Thermisch angetriebene Kühlsysteme

Energiewende und Sektorenkopplung sowie der sich daraus ergebende stark ansteigende Bedarf an regenerativ erzeugtem Strom für die Wärmewende und Elektromobilität erfordern einen weitaus größeren Fokus auf Energieeffizienztechnologien. In Deutschland wird für die Kälteerzeugung immerhin 15 % des Strombedarfs benötigt werden – Tendenz stark steigend. Ein Lösungsansatz ist daher die Verwendung von thermischer Kälte.

Die klassische Kälteerzeugung gerät durch die F-Gase Verordnung zunehmend unter Druck. Die Verfügbarkeit der gängigen Kältemittel wird auch in 2021 weiter eingeschränkt, womit weitere drastische Preissteigerungen zu erwarten sind. Immer dann, bei einem Kühlbedarf auch ungenutzte Wärmepotenziale vorhanden sind, ist die Verwendung von thermischer Kälte eine perfekte Lösung, um nennenswert Strom einzusparen und auf klimaschädliche Kältemittel zu verzichten.

Die noch nicht flächendeckend bekannte Adsorption setzt auf das Kältemittel Wasser und feste Trocknungsmittel wie Silikagel und Zeolith. Die Porösität dieser Materialien saugt das Wasser in einer Vakuumkammer an, wodurch die Verdampfung und somit der Kälteerzeugungsprozess ausgelöst wird. In einer alternierend laufenden Kammer wird parallel desorbiert, also Wasser mittels Wärme aus dem Adsorbens ausgetrieben. So regeneriert, steht es in der nächsten Phase wieder zur Adsorption zur Verfügung. Mit diesem Kreisprozess wird kontinuierlich Kälte erzeugt.

Ideal für kleine und mittlere Lasten

Innerhalb der thermischen Kälte kann die Adsorption besonders da punkten, wo kleine bis mittlere Lasten abzudecken sind, hohe Teillastfähigkeit und Modulation gefragt sind sowie besonders hohe Schadstofffreiheit, Wartungsarmut und ein langlebiger, robuster Lauf gewünscht sind. Ein weiterer Vorteil der Adsorption ist zudem, dass die Technologie auch in Verbindung mit trockener Rückkühlung funktioniert.

Ein thermisch angetriebenes Kühlsystem hat einen Hochtemperatur- oder Antriebskreislauf, eine Mitteltemperatur- oder Rückkühlseite sowie einen Niedrigtemperaturkreislauf. Letzterer ist üblicherweise auch die Nutzungsseite.

Je nach verwendetem Arbeitspaar ergeben sich Antriebstemperaturbereiche, innerhalb derer ein Trocknen des Adsorbens und damit ein Betrieb der Anlage möglich ist. Auch das Kältemittel Wasser setzt gewisse Limitierungen an den Verdampfungspunkt und damit an die sinnvoll erreichbaren Kaltwassertemperaturen. Insbesondere die Rückkühlung bedarf besonderer Beachtung, da sie vom verwendeten Adsorbens abhängig ist und sich nicht ganz so variabel wie bei der Kompression gestalten lässt. Generell lässt sich sagen: Je höher die Antriebs- und die Kaltwassertemperatur sind und je niedriger die Rückkühltemperatur, umso besser ist die Effizienz und umgekehrt.

Als Adsorbens kommen unterschiedliche Stoffe infrage: Für Silikagel spricht eine große Bandbreite an niedrigen verwendbaren Antriebstemperaturen bzw. große Spreizungen. Bei Zeolith müssen die Antriebstemperaturen höher sein. Dafür sind die erreichbaren Kaltwassertemperaturen niedriger und die Rückkühlstabilität deutlich besser.

Entwicklungs- und Preissprünge zu erwarten

Obwohl die Adsorptionskühlung – auch dank guter Förderprogramme von BAFA und KfW – immer mehr Verbreitung findet, liegen die Stückzahlen bei Weitem nicht auch nur in der Nähe der Kompressionstechnologie und somit sind auch die Preise deutlich höher. Aber auch hier sind Entwicklungs- und Preissprünge zu erwarten.

Zu beachten ist bei der Auslegung der Adsorptionskältemaschine (AdKM) deshalb, dass – ähnlich wie bei der KWK – eine gute Auslastung erreicht wird. Nur so lassen sich kurze Amortisationszeiten erreichen. In vielen Fällen ist eine Auslegung auf Grundlast in Kombination mit Kompressionskälte zur Abdeckung der Spitzenlast die wirtschaftlichste Variante. Oft kann dazu ein Bestandssystem herangezogen werden, dessen Lebensdauer und Restnutzung so verlängert wird. Auch das ist nachhaltig.

