Durch die Verwendung natürlicher

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1 Lutz Richter Mehrstufige Absorptionskälteanlagen in Energieverbundanlagen Absorptionskälteanlagen können den Einsatz- und Randbedingungen optimal angepasst werden. Die Bezeichnungen Effect und Lift beschreiben die Stufigkeit der Schaltung, Effect die ein- oder mehrmalige Nutzung der zugeführten Heizenergieeinheit, Lift die ein- oder mehrmalige Zuführung von Heizenergie für eine Kälteenergienutzung. Die Effect - Stufigkeit wird zur Erhöhung des Wärmeverhältnisses und die Lift - Stufigkeit zur Verringerung des Heiztemperaturniveaus genutzt. Es werden Gestaltungsansätze und realisierte Beispielanlagen von Effect- Absorptionskälteanlagen besprochen Effect level as design criteria of absorption refrigeration systems in energy compound systems The terms effect and lift describe the different stages in the system. The effect shows the single or multi usage of the heating energy supply and the lift the single or multi heat supply for cooling. The effect -stages are used for an increase of the C.O.P. and the lift -stages is used for the decrease of the heating temperature level. The paper shows design concepts and realized examples of absorption refrigeration systems with various effect -stages. Keywords: total power plants, absorption refrigeration, systems of energy compound systems, cooling, fuel cells Durch die Verwendung natürlicher Kältemittel, marktgängig derzeit Wasser und Ammoniak, besitzen gerade Sorptionskältemaschinen in der Umweltverträglichkeit entscheidende Vorteile gegenüber dem Großteil der Kompressionskälteanlagen. Das Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid besitzt gegenüber Ammoniak/Wasser, infolge des Wegfalls der Dephlegmation und Rektifikation des Kältemitteldampfes, bzgl. des Wärmeverhältnisses (Quotient Kälteleistung/Heizleistung) Vorteile (ca. 17 %). Hohe Heiz- oder tiefe Kondensationstemperaturen können jedoch zum Auskristallisieren des Salzes aus der Lösung und somit zum Ausfall der Anlage führen. Wasser/Lithiumbromid ist nur im Klimakältebereich (t N > 0 C) einsetzbar. Infolge des hohen spezifischen Volumens von Wasserdampf sind der Kompaktheit von H 2 O/LiBr- Absorptionskälteanlagen Grenzen gesetzt. NH 3 /H 2 O- Absorptionskälteanlagen sind kompakter gestaltbar, da der Einsatz von Plattenwärmeübertragern möglich ist. Mit NH 3 /H 2 O- Absorptionskälteanlagen kann Kälte auch für den wichtigen und großen Kälteanwendungsbereich unter 0 C erzeugt werden. Mit der Absorptionskältetechnik werden allgemein hauptsächlich einstufige Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskälteanlagen verbunden. Weniger bekannt sind mehrstufige Anlagen und Entwicklungen auf den Gebieten der Anpassung der Sorptionskältekreisläufe an spezifische Einsatzbedingungen. Und gerade beim letzten Punkt besitzen Sorptionsprozesse vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Diese ergeben sich aus der entsprechenden Aufgabenstellung, die beispielsweise eine hohe Heizmedienauskühlung, ein hohes Wärmeverhältnis oder zwei Nutztemperaturniveaus bzw. eine höchste Ausnutzung der Antriebsenergie Gas oder die Anpassung an Ab- oder Solarwärme fordert. Schaltungsvarianten von Sorptionskälteanlagen Beispiele grundlegender Schaltungsvarianten sind im Bild 1 im log p/(1/t)-diagramm dargestellt (die Temperaturangaben sind nur orientierend). Die schräg eingezeichneten Linien charakterisieren Dipl.-Ing. L. Richter, Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden Bild 1: Schaltungsvarianten unterschiedlicher Kreisprozesse von Sorptionskälteanlagen KI Luft- und Kältetechnik 3/

