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Lehrveranstaltung
Erneuerbare Energien und
energieeffiziente Technologien
Prof. Dr.-Ing. Mario Adam
E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz
Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Fachhochschule Düsseldorf
Thema: Sorptionstechnik für Wärmepumpen,
Kältemaschinen, Energiespeicher
adam
Sorptionstechnik 1
Arten von Wärmepumpen / Kältemaschinen
Strom als Antriebsenergie
Wärme als Antriebsenergie
Strom aus dem Stromnetz oder
regenerativ erzeugt z.B. mit
Photovoltaik, Wind/Wasserkraft
z.B. aus Verbrennungsabgasen,
Solarkollektoren, Abwärme
(hilfsweise elektrische Beheizung)
konventionelle Kühl-/Gefriergeräte
bzw. Wärmepumpen
mit mechanischen Verdichtern,
angetrieben durch Elektromotor
(auch wenige Gerätetypen mit
Verbrennungsmotor sind am Markt)
Absorptions-Prozesse
(mit Flüssigkeiten als Absorbens; erste
Kältemaschinen im 19. Jahrhundert;
Hotel-/Campingkühlschränke)
Adsorptions-Prozesse
(mit Feststoffen als Adsorbens)
einfache Camping-Kühlboxen mit
Peltier-Elementen („Metallrippen“
im Boxendeckel)
Desiccant Cooling (DEC)
(nur für Kühlung von Luft geeignet)
Dampfstrahl-Prozesse
(nur für große Leistungen, selten)
adam
Sorptionstechnik 2
Funktionsprinzip von Wärmepumpe / Kältemaschine
Medium mit
mittlerer Temperatur Tmittel
Beispiel: Kühlschrank
Wärmepumpe
Aufstellraum
(Küche)
Heizung
Warmwasser
Energie („Wärme“)
= Antriebs- + Kälteenergie
mechanische
Verdichtung
(Kreis-)
Prozess
z.B. Elektro-Motor
(wie im Haushaltskühlschrank)
Antriebsenergie
Wärme hoher
Temperatur Thoch
z.B. Gasbrenner
(wie im Campingkühlschrank)
Energie („Kälte“)
Medium mit
niedriger Temperatur Tniedrig
KühlschrankInnenraum
adam
Erdreich,
Außenluft,
Grundwasser,
etc.
Sorptionstechnik 3
Kältekreisprozess mit mechanischer Verdichtung
„Ab-/Nutz-Wärme“
Tmittel
Kontinuierlicher Prozess mit 1 Kältemittel
(meist halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe HFKW; früher FCKW)
Kondensator
– Verdampfer:
Verdampfung mit Energie aus der
Umgebung (Sieden des Kältemittels bei
niedrigem Druck und Temperatur)
Drossel
Verdichter
AntriebsEnergie
(Elektromotor)
Kältemittel
Verdampfer
– Verdichter (z.B. mechanischer
Kolbenverdichter):
Druck- und damit Temperaturerhöhung
– Kondensator:
Verflüssigung bei hoher Temperatur,
Abfuhr von Wärme
– Drossel:
Entspannen des Kältemittels,
Druck- und Temperaturabsenkung
„Kälte“
Tniedrig
adam
Sorptionstechnik 4
Kältekreisprozess mit Wärmeantrieb - Absorption
„Ab-/Nutz-Wärme“
Tmittel
Antriebswärme
(Thoch)
Desorber
Drossel
Drossel
Kältemittel
Verdampfer
„Kälte“
Tniedrig
Gemisch, flüssig
Kondensator
Lösungspumpe
