Absorptiekoeling

Samenvatting

Sorptiekoeling is een koudetechniek die werkt met thermische compressie, wat eigenlijk neerkomt op koelen met warmte. Absorptiekoelers werken met twee vloeistoffen: ‘absorptie’ van een koudemiddel in een vloeistof.

Wat is het?

Sorptiekoeling is een koudetechniek die werkt met thermische compressie, wat eigenlijk neerkomt op koelen met warmte. Er wordt hierin onderscheid gemaakt tussen absorptie- en adsorptiekoelers. Ze werken volgens hetzelfde principe, maar met verschillende stoffen.

• Absorptiekoelers werken met twee vloeistoffen: ‘absorptie’ van een koudemiddel in een vloeistof.
• Adsorptiekoeling werken met een vloeistof en een vaste stof: ‘adsorptie’ van een koudemiddel in een vaste stof.

Absorptiekoeling gebruikt dus warmte om te koelen. Deze techniek werkt met de chemische aantrekkingskracht tussen twee vloeistoffen en wordt op gang gebracht met restwarmte als energiebron. Er worden twee combinaties van vloeistofparen gebruikt voor verschillende toepassingen:

• Een water–lithiumbromide combinatie voor koeling tot circa 5 ºC.
• Een water–ammoniak combinatie voor koeling tot circa -25 ºC.

Het koelsysteem heeft een hoge aandrijftemperatuur van minstens 80 – 90 ºC en is daardoor zeer geschikt in situaties met afvalwarmte van hoge temperatuur, bijvoorbeeld van warmtekrachtinstallaties.

Waar is het geschikt?

Absorptiekoeling is vooral toe te passen bij nieuwbouw of renovatie, indien:

• warmte (restwarmte, of stadsverwarming) aanwezig is met een temperatuur boven 90ºC;
• de koelbehoefte het gehele jaar niet te sterk wisselt.

Absorptiekoeling wordt gebruikt bij proceskoeling en opslag van producten rond 10ºC en bij de koeling van gebouwen. Op dit moment wordt het nog niet op grote schaal toegepast in woningen.

Daarnaast wordt deze methode vaak toegepast op plaatsen waar overtollige warmte beschikbaar is, zoals bij uitlaten (industrie) of in het HT/LT-watercircuit. Verder zijn absorptie-installaties goed in te zetten op plaatsen waar nauwelijks of geen stroom beschikbaar is.

Absorptiekoeling in combinatie met warmtekrachtkoppeling (WKK) wordt al sinds de jaren '80 bij een aantal ziekenhuizen toegepast. De WKK wekt alle benodigde elektriciteit op en het warmte-overschot kan in de zomer worden gebruikt om de absorptiekoelmachines aan te drijven.

Hoe duurzaam is het?

Absorptiekoelers gebruiken (rest)warmte om te koelen, daardoor wordt energieverbruik voor koeling bespaard. Hoe hoger de temperatuur van de gebruikte restwarmte, hoe beter het rendement van het systeem. De prestatiecoëfficiënt (COP) zorgt voor een eenduidige vergelijking tussen verschillende koelsystemen. Deze wordt gedefinieerd als de verhouding van de uit het gebouw onttrokken warmte tot de daartoe geleverde elektrische energie. Omdat bij sorptiekoeling warmte wordt gebruikt als energiebron wordt de COP van dergelijke systemen gedefinieerd als de verhouding van de onttrokken warmte tot de daarvoor gebruikte toevoerwarmte. Voor het overall-rendement moet de COP van de sorptiekoeling nog worden vermenigvuldigd met het rendement van de warmteopwekking.

Hoe hoger de temperatuur van de gebruikte restwarmte, hoe beter het rendement van het systeem. In de praktijk ligt de prestatiecoëfficiënt (COP) van een water–lithiumbromide absorptiekoelmachine rond de 0,7 en 0,8. Puur gebaseerd op COP kunnen absorptiekoelers absoluut niet concurreren met traditionele airco’s (COP van circa 3 – 6). Echter maken absorptiekoelers meestal gebruik van restwarmte of zonne-energie (al dan niet in combinatie met een WKK), waardoor ze vaak toch economisch rendabel zijn.

Gebruik

Er bestaan absorptiekoelers met verschillende vermogens en koelcapaciteiten. Er zijn grofweg twee verschillende varianten, afhankelijk van de toepassing: water–lithiumbromide en water–ammoniak.

Er wordt het vaakst voor lithiumbromide gekozen, omdat voor die stof relatief weinig milieu- en veiligheidsmaatregelen nodig zijn. Water–lithiumbromide absorptiekoelers kunnen echter niet onder het vriespunt koelen. Water–ammoniak absorptiekoelers wel: namelijk tot -25ºC.