2 Lösungszustände gleicher Konzentration. Verdampfer und Kondensator liegen auf der Siedelinie des reinen Kältemittels (Konzentration ξ = konstant). Für die prinzipiellen Darstellungen wurden unendliche Lösungsumläufe angenommen, so dass die jeweiligen Konzentrationslinien für arme und reiche Lösung zusammenfallen. Die Bezeichnungen Effect und Lift beschreiben die Stufigkeit der Schaltung. Effect kennzeichnet die ein- oder mehrmalige Nutzung der zugeführten Heizenergieeinheit, Lift die ein- oder mehrmalige Zuführung von Heizenergie für eine Kälteenergienutzung. Wird beispielsweise Heizenergie höherer Temperatur bei hohem Druck dem Kreisprozess zugeführt (G2), besteht die Möglichkeit den dabei erzeugten Kältemitteldampf auch bei höherer Temperatur zu kondensieren (C2). Die dabei freiwerdende Wärme kann in einem Austreiber (G1/1), jedoch bei tieferer Temperatur als in G2, erneut zur Erzeugung von Kältemitteldampf genutzt werden. Dieser Dampf kondensiert in C1 und das Kondensat aus C1 und C2 erzeugt im Verdampfer (E0) Kälte. Unter Vernachlässigung der Lösungswärme kann dieser Double Effect wie folgt vereinfacht beschrieben werden. Durch eine Einheit Heizenergie werden zwei Einheiten Kälteenergie erzeugt. Diese Schaltung wird zur Nutzung höhertemperierter Abwärme, z. B. Abgas von BHKW oder Abluft von Brennstoffzellen, verwendet und erhöht das Wärmeverhältnis. Die Stufigkeit Lift verringert dagegen das Wärmeverhältnis. Steht beispielsweise nur ein Heizmedium tieferer Temperatur zur Verfügung, mit dem einstufig nicht die gewünschte Nutztemperatur erreicht werden kann, wird Kältemitteldampf über zwei Stufen zum Kondensationsdruck transportiert. Der auf Mitteldruck ausgetrieben Kältemitteldampf (G0) wird im Mitteldruckabsorber (A0) absorbiert und im Hochdruckaustreiber (G1/1) erneut ausgetrieben. Vereinfachend sind bei diesem Double Lift zwei Heizenergieeinheiten für eine Kälteenergieeinheit notwendig. Generell wird die Effect -Stufigkeit zur Erhöhung des Wärmeverhältnisses und die Lift -Stufigkeit zur Verringerung des Heiztemperaturniveaus genutzt. Stufigkeiten lassen sich nun noch im auf- und absteigenden Lösungsteil oder im Kälteteil realisieren und Überlagerungen unterschiedlicher Kreisläufe, wie die SE/SL-DL-Schaltung, sind ebenfalls möglich. Jedoch grenzt das Arbeitsstoffpaar infolge des Druckniveaus die möglichen Schaltungsvarianten ein. Aus Bild 1 können beispielhaft die Schaltungsvarianten Single Effect/Single Lift- Absorptionskälteanlage (SE/SL), Single Effect/Double Lift- Absorptionskälteanlage (SE/DL), Single Effect/Single Lift-Double Lift- Absorptionskälteanlage (SE/SL-DL), Double Effect/Single Lift- Absorptionskälteanlage (DE/SL), Double Multi Effect/Single Lift- Absorptionskälteanlage (ME/SL), Double Effect Resorptionskälteanlage (DE/RES) entnommen werden. In Bild 2 werden Single Effect, Double Effect und Triple Effect prinzipiell miteinander verglichen. Die angegebenen Temperaturen sind orientierend und bestimmen die der Effect-Stufe entsprechende Auskühlung der Hochtemperaturwärme. Double Effect / Single Lift Absorptionskälteanlagen, ebenso Triple Effect Anlagen, sind in der Regel mit Gas direktbefeuerte Kälteanlagen. DE- Anlagen großer Leistung sind marktüblich, TE- Absorptionskälteanlagen ebenfalls großer Leistung werden gegenwärtig von Trane und York in den USA entwickelt und in Feldtests erprobt. Die Kreisprozessberechnung