Absorber
„Ab-/Nutz-Wärme“
(Tmittel)
adam
Kontinuierlicher Prozess mit
Kältemittel + Absorptionsmittel
(meist: Wasser + Lithiumbromid,
Ammoniak + Wasser)
– Kondensator, Drossel,
Verdampfer: wie bei Prozess
mit mechanischer Verdichtung
(hier zirkuliert nur Kältemittel)
– Absorber / Desorber: Lösen /
Auskochen von Kältemittel im /
aus flüssigem Absorptionsmittel
– Leistung für Druckerhöhung
P_hydraulisch = ∆p . V_pkt
Faktor 10^3 kleiner als bei
Dampf, da Dichte von
Flüssigkeit soviel größer
– mit „Blasenpumpe“: kein Strombedarf
Sorptionstechnik 5
Absorptionsprozess im Dampfdruckdiagramm
Druck
/ mbar
Wasser + Lithiumbromid
Desorber: aufheizen,
desorbieren ab
pDesorber > pKondensator
Druck im
Kondensator
Druck im
Verdampfer
Absorber: abkühlen,
absorbieren ab
pVerdampfer > pAbsorber
TNiedrig =
TVerdampfung
TMittel =
THoch =
TKondensation,Absorptiom
adam
TDesorption
Temperatur / °C
Sorptionstechnik 6
Kältekreisprozess mit Wärmeantrieb - Adsorption
Periodischer Prozess mit Kältemittel + Adsorptionsmittel (meist: H2O+Silikagel, H2O+Zeolith)
Phase A: Verdampfung und
Adsorption (Befeuchtung)
Kältemittel
Phase B:
Aufheizung (Temp., Druck ↑)
Kältemitteldampf
„Kälte“ (Tniedrig)
Wärme (Tmittel)
KreisProzess
Phase D:
Abkühlung (Temp., Druck ↓)
Phase C: Desorption (Trocknung)
und Kondensation
flüssiges
Kältemittel
trockener
Adsorbens
feuchter
Adsorbens Wärme (Thoch)
Kältemittel
Wärme (Tmittel)
Wärme (Tmittel)
adam
Kältemitteldampf
Wärme (Thoch)
Sorptionstechnik 7
Adsorptionsprozess im Dampfdruckdiagramm
C = Wassergehalt in Silikagel
Druck 200
/ mbar
Wasser + Silikagel
Desorber: aufheizen,
desorbieren ab
pDesorber > pKondensator
100
Dampfdruck
im Kondensator
Dampfdruck
im Verdampfer
Absorber: abkühlen,
absorbieren ab
pVerdampfer > pAbsorber
10
5
0
TNiedrig =
30
TMittel =
60
TVerdampfung TKondensation,Adsorptiom
adam
THoch
90
= TDesorption
120
Temperatur / °C
Sorptionstechnik 8
• Kühlprozess für Luft
auf Basis sorptiver
Luftentfeuchtung und
Verdunstungskühlung
• Name von Desiccant =
Trocknungsmittel
Desorp- Erwär- Erwärtion
mung mung
Fortluft
Befeuchtung
mit flüss. H2O
Gebäude
Desiccant Cooling
(DEC)
Außenluft Filter
sorptive
Entfeuchtung
• Antrieb durch Wärme,
z.B. Solarenergie, im
Prozessschritt 7
8 bei
typischen Temperaturen
von 60 bis 80°C
Abküh- Befeuchtung
lung
mit flüss. H2O
Antrieb durch
Erwärmung
• eingesetzte Sorptionsmittel: festes Silikagel,
flüssiges Lithiumchlorid
Antrieb durch
Kühlung
• Blau: klassische Prozessführung zur Kühlung +
Entfeuchtung von Luft
absolute Luftfeuchtigkeit [ g H2O pro kg trockene Luft ]
adam
Sorptionstechnik 9
Wärme „pumpen“ / Kühlen mit Wärme
Wie kann das gehen?
