Adsorptionskältemaschinen auf dem Vormarsch

Wurden die ersten Anlagen mit Adsorptionskältemaschinen noch 2010 als Prototypen und im Rahmen von Forschungsprojekten gebaut (siehe KKA Großkälteheft 2010, „Wärme ist Antrieb für Kälte“), so kann man mittlerweile beobachten, dass Anlagen mit Adsorptionskältemaschinen mehr und mehr in allgemein üblichen Anwendungen ihren Platz finden.

Im Gegensatz zu Absorptionskältemaschinen benötigen Adsorptionskältemaschinen relativ niedrige Temperaturen für die Antriebswärme und eignen sich deshalb in sehr viel mehr Fällen zur Nutzung von Abwärme. Schon 55 °C warmes Wasser reicht aus, um Kälteleistung zu erzeugen, 65 - 85 °C sind für die volle Leistung dieser Kältemaschinen ausreichend. Auf der Kaltwasserseite sind Vorlauftemperaturen bis herunter auf 5 °C machbar, beste Ergebnisse bringen die Maschinen im Bereich um 10 °C. Dadurch ist die Adsorptionskältetechnik einsetzbar für normale Klimaanlagen, auch mit Entfeuchtungsfunktion, und für technische Prozesse in Industrie und Gewerbe.

Wirtschaftlichkeit

Die Motivation, statt einer üblichen Kompressionskältemaschine eine neuartige Adsorptionskältemaschine einzusetzen, kommt häufig aus rein wirtschaftlichen Überlegungen. Ob dies immer richtig ist, könnte man aus einer ökologischen Sicht heraus in Frage stellen. Tatsache jedoch ist, dass im Zuge der Anlagenplanung mit Adsorptionskältetechnik so gut wie immer eine detaillierte Wirtschaftlichkeitsberechnung zu erstellen ist. Und das ist sicher auch richtig so, da eine Adsorptionskältemaschine ein Mehrfaches dessen kostet, was eine Kompressionskältemaschine mit vergleichbarer Kälteleistung kostet.

Das Ergebnis dieser Wirtschaftlichkeitsberechnungen wird stark von diesen Faktoren beeinflusst:

Bereitstellungs- und Verbrauchskosten für die Antriebsenergie der Kältemaschine:

› Als Antriebsenergie für die Adsorption dient heißes Wasser. Je nach Art und Entfernung der Wärmequelle können die Kosten für den hydraulischen Anschluss und die Erzeugung der Antriebswärme stark unterschiedlich sein.

› Auch bei der elektrisch angetriebenen Kompressionskältemaschine können hier erhebliche Kosten entstehen. Wenn z.B. eine Elektroeinspeisung für den Betriebs- und/oder Anlaufstrom des Kältemittelverdichters nicht stark genug ist und eine neue Einspeisung aufgebaut werden muss.

Anzahl der Jahresbetriebsstunden:

› Die höheren Investkosten für eine Adsorptionskältemaschine müssen sich über die geringeren Betriebskosten amortisieren. Geringe Jahresnutzungsdauern führen dann zu sehr langen Amortisationszeiten.

Zinssatz der Finanzierungskosten:

› Der meist große Vorteil in den Energieverbrauchskosten bei der Adsorptionstechnik wird durch die Finanzierungskosten zum Teil wieder aufgefressen.

Die Tabelle auf der Folgeseite zeigt ein Beispiel einer solchen Wirtschaftlichkeitsberechnung. Die Anwendung ist hier die Kühlung von Biogas zur Trocknung des Gases. Als Antriebsenergie wird die Abwärme aus dem Blockheizkraftwerk (BHKW) der Biogasanlage genutzt. Verglichen wird eine Kompressions-Kältemaschine mit einer Adsorptions-Kältemaschine mit Freikühlfunktion über den Rückkühler („Sowieso“-Kosten, die bei beiden Anlagentypen auftreten, sind hier nicht berücksichtigt.).

