Projekt 20967/01

Membranapparate für umweltfreundliche Absorptionskälteanlagen und -wärmepumpen

Projektdurchführung

Mattes Engineering GmbH
Miraustr. 54
13509 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projekts war die Entwicklung von gekühlten bzw. beheizten Membranabsorbern bzw. -desorbern für Absorptionskälteanlagen und -wärmepumpen, wie sie u. a. in der Kälte-, Klima- und Heizungstechnik eingesetzt werden. Durch die Arbeiten werden für die umweltfreundlichen Absorptionsanlagen neue Anwendungsfelder erschlossen, insbesondere in dezentralen Anlagen und im mobilen Bereich. Dort hat die Membranabsorptionstechnik besondere Vorteile gegenüber der konventionellen Kompressionstechnik. In Verbindung mit der Nutzung von Abwärme oder solarer Beheizung arbeiten die Ab-sorptionsanlagen praktisch ohne Einsatz von Primärenergie, so dass durch ihre weitere Verbreitung Emissionen reduziert und der Primärenergiebedarf verringert werden. Die hier vorgestellte Idee der Nutzung von Membranabsorbern und -desorbern in energietechnischen Anlagen soll im Projekt so weit entwickelt werden, dass diese Membranapparate in verschiedenen Sektoren schnell zur Marktreife geführt werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs müssen zuverlässige Daten zu den mit den neuen Membranapparaten erreichbaren Leistungen ermittelt werden. Die Basis bilden nur experimentelle Untersuchungen. Hierfür diente eine Laboranlage, mit der Untersuchungen an dem in den Vorarbeiten konzipierten Prototyp des Membranmoduls durchgeführt wurden, wo die wesentlichen Betriebsparameter (Durchflüsse, Drücke, Temperaturen etc.) im interessierenden Bereich variiert werden. Als Arbeitsstoffpaar wurde zunächst Ammoniak-Wasser verwendet. Das Membranmodul wird als gekühlter Absorber betrieben. Diese Versuche dienen der Gewinnung von Basisdaten. Auf dieser Grundlage wurde ein Modell der Membranabsorption entwickelt und validiert. Das validierte Prozessmodell wird vom ITT in Zusammenarbeit mit dem IVE Weimer in ein Simulationswerkzeug umgesetzt, das konzeptionelle Studien des neuen Verfahrens erlaubt. Das Modell ist der Schlüssel zur Übertragung der ermittelten experimentellen Ergebnisse auf verschiedene Anwendungsfälle, welche Gegenstand der zweiten Projektphase sind. Der Membranapparat soll in zusätzlichen Experimenten auch als beheizter Desorber betrieben werden. Zudem sind alternative Membranmaterialien zu untersuchen sowie Bauvarianten des Moduls. Die dabei ermittelten Ergebnisse fließen wieder in die Modellentwicklung ein. Das Modell soll es ermöglichen, im Rahmen des konzeptionellen Verfahrensentwurfs zu einer fundierten Einschätzung des Potenzials der neuen Technologie für ein gegebenes Einsatzfeld zu kommen.
Es soll in einer geeigneten Simulationsumgebung (Matlab) implementiert werden. Als Beispiel für die Anwendung des Simulationswerkzeugs sollen Studien zu anderen Arbeitsstoffpaaren durchgeführt werden, vorrangig zu Systemen vom Typ Kohlendioxid / (Wasser + Amine).


