Nutzen statt wegwerfen — Neues Forschungsprojekt nimmt Abwärme ins Visier

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Zürich, Schweiz, 27. Juli 2015—Im Rahmen des Nationalen Forschungs­programms „Energie­wende“ (NFP 70) unterstützt der Schweizerische National­fonds (SNF) das inter­disziplinäre Forschungs­vorhaben THRIVE. Unter der Leitung von IBM Research – Zürich und der Hoch­schule für Technik Rapperswil arbeiten Wissen­schaftler der Empa, der ETH Zürich, der HEIG-VD und des PSI gemeinsam mit Industrie­partnern bis 2017 an der Er­forschung einer mit Abwärme angetriebenen Wärme­pumpe. Diese Technologie benötigt im Vergleich zu heutigen Kompressions­wärme­pumpen nur sehr wenig Strom und kann zudem bisher ungenutzte Abwärme aus der Industrie effizient zur Klimatisierung von Ge­bäuden weiter­verwenden. Das Verbund­projekt ist Teil der SNF-Forschungs­initiative zur Unter­stützung der Umsetzung der „Energie­strategie 2050“ des Bundes und steht derzeit noch weiteren interessierten Industrie­partnern für eine Zusammen­arbeit offen.

Gemäss einer vom Bundesamt für Energie in Auf­trag gegebenen Studie entfallen rund 50% des gesamten Energie­verbrauchs der Schweiz auf die Wärme­erzeugung für z.B. Raum­heizung oder für zahlreiche technische Verfahren wie Trocknen, Schmieden oder Schmelzen.* Der Energie­bedarf solcher Anwendungen wird heute überwiegend durch fossile Energie­träger gedeckt. Die dabei ent­stehende Abwärme wird bis auf wenige Ausnahmen ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Betrachtet man den Gesamt­strom­verbrauch, dann entfallen davon immer noch annähernd 40% auf die Er­zeu­gung von Wärme und Kälte. Die Energie­strategie 2050 sieht den Ausstieg aus der Kern­kraft, 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 die Wissen­schaftler im „Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels“, kurz „THRIVE“-Projekt neuartige so ge­nann­te Adsorptions­wärme­pumpen. Da für ihren Antrieb Wärme statt Strom verwendet wird, könnte die Technologie einerseits das Strom­netz entlasten und anderer­seits die Abwärme von z.B. Rechen­zentren, Fabriken, Kraft­werken 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 Dr. 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 1,8 Millionen Tonnen CO₂.

Mit Abwärme sowohl Heizen als auch Kühlen

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.

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). Dieser wird dabei im Inneren eines Sorptions­materials, das sich auf dem Wärme­tauscher befindet, 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 unter­bruchs­freien 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, wie zum Beispiel solar­thermische Anlagen, die typischer­weise Tempera­turen von bis zu 90°C erzeugen.

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 Dr. Elimar Frank von der Hoch­schule für Technik Rapperswil und Ko-Leiter des THRIVE-Projektes.

Interdisziplinäre Forschung

In THRIVE analysieren die Wissen­schaftler und Industrie­partner Einsatz­möglich­keiten und Markt­bedingungen von Adsorptions­wärme­pumpen in der Schweiz und entwickeln die nötigen System- und Material­technologien für zukünftige Adsorptions­wärme­pumpen.

Wissen­schaftler der Abteilung Building Energy Materials and Components der EMPA, des Depart­ments für Material­wissen­schaft der ETH Zürich und des Instituts für Solar­technik der Hoch­schule für Technik Rapperswil arbeiten zusammen mit den Material­lieferanten Zeochem und MOF Technologies sowie mit dem Hersteller ETS Energie-Technik-Systeme an der Entwicklung der Sorptions­materialien, Wärme­tauschern und weiterer Komponenten einer kompakten Wärme­pumpe mit einer Kapazität von 10 kW für Kühlung und 30 kW für Heizung. Das Laboratoire d'énergétique solaire et de physique du bâtiment (LESBAT) der Haute Ecole d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD) arbeitet zusammen mit den Unter­nehmen ewz und Danfoss sowie dem Verein InfraWatt an der Identi­fizierung von Anwendungs­szenarien für ther­misch angetriebene Wärme­pumpen in der Schweiz. Die Technology Assess­ment Group des Paul Scherrer Instituts (PSI) führt eine Nach­haltig­keits- und Kosten­bewertung der Adsorptions­wärme­pumpen­technologie durch und vergleicht diese mit her­kömm­lichen Techno­logien. Das Projekt steht weiteren Industrie­partnern auf Material-, Konstruktions- und System­ebene offen zur Zusammen­arbeit.