In diesem Fall eines Biogaskühlers zeigt die detaillierte Wirtschaftlichkeitsberechnung also tatsächlich, dass die Adsorptionskältemaschine bei Vorhandensein der richtigen Rahmenbedingungen der elektrisch angetriebenen Kompressionskältemaschine in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit weit überlegen ist. Dabei ist einer der wesentlichen Parameter, der Arbeitspreis für Elektroenergie, mit 17 Cent/kWh hier noch vorsichtig geschätzt, ebenso dessen mittlere jährliche Preissteigerung von 8,5 %.

Resümee: Gute Wirtschaftlichkeit bei richtigen Rahmenbedingungen

Bei sorgfältiger Planung und der richtigen Anwendung haben die Adsorptionskältemaschinen große Vorteile und werden sicher ihren Vormarsch auf dem Kältetechnikmarkt machen. Auch wenn es um eine rein hydraulische Anlage geht, ist der Kältetechniker auf der Seite des Kühlprozesses und der Kaltwasserseite gefragt. Die ersten Praxis­erfahrungen mit Adsorptionskälteanlagen haben gezeigt, dass der Kältetechniker bei wesentlichen Teilen der Planung und Ausführung gebraucht wird.

Die möglichen wirtschaftlichen Vorteile beim Einsatz einer Adsorptionskältemaschine kehren sich ins Gegenteil, wenn eine ungünstige Anwendung oder unpassende Rahmenbedingungen vorliegen. So lassen sich die höheren Investitionskosten nicht in annehmbarer Zeit durch die Einsparung von Stromkosten amortisieren, wenn die Anlage nur wenige Wochen im Jahr genutzt wird. Auch hohe Kosten für die zum Antrieb der Kältemaschine notwendige Wärmemenge können eine wirtschaftliche Nutzung der Anlage unmöglich machen.

Bei diesen Rahmenbedingungen kann die Adsorptionskältetechnik große Vorteile bringen:

› Ganzjähriger Bedarf an Kälteleistung im Klima-Temperaturbereich (z.B. Rechenzentren, Biogasanlagen o.ä.)

› Kostenfreie Abwärme als Antriebsenergie verfügbar (BHKW, Produktionsabwärme, Fernwärme, überschüssige Solaranlagenwärme usw.)

Praxisbeispiel: Neustrukturierung Laborbereich der Rudolf Hensel GmbH

Im Zuge einer Erweiterung der Büro- und Laborflächen sollte bei der Rudolf Hensel GmbH in Börnsen bei Hamburg ein ehemaliger Laborbereich neu strukturiert und erweitert werden. Wegen zusätzlicher Büroräume und weil sich die gesamte neue Nutzfläche im Obergeschoss unter einem Flachdach mit großen Oberlichtern befindet, wurde für diesen Bereich eine Klimaanlage vorgesehen. Die Raumkühlung sollte über Klimakonvektoren und wassergekühlte Deckenkassettengeräte erfolgen. Als Aufstellraum für die Kältemaschinen stand nur ein direkt an die Büro- und Laborräume angrenzender Bereich zur Verfügung, weswegen die Schallemissionen der Kältemaschinen zu beachten waren.

Der Betrieb besitzt ein Blockheizkraftwerk mit 157 kW Wärmeleistung und 90 kW elektrischer Leistung. Beide Energieformen werden ständig in der Produktion und im Winter werden große Wärmemengen zur Gebäudeheizung genutzt. Zusätzlich gibt es im Keller einen ca. 80 m³ großen Prozesswasserspeicher, der im Sommer für die Prozesskühlung ungünstig hohe Temperaturen erreichte. Bis zum Umbau blieben im Sommer überschüssige Wärmemengen ungenutzt.

Um die Nutzung des Blockheizkraftwerks weiter auszubauen, entschied sich die technische Leitung der Rudolf Hensel GmbH für den Einsatz von Adsorptionskältemaschinen für die Klimaanlage und zur Kühlung des Prozesswasserspeichers. Diese brachten auch den Vorteil mit sich, fast geräuschlos zu arbeiten. So war es ohne weitere Maßnahmen möglich, diese Kältemaschinen in der Nähe der Büros aufzustellen.

