Adsorptionskältemaschine AdKM

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Adsorptionskältemaschine (AdKM)

Eine Adsorptionskältemaschine (AdKM) ist eine thermisch angetriebene Kälteanlage, die Kälte nicht durch mechanische Kompressoren und elektrischen Strom erzeugt, sondern durch die thermochemische Wechselwirkung eines porösen Feststoffes mit einem Kältemittel (meist reinem Wasser). Für den autarken Betrieb und die Krisenvorsorge ist diese Technologie von besonderem Interesse, da sie die thermische Energie von Solarkollektoren oder industrieller Abwärme direkt in Kühlleistung umwandeln kann.

Das in Adsorptionssystemen häufig verwendete Zeolith kann darüber hinaus im getrockneten Zustand über sehr lange Zeit nahezu ohne Selbstentladung gelagert werden und eignet sich deshalb als thermochemischer Langzeitspeicher für Wärmeenergie.

Abgrenzung: Adsorption vs. Absorption

In der Praxis werden die beiden Begriffe häufig verwechselt. Für das Verständnis der Technik ist die Unterscheidung jedoch entscheidend.

• Absorption (mit b): Ein Gas oder eine Flüssigkeit dringt vollständig in das Innere (Volumen) eines anderen Stoffes ein.
• Adsorption (mit d): Ein Gas oder Dampf lagert sich nur an der äußeren oder inneren Oberfläche eines porösen Feststoffes an.

Der einfache Vergleich: Zwieback vs. Kaugummi

Um den Unterschied für jedermann verständlich zu machen, hilft dieses Bild aus dem Alltag:

• Absorption (wie Zwieback im Kaffee): Wenn man einen Zwieback in Kaffee taucht, saugt er sich vollständig voll. Der Kaffee dringt tief in das Innere ein und verändert die Struktur – der Zwieback wird weich und matschig.

• Adsorption (wie Kaugummi im Sand): Fällt ein feuchtes Kaugummi in den Sand, bleiben die Sandkörner an seiner Oberfläche haften. Sie dringen jedoch nicht in das Innere des Kaugummis ein. Das Kaugummi bleibt innen sauber und behält seine feste Form.

Warum Zeolith wie das Kaugummi funktioniert:

Zeolith ist ein extrem poröses Keramikmineral – gewissermaßen ein harter Stein mit Milliarden mikroskopisch kleiner Kanäle. Wasserdampf lagert sich im Vakuum an den Innenwänden dieser Poren an. Das Zeolith wird dabei weder nass noch matschig, da sich keine freie Flüssigkeit bildet. Stattdessen haften einzelne Wassermoleküle als dünne Molekülschichten an den inneren Oberflächen. Da diese Bindung durch Erwärmen wieder gelöst werden kann, lässt sich Zeolith nahezu unbegrenzt regenerieren und wiederverwenden.

Geschichte: Wer hat es erfunden?

Die Entdeckung des Schlüsselminerals und die spätere technische Umsetzung erstrecken sich über mehr als zwei Jahrhunderte.

• Die Entdeckung des Zeoliths (1756): Der schwedische Mineraloge und Chemiker Baron Axel Fredrik von Cronstedt entdeckte die Stoffgruppe der Zeolithe. Beim Erhitzen stellte er fest, dass gebundenes Wasser austrat und das Mineral scheinbar zu sieden begann. Er prägte daher den Namen Zeolith, zusammengesetzt aus den griechischen Wörtern zeo („sieden“) und lithos („Stein“).

• Das physikalische Prinzip (18. und 19. Jahrhundert): Wissenschaftler wie Michael Faraday untersuchten im 19. Jahrhundert die Adsorption von Gasen an Feststoffen und deren Einfluss auf Druck und Phasenübergänge. Diese Arbeiten legten wichtige Grundlagen für spätere Adsorptionskältemaschinen.

• Kommerzielle und industrielle Nutzung (ab den 1970er/1980er Jahren): Im Zuge der weltweiten Ölkrisen gewann die Kälteerzeugung durch Abwärme und Solarwärme zunehmend an Bedeutung. Seit den 1980er Jahren entwickelten zahlreiche Forschungseinrichtungen und Unternehmen Adsorptionskältemaschinen mit dem Stoffpaar Zeolith/Wasser, darunter das Fraunhofer ISE, SorTech, Invensor, Mitsubishi Heavy Industries sowie weitere Hersteller in Europa und Japan. Die deutsche ZEO-TECH GmbH gehörte ebenfalls zu den frühen Unternehmen, die diese Technologie zur Marktreife weiterentwickelten.

Funktion: Wie funktioniert es?

Das System arbeitet in einem geschlossenen, luftleeren Vakuumbehälter und besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten: dem Verdampfer (Wasserbehälter) und dem Adsorber (Zeolithbehälter). Hinzu kommen Wärmetauscher sowie – je nach Bauart – ein Kondensator.