für Schaltungsvarianten mit Stufigkeiten höher als Double Effekt sind aufwendig. Das Wärmeverhältnis dieser Schaltungen (von SE - Single Effect bis QE - Quatro Effect) kann nach Gleichung (1) abschätzend berechnet werden. (1) mit i=1 für SE, i=2 für DE, i=3 für TE und i=4 für QE z.b. Das Wärmeverhältnis einer Kombinationsschaltung, der Nutzung höher- und niedertemperierter Wärme in einer Anla- Bild 2: Darstellung von Effect-stufigen Absorptionskreisprozessvarianten im log p / (1/T)-Diagramm 132 KI Luft- und Kältetechnik 3/2003

3 genschaltung, ergibt sich abschätzend aus (2). Die Bezeichnung wird hier mit dem Zusatz Multi versehen, bspw. Double Multi. (2) mit a i als jeweiliger Anteil der Abwärmeauskühlung Dezentrale Anpassungsmöglichkeiten in Energieverbundanlagen Die Double Multi Effect/Single Lift - Schaltung ist die Überlagerung einer SE/SL- mit einer DE/SL-Schaltung. Das vereinfachte Schaltschema kann Bild 3 entnommen werden. Diese Schaltung ist für die direkte Kopplung mit Blockheizkraftwerken und Brennstoffzellen anwendbar. Absorptionskälteanlagen dieser Art werden bereits von der Fa. EAW gebaut und angeboten (Bild 4). Das vereinfachte Schaltschema einer BHKWangepassten NH 3 /H 2 O-Sorptionskälteanlage ist ebenfalls in Bild 3 enthalten. Bei Wegfall des Niedertemperaturaustreibungsteils mit Dephlegmator/Rektifikator DR2, Generator G2/2 und Lösungswärmeübertrager LWÜ2 würde das Schaltschema eine direktbefeuerte NH 3 /H 2 O- Sorptionskälte-, Wärmeverhältnis rd. 1,05, oder wärmepumpenanlage, Heizzahl rd. 1,8...1,9, darstellen. Die BHKW- oder Brennstoffzellenanpassung ergibt sich aus folgender Tatsache. Bild 4: Ausgeführte BHKW-angepasste H 2 O/LiBr- Absorptionskälteanlage incl. BHKW (Fa. EAW / Wegra) Hohe Heiztemperaturen verringern den apparativen Aufwand von Sorptionskälteanlagen und somit die Installationskosten und erhöhen allgemein das Wärmeverhältnis der Anlage. Daher sollten da, wo hohe Abwärmetemperaturen anfallen, diese auch auf diesem Temperaturniveau genutzt werden. In Blockheizkraftwerken mit Gasmotoren beispielsweise fällt Abwärme in zwei Temperaturbereichen an. Ca. 500 C heiße Abgase und etwa C warmes Kühlwasser müssen gekühlt werden. Herkömmlich wurde bisher ein Teil der Exergie des Abgases durch die Wärmeauskopplung auf ein tieferes Temperaturniveau vernichtet. In BHKW liegt der Anteil HT-Wärme an der Gesamtwärme, bezeichnet mit a HT, je nach Motorenart, Hersteller und Brennstoff zwischen 0,25 und 0,45. Der Wert a HT ist bei Brennstoffzellen und Mikrogasturbinen erheblich höher, so dass der Kreisprozess hier stärker zum Double Effect verschoben werden kann. In Bild 6 wird dieser Fakt verdeutlicht. Steigt der HT- Wärmeanteil, erhöht sich das Wärmeverhältnis. a HT = 0 bedeutet SE-, a HT = 1 DE- Betrieb. Ob die Kälteleistung steigt oder fällt, hängt von dem Wärmestrom ab, der konstant bleibt. Der HT-Wärmeanteil der Abluft (t > 135 C) in Brennstoffzellen liegt beispielsweise beim sogenannten Hot-Modul der Fa. MTU bei rd. 85 % (a HT = 0,85). Die Möglichkeit der Abwärmeauskopplung einer Triple Effect- Schaltung aus der Brennstoffzelle ist im Bild 5 skizziert. Tabelle 1 zeigt Wärmeverhältnisse unterschiedlicher Absorptions- im Vergleich zu Kompressionsprozessen, wobei das Wärmeverhältnis der beiden Kompressionsprozesse ein primärenergetischer Nutzungsgrad ist. Somit ist über diese Kennzahl Absorptions- und Kompressionskälteerzeugung nicht direkt vergleichbar. Wird die Abwärme aus der Bild 3: Vereinfachte Schaltschemata von BHKW-angepassten Absorptionskälteanlagen KI Luft- und Kältetechnik 3/