Absorptiekoeling is dus niet alleen te gebruiken voor het koel opslaan van producten, maar ook voor vriezen. Deze methode is te gebruiken met een warmtebron vanaf 90ºC, maar energetisch vooral aantrekkelijk als er restwarmte beschikbaar is van minimaal 100 – 110ºC. Het rendement van de koeler wordt namelijk beter bij restwarmte met hogere temperaturen.

Stand van de techniek

De Franse wetenschapper Ferdinand Carré ontdekte het mechanisme van absorptiekoeling in 1858. Hij gebruikte daarbij water en zwavelzuur. Tussen 1920 en 1930 werd het principe verder uitgewerkt en in de jaren 60 werd absorptiekoeling vooral toegepast in koelkasten voor caravans.

Een absorptiekoeler bestaat uit een verdamper, absorber, generator, condensor en warmtewisselaar. De koeler wordt aangedreven door een pomp. laat de werking zien van een absorptiekoeler.

• Het koelend effect ontstaat door verdamping van het meest vluchtige medium (bij water–lithiumbromide is dat water, bij water–ammoniak is dat ammoniak).
• Vervolgens wordt in de verdamper warmte onttrokken aan een externe stroom (bijvoorbeeld koud water of een water-glycol mengsel).
• De damp die daarbij ontstaat, wordt dan in de absorber geabsorbeerd in een oplossing met een hoge concentratie van de minst vluchtige component.
• Daarbij komt warmte vrij die meestal met koelwater wordt afgevoerd.

Om de absorptievloeistof opnieuw te kunnen gebruiken, worden de geabsorbeerde dampen in de generator door een externe warmtebron verdampt. Daarna moeten de dampen weer worden gecondenseerd met koelwater en wordt ook de absorptievloeistof gekoeld. De gecondenseerde dampen gaan naar de verdamper en de absorptievloeistof gaat weer naar de absorber. Zo is de cyclus rond en begint het proces opnieuw.

Er bestaan absorptiekoelers met koelvermogens tussen de 5 en 1000 kW. Lagere vermogens zijn bruikbaar in individuele woningen en kleine kantoorgebouwen, terwijl hogere vermogens goed toepasbaar zijn in grote kantoorgebouwen of hotels. Er kunnen ook meerdere koelers achter elkaar geplaatst worden voor een grotere koelcapaciteit. Absorptiekoelmachines voor installaties vanaf 500 kWth aan opgewekte koude (kWth = thermisch vermogen) kosten € 200 à € 250 per kWth.

Absorptiekoelers worden op dit moment vooral bij koelkasten en voor productkoeling gebruikt, maar ze kunnen ook in gebouwen worden toegepast. De techniek wordt veel gebruikt in industriële processen, bijvoorbeeld bij het afvoeren van overtollige warmte.

In de loop van de jaren zijn absorptiekoelers sterk verbeterd. Het rendement is tegenwoordig heel goed, de machines worden kleiner en de koelsystemen zijn beter aangepast aan de diverse warmtebronnen. Bovendien zijn er absorptiekoelers die niet alleen kunnen koelen, maar ook (zelfs tegelijkertijd) kunnen verwarmen.

Aandachtspunten, voor- en nadelen

Een belangrijk milieuvoordeel is dat er water wordt gebruikt als koelmiddel. Daarnaast is absorptiekoeling betrouwbaar en relatief stil. Daardoor is het goed toepasbaar in ruimten waarvoor dit een vereiste is. Absorptiekoelmachines zijn vrij van fluorkoolwaterstoffen (HFK’s) en hebben een lage CO2-uitstoot.

Absorptiekoeling een rendabele optie als er voldoende grote koudevraag is (> 400 kW) en de warmteprijs lager is dan de elektriciteitsprijs. Restwarmte die anders verloren zou gaan kan op deze manier goed benut worden waardoor geen elektriciteit gebruikt wordt voor koeling. De terugverdientijd (in vergelijking met het stroomverbruik van een airco) schommelt met de huidige energieprijzen tussen de 3 en 5 jaar (zonder mogelijke subsidie, gerekend met een prijs van €0,22 per kWh). Met een stijgende elektriciteitsprijs wordt de terugverdientijd korter.

Absorptiekoelers hebben minder onderhoud nodig dan traditionele airco’s, omdat ze minder bewegende delen hebben en er dus nauwelijks slijtage is. De vloeistofpompen moeten wel regelmatig worden gecontroleerd.

Absorptiekoelers kunnen ook worden gekoppeld aan zonnecollectoren, maar dan moet de zon erg krachtig zijn. Dit systeem is dan ook beter toe te passen in hete gebieden in de wereld waar geen elektriciteit voorhanden is.