Wirkprinzip
basiert auf Sorptionsprozessen in Zwei- oder Mehrstoffsystemen
Kältemitteldampf wird im Sorptionsmittel unter Wärmeabgabe absorbiert
("gierig aufgesaugt")
→ Vorgang läuft von selbst ab
→ Ab/Adsorber wird wärmer als Verdampfer (Temperaturhub),
dadurch lässt sich aufgenommene „Kälteenergie“ wieder aus dem Prozess
auskoppeln (Kältemaschine
Luft; Wärmepumpe
Heizungswasser)
Unterschiede zu konventionellen Kühlgeräten
(Haupt)Antriebsenergie = Wärme (statt mechanische Energie bzw. Strom)
auch periodische Prozessführung ist möglich
→ Prozesszustände werden nacheinander durch Wärmezu/-abfuhr realisiert
→ „Desorption“ und „Kälte- bzw. Wärmeerzeugung“ lassen sich zeitlich
entkoppeln (Basis für thermische Energiespeicher)
adam
Sorptionstechnik 10
Sorptionskältemaschinen - Geräte
Sorptionsgeräte = Verfahrenstechnische Apparate
Leistungsklassen
• Bis zur Jahrtausendwende nur Geräte
− kleiner Leistung bis rund 1 kW als
Hotel-/Campingkühlschränke
− großer Leistung ab rund 40 kW bis 1 MW
(Adsorption) bzw. 20 MW (Absorption) in
Klimatechnik, Lebensmittelindustrie, etc.
• Lücke dazwischen wird seitdem geschlossen
(Prototypen, Kleinserien), z.B.
− SorTech, Halle: 7,5 kW, H2O/Silikagel
− Invensor, Berlin: 10 kW, H2O/Silikagel
− EAW, Westenfeld: 15 … 200 kW, H2O/LiBr
− Yazaki, Japan: ab 17,5 kW, H2O/LiBr
− Pink, Österreich: 10 kW, NH3/H2O
− Robur, Italien: 17 kW, NH3/H2O
− Climatewell, Schweden: 10 kW, H2O/LiCl
EAW
SorTech
Bildquellen, Gerätedaten: Hersteller
adam
Sorptionstechnik 11
Sorptionskältemaschinen COP, Kälteleistung
Am Beispiel der Yazaki WFC-SC05
Coefficient of Performance
COP = QKälte QAntrieb
TMT, TNT: Eintrittstemperaturen
abhängig von
•
•
•
TNT im Kältekreis (Verdampfer)
TMT im Rückkühlkreis
(Kondensator und Absorber)
THT: im Antriebskreis (Generator)
Anmerkung: mehrstufige Geräte
(Abwärme 1. Stufe = Antrieb 2. Stufe)
• COP > 1 möglich (1,0…1,4)
• Antriebstemperatur > 140°C
( konzentrierende Kollektoren,
für Deutschland uninteressant)
Quelle: Adam, Lohmann: KI, Heft 1-2/2014, Seite 26-30
adam
Sorptionstechnik 12
Sorptionskältemaschinen - Beispielhafter Energiefluss
Antriebswärme
(Aufwand)
SorptionsProzess
10 kW
ca. 80°C
COPth = 0,4…0.8
Kälteenergie
(Nutzen)
4…8 kW
ca. 10°C
= 4…8 kW Nutzen
/ 10 kW Aufwand
Ab-/Nutz-Wärme
14…18 kW
ca. 30°C
• Kältemaschine:
Nass-/Trockenkühlturm,
Schwimmbad,
Erdsonde, etc.
• Wärmepumpe:
Heizung, Warmwasser, etc.
Elektrische Hilfsenergie (Aufwand), COPel ~ 10
COP (Coefficient of Performance) = Wirkungsgrad
COPth =
Kälte
Antriebswä rme
COPel =
adam
Kälte
elektr. Hilfsenergie
Sorptionstechnik 13
Zusammenfassung - Kältemaschinen
Absorption
Adsorption
DEC
Kompression
H2O/LiBr
Ammoniak/H2O
Wasser/Silikagel
Wasser/Zeolith
Luft/Silikagel
Luft/Zeolith
-
Kälteleistung
bis 20 MW
bis 1 MW
15 – 300 kW
bis 10 MW
Antriebstemp.
70-120°C (einstufig)
130-160°C (zweistufig)
50-100°C
50-100°C
-
H2O/LiBr: > 6°C
NH3/H2O: < 0°C
> 6°C
> ca. 15°C
< oder > 0°C je
nach Kältemittel
0,4 – 0,8 (einstufig)
1,0 – 1,4 (zweistufig)
0,3 – 0,7
0,3 – 0,9
COPel = 2,5 – 5,5
EAW, Yazaki,
Pink, Climatewell,
Carrier, Broad, …
Nishiyogo,
SorTech, Invensor
Munters,
Robatherm
z.B. Carrier u.v.m.
