Projekt 20967/02

Membranapparate für umweltfreundliche Absorptionskälteanlagen und -wärmepumpen – 2. Phase

Projektdurchführung

Mattes Engineering GmbH
Miraustr. 54
13509 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projekts war die Entwicklung von gekühlten und beheizten Membranabsorbern bzw. -desorbern für Absorptionskälteanlagen und -wärmepumpen, wie sie u.a. in der Kälte-, Klima- und Heizungstechnik eingesetzt werden. Durch die Arbeiten sollten für die umweltfreundlichen Absorptionskälteanlagen neue Anwendungsfelder erschlossen werden, 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 Absorptionsanlagen praktisch ohne Einsatz von Primärenergie, so dass durch ihre weitere Verbreitung Emissionen reduziert und eine Verringerung des Primärenergiebedarfs erreicht werden.
Die hier erstmals vorgestellte Idee der Nutzung von Membranabsorbern und -desorbern in energietechnischen Anlagen wurde im Projekt so weit entwickelt, dass diese Membranapparate in verschiedenen Anwendungssektoren schnell zur Marktreife geführt werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn der Laboranlage am Institut für Thermische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik (ITT) wurden Versuche an den bereits konzipierten modular aufgebauten Membranabsorbern durchgeführt. Das Design des Membranabsorbers wurde weiter hinsichtlich Zuverlässigkeit, Fertigung und Wirtschaftlichkeit verbessert.
Eine Absorptionskälteanlage im Leistungsbereich von ca. 10 kW wurde als Demonstrationsanlage für die Membranabsorptionskältetechnik am ITT angeschafft, instrumentiert und ein Bypass zur Implementierung des gekühlten Membranabsorbers integriert.
Das Simulationsmodell wurde auf der Basis der experimentellen Daten weiter entwickelt. Ziel war es, ein Modell zu entwickeln, das es ermöglicht, im Rahmen des konzeptionellen Verfahrensentwurfs zu einer fundierten Einschätzung des Potenzials der neuen Technologie für ein gegebenes Einsatzfeld zu kommen.
Auf der Basis einer Schätzung der Investitions- und Betriebskosten der neuen Technologie wird deren Wirtschaftlichkeit in verschiedenen Marktsegmenten dargestellt. Darüber hinaus wird der Einsatz alternativer Arbeitsstoffpaare diskutiert.


Ergebnisse und Diskussion

· Ein prinzipieller Machbarkeitsnachweis der Membranabsorption wurde erbracht.
· Eine fundierte Datenbasis zur Abschätzung der Absorptionskapazität unterschiedlicher Membrankontaktoren wurde mit Hilfe der Laboranlage gewonnen.
· Die Hohlfasern sollten einen möglichst kleinen Faserdurchmesser haben, um hohe Packungsdichten in den Membrankontaktoren zu erzielen. Dabei ist es sinnvoll, das Lösungsmittel im Hohlfaserlumen strömen zu lassen.
· Die Betriebsbedingungen müssen sorgfältig eingestellt werden, so dass ein Flüssigkeitsdurchbruch auf die Gasseite vermieden wird. Dies war in den Laborversuchen am Absorberprüfstand nicht immer möglich. In der Laboranlage ist für eine Gasentlüftung für akkumulierte Inertgase zu sorgen.
· Der Stoffübergangswiderstand in den Poren ist im für den Betrieb der Membranabsorber relevanten Bereich (Ammoniak-Konzentrationen nahe der Sättigung) vernachlässigbar gering. Daher stellt die Membran eigentlich kein Hindernis für den Stoffdurchgang dar. Es ist lediglich zu beachten, dass nicht die komplette Oberfläche für den Stoffübergang zur Verfügung steht.
· Das MATLAB-Modell zur Modellierung und Simulation lässt die Auslegung von Membranabsorbern zu. Dazu müssen lediglich Versuche mit einem baugleichen Membrankontaktor zur Parameteranpassung vorliegen. Diese Versuche sind für diverse Rohrbündelmodule im Rahmen des Projekts durchgeführt worden.
· Am Institut für Thermische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik (ITT) wurde eine Demonstrationsanlage errichtet, an der in Zukunft verschiedene Membranabsorber bis zu einer Leistung von 10 kW im Betrieb getestet werden können.
· Membranabsorptionskälteanlagen haben ein hohes wirtschaftliches Einsparpotenzial gegenüber konventionellen Kompressionsanlagen, da der Primärenergieverbrauch deutlich reduziert werden kann. Durch den geringeren Primärenergieverbauch (Öl, Gas) entsteht weniger Kohlendioxid, was eine ökologische Entlastung zur Folge hat.
· Märkte für Membranabsorptionskältemaschinen und -wärmepumpen können im stationären Bereich (Gebäudeklimatisierung und -heizung) sowie im mobilen Sektor (Klimaanlage und Standheizung für Nutzfahrzeuge und im Freizeitbereich, z. B. Yachten) erschlossen werden.
· In Zukunft lässt sich absehen, dass ionische Fluide, z. B. in Kombination mit Kohlendioxid als Kältemittel, die Arbeitsstoffpaarung Ammoniak/Wasser ablösen könnten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorstellung der Ergebnisse auf wissenschaftlichen Tagungen:
- Poster: 10. Aachener Membrankolloquium im März 2005;
- Vortrag: Deutsche Kälte-Klima-Tagung, Würzburg, 17.-18. Nov. 2005
- Vortrag: Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein, TU-Berlin, 29. Nov. 2005
Messepräsentation auf der IKK Hannover 2005 (Internationale Fachmesse Kälte, Klima, Lüftung).
Gründung der Makatec GmbH, Sindelfingen, zur Vermarktung der Technologie.
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 Projektziele wurden weitgehend erreicht. Die Inbetriebnahme der Demonstrationsanlage wird im Januar 2007 durchgeführt. Membrankontaktoren versprechen deutliche Verbesserungen in der Absorptionskältetechnik und bei Absorptionswärmepumpen: Baugrößenreduktion, Kostenreduktion und Reduktion der Kohlendioxid-Emissionen.
Die neugegründete Makatec GmbH plant die Markteinführung von Membranabsorbern für Absorptionskälteanlagen.