Forschungsprojekt: Mit Abwärme Wärmepumpen betreiben

Forschungsprojekt: Mit Abwärme Wärmepumpen betreiben

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Eine Wärmepumpe, die von der Abwärme des Rechenzentrums angetrieben wird – ein Team von Wissenschaftern unter der Leitung von IBM Research will es möglich machen. Das interdisziplinäre Projekt „THRIVE“ im Rahmen des  Nationalen Forschungsprogramms „Energiewende“ wird vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützt.  

„THRIVE“ steht für  Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels. Dabei geht es um neuartige, so genannte Adsorptionswärmepumpen, für deren Antrieb Abwärme statt Strom verwendet wird.  Das Projekt steht unter der Leitung von IBM Research – Zürich und der Hochschule für Technik Rapperswil. Beteiligt sind Fachleute von der Empa, der ETH Zürich, der Haute Ecole d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud und des Paul Scherrer Instituts sowie Industriepartner.  

 „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 vom 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.“

Wie die am Projekt beteiligten Institutionen in ihrer gemeinsamen Medienmitteilung schreiben, können Adsorptionswärmepumpen wegen ihres geringen Stromverbrauchs im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpen ein Mehrfaches der erzeugten Kälte- bzw. Wärmeleistung im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Leistung liefern. Ausserdem könne als Kältemittel reines Wasser anstelle zum Teil wenig umweltfreundlicher Kältemittel genutzt werden. Ein weiterer Vorteil der Technologie sei, dass erneuerbare Wärmequellen verwendet werden könnten. Etwa  solarthermische Anlagen, sie erzeugen Temperaturen von bis zu 90 Grad Celsius erzeugen.

Einssatzgebiete für eine Adsorptionswärmepumpe sehen die Wissenschafter einige. Dies betrifft vor allem Bereiche, in denen herkömmliche Wärmepumpen nicht sinnvoll sind. Eine solche Pumpe könnte etwa die Abwärme aus aktiv gekühlten konzentrierten Photovoltaikanlagen oder heisswassergekühlten Rechenzentren nutzen, um Büro- und Wohngebäude zu klimatisieren.  Das Aquasar-Computersystem, welches von IBM Forschern in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich entwickelt wurde, ist übrigens ein Vorreiter für die Heisswasserkühlung von Computersystemen, die nicht nur den Energiebedarf für die Kühlung in Rechenzentren massiv senkt, sondern auch eine Abwärmenutzung erlaubt. Für die IBM-Forscher ist THRIVE der nächste Schritt, solches zu realisieren. Rechenzentren könnten sich dann mit der eigenen Abwärme praktisch selber kühlen.  (mai/mgt)

So wird mit Abwärme geheizt und gekühlt

Meist dienen Wärmepumpen heute dazu, Umweltwärme, die eine Temperatur zwischen -5 und 15 Grad Celsius aufweist, in Heizwärme für Räume oder Prozesse aufzuwerten. Traditionelle Wärmepumpen entziehen der Umgebung Wärme, zum Beispiel 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 damit 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 Grad Celsius als Antriebsenergie nutzt. Während des sogenannten 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.  (mgt)