Holzpelletbetriebene Kälteanlage

Die bei weitem dominierende und populärste Energiequelle für erneuerbares Heizen ist holzartige Biomasse. Im Jahr 2016 wurden etwa 11 % des Wärmebedarfs in Deutschland durch Holz gedeckt^[1]. Das Potential der Biomasse ist und wird jedoch zunehmend begrenzt. Gleichzeitig ist neben dem Wärmebedarf mit steigendem Kälte- und Kühlbedarf zu rechnen. So macht die Kälteerzeugung mittlerweile in Deutschland einen Anteil von etwa 12,5 % des gesamten Stromverbrauchs aus^[2].

Die steigende Nachfrage nach klimafreundlich bereitgestellter Kälte und Wärme – insbesondere aus Biomasse – erfordert effizientere Nutzung. Das ZAE Bayern hat nun in Kooperation mit dem Biomasse-Kesselhersteller HDG Bavaria GmbH ein neuartiges, mit Biomasse gefeuertes Heiz- und Kühlsystem („biomass sorption heating and cooling“ = bioSHC-System) erarbeitet.

Dieses bioSHC-System wurde als wirtschaftlich interessante Klimatisierungseinheit mit einer thermischen Nennleistung von etwa 100 kW Wärme bzw. 55 kW Kälte entwickelt und als Funktionsmuster gebaut und getestet. Der integrierte thermische Wärmepumpenprozess verdoppelt die Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Heizkesseln, sodass damit bis zu 50 % der Emissionen reduziert werden können. Im Vergleich zu konventionellen Kühlsystemen mit Biomasseantrieb ist eine Effizienzsteigerung um mehr als 35 Prozentpunkte erreichbar. Zudem wird die Belastung des Stromnetzes, verglichen mit konventionellen elektrischen Wärmepumpen und Kälteanlagen, stark verringert.

Zielsetzung des Projektes war es, eine Anlage zu entwickeln, die mit den üblichen Fertigungsschritten von Biomassekesselherstellern produziert werden kann. Dies erlaubt zukünftig eine kostenattraktive Herstellung und damit die Erschließung zahlreicher Anwendungen in Wohn- und Betriebsgebäuden, insbesondere im Hinblick auf den weltweit wachsenden Kühlbedarf.

Kälte aus Verbrennungswärme

Die Kombination aus Biomasseverbrennung und Absorptionskältetechnik bietet eine effiziente und umweltfreundliche Möglichkeit zur Kältebereitstellung. Die Mehrstufigkeit des Kältekreislaufs reduziert den Biomasseeinsatz erheblich. Bei der Umsetzung müssen die Vor- und Nachteile sorgfältig abgewogen werden: Wirtschaftliche Machbarkeit, einfaches, robustes und zuverlässiges Systemdesign und der Anspruch, auch den kleinen und mittleren Leistungsbereich um 100 kW bedienen zu können, erfordert ein sehr eng aufeinander abgestimmtes Anlagensystem. Nur so kann eine besonders kostengünstige Herstellung erreicht werden.

Antrieb:
Biomassefeuerung statt Strom

Elektromechanisch betriebene Kälteanlagen arbeiten mit einem Kompressor zur Verdichtung des Kältemittels. Der Antrieb erfolgt also mit elektrischem Strom. Dagegen wird bei thermischen Systemen zum Antrieb Wärme auf hohem Temperaturniveau zugeführt. In beiden Fällen hält der Antrieb den Kältemittelkreislauf im Innern der Kältemaschine aufrecht: Flüssiges Kältemittel wird kontinuierlich verdampft und dem zu kühlenden Objekt wird Wärme entzogen. Um diese Wärme bei höherer Temperatur wieder abgeben zu können, muss das Kältemittel mithilfe der Antriebsenergie auf höheres Druckniveau „gepumpt“ werden.

Das Funktionsprinzip des thermischen Verdichters macht bei direkt befeuerten Absorptionskälteanlagen eine kaskadenartige Nutzung der Brennstoffenergie und damit höhere Wirkungsgrade möglich. Der Strombedarf ist dabei nahezu vernachlässigbar.