Kältemittel/
Sorptionsmittel
Kältetemp.
COPth
Hersteller
adam
Sorptionstechnik 14
Energetischer Vergleich - Sorptions-/Kompressionskälte
Primärenergie
Bereitstellung
Umwandlung
12 kW
fP,Gas/Öl = 1,2
Antriebs-Wärme
Sorptions-
10 kW
Prozess
Abwärme
14…18 kW
Kälteenergie
4…8 kW
COPth
(3,5…2,25 kW
pro kW Kälte)
= 0,4…0,8
Elektrische Hilfsenergie (Aufwand), COPel ~ 10
Primärenergie
Bereitstellung
Umwandlung
12 kW
fp,Strom = 2,4
Antriebs-Strom, 5 kW
Kälteenergie
12,5…27,5 kW
Fazit
KompressionsProzess
Abwärme
17,5…32,5 kW
COPel =
(1,4…1,2 kW
pro kW Kälte)
2,5…5,5
(einstufige) Sorptionskältemaschinen machen energetisch nur Sinn bei energetisch
„kostenloser“ Antriebswärme z.B. überschüssiger Solarenergie, Abwärme
adam
Sorptionstechnik 15
Solare Kühlung - Chancen
Solarenergie-Angebot
allgemeiner Vorteil: gute zeitliche
Korrelation zwischen Kühlbedarf
und Solareinstrahlung im Sommer
„Thermische“ Solare Kühlung
• mit Sorptionskälteprozessen
SolarenergieÜberschuss
zum Kühlen
Energie
• klassische Form der Solaren
Kühlung
• Nutzung von überschüssiger
Solarenergie im Sommer aus
thermischen Solaranlagen für
Warmwasser und Raumheizung
Wärmebedarf
Heizung
Wärmebedarf Warmwasser
Jan
adam
Jahresverlauf
Dez
16
Solare Kühlung (thermisch) - Komplettanlage
Vergleichsweise komplexe
Anlage
Thermische Kollektoren:
• Ab/Adsorption: 2 … 4 m²
pro kW Kälte
20…40°C
• DEC: ca. 40 % davon,
Luftkollektoren
Etliche Umwälzpumpen
50 …
120°C
• Strombedarf
Stromsparpumpen einsetzen
6…20°C
• auch COPel = Kälte /
elektrische Hilfsenergie
Abfuhr von Abwärme
• Größere Leistung und
Platzbedarf als bei elektr.
Kompressionskälte
Backup: Wärme oder Kälte
adam
Sorptionstechnik 17
Solare Kühlung (thermisch) - Anlagenbeispiele
•
ca. 1000 Anlagen weltweit,
ca. 100 Anlagen in Deutschland
•
Kleinste Anlagen: ab ca. 5 kW Kälte,
10 m² Kollektorfläche
•
FH Düsseldorf: 17,5 kW Kälte (H2O/LiBr),
50 m² Röhrenkollektoren,
1…3 m³ Wärmespeicher,
0,5…1,5 m³ Kältespeicher
Bild: Festo AG
•
Fa. H.C. Mayer, Althengstett (D):
110 kW Kälte (DEC), 100 m² Luftkollektoren
+ Prozessabwärme mit je 50 % Anteil
•
Fa. Festo, Berkheim (D): Europas größte
Anlage, 1050 kW Kälteleistung
(H2O/Silikagel), 1218 m² Kollektorfläche
•
Weltgrößte Anlage: United World College,
Singapore, 1450 kW Kälte (H2O/LiBr),
3900 m² Kollektorfläche
DEC mit sich drehenden Regeneratoren
Quelle: Statusworkshop Solares Kühlen, 2012, Berlin
adam
Sorptionstechnik 18
Solare Kühlung (elektrisch)
Das „neue“ System zur Solaren Kühlung:
Photovoltaik + Elektrische Kompressionskältemaschine
Photovoltaik-Anlage
Batterie
Abwärmeabfuhr
an Außenluft
Antrieb mit
Strom
Elektrische
KälteMaschine
Kompressionstechnik
adam
Kälteversorgung
des Gebäude
Sorptionstechnik 19
Solare Kühlung - Wann welche Technik?
