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ThermoPump – Thermisch angetriebene Lösungsmittelpumpe für Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpsysteme kleiner Leistung

Ammoniak/Wasser Absorptionswärmepumpsysteme (AWP) kleiner Leistung besitzen ein großes wirtschaftliches und ökologisches Potenzial sowohl zur Gebäudekühlung als auch zur Heizung. Herzstück jeder AWP ist die – i.d.R. elektrisch – angetriebene Lösungsmittelpumpe. Im Rahmen dieses Projektes sollen Konzepte für thermisch angetriebene Lösungsmittelpumpen entwickelt bzw. analysiert werden und das hinsichtlich Systemeffizienz, Betriebssicherheit, Leckagen und Kosten aussichtsreichste Konzept experimentell untersucht werden. Der „interne“ Pumpenantrieb verspricht gegenüber einem elektrischen Antrieb einen geringeren parasitären Stromverbrauch und eine höhere Zuverlässigkeit. Dies soll zu einer größeren Verbreitung von Ammoniak/Wasser Absorptionswärmepumpsystemen beitragen.

Ausgangssituation

Absorptionswärmepumpsysteme (AWP) mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser (NH3/H2O) sind für den größeren Leistungsbereich (ab ca. 100 kW) mehr oder weniger Stand der Technik. Als Antriebsenergie kommt meist Erdgas, Solar- oder Prozesswärme (Abwärme) zum Einsatz. AWP’s im kleineren Leistungsbereich (Verdampferleistung < 20 kW) haben Schwierigkeiten sich am Markt durchzusetzen, obwohl diese aufgrund ihres großen Einsatzbereiches in Wohnhäusern, Industrie und Gewerbe ein großes Potential sowohl für Kühl- als auch für Heizanwendungen aufweisen. In den vergangenen Jahren wurden daher große Anstrengungen unternommen, um AWP im kleinen Leistungsbereich am Markt zu etablieren. Im Focus stehen dabei Maßnahmen zur Effizienzsteigerung, Komponentenoptimierung und Herstellkostenreduktion.

Herzstück jeder Absorptionswärmepumpe ist die – in der Regel elektrisch angetriebene – Lösungsmittelpumpe (LMP). Die derzeit für AWP kleiner Leistung (< 20 kW) eingesetzten Pumpen sind relativ komplex aufgebaut, teuer und es besteht erhebliches Verbesserungspotential hinsichtlich Effizienz, Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit.

Im vorliegenden Projekt wurde daher nach einem neuen Ansatz für die Lösungsmittelpumpe gesucht, welcher den elektrischen Antrieb durch einen „internen Antrieb“ ersetzt. Bei einer intern angetriebenen Lösungsmittelpumpe wird versucht, die Energie für den Pumpprozess aus dem AWP-Prozess selbst zu gewinnen, sodass dafür keine elektrische Antriebsenergie notwendig ist. Die „Energiegewinnung“ für den Antrieb der Pumpe soll aus dem internen „Kraftprozess“ der AWP erfolgen. Da der Absorptionswärmepumpenprozess durch Wärmezu- (Generator, Verdampfer) und –abfuhr (Absorber, Kondensator) bei unterschiedlichen Temperaturniveaus angetrieben wird, wird auch die intern angetriebene Lösungsmittelpumpe, die diese Wärmen nutzt, als „thermisch angetrieben“ bezeichnet.

Projektverlauf

Zur Realisierung dieses Vorhabens wurde aufbauend auf einer Literatur-, Patent- und Marktrecherche zum derzeitigen Stand der Forschung und Entwicklung gezielt nach neuen Ideen zur Umsetzung des „internen Antriebs“ für Lösungsmittelpumpen gesucht und diese entwickelt. Verschiedene Ansätze wurden dabei eruiert und hinsichtlich Effizienz, Komplexität, Umsetzbarkeit, Aufwand, Entwicklungsrisiko, Kosten etc. bewertet.

Für das am besten geeignete Konzept wurde ein detailliertes thermodynamisches Simulationsmodell für den gesamten Absorptionswärmepump-Prozess inkl. Pumpe erstellt, mit dem verschiedene Parameter, wie z.B. die externen Temperaturniveaus der Absorptionswärmepumpe und geometrische Pumpenparameter zur Auslegung eines erstes Funktionsmusters, variiert werden konnten.

