Lexikon > Buchstabe A > Absorptionswärmepumpe

Absorptionswärmepumpe

Eine Absorptionswärmepumpe ist ein Typ von Wärmepumpe, der keinen mechanischen Antrieb benötigt. Stattdessen wird Exergie in Form von Hochtemperaturwärme (d. h. auf einem Temperaturniveau deutlich oberhalb der Temperatur der erzeugten Nutzwärme) für den Betrieb eines sogenannten thermischen Verdichters verwendet.

Eine Absorptionskältemaschine ist technisch praktisch dasselbe, nur dass hier die Erzeugung von Kälte (d. h. der Entzug von Wärme) der eigentliche Zweck ist. Dieser Artikel behandelt deswegen beide Typen von Maschinen.

Der in solchen Anlagen verwendete Prozess ist deutlich komplizierter als bei einer Kompressionswärmepumpe:

• Das anfangs flüssige Kältemittel gelangt wie bei der Kompressionswärmepumpe in den Verdampfer. Dort siedet es, kühlt ab und nimmt Wärme aus der Wärmequelle auf.
• Das vom Verdampfer kommende Kältemittel wird dann in einem Absorber von einem Lösungsmittel (einer Salzlösung) absorbiert. Dies ermöglicht, dass der Druck trotz der kontinuierlichen Verdampfung im Verdampfer niedrig gehalten wird, so dass die Verdampfung nicht zum Erliegen kommt.
• Dem Lösungsmittel muss das Kältemittel dann wieder entzogen werden. Hierfür wird es von einer Pumpe über einen Wärmeübertrager (den Temperaturwechsler) in einen Austreiber gebracht. Das Austreiben erfolgt durch Zufuhr von Hochtemperaturwärme, die z. B. durch Verbrennen von Erdgas erzeugt wird (→ Gas-Wärmepumpe). (Die Löslichkeit des Kältemittels im Lösungsmittel ist bei höherer Temperatur geringer.)
• Das hier wieder gasförmige Kältemittel kommt zum Kondensator, wo es die Nutzwärme abgibt, kondensiert (verflüssigt) wird und über ein Ventil wieder in den Verdampfer gelangt. Das Lösungsmittel dagegen wird im Temperaturwechsler abgekühlt und gelangt wieder zum Absorber.

Bei manchen Ausführungen ist keine Lösungsmittelpumpe erforderlich, da die Umwälzung des Lösungsmittels über Dampfblasen bewerkstelligt wird.

Auch wenn eine Pumpe benötigt wird, genügt dafür eine recht geringe Antriebsleistung (viel geringer als bei einer Kompressionswärmepumpe gleicher thermischer Leistung).

Eine andere Variante ist die Adsorptionswärmepumpe, bei der das Kältemittel vorübergehend an einen porösen Festkörper (z. B. Zeolith) angelagert wird und nicht an ein Lösungsmittel. Der Oberbegriff Sorptionswärmepumpe umfasst sowohl Absorptions- als auch Adsorptionswärmepumpen.

Verwendbare Wärmequellen

Die zum Betrieb benötigte Hochtemperaturwärme kann von verschiedenen Quellen stammen:

• von einer Feuerung z. B. mit Erdgas, Flüssiggas oder Heizöl
• Abwärme z. B. aus einem industriellen Prozess oder von einem Blockheizkraftwerk, ggf. auch als Fernwärme geliefert
• von Sonnenkollektoren (Solarthermie)

Die Verwendung von Solarthermie ist insbesondere für Absorptionskältemaschinen interessant, die für die Klimatisierung von Gebäuden eingesetzt werden. Die solare Wärme ist nämlich praktisch immer dann verfügbar, wenn wegen starker Sonneneinstrahlung ein hoher Kältebedarf besteht.

Energieeffizienz, Heizzahl

Die Energieeffizienz von Absorptions- und Adsorptionswärmepumpen wird mit der Heizzahl quantifiziert. Dies ist das Verhältnis von erhaltener Nutzwärme zur eingesetzten Hochtemperaturwärme. Die Heizzahl kann umso höher sein, je geringer der Temperaturunterschied zwischen Nutzwärme und Wärmequelle (Umweltwärme) ist. Außerdem muss die Temperatur der Hochtemperaturwärme ausreichend hoch sein.

Die Heizzahl ist nicht direkt mit der Leistungszahl einer Kompressionswärmepumpe vergleichbar, denn sie bezieht sich auf Hochtemperaturwärme und nicht auf reine Exergie als Betriebsenergie. Jedoch ist ein Vergleich möglich, wenn die Erzeugung der Antriebsenergie für die Kompressionswärmepumpe mit berücksichtigt wird. Als Beispiel betrachte man zwei Varianten der Erzeugung von Heizwärme aus Erdgas:

• Eine mit Erdgas betriebene Absorptionswärmepumpe erreicht bei günstigen Temperaturniveaus (z. B. Heizwärme bei 35 °C, Erdwärmesonden als Wärmequelle mit 0 °C) vielleicht eine Heizzahl von 1,7 = 170 %. In der Praxis treten häufig Werte zwischen 1,4 und 1,6 auf.
• Ein modernes Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk erzeugt elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 60 %. Damit betreibt man eine Kompressionswärmepumpe mit Leistungszahl 4. Insgesamt erhält man aus 100 % Erdgas (nach Heizwert) 4 · 60 % = 240 % Heizwärme (unter Vernachlässigung von Energieverlusten im Stromnetz). Dies entspräche also einer Heizzahl von 2,4 = 240 %, was mit einer Absorptionswärmepumpe kaum zu erreichen ist.

Gebräuchliche Typen von Absorptionswärmepumpen

Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpen sind besonders gebräuchlich. Sie basieren auf Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel. Sie können auch sehr niedrige Verdampfertemperaturen erreichen (z. B. −50 °C). Das Wärmeverhältnis beim Einsatz als Kältemaschine ist aber eher niedrig – z. B. 0,65 für eine Verdampfertemperatur von 0 °C.

Ein anderer wichtiger Typ ist die Wasser/Lithiumbromid-Absorptionswärmepumpe. Bei ihr kann die Verdampfertemperatur nicht unter ca. 3 °C liegen, da Wasser als Kältemittel genutzt wird. Diese Beschränkung ist jedoch kein Problem, wenn z. B. Abwärme auf einem nicht allzu niedrigen Temperaturniveau als Wärmequelle genutzt werden soll. Das erreichbare Wärmeverhältnis kann relativ hoch werden – deutlich über 1.

Anwendungen von Absorptionswärmepumpen

Absorptionswärmepumpen erlauben es z. B. in Fernheizwerken, die Exergie von Hochtemperaturwärme besser zu nutzen, indem mit ihrer Hilfe zusätzliche Umweltwärme oder Abwärme der Nutzung zugeführt wird.

Es gibt auch mit Erdgas betriebene Absorptionswärmepumpen als Ersatz für Heizkessel, um das Erdgas effizienter zu nutzen. Die Energieeffizienz ist zwar wesentlich niedriger als für ein System mit Gasmotor und Kompressionswärmepumpe oder auch für eine Kombination aus Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk und Elektrowärmepumpe, aber dafür ist die Technik weniger aufwendig. Zukünftig könnten vielleicht auch kleinere Gas-Absorptionswärmepumpen für Einfamilienhäuser zum Einsatz kommen.

Siehe auch: Wärmepumpe, Adsorptionswärmepumpe, Gas-Wärmepumpe, Kompressionswärmepumpe, Wärmepumpenheizung