© tiegeltuf [CC-BY-SA-3.0], via flickr
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«THRIVE»: Abwärme zur Wärmeerzeugung nutzen

  • Kathrin Ruprecht
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Im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms «Energiewende» NFP 70 unterstützt der Schweizerische Nationalfonds das interdisziplinäre Forschungsprojekt «THRIVE». Unter der Leitung von IBM Research – Zürich und der Hochschule für Technik Rapperswil entwickeln Wissenschaftler der Empa, der ETH Zürich, der HEIG-VD und des PSI gemeinsam mit Industriepartnern bis 2017 eine mit Abwärme angetriebenen Wärmepumpe.

Gemäss einer vom Bundesamt für Energie (BFE) in Auftrag gegebenen Studie entfallen rund die Hälfte des gesamten Energieverbrauchs der Schweiz auf die Wärmeerzeugung, etwa zum Heizen oder für zahlreiche technische Verfahren wie Trocknen, Schmieden oder Schmelzen, schreibt die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt . Der dafür benötigte Energiebedarf wird heute überwiegend durch fossile Energieträger gedeckt. Die dabei entstehende Abwärme wird meist ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Betrachtet man den Gesamtstromverbrauch, entfallen davon immer noch annähernd 40% auf die Erzeugung von Wärme und Kälte.

Die Energiestrategie 2050 sieht den Ausstieg aus der Kernenergie, die heute 40% des Schweizer Stroms liefert, sowie eine drastische Reduktion der CO2-Emissionen vor. Dieses Ziel erfordert zwingend, vorhandene Energieressourcen effizienter zu nutzen und den Stromverbrauch nachhaltig zu senken.Um dies zu ermöglichen, erforschen Wissenschaftler im «THRIVE»-Projekt («Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels») neuartige so genannte Adsorptionswärmepumpen.

Da für ihren Antrieb Wärme statt Strom verwendet wird, könnte die Technologie einerseits das Stromnetz entlasten, andererseits die Abwärme von z.B. Fabriken, Kraftwerken und Rechenzentren oder erneuerbaren Quellen wie Solarthermie, Geothermie und Biomasse nutzbar machen. «Abwärme wird bisher viel zu wenig genutzt, da einerseits die technischen Möglichkeiten für eine ökologisch wie ökonomisch sinnvolle Verwendung und andererseits die Notwendigkeit fehlten,» sagt Bruno Michel, Manager der Gruppe «Advanced Micro Integration» am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon und einer der Projektleiter. «Durch den grossflächigen Einsatz von Adsorptionswärmepumpen, wie wir sie im «THRIVE»-Projekt entwickeln wollen, wäre theoretisch bis 2040 eine Reduktion des Strombedarfs für Heiz- und Kühlzwecke um bis zu 65% und des Verbrauchs fossiler Brennstoffe zur Wärmeerzeugung um bis zu 18% möglich.» Dies entspräche einer Einsparung von rund 1.8 Millionen Tonnen CO2.Wärmepumpen dienen heute meist dazu, Umweltwärme, die eine Temperatur zwischen -5 und 15°C aufweist, in Heizwärme für Räume oder Prozesse aufzuwerten.

Traditionelle Wärmepumpen entziehen der Umgebung Wärme, beispielsweise aus dem Erdreich oder der Luft, um ein Kältemittel in einem Verdampfer zu verdampfen. Der entstandene Dampf steigt in einen elektrisch betriebenen Kompressor, der ihn verdichtet und dadurch erhitzt. Im anschliessenden Kondensator verflüssigt sich der Dampf wieder und gibt die Wärme an einen Heizkreislauf ab. Mit diesem Prozess kann sowohl Wärme für die Klimatisierung von Räumen als auch Kälte wie in einem Kühlschrank produziert werden.

Statt mit Strom mit Wärme betrieben

Die thermisch betriebene Adsorptionswärmepumpe funktioniert ähnlich. Der grosse Unterschied ist, dass sich anstelle des Kompressors ein Adsorptionswärmetauscher befindet, der anstatt Elektrizität Wärme bei einer Temperatur ab 60°C als Antriebsenergie nutzt. Während des so genannten Adsorptionsprozesses werden von dem Adsorptionswärmetauscher erhebliche Mengen Dampf aus dem Verdampfer aufgenommen (adsorbiert) und dabei im Inneren des Wärmetauschers verdichtet, wodurch Wärme freigesetzt wird. Über die Zufuhr der Antriebswärme von einer äusseren Quelle wird das zuvor adsorbierte Kältemittel wieder aus dem Adsorptionswärmetauscher ausgetrieben (desorbiert). Der dadurch freigesetzte heisse Dampf wird im Kondensator wieder verflüssigt und die entsprechende Kondensationswärme an den Heizkreislauf abgegeben. Auch die Adsorptionswärmepumpe kann sowohl heizen als auch kühlen. Da die Kälte- bzw. Wärmeerzeugung diskontinuierlich erfolgt, sind mindestens zwei parallel arbeitende Adsorptionswärmetauscher für den unterbuchsfreien Betrieb notwendig.

Durch ihren geringen Stromverbrauch erreichen Adsorptionswärmepumpen im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpen ein Mehrfaches der erzeugten Kälte- bzw. Wärmeleistung im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Leistung. Ausserdem kann als Kältemittel reines Wasser anstelle von zum Teil wenig umweltfreundlichen Kältemitteln genutzt werden. Ein weiterer Vorteil der Technologie ist, dass erneuerbare Wärmequellen verwendet werden können, zum Beispiel solarthermische Anlagen, die typischerweise Temperaturen von bis zu 90°C erzeugen.

Mit einem Rechenzentrum Gebäude heizen und kühlen

Durch die Wärmenutzung eignet sich die Adsorptionswärmepumpe für viele interessante Anwendungen, in denen herkömmliche Wärmepumpen nicht sinnvoll sind. Sie könnte zum Beispiel die Abwärme aus zukünftigen aktiv gekühlten konzentrierten Photovoltaikanlagen oder heisswassergekühlten Rechenzentren nutzen, um Büro- und Wohngebäude zu klimatisieren. Das Aquasar-Computersystem, das von IBM Forschern in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich entwickelt wurde, ist ein Vorreiter für die Heisswasserkühlung von Computersystemen, die nicht nur den Energiebedarf für die Kühlung in Rechenzentren massiv senkt, sondern auch eine Abwärmenutzung ermöglicht.

Für die IBM Forscher ist «THRIVE» der nächste Schritt, um dies Realität werden zu lassen. Rechenzentren könnten sich dann mit der eigenen Abwärme praktisch selber kühlen. «Wir haben im «THRIVE»-Projekt eine einzigartige Möglichkeit, neueste Erkenntnisse aus den Materialwissenschaften, der technologischen Optimierung von Wärmeübertragern und der Zusammenführung von System- und Anlagentechnik aus verschiedenen Disziplinen zu verbinden,» sagt Elimar Frank von der Hochschule für Technik Rapperswil und Ko-Leiter des «THRIVE»-Projektes.

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