Adsorptionskältemaschine
Zeolith-Wasser
Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Wärme (T < 100°C) | Kälte (T<25°C) | Wärme (T<100°C) |
Kurzbeschreibung
Eine Adsorptionskältemaschine besteht aus mindestens vier Hauptkomponenten: Dem Verdampfer, dem Kondensator, dem Adsorber 1 und dem Adsorber 2. Der Kühleffekt wird dadurch erzielt, dass ein Kältemittel im Verdampfer verdampft und somit an dieser Stelle der Umgebung Wärme entzieht. In beiden Adsorbern befindet sich ein Material (=Adsorbens), das die Eigenschaft hat, sehr viel Flüssigkeit aufnehmen (=adsorbieren) zu können. Nach dem Verdampfen wird das gasförmige Kältemittel vom Adsorbens 1 adsorbiert. Bei diesem Vorgang wird Wärme frei, die möglichst effektiv aus dem Adsorber abgeführt werden muss. Dies geschieht auf einem mittleren Temperaturniveau, häufig bei Umgebungstemperatur. Die Adsorption erfolgt solange, bis die maximale Aufnahmefähigkeit (=Beladung) des Adsorbens erreicht ist. Das Adsorbens kann erst wieder neues Kältemittel aufnehmen, nachdem es durch Zufuhr von Wärme auf höherem Temperaturniveau (der Antriebswärme) regeneriert wurde.
Um eine kontinuierliche Kälteproduktion zu ermöglichen, wird nach dem Beladungsvorgang die Verbindung zwischen Adsorber 1 und Verdampfer geschlossen und stattdessen die Verbindung zu Adsorber 2 geöffnet. Während Adsorber 2 beladen wird, kann Adsorber 1 durch die Antriebswärme regeneriert werden. Das wieder frei gewordene Kältemittel strömt in den Kondensator, der ebenfalls auf das mittlere Temperaturniveau gekühlt werden muss, um das Kältemittel wieder zu verflüssigen. Durch abwechselndes Zuschalten von Adsorber 1 und Adsorber 2 wird ein quasi kontinuierlicher Betrieb der Anlage möglich. Häufig wird Wasser als Kältemittel eingesetzt. Damit dieses bei den gewünschten Temperaturen verdampft, muss im Verdampfer Grobvakuum herrschen (z.B. 17 mbar bei 15°C Zieltemperatur).
Typische Adsorbentien sind hochporöse Stoffe wie Kieselgel (=Silikagel) und Zeolithe. Als Kältemittel wird meist Wasser eingesetzt. Außerdem gibt es auch Anlagen, die das Stoffpaar Aktivkohle/Methanol einsetzen.
(absorptionsmaschine.de), (Heinrich; Wittig; Albring; Richter; Safarik; Böhm; Hantsch 2014)
Funktionsskizze
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Die Leistungszahl einer Adsorptionskältemaschine wird aus dem Verhältnis von zugeführter Wärme zur erzielten Kühlleistung berechnet. Zu den zugeführten Wärmeströmen zählen die Desorptionswärme (
an sich und die zur Erwärmung des Adsorbens auf Desorptionstemperatur benötigte Wärme 
. Da das flüssige Kältemittel nach der Kondensation von der Temperatur des Rückkühlkreises auf die des Kältekreislaufes abgekühlt werden muss und diese Energie (
der Regel direkt von der Kühlleistung abgezweigt wird, muss dieser Energieaufwand noch von der bei der Verdampfung erzeugten Kühlleistung abgezogen werden, um 
zu berechnen. (Wang, Ruzhu; Wang, Liwei; Wu, Jingyi 2014)
![\[ COP=\frac{\.{Q}_{Verd} - \.{Q}_2}{\.{Q}_{Des} + \.{Q}_1} = \frac{\.{Q}_{k\"{u}hl}}{\.{Q}_{heiz}} \]](https://technologiematrix.synergie-projekt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f8d34bee7dc1953d4f4d1585b6020bd7_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
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).
Der COP von Adsorptionskältemaschinen liegt bei ca. 0,35–0,7 (ffegmbh.de 2014).