Wie bei einstufigen Absorptionswärmepumpen (Basisstufe) mit wässriger Lithiumbromidlösung und Kältemittel Wasser als Arbeitsstoffpaar (H₂O/LiBr) zirkuliert das Kältemittel in einem geschlossenen und vollständig evakuierten Kreislauf. Dieser Prozess ist im p-T-Diagramm in Bild 1 schematisch dargestellt.

Das Kältemittel Wasser verdampft am Verdampfer V₁ und entzieht damit dem zu kühlenden Objekt die Wärme Q_V1. Der entstandene Dampf wird zum Absorber A₁ geführt und dort von wässriger Lithiumbromidlösung absorbiert. Diese Flüssigkeit wird auf ein höheres Druckniveau gebracht und in die Desorber D₁ und D₂ gefördert. Der hohe Gehalt an Lithiumbromid in der Lösung erhöht die Siedetemperatur gegenüber dem Kältemittel Wasser stark.

An diesem Punkt des Kälteanlagenprozesses unterscheidet sich das bio-SHC-System von konventionellen, einstufigen Anlagen: Die Hochtemperaturstufe treibt den Prozess direkt an. Dieses innovative Kernstück wurde auf der Basis der Brennraumgeometrie eines bestehenden Holzhackschnitzel-Kessels der HDG Bavaria GmbH entworfen. (Anmerkung: Als Brennstoff wurden in den Laborversuchen Holzpellets eingesetzt, Brennraum und Rauchgastrakt sind jedoch insbesondere für den Einsatz von Holzhackschnitzeln geeignet.)

In diesem Hochtemperaturdesorber (HTD bzw. Desorber D₂) wird unter Zufuhr der aus der Biomasseverbrennung stammenden Antriebswärme Q_D2 das Kältemittel wieder aus der Lösung freigesetzt (Desorption). Kältemittel wird über Wärmeübertragerwände mit Hilfe der Rauchgaswärme direkt ausgetrieben, die Lösung somit regeneriert. Der Kältemitteldampf kondensiert anschließend unter dem gegebenen Druck auf entsprechend höherem Temperaturniveau am Kondensator K₂ und steht dem Verdampfer V₁ wieder flüssig zur Verfügung. Die freiwerdende Kondensationswärme Q_K2 dient dem Antrieb des Desorbers D₁ (Q_K2 = Q_D1), welcher ebenfalls Wasser aus der Lithiumbromidlösung desorbiert.

Die in den Desorber D₂ eingebrachte Verbrennungswärme wird also zweifach genutzt und die Effizienz so erhöht. Die Wärmen Q_K1 und Q_A an K₁ und A₁ entsprechen der Abwärme, setzen sich aus den an D₂ und V₁ eingebrachten Wärmen zusammen und können z.B. für Heizzwecke eingesetzt werden.

Durch die Kopplung von K₂ und D₁ über das Wärmeträgermedium Wasser ist der Kondensatorkreislauf einerseits auf etwa 100 °C limitiert. Andererseits besteht hier die Möglichkeit, externe Antriebswärmequellen, beispielsweise Solarthermie oder Prozessabwärme, einzuspeisen und damit weiteren Brennstoff bei der Bereitstellung von Kälte und Wärme einzusparen.

Mehr Stufen, mehr Effizienz

Mehrstufige Absorptionskälteanlagen sind in den letzten Jahrzehnten vielfach thematisiert und untersucht worden. Gleichzeitig ist die Umsetzbarkeit durch die zwangsläufig steigenden Temperaturen der Antriebsenergiequelle und der Arbeitsstoffpaare begrenzt.

Das hier verwendete Arbeitsstoffpaar hat aufgrund zunehmender Korrosivität zwischen 150 °C und 170 °C einen üblichen oberen Bereich der Anwendungstemperaturen. Die Anlagen sind hier durch die wirtschaftlich vertretbare Verfügbarkeit von Werkstoffen und Bauteilen begrenzt. Zudem steigt mit zunehmender Stufenzahl die Komplexität und der Aufwand für Wärmeübertrager und Armaturen.

