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Wärmetransformator

Schema eines Wärmetransformator. Quelle: TU Berlin.

Im Projekt Indus3Es realisierter Wärmtransformator

Absorption heat transformer (AHT). Quelle: Tecnalia

Wärmetransformatoren (absorption heat transformers, AHT) sind eine besondere Art von Absorptionswärmepumpen (Edmund Altenkirch 1918)¹. Sie unterscheiden sich von üblichen Wärmepumpen daduch, dass sie keine (oder kaum) externe Antriebsenergie (etwa elektrischen Strom) benötigen, um Wärme von einem mittleren Temperaturniveau auf ein hohes Temperaturniveau zu bringen. Bei diesen Anlagen wird die Wärme des mittleren Temperaturniveaus auch als Antriebsenergie genutzt. Wärmetransformatoren werden alternativ gelegentlich auch als termisch angetrieben Wärmepumpen bezeichnet und so von den üblicherweise elektrisch angetriebenen unterschieden.

Grundvoraussetzung für eine Anwendung ist also, dass die Temperatur der Wärmequelle ausreichend oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Externe Energie (elektrischer Strom) wird nur noch (in geringem Maß) für die mechanischen Umwälzpumpen des Prozesses gebraucht. Dies bedingt einen vergleichweise hohen COP-Wert.

Wärmetransformatoren werden dort sinnvoll eingesetzt, wo die Wärme auf mittlerem Temperaturniveau zur Verfügung steht, aber nicht direkt genutzt werden kann, da die Wärmeverbraucher eine höhere Temperatur benötigen. Als Wärmequelle und für den Antrieb kann Wärme genutzt werden, die mindestens 20 K über der Umgebungstemperatur liegt. Es kann ein Temperaturhub von der Wärmequelle zur Wärmesenke von bis zu 50 K erreicht werden.

Bei einer Wärmeversorgung auf Basis von Geothermiewärme können Wärmetransformatoren unterschiedliche Zwecke erfüllen und die Leistung und Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage erhöhen.

Es kann das Geothermiewasser einer üblichen hydrothermalen Dublette in einer Kaskade weiter ausgekühlt werden und dadurch eine höhere geothermische Leistung gewonnen werden. Dies ist entweder direkt möglich mit einem zusätzlichen Wärmetauscher in Reihe zum üblichen Trennwärmetauscher zum Fernwärmenetz oder indem der Rücklauf aus dem Fernwärmenetz weiter ausgekühlt wird. Die dabei gewonnene Wärme wird zu ca. 50 % auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau gebracht und kann z. B. dem Fernwärmenetz zugeführt oder hierdurch ein separater Wärmeverbraucher versorgt werden. Die zweiten ca. 50 % der aufgenommenen Wärme auf Mitteltemperaturniveau dienen als Antriebsenergie und werden bei niedrigem Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben. Es ist somit möglich, zumindest ca. 50 % der bisher ungenutzten Geothermiewärme auf ein höheres nutzbares Energieniveau zu bringen.
Da als Antriebswärme bisher ungenutzte Wärme genutzt wird, sind die Betriebskosten für den Antrieb von Pumpen, Regelventilen und dem Rückkühler sehr gering. Der Wärmepreis auf dem hohen Temperaturniveau wird im Wesentlichen von der Abschreibung der Investition dominiert. Zum einen handelt es sich bei Absorptionswärmepumpen und Wärmetransformatoren um sehr zuverlässige und langlebige Maschinen ohne viel bewegte Teile, weshalb eine hohe Abschreibungszeit angesetzt werden kann. Zum anderen gibt es zumindest in Deutschland interessante Förderprogramme mit zinsgünstigen Darlehen und Tilgungszuschüssen. Der komplette Wärmepreis inkl. Finanzierung der Anlage, Einbindung, Betrieb etc. vergleichweise niedrig.
Es kann Geothermiewärme ohne nennenswerte Betriebskosten auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden, als es die Temperatur des Geothermiewassers selbst ermöglicht. Dies kann insbesondere dort interessant sein, wo die Temperatur des Geothermiewassers lediglich ca. 50 - 80°C aufweist. Benötigen einzelne Wärmekunden Wärme auf einem Temperaturniveau über der Temperatur des Geothermie- oder Fernwärmewassers oder soll z. B. ein Wärmespeicher mit einer höheren Temperatur geladen werden, kann dies mit Hilfe eines Wärmetransformators durch Ausnutzung von Geothermiewärme ohne zusätzliche (fossile) Nacherwärmung gemacht werden. Investitionen und Bohrkosten sind hier allerdings zu berücksichtigen.

Mit Wärmetransformatoren kann also die Nutzleistung einer Geothermieanlage durch weitere Auskühlung des Rücklaufs merklich erhöht werden und zudem auch Wärme mit einem höheren Temperaturniveau energieeffizient und wirtschaftlich bereitgestellt werden.

Direktverweise

¹ Unger, Siegfried, Jörn Schwarz, Edmund Altenkirch - Pionier der Kältetechnik, Statusbericht Nr. 23, 1150 Seiten, Deutscher Kälte- u. Klimatechn. Ver., ISBN: 978-3-932715-11-2, 2010

Literatur

Ramming, Klaus: Zusätzliche Auskühlung des Geothermiewassers und Wärmeversorgung bei höherer Temperatur mit Hilfe von Wärmetransformatoren, DGK, 2019.

Stephan, K. : Der Wärmetransformator – Grundlagen und Anwendungen. Chemie Ing. Tech. 60, vol. 5, pp. 335–348, 1988.

Henning H.-M. and Treffinger, P.: Verfahren der Wärmetransformation für die solare Gebäudetechnik. Forschungsverbund Sonnenernergie “Themen 97/98,” 1997.

Hebecker, D.: Wärmetransformation. In: Abfallenergienutzung: technische, wirtschaftliche und soziale Aspekte, Fratzscher W. and Stephan, K., Eds. 1995, pp. 61–81.

Genssle, A. and Stephan, K.: Optimierung von Wärmetransformatoren zur wirtschaftlichen Nutzung von Abwärme Förderungskennzeichen: FKZ 032 924 0 / A, 1997.

Qin, X.: An absorption heat-transformer and its optimal performance. Appl. Energy, vol. 78, no. 3, pp. 329–346, 2004.

Riesch, P.: Absorptionswärmetransformator mit hohem Temperaturhub. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e.V., 1991.