Thermische Solaranlage +
Sorptionskälte:
• bei Warmwasser-, Raumheizund Kältebedarf im Sommer
trivalente Solarenergienutzung, insbesondere sommerlicher Überschüsse für Kälte
• im Süden bei konzentrierenden
Kollektoren + zweistufige
Sorptionskältemaschine
Thermische
Solaranlage
100 %
Sonne
Photovoltaikanlage +
Kompressionskälte
50 %
Wärme
Photovoltaik
15 % Strom
• wenn Kältebedarf im
Vordergrund steht
• höhere Gesamteffizienz bei reiner
Kühlung, geringere Investition
(Kältemaschine, Rückkühlung, PV)
adam
Thermische
Kältemaschine
35 % Kälte
(COP = 0,7)
Elektrische
Kältemaschine
60 % Kälte
(COP = 4,0)
Sorptionstechnik 20
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
Abwärme der Kraft-Wärme-Kopplung / Fernwärme = Antrieb der Sorptionsmaschine
Wärmeabnahme im Sommer erhöht die Laufzeit bzw. Wirtschaftlichkeit der KWK
100 %
Antriebsenergie
Erdgas,
Heizöl,
Biogas,
etc.
KraftWärmeKopplung
(Antriebs-)Wärme
80°C, 60 %
COPKälte =
0,7
z.B.
Blockheizkraftwerk
ηel = 0,3
ηth = 0,6
Wärmeverlust
10 %
Sorptionskältemaschine
Nutzen:
Strom
30 %
Eigennutzung
Einspeisung
adam
Nutzen:
Kälte
10°C
42 %
ggf. Nutzen:
Abwärme
30°C, 102 %
Abfuhr an Umgebung,
ggf. Nutzung für
Kaltwasservorwärmung,
Schwimmbad, etc.
wechselnd
• Sommer: zur Kühlung
• Winter: Einkopplung von
Umgebungswärme im
Wärmepumpenbetrieb
Sorptionstechnik 21
Wärme/Kälte-Speicher
Ventil
• ohne Wärmeverluste, über lange Zeiträume
(solange das Ventil dicht ist), da
physikalisch/chemische Speicherung
statt thermischer Speicherung
Adsorbens
Kältemittel
• „Aufladen“: Adsorbens beheizen bzw.
trocknen + Kondensationswärme
abführen, Ventil schließen
• Erste Projekte in den 90er Jahren z.B.
− Fa. UFE Solar, Fraunhofer ISE:
Saisonaler H2O/Silikagel-Speicher
für Einfamilienhaus
• „Entladen“: Ventil öffnen, Kälte und /
oder Wärme erzeugen
− TU München: Zeolith/WasserWärmespeicher für Fernwärme
Ventilhebel
− Bierfass mit Selbst-Kühlung: „Aktivierung“
durch Öffnen des Ventils zwischen
trockenem Adsorbens und der am Bier
anliegenden Wasservorlage
• Aktuell: zahlreiche neue Projekte zur
Energiespeicherung
trockener
Zeolith (außen)
Bier
Ventil zwischen
Wasser und Zeolith
flüssiges Wasser
(innen am Bier)
Technisch möglich
aber nicht preiswert
adam
Sorptionstechnik 22
(Gasbetriebene) Sorptions-Wärmepumpen
Gas-Wärmepumpe
Elektro-Wärmepumpe
mit βa = 3,6
mit βa = 1,3
☺ Wandel der Stromerzeugungsstruktur
verbessert die ökologische Bilanz
☺ ca. 60 % geringere Leistung der
Umweltwärmequelle pro kW Heizleistung
Spitzenlastabdeckung durch elektrische
Heizpatrone
☺ Spitzenlastabdeckung durch Gasbrenner
adam
Bildquelle: e.on Ruhrgas / Brune
Sorptionstechnik 23
(Gasbetriebene) Sorptions-Wärmepumpen
Seriengeräte:
Bosch Thermotechnik
Vaillant
Viessmann