Das zweistufige Konzept bietet einen guten Kompromiss aus Leistungsfähigkeit, Kosten und Komplexität. Das Wärmeverhältnis ζ ist als Quotient aus am Verdampfer bereitgestellter Nutzkälte (Q_v) und der am Desorber eingekoppelten Antriebsenergie (Q_D) bekannt. Der Vergleich der Bauarten macht die Effizienzsteigerung deutlich: Moderne einstufige Absorptionskälteanlagen ermöglichen ein ζ_Cold,SE ≥ 0,8. Die zweistufige Bauart ermöglicht Werte bis zu ζ_Cold,DE ≥ 1,4.

Kommerzielle zweistufige Anlagen werden in der Regel mit Nennleistungen von einem Megawatt und höher vertrieben. Neben direkt gas- und ölbefeuerten Anlagen ist in dieser höheren Leistungsklasse auch der Einsatz von dampfbetriebenen oder druckbeaufschlagten Heißwasseranlagen wirtschaftlich vertretbar. Im Allgemeinen greift man bei kleineren Leistungen auf einstufige warmwasserbetriebene Absorptionskälteanlagen zurück. Häufig nutzen solche Kaltwassersätze die anfallende Abwärme aus Industrieprozessen oder Fernwärme und bieten als „Nebenprodukt“ Kältebereitstellung.

Um darüber hinaus fossile Energieträger in kleineren Anlagen zu ersetzen, lohnt ein Blick auf Solarwärme oder eben auf den gut speicher- bzw. lagerbaren und häufig lokal verfügbaren Brennstoff Holz. Diese Biomasse ist als am häufigsten eingesetzter und standardisierter Brennstoff interessant – zumal die thermische Verwertung seit langem technisch ausgereift ist.

Das bioSHC-System erreicht theoretisch eine kältebezogene Biomasse-Nutzungseffizienz (Biomass Utilisation Efficiency), also dem Quotienten aus Nutzkälte und dem Produkt aus Brennstoffmassenstrom mit dem unteren Heizwert, von BUE_cold ≈ 1,1.

Konventionelle Systeme, bestehend aus einem Warmwasserkessel und einer einstufigen Absorptionskältemaschine, erreichen eine Effizienz von BUE_Cold ≈ 0,65. Mit der signifikanten Verminderung des herkömmlichen Brennstoffeinsatzes bei gleicher Kälteleistung können durch den Einsatz des zwei­stufigen Systems die Emissionen (Staub, CO₂ usw.) in gleichem Maße reduziert werden.

Aus Wärmepumpe wird Kälteanlage

Das bioSHC-System wurde im Projekt „BioWap“ vorrangig als Wärmepumpensystem ausgelegt. Daher wurden alle Komponenten auf der Grundlage der Analyse geeigneter Umgebungswärmequellen für Absorptionswärmepumpen ausgearbeitet. Dabei bestand das Ziel darin, eine möglichst niedrige Temperatur des Kältemittels zu nutzen. Um ein inneres Einfrieren zu vermeiden, muss die Verdampfungstemperatur des Kältemittels Wasser (H₂O bzw. R718) auf etwa 1 °C limitiert werden. Somit wird die Vielzahl an allgemein verfügbaren Umweltwärmequellen für H₂O/LiBr-Wärmepumpen im Speziellen eingeschränkt.

Trotzdem ist das Potenzial von Wärmequellen, die Temperaturen von mehr als 8 °C liefern – etwa Grundwasser, Abwasser oder Erdwärmesonden – bemerkenswert. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass in ländlichen Gebieten, wo Biomasse als Brennstoff eher verbreitet und damit verfügbarer ist als in Städten, diese Art von Umgebungswärmequellen ebenfalls wahrscheinlicher sind. Zudem werden in aktuellen Forschungsprojekten zuverlässige und ausreichend effiziente Verdampfersysteme für modifizierte Kältemittel auf Basis von Wasser untersucht. Erfolgreiche Forschung vorausgesetzt, könnten dann Umweltwärmequellen integriert werden, welche Energie mit Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser liefern.

Aufgrund dieser Auslegungsrandbedingungen ist das bioSHC-System aus dem Projekt „BioWap“ nun in der Lage, Kaltwassertemperaturen um 4 °C bei einer Rückkühltemperaturen von etwa 41 °C bereitzustellen. Für konventionelle Raumklimatisierung sind diese Randbedingungen übererfüllend, da durch die höheren Rückkühltemperaturen die trockene Rückkühlung der Kältemaschine und damit wartungsarmer und wassersparender Kühlbetrieb erst ermöglicht wird.