Wenn es diese Bestandsysteme nicht gibt, können Backups natürlich nachgerüstet/neu erstellt werden oder je nach System, unterschiedliche Varianten von Speichern in Erwägung gezogen werden. In kleineren Projekten kann der Kompressionsteil direkt in die AdKM integriert werden. So entstehen Hybridmaschinen in unterschiedlichen Ausführungen, Größen und Varianten, die mit einer gemeinsamen Regelung und Peripherie ausgestattet sind. Das reduziert den Planungs- und Platzaufwand deutlich.

Verschiedene Varianten der Verschaltung der internen Module einer Adsorptionskältemaschine im Antriebskreislauf ermöglichen eine Optimierung der Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf. Im Kaltwasserkreislauf können durch die optimale Steuerung von AdKM und integriertem Kompressor die erreichbaren Temperaturen optimiert und erweitert werden.

Die Ursprungsidee zur Verwendung von Adsorptionskälte in Europa um die Jahrtausendwende bestand darin, solare Kühlung zu betreiben. Dafür eignet sich die Adsorption besonders gut, da diese Technologie auch bei niedrigen oder schwankenden Antriebstemperaturen eingesetzt werden kann. Auch heute ist es immer noch sinnvoll, sommerliche Überkapazitäten von Kollektoren zu verwenden, die zur Heizungsunterstützung und Brauchwassererzeugung ausgelegt sind.

Dafür eignen sich auch kleinere Projekte – bis hin zum Einfamilienhaus. Weitaus häufiger ist die Kombination mit einem BHKW. Diese finden sich häufiger in Gewerbebetrieben, aber auch zunehmend in Mehrfamilienhäusern und Quartierslösungen. Wirtschaftlich darstellbar sind bereits BHKWs in der 5-kW_el-Klasse und größer (Micround Mini-BHKW). Bis ca. 50 kW_el sind Adsorber aufgrund der verfügbaren Antriebstemperaturen praktisch konkurrenzlos. Erst wenn die Motoren größer ausgelegt sind, beginnt auch der sinnvolle Einsatz von Absorbern.

Zum Unterscheid: Absorber verwenden rein flüssige Arbeitspaare – meistens Wasser und Lithiumbromid, oder auch Ammoniak und Wasser. Hier liegt ein kontinuierlicher Kreisprozess zugrunde, wohingegen die Adsorption auf einem Phasenumkehrprozess basiert.

Verwendung von thermischer Kälte in der Gebäudekühlung

Wenn Gebäudekühlung die Aufgabe ist, kommen aufgrund der längeren Laufzeiten und geringeren Peaks häufig Flächenkühlsysteme zum Einsatz. Grundsätzlich geht auch Luft als Medium, dann aber meist mit dem Adsorbens Zeolith und/oder als Grundlast mit Spitzenlast Backup.

Fast schon ein Klassiker ist die Serverraumkühlung. Wenn diese im Objekt vorhanden ist, dann lohnt sich die Integration aufgrund der Laufzeiten und Wassertemperaturen immer. Auch die Tatsache, dass Adsorptionssysteme auf effiziente Rückkühler angewiesen sind, kommt der Freikühlung zugute. Diese ist bei manchen Herstellern standardmäßig an Bord und ermöglicht die Wärmenutzung des BHKWs in der Heizperiode mit maximal effizienter Freikühlung sowie beliebige Stromproduktion bei aktiver Adsorptionskühlung.

Ein Sonderfall ist die Nutzung der in einem Rechner entstehenden Wärme als Antrieb. Dies funktioniert beispielsweise bei wassergekühlten CPUs in HPC (High Performance Computer). Voraussetzung dafür ist eine nennenswerte Wärmemenge/Rechnergröße. Im Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching/München wurden in den letzten zehn Jahren mehrere dieser Anlagenkonzepte umgesetzt. Das Letzte und Größte aus dem Jahr 2019 verwendet über 1 MW Wärme auf dem Niveau von 52 °C. Diese kühlt die Computer, spart also diese Kühlleistung, und produziert damit über 600 kW Kälte, welche wiederum Festplatten und Netzteile sowie das Gebäude kühlt. In vielerlei Hinsicht ist das Projekt ein Superlativ. Es geht aber auch viel kleiner – wenn das Computerrack mit eingebauter AdKM das Büro kühlt, statt es aufzuheizen.

Fazit und Schlussbemerkung

Das größte Potenzial der Technik liegt in der Verwendung von industrieller Abwärme. Diese sinnvoll zu verwenden ist auch wirtschaftlich hochinteressant. Auch hier ist die Adsorption aufgrund der Flexibilität bei den Temperaturen sowie der Zuverlässigkeit und Wartungsarmut weiter auf dem Vormarsch. Für Abwärme aus Drucklufterzeugern sind AdKM’s im Sommer oft die einzige und wirtschaftlichste Verwendungsmöglichkeit.

Bilder: Fahrenheit GmbH

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