Kühlung durch Abwärme

Rund 120 Millionen Kälte- und Klimaanlagen sind in der Bundesrepublik in den Industrie und Gewerbeunternehmen im Einsatz. Statt diese mit Strom zu betreiben, können Unternehmen überschüssige Abwärme für die Kühlung von Anlagen und Prozessen nutzen.

In vielen Prozessen und Betrieben besteht ein hoher Energieeinsatz für Kühlungs- und Klimatisierungsbedarf. Dabei bewegt sich der industrielle Kältebedarf im Temperaturbereich zwischen 14°C für Prozesskühlung und Klimatisierung und –40°C für Schockfroster und Kühltunnel. Um diese Temperaturen bereit stellen zu können, können thermische Kältemaschinen eingesetzt werden.

Vorteile thermischer Kältemaschinen

Thermische Kältemaschinen (Sorptionskältemaschinen) nutzen stattdessen Wärme als Antrieb für die Erzeugung von Kälte. Sorptionskältemaschinen weisen relativ hohe Investitionen auf, zeichnen sich aber dafür durch deutlich niedrigere Betriebskosten aus. Ausschlaggebend ist hier der geringe Bedarf hochwertiger elektrischer Energie, geringe Wartungs- und Instandhaltungskosten und eine lange Lebensdauer. Entscheidend für den wirtschaftlichen Einsatz thermischer Kältemaschinen ist die Verfügbarkeit kostenloser Abwärme auf einem ausreichenden Temperaturniveau, eine hohe Auslastung (hohe Vollbenutzungsstunden). Zudem benötigen Sorptionskälteanlagen eine Niedertemperaturwärmesenke, die oft im Freien als (Nass-)Kühler errichtet werden muss.

Prinzip der Sorptionsenergie

Thermische Kältemaschinen können das physikalische Prinzip der Sorptionsenergie nutzen. Sorption ist eine Sammelbezeichnung für Vorgänge, die zu einer Anreicherung eines Stoffes innerhalb einer Phase oder auf einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen führen. Die Anreicherung innerhalb einer Phase nennt man genauer Absorption, die an der Grenzfläche Adsorption. Desorption bezeichnet den Umkehrvorgang der Sorption, bei dem sich das sorbierte Teilchen wieder vom Sorbens löst. Sorptionskältemaschinen nutzen als physikalischen Effekt die Verdampfung eines Kältemittels (in der Regel Wasser) zur Kühlung. Je nach Einsatzgebiet kommen Ab- und Adsorptionsverfahren mit unterschiedlichen chemischen Stoffen zum Einsatz.

Absorptions-Kältemaschinen

Marktgängige Absorptions-Kältemaschinen nutzen Wasser als Kältemittel und als Absorptionsmittel LiBr (Lithiumbromid) oder NH3 (Ammoniak). Das Leistungsspektrum umfasst eine Kälteleistung von rund 5 kW bis über mehrere MW. Als Antriebsenergie kommt Heißwasser (oder Dampf) mit Temperaturen ab 70 °C, in der Praxis meist über 85 °C zum Einsatz. LiBr-Anlagen erreichen Kühltemperaturen bis zu 6 °C. Für kältere Temperaturen kommen Ammoniakanlagen zum Einsatz, die Kältetemperaturen bis zu – 40 °C ermöglichen. Bei Ammoniak handelt es sich um einen gesundheitsschädlichen Stoff, dessen Einsatz besondere Sicherheitsmaßnahmen erfordert. 

Adsorptions-Kältemaschinen

Marktgängige Adsorptions-Kältemaschinen verwenden als Adsorptionsmittel einen Feststoff, in der Regel Zeolith oder Silikagel. Es handelt sich um einen diskontinuierlichen Prozess, bei dem das Adsorptionsmittel phasenweise regeneriert werden muss. Das Leistungsspektrum umfasst Kälteleistungen von rund 5 kW bis 1 MW. Als Antriebsenergie kann auch schon Heißwasser mit geringerer Temperatur ab ca. 50 °C genutzt werden. 

Auslegung in der Grundlast

Thermische Kältemaschinen haben viel Masse und sind sehr träge, die Auslegung erfolgt in der Grundlast, was auch den hohen spezifischen Investitionen entspricht. Zum Ausgleich von Lastwechseln können diese mit Kältespeichern und mit Kompressionskältemaschinen zur Spitzenlastabdeckung kombiniert werden. Durch das hohe Gewicht ist bei der Aufstellung eine entsprechende Statik vorauszusetzen. Eine Aufstellung größer Anlagen auf dem Dach eines Gebäudes ist eher selten möglich. 

Geeignete Abwärmequellen

Die wirtschaftliche Nutzbarkeit einer Abwärmequelle zur thermischen Kälteerzeugung hängt von der erforderlichen Leistungen und Kaltwassertemperaturen ab. Für eine Kälteerzeugung von –5 °C wird idealerweise eine Antriebstemperatur von ca. 110 °C bis 135 °C benötigt. Lithiumbromid/Wasser-Absorptionskälteanlagen können zur Bereitstellung von Kälte bis 6 °C eingesetzt werden. Sie benötigen geringere Temperaturen als Antriebsenergien und sind gut mit BHKW kombinierbar. Grundsätzlich wird durch höhere Abwärmetemperaturen die Effizienz der thermischen Kälteerzeugung verbessert. 

Relevanz für die Branchen

Abwärmenutzung zur Kühlung ist insbesondere für Branchen mit hohem Kältebedarf wie die Chemie- und Pharmaindustrie relevant. Weitere relevante Branchen sind vor allem in den Industriezweigen Elektro, Nahrungsmittel sowie Druck und Medien. Einstufige Ammoniak/Wasser-Absorptionskälteanlagen können bis –10 °C eingesetzt werden und eignen sich z.B. gut für einen Einsatz in der Lebensmittelindustrie.

Förderhinweis

Das Programm Kälte- und Klimaanlagen fördert Maßnahmen an gewerblichen Kälteanlagen unter Einbeziehung thermischer Kältemaschinen. Die Antragsstellung erfolgt über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa).

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