Absorptionswärmepumpe: Wärme aus Gas gewinnen
Die Absorptionswärmepumpe gewinnt aus vorhandener Wärme Heizenergie, ohne einen strombetriebenen Motor zu betreiben. Stattdessen nutzt die Gas-Absorptionswärmepumpe Erdgas als Antriebsenergie und ersetzt herkömmliche Heizsysteme zukunftsweisend. Bosch erklärt ihre Funktionsweise und vergleicht sie mit anderen Systemen.
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Funktionsweise einer Absorptionswärmepumpe erklärt
Das Kernstück einer Absorptionswärmepumpe bildet ein Kreislauf. Dieser basiert auf thermisch-physikalischen Prinzipien der Absorption und Desorption. Absorption bezeichnet das Aufnehmen einer Substanz durch eine andere Substanz. Ein Absorptionsmittel (lateinisch absorbere – „aufsaugen“) nimmt beispielsweise ein Kältemittel auf. Desorption ist der entgegengesetzte Prozess, welcher die aufgenommene Substanz wieder freisetzt (lateinisch desorbere – „absaugen“ oder „abgeben“).
Die Kompressionswärmepumpe nutzt einen elektrischen Kompressor für die mechanische Verdichtung des Kältemittels. Die Absorptionswärmepumpe arbeitet dagegen hauptsächlich mit Wärme als Antriebsenergie. Diese bezieht sie üblicherweise aus Erdgas, seltener aus Biomasse oder Holz. Industrieprozesse nutzen auch Abgas oder Abwärme.
Das Besondere: Bei der Absorptionswärmepumpe ersetzt ein zweiter Kreislauf mit einem Absorptionsmittel den Kompressor. Kältemittel und Absorptionsmittel arbeiten zusammen und durchlaufen verschiedene Zustände. Als Kältemittel dienen oft Wasser oder Ammoniak. Absorptionsmittel sind häufig Lithiumbromid oder bei Ammoniak-Systemen ebenfalls Wasser:
1. Verdampfer: Das flüssige Kältemittel nimmt Umgebungswärme aus Luft, Erdreich oder Abwärme auf und verdampft dabei. Diese Wärmezufuhr durch Umweltenergie geschieht bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur.
2. Thermische Verdichtung: In diesem Abschnitt ersetzt Wärme aus einem Gasbrenner die mechanische Verdichtung einer herkömmlichen Wärmepumpe. Sie erfolgt über mehrere Schritte:
a. Absorber: Der gasförmige Kältemitteldampf strömt in den Absorber. Dort trifft er auf das Absorptionsmittel, welches das Kältemittel aufnimmt und löst. Dabei entsteht eine molekulare Bindung und bildet sich eine Lösung. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der das Kältemittel aus dem Verdampfer ansaugt und den Kreislauf vorantreibt. Dieser Absorptionsprozess setzt Wärme frei, die das System abführt.
b. Lösungspumpe: Eine kleine Pumpe fördert die angereicherte Lösung aus Kältemittel und Absorptionsmittel zum Desorber (Austreiber).
c. Desorber: Die angereicherte Kältemittellösung gelangt in den Desorber (Austreiber). Hier führt der Gasbrenner Wärme von außen zu. Diese Wärmeenergie treibt das Kältemittel aus der Lösung aus. Es wird wieder gasförmig, diesmal unter höherem Druck und höherer Temperatur.
d. Drosselventil: Das vom Kältemittel befreite Absorptionsmittel strömt durch das Drosselventil zurück zum Absorber. Dort nimmt es erneut Kältemittel auf. Das Ventil regelt den Druck im Lösungsstrang.
3. Verflüssiger: Das im Desorber ausgetriebene, heiße Kältemittelgas strömt zum Verflüssiger. Hier überträgt es seine Wärme an das Heizsystem und kondensiert dabei wieder zu einer Flüssigkeit. Fachleute bezeichnen dieses Bauteil auch als Kondensator.
4. Expansionsventil: Das Expansionsventil entspannt das verflüssigte Kältemittel. Dadurch sinken Druck und Temperatur. Anschließend gelangt es zurück in den Verdampfer und der Kreislauf beginnt von neuem.
Das Prinzip der Absorptionskühlung und die reversible Nutzung
Die Funktion einer Gas-Absorptionswärmepumpe zeigt: Die Anlage führt den Großteil der Antriebsenergie in Form von Wärme zu. Die elektrische Leistungsaufnahme bleibt dabei minimal. Die Methode eignet sich nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen. Dabei entziehen sie Wärme aus dem Gebäude.
Viele moderne Absorptionsanlagen arbeiten reversibel. Sie funktionieren je nach Bedarf sowohl als Absorptionswärmepumpe zum Heizen als auch als Absorptionskältemaschine zum Kühlen. Der zugrunde liegende Kreislauf und die physikalischen Prinzipien bleiben dieselben. Reversible Kompressionswärmepumpen kehren ihre Funktionsweise um. Ebenso bieten reversible Absorptionssysteme eine ganzjährige Lösung für Heiz- und Kühlprozesse.
Albert Einstein befasste sich bereits mit den Mechanismen der Absorptionskühlung, also der Frage, wie man mit Wärme Kälte erzeugt. Er entwickelte in den 1920er Jahren zusammen mit seinem ehemaligen Studenten Leó Szilárd ein Patent für den Einstein-Kühlschrank ohne bewegliche Teile und mit geringem Energieverbrauch. Dabei handelte es sich um einen Absorptionskühlschrank, der die drei Fluide Ammoniak, Butan und Wasser nutzte. Obwohl dieser Entwurf nicht direkt zur heutigen Absorptionswärmepumpe führte, legte er wichtige Grundlagen für das Verständnis und die Weiterentwicklung thermisch angetriebener Systeme.
