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Sparsam: Die Absorptionskälte­anlagen Biene und Hummel Bild: W. Baelz & Sohn
Energieeffizienz

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Energiesparend mit Wärme kühlen

Text: Prof. Uwe Bälz, Dr. Renate Kilpper, W. Bälz & Sohn
Überhitzte Räume mit Kompressionskältemaschinen zu kühlen, kostet viel Energie. Eine Alter­native stellen moderne Absorptionskälteanlagen dar: Wesentlich kleiner und leichter als die bisher am Markt vorhandenen Modelle arbeiten sie mit thermischer Kälteerzeugung sehr energieeffizient.

Es wird immer heißer: Klimawandel, wärmere Sommertage, Hitzewellen – aber auch lichtdurchlässige Bauweise mit viel Glas –, bringen uns immer mehr ins Schwitzen. Zusätzlich steigern moderne Rechenzentren, Telefonanlagen, Serverräume, Produktionshallen und mehr die interne Wärmelast.

Die Raumkühlung wird auch in Deutschland immer bedeutsamer. Nicht zuletzt, weil Klimatisierung zu Hause, am Arbeitsplatz, aber auch in allen anderen Räumen wesentlich zum Wohlbefinden des Menschen beiträgt.

Kühlbedarf in Deutschland

Während Klimaanlagen in vielen Ländern zum Alltag gehören, hat Deutschland noch großen Nachholbedarf. Grund dafür ist, dass hierzulange die natürliche Lüftung mit kühler Außenluft, vor allem in kühlen Nächten, lange Zeit für die Gebäudekühlung ausreichend war. Die höheren internen Lasten durch die technische Gebäudeausstattung, den Fassadenaufbau und die Belegungsdichten in modernen Gebäuden führen jedoch dazu, dass das nicht mehr genügt.

Eine Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes schätzt eine Steigerung des Kühlungsbedarfs von 25 Prozent bei Wohngebäuden und 50 Prozent bei Nichtwohngebäuden in den nächsten 20 Jahren, wobei der Kühlbedarf bei Nichtwohngebäuden noch etwa 100-mal höher angesetzt ist als für Wohngebäude. Es muss demnach in Zukunft mit einer deutlichen Zunahme der CO2-Emission auch durch Gebäudekühlung gerechnet werden, wenn sich die Art der Kühlung nicht ändert.

Energieeinsparung beim Kühlen

Kompressionskältemaschinen haben den größten Anteil an Kühlungsapparaten, verbrauchen aber enorme Mengen an Strom und das meist zu Spitzenlastzeiten. Das ist weder umweltfreundlich noch kostengünstig.

Eine gute Alternative stellen Absorptionskältemaschinen dar. Sie verbrauchen eine vernachlässigbare Menge an Strom, können mit dem Kältemittel Wasser betrieben werden und produzieren Kälte durch Wärme.

Das ist besonders im Sommer interessant, wenn Wärme aus Müllverbrennungs- und Blockheizwerken sowie Fern- und Solarwärme vorhanden sind, aber nicht benötigt werden. Vorhandene KWK-Kapazitäten (Kraft-Wärme-Kopplung) können besser genutzt und die Kraftwerke rentabler betrieben werden, wenn die anfallende Wärme Abnehmer findet.

Absorptionskältemaschine 2.0

Ganzjährig vorhandene Überschusswärme wie die Abwärme von Industrieanlagen, deren Nutzung für Industrieunternehmen interessant wäre, hat oft keine allzu hohen Temperaturen. Kühlanlagen, die Wärme mittlerer Temperaturen nützen können, sind deshalb besonders gefragt.

Ein solches Gerät ist die neue Absorptionskälteanlage (AKA) von Baelz. Hier dient das umweltfreundliche, ungiftige Stoffpaar Lithiumbromid und Wasser der Kälteerzeugung.

Die Herstellung und Weiterentwicklung der Absorptionskältemaschine erfolgte bei BS Nova (Vertrieb Firma Baelz) in enger Zusammenarbeit mit der TU Berlin und anderen Instituten und Verbänden [1, 2, 3] mit dem Ziel einer Anlage geringer Größe, geringen Gewichts und mittleren Leistungsbereichs.

Entstanden ist eine Anlage (siehe Tabelle), die so kompakt ist, dass keine Schwierigkeiten bei Einbau und Transport entstehen. Die wesentlich geringere Menge an Kälte- und Lösungsmittel als bei anderen Geräten spart außer Gewicht auch Kosten. Die Namen Biene und Hummel beziehen sich auf die Farbgebung und auf die unterschiedliche Größe. Die teilmodulare Bauweise der Geräte mit 50 oder 160 kW deckt einen Leistungsbereich von etwa 50 bis 320 kW ab. Geplant ist, das Konzept auf eine 500-kW-Anlage (Hornisse) zu erweitern.