Trotz der fehlenden Ganzjahresnutzung der Anlage ergibt sich für die Fa. Rudolf Hensel eine positive Wirtschaftlichkeit durch den Einsatz der Adsorptionskältemaschinen. Dies liegt auch an der ganz konsequent eingehaltenen Strategie, alle Komponenten der Anlage nach höchstmöglicher Energieeffizienz auszuwählen. Dazu gehören

› Rückkühler mit EC-Ventilatormotoren,

› Hocheffizienzpumpen,

› genau berechnete Rohrleitungsdimensionierung.

Planung der Hydraulikkreise

Um eine Adsorptionskälteanlage mit ihren drei hydraulischen Kreisen, dem Antriebskreis, dem Rückkühlkreis und dem Kaltwasserkreis, effizient und betriebssicher auslegen zu können, sind Erfahrung und genaue Kenntnisse dieser Technik notwendig. Schon geringe Fehler in der Auslegung oder Ausführung und dadurch verursachte falsche Werte der Massenströme können die Leistung der Anlage empfindlich stören. Hier sollte man immer ein mit dieser Technik vertrautes Planungsbüro hinzuziehen.

Bild 6 zeigt vereinfacht das Hydraulikschema der Anlage bei der Firma Rudolf Hensel.

Nach der Montage der Verrohrung wurde mit Hilfe einer Ultraschall-Mengenmessung jeder Strang hydraulisch abgeglichen und die Druckverluste wurden eingestellt. Erst nach Korrektur kleiner Ausführungsfehler stellten sich die richtigen Massenströme ein und die Anlage konnte die geplante Kälteleistung erbringen.

Elektrische Steuerung und
Regelungstechnik

Alle Verbraucher der gesamten Kälte- und Klimatechnik in der Anlage sind einphasige Verbraucher. Die größte elektrische Leistung kann der Rückkühler aufnehmen. Die Kältemaschinen selbst benötigen nur wenige Watt zur Steuerung der Ventile und für den internen Mikroprozessorregler. Die Berücksichtigung großer Anlaufströme, wie sie beim Start eines Verdichtermotors auftreten, entfällt.

Die Regelung der Kältemaschinen, die Verwaltung der Pumpen und die automatische lastgeführte Umschaltung des Kühlbetriebs von Klimakühlung auf Prozesswasserkühlung befinden sich zusammen mit der klein dimensionierten elektrischen Verteilung für alle elektrischen Kälte- und Klimakomponenten in einem gemeinsamen Schaltkasten. Die Rückkühler werden über die interne Regelung der Adsorptionskältemaschine selbst gesteuert und konsumieren so nur so viel Elektroenergie, wie zwingend für den Adsorptionsprozess erforderlich ist. Die Klimatisierung der Büro- und Laborräume hat in dieser Anlage Vorrang vor der Kühlung des Prozesswasserspeichers. Die Regelung erfasst über einen separaten Regler, ob die Klimageräte noch Leistung abfordern. Ist das nicht mehr der Fall, schaltet die Regelung den Kaltwasservorlauf zur Kühlung des Prozesswasserspeichers um. Im Teillastfall wird eine der beiden Kältemaschinen abgeschaltet und über Motorventile hydraulisch abgesperrt. Die selbstregelnden Pumpen reduzieren dann automatisch ihre Leistungsaufnahme.

Fazit

War vor zwei Jahren der Ausblick bezüglich der Zukunft der Adsorptionskältetechnik noch nicht ganz ohne Zweifel, so kann man heute sagen, dass diese Technik ihren Platz finden wird. Die Entwicklung der Energiepreise trägt ihres zum Erfolg dieser Maschinen bei. Jeder wird dies persönlich beim Blick auf die Tank- und Stromrechnung (im Vergleich zu vor zwei Jahren) nachempfinden können.

Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig, müssen aber auch sorgfältig vor Projektbeginn geprüft werden. Nicht jedes potentielle Projekt ist für thermische Kühlung geeignet. Bei richtiger Planung und Ausführung kann der Betreiber jedoch große Vorteile für sich verbuchen. Das gute Zusammenspiel von Planer, Installationsfirma und Klima-/Kältetechniker ist hier besonders entscheidend für den Erfolg.