Ergebnisse und Diskussion

Ein prinzipieller Machbarkeitsnachweis der Membranabsorption wurde erbracht. Die Versuchsparameter in der Versuchsanlage lassen sich so einstellen, dass sinnvolle Betriebszustände erreicht werden.
Die Ziele des ersten Projektabschnitts wurden erreicht. Am Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik (ITT) der Universität Stuttgart wurde mit Hilfe von Mattes engineering eine Versuchsanlage aufgebaut, die es erlaubt, zuverlässige Daten zur Absorption von Ammoniak in Wasser durch polymere Hohlfasermembranen zu bestimmen. Es wurde eine einzelne Hohlfasermembran (PP, Hersteller Membrana GmbH, Wuppertal) bei verschiedenen Amoniak-Konzentrationen (0-25%) und verschiedenen Drücken (1 - 3,5 bar) vermessen. Dabei zeigte sich, dass die erwarteten hohen Absorptionskapazitäten realisierbar sind.
Auf Grund der hohen spezifischen Oberfläche von Membranmodulen (Membrankontaktoren) lässt sich bereits zum jetzigen Zeitpunkt abschätzen, dass eine Miniaturisierung von Absorptionskälteanlagen mittels Membranen möglich ist. Anwendungsszenarien zeigen mögliche Einsatzgebiete der Membranabsorptionstechnik auf.
Auf der Basis der Versuchsergebnisse wurde ein Modell der Membranabsorption von Ammoniak in Wasser entwickelt. Das Simulationsmodell gibt die Versuchsergebnisse trotz vereinfachender Annahmen bereits zufriedenstellend wieder.
Aus Versuchs- und Simulationsergebnissen lässt sich ein realistisches Szenario für einen Betriebspunkt eines Membranabsorbers abschätzen. Der Absorber für eine mobile Klimaanlage mit 7 kW Kälteleistung bei 0 °C wird eine maximale Baugröße von fünf Litern haben.
Im zweiten Projektabschnitt sollen zunächst die Versuche an einem Schlauchmodul unter Verwendung der Analyse über den Biegeschwinger abgeschlossen werden. Durch Einsatz des Biegeschwingers zur Online-Konzentrationsmessung sollen Schwierigkeiten bei der Analytik höherer Amoniak-Konzentrationen überwunden werden.
Anschließend sollen im Labormaßstab Experimente an den bereits konzipierten, modular aufgebauten Membranabsorbern durchgeführt werden.
Danach soll der Einsatz des Membranabsorbers in einer Absorptionskälteanlage im Bypass zu einem konventionellen Absorber erfolgen.
Das Simulationsmodell wird im zweiten Projektabschnitt weiter ausgebaut und insbesondere an die Geometrie des modularen Absorbers angepasst. Auf der Basis von Wirtschaftlichkeitsstudien soll gezeigt werden, in welchen Marktsegmenten die Technologie erfolgreich eingeführt werden kann.
Die bereits bestehenden Kontakte zu Firmen sollen weiter ausgebaut werden, um eine Umsetzung der neuen Technologie in den Markt zu erreichen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die bislang erzielten Projektergebnisse werden auf einem Poster beim 10. Aachener Membrankolloqu-ium im März 2005 vorgestellt. Im Laufe des Jahres 2005 sind weitere Veröffentlichungen in einschlägigen Fachzeitschriften geplant. Es wurden Kontakte zu potenziellen Interessenten geknüpft, um einen Partner für die pilothafte Praxiser-probung im mobilen Bereich zu gewinnen. Unter der Bezeichnung Thermodynamische Maschine und Verfahren zur Aufnahme von Wärme wurde beim Deutschen Patentamt in München eine Patentschrift (DE 103 24 300.3) eingereicht, in der die neue Technologie beschrieben ist.


Fazit

Die bisherigen Ergebnisse zeigen das große Potenzial der Membranabsorptionstechnik. Der Einsatz von Membranen in der Absorptionskältetechnologie ermöglicht es, die Baugröße von Absorbern und Desorbern erheblich zu reduzieren, die Investitionskosten zu senken und die Robustheit gegenüber Erschütterungen zu erhöhen. Dadurch eröffnet sich für die Absorptionskältetechnik der Weg in neue Märkte, z. B. für mobile Anwendungen. Ökonomisch und ökologisch ist dies interessant, da Absorptionskälteanlagen beinahe ohne mechanische Antriebsenergie auskommen. Besonders attraktiv ist die Technologie dort, wo Abwärme zur Beheizung zur Verfügung steht.