Grundlagen der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

 

Ein Problem der Kraft-Wärme-Kopplung stellt der nicht vorhandene Raumwärmebedarf in den Sommermonaten dar. Durch Nutzung der Wärme in wärmegetriebenen Kältemaschinen kann die Jahresnutzungsdauer erheblich erweitert und dadurch die Wirtschaftlichkeit eines BHKW verbessert werden.

Bild einer Absorptionskälte-Anlage
 

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die verschiedenen Kälteanlagen:

Übersicht über Kälteanlagen-Technologien

Kompressionskälteanlage

Absorptionskälteanlage

Adsorptionskälteanlage

DEC1-Anlage

Physikalischer Kühlungs-Effekt

Verdampfen des Kältemittels (Kaltdampfprozeß)

Verdunstung des Kältemittels

Verdichtungsprinzip

mechanische Verdichtung

thermisch, Absorptionslösungskreislauf

thermisch, Adsorption von Wasserdampf

sorptive Entfeuchtung

Antriebsenergie

Elektroenergie

Wärmeenergie
85-180 °C

Wärmeenergie
55-95 °C

Wärmeenergie
50-100 °C

Kältemittel

chlorierte oder chlorfreie Kohlenwasserstoffe

Wasser mit LiBr oder NH3 als Absorptionsmittel

Wasser mit Feststoff als Adsorptionsmittel (SILICA-Gel)

Wasser

spezifischer Primär-
energieverbrauch2

1,3-1,65

0,6-1,0

0,4-0,6

0,3

1 dessicative and evaporative cooling
2 Der spezifische Primärenergieverbrauch errechnet sich aus dem Verhältnis der erhaltenen Kältemenge zur eingesetzten elektrischen bzw. thermischen Energie. Eine Zahl von 0,6-1,0 (Absorptionskälteanlage) bedeutet, daß je eingesetzter Kilowattstunde Wärme 0,6-1,0 Kilowattstunden Kälte bereitgestellt werden.

Absorptionskältemaschine

Das Funktionsprinzip des Absorbers beruht auf der Tatsache, daß Wasser bei einem Luftdruck nahe dem Vakuum bei niedrigen Temperaturen (um 5 °C) verdampft. Um den Verdampfungsprozeß aufrechtzuerhalten, wird der Wasserdampf mit Hilfe einer Lithiumbromid- oder Zeolithlösung kontinuierlich abgesaugt. Die durch diesen Vorgang verdünnte Salzlösung muß durch Verdampfen des Wassers eingedickt werden. Dies geschieht bei der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung im sogenannten Austreiber mit Hilfe der BHKW-Wärme. Der dadurch entstehende Wasserdampf wird im Kühlturm kondensiert und das kondensierte Wasser wieder dem Verdampfer zugeleitet. Damit schließt sich der Absorberkreislauf. Das Verhältnis von Heizleistung zu Kälteleistung ist im Bereich von 1,4:1 anzusiedeln.

Prinzip einer Absorptionskältemaschine
 

Absorptionskälteaggregate sind durch das Fehlen mechanisch bewegter Teile nahezu wartungsfrei. Während die Nutzungsdauer einer Kompressionskältemaschine mit 15 Jahren angegeben wird, erreichen Absorptionskälteanlagen meist 20 Jahre. Im Gegensatz zur Kompressionskältemaschine benötigt der Absorber fast keine elektrische Energie und enthält keine klimaschädigende Kohlenwasserstoffe als Kältemittel.

Der Platzbedarf für eine Absorptionskälteanlage ist jedoch deutlich größer als für ein Kompressionskälteaggregat. Dies kann insbesondere bei der Ersetzung einer bestehenden Kompressionskälteanlage durch eine wärmegetriebene Kälteanlage zu Schwierigkeiten führen. Durch die Nutzung von Plattenwärmetauscher sind die neueren Absorptionskälteaggregate etwas kompakter.

Der Abwärmestrom aus dem thermischen Verdichter ist zwischen 70 °C und 100 °C warm und kann unter Umständen noch für weitere Heizaufgaben verwendet werden.

Neben der Klimakälteerzeugung können Absorptionskältemaschinen auch zur Prozeßkältebereitstellung genutzt werden. Um die dabei geforderten Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu erreichen, wird das Stoffpaar Ammoniak/Wasser für den Kälteprozeß benutzt.

Der Einsatz von sogenannten heißgekühlten Motoren, deren Wasservor- und -rücklauftemperatur über 100 °C beträgt, führt aufgrund der Erhöhung der Absorberaustreibertemperatur zu einer kompakteren Bauweise der Kältemaschine, hat aber keine Auswirkungen auf deren Wirkungsgrad. Stattdessen sinkt der elektrische Wirkungsgrad und die nutzbare Wärmemenge der BHKW-Aggregate.

Adsorptionskältemaschine

Bei der Adsorptionskältemaschine wird Kältemittel unter Wärmezufuhr aus einem Adsorbens ausgetrieben. Diese Technologie ist bei weitem nicht so verbreitet wie das Absorptionskälteverfahren.

DEC-Verfahren

Beim DEC-Verfahren sind alle Aufgaben der Luftaufbereitung, die in einer klimatechnischen Anlage ablaufen, wie z. B. Entfeuchten, Kühlen und Nachheizen, im Prozeß integriert. Dabei wird der Verdunstungseffekt von Wasser zur Kühlung der Luft verwendet.

Markus Gailfuß, BHKW-Infozentrum Rastatt

 

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