Robur (Bosch)
Absorption (Diffusion)
H2O / NH3 (He)
Adsorption
Zeolith / H2O
Adsorption
Zeolith / H2O
Absorption
LiBr / H2O
ca. 5 kW
ca. 10 kW
ca. 10 kW
15 - 40 kW
bereits gezeigt
auf ISH 1999
seit 2010
am Markt
seit 2014
am Markt
seit 2009
am Markt
Geräte großer Leistung: Einzelanfertigung von Anlagenbauern
Quelle: www.igwp.de; eigene Infos
adam
Sorptionstechnik 24
Geräteausführung
für Wärmequelle
Außenluft
Luft
(Gasbetriebene) Absorptionswärmepumpe von Robur
• modulierbare Leistung bis 50 % durch
modulierbaren Gasbrenner (bei
Taktbetrieb sinkt der COP deutlich ab)
Ventilator
• Vorlauftemperaturen bis 65…70°C
• COP-Werte: stationär, ohne elektrischen
Hilfsenergiebedarf für Lösungsmittelpumpe, Ventilator, etc. von
Luft
− 1,09 kW bei Außenluftgerät
− 0,47 kW bei Sole-/Wassergerät
großflächiger dreiseitiger
Lamellen-Wärmeübertrager
für Außenluft-Gerät
HeizLeistung
COP
W10 / W50
41,6 kW
1,65
Sole
B0 / W50
37,6 kW
1,49
Luft
A7 / W50
34,9 kW
1,51
Wasser
www.robur-gmbh.de
adam
1,8
COP
Betriebspunkt
Geräteart
1,4
1,0
-10
T(Vorlauf) = 50°C
-5
0
5
10
Außenlufttemperatur in °C
Sorptionstechnik 25
(Gasbetriebene) Adsorptions-Wärmepumpe von Vaillant
• Solarkollektor als Wärmequelle; Gasbrenner zur Desorption / Spitzenlastdeckung
• Jahres-COP des Gesamtsystems für Heizung + Warmwasser von 1,2 … 1,3
Quelle: Vaillant
adam
Sorptionstechnik 26
Weiterentwicklung Absorptionstechnik
Entwicklung von TU Berlin,
ZAE Bayern, Fa. Vattenfall
2 Kältemaschinen
•
50 kW („Biene“)
•
160 kW („Hummel“)
Eigenschaften, Ziele
•
Investitionskosten von
200 - 240 €/kW
(etwa halb so groß wie
aktuelle AKM)
•
gute COP auch bei
höheren Rückkühltemperaturen (s. Bild)
•
35% bessere Temperaturspreizung durch
Volumenstromreduktion
bei nur 10% Verlust an
Kälteleistung
Quelle: http://www.eneff-stadt.info/de/neue-technologien/projekt/details/
absorptionskaelteanlage-nutzt-fernwaerme-und-solare-niedertemperaturquellen/
adam
Sorptionstechnik 27
Weiterentwicklung Adsorptionstechnik
z.B. Vaillant-WP
z.B. Viessmann-WP
Deutliche Leistungssteigerung durch schnellere Kinetik
adam
Sorptionstechnik 28
Weiterentwicklung Desiccant Cooling
Entwicklung der Fa. Menerga
Technische Eigenschaften
• Entfeuchtung der Außenluft
durch konzentrierte Salzlösung
(Absorption) statt durch
Adsorbentien
• Geringe Antriebstemperatur:
55-70°C
• Konzentriertes, regeneriertes
Sorptionsmittel kann als
verlustfreier Speicher dienen
(zeitversetzter Betrieb möglich)
Anlage beim Solar Building
Innovation Center (SOBIC) in
Freiburg
• Anlage mit 1.500 m³/h
• Jahres-COPth von 1,4 (!!!)
Quelle: Edo Wiemken; Solare Kühlung und Klimatisierung – Stand der
Techniken und Perspektiven; Fraunhofer Institut für solare
Energieerzeugung, Hannover 2009
adam
Sorptionstechnik 29