Kältemaschinen transportieren Wärme entgegengesetzt des natürlichen Temperaturgefälles und setzen dazu auf die Verdichtung dampfförmiger Kältemittel. Die dafür verwendeten Kompressoren verbrauchen allerdings viel Strom. Sie verursachen hohe Betriebskosten und sind wenig nachhaltig. Absorptionskältemaschinen zeigen da ein anderes Bild. Denn diese setzen auf eine thermische Verdichtung, die sich ohne viel Strom mit einem hohen Anteil regenerativer Energien realisieren lässt.
Deutsche-Thermo.de erklärt, wie das funktioniert und in welchen Bereichen Absorptionskältemaschinen zum Einsatz kommen. Außerdem informieren wir über die größten Vor- und Nachteile der Technik.
Die Themen im Überblick
Absorptionskältemaschine: Was ist darunter zu verstehen?
Eine Absorptionskältemaschine ist eine Kälteanlage, die thermische Energie mithilfe einer thermischen Verdichtung auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Sie lässt sich zum Kühlen oder Heizen (Wärmepumpe) von Gebäuden sowie Prozessen einsetzen und gilt als besonders energieeffizient. Ein Grund dafür ist die Tatsache, dass der Strombedarf mehr als 90 Prozent unter dem Bedarf konventioneller Anlagen liegt. Die Energie, welche für die Druck- und Temperaturerhöhung von Kältemitteln nötig ist, lässt sich darüber hinaus zum Teil aus regenerativen Quellen bereitstellen. So arbeiten die thermischen Verdichter beispielsweise mit Kühlwasser aus industriellen Prozessen oder aber mit kostenfreier Solarenergie, die zumindest im Sommer reichlich verfügbar ist.
Absorption beschreibt das Funktionsprinzip der Kältetechnik
Kennzeichnend für eine Absorptionskältemaschine ist die sogenannte Absorption von Kältemittel. Dabei nimmt eine spezielle Lösung dampfförmiges Kältemittel komplett auf. Das Gemisch wird anschließend erhitzt, sodass Druck und Temperatur steigen. Bei konventionellen Kälteanlagen, sogenannten Kompressionskältemaschinen, erfolgt dieser Schritt motorisch. Dabei hebt ein von einem Elektromotor angetriebener Verdichter den Druck und die Temperatur des Kältemittels an.
Nicht verwechseln: Geräte mit Adsorption nutzen einen Feststoff
Während das Kältemittel bei der Absorption von einer flüssigen Lösung aufgenommen wird, lagert es sich bei der Adsorption an einen Feststoff an. Ein Beispiel dafür ist die Zeolith-Wärmepumpe, eine Adsorptionskältemaschine, bei der sich dampfförmiges Kältemittel an der Oberfläche eines porösen Gesteins anlagert. Die Druck- und Temperaturerhöhung erfolgt hier ebenfalls mit Wärme, die beispielsweise von einem Gasbrenner oder einer Biomasseheizung kommt.
Kältetechnik mit Absorption: Funktion Schritt für Schritt erklärt
Die Funktion der Absorptionskältemaschine wurde bereits gegen Ende des 18. Jahrhunderts entwickelt, um Waren tiefgekühlt länger haltbar zu machen. Auch wenn der Prozess bis heute immer weiter entwickelt wurde, hat sich am Grundprinzip seither nichts verändert. Wie dieses aussieht, erklären wir in vier Schritten.
01
Kältemittel verdampft und kühlt seine Umgebung:
Im ersten Schritt strömt Kältemittel durch den Verdampfer. Dabei handelt es sich um einen Wärmeübertrager, der Luft oder Wasser unter stofflicher Trennung am Kältemittel vorbeiführt. Da Letzteres eine niedrigere Temperatur aufweist, nimmt es Wärme aus der Umgebung auf. Das Kältemittel erwärmt sich dabei, während die Wasser- oder Lufttemperatur in der Umgebung sinkt. Da das Kältemittel bei diesem Vorgang in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht (es verdampft) kann es deutlich mehr Energie aufnehmen, als bei der Erwärmung ohne den Phasenwechsel.
