COSSAC – Entwicklung einer kontinuierlich arbeitenden, kostengünstig skalierbaren Adsorptionskälteanlage / Wärmepumpe im Leistungsbereich 2 bis 20 kW

Neben der Adsorption von Wasser bietet auch die Verwendung alternativer Kältemittel, z. B. Methanol oder Ethanol, eine interessante Möglichkeit, thermische Wärmepumpen zu betreiben. Der Vorteil liegt vor allem in der Nutzung von Quelltemperaturen unter 0 °C. Als Adsorbens können hierbei Aktivkohlen verwendet werden, die wir in unseren Labors z. B. aus Walnussschalen oder Traubenkernen herstellen.

In marktverfügbaren Adsorptionskältemaschinen und -wärmepumpen wird als Arbeitsmittel in der Regel Wasser eingesetzt. Wasser hat den Vorteil, dass es eine sehr hohe Verdampfungsenthalpie besitzt und gleichzeitig ungiftig ist. Ein Nachteil ist jedoch der im Vergleich zu organischen Kältemitteln hohe Gefrierpunkt sowie der geringe Dampfdruck bei niedrigen Temperaturen. Damit wird der Einsatz als Kältemaschine, aber auch als Wärmepumpe niedertemperaturseitig auf Temperaturen oberhalb 0 °C eingeschränkt. Insbesondere beim Einsatz als Wärmepumpe ist der Temperaturbereich unter 0 °C aber sehr interessant, da sich z. B. bei Verwendung von Luft als Niedertemperaturwärmequelle der apparative Aufwand und somit die Investitionskosten deutlich reduzieren. Daher wurden am Fraunhofer ISE auch die Arbeitsmittel Methanol und Ethanol für den Einsatz in Adsorptionssystemen untersucht.

Adsorptionsmaterialien aus Aktivkohle, die sich prinzipiell auch aus preisgünstigen Roh- und Reststoffen auf Basis von Biomasse mittels einfacher und bekannter Prozesstechnik herstellen lassen, zeigten dabei ein großes Potenzial. Über 30 verschiedene Aktivkohlen wurden in unserem Labor synthetisiert und umfassend charakterisiert. Mit derartigen Materialien konnten wir eine im Vergleich zu herkömmlichen Arbeitspaaren wie Wasser/Silikagel und Wasser/Zeolith eine sehr hohe Kältemittelaufnahme von 0,249 g pro Gramm Aktivkohle erreichen (Betriebsbedingungen: Antriebstemperatur 120 °C, Mitteltemperatur 29 °C und Verdampfertemperatur -5 °C).

Auch die Untersuchung des dynamischen Verhaltens bestätigte die positiven Eigenschaften der alkoholischen Kältemittel. Die im Vergleich zu Wasser höheren Dampfdrücke begünstigen zusätzlich die Adsorptionsgeschwindigkeit, da die Stofftransportprozesse wie Strömung und Diffusion bei höheren Druckgradienten deutlich schneller ablaufen. Ein einfaches Energiebilanz-Modell - die Leistung einer Adsorptionskältemaschine ist in erster Näherung proportional zur Kältemittelaufnahme, zur Verdampfungsenthalpie und zur Adsorptionsgeschwindigkeit - lässt Prognosen auf die Realisierung kompakter Geräte mit hoher Leistungsdichte mit dieser Stoffkombination zu.

Für eine technische Umsetzung ist eine hohe Stabilität der eingesetzten Materialien eine zentrale Anforderung. Untersuchungen zu möglichen Zersetzungsreaktionen sowie der Langzeitstabilität des organischen Kältemittels ergaben vielversprechende Ergebnisse. Die Resultate der Systemsimulationen sowie die des Funktionsmusters des Konsortialführers Behr stimmten mit den Abschätzungen aus dem Energiebilanzmodell überein. Damit wurden die anvisierten Projektziele vollständig erreicht.