Während mehrjähriger Feldtests an 25 Anlagen zeigte sich, dass besonders beim Einsatz der AKA in Fernwärmenetzen stark variierende Volumenströme im Temperaturbereich von 55 °C bis 100 °C zu berücksichtigen sind. Diese sehr unterschiedlichen Voraussetzungen können von den modernen AKA genutzt werden. Als eine sehr positive Eigenschaft zeigte sich ihre Fähigkeit, in der lastabhängigen Fahrweise sowohl mit unterschiedlichsten Temperaturen als auch unterschiedlichsten Volumenströmen umzugehen.

Eine Volumenstromminderung ist bei Teillast für die Rücklauftemperatur ins Fernwärmenetz oft günstig. Auch die Temperaturspreizung im Antriebskreis von Biene und Hummel kann groß gewählt werden, und es lassen sich Kaltwassertemperaturen bis 5 °C erreichen. Bei der Kälteleistung im Verhältnis zur aufgewendeten Energie (Coefficient of Performance, COP) ergaben sich im Feldtest sehr gute Werte von bis zu 0,8. Bei Integration der AKA in vorhandene Nutzungsstrukturen, im Sanierungsfall und im Neubau, können die Geräte nicht nur als Kälteanlage, sondern auch als Wärmepumpe verwendet werden, wobei sie bis zu 60 °C Nutzwärme zur Verfügung stellen können.

Die Rückkühlungstemperaturen, deren oberes Limit in dieser Technologie bisher bei 35 °C bis 40 °C lag, konnten durch Reduzierung von Wärmebrücken und Optimierung der Wärmeübertrager bis auf etwa 50 °C erhöht werden. Das ermöglicht den Einsatz von trockenen Rückkühlwerken, was im Vergleich zu bisherigen Kältemaschinen einen deutlichen Vorteil bedeutet.

Kühlen in der Industrie

Der geschätzte 100-mal höhere Kühlbedarf bei Nichtwohngebäuden betrifft Gewerbe und Industrie – und da besonders die Chemische Industrie. Sie gehört mit ihrem enormen Verbrauch an Prozesswärme zu den größten Energieverbrauchern in Deutschland: Sie benötigt etwa 12,5 Prozent der gesamten Primärenergie des Landes.

Bei Produktionsanlagen, besonders bei Industrieöfen, fallen entsprechend große Mengen an Abwärme an. Letzteres gilt branchenübergreifend beispielsweise für die Produktion von zahlreichen Kunststoffen, Verbundwerkstoffen und vielen anderen Stoffen, die eine Wärmebehandlung benötigen.

Aus wirtschaftlichen Gründen, aber auch im Blick auf Umwelt und Image, nimmt das Interesse an der Nutzung von Abwärme zu. Ab 120 °C oder 140 °C ist Stromgewinnung möglich. Die beträchtlichen Abwärmemengen unterhalb dieser Temperaturen, die auch in Pharma- oder Nahrungsmittel-Industrie anfallen, sind etwa Abwässer aus Wasch-, Färbe- und Kühlungsprozessen, Wärme von Motoren, Abluft aus Produktionshallen, Absaug- oder Kühlanlagen.

Bisher wird nur ein sehr kleiner Teil des Abwärmepotenzials genutzt. Die Gründe dafür sind vielfältig. Häufig fehlt es jedoch an der Information über die technischen Möglichkeiten von Wärmenutzung. Die AKA, die Wärme bereits ab 55 °C nutzen kann, könnte auch in der Industrie aus zahlreichen vorhandenen Wärmequellen energieeffizient Kälte produzieren.

Kälte über Heizungs-Infrastruktur verteilen

Die thermische Kälteerzeugung mit Absorptionskältemaschinen durch energetisch sinnvolle Wärmerückgewinnung dient unserem Komfort und unserer Gesundheit auf umweltschonende Weise. Die Nutzung von überschüssiger Wärme mittlerer Temperatur, die besonders im Sommer anfällt, macht erneuerbare Energien wie Solarthermie und Wärme aus Blockheizkraftwerken sowie Abwärme aus Gewerbe und Industrie ganzjährig nutzbar

Die Abnahme von Fernwärme im Sommer trägt zum wirtschaftlicheren Betreiben von Kraftwerken für die Stromerzeugung bei.

Biene und Hummel können gut in bereits bestehende Gebäude integriert werden und die Kälte sogar über bestehende Heizungsverteilsysteme in die entsprechenden Räume bringen. Wenn sie als Wärmepumpe laufen, gilt das ebenso für die Wärme. Dass sie sich schon mit niedrigen Temperaturen ab 55 °C antreiben lassen, verschwindend geringe Mengen Strom benötigen und praktisch lautlos laufen, macht sie besonders interessant.

Weitere Informationen

[1] Feldtest Absorptionskältetechnik für KWKK-Systeme: http://goo.gl/BzAlwF [2] „Kleiner, leichter, flinker“, Medieninformation Nr. 167/2013: www.tu-berlin.de/?137325 [3] Feldtest Absorptionskälteanlagen für KWKK-Systeme (FAkS): www.eta.tu-berlin.de/index.php?id=135353

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