02
Absorbens bindet den Kältemitteldampf in sich:
Im nächsten Schritt strömt der Kältemitteldampf in den thermischen Verdichter, wo er von einer speziellen Lösung, dem Absorbens, aufgenommen wird. Das Gemisch strömt daraufhin durch einen Wärmeübertrager, der ebenfalls vom heißen Absorbens durchflossen wird. Letzteres gibt dabei thermische Energie an das Gemisch ab, um dieses energiesparend vorzuwärmen. Das führt dazu, dass Druck und Temperatur ansteigen.
03
Austreiber trennt Kältemittel und Lösungsmittel:
Da das gesättigte Lösungsmittel kein Kältemitteldampf mehr aufnehmen kann, fördern Lösungsmittelpumpen das Gemisch im nächsten Schritt zum sogenannten Austreiber. Hier wird es weiter erhitzt, wodurch sich der Kältemitteldampf vom Lösungsmittel trennt. Der abgeschiedene Absorbens (arme Lösung) gibt daraufhin die übrige Energie über den im zweiten Schritt erwähnten Wärmetauscher an das Gemisch aus Kälte- und Lösungsmittel ab. Er entspannt sich beim Passieren eines Drosselventils und nimmt seinen Ausgangszustand wieder ein.
04
Heißer Kältemitteldampf kondensiert am Verflüssiger:
Der vom Lösungsmittel getrennte Kältemitteldampf strömt im nächsten Schritt zu einem weiteren Wärmeübertrager – dem sogenannten Verflüssiger. An diesem gibt das Medium Wärme ab. Seine Temperatur sinkt und es beginnt, sich zu verflüssigen. Ein Drosselventil baut den übrigen Druck ab und sorgt dafür, dass das Kältemittel seinen Ausgangszustand wieder erreicht. Das ist die Voraussetzung dafür, dass der Prozess erneut ablaufen und die Absorptionskältemaschine kontinuierlich arbeiten kann.
Eigenschaften der Absorptionskältemaschinen im Überblick
Im Vergleich zu konventionellen Kompressionswärmepumpen erreichen Absorptionskältemaschinen häufig einen geringeren Wirkungsgrad. Dafür sind sie in der Lage, kostenfreie Wärmeenergie einzusetzen. Letztere stammt aus der Umwelt oder aus Abwärme von Gebäuden sowie Prozessen und sorgt für niedrige Energiekosten. Der Prozess läuft dadurch effizienter ab, ist aber auch mit einigen Anforderungen verbunden.
Kältemittel und Lösungsmittel müssen zusammen passen
Eine der wichtigsten Voraussetzungen betrifft die Eigenschaften der eingesetzten Kälte- und Lösungsmittel. Denn diese müssen optimal harmonieren, damit die Absorbens-Lösung bei den geplanten Betriebstemperaturen möglichst viel Kältemitteldampf aufnehmen kann. Der Fall ist das beispielsweise bei Paaren wie Wasser und Lithiumbromid oder Ammoniak und Wasser. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften der Kältemittel Wasser und Ammoniak.
| Kältemittel für Absorptionskältemaschinen | Eigenschaften |
|---|---|
| Wasser | Wasser (H2O) ist reichlich verfügbar, ungiftig und ungefährlich. Es ist darüber hinaus günstig und weist eine hohe Verdampfungsenthalpie auf. Nachteilig ist jedoch die relativ geringe volumetrische Kälteleistung, durch die hohe Volumenströme in der Absorptionskältemaschine nötig sind. Darüber hinaus ist der Betrieb im Vakuum nötig, damit Wasser bei Umgebungstemperaturen verdampft und so die Rolle eines Kältemittels einnehmen kann.
