Absorptionswärmepumpe

Eine Absorptionswärmepumpe ( AHP ) ist eine Wärmepumpe, ^die mit thermischer Energie wie der Verbrennung von Erdgas, Dampf, solarbeheiztem Wasser, Luft oder geothermisch erwärmtem Wasser betrieben wird ^{[ 1 , 2 ].} Im Gegensatz dazu wird eine Kompressionswärmepumpe mit mechanischer Energie betrieben . AHPs sind komplexer und benötigen größere Anlagen als Kompressionswärmepumpen ^{[ 3 ]} . Insbesondere der Strombedarf solcher Wärmepumpen beschränkt sich auf das Pumpen der Flüssigkeit und häufig den Betrieb von Ventilatoren und ist daher deutlich geringer als bei Kompressionswärmepumpen ^{[ 3 ]} . Der Einsatz von AHPs beschränkt sich auf Fälle, in denen Strom extrem teuer ist oder große Mengen ungenutzter Wärme bei geeigneten Temperaturen zur Verfügung stehen und die Kühl- oder Heizleistung den Wärmeeintrag übersteigt ^{[ 3 ]} . Absorptionskältemaschinen funktionieren nach demselben Prinzip, sind jedoch nicht reversibel und können nicht als Wärmequelle dienen.

Das Wärmepumpensystem besteht aus mehreren Hauptkomponenten wie Generator, Kondensator, Verdampfer, Absorber und Wärmetauscher sowie der Saugvorrichtung und der Schutzpumpe (Lösungspumpe und Kältemittelpumpe). ^{[ 4 ]} Im einfachsten Fall werden zusätzlich fünf Wärmetauscher benötigt (einer an jeder Komponente und ein interner Wärmetauscher). ^{[ 3 ] [ 4 ]} Weitere Komponenten sind Lösungswärmetauscher, Ventile sowie die Saugvorrichtung, die Schutzpumpe (Lösungspumpe und Kältemittelpumpe) und weitere Hilfsteile. ^{[ 4 ]}

Im Kreislauf einer Absorptionswärmepumpe können Absorber , Generator und Pumpe als „thermischer Kompressor“ betrachtet werden. Der Absorber entspricht der Einlassseite des Kompressors, der Generator der Auslassseite. Das Absorptionsmittel kann als Trägerflüssigkeit angesehen werden, die das erzeugte Kältemittelgas von der Niederdruckseite des Kreislaufs zur Hochdruckseite transportiert. ^{[ 5 ]}

Da die Hauptkomponenten von Geräten, die drei Zwecke erfüllen, identisch sind, gibt es eine Wärmepumpe, die alle Betriebsmodi ermöglicht: Wärmepumpenbetrieb, Kühlbetrieb und Wärmetransformatorbetrieb. ^{[ 6 ]} Die Absorptionswärmepumpe kann im Sommer als Kühlgerät und im Winter je nach verfügbarer Wärmequelle im Wärmepumpen- oder Wärmetransformatorbetrieb eingesetzt werden. ^{[ 6 ]}

Die Leistungsfähigkeit der Absorptionswärmepumpe wird durch den Leistungsbeiwert (COP) angegeben. Der COP ist das Verhältnis der abgeführten (bei Kälte) bzw. zugeführten (bei Heizung) Wärme zur zugeführten Energie. Derzeit überschreitet die maximale Austrittstemperatur 150 °C nicht. Der Temperaturanstieg ΔT liegt üblicherweise zwischen 30 und 50 °C. Der Leistungsbeiwert für Kälte liegt zwischen 0,8 und 1,6, für Heizung zwischen 1,2 und 2,5 und für Wärmeübertragung zwischen 0,4 und 0,5. ^{[ 4 ]}

Bei der Anwendung in der Industrie müssen Absorptionswärmepumpen hinsichtlich des Energieverbrauchs optimal platziert werden und die spezifischen Gegebenheiten der Umgebung berücksichtigen. ^{[ 3 ]}

Absorptionswärmepumpen (AHP) lassen sich anhand ihrer Temperatur in zwei Kategorien einteilen. Bei Typ-1-AHP ist die Kondensatortemperatur höher als die Verdampfertemperatur ^{[ 7 ] (auch als Wärmeverstärker [ 8 ]} oder Kälteanlage ^{[ 3 ]} bezeichnet ). Angetrieben von einer Hochtemperatur-Wärmequelle, entzieht die Absorptionswärmepumpe des ersten Typs Abwärme und gibt ein Wärmemedium mit mittlerer Temperatur ab, die 30–60 °C über der Abwärme liegt ^{[ 9 ]} . Dieser Typ ist weit verbreitet und kann eine Alternative zu herkömmlichen Kompressionswärmepumpen darstellen. Der Leistungsbeiwert (COP) der Absorptionswärmepumpe des ersten Typs ist größer als 1 und liegt üblicherweise zwischen 1,5 und 2,5 ^{[ 4 ] .}