Das bioSHC-System auf dem
Prüfstand

Im Wesentlichen besteht das bioSHC-System aus drei Teilsystemen: Einem direkt mit Biomasse befeuerten Desorber, also der zweiten Antriebsstufe inklusive Kondensator, einer einstufigen (Single-Effect-) Absorptionskältemaschine bzw. -wärmepumpe und einem vorgefertigten Hydrauliksystem. Letzteres ermöglicht eine einfache Implementierung in Gebäude und deren Regelsysteme und unterbindet Auslegungsfehler.

Der Aufbau der Hochtemperaturstufe ähnelt den üblichen Standard-Hackschnitzel- bzw. Pelletkesseln mit Rauchrohren. Angepasst wurden lediglich die Einbauten zur Unterstützung der Naturkonvektion und zur Führung des Kältemitteldampfes sowie der aufgesetzte Hochtemperaturkondensator K₂. Daher konnte der HTD mit den herkömmlichen Methoden und kostengünstigeren Materialien des Kesselherstellers gefertigt werden. Dank des ähnlichen Designs kann zu vergleichbaren Kosten wie bei handelsüblichen Warmwasserkesseln mit gleicher Feuerungsleistung hergestellt werden.

Die einstufige Absorptionskälteanlage, ausgeführt als rohrbündelbasierte Einheit, wurde auf den Hochtemperatur-Desorber HTD abgestimmt entworfen und gebaut. Wie in Bild 2 dargestellt, wurde die gesamte Installation der Komponenten in einem Labor aufgebaut. Mit Hilfe eines Hardware-in-the-Loop-Prüfstandes (HIL) wurden realitätsnahe Messungen am bioSHC-System durchgeführt.

Die umfangreiche Messtechnik wurde mit dem Ziel gewählt, die relative Messunsicherheit bei den Effizienzkennzahlen unter 10 % zu halten. So kam beispielsweise eine hochpräzise Waage zur Ermittlung des Brennstoffmassenstroms zum Einsatz. Die Massenabnahme in einem von der Umgebung entkoppelten Behälter wurde mit einer Genauigkeit von 1 g erfasst.

Vielversprechende Versuchsergebnisse

Die Messungen am bioSHC-System im zweistufigen Betrieb zeigen sehr gute Übereinstimmung mit simulativ ermittelten Prozessparametern. Lediglich die Wärme- und Kälteleistung sowie die Brennstoffeffizienz sind um 10 bis 15 % geringer als erwartet. Dies liegt an den hohen Wärmeverlusten des HTD an die Umgebung, welche aufgrund der messtechnischen Ausstattung für wissenschaftliche Zwecke wesentlich größer ausfallen. In den Laborversuchen des Double-Effect-Betriebs konnte ein brennstoffbezogener Wirkungsgrad für die Wärmebereitstellung von BUE_Heat = 1,7 nachgewiesen werden. Das Wärmeverhältnis erreichte einen sehr guten Wert von ζ_Heat,DE = 2,21. Weitere Daten aus Messungen sind in Tabelle 1 angegeben. Hervorzuheben ist der geringe elektrische Energiebedarf von etwa 1 % der nutzbaren Wärme Q_Wärme. Die Emissionen (Staub, CO) konnten geringgehalten werden und betrugen bei gleicher Wärmeleistung nur etwa 54 % der Emissionen konventioneller Systeme.

Die Leistungsfähigkeit des Systems für die kältegeführte Betriebsweise ist in Bild 3 verdeutlicht. Es werden sehr gute Werte sowohl bei der Brennstoffeffizienz als auch beim Wärmeverhältnis erreicht. Für die Kältebereitstellung konnte ein brennstoffbezogener Wirkungsgrad von BUE_Cold = 1,0 nachgewiesen werden. Das auf die Nutzkälte bezogene Wärmeverhältnis erreichte einen sehr guten Wert von ζ_Cold = 1,24.

