03 | 2023 Integrationsvielfalt Wärmepumpe

Absorptionswärmepumpen: Eine Schlüsseltechnologie zur effizienten Wärmeproduktion

Um die Wärmewende zu schaffen, müssen die verfügbaren erneuerbaren Wärmequellen ressourcenschonend und mit höchster Effizienz genutzt werden. Zudem ist es notwendig, durch innovative technologische Konzepte auch bisher ungenutzte (Niedertemperatur-)Wärmequellen zu erschließen. Absorptionswärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie in diesem Bereich, deren Potential jedoch in Europa bislang häufig übersehen wurde. Durch gezielten Know-how-Aufbau und die Entwicklung innovativer Anwendungskonzepte entstanden in den letzten Jahren aber auch in Europa immer mehr Projekte, die mit Wärme angetriebene Absorptionsmaschinen als Wärmepumpe einsetzen.

Anlieferung Absorptionswärmepumpe Wagrain. Quelle: StepsAhead

Herkunft der Technologie

Bereits Mitte des 18. Jahrhunderts entdeckte man die Möglichkeit, durch Verdampfung im Vakuum Eis zu erzeugen. Anfang des 19. Jahrhunderts wurde dann von John Leslie die erste Absorptionsmaschine gebaut. Diese verwendete Wasser als Kältemittel und Schwefelsäure als Absorbens. Heute verwenden die meisten Absorptionsmaschinen immer noch Wasser als Kältemittel, statt Schwefelsäure wird aber eine Lithiumbromid (LiBr)-Salzlösung eingesetzt. Der zentrale Unterschied gegenüber strombetriebenen Kompressionswärmepumpen liegt in der rein thermischen Antriebsenergie der Absorptionsanlagen, wodurch sich in geeigneten Einsatzgebieten klare Vorteile ergeben.

Wirtschaftliches Potential von Absorptionswärmepumpen

In Asien wurde neben der intensiven Nutzung von Absorptionskältemaschinen zur Klimatisierung vor rund 15 Jahren damit begonnen, durch die intelligente Integration in Fernheizkraftwerke auch Fernwärme in großem Stil mit Absorptionswärmepumpen (AWPs) zu produzieren. Es entstanden Anlagen, bei denen pro Standort mehr als 300 MW Wärme mit Absorptionsmaschinen erzeugt werden.

Der Schlüsselfaktor zu wirtschaftlich interessanten Anwendungen liegt dabei in einem einfachen Merkmal: Wenn beispielsweise ein Verbrennungsoder Industrieprozess Hochtemperatur-Wärme im Bereich 130 °C bis 160 °C liefert, kann dies zum Antrieb einer AWP genutzt werden. Während z. B. bei einer konventionellen Fernwärmeanwendung Dampf an einem Wärmetauscher im Verhältnis 1:1 zu Fernwärme umgewandelt wird, ermöglicht die AWP eine Nutzung der Antriebswärme im Verhältnis 1:1,7, sodass zusätzlich 70 Prozent aus Abwärme generiert werden können (typischer COP-Wert). Es entstehen keine zusätzlichen Kosten für die Antriebswärme, da diese so wie ohne AWP als Fernwärme genutzt wird. Das bedeutet mit den Zahlen aus dem vorherigen Beispiel, dass bei 300 MW nur 176 MW in Form von Dampf als Antrieb benötigt werden und 124 MW Abwärme, z. B. aus dem Kühlkreislaufs des Kraftwerks, genutzt werden.

Diese Möglichkeiten wurden in den letzten Jahren immer mehr erkannt und es entstehen derzeit laufend neue Projekte in unterschiedlichen Anwendungsfeldern wie Biomasseheizwerken, Fernheizkraftwerken (Biomasse, Müll, …), industrieller Abwärmenutzung, Optimierung von Fernwärmenetzen, Ertragssteigerung von tiefer Geothermie, etc.

Aktive Rauchgaskondensation – Eine österreichische Erfolgsgeschichte

Wenn feuchte Brennstoffe verbrannt werden oder Rauchgas mit Wäschern gereinigt wird, enthält das Abgas am Kamin große Wassermengen in Form von Dampf. Wenn man diesen Dampf noch vor dem Kamin so weit abkühlt, dass der Dampf kondensiert und wieder flüssig wird, erhält man große Energiemengen auf niedrigem Temperaturniveau.

Eine Wärmepumpe kann Energie von diesem niedrigen Temperaturniveau auf ein für Fernwärmesysteme nutzbares Niveau anheben. Die untenstehende Grafik zeigt einige Betriebspunkte bestehender Anlagen. Je feuchter das Holz und je weiter das Rauchgas abgekühlt wird, desto mehr Energie kann zurückgewonnen werden.

In Kraftwerken wird so ca. 20 Prozent mehr Energie aus der gleichen Brennstoffmenge gewonnen. In Biomasseheizwerken liegt die Leistungssteigerung bei bis zu 40 Prozent!

Betriebspunkte bestehender Rauchgaskondensationsanlagen. Quelle: StepsAhead https://stepsahead.at/wp-content/uploads/2019/07/Rauchgaskondensation.pdf

Theoretisch können zur Aktiven Rauchgaskondensation sowohl elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen (= KWPs) als auch mit Wärme angetriebene AWPs eingesetzt werden. Der wichtigste Unterschied für den Betreiber besteht darin, dass bei einer KWP laufend hohe Stromkosten anfallen. Die AWP verursacht für den Heizwerkbetreiber aber keine Betriebskosten für die Antriebsenergie. Bei Integration einer AWP wird die Wärme aus der Verbrennung als Antriebswärme in der AWP genutzt und dann gemeinsam mit der aufgenommenen Niedertemperatur-Wärme an die Fernwärmekunden verkauft.

Um die Anwendungsmöglichkeiten speziell für kleinere Biomasseheizwerke und als Retrofitting-Option zu erweitern, wird in Österreich aktuell das erste Projekt mit nur 105 °C Antriebstemperatur umgesetzt (Inbetriebnahme 08/2023). Das Konzept wird im Rahmen des Forschungsprojektes BM Retrofit von Projektpartnern aus Forschung, Industrie und Energieversorgern weiterentwickelt, um als Retrofitting-Option eine breite Anwendung zu finden. (https://greenenergylab.at/projects/bm-retrofit)

Biomasse Heiz(kraft)werke mit Absorptionswärmepumpen in Österreich (ohne Anspruch auf Vollständigkeit)

Tabelle zu Biomasse Heiz(kraft)werken

Bisherige Betriebserfahrungen haben gezeigt, dass sich die Integration von AWPs technisch und wirtschaftlich bewährt hat und die Erwartungen erreicht bzw. übertroffen wurden. Durch die aktive Rauchgaskondensation mit Absorptionswärmepumpen werden Biomasse-Heiz- und Heizkraftwerke zu Hocheffizienzanlagen mit Leistungs- und Effizienzsteigerungen von 20 bis 40 Prozent und stellen so den neuesten Stand der Technik dar.

Die Ressource Holz ist viel zu wertvoll, um sie mit den bisher üblichen Wirkungsgraden thermisch zu nutzen!

Autor*innen

Harald Blazek ist CEO bei StepsAhead Energiesysteme GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Harald Schrammel ist Projektleiter bei StepsAhead Energiesysteme GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! https://stepsahead.at