Megawatt-Wärmepumpen ohne Strom
Mario Sedlak
Das 5. PRAXIS- UND WISSENSFORUM FERNWÄRME/FERNKÄLTE hat am 19. November 2019 in Wien stattgefunden. Eine der vorgestellten Technologien dabei war die Lithiumbromid-Absorptionswärmepumpe. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie für den Hauptantrieb keinen Strom, sondern Wärme verwendet. Wie strombetriebene Wärmepumpen kann sie zum Heizen und zum Kühlen eingesetzt werden.
Im Biomasse-Heizkraftwerk Klagenfurt Nord, das 2018 in Betrieb ging, gewinnt eine Lithiumbromid-Absorptionswärmepumpe 5 Megawatt aus dem heißen Rauchgas. Für den Antrieb verwendet die Wärmepumpe 7 Megawatt der vom Heizkraftwerk erzeugten Wärme. Diese Energie geht nicht verloren, sondern wird gemeinsam mit den gewonnenen 5 Megawatt in das Fernwärmenetz eingespeist. Bei gleichem Brennstoffverbrauch wird die Leistung des Heizkraftwerks somit deutlich erhöht.
Bei der Ziegelproduktion im Wienerberger Werk in Uttendorf wird die Absorptionswärmepumpe mit ca. 400°C heißer Abluft aus dem Ziegelofen angetrieben. Als Niedertemperaturquelle dient Abwärme eines Tunneltrockners mit einer Temperatur von 30°C. Die Wärmepumpe hebt das Temperaturniveau an, sodass 1,44 Megawatt Wärme wieder für die Produktion nutzbar sind.
In Singapur wurden 2011 auf einem neuen Universitätscampus Sonnenkollektoren mit einer Fläche von 3.900 Quadratmeter installiert. Eine Absorptionskältemaschine auf Lithiumbromid-Basis mit einer Kälteleistung von 1.575 Kilowatt nutzt dort die Wärme zur Raumkühlung.
In China wurden seit der Jahrtausendwende rund 100.000 Absorptionswärmepumpen und Absorptionskältemaschinen mit mehr als 100 Kilowatt Leistung realisiert. Damit ist das Land Vorreiter bei der kommerziellen Nutzung dieser Technologie. In Europa wurden bisher erst wenige solche Anlagen installiert, obwohl die Machbarkeit durch Referenzanlagen bewiesen ist.
Absorptionswärmepumpen belasten die Stromnetze kaum, weil sie nur wenig Elektrizität für Pumpen und anderes brauchen: Bei 5 Megawatt Wärmegewinnung aus Rauchgas benötigen sie gerade mal rund 100 Kilowatt Strom.
Die Arbeitszahl (Wärmeoutput dividiert durch Hochtemperaturinput) ist zwar mit typischerweise 1,7 deutlich geringer als bei Kompressionswärmepumpen, aber dafür sind Absorptionswärmepumpen technisch einfacher und kostengünstiger. In manchen Fällen rechnen sie sich schon nach ein bis zwei Jahren.
Technisch funktionieren diese Anlagen auch als kleinere Absorptionskältemaschinen zufriedenstellend, wie die wissenschaftliche Auswertung, die die AEE INTEC 2012–2014 im Auftrag des Klimaund Energiefonds für einige Fallbeispiele durchgeführt hat, zeigt. Es ist allerdings eine automatisierte, gut abgestimmte Regelung entscheidend. Im Falle eines Hotels in Brodersdorf (Steiermark) konnten die Experten der AEE INTEC die elektrische Leistungszahl (produzierte Kälteleistung dividiert durch aufgenommene elektri sche Leistung) von 1,05–2,65 auf rund 4,8 erhöhen. Bei einer Fruchtsaftfabrik in Hartmannsdorf (Steiermark) erreichte die gleiche Absorptionskältemaschine (Pink Chiller PC19 mit 19 Kilowatt Nennleistung) im Jahresdurchschnitt eine elektrische Leistungszahl von 3,5. Als Ursache für die geringere Effizienz wurde in dem Fall von der AEE INTEC ein unterdimensionierter Rückkühler identifiziert. Laut Harald Blazek von der Steps Ahead Energiesysteme GmbH sind unter besten Bedingungen mit einer Absorptionskältemaschine elektrische Leistungszahlen bis zu 25 erreichbar.
In Fernwärmenetzen kann mit einer Sonderbauform – einem Absorptionswärmetauscher – Energie aus dem Rücklauf zurückgewonnen werden. Durch den kühleren Rücklauf sinken die Wärmeverluste, und es können mehr Abwärmequellen und auch Sonnenenergie leichter genutzt werden. Die zurückgewonnene Wärme steht für weitere Kunden zur Verfügung, ohne dass die Netzkapazität erhöht werden muss. Voraussetzung für den Betrieb eines Absorptionswärmetauschers ist allerdings, dass er an ein heißes Primärnetz (z. B. 120°C Vorlauf) und an ein kühleres Sekundärnetz (z. B. 90°C Vorlauf) zugleich angeschlossen werden kann.
Meist werden Absorptionswärmepumpen bei Heiz(kraft)werken eingesetzt. Durch Kondensation der Rauchgase können bei Biomassefeuerungen 30 Prozent und bei Gasfeuerungen 10 Prozent mehr Nutzenergie gewonnen werden, errechnet StepsAhead. Allerdings bedauert Blazek: „Die Botschaft ist in Europa erst bei wenigen Planern und Projektbetreibern so richtig angekommen.“
WIE FUNKTIONIERT EINE LITHIUMBROMID-ABSORPTIONSWÄRMEPUMPE?
Kaltes Wasser verdampft im Vakuum bei niedrigen Temperaturen (z. B. 5°C) und nimmt dabei Wärme auf. Lithiumbromid nimmt den Wasserdampf auf. Dadurch bleibt das Vakuum erhalten.
Um den Wasserdampf vom Lithiumbromid wieder zu trennen, wird eine Wärmequelle mit zumindest 65°C benötigt. Die anschließende Abkühlung des Wasserdampfs und Lithiumbromids übernimmt ein Kühlturm, ein Rückkühler oder ein Wärmeverbraucher. Die Anlage kann sowohl Kälte als auch Wärme auf nutzbaren Niveaus liefern.
Die im Verdampfer aufgenommene Verdampfungswärme wird im Kondensator bei höherer Temperatur wieder abgegeben. Das ist der Nutzen einer Wärmepumpe.