1: Silicagel ist das derzeit am häufigsten eingesetzte Adsorbens in Adsorptions-Kälteanlagen. Es ist hochporös und bindet Wasserdampf. Bild: Sortech

Silicagel ist das derzeit am häufigsten eingesetzte Adsorbens in Adsorptions-Kälteanlagen. Es ist hochporös und bindet Wasserdampf. Bild: Sortech

  • Die Adsorptions-Kältetechnik nutzt Abwärme als Energiequelle und Wasser als Kältemittel. Sie ist daher energiesparend, wirtschaftlich und emissionsarm, vor allem in Betrieben und Prozessen mit viel Abwärme.
  • Schwachpunkte der Adsoprtions-Kälteanlagen sind ihre Abhängigkeit von verfügbarer Wärmezufuhr und ihre begrenzte Leistungsfähigkeit bei Spitzenbedarf.
  • Ein Hybrid-Aggregat kombiniert die abwärmegetriebene Adsorptionstechnik mit elektrisch betriebener Kompressionstechnik. Es verbindet die Vorteile beider Systeme und überwindet so die Schwachpunkte.

Das Beste aus zwei Welten

Aus dieser Überlegung heraus kam es zu einer Kooperation mit Riedel Kältetechnik, einem Spezialisten für gewerbliche, industrielle und medizinische Prozesskühlung. Bei dessen Kunden entsteht im täglichen Betrieb ihrer elektrisch angetriebenen Kälteanlagen oft sehr viel ungenutzte Abwärme. Die Kombination mit der Adsorptions-Technologie erschien daher sinnvoll, wie Vertriebsmitarbeiter Alexander Schneider erläutert: „Gerade der Gleichzeitigkeitsfaktor ist aus Kundensicht ein entscheidender Vorteil, um Abwärme zu nutzen und damit Kosten für die Kälteerzeugung zu sparen. Andererseits sind Ausfall- oder Stillstandszeiten einer Produktionsanlage oder eines industriellen Prozesses inakzeptabel, ja könnten zu immensen Regressforderungen führen. So entstand die Idee, Kompression und Adsorption zu koppeln, um das Beste aus zwei Welten zu kombinieren.“

Das Resultat dieser Kombination ist ein Kälteaggregat namens Hybrid-Chiller. Das System verbindet die Vorteile zweier Kälteerzeugungs-Welten: Die Effizienz der Adsorption und die Präzision der Kompressionskälte. Wie beide Aggregate in einem Gerät zusammenspielen, erklärt Steffen Kühnert, Technischer Leiter bei Sortech: „Haben wir konstante Abwärmetemperaturen von optimal 85 °C, möglichst niedrige Umgebungstemperaturen für den Trockenrückkühler und konstante Anforderungen an Kühlenergie, dann kann der Adsorptionsprozess alleine und stabil arbeiten. Ist aber keine Abwärme verfügbar, der Puffer entladen oder bedürfen große Lastschwankungen schnelle Korrekturen der Kaltwassertemperatur, dann schaltet das Kompressionskälteaggregat kontinuierlich zu oder übernimmt auch die Kälteerzeugung komplett.“

Kombination rechnet sich

Die Hybrid-Kälteanlage hat eine Spitzenleistung von 45 kW, davon 30 kW aus Kompression und 15 kW mittels Adsorption. Beide Kühlprozesse sollten aber nur im Ausnahmefall, also bei Lastspitzen, gleichzeitig betrieben werden. Der Auslegungsfall pro Gerät liegt daher bei einer maximalen Kälteleistung von 30 kW im monovalenten Kompressionskältemodus. Arbeitet alleine die Adsorption, sind 15 kW möglich. Bei höherem Kältebedarf sind weitere Aggregate einzuplanen.

Wie sinnvoll die Kombination beider Technologien ist, zeigt sich für die Kühlung am Beispiel eines heißen Frühsommertages. Dann kann das System im Dreischichtbetrieb einer industriellen Produktionsanlage alle Kombinationen durchlaufen: Von der freien Kühlung ganz ohne Aggregat nachts, dem monovalenten Adsorptionsbetrieb in den Morgen- und Abendstunden, der bivalenten Anwendung beider Systeme in der Übergangszeit, bis hin zum reinen Kompressionskältebetrieb während der wärmsten Stunden des Tages. Maßgebend für die effiziente Kälteerzeugung über diese 24 Stunden sind das Schaltspiel der Regelung und der zu jedem Zeitpunkt geringste Energieverbrauch. Einzige Ausnahme: Der Adsorption steht unplanmäßig keine Abwärme zu Verfügung. Dann kann jederzeit die Kompressionskälteanlage einspringen; eine redundante Absicherung ist also immer gegeben.

Für Betreiber spielt es eine große Rolle, in welchem Zeitrahmen sich eine solche Anlage amortisiert – insbesondere, wenn sie in der Anschaffung teurer ausfällt. „Natürlich kann der Hybrid Chiller nicht preisgleich einer reinen Kompressionskälteanlage angeboten werden“, sagt Produktmanager Felix Ruthenberg von Sortech. Mit Rücksicht auf Standort, Abwärmequelle, Laufzeit und Anwendung sowie aktuell anerkannter Fördermöglichkeiten für die Adsorptionstechnik könne sich die Investition jedoch in drei bis vier Jahren amortisieren. Hinzu kommen bis zu 80 % eingesparte Energiekosten, die sich sofort einstellen.

Zur Technik: Adsorption mit „d“

Wenn sich Wassermoleküle aus Wasserdampf an einen Feststoff anlagern, spricht man von Adsorption. Wasser ist dann das Adsorbat, das auf einem Adsorbens durch schwache van-der-Waals-Kräfte physikalisch gebunden ist. Nimmt dagegen eine Flüssigkeit wie eine Salzlösung gasförmiges Wasser auf, handelt es sich um Absorption.

Für die Adsorption braucht man eine möglichst große Feststoff-Oberfläche, auf der viele Moleküle Platz finden. Silicagel und Zeolithe haben sich dafür als besonders effizient erwiesen. Außerdem muss genug Wasserdampf vorhanden sein. Beim Phasenübergang von flüssig zu gasförmig wird der Flüssigkeit wie beim Schwitzen Wärme entzogen. Das ist der Kühlprozess. Damit das gasförmige Wasser nun ungebremst zum Adsorbens gelangt, findet der Prozess in der Adsorptions-Kälteanlage ohne Luft, also fast im Vakuum statt. Das Verdampfen und Anlagern kühlt so das flüssige Wasser, bis auf dem Adsorbens kein Platz mehr für weitere Wassermoleküle ist.

Um diesen Vorgang umzukehren, wird dem Adsorbat wieder Wärme zugeführt – bevorzugt die Ab-wärme anderer Prozesse. Die Temperaturen liegen mit 50 bis 95 °C bei der Adsorption deutlich tiefer als bei der Absorption. Jetzt setzt der Desorptionsprozess ein, bei dem die angelagerten Wassermoleküle ausgetrieben werden. Der freigewordene Wasserdampf verflüssigt, bis die Desorption abgeschlossen ist. In der Adsorptionskälteanlage befinden sich zwei solcher Vakuummodule – abwechselnd eins für die Ad-, das andere für die zeitgleiche Desorption. Ständiges Hin- und Herschalten zwischen beiden Vorgängen erhält in der Summe einen kontinuierlichen Kühlprozess aufrecht.

Hier finden Sie die Web-Präsenz des Anbieters.

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