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Hydroxid-AWP – Potential und Grenzen von Natriumhydroxid als Zusatz zum Stoffpaar Ammoniak / Wasser in Absorptions-Wärmepumpen

Die Effizienz und Kosten einer Absorptionswärmepumpe werden wesentlich durch die Wahl des Arbeitsstoffgemisches beeinflusst. Im Rahmen dieses Grundlagenforschungsprojektes sollen experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden, die es ermöglichen, ein Simulationsmodell zu verifizieren und damit das Potential und die Grenzen von Natriumhydroxid als Zusatz zum Arbeitspaar Ammoniak/Wasser abzuschätzen.

Ausgangssituation

Die Nutzung von Absorptionswärmepumpen (AWP) kann einen wesentlichen Beitrag zur Energieeinsparung und zur Reduktion der CO₂-Emmisionen liefern. Dies kann einerseits durch die Reduktion des Primärenergiebedarfes geschehen, z.B. bei der Anwendung zur Gebäudeheizung, wo, zusätzlich zur eingesetzten Antriebsenergie (Hochtemperaturwärme), Umgebungswärme aufgenommen und dem Heizungssystem zugeführt werden kann. Andererseits kann durch Absorptionswärmepumpen auch eine verstärkte Nutzung von erneuerbaren Energieträgern erzielt werden, wie z.B. bei der Kühlanwendung mit Sonnenenergie, Biomasse, Fernwärme oder anderweitig nicht nutzbarer Abwärme als Antriebsquelle.

Bisher haben sich für die breite Anwendung nur zwei Stoffpaare durchgesetzt. H₂O / LiBr für Anwendungen mit Kaltwassertemperaturen über ca. 4°C und NH₃/ H₂O für tiefere Temperaturen. Ein vielversprechendes Einsatzgebiet für AWP ist die Kühlung bei niederen Austreibertemperaturen, durch die Nutzung von Solarwärme, Fernwärme oder Abwärme. Die Effizienz einer konventionellen NH₃/ H₂O AWP kann durch die Zugabe von Natriumhydroxid (NaOH) eventuell erhöht und gleichzeitig die benötigte Austreibertemperatur gesenkt werden.

Projektverlauf

Im Rahmen dieses Projektes wurde der Einfluss von NaOH auf NH₃/ H₂O AWP-Prozess experimentell untersucht, um die bereits vorhandenen theoretischen Ergebnisse des AWP-Prozesses mit dem Gemisch NH₃/ H₂O / NaOH zu verifizieren. Für die Messungen wurde ein am IWT vorhandener Prüfstand umgebaut und verwendet. Der Prüfstand wurde mit dem Gemisch NH₃/ H₂O ohne Zusätze und bei NaOH-Massenkonzentration von 5% und 10% betrieben.

Das besondere Augenmerk bei den experimentellen Messungen lag auf dem Betrieb bei Austreiber-Temperaturen zwischen ca. 80 – 130°C und bei Kondensator-Temperaturen zwischen 20 – 30°C. Dabei wurde auch der Einfluss von Lösungsmittelwärmetauscher und Abtriebsteil der Rektifikationskolonne auf den Prozess bestimmt. Die experimentellen Untersuchungen wurden mittels thermodynamischer Simulationen in ASPEN Plus analysiert.

Weiters wurde auch die Möglichkeit der messtechnischen Bestimmung der NaOH-Konzentration in der reichen Lösung untersucht. Da dafür derzeit keine Messverfahren bekannt sind, wurde in diesem Projekt nach einem geeigneten Messverfahren gesucht. Es wurde versucht, die Daten der Leitfähigkeitsmessung unter Annahme des thermodynamischen Gleichgewichts am Austritt aus dem Absorber so zu verknüpfen, dass die NaOH-Konzentration errechnet werden kann.

Ergebnisse

Basierend auf den Mess- und Simulationsergebnissen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ableiten:

In den experimentellen Untersuchungen konnte die technische Machbarkeit dieses Prozesses bis 5% NaOH-Zugabe gezeigt werden. Allerdings führten Ablagerungen von NaOH im Kältekreis zu Betriebsstörungen bzw. dazu, dass das Arbeitsgemisch regelmäßig gewechselt und die Anlage mit Wasser gespült werden musste.
Eine weitere Erhöhung der NaOH-Konzentration auf 10% im Arbeitsgemisch war bisher nicht möglich, da dabei im Verdampfer Ablagerungen entstanden sind, die die Verbindungsleitung zwischen Verdampfer und Absorber blockiert haben.
Die erwartete Verbesserung bezüglich der Prozess-Effizienz konnte bisher nicht nachgewiesen werden. Die Auswertung der Messergebnisse in ASPEN Plus hat gezeigt, dass dies vor allem an einer gesunkenen Absorber-Effizienz lag. Dies geschieht vermutlich aufgrund der Verringerung der Entgasungsbreite, die zur Steigerung des spezifischen Lösungsumlaufes führt. Weiters liegt die Verschlechterung des Absorber-Wirkungsgrades wahrscheinlich auch an der Erhöhung der Viskosität und Oberflächenspannung des Arbeitsgemisches.
Die Verwendung von NaOH als Zusatz zum Gemisch NH₃/ H₂O führte bei den Messungen zur Verbesserung des Wärmeüberganges im Austreiber.
Bei der Analyse des Einflusses der NaOH-Zugabe auf den Verdampfer, den Lösungsmittelwärmetauscher und die Rektifikationskolonne konnten keine signifikanten Veränderungen zwischen den Betriebspunkten mit und ohne NaOH festgestellt werden.
Es wurde festgestellt, dass für reine NaOH / H₂O Gemische zumindest im niederen Konzentrationsbereich eine grobe Abschätzung der NaOH-Konzentration möglich ist. Es zeigt sich allerdings ein relativ starker Einfluss der NH₃-Konzentration auf die Leitfähigkeit des Dreistoffgemisches. Da dieser Einfluss mit dem Berechnungsmodell nicht ausreichend genau wiedergegeben werden konnte, wurde von der NaOH Konzentrationsbestimmung mittels Leitfähigkeitsmessung abgesehen.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine rasche technische Umsetzung einer NH₃/ H₂O / NaOH Absorptionswärmepumpe aus den oben genannten Gründen nicht realistisch zu sein scheint. Es besteht noch erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf in Bezug auf die Optimierung des Absorbers für den Betrieb mit NaOH und die oben genannten Betriebsstörungen.