Im Forschungsverbund SubSie entwickeln WissenschaftlerInnen in vier Projekten innovative Lösungen für die Verdampfung von Wasser, sodass es als Kältemittel unter 0 Grad Celsius in thermisch angetrieben Kälteanlagen für die Industrie eingesetzt werden kann.

Statt mit Strom kühlt eine Sorptionskältemaschine mit Wärme. Über solare Wärme, Fernwärme oder Abwärme wird das Kältemittel in der Maschine desorbiert. Das Kältemittel in der Maschine verdampft und entzieht der Umgebung Wärme – die Temperatur sinkt und ein Gebäude, Rechenzentrum, eine Maschine oder ein Werkstoff können gekühlt werden.

SubSie will Gefrierpunkt des Wassers verschieben

In Deutschland gibt es viel ungenutzte Abwärme im Temperaturbereich unter 120 Grad Celsius und gleichzeitig einen hohen Kältebedarf. Thermisch angetriebene Sorptionskälteanlagen arbeiten heute hauptsächlich mit Wasser als Kältemittel, sind damit jedoch durch den Gefrierpunkt des Wassers in ihrer Anwendung eingeschränkt. Denn unter 0 Grad Celsius friert Wasser als Kältemittel ein und beschädigt die Verdampfer der Sorptionskältemaschine. In gewerblichen Bereich wird deshalb zum Kühlen von Lebensmitteln oder Lagern unter 8 Grad Celsius in der Regel Ammoniak als Kältemittel in thermisch betriebenen Anlagen verwendet.

Lebensmittel mit thermischer Kältemaschine kühlen

Wie künftig Wasser als Kältemittel unter 0 Grad Celsius genutzt werden kann, untersuchen WissenschaftlerInnen im Forschungsverbund SubSie - Sorptions-Verdampfer für Siedetemperaturen unter 0 Grad Celsius. Thermisch angetriebene Kälteanlagen, die über Abwärme angetrieben werden, sind eine vielversprechende Möglichkeit im Bereich Industrie und Gewerbe Energie einzusparen und CO2-Emissionen zu reduzieren. Neben der Lebensmittel- und Lagerkühlung könnten mit Wasser als Kältemittel unter dem Gefrierpunkt auch Niedertemperaturwärmequellen, zum Beispiel Außenluft im Winter, für Wärmepumpen genutzt werden.

Der thematische Forschungsverbund SubSie ist in das Forschungsnetzwerk Industrie und Gewerbe im Forschungsfeld Abwärme integriert. (az)

Im Forschungsprojekt LiBrAK-5 entwickeln die WissenschaftlerInnen einen Verdampfer für Kaltwasser bis minus 5 Grad Celsius in einer heißwassergetriebenen Absorptionskältemaschine mit Lithiumbromid als Sorptionsmittel. Diese könnte perspektivisch zum Beispiel in einer Brauerei eingesetzt werden. Technischer Lösungsansatz ist etwa Salze in das Kältemittel Wasser zu geben, um den Gefrierpunkt absenken. Durch die Zugabe von Salz wird die Verdampfung allerdings erschwert. Um die damit einhergehenden Einschränkungen zu verringern, sollen innovative Wärmeüberträgerstrukturen entwickelt werden.

Im Forschungsprojekt NoFrost erforschen die WissenschaftlerInnen die Nutzung von Gefrierschutzstoffen - sogenannten Additiven - im Verdampfer, die ein Einfrieren bei Temperaturen unter 0 Grad Celsius verhindern und den Arbeitsbereich des Kälteprozesses auf bis zu minus 10 Grad Celsius erweitern. Voruntersuchungen zeigen, dass Additive im Verdampfer den Wärmeübergang verringern können. Deshalb prüft das Wissenschaftlerteam  welche Additive am geeignetsten sind. Weiter wollen sie die Verdampferstrukturen verbessern und damit den verringerten Wärmeübergang ausgleichen.

Im Forschungsprojekt GALuWap entwickelt ein Wissenschaftlerteam eine zweistufige gasgefeuerte Lithiumbromid-Absorptionswärmepumpe. Mit niederen Temperaturen der Außenluft bis minus 10 Grad Celsius kann sie Heizwärme bei 60 Grad Celsius bereitstellen. So könnte fast vollständig die Versorgung in Deutschland von Wärme- und Brauchwasser über den Betrieb von Wärmepumpen erreicht werden. Bei gleichzeitiger Wärme- und Kältebereitstellung - wie zum Beispiel in gemischten Wohn- und Gewerbegebäuden - kann die gasgefeuerte Lithiumbromid-Absorptionswärmepumpe eine saisonale thermische Effizienz von 1,6 erzielen. Das entspricht einer Primärenergieeinsparung gegenüber Gasbrennwertkesseln und Kompressionskältemaschinen von bis zu 40 Prozent. Um die Fertigungskosten gering zu halten und die Kompaktheit zu steigern, untersuchen die WissenschaftlerInnen, ob als Hauptkomponenten der Absorptionswärmepumpe statt herkömmlicher Rohrbündelwärmetauscher Plattenwärmeübertrager eingesetzt werden können. Weiter entwickeln sie ein integrales Hydraulik- und Steuerungsmodul.

Im Forschungsprojekt TAFEis untersucht ein Wissenschaftlerteam das sogenannte Vakuumeis-Verfahren im Verdampfer eines thermisch angetriebenen Absorptionskälteprozesses mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser und Lithiumbromid (LiBr). Im Kälteprozess wird Flüssigeis erzeugt, wenn Wasser als Kältemittel ohne externe Wärmezufuhr und ohne einen Wärmeübertrager verdampft. Der Eisbrei ist eine pumpfähige Mischung aus Wasser und Eiskristallen. Er ist gleichzeitig Kältemittel, Kälteträger und Speichermedium. Die Anwendung dieses Prinzips ist bislang nur in Kombination mit einem elektrisch angetriebenen Wasserdampfverdichter bekannt. Bei der erfolgreichen Umsetzung in einer thermisch angetriebenen Anlage können neue Anwendungsbereiche für die abwärmegetriebene Kälteerzeugung erschlossen werden.

Die Ergebnisse der vier Forschungsprojekte SubSie-LiBrAK-5°, SubSie-NoFrost, SubSie-GALuWap und SubSie-TAFEis werden unter der SubSie-Plattform zur Verfügung gestellt und ausgewählt veröffentlicht. Die Plattform soll zum Austausch der Projekte untereinander dienen und die Koordination übergreifender Arbeiten ermöglichen.

SubSie

För­der­kenn­zei­chen: 03EN2001A-B, 03EN2002A-B,03EN2005A, C-D, 03EN2012A-B,03EN2046A-B,

Projektlaufzeit
01.04.2019 31.05.2023 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Energiesparende Industrieverfahren - Wärmepumpen, Kältemittel

För­der­sum­me: rund 3,99 Millionen Euro

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