Die Wärmepumpe besteht aus Hauptkomponenten wie Generatoren, Kondensator, Verdampfer, Absorber und Wärmetauscher sowie der Saugvorrichtung, der Schutzpumpe (Lösungspumpe und Kältemittelpumpe) und weiteren Hilfsteilen. Die Luftabsaugvorrichtung entfernt das nicht kondensierbare Gas aus der Wärmepumpe und hält diese stets im Hochvakuumzustand. ^{[ 4 ]}

Bei Absorptionswärmepumpen vom Typ 2 ist die Kondensatortemperatur niedriger als die Verdampfertemperatur ^{[ 7 ]} (auch als Wärmetransformator bezeichnet ^{[ 10 ]} ). Diese Wärmepumpen nutzen die Abwärme mittlerer Temperatur intelligent und erzeugen ein Wärmeträgermedium (Heißwasserdampf) mit einer Temperatur, die 25–50 °C über der Abwärme liegt ^{[ 9 ]} . Die Wärmepumpe kann mit Abwärme niedriger Temperatur aus Produktionsprozessen oder natürlichen Quellen betrieben werden. Dadurch lassen sich Energie sparen, Emissionen reduzieren und Produktionskosten senken. Sie findet praktische Anwendung in der petrochemischen und kohlechemischen Industrie ^{[ 9 ]} . Der Leistungsbeiwert (COP) der Absorptionswärmepumpe vom Typ 2 liegt stets unter 1, typischerweise zwischen 0,4 und 0,5 ^{[ 4 ] .}

Als Arbeitsmedium dient ein Fluidgemisch. Unterschiedliche Konzentrationen des Arbeitsmediums entsprechen unterschiedlichen Temperaturen. Temperatur und Konzentration des Arbeitsmediums unterliegen einem zyklischen Wandel. Wird dem Generator Wärme zugeführt, steigt die Temperatur des Gemisches, wodurch die Konzentration der hochsiedenden Komponenten (Absorptionsmittel) zunimmt und Kältemittel freigesetzt wird. ^{[ 3 ]} Beim Vermischen des Kältemittels mit dem Absorptionsmittel im Absorber wird Wärme freigesetzt. ^{[ 5 ]} In der Absorptionsanlage können verschiedene Gemische verwendet werden, am häufigsten jedoch Wasser/Lithiumbromid und Ammoniak/Wasser. ^{[ 3 ]}

Wasser dient als Kältemittel und LiBr als Absorptionsmittel. ^{[ 1 ]} Wasser-LiBr-Systeme weisen höhere Kapazitäten auf und finden in der Industrie breite Anwendung; ihre Leistungsgrößen reichen von einigen zehn Kilowatt bis zu mehreren Megawatt. ^{[ 3 ]} Die erste Art von Lithiumbromid-Absorptionswärmepumpen nutzt eine Hochtemperatur-Wärmequelle (Dampf, Heißwasser, Heizöl, Gas) als Antriebswärmequelle, eine Lithiumbromidlösung als Absorptionsmittel und Wasser als Kältemittel. Die Niedertemperatur-Wärmequelle (z. B. Abwasser) wird recycelt und wiederverwendet.

Ammoniak dient als Kältemittel und Wasser als Absorptionsmedium. ^{[ 1 ]} Im Absorber und Generator wird die Absorption bzw. die Wirkung der wässrigen Ammoniaklösung genutzt, um Wärme abzugeben oder aufzunehmen. Im Verdampfer und Kondensator wird der Phasenübergang von reinem Ammoniak zur externen Absorption bzw. Wärmeabgabe genutzt. ^{[ 4 ]} Wie bei einer herkömmlichen Wärmepumpe kondensiert das Kältemittel (Ammoniak) im Kondensator, wobei Wärme freigesetzt wird. Nach der Expansionseinheit sinkt der Druck, und das Kältemittel verdampft, um Wärme aufzunehmen.