Es gilt nun das Optimierungspotenzial hinsichtlich des Brennstoffwirkungsgrads zu bergen: Durch den Verzicht auf alle für wissenschaftliche Zwecke integrierten Einbauten, Sensoren und Aktoren, die für den rein funktionalen Betrieb nicht erforderlich sind, könnten die thermischen Verluste enorm reduziert werden. In Kombination mit einer verbesserten Verbrennungsregelung könnten beispielsweise im Double-Effect-Betrieb weitere 15 % an zusätzlicher Heizleistung bereitgestellt werden, da mehr Wärme zum Systemantrieb zur Verfügung stünde.

Gute ökonomische Perspektiven

Die wirtschaftliche Perspektive und der Markt für das Systemkonzept zeichnen sich positiv:

Die Kosten für die Anschaffung der Absorptionskälteanlage (AKM) werden bei der zweistufigen Anlage besser amortisiert, da eine Steigerung des Wärmeverhältnisses auf das 1,7-Fache (ζ_cold,DE / ζ_cold,SE) erreicht wird. Eine grobe Abschätzung zeigt, dass die Investitionskosten für die direkt mit Biomasse befeuerte zweistufige Absorptionskälteanlage (bioSHC-Anlage) nahezu gleich hoch sind wie für eine einstufige AKM, die an einen mit Biomasse befeuerten Warmwasser-Kessel angeschlossen ist.

Der Absatz an Holz- bzw. Pelletfeuerungen steigt derzeit ebenso wie der Anteil von Wärmepumpen am Heizungsmarkt. Ebenso steigt die Nachfrage nach klimafreundlich bereitgestellter Kälte. Innovative Wärme- und Kältenetze insbesondere für Neubauten werden zunehmend gefördert und forciert.

Eine Prognose der Absatzzahlen für das hier vorgestellte System ist jedoch noch nicht seriös möglich. Es muss vielmehr auf einen weiteren Forschungsbedarf hingewiesen werden: Dies gilt einerseits für die technischen Optimierungspotenziale, aber auch hinsichtlich einer Marktanalyse und der Anpassung und Verschlankung des Systems zum Produkt „bioSHC“ auf den Kundenbedarf.

Die Klimatisierungsmöglichkeiten, etwa Heizen, Kühlen oder beides, sowie auch die zugehörigen Temperaturniveaus und Brennstoffarten müssen für eine anwenderfreundliche Weiterentwicklung vorab geklärt werden. Entsprechend wird derzeit eine umfassende Markt- und Kundenanalyse erarbeitet. Anwender, Kunden als auch Installateure im Umfeld der Forschungsakteure sollen angesprochen werden um ein kompaktes, robustes und zuverlässiges System spezifizieren zu können.

Forschungsbedarf im Folgeprojekt

Aus Sicht der Forschenden muss auf Grundlage dieser Ergebnisse ein weiteres, vereinfachtes Funktionsmuster erarbeitet werden. Als Feldtestanlage muss dieses bei interessierten Kunden installiert werden, um im Dialog mit diesen Anwendern die Praxistauglichkeit nachzuweisen. Dies soll im Rahmen eines wissenschaftlich begleiteten Folgeprojektes stattfinden. Dadurch können alle wichtigen Fragestellungen, wie etwa der Standfestigkeit im Dauerbetrieb oder der realen Jahresarbeitszahl hinlänglich beantwortet werden. Die Forschungsarbeiten müssen also noch mindestens 3 Jahre fortgesetzt werden. Der Zeitpunkt der Marktreife hängt dementsprechend auch von den Ergebnissen der Feldtests ab. Die Investitionskosten eines solchen Systems dürften letztlich auf demselben Niveau bereits heute verfügbarer biomassebetriebener Absorptionskältesysteme liegen – jedoch bei enorm verbesserter Brennstoffausnutzung.

Danksagung

Dieses Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi, FKZ 03KB127) gefördert. Wir danken auch der HDG Bavaria GmbH für die zusätzliche finanzielle Unterstützung. Die Autoren bedanken sich außerdem bei den Kolleg:innen der HDG Bavaria GmbH, die jederzeit mit Rat und Tat zur Seite standen.

Literaturverzeichnis

[1] Pelkmans, L.: Germany – 2018 update, Bioenergy policies and status implementation. Country Reports. IEA Bioenergy: 09 2018, p. 8

[2] AG Energiebilanzen e.V., „Anwendungsbilanzen zur Energiebilanz Deutschland“, 2020