Absorptionswärmepumpe vs. Kompressionswärmepumpe: Die Unterschiede
Die grundlegende Funktion beider Wärmepumpen gleicht sich. An zentralen Stellen setzen sie jedoch unterschiedliche Technik ein. Der primäre Unterschied zwischen einer Kompressionswärmepumpe – der klassischen, im Wohnbereich üblichen Wärmepumpe – und einer Absorptionswärmepumpe liegt in der Art der Energiezufuhr und der Art der Verdichtung des Kältemittels.
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Kompressionswärmepumpe
Antriebsenergie Elektrische Energie (Strom)
Quellen der Antriebsenergie Stromnetz, Photovoltaikanlage Verdichtungsart Mechanisch, durch einen elektrischen Kompressor Funktionsweise Kompressor verdichtet Kältemittel, erhöht Temperatur und Druck für Wärmeabgabe -
Absorptionswärmepumpe
Antriebsenergie Thermische Energie (Wärme) Quellen der Antriebsenergie Erdgas, Flüssiggas, Biomasse oder auch Solarthermie Verdichtungsart Chemisch-physikalisch, durch Absorption und Desorption im Absorptionsmittel Funktionsweise Nutzt Stoffpaare, um Kältemittel chemisch-physikalisch aufzunehmen und wieder auszutreiben
Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Absorptionswärmepumpe?
Die Effizienz einer Absorptionswärmepumpe lässt sich nicht mit einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe vergleichen, da beide unterschiedliche Arten von Antriebsenergie nutzen. Maßgeblich für die Beurteilung ist die Leistungszahl, abgekürzt COP (Coefficient of Performance). Sie gibt das Verhältnis von erzeugter Wärme zur eingesetzten Antriebswärme an.
Bei einer Absorptions-Gaswärmepumpe bedeutet ein COP von 1,4, dass aus 1 kWh Gasenergie rund 1,4 kWh Heizwärme für das System gewonnen werden. Bereits Werte zwischen 1,3 und 1,6 gelten für thermisch angetriebene Wärmepumpen als oberer Standard. Elektrische Wärmepumpen erreichen höhere COP-Werte von typischerweise 3 bis 5. Das liegt daran, dass Strom eine hochwertigere Energieform darstellt. Diese nutzt sich vielseitiger und effizienter. Wärme dagegen hängt in ihrer Nutzbarkeit stark vom Temperaturniveau ab.
Absorptionswärmepumpen arbeiten daher weniger effizient als andere Wärmepumpenarten. Sie nutzen jedoch den Brennstoff Gas effizient und kombinieren ihn mit Umweltwärme. Im Ergebnis liefern sie mehr nutzbare Heizenergie, als das Gas allein bereitstellt. Während ein Gasbrennwertkessel einen Wirkungsgrad um die 90 Prozent erreicht, erzielt eine Gas-Absorptionswärmepumpe einen Wirkungsgrad von etwa 160 Prozent.
Vorteilhaft ist, dass Absorber-Anlagen kaum Strom verbrauchen und so die Stromkosten der Wärmepumpe deutlich senken. Elektro-Wärmepumpen benötigen Strom vor allem für den Betrieb des Kompressors. Dieser verdichtet das Kältemittel und hebt die Wärme aus der Umwelt auf ein höheres Temperaturniveau an. Gaswärmepumpen benötigen lediglich einen geringen Strombedarf für Pumpen und Steuerungstechnik, nicht aber der Wärmeerzeugungsprozess.
Welche Wärmequellen nutzt eine Absorptionswärmepumpe und für welche Anwendungen?
Neben der Antriebswärme entzieht die Absorptionswärmepumpe auch Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser – genau wie konventionelle Wärmepumpen. Absorptionswärmepumpen arbeiten jedoch überwiegend in größeren, gewerblichen oder industriellen Anwendungen.
Als Großwärmepumpen bedienen sie größere Heizlasten. Die bevorzugten Quellen sind Abwärme, Prozesswärme oder größere thermische Quellen, wie Grundwasser oder Erdreich. Diese liefern konstante Temperaturbedingungen, erfordern jedoch meist umfangreiche Bauarbeiten und Genehmigungen. In Wohnhäusern bleiben Absorptionswärmepumpen daher eher die Ausnahme. Dies ist technisch umsetzbar, aber unüblich.
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Vorteile und Nachteile von Absorptionswärmepumpen
Absorptionswärmepumpen spielen im Vergleich zu den weit verbreiteten elektrischen Kompressionswärmepumpen am Markt eine geringere Rolle. Sie bieten jedoch für bestimmte Anwendungen eine alternative Heizlösung, etwa bei vorhandener Gasinfrastruktur oder Industrieprozesswärme.
Was Absorptionswärmepumpen attraktiv macht
- Minimaler Stromverbrauch durch Nutzung thermischer Energie
- Geringere Betriebskosten als bei fossilen Öl- und Gasheizungen
- Umweltschonender als reine Gasheizungen durch Umweltwärmenutzung
- Robuster und langlebiger durch simpleren technischen Aufbau
- Geeignet auch für höhere Heiztemperaturen und Heizkörpersysteme
- Besonders leiser Betrieb, da kein elektrischer Kompressor nötig ist
- Flexible Nutzung verschiedener thermischer Antriebsquellen
- Heizen und Kühlen mit einer Anlage möglich
Wo Absorptionswärmepumpen an ihre Grenzen stoßen
- Höhere Anschaffungs- und Installationskosten als Gasheizungen
- Keine Bundesförderung für Gas-Absorptionswärmepumpen
- Größerer Platzbedarf für die Anlage
- Geringere Effizienz und Nachhaltigkeit im Vergleich zu Elektrowärmepumpen
- Abhängigkeit vom Gasanschluss und Gaspreis
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