Adsorptionswärmepumpe: Heizen mit Zeolith
Die Adsorptionswärmepumpe ist eine thermisch angetriebene Wärmepumpe, die ohne den für Kompressionswärmepumpen typischen, mechanischen Verdichter auskommt. Sie nutzt stattdessen einen physikalischen Prozess zwischen dem Mineral Zeolith und dem Kältemittel Wasser. Die meisten Adsorptionswärmepumpen sind gasbetrieben und kombinieren die bewährte Gas-Brennwerttechnik mit der Nutzung von Umweltwärme. In diesem Ratgeber erklären wir, wie das Adsorptionsprinzip funktioniert, welche Vorteile es bietet und wann sich die Anschaffung lohnt.
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Angebot unverbindlich anfragen!Was ist eine Adsorptionswärmepumpe?
Eine Adsorptionswärmepumpe gehört zur Gruppe der Sorptionswärmepumpen. Anders als Kompressionswärmepumpen arbeitet sie mit einem thermischen statt einem mechanischen Antrieb. Das bedeutet: Hohe Temperaturen treiben den Kältekreislauf an, nicht primär elektrischer Strom für einen Verdichter. Als Wärmequelle für den Antrieb dient meist ein integrierter Gasbrennwertkessel. Alternativ kann auch Abwärme aus Industrieprozessen oder Wärme aus einer Solarthermieanlage genutzt werden. Lediglich Steuerung und Pumpen verbrauchen eine geringe Menge Strom.
Die Adsorptionswärmepumpe nutzt als festes Sorptionsmittel das Mineral Zeolith. Dieses kristalline, hochporöse Material hat die Fähigkeit, eine große Menge Wasserdampf an seiner Oberfläche anzulagern (Adsorption) und bei Zufuhr von Wärme wieder abzugeben (Desorption). Deshalb werden diese Anlagen auch Zeolith-Wärmepumpen genannt. Darin liegt der Hauptunterschied zur Absorptionswärmepumpe, bei der das Kältemittel in einem flüssigen Sorptionsmittel (zum Beispiel einer Salzlösung) gelöst wird.
Adsorption einfach erklärt
Der Begriff Adsorption beschreibt einen physikalischen Vorgang, bei dem sich Gas- oder Flüssigkeitsmoleküle an der Oberfläche eines Festkörpers anlagern. Zeolith ist dafür ideal, da es eine extrem große innere Oberfläche besitzt. Es lässt sich mit einem Schwamm voller winziger Poren vergleichen. In diese Hohlräume strömt der Wasserdampf und bindet sich an die Porenwände. Bei diesem Prozess wird sogenannte Adsorptionswärme freigesetzt.
Der umgekehrte Prozess heißt Desorption. Hierbei wird dem Zeolith Wärme zugeführt, zum Beispiel durch einen Gasbrenner, wodurch die Bindungskräfte überwunden werden. Das Material „trocknet“ und gibt den angelagerten Wasserdampf wieder frei. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit dem Trocknen eines nassen Schwamms in der Sonne: Die Sonnenwärme treibt das Wasser aus dem Schwamm.
Den gleichen Effekt kennen viele von modernen Geschirrspülern: Dort nimmt das Zeolith am Ende des Spülgangs die Feuchtigkeit aus dem Innenraum auf. Die dabei freigesetzte Adsorptionswärme sorgt für ein perfekt trockenes Geschirr.
Die Adsorptionswärmepumpe nutzt genau diesen Kreislauf aus Befeuchten (Adsorption) und Trocknen (Desorption) zur Wärmeerzeugung. Bei der Kälteerzeugung spricht man von Adsorptionskältemaschinen.
Adsorption ist nicht gleich Absorption! Die Adsorption ist ein Oberflächenphänomen: Die Wassermoleküle haften an der Oberfläche der Zeolith-Poren. Die Absorption ist hingegen ein Volumenphänomen. Hier dringt ein Stoff in das Innere eines anderen ein und löst sich darin, so wie sich Zucker in Wasser auflöst. Ähnlich wie bei einem Schwamm, der sich mit Wasser vollsaugt.
Wie funktioniert eine Adsorptionswärmepumpe?
Bei einer Adsorptionswärmepumpe läuft der Prozess nicht durchgehend. Er basiert auf zwei Phasen, die sich abwechseln. Das liegt daran, dass Adsorption und Desorption im selben Bauteil stattfinden und nicht parallel arbeiten. Moderne Anlagen arbeiten daher mit zwei Sorptionsmodulen. Während eines Wärme abgibt, regeneriert das andere. So entsteht ein kontinuierlicher Betrieb.
Der Kältekreislauf einer Adsorptionswärmepumpe besteht aus vier Hauptkomponenten: dem Verdampfer, dem Adsorber/Desorber (das Modul mit dem Zeolith), dem Kondensator und einem Drosselorgan (oft ein einfaches Kapillarrohr statt eines Expansionsventils). In diesem geschlossenen Kreislauf zirkuliert reines Wasser als umweltfreundliches Kältemittel.
