Ammoniak Absorptionskältemaschine für Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)

Was ist eine Absorptionskältemaschine?

Eine Absorptionskältemaschine kurz AKM ist - im Gegensatz zur elektrisch angetriebenen Kompressionskältemaschine - eine mit Wärmeenergie angetriebene Kältemaschine. In KWKK Anlagen dient die Wärme des Blockheizkraftwerkes (BHKW) bei ca. +90 °C als Wärmequelle. Alternativ könnte die AKM auch mit Solarthermie, Geothermie, Fernwärme und Abwärme betrieben werden.

Die Absorptionskältetechnik unterscheidet in der Praxis zwei Technologien. Die eine arbeitet mit Wasser-Lithiumbromid und wird für Kühlanwendungen über +6 °C z.B. zur Klimatisierung eingesetzt. Die andere verwendet Ammoniak-Wasser und wird überwiegend in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Mit hohen Temperaturen des Heizmediums bis +180 °C sind Kühltemperaturen bis -60 °C möglich. Bei Verwendung von niedrig temperierter BHKW Wärme sind praktisch Kühltemperaturen bis -10 °C erreichbar. In die AKM wird durch das Heiz- und Kühlmedium Wärmeenergie in die Maschine eingetragen, erkennbar an einer sinkenden Temperatur im Bereich von 5 bis 15 Kelvin. Die zugeführte Energie muss technisch wieder abgeführt werden.

Dies geschieht über den dritten Kreislauf. Meist dient hier Kühlwasser, das sich beim Durchströmen der AKM um 3 bis 6 Kelvin aufheizt und die Wärmeenergie bei Temperaturen zwischen +15 °C und +30 °C an die Umgebung mit Hilfe eines Rückkühlwerkes abführt. Grundsätzlich wäre diese Wärmeenergie auch für Heizanwendungen nutzbar. Das folgende Diagramm zeigt beispielhaft die zu- und abgeführten Energieströme in einer AKM.

Zuverlässig.

Während in den vergangenen Jahrzehnten überwiegend Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt worden sind, werden heute innovative Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Diese bieten wesentliche Vorteile. Die extrem kompakte Bauweise führt zu einem geringen Platzverbrauch. Die Verwendung von Edelstahl vermeidet den Einsatz von umweltschädlichen Korrosionsschutzinhibitoren und bietet Sicherheit für Mensch und Maschine. Mit vollverschweißten Apparaten und bei entsprechender Auslegung führt dies zu thermodynamischen Höchstleistungen bzw. praktisch zu beachtlichen Wirkungsgraden bei der Umwandlung von Wärme in Kälte. Komponenten in Industriequalität sorgen für eine Lebenszeit von Jahrzehnten. Somit kann eine AKM zu einer rationellen Energieversorgung und damit zu hohen Energieeinsparungen beitragen.

Umweltfreundlich.

Das natürliche Kältemittel Ammoniak ist umweltfreundlich, weil es keinen Beitrag zur Erderwärmung leistet: Global Warming Potential GWP = 0 und weil es unschädlich für die Ozonschicht ist: Ozone Depletion Potential ODP = 0.
Angetrieben mit Solarthermie, Geothermie oder der Abwärme von Biomasseprozessen kann eine AKM nachhaltig ohne die Verwendung von fossilen Energieträgern betrieben werden, so dass keine Kohlendioxid bzw. CO2 Emissionen freigesetzt werden.
Die Emissionen von Geräuschen werden mit einer AKM deutlich reduziert, weil eine Pumpe im Vergleich zu einem Verdichter eine drastisch geringere Geräuschquelle darstellt.

Wirtschaftlich.

Eine hier beschriebene Ammoniak AKM ist eine Maschine für die Grundlast Kälteversorgung. Die Kompressionskälte wird dadurch entlastet und nur für die Deckung der Spitzenlasten benötigt. Bei entsprechender Auslegung sorgt die AKM durch die Wärmeabnahme für den Ganzjahresbetrieb des BHKWs und somit für eine kurzfristige Amortisation. Die Reduktion der elektrischen Arbeit und Leistung führt zu hohen Energieeinsparungen. Zusätzlich wird die Wirtschaftlichkeit unterstützt durch die vernachlässigbaren Wartungskosten im Vergleich zu einer Kompressionskältemaschine und der langen Lebenszeit einer AKM.

Anwendung.

Eine AKM wird heute überwiegend bei der Herstellung von Lebensmitteln eingesetzt, z.B. in der Fleischindustrie, in Molkereien, in der Getränkeindustrie bzw. in Brauereien und in der Kühl- und Tiefkühllagerung. Grundsätzlich kann sie überall eingesetzt werden, wo elektrische Energie gebraucht, Wärme verfügbar und Kälte benötigt wird. Beispiele:

• Kühlen von Medikamenten, Produkten und Prozessen auch unter 0 °C
• Klimatisieren von Krankenhäusern, Hotels, Industrie- und Verwaltungs­gebäuden, Produktionshallen und Tierställen mithilfe von Eisspeichern, z.B. in Kombination mit Photovoltaik und Solarthermie als solar angetriebene Kälteanlage. In sonnenreichen abgelegenen Regionen könnten Hotels und Ferienanlagen autark mit Kälte und Kühlung versorgt werden
• Kühlung von Serverräumen und Eissportanlagen
• Kühlung von Flüssigkeitskreisläufen aller Art
• Umwandlung von Biogas in Biomethan als Systembaustein der Gasaufbereitung
• Heißgaskondensation von Kältemittel aus Tiefkühl-Kompressionskältemaschinen
• Kaltdampf-Kältemittelkondensation bei Kälteanlagen mit Abscheidern im Bereich -15 °C bis +5 °C

Autoren: Dr. Wolfgang Stürzebecher und Christoph Heyse, B.Sc., Geschäftsführer der Firma AKM Industrieanlagen GmbH,
www.akm-industrieanlagen.de