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Zeolith/Wasser | Silikagel/Wasser | Aktivkohle/Methanol | Anmerkungen |
| Typisches Lastprofil Energieeingang (Endenergie) |
zyklisch/getaktet („quasi-kontinuierlich“) |
zyklisch/getaktet („quasi-kontinuierlich“) |
zyklisch/getaktet („quasi-kontinuierlich“) |
Anders als andere Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen wird die Adsorptionswärmepumpe diskontinuierlich betrieben. Durch abwechselndes Zuschalten von mind. zwei Adsorbern wird ein quasi-kontinuierlicher Betrieb erreicht. (Wolf; Fahl; Blesl; Voß; Jakobs 2014) |
| Typisches Lastprofil Energieausgang (Nutzenergie) |
zyklisch/getaktet („quasi-kontinuierlich“) |
zyklisch/getaktet („quasi-kontinuierlich“) |
zyklisch/getaktet („quasi-kontinuierlich“) |
|
| Typische Anfahrzeiten | < 1 h | < 1 h | < 1 h | |
| Regelbar | Stufenlos | Stufenlos | Stufenlos | |
| Wandlungsrichtung umkehrbar | nein | nein | nein | Statt der Kühlleistung kann auch die auf Rückkühltemperaturniveau abgeführt Wärme als Nutzenergie bezeichnet werden. Dann arbeitet die Adsorptionskältemaschine als Wärmepumpe, die Wandlungsrichtung bleibt aber gleich. |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Zeolith/Wasser | Silikagel/Wasser | Aktivkohle/Methanol | Anmerkungen |
| Verfügbare Leistungsstufen/-klassen | ||||
| Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung | ja | ja | ja | |
| Nutzbarer Anteil an Verlustleistung | ja | ja | ja | |
| Typische Antriebstemperaturen | Typische Antriebstemperaturen liegen bei 55-95°C, die Rückkühltemperaturen liegen bei Umgebungstemperatur. Je kleiner die Differenz zwischen Antriebs- und Rückkühltemperatur ist desto geringer ist die Effizienz der Anlagen. Adsorptionskältemaschinen erzeugen Kälte > 0°C, da in der Regel Wasser als Kältemittel dient. (ffegmbh.de 2014) | |||
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Zeolith/Wasser | Silikagel/Wasser | Aktivkohle/Methanol | 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 | Die Investitionskosten für Adsorptionskältemaschinen liegen bei ca. 500–1.500 €/kW Kühlleistung (ffegmbh.de 2014). | |||
| Platzbedarf | Relativ hoch
Beispiele:
|
Relativ hoch
Beispiele:
|
||
Technologische Kennwerte
| Bauart | Zeolith/Wasser | Silikagel/Wasser | Aktivkohle/Methanol | Anmerkungen |
| Gefährdungspotential |
gering | gering | gering | |
| 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 Adsorptionskältemaschinen 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
Entwicklungstendenz
Es wird derzeit v.a. daran geforscht die Leistungsdichte der Anlagen zu vergrößern, damit die Anlagen kompakter gebaut werden können.
Anwendungsbeispiele
- Solare Kühlung, Zusammenfassung Anwendungsbeispiele z.B. in (Goyal; Baredar; Mittal; Siddiqui 2015)
- Kleinere mobile Anwendungen wie z.B. Campingkühlschränke (bine.info 2010)
Tabelle: Kenndaten kommerziell erhältlicher Adsorptionskältemaschinen (2015) (fahrenheit.cool 2015), (invensor.com 2015), (mayekawa.eu 2015)
| Firma | SorTech | InvenSor | Mayekawa | ||
| Produkt | eCoo 2.0 | eZea | LTC 10 | HTC 18 | AdRef-Noa |
| Stoffpaar | Kieselgel/ Wasser | Zeolith/ Wasser | Zeolith/ Wasser | Zeolith/ Wasser | Zeolith/ Wasser |
| Kühlleistung | bis 16 kW | bis 13 kW | bis 35 kW | bis 22 kW | Bis 105 kW |
| T(H) | 50–95 °C | 75–95 °C | 45–100 °C | 75–100 °C | 68 °C |
| T(M) | 22–40 °C | 22–45 °C | 20–37 °C | 2 –47 °C | 27 °C |
| T(N) | 8–21 °C | 8–21 °C | 10–25 °C | 9–25 °C | 15 °C |
| COP (max.) | 0,65 | 0,53 | 0,72 | 0,52 | 10 (1) |
| Maße (L/B/H) | 0,8 x 0,62 x 1,732 | 0,67 x 0,56 x 1,652 | 1,1 x 0,75 x 1,37 (2) | 1,1 x 0,75 x 1,37 | 3,7 x 1,5 x 2,8 |
| El. Leistung | Ø 6 W | Ø 6 W | ca. 25 W | ca. 20 W | ca.700 W |
(1) Mit Berücksichtigung der Heizleistung (2) Abhängig vom Modell
Literaturverzeichnis
- absorptionsmaschine.de: Adsorptionsmaschinen Grundprinzip, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- bine.info (2009): Kühlen und Klimatisieren mit Wärme, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- bine.info (2010): Kühlgeräte mit Zeolith und Wasser, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- fahrenheit.cool (2015): Silikagel-Kälteanlagen, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- ffegmbh.de (2014): Kälteerzeugung in Kombination mit Wärmeerzeugungssystemen, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- Goyal, Parash; Baredar, Prashant; Mittal, Arvind; Siddiqui, Ameenur R. (2015): Adsorption refrigeration technology, An overview of theory and its solar energy applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 53, pages 1389-1410, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)
- Heinrich, Carsten; Wittig, Sebastian; Albring, Peter; Richter, Lutz; Safarik, Mathias; Böhm, Ursula; Hantsch, Andreas (2014): Nachhaltige Kälteversorgung in Deutschland an den Beispielen Gebäudeklimatisierung und Industrie, Umweltbundesamt Berlin, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)
- invensor.com (2015): Informationen und Bildmaterial zum Download, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- kwkk.de (2010): Adsorptionskältemaschine (AdKM), zuletzt geprüft am 30.07.2019
- mayekawa.eu (2015): MAYEKAWA Europe, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- Müller, Claudio (2008): Leistungszahlen für Kälte-, Klima- und Wärmepumpensysteme. friscaldo, vol. 1, pp. 31-33, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)
- Wang, Ruzhu; Wang, Liwei; Wu, Jingyi (2014): Adsorption Refrigeration Technology, Theory and Application. John Wiley & Sons, New York
- Wolf, S.; Fahl, U.; Blesl, M.; Voß, A.; Jakobs, R. (2014): Forschungsbericht, Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen in Deutschland Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, zuletzt geprüft am 30.07.2019 (PDF-Download)