Gas-Adsorptionswärmepumpe: Funktionsweise im Detail
Eine Gas-Adsorptionswärmepumpe funktioniert ähnlich wie eine Gas-Absorptionswärmepumpe. In beiden Fällen erzeugt Gas (Erdgas oder Flüssiggas) die Wärme, die den Adsorptionsprozess antreibt. Der entscheidende Unterschied liegt im Sorptionsmittel: Adsorptionsgeräte nutzen ein festes Material (Zeolith), während Absorptionsgeräte mit einer flüssigen Lösung arbeiten.
- Verdampfung: Umweltwärme aufnehmen
Im Verdampfer herrscht ein sehr niedriger Druck (Vakuum). Dort nimmt das flüssige Wasser (Kältemittel) bereits bei niedrigen Temperaturen Wärme aus der Umgebung auf. Diese Umweltwärme stammt beispielsweise aus der Außenluft, dem Erdreich oder industrieller Abwärme. Durch die Wärmezufuhr verdampft das Wasser.
- Adsorption: Heizwärme erzeugen
Der Wasserdampf strömt zum Adsorber, der mit Zeolith gefüllt ist. Das stark hygroskopische (wasseranziehende) Zeolith lagert den Wasserdampf an seiner riesigen inneren Oberfläche an. Bei diesem exothermen Prozess wird die sogenannte Adsorptionswärme freigesetzt. Diese Wärme wird zusammen mit der Abwärme des Gasbrenners an das Heizsystem abgegeben.
- Desorption: Das Zeolith regenerieren
Ist das Zeolith mit Wasserdampf gesättigt, muss es regeneriert werden. Dazu heizt der integrierte Gasbrenner das Zeolith-Modul auf. Durch diese hohe Wärmezufuhr wird der angelagerte Wasserdampf wieder aus dem Zeolith ausgetrieben (desorbiert). Der Adsorber wird in dieser Phase zum Desorber.
- Kondensation: Zusätzliche Wärme nutzen
Der heiße, ausgetriebene Wasserdampf strömt zum Kondensator. Dort gibt er seine Wärme an das Heizsystem ab und verflüssigt sich (kondensiert) dabei. Diese Kondensationswärme trägt ebenfalls zur Gesamtheizleistung bei und steigert die Effizienz.
- Entspannung: Den Kreislauf schließen
Zuletzt fließt das nun wieder flüssige Wasser durch ein Drosselorgan zurück in den Verdampfer. Dabei sinken Druck und Temperatur des Wassers wieder auf das Ausgangsniveau. Der Kreislauf beginnt von vorn.
Wann lohnt sich die Anschaffung einer Adsorptionswärmepumpe?
Eine Adsorptionswärmepumpe rechnet sich vor allem dann, wenn eine geeignete Antriebs-Wärmequelle wie Abwärme oder Solarthermie günstig und dauerhaft verfügbar ist. Industriebetriebe mit Prozessabwärme profitieren enorm von dieser stromsparenden Technologie, da sie ihren Wärmebedarf mit sehr geringem Primärenergieeinsatz decken können. Auch Gewerbegebäude, Rechenzentren oder Produktionshallen nutzen die Systeme sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen.
Der Einsatz von Adsorptionssystemen in Einfamilienhäusern ist bislang selten. Die Systeme sind groß, komplex und in der Anschaffung teuer. Ohne Abwärme, Solarthermie oder Gasanschluss amortisiert sich die Investition nur schwer. Im Vergleich zu modernen, strombetriebenen Kompressionswärmepumpen sind sie meist nicht wirtschaftlich konkurrenzfähig.
Lediglich in energieeffizienten Häusern mit vorhandenem Gasanschluss und moderatem Wärmebedarf stellt eine Gas-Adsorptionswärmepumpe eine Lösung dar, insbesondere wenn hohe Vorlauftemperaturen benötigt werden. Zu beachten ist jedoch, dass für gasbetriebene Heizsysteme in der Regel keine staatliche Förderung im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) gewährt wird.
Adsorptionswärmepumpe Vorteile im Überblick
- Umweltfreundliches Kältemittel: Nutzt ausschließlich reines Wasser
- Hohe Effizienz: Erreicht durch die zusätzliche Nutzung von Umweltwärme einen höheren Nutzungsgrad als reine Gas-Brennwertgeräte
- Sehr leiser Betrieb: Arbeitet ohne mechanischen Verdichter und ist daher praktisch geräuschlos
- Geringer Wartungsaufwand: Besitzt kaum bewegliche Teile, was den Verschleiß minimiert
- Lange Lebensdauer: Die robuste Technik ist auf eine sehr lange Betriebsdauer ausgelegt
- Hohe Vorlauftemperaturen möglich: Kann auch für Heizkörpersysteme in der Sanierung geeignet sein
- Heizen und Kühlen: Kann je nach Auslegung sowohl zum Heizen als auch zur Kühlung (Adsorptionskälte) genutzt werden
- Ideal für industrielle Anwendungen: Besonders wirtschaftlich bei Vorhandensein von Prozess- oder Abwärme
