Absorptionswärmepumpe

Einsatzbereich
Aktive Rauchgaskondensation von Grossanlagen ab 1000 kW
Betriebsmedium
Wasser-Lithiumbromid-(LiBr)-Lösung
Wärmequelle
Hackschnitzelfeuerung

Zusätzlicher Energiegewinn bei konstantem Brennstoffeinsatz – maximale Wärmerückgewinnung mittels Absorptionswärmepumpe

Mit einer optimierten Wärmerückgewinnung aus dem Abgas lässt sich die Effizienz von Biomasse-Heizwerken massiv steigern. Durch den kombinierten Einsatz von Abgaskondensationsanlagen und Absorptionswärmepumpen kann 20 – 40 % mehr Heizwärme aus derselben Brennstoffmenge erzeugt werden.

Wärmepumpen können dazu genutzt werden, die in einer Abgaskondensationsanlage anfallende Niedertemperaturwärme in den Netzrücklauf zu übertragen, wenn die Netzrücklauftemperatur zu hoch für eine zuverlässige Abgaskondensation ist. So kann die Niedertemperaturwärme von einer Temperatur von z.B. 48 °C auf 63 °C angehoben werden und in einen Wärmenetzrücklauf mit z.B. 55 °C eingebunden werden.

Die Absorptionswärmepumpe ist eine Wärmepumpenart, die mit Wärme (heissem Wasser) aus einem Biomasse-Heizkessel angetrieben wird. Sie verbraucht daher kaum Strom.

Wärmepumpen-Kreislauf

Um den Druck im Verdampfer niedrig zu halten, muss der Arbeitsmitteldampf wieder in Richtung Kondensator abgeführt und dazu auf höheren Druck gebracht werden. Zur Förderung des Arbeitsmitteldampfes von tiefem auf höheren Druck wird Energie zugeführt.

Der Wärmepumpen-Kreislauf ist damit geschlossen und es kann somit durch unterschiedliche Druckniveaus im Verdampfer und Kondensator und
Zufuhr von Förderenergie Wärme von einem tiefen (Verdampfer) auf ein höheres (Kondensator) Temperaturniveau gehoben werden.

Funktionsprinzip einer Kompressionswärmepumpe

Bei der Kompressionswärmepumpe erhöht ein Kompressor den Druck des dampfförmigen Arbeitsmittels. Der Kompressor verbraucht dabei viel elektrische Antriebsenergie (> ca. 25 % der erzeugten Wärmeleistung).

Funktionsprinzip einer Lithiumbromid-Absorptionswärmepumpe

1. Teilfunktion der Wärmepumpe – Übertragung von Wärme

Wärmepumpen werden verwendet, um Wärme von einem tiefen auf ein höheres Temperaturniveau zu übertragen.

Wärmepumpen nutzen Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmittels zur Wärmeübertragung:

Kondensator (1):
Wärme wird abgegeben und das Arbeitsmittel kondensiert. Ähnliches geschieht an einem kalten Getränkeglas, an dem die Luftfeuchtigkeit kondensiert, Wärme aus der Luft an das Getränkeglas abgibt und sich dadurch langsam erwärmt.

Verdampfer (2):
Wärme wird zugeführt und das Arbeitsmittel verdampft. Dies ist vergleichbar mit dem Kochen von Wasser auf einer Herdplatte.

 

2. Teilfunktion der Wärmepumpe
Erreichung von unterschiedlichen Temperaturniveaus bei Wärmezufuhr und -abgabe

Wärmepumpen arbeiten mit zwei Druckniveaus und beeinflussen so die Verdampfungs- und Kondensationstemperatur des Arbeitsmittels:

Analogie: Wasser kocht auf Meereshöhe bei 100 °C, auf 3000 m über Meer (reduzierter Luftdruck) bereits bei 90 °C.

Kondensator (1):
Höherer Druck = Hohe Kondensationstemperatur. Kondensation des Arbeitsmittels bei hoher Kondensationstemperatur unter Abgabe von Wärme.

Verdampfer (2):
Niedriger Druck = Tiefe Siedetemperatur. Verdampfung des Arbeitsmittels bei niedriger Siedetemperatur unter Zuführung von Wärme.

Eine Lithiumbromid-Absorptionswärmepumpe nutzt Wasser und Wasserdampf auf zwei verschiedenen Druckniveaus als Arbeitsmittel.

Ein geschlossener Absorptions- und Desorptionskreislauf mit einer Wasser-Lithiumbromid-(LiBr)-Lösung in Kombination mit einer kleinen Pumpe wirkt dabei wie ein Kompressor.

Das Arbeitsmittel Wasserdampf wird so von einem tiefen Druckniveau auf ein höheres Druckniveau gebracht. Dies geschieht in folgenden Schritten:

Absorption im Absorber (3):
Konzentrierte LiBr-Lösung absorbiert Wasserdampf, der im Verdampfer (2) entstanden ist. Dies ist vergleichbar mit Salz, welches Luftfeuchtigkeit absorbiert.

Eine kleine Pumpe erhöht den Druck der mit Wasserdampf verdünnten LiBr-Lösung und fördert diese in den Austreiber (4) mit einem erhöhten Druckniveau. Die Druckerhöhung der Lösung mittels Pumpe verbraucht viel weniger elektrische Energie als die Druckerhöhung von Dampf mittels Kompressor.

Freisetzung im Austreiber / Desorber (4):
Um den Prozess aufrechtzuerhalten, muss die LiBr-Lösung wieder aufkonzentriert werden. Dazu wird sie erhitzt, sodass Wasserdampf freigesetzt wird. Zur Beheizung wird Heizwasser ≥ 105 °C verwendet, das vom
Biomasse-Heizkessel bereitgestellt wird.

Die aufkonzentrierte LiBr-Lösung wird zurück in den Absorber (3) geleitet.

Integration der Absorptionswärmepumpe in ein Schmid-Biomasse-Heizwerk

Die Einbindung der Absorptionswärmepumpe erfolgt in drei wasserhydraulischen Kreisläufen.

Die Absorptionswärmepumpe benötigt im Zusammenspiel mit der Feuerungsregelung Revolution adaptive eine minimale Antriebstemperatur von 105 °C. Höhere Antriebstemperaturen von bis zu 150 °C ermöglichen grössere Temperaturhübe und niedrigere Kondensationstemperaturen, was energetisch vorteilhaft ist. Antriebstemperaturen > 105 °C erfordern jedoch einen prüfpflichtigen Heisswasserkessel mit erhöhten Investitions- und Betriebskosten sowie -aufwänden. Der Einsatz eines Warmwasserkessels (≤ 105 °C Vorlauftemperatur) ist daher aus wirtschaftlichen und organisatorischen Gründen besonders bei Anlagen bis ca. 3 MW vorteilhaft. Bei grösseren Anlagen kann der Einsatz eines Heisswasserkessels mit Vorlauftemperaturen von bis zu 150 °C interessant sein.