Der Prozess verläuft zyklisch, da ein Adsorber nicht gleichzeitig Wasserdampf aufnehmen und regeneriert werden kann.

Phase 1: Die Kühlphase (Adsorption)

1. Das Zeolith im oberen Behälter ist vollständig trocken („geladen“) und besitzt eine enorme innere Oberfläche.
2. Wird die Verbindung zum unteren Wasserbehälter geöffnet, adsorbiert das Zeolith den Wasserdampf.
3. Durch das Absaugen des Wasserdampfes sinkt der Druck im Wasserbehälter stark ab.
4. Das Wasser beginnt dadurch bereits bei Raumtemperatur oder darunter zu sieden.
5. Für die Verdampfung benötigt das Wasser Verdampfungswärme. Diese entzieht es seiner Umgebung. Dadurch entsteht Verdunstungskälte.
6. Über einen Wärmetauscher wird diese Kälte beispielsweise zur Gebäudekühlung genutzt.
7. Gleichzeitig entsteht beim Adsorbieren erhebliche Adsorptionswärme (Bindungswärme). Diese muss kontinuierlich abgeführt werden. Erwärmt sich das Zeolith zu stark, sinkt seine Aufnahmefähigkeit und damit auch die Kühlleistung erheblich.

Phase 2: Die Regenerationsphase (Desorption)

1. Ist das Zeolith vollständig mit Wasser gesättigt, hört der Kühleffekt auf („Speicher leer“).
2. Nun wird dem Zeolith von außen Wärme zugeführt (z. B. 60 °C bis 95 °C aus einer Solarthermie-Anlage oder durch industrielle Abwärme).
3. Die erforderliche Regenerationstemperatur hängt vom verwendeten Sorptionsmaterial ab. Für Zeolith/Wasser-Systeme genügen häufig Temperaturen zwischen etwa 60 °C und 95 °C, andere Sorptionsmaterialien können höhere oder niedrigere Temperaturen benötigen.
4. Durch die Wärmezufuhr wird das Wasser aus den Poren des Zeoliths wieder herausgelöst und verdampft (Desorption).
5. Der heiße Wasserdampf strömt zurück zum Kondensator beziehungsweise Wasserbehälter, kondensiert dort an den gekühlten Wänden wieder zu flüssigem Wasser und der Zyklus kann erneut beginnen.

Der Zeolith-Zyklus im Überblick

Phase	Zustand des Zeoliths	Vorgang im Wassersystem	Ergebnis für den Nutzer
1. Adsorption (Kühlen)	nimmt Wasserdampf auf	Wasser verdampft im Vakuum	Kaltwasser zur Gebäudekühlung
2. Desorption (Regeneration)	wird erwärmt und getrocknet	Wasserdampf kondensiert wieder zu Wasser	Zeolith wird für den nächsten Kühlzyklus regeneriert

Einsatz in heißen Ländern (Wüstenstaaten)

In heißen Regionen und Wüstenstaaten (z. B. in der Golfregion) bietet die Adsorptionskühlung ein enormes Potenzial, da hier zwei ideale Bedingungen zusammentreffen: ein extrem hoher Kühlbedarf und gleichzeitig ein großes Angebot an solarthermischer Energie.

Das Prinzip der „Solaren Kühlung“

• Perfekte zeitliche Übereinstimmung: Während bei Heizsystemen die Solarenergie überwiegend im Sommer anfällt, der Wärmebedarf jedoch im Winter besteht, ist die Situation bei der Gebäudekühlung genau umgekehrt: Die stärkste Sonneneinstrahlung fällt mit dem höchsten Kühlbedarf zusammen.

• Nutzung kostenloser Wärme: Solarthermische Kollektoren liefern die notwendige Wärme zur Regeneration des Zeoliths direkt aus der Sonneneinstrahlung. Dadurch wird keine elektrische Antriebsleistung für einen Kompressor benötigt.

• Entlastung der Stromnetze: In Regionen wie den Vereinigten Arabischen Emiraten oder Saudi-Arabien entstehen im Sommer enorme elektrische Lastspitzen durch Millionen herkömmlicher Klimaanlagen. Adsorptionskältemaschinen benötigen dagegen hauptsächlich Wärme. Elektrischer Strom wird lediglich für kleine Umwälzpumpen, Ventile und die Steuerung benötigt.

Praxisbeispiel: Masdar City

In der bekannten Plan- und Ökostadt Masdar City (Abu Dhabi) wurden thermisch angetriebene Kühlsysteme im Rahmen nachhaltiger Gebäudekonzepte erprobt. Solarthermische Anlagen liefern die notwendige Regenerationswärme, während zentrale Kaltwassernetze die erzeugte Kühlung auf mehrere Gebäude verteilen.

