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Effiziente und umweltfreundliche Kälteversorgung mit Physik, Umwelt und Vernetzung

Potenziale von Kälte aus Abwärme und Sorptionstechnik

Zur Vermeidung hoher Betriebskosten und schlechter Werte im Primärenergiebedarf kann auf gasbasierte Technologie zurückgegriffen werden. So verdichten Gasabsorptionswärmepumpen ein klimafreundliches Kältemittel mit einem sogenannten thermischen Verdichter. Zusätzlich nutzen sie chemische-physikalische Effekte beim Mischen und Trennen von Gasen und Flüssigkeiten, zum Beispiel Ammoniak und Wasser (Ammoniak hat einen GWP-Wert von Null, was keinerlei Klimaschädigung bedeutet). Dabei wird zusätzlich die bei der Absorption von Ammoniak in Wasser freiwerdende Wärme (Mischungsenthalpie) ausgenutzt, so dass Heizleistungszahlen bis 1,74 erreicht werden. Nach dem Austreiben des Ammoniaks kann die sogenannte Verdunstungskälte genutzt werden.

Gasmotorwärmepumpen erreichen die Verdichtung durch einen Gasmotor, welcher einen Verdichter antreibt. Auch hier kann durch Ausnutzung der Verdunstungskälte beim Entspannen des Kältemittels Kälte gewonnen werden. Auch ohne das Nutzen von Sorptionstechnologie erreichen diese Anlagen Jahresarbeitszahlen bis zu 1,4. Einen Wert von 1,75 schafft hierfür ein ebenfalls ohne Sorptionstechnik auskommender Typ, die thermodynamische Wärmepumpe aus französischer Herstellung. Diese Neuentwicklung nutzt CO2 (GWP-Wert = 1) als umweltfreundliches Kältemittel und wurde 2018 mit dem Innovationspreis der deutschen Gaswirtschaft in der Kategorie „Innovative Produkte“ prämiert.

Macht es daher Sinn, anstelle von Strom das in die Diskussion geratene Gas als Antrieb zu wählen? Immerhin beträgt der Anteil erneuerbaren Stroms im deutschen Netz über das Jahr gesehen beinahe 50 Prozent, auch wenn es in den Wintermonaten mit großen Heizlasten es leider anders aussieht. Wie auch immer: Mit dem Gasnetz steht ein Versorgungssystem zur Verfügung, das mit steigenden Anteilen von Biomethan und Wasserstoff mittel- bis langfristig grün werden wird. Heute installierte Technologie wird deswegen ohne größere, erforderliche Umbauten zukünftig automatisch klimaneutral.

Sollten in einem Gebäude sowohl die winterliche Beheizung als auch die sommerliche Kühlung aus einer Erzeugungsanlage erfolgen können, hat die Anwendung von gasbasierten Kühlsystemen einen klaren wirtschaftlichen Vorteil. Neben einer Förderung in der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) winkt hier der Vorteil der Energiesteuerbefreiung.

Abwärme sinnvoll nutzen!

Aber auch mit den Zukunftsaussichten erneuerbarer Einsatzenergien sollte man heute schon den Blick auf Technologien richten, die gänzlich ohne Strom oder Gas als Antriebsenergie auskommen. Naturgemäß emittieren viele Energie- und Prozessanlagen Wärme. Diese tritt zum Beispiel in Form von warmer Abluft aus Trocknungsprozessen, Dampf aus Temperieranlagen oder als Abgas von KWK-Anlagen auf.

Ab einer Temperatur von zirka 60 Grad können diese ansonsten ungenutzt an die Umgebung abgegebenen Energieströme genutzt werden. Sowohl Absorptionsanlagen als auch Adsorptionsanlagen sind ohne Weiteres in der Lage, diese Niedertemperaturwärme auf Kühltemperatur zu bringen. Während Absorber sich wie oben beschrieben der Mischungsenergie von Gasen und Flüssigkeiten bedienen, nutzen Adsorber die Wärme, die beim Immobilisieren, quasi dem Einfangen von Molekülen oder Atomen, zum Beispiel in einem kleinporigen Festkörper frei wird. Als Material kommen hierbei meist Zeolith oder Silikalgel zum Einsatz, das verwendete Kältemittel ist klimaunschädliches, reines Wasser (R718, GWP = 0). Nach einer Beladung können die Feststoffe wieder regeneriert und beinahe beliebig oft neu beladen werden. Die sich zunächst widersinnig anhörende Kühlung mit Wärme rechnet sich an vielen dauerhaft anfallenden Abwärmequellen.

Weitere Informationen zu diesem Abschnitt (Kostenlose pdf-Dateien):

  • ASUE-Broschüre „KWKK – Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung“ (Link)
ASUE-Broschüre „KWKK – Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung“ (Bild: ASUE)

Netze und Effizienz entscheiden

Es wird deutlich, dass es umfangreiche Auswahloptionen zur Kälteerzeugung gibt. Eine frühzeitige Fixierung auf elektrisch angetriebene, kleinteilige Einzelanlagen ist aus Effizienzgründen unbedingt zu vermeiden. Bei der Planung sollte stets mit Weitsicht und unter Einbeziehung möglicher Energiequellen in der Umgebung agiert werden. Dabei kann auch zur Zeit unbequemes Gas unter Umständen eine langfristig klimaneutrale Alternative darstellen.