4 Bild 5: Abwärmeauskopplung aus einer Brennstoffzelle mittels einer Triple Effect-H 2 O/LiBr-Absorptionskälteanlage Bild 6: Spezifische Kälteleistung für konstante Hochtemperatur- oder konstante Gesamtheizleistung und Wärmeverhältnis eines Double-Multi-Effect- Kreisprozesses in Abhängigkeit des Hochtemperaturheizleistungsanteils aht Stromerzeugung zum thermischen Antrieb der Absorptionskälteanlage verwendet, ist eine primärenergetische Gutschrift einzurechnen. Dann liegt je nach Schaltung, Koppelfaktor und angesetzter Wirkungsgrade der primärenergetische Nutzungsgrad der Absorptionsvarianten zwischen 2 und 3. In Bild 7 ist für eine Double Multi Effect- AKM, bei der der Massenstrom reiche Lösung (rl) auf HT- und NT- Generator aufgeteilt wird, die Abhängigkeit der Temperatur der armen HT-Lösung (t al ) und des Abgasaustrittes (t AG,a ) sowie des ausgetriebenen Kältemitteldampfmassenstromes (m d,g2 ) von der dem HT- Generator zugeführten Menge reicher Lösung (V rl ) dargestellt. Der Darstellung liegen folgende Randbedingungen zu Grunde: Hochdruck 20 kpa, Temperatur der eintretenden reichen Lösung 60 C, Konzentration der reichen Lösung 0,48, Abgastemperatur 540 C, Abgasvolumenstrom 244 kg/h, (ka)-wert 136 W/K. Es ist ersichtlich, dass mit steigendem Volumenstrom die Abgasaustrittstemperatur fällt, jedoch der Gewinn an Abwärmeleistung nur anfänglich zu einer höheren Kältemittel-dampferzeugung führt. Die Existenz eines Optimums liegt darin begründet, dass mit höheren Lösungsvolumenströmen der Anteil sensibler Wärmeaufnahme gegenüber der latenten steigt und dass mit kleineren die Lösungstemperatur zwar steigt, die Temperaturerhöhung aber nicht gleichwertig in einer Erhöhung der Entgasungsbreite bzw. der Menge ausgetriebenen Kältemitteldampfes wirksam wird. Energetischer und ökologischer Nutzen Die Effektivität des Energieeinsatzes zur Kälteerzeugung wird durch die Leistungszahl der Kompressions- und das Wärmeverhältnis der Absorptionskältemaschine bewertet. Bei den Sorptionskälteprozessen muss die Energiebilanz der Heizenergiebereitstellung berücksichtigt werden. Für den primärenergetischen Vergleich zwischen einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) und einer stromversorgten Kompressionskälteerzeugung wird Gleichung (3) herangezogen. z ges,hkw ist darin der notwendige Gesamtnutzungsgrad der KWK-Anlage für primärenergetische Gleichwertigkeit einer KWKK gegenüber der elektrisch betriebenen Kompressionskälteerzeugung. z EN ist der Nutzungsgrad Anlagentyp œ Antriebsmittel [Kälteeenergie/Heizbzw. Primärenergie] Single Effect- H 2 O/LiBr-AKM 0,75 Heizwasser, Dampf Double Multi Effect- H 2 O/LiBr-AKM 0, ,15 Abwärme auf Double Multi Effect- NH 3 /H2O-Resorber 0,82 zwei Temperaturniveaus Double Effect- H 2 O/LiBr-AKM 1,25 (auch Abwärme) Triple Effect- H 2 O/LiBr-AKM 1,65 Gas (direktbefeuert) Gax-Cycle- AKM 0,7...0,9 Gasmotorische Kompr.- kälteanlage 1,5...1,9 Gas Elektr. Kompr.