Die physikalische Herausforderung in der Wüste

Obwohl die Energie zum „Laden“ (Desorption) im Überfluss vorhanden ist, stellt die Rückkühlung eine besondere Herausforderung dar.

Während der Adsorption entsteht erhebliche Bindungswärme (Adsorptionswärme). Diese Wärme muss kontinuierlich abgeführt werden, da sich das Zeolith andernfalls erwärmt und seine Fähigkeit zur Wasserdampfaufnahme deutlich abnimmt. Dadurch würde die Kühlleistung stark sinken.

In Wüstenregionen ist diese Wärmeabfuhr besonders schwierig, weil die Umgebungstemperaturen selbst nachts häufig noch über 30 °C liegen und tagsüber 45 °C oder mehr erreichen können.

Deshalb werden größere Anlagen häufig mit zusätzlichen Rückkühlsystemen kombiniert, beispielsweise:

• Verdunstungskühltürmen,
• Meerwasserkühlung (in Küstenregionen),
• Erdwärmesonden oder
• zentralen Fernkältesystemen.

Erst durch diese Maßnahmen kann die beim Adsorptionsprozess entstehende Wärme ausreichend abgeführt werden.

Funktion in der Praxis und autarke Relevanz

Für autarke Energiesysteme bietet die Adsorptionskältemaschine einzigartige Vorteile, bringt jedoch auch einige konstruktive Herausforderungen mit sich.

Warum die Technik für Selbstversorger interessant ist

• Nutzung kostenloser Wärmequellen: Adsorptionskältemaschinen können mit Solarthermie, Biomasse, industrieller Abwärme oder anderen Niedertemperatur-Wärmequellen betrieben werden. Dadurch sinkt der Bedarf an elektrischer Energie erheblich.

• Verschleißarmut: Da der eigentliche Kälteprozess ohne mechanischen Kompressor arbeitet, besitzt das System – abgesehen von Ventilen, Pumpen und der Regeltechnik – nur sehr wenige bewegliche Teile. Dies reduziert den Verschleiß und erhöht die Lebensdauer.

• Umweltfreundliches Kältemittel: Als Kältemittel dient meist reines Wasser. Dadurch werden weder fluorierte Treibhausgase noch giftige oder brennbare Kältemittel benötigt.

• Leiser Betrieb: Ohne schnell laufenden Kompressor arbeiten Adsorptionskältemaschinen deutlich geräuschärmer als klassische Kompressionskältemaschinen.

Thermochemischer Langzeitspeicher

Das bei Adsorptionskältemaschinen häufig verwendete Zeolith kann unabhängig von der eigentlichen Kälteanlage auch als thermochemischer Wärmespeicher eingesetzt werden.

Hierzu wird das Zeolith im Sommer durch Solarwärme vollständig getrocknet (regeneriert). Solange es anschließend trocken und luftdicht gelagert wird, bleibt die gespeicherte chemische Energie über sehr lange Zeit nahezu ohne Selbstentladung erhalten.

Wird später wieder Wasserdampf oder feuchte Luft zugeführt, adsorbiert das Zeolith die Feuchtigkeit und setzt dabei unmittelbar Wärme frei. Dieses Prinzip eignet sich insbesondere als saisonaler Wärmespeicher für autarke Energiesysteme.

Obwohl beide Anwendungen auf derselben physikalischen Adsorption beruhen, handelt es sich bei einer Adsorptionskältemaschine und einem thermochemischen Wärmespeicher um unterschiedliche technische Anwendungen.

Die Herausforderungen in der Praxis

• Das Vakuum-Problem: Der Prozess arbeitet effizient nur im Hochvakuum. Bereits geringe Mengen Luft verschlechtern den Stofftransport des Wasserdampfes erheblich. Deshalb müssen sämtliche Behälter und Rohrleitungen dauerhaft absolut luftdicht sein.

• Diskontinuierlicher Betrieb: Ein einzelner Adsorber kann nicht gleichzeitig Wasserdampf aufnehmen und regeneriert werden. Für einen kontinuierlichen Kühlbetrieb werden deshalb in der Praxis meist zwei oder mehr Adsorber eingesetzt, die zeitversetzt arbeiten.

• Rückkühlung erforderlich: Während der Adsorption entsteht erhebliche Bindungswärme. Diese muss kontinuierlich abgeführt werden. Die Rückkühlung ist daher ein wesentlicher Bestandteil jeder Adsorptionskältemaschine.

• Großer Platzbedarf: Adsorptionsanlagen besitzen im Vergleich zu Kompressionskältemaschinen eine geringere Leistungsdichte und benötigen deshalb meist größere Wärmetauscher