Absorptionstechnologien für effizientere Fernwärme- und Fernkältenetze

Absorptionstechnologien können bislang ungenutzte Wärmequellen erschließen, die Effizienz bestehender Anlagen steigern und die Integration erneuerbarer Energien in Fernwärme- und Fernkältesysteme unterstützen.

Im Forschungsprojekt AbSolut („Absorption technologies as solutions for sustainable district heating and cooling“) untersuchten die Projektpartner das Potenzial von Absorptionswärmepumpen (AWP), Absorptionswärmetauschern (AWT) und Absorptionskältemaschinen (AKM) für unterschiedliche Anwendungen in Fernwärme- und Fernkältenetzen.

Die Ergebnisse zeigen, dass diese Technologien einen wichtigen Beitrag zur Effizienzsteigerung, Dekarbonisierung und Flexibilisierung zukünftiger Energiesysteme leisten können. Absorptionswärmepumpen erschließen bislang ungenutzte Wärmequellen, während Absorptionswärmetauscher die Nutzung bestehender Fernwärmenetze verbessern. Darüber hinaus ermöglichen Absorptionskältemaschinen die klimafreundliche Bereitstellung von Kälte. Während die Rauchgaskondensation mit AWP bereits in Heizwerken erfolgreich in Betrieb ist, wurden die übrigen drei Anwendungsfälle im Projekt konzipiert, simuliert und anhand von Praxisbeispielen validiert. Im Projekt konnten so Brennstoffnutzungsgrade um 20 bis 30 % gesteigert, zusätzliche Wärmerückgewinnungen von über 25 % identifiziert und Netzkapazitäten um bis zu 30 % gezeigt werden. Detaillierte technische Analysen, Simulationsstudien und Wirtschaftlichkeitsbewertungen sind im Endbericht, den Factsheets sowie im Best-Practice-Report des Projekts dokumentiert.

Mehr Wärme aus Biomasse

Besonders hohe Potenziale wurden bei der Rauchgaskondensation in Biomasse-Nahwärmenetzen identifiziert. Durch den Einsatz von Absorptionswärmepumpen kann die im Rauchgas enthaltene latente Wärme zurückgewonnen und der Brennstoffnutzungsgrad bestehender Heizwerke um 20 bis 30 % gesteigert werden. Üblich sind dabei Standardsysteme mit 150–155 °C Antriebstemperatur, die die höchste Wärmerückgewinnung erzielen; in kleineren Heizwerken unter 10 MW können daneben Systeme mit nur 105 °C zum Einsatz kommen – sie liefern etwas geringere Rückgewinne, benötigen aber keinen Dampfkesselwärter und sind in der Investition günstiger. Praxisbeispiele bestätigen diese Ergebnisse: Im Heizwerk Wagrain (150 °C-System) wurde nach der Inbetriebnahme einer Absorptionswärmepumpe eine Verbesserung der Brennstoffnutzung von bis zu 49 % festgestellt. Im Heizwerk Gerlos (105 °C-System) konnten in der Heizsaison 2023/24 zusätzlich 26,2 % Wärme zurückgewonnen werden. Die untersuchten Fallstudien zeigen zudem wirtschaftlich attraktive Amortisationszeiten von typischerweise fünf bis acht Jahren.

Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme

Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts war die Nutzung von Abwärme aus Sekundärkühlwassersystemen. In Kraftwerken fallen in Kühl- und Schmiersystemen erhebliche Wärmemengen bei Temperaturen zwischen 40 und 70 °C an, die bisher häufig ungenutzt bleiben.

Am Standort Linz Mitte wurde dafür eine Absorptionswärmepumpe mit rund 8,6 MW Wärmeleistung konzipiert, die Abwärme aus den Ölkühlkreisläufen nutzt, um den Fernwärmerücklauf von 55 auf 70 °C anzuheben – bei einem COP von 1,86. Im gesamten Sekundärkühlwasserkreis des Standorts stehen sogar mehr als 20 MW Abwärme zur Verfügung. Eine wichtige Randbedingung für die vollständige Erschließung dieses zusätzlichen Potenzials ist die verfügbare Antriebstemperatur: Mit den am Standort vorhandenen 97 °C aus dem Fernwärmevorlauf lässt sich die Absorptionswärmepumpe noch nicht voll auslegen. Die Analyse zeigt damit anschaulich, wie entscheidend ausreichend hohe Antriebstemperaturen – etwa aus Biomasse oder Solarthermie – für Effizienz und Wirtschaftlichkeit solcher Anwendungen sind.