Ammoniak-Wasser-Wärmepumpen sind im Wesentlichen auf Wohngebäude beschränkt, da sie im kommerziellen Bereich nur in kleinen Größen (einige kW) erhältlich sind. ^{[ 3 ] [ 11 ]} Nimmt das System Wärme aus dem Wohngebäude auf, fungiert es als Kältemaschine; gibt es Wärme an das Gebäudeinnere ab, heizt es das Haus. ^{[ 12 ]}

Die Schlüsselkomponente der heute auf dem Markt befindlichen Ammoniak-Wasser-Wärmepumpen ist der Generator-Absorber-Wärmetauscher (GAX). Dieser verbessert den thermischen Wirkungsgrad der Anlage, indem er die bei der Ammoniakabsorption im Wasser freigesetzte Wärme zurückgewinnt. ^{[ 11 ]} Weitere Innovationen dieser Wärmepumpenart umfassen eine effiziente Dampfabscheidung, einen variablen Ammoniakdurchfluss, eine variable Leistung und eine emissionsarme, leistungsvariable Gasverbrennung. ^{[ 11 ]}

In verschiedenen solarthermischen Kühlsystemen werden einfache, doppelte oder dreifache iterative Absorptionskühlzyklen eingesetzt. Je mehr Zyklen, desto effizienter das System.

Im späten 19. Jahrhundert war eine Ammoniak -Wasser-Lösung das gebräuchlichste Kältemittel für Absorptionskältemaschinen . Heute ist auch die Kombination aus Lithiumbromid und Wasser weit verbreitet. Ein Ende des Systems aus Expansions- und Kondensationsrohren wird erhitzt, das andere Ende so weit abgekühlt, dass Eis entsteht. Ursprünglich wurde im späten 19. Jahrhundert Erdgas als Wärmequelle genutzt. Heute kommt in Absorptionskühlschränken für Wohnmobile Propan zum Einsatz. Innovative Solarthermie- Kollektoren können ebenfalls als moderne, „kostenlose“ Wärmequelle dienen.

Effiziente Absorptionskühlschränke benötigen Wasser mit einer Temperatur von mindestens 88 °C. Gängige, kostengünstige Flachkollektoren erzeugen nur Wasser mit etwa 70 °C. Mehrere erfolgreiche Projekte in den USA, Asien und Europa haben jedoch gezeigt, dass speziell für Temperaturen über 93 °C entwickelte Flachkollektoren (mit Doppelverglasung, verbesserter Rückseitenisolierung usw.) effektiv und wirtschaftlich sein können. ^{[ 13 ]} Auch Vakuumröhrenkollektoren sind eine Option. Konzentrierende Solarkollektoren, die für Absorptionskühlschränke benötigt werden, sind in heißen, feuchten und bewölkten Umgebungen weniger effektiv, insbesondere bei unangenehm hohen Nachttemperaturen und hoher relativer Luftfeuchtigkeit . Wasser, das auf deutlich über 88 °C erhitzt werden kann, lässt sich speichern und bei fehlender Sonneneinstrahlung nutzen.

Absorptionskältemaschinen werden seit über 150 Jahren zur Eisherstellung eingesetzt. ^{[ 14 ]} Dieses Eis kann gelagert und als „Eisspeicher“ zur Kühlung bei fehlender Sonneneinstrahlung genutzt werden, wie beispielsweise 1995 im Hotel New Otani Tokyo in Japan. ^{[ 15 ]} Mathematische Modelle zur Berechnung der Leistungsfähigkeit von thermischen Energiespeichern auf Eisbasis sind öffentlich zugänglich . ^{[ 12 ]}

Flaches Grundwasser bietet bedeutende Anwendungsmöglichkeiten für die Energiegewinnung. Mithilfe von Kältetechnik kann überhitztes Geothermalwasser zur Erzeugung von Kältemittel für Klimaanlagen genutzt werden. Entsprechende Wärmepumpentechnologien können geothermische Ressourcen bei verschiedenen Temperaturen nutzen und so den Energieverbrauch von Wohn- und Gewerbegebäuden erheblich senken. ^{[ 4 ]} Die Nutzung von überhitztem Geothermalwasser als Antrieb ermöglicht Energieeinsparungen und wirtschaftliche Vorteile sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen. ^{[ 4 ]} Bei Niedertemperatur-Wärmequellen, die durch eine geringe Menge an Hochtemperatur-Wärmequellen angetrieben werden, können sowohl Kalt- als auch Warmwasser erzeugt werden. ^{[ 4 ]}

Erdgas ist eine gängige Wärmequelle, daher werden Absorptionswärmepumpen manchmal auch als gasbetriebene Wärmepumpen bezeichnet. ^{[ 11 ]} Wenn Wärmepumpen mit anderen Wärmequellen (z. B. Abwärme) im Heizbetrieb laufen, können sie den erhöhten Heizbedarf in sehr kalten Perioden durch zusätzliche Gaskessel effizient decken. ^{[ 6 ]}

Beispielsweise kann das Abwärmenutzungssystem Kühl- und Heizlasten decken, indem es im Kühl- und Wärmewandlermodus arbeitet. Es ist möglich, dass ein einziges Gerät den städtischen Bereich über den größten Teil des Jahres ressourcenschonend mit Abwärme versorgen kann. ^{[ 6 ]}

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