-stufig
Sorptionsmittel: Wasser Kältemittel: Ammoniak |
Anmerkungen |
| Verfügbare Leistungsstufen/-klassen | 4,5
-11.630 kW |
5
-10.000 kW |
||
| Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Auslastung | ja | ja | ja | Der COP von thermisch betriebenen Kältemaschinen sinkt mit der Antriebstemperatur. Für Einstufige Absorptionskältemaschinen liegt er in der Regel bei maximal 0,7. Mehrstufige Anlagen erreichen COPs über 1,2. |
| Nutzbarer Anteil der Verlustleistung | ja | ja | ja | |
| Typische Antriebstemperaturen | 75–110 °C | 130–160 °C | 80–120 °C | [5] |
| Erzeugtes Temperaturniveau | > 0 °C | > 0 °C | > – 60 °C | [5] |
| Typisches Wärmeverhältnis | 0,55–0,8 | 0,9–1,3 | 0,3–0,7 | [5] |
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | 1-stufig
Sorptionsmittel: LiBr Kältemittel: Wasser |
2-stufig
Sorptionsmittel: LiBr Kältemittel: Wasser |
1-stufig
Sorptionsmittel: Wasser Kältemittel: Ammoniak |
Anmerkungen |
| Nutzenergiekosten/kWh | Abhängig davon, wie die Antriebswärme produziert wird und ob nur die Kälte- oder auch die Wärme auf Rückkühltemperaturniveau zur Nutzenergie gezählt wird. | |||
| Laufende Kosten p.a./kW | Gering | Gering | Gering | |
| Investkosten/kW | 300–1.000 €/kW_Kälte | 500–1.000 €/kW_Kälte | 500–1.000 €/kW_Kälte | (bkwk.de) |
Die Kosten für eine Absorptionskältemaschine pro kW installierter Kälteleistung lassen sich nur sehr schwer bestimmen, da diese stark von der Kühlleistung der Anlage und dem Standort abhängen. Es ist mit zwei- bis dreimal so hohen Kosten gegenüber einer Kompressionskälteanlage zu rechnen (IHK 2017). Die Systemkosten inklusive Rückkühleinheit liegen bei ungefähr 300–1.000 €/kW Kühlleistung (absorptionsmaschine.de) (ffegmbh.de 2014).
 spezifische Kosten in Euro/kW / Kälteleistung in kW |
||||
| Platzbedarf | Eher groß | Eher groß | Eher groß | |
Technologische Kennwerte
| Bauart | 1-stufig
Sorptionsmittel: LiBr Kältemittel: Wasser |
2-stufig
Sorptionsmittel: LiBr Kältemittel: Wasser |
1-stufig
Sorptionsmittel: Wasser Kältemittel: Ammoniak |
Anmerkungen |
| Gefährdungspotential | gering | gering | überschaubar | |
| Lithiumbromid ist nicht brennbar und nur bei Verschlucken gesundheitsschädlich. Das Gefährdungspotential ist also eher gering (merckgroup.com). | Ammoniak ist giftig, besitzt aber einen stechenden Geruch mit hoher Warnwirkung für anwesende Personen (eurammon.com). | |||
| Systemkomplexität | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Best Available Technology
Nein – Mit Absorptionskältemaschinen kann nur Energieflexibilität bereitgestellt werden, wenn eine zweite Kältemaschine installiert wird, die mit elektrischen Strom angetrieben wird (Bivalenter Betrieb). Die Investitionskosten hierfür sind hoch.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Bei korrekter Auslegung und Regelung nahezu wartungsfrei
- Hohe Nutzungsdauern von bis zu 20 Jahren
- Brauchen so gut wie keine elektrische Energie zur Kälteerzeugung
- Niedrige Schallemissionen
- Keine klimaschädigende Kohlenwasserstoffe als Kältemittel Einsatz
- Integration erneuerbarer Energien möglich
Nachteile
- Höherer spezifischer Preis als konventionelle Kompressionskältemaschinen vergleichbarer Leistungsklassen
- Höherer Platzbedarf als Kompressionskältemaschinen, was insbesondere eine Umrüstung häufig erschwert
- Relativ lange Vor- und Nachlaufzeiten beim Start und Stopp der Anlagen nötig
Anwendungsbeispiele
- Erhöhung der Volllaststunden von KWK-Anlagen (z.B. im Sommer wenn dort wenig Wärmebedarf besteht)
- Nutzung von Abwärme zur Kühlung anderer Prozesse
- Kühlung mit Wärme aus Solarthermie (bietet sich an, wenn Kühlbedarf proportional zur Sonneneinstrahlung)
Literaturverzeichnis
- absorptionsmaschine.de: Allgemeine Betrachtung und Grunddaten, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- absorptionsmaschine.de: Mehrstufige Ausführung (effect), zuletzt geprüft am 26.07.2019
- aee.at: Bilder für Zeitungen, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- bhkw-infozentrum.de: Grundlagen der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, zuletzt geprüft am 26.07.2019
- bkwk.de: Kraft-Wärme-Kopplung in der Industrie, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- dbu.de Energetisch und wirtschaftlich optimierte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung – Abschlussbericht
- eurammon.com: Natürliche Kältemittel – aktuelle Entwicklungen und Trends, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)
- ffegmbh.de (2014): Faktenblatt Kälteerzeugung in Kombination mit Wärmeerzeugungssystemen, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)
- IHK (2017): Energieeffizienz Absorptionskaeltemaschinen, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)
- merckgroup.com: MERCK Sicherheitsfatenblatt, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)
- Müller, Claudio (2008): Leistungszahlen für Kälte-, Klima- und Wärmepumpensysteme. friscaldo, vol. 1, pp. 31-33, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)