Bestehende Netze effizienter nutzen

Ein Absorptionswärmetauscher (AWT) ist im Kern eine Kombination aus Absorptionskältemaschine und einem zusätzlichen externen Wärmetauscher: Der primärseitige Heißwasserkreislauf treibt im Generator den Absorptionsprozess an, wird anschließend über den externen Wärmetauscher auf ein übliches Rücklaufniveau abgekühlt und im Verdampfer noch einmal zusätzlich abgesenkt. Dadurch lässt sich die primärseitige Rücklauftemperatur unter das Niveau der Sekundärseite drücken – ein Effekt, der umso stärker ausfällt, je größer die Temperaturdifferenz zwischen Primär- und Sekundärvorlauf ist.

Für die Evaluierung wurde mit Wien Energie ein 2,8-MW-AWT ausgelegt, der das Primärnetz von 130 °C auf 32,2 °C abkühlt und damit den Sekundärvorlauf auf 85,4 °C anhebt. Im Auslegungspunkt erreichte die Anlage eine Unterkühlung von bis zu 20 K gegenüber einem konventionellen Wärmetauscher und senkte den Primärmassenstrom um rund 22 % – wodurch sich die Transportkapazität bestehender Leitungen um bis zu 30 % steigern lässt, ohne neue Rohrleitungen zu verlegen. Die Stärke dieses Effekts hängt von der Primärvorlauftemperatur ab: Je höher sie ist, desto größer die erreichbare Unterkühlung. Damit eignet sich die Technologie besonders für Netzabschnitte mit konstant hohen Vorlauftemperaturen, etwa in Kombination mit Geothermie oder Heizkraftwerken.

Kälte aus Wärme

Auch für Fernkältesysteme bieten Absorptionskältemaschinen interessante Perspektiven. Sie erzeugen Kälte aus Wärme, benötigen weniger als 1 % Strom im Verhältnis zur bereitgestellten Kälteleistung und kommen ohne fluorierte Kältemittel aus. Bereits heute sind entsprechende Anlagen in Wien in Betrieb, darunter eine Anlage mit 1,05 MW Kälteleistung am Hauptbahnhof sowie eine 2-MW-Anlage am Standort Spittelau. Besonders attraktiv sind solche Systeme dort, wo kostengünstige Abwärme oder sommerliche Fernwärmeüberschüsse verfügbar sind.

Simulationsmodelle und experimentelle Validierung

Als Projektkoordinator verantwortete AEE INTEC die Gesamtprojektleitung sowie die technisch-wirtschaftliche Bewertung aller vier Use Cases mittels der Business-Radar-Methode in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern. Im eigenen Labor in Gleisdorf wurde dazu ein Prüfstand aufgebaut, der eine einstufige Absorptionskältemaschine mit 15 kW Kühlleistung mit einem Gegenstromwärmetauscher kombiniert und so einen Absorptionswärmetauscher im Versuchsmaßstab nachbildet. Die daraus gewonnenen Messdaten dienten zur Validierung der parallel in Modelica/Dymola entwickelten Simulationsmodelle – darunter die Jahressimulationen für den AWT-Anwendungsfall in einer Referenz-Gebietsumformerstation von Wien Energie. Die validierten Modelle erhöhen die Aussagekraft für die Auslegung künftiger Systeme; ergänzend wurde eine Open-Source-Modelica-Bibliothek für Absorptionstechnologien entwickelt und öffentlich verfügbar gemacht.

Fazit

Die Ergebnisse von AbSolut verdeutlichen, dass Absorptionswärmepumpen, Absorptionswärmetauscher und Absorptionskältemaschinen vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Fernwärme- und Fernkältesystemen bieten. Die untersuchten Fallstudien belegen Potenziale bei der Nutzung bislang ungenutzter Wärmequellen, der Effizienzsteigerung bestehender Anlagen und der besseren Ausnutzung vorhandener Netzinfrastruktur.

Mit den entwickelten Simulationswerkzeugen, den experimentellen Validierungen und den untersuchten Anwendungsfällen liefert das Projekt wichtige Grundlagen für die weitere Verbreitung dieser Technologien in der Praxis.