Die Arbeitsweise des Pumpenkonzeptes wurde zuerst in Vorversuchen mit Luft/Wasser untersucht. Basierend auf diesen Erfahrungen und den Simulationsergebnissen wurde ein Funktionsmuster der thermischen Lösungsmittelpumpe aufgebaut, in einer am Markt erhältlichen Absorptionswärmepumpanlage integriert und bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen hinsichtlich Regelung und Effizienz vermessen und so weit möglich optimiert bzw. adaptiert.

Aufbauend auf den Erfahrungen mit dem Versuchsstand wurde das Potential einer konkreten Umsetzung dieser Technologie bei den Firmenpartnern, d.h. für die Kühl- bzw. Heizanwendung, untersucht.

Ergebnisse

Im Zuge des Projektes „ThermoPump“ konnte ein neues Konzept einer thermisch angetrieben Lösungsmittelpumpe entwickelt, ein funktionsfähiges Funktionsmuster gebaut und dieses im Einsatz einer realen Absorptionskältemaschine experimentell untersucht werden. Damit wurden die ambitionierten Projektziele erfüllt und aus Sicht des Konsortiums dieses innovative Projekt erfolgreich abgeschlossen.

Die s.g. ThermoPump wird über einen „abgezapften“ Teilstrom von Kältemitteldampf auf Hochdruckniveau angetrieben, kann aber im Unterschied zu anderen ähnlichen Konzepten relativ einfach in bestehende Absorptionswärmepumpsysteme, unabhängig von deren Aufbau anstelle der elektr. Lösungsmittelpumpe integriert werden. Die Energie kommt damit indirekt aus der Heizwärme des Generators selbst, sodass keine elektrische Antriebsenergie – mit Ausnahme von Regelenergie – für die Pumpe mehr notwendig ist. Somit verschiebt sich der Antrieb der Pumpe von elektrischer zu thermischer Energie, was aus exegetischer und ökologischer Sicht interessant ist, vor allem dann wenn solare Wärme oder Abwärme für den Pumpenantrieb genutzt werden kann.

Die ThermoPump wurde in einer realen Absorptionswärmepumpe (PinkChiller PC 19) bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen hinsichtlich Effizienz und Leistung vermessen. Der Förderstrom des gebauten Funktionsmusters war lt. experimenteller Analyse im Vergleich zur elektrischen Lösungsmittelpumpe des PinkChillers PC19 zu gering. Die Ursache dafür begründet sich vor allem durch die Adaption des PinkChillers mit der notwendigen Messtechnik und dem daraus resultierenden zusätzlichen Druckverlust. Diese experimentelle Analyse zeigte weiters, dass eine einwandfreie Funktion der ThermoPump unabhängig von Betriebsbedingungen der Absorptionswärmepumpe gewährleistet ist. Auch wechselnde Betriebsbedingungen können mit der ThermoPump gefahren werden. Eine entsprechende Regelstrategie wurde erarbeitet und könnte in der Regelung der Produkte der beiden Industrieprojektpartner relativ einfach hinterlegt werden.

Die Effizienz der AWP ist im Betrieb mit der ThermoPump im Vergleich zur elektr. Lösungsmittelpumpe aufgrund der zusätzlich notwendigen Heizleistung im Generator zum Austreiben des Antriebsdampfs der Pumpe geringer. So beträgt die relative Einbuße des COPC je nach Betriebspunkt der AWP 15% und mehr, dafür kann zum Antrieb ausschließlich Wärme genutzt werden.

Die durchgeführte Umsetzungsstudie zur Kühl- bzw. Heizanwendung für eine konkrete Umsetzung in den Produkten der beiden Industriepartner zeigte weiteres konstruktives Optimierungspotential auf, weshalb alternative Ausführungsvarianten der Pumpe im Zuge dieser Studie erarbeitet wurden. Unter Berücksichtigung der Einsparungspotentiale bei einer Produktion der ThermoPump in Kleinserie (bis ca. 100#) würden die Herstellkosten lt. dieser Studie im gleichen Preissegment wie vergleichbare elektrische Lösungsmittelpumpen liegen.

Unter dem Aspekt von zukünftig steigenden Strompreisen erscheint eine mögliche Umsetzung der ThermoPump in einer (Klein-) Serie aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten als sinnvoll, wenn die Herstellkosten der ThermoPump noch weiters reduziert und die Reduktion des COP der AWP werden können. Damit kann die ThermoPump zukünftig eine Alternative zu den elektr. Lösungsmittelpumpen für Absorptionswärmepumpsysteme kleiner Leistung darstellen.