- kälteanlage 1,5...1,9 Elektroenergie des Elektronetzes, z HN des Heiznetzes, z AKM das Wärmeverhältnis der Absorptionskälteanlage, e KKM die Leistungszahl der Kompressionskälteanlage und s HKW die Stromkennzahl der KWK. (3) Als KWK-Anlage können ein zentrales Heizkraftwerk (HKW) oder dezentrale Blockheizkraftwerke oder Brennstoffzellen-Heizkraftwerke herangezogen werden. Die Auswertung der Gleichung (3) erfolgt für die dezentrale KWKK im Bild 8 für eine SE- und ME- Anlage. Die elektrischen Netzverluste wurden mit 5 % berücksichtigt, Wärmenetzverluste treten bei dezentraler KWK nicht auf. Aus Bild 8 sind die Grenzen der KWKK klar ersichtlich. Bei einem gegenwärtigen elektrischen Nutzungsgrad der zentralen Stromerzeugung von 0,36 (deutscher Strommix) und einer Stromkennzahl der KWK von 0,6 muss der Gesamtnutzungsgrad der KWK über 0,77 und der elektrische Nutzungsgrad folglich über 0,29 liegen, um mit einer KWKK und SE- AKM primärenergetische Einsparungen zu erzielen. Diese Werte sind nicht nur zu erreichen sondern zu übertreffen. Steigt der Stromerzeugungsnutzungsgrad sind höhere Gesamt- und elektrische Nutzungsgrade der KWK notwendig. Aber auch bei höheren z el,kw sind energetische Einsparungen zu erzielen. Bei Kopplung der MTU-Brennstoffzelle mit einer Multi Effekt- AKM müsste zur primärenergetischen Gleichwertigkeit der Kompressionskälteerzeugung der Netzstrom mindestens einen Nutzungsgrad von 0,58 besitzen. 134 KI Luft- und Kältetechnik 3/2003

5 Bild 7: Abhängigkeit der Temperatur der armen HT- Lösung t al und des Abgasaustrittes t AG,a sowie des ausgetriebenen Kältemitteldampfmassenstromes m d,g2 von der dem HT- Generator zugeführten Menge reicher Lösung Mit der Verdrängung einer Kompressions- durch eine Absorptionskälteanlage muss weniger Elektroenergie im Stromnetz zur Verfügung gestellt werden. Nun wäre es aus ökologischer und gesamtwirtschaftlicher Sicht ausgesprochen sinnlos, moderne Kraftwerkskapazitäten mit Stromerzeugungsnutzungsgraden von 0,45 zu drosseln und ältere Anlagen mit 0,32 weiter zu betreiben. Folglich ist gegenwärtig kein Stromerzeugungsnutzungsgrad von größer 0,4 der KWKK gegenüberzustellen. Sollte der durchschnittliche Nutzungsgrad der Stromerzeugung im Mix auf 0,45 steigen, muss bei Kopplung mit einer Multi Effect- AKM eine dezentrale KWK-Anlage mit Brennstoffzelle (Stromkennzahl 1,25) mindestens einen Gesamtnutzungsgrad von 0,68 aufweisen. Also auch zukünftig hat die KWKK eine Daseinsberechtigung. Und mit der Primärenergieeinsparung, der Emissionsreduzierung in Brennstoffzellen und der Verwendung natürlicher Kältemittel zur Kälteerzeugung sind auch erhebliche Reduzierungen von Schadstoffemissionen verbunden. Fazit Sorptionskälteanlagen gibt es für Nutztemperaturen über und unter 0 C. Speziell in Energieverbundsystemen besitzen Sorptionskälteanlagen entscheidende Vorteile. So kann der kältetechnische Kreisprozess optimal an Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen angepasst werden. Über Effect- Schaltungen kann bei Nutzung höherer Abwärmetemperaturen das Wärmeverhältnis des Absorptionskreisprozesses erheblich erhöht werden. Gegenwärtig existieren bereits sogenannte Double Multi Effect-Absorptionskälteanlage der Fa. EAW, die an die Bedingungen der BHKW angepasst wurden. In Kürze werden solche Anlagen in Anpassung an die Abwärmebedingungen von Brennstoffzellen in Betrieb genommen. Statt des bei Single Effect- Anlagen erreichbaren Wärmeverhältnisses von 0,75 können Werte von 0,95 bei Kopplung mit BHKW und 1,15 bei Kopplung mit Brennstoffzellen erreicht werden. Bild 8: Notwendiger Gesamtnutzungsgrad der KWK in Abhängigkeit eines minimalen Stromerzeugungsnutzunsgrades und der KWK-Stromkennzahl für primärenergetische Gleichwertigkeit einer KWKK mit SE- bzw. ME- H 2 O/LiBr- Absorptionskälteanlage gegenüber Kompressionskälteerzeugung Schlüsselwörter Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Absorptionskälteanlagen Energieverbundsysteme Kälteerzeugung Brennstoffzellen Blockheizkraftwerke KI Luft- und Kältetechnik 3/