Technologie

Thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen

eQrima entwickelt und implementiert Lösungen im Bereich thermisch angetriebener Wärmepumpen (AWP), Kältemaschinen (AKM) und Wärmetransformatoren (AWT).
Ziel ist die effiziente Nutzung und Aufwertung vorhandener Wärmequellen in industriellen Prozessen und Energiesystemen.

Grundlagen der
Absorptionswärmepumpen und -kältemaschinen

Absorptionswärmepumpen und –kältemaschinen nutzen thermische Energie, also Wärme, als Hauptantriebsquelle und eignen sich daher perfekt zur Nutzung von Abwärme oder ungenutzter Energie.

Als Arbeitsstoffe kommt häufig die Stoffpaarung Wasser-Lithium-Bromid zum Einsatz. Wasser ist hierbei das Kältemittel und wässrige Lithium-Bromid-Lösung (LiBr) das Sorbent. Das natürliche Kältemittel Wasser (R718) ist ebenso wie das Sorbent (WGK1) unbedenklich.

Der Prozess läuft in der Regel im Unterdruck bzw. leichtem Überdruck ab, sodass keine besonderen technischen Anforderungen z.B. durch die Druckgeräterichtlinie erfüllt werden müssen. Absorptionswärmepumpen und –kältemaschinen sind sehr leise im Betrieb und haben bei regelmäßiger Wartung eine hohe Lebensdauer, da sie nur wenig bewegte Teile beinhalten.

Eine einstufige Absorptionswärmepumpe oder –kältemaschine hat stets 4 Hauptkomponenten: Verdampfer, Absorber, Kondensator und Desorber.

Der Verdampfer nimmt Wärme auf niedrigem Temperaturniveau auf z.B. aus der Niedertemperaturquelle oder dem Kälteverbraucher.
Das dadurch verdampfende Kältemittel wird im Absorber durch die LiBr-Lösung absorbiert und zum Desorber gepumpt.
Dort wird das Kältemittel mithilfe der Antriebswärme ausgetrieben, im Kondensator verflüssigt und anschließend zum Verdampfer zurückgeführt.
Die LiBr-Lösung wird vom Desorber zurück in den Absorber geleitet.
Die an Absorber und Kondensator freiwerdende Wärme ist die Summe aus Antriebswärme und Wärmequelle und steht dem Verbraucher auf einem nutzbaren Temperaturniveau zur Verfügung (Wärmepumpe) bzw. muss an die Umgebung abgegeben werden (Kältemaschine).

Absorptionskältemaschine

Die klassische Anwendung dieser Technik ist die Kälteerzeugung. Typischerweise wird hierbei als Nutzkälte Kaltwasser auf einem Temperaturniveau zwischen 5°C und 20°C für Klima- oder Prozesskühlung zur Verfügung gestellt. Als Antrieb kann Wärme ab 70°C genutzt werden. Die Abwärme der Kältemaschine muss bei Temperaturen zwischen 25°C und 45°C abgeführt werden. Für einstufige Absorptionskältemaschinen erreicht der EER (Energy Efficiency Ratio) Werte zwischen 0,75 und 0,80. Das heißt aus einer Kilowattstunde Antriebsenergie können 0,75 bis 0,80 Kilowattstunden Kälte erzeugt werden.

Absorptionswärmepumpe

Eine Absorptionswärmepumpe ist technisch identisch zu einer Absorptionskältemaschine. Die Temperaturniveaus der Wärmeströme verschieben sich lediglich auf ein höheres Niveau und der Nutzen ist nun nicht mehr die Kälte sondern die „Abwärme“ der Anlage. Typischerweise können Wärmequellen in einem Temperaturbereich zwischen 25°C und 60°C genutzt und diese auf ein Temperaturniveau zwischen 60°C und 105°C angehoben bzw. „gepumpt“ werden. Hierzu ist Antriebswärme auf einem Temperaturniveau zwischen 80°C und 160°C erforderlich. Der COP (Coefficient of Performance) einer einstufigen Absorptionswärmepumpe erreicht Werte zwischen 1,6 und 1,8. Das heißt aus einer Kilowattstunde Antriebsenergie können 1,6 bis 1,8 Kilowattstunden Nutzwärme erzeugt werden.

Absorptionswärmetransformator

Eine etwas ungewöhnliche Absorptionswärmepumpe ist der sogenannte Absorptionswärmetransformator (AWT) oder auch Absorptionswärmepumpe Typ 2 genannt. Antriebswärme und Wärmequelle sind hier identisch und liegen typischerweise in einem Temperaturbereich zwischen 50°C und 90°C. Ein Teil dieser zugeführten Wärme wird durch den Absorptionswärmetransformator abgewertet und als Abwärme zwischen 5°C und 50°C typischerweise an die Umgebung abgegeben. Der andere Teil der zugeführten Wärme wird auf ein Temperaturniveau zwischen 80°C und 120°C aufgewertet und steht als Nutzwärme zur Verfügung. Der COP (Coefficient of Performance) eines einstufigen Absorptionswärmetransformators erreicht Werte zwischen 0,4 und 0,5. Das heißt, aus einer Kilowattstunde zugeführter Wärme können 0,4 bis 0,5 Kilowattstunden Nutzwärme erzeugt werden. Sein Einsatz ist insbesondere dann interessant, wenn es sich bei der zugeführten Wärme um Abwärme handelt. Diese kann durch den AWT auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben werden, ohne zusätzlichen Energiebedarf!