Als Arbeitsstoffpartner kommt hier in der Regel Lithiumbromid zum Einsatz. Zusammen mit Wasser ist das Salz für Absorptionskältemaschinen mit Temperaturbereichen von über 4 Grad Celsius geeignet, was Einsätze in Gas-Absorptionswärmepumpen und Anlagen zur Normalkühlung begünstigt. |
| Ammoniak | Ammoniak (NH3) ist ein natürliches Kältemittel, welches der Umwelt nicht schadet. Die thermodynamischen Eigenschaften des Stoffs sind besonders gut. So sorgt eine hohe volumetrische Kälteleistung beispielsweise für den Betrieb mit kleinen Volumenströmen und hohen Drücken. Nachteilig ist die Toxizität des stechend riechenden Gases. Außerdem ist Ammoniak in gewissen Konzentrationsbereichen brennbar.
In Absorptionskältemaschinen kommt Ammoniak häufig mit Wasser als Lösungsmittel zum Einsatz. Zusammen erreicht das Stoffpaar Temperaturen von bis zu -15 °C, wodurch es für viele Bereiche geeignet ist. |
Wirtschaftliche Vorteile trotz geringerem Wirkungsgrad
Nach Herstellerangaben liegt der Wirkungsgrad einer Absorptionskältemaschine mit 70 bis 80 Prozent unter dem, einer konventionellen Kompressionskältemaschine. Der Energieinput für den Betrieb ist höher und dennoch erreichen die Anlagen unter bestimmten Umständen eine höhere Wirtschaftlichkeit. Grund dafür ist der Wärmepreis, der weit unter dem steigenden Strompreis liegt. Außerdem lassen sich auch Abwärme und Solarthermie als Wärmequelle einsetzen. Diese verursachen keine Verbrauchskosten und sorgen somit für eine bessere Wirtschaftlichkeit.
Laufruhe und niedrige Geräuschemissionen im Betrieb
Konventionelle Kälteanlagen sind durch den elektrisch angetriebenen Verdichter sehr laut. Sie lassen sich daher nicht überall aufstellen und setzen häufig auch besondere Schallschutzmaßnahmen voraus. Absorptionswärmepumpen arbeiten mit einer Lösungsmittelpumpe anstelle des Verdichters. Die Pumpe ist laufruhiger und wesentliche leiser im Betrieb, was sich wiederum positiv auf die möglichen Einsatzbereiche auswirkt.
Absorptionskältemaschinen liefern Wärme und Kälte gleichzeitig
Eine besondere Eigenschaft der Absorptionskältemaschinen ist die Tatsache, dass sie Wärme und Kälte simultan zur Verfügung stellen. Während der Prozess am Verdampfer Wasser oder Luft kühlt, gibt er thermische Energie am Verflüssiger ab. Lassen sich beide Energieströme praktisch nutzen, ermöglicht das eine sehr hohe Gesamteffizienz.
Umweltfreundlicher Betrieb mit weniger CO2 ist möglich
Arbeiten die Kältemaschinen mit Abwärme oder thermischer Energie aus nachwachsenden Quellen, entsteht kaum CO2. Die Technik schadet dem Klima weniger und gilt daher als besonders umweltfreundlich. Begünstigend wirkt sich hier auch der Einsatz natürlicher Kältemittel aus, welche mit einem GWP von 0 selbst kein Treibhauspotenzial aufweisen.
Anlagen auch als Absorptionswärmepumpen einsetzbar
Genau wie Kompressionskältemaschinen lassen sich auch Anlagen mit Absorption als Wärmepumpe einsetzen. Sie greifen dabei regenerative Energien aus der Umwelt oder vorhandene Abwärme (beispielsweise Kühlwasser) auf, um diese zum Heizen nutzbar zu machen. In dieser Funktion arbeiten Absorptionskältemaschinen effizient, sparsam und umweltschonend. Sie sparen CO2, stoßen keinen Feinstaub aus und erreichen hohe Temperaturen.
Leistungsdaten der Absorptionskältemaschinen im Überblick
Wie hoch die Kälteleistung einer Absorptionskältemaschine ist, hängt genaue wie der mögliche Temperaturbereich vom eingesetzten Stoffpaar ab. Mit Wasser und Lithiumbromid lassen sich theoretisch Temperaturen von 0 °C erreichen, da das Kältemittel sonst gefriert. Frostschutzmittel könnten den Gefrierpunkt verschieben, würden dadurch aber auch die thermodynamischen Eigenschaften des Mediums negativ beeinflussen. In der Praxis haben sich Temperaturbereich von mehr als 4 Grad Celsius etabliert, was den Einsatzbereich der Technik bereits einschränkt. Die mögliche Kälteleistung liegt bei etwa 10 bis 5.000 kW. Laut Herstellerangaben erreichen Sonderlösungen auch Leistungswerte von bis zu 23.000 kW (23 MW).
Temperatur und Leistung mit Ammoniak als Kältemittel
Arbeitet eine Absorptionskältemaschine mit Ammoniak als Kältemittel, sind auch tiefere Temperaturen zu erreichen. Diese liegen im Durchschnitt bei minus 15 Grad Celsius und erreichen bei Sonderlösungen maximal minus 60 Grad Celsius. Die Kälteleistung liegt in der Regel bei 10 bis etwa 6.000 kW.
Typische Einsatzbereiche der Kältemaschinen mit Absorption
Wie die Leistungsdaten hängen auch die Einsatzbereiche der Absorptionskältemaschinen vom verwendeten Kältemittel-Lösungsmittel-Paar ab. Ganz allgemein eignet sich Wasser als Kältemittel dabei für die Normalkühlung, etwa zur Klimatisierung oder für technische Prozesse. Ammoniak-Absorptionskältemaschinen sind hingegen für die Tiefkühlung im Lebensmittelbereich geeignet.
Einsatzbereiche von Wasser-Lithiumbromid-Kältemaschinen
Mit Temperaturbereichen von oberhalb des Gefrierpunktes kommen Wasser-Absorptionskältemaschinen unter anderem in folgenden Bereichen zum Einsatz:
- Klimatisierung verschiedenster Gebäuden
- Industrielle Flüssigkeits- und Prozesskühlung
- Kühlung von Technik- und Serverräumen
Einsatzbereiche von Ammoniak-Absorptionskältemaschinen
Kältemaschinen mit Ammoniak als Kältemittel erreichen niedrigere Temperaturen und eignen sich dabei für Tiefkühlanwendungen, wie die folgende Übersicht zeigt:
- Krisen-, Outdoor- und Campingkühlschränke
- Tiefkühlung in der Lebensmittelindustrie
- Kühlung in der chemischen Industrie
- Gefriertrocknung in der Pharmatechnik
Voraussetzung: Abwärme oder Umweltwärme ist verfügbar
Ganz gleich, um welches Kältemittel es sich handelt: Infrage kommen die Anlagen zumeist dann, wenn Abwärme oder regenerative Wärme im Überschuss zur Verfügung steht. Ein Beispiel dafür ist die Nutzung von Abwärme aus Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen, zur Erzeugung von Kälte. Aber auch dann, wenn viel Abwärme von Motoren anfällt oder die thermische Energie einer Solaranlage verfügbar ist, kommen Absorptionskältemaschinen aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten zum Einsatz.
Vorteile und Nachteile der Absorptionskältemaschinen
Einer der größten Vorteile liegt im geringen Stromverbrauch. Absorptionskältemaschinen kommen mit Wärme auf vergleichsweise geringen Temperaturniveaus aus und erzeugen weniger CO2. In Kombination mit BHKWs verlängern sie die Laufzeit, sorgen für eine höhere Stromausbeute und damit ebenfalls für geringere CO2-Emissionen. Die Arbeitsweise ist ohne elektromechanischen Kompressor ruhig sowie leise und die Wartungs- sowie Instandhaltungskosten fallen vergleichsweise gering aus. Darüber hinaus ergeben sich wesentliche wirtschaftliche Vorteile durch den Einsatz von Wärme anstatt von hochwertigem Strom zur Kühlung. Auch die eingesetzten Kältemittel sind als Vorteil zu werten. Denn bei Wasser und Ammoniak handelt es sich um natürliche Medien ohne Treibhauspotenzial. Ammoniak ist dafür allerdings giftig sowie brennbar und daher mit entsprechender Vorsicht einzusetzen.
Die Kosten sind jedoch vergleichsweise hoch. Die Anlage benötigen mehr Platz und lassen sich vor allem bei Wasser als Kältemittel nur eingeschränkt nutzen. Letzteres bezieht sich auf die Temperatur am Verdampfer, die in der Praxis nicht unter 4 Grad Celsius liegt.
Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Vor- und Nachteile der Absorptionskältemaschine im Überblick:
| Vorteile der Absorptionskältemaschine | Nachteile der Absorptionskältemaschine |
|---|---|
| geringer Stromverbrauch senkt CO2-Emissionen | häufig individuelle Fertigung nach Kundenanforderung |
| Steigerung der Wirtschaftlichkeit von BHKWs | höhere Anschaffungskosten |
| Kälte und Wärme zeitgleich nutzbar | größerer Platzbedarf der Anlagen |
| laufruhiger und leiser Anlagenbetrieb | Einsatz teilweise eingeschränkt (Wasser als Kältemittel für Verdampfungstemperaturen von mindestens 4 Grad Celsius) |
| niedrige Wartungs- und Instandhaltungskosten | |
| geringere elektrische Anschlussleistung spart Stromkosten (Spitzenstrombedarf) | |
| Wirtschaftliche Vorteile durch Einsatz von Abwärme und regenerativer Energien | |
| Einsatz natürlicher Kältemittel ohne GWP |
FAQ: Häufig gestellte Fragen
Was unterscheidet Absorptionskältemaschinen von sonstigen Anlagen?
Konventionelle Kompressionskältemaschinen sorgen mit elektrischen Verdichtern für den Druck- und Temperaturanstieg des Kältemittels. Das ist nötig, um Wärme aus dem System abführen zu können und mit hohen Kosten verbunden. Absorptionswärmepumpen setzen hingegen auf einen thermischen Verdichter. Dabei absorbiert ein Lösungsmittel das dampfförmige Kältemittel, bevor thermische Energie den Druck- und Temperaturanstieg bewirkt. Bei genügend zugeführter Wärme trennt sich das Kältemittel vom Lösungsmittel und gibt Wärme am Verflüssiger ab, während das heiße Lösungsmittel kühleres Absorbens vorwärmt und anschließend erneut Kältemittel aufnimmt.
Wo liegen die Vorteile und die Nachteile einer Absorptionskältemaschine?
Absorptionskältemaschinen benötigen etwa 90 Prozent weniger Strom als konventionelle Kompressionsanlagen. Sie arbeiten stattdessen mit thermischer Energie und sparen durch die Kostenvorteile hohe Betriebskosten ein. Kältemaschinen mit Absorption können zudem auch Abwärme und Wärme aus regenerativen Quellen nutzen. Sie erzeugen weniger CO2 und schonen die Umwelt. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Laufruhe und der vergleichsweise leise Betrieb. In der Praxis können Absorptionskältemaschinen die Laufzeit von BHKWs verlängern oder Abwärme wirtschaftlich nutzbar machen, was zu wirtschaftlichen Vorteilen führt. Außerdem ist die elektrische Anschlussleistung geringer. Kälte sowie Wärme lassen sich zeitgleich nutzen, natürliche Kältemittel kommen der Umwelt zugute und niedrige Wartungskosten begünstigen die Wirtschaftlichkeit. Nachteile liegen vor allem in den höheren Anschaffungskosten und dem größeren Platzbedarf.
Wann kommt eine Absorptionskältemaschine in der Praxis zum Einsatz?
Absorptionskältemaschinen kommen zum Einsatz, wenn Umwelt- oder Abwärme in ausreichenden Mengen vorhanden ist. Sie eignen sich dann zur Komfort-, Prozess- oder Tiefkühlung. Während Anlagen mit Wasser für Systeme mit Verdampfertemperaturen von mehr als 4 Grad Celsius infrage kommen, ermöglichen Ammoniak-Absorptionskältemaschinen Verdampfungstemperaturen von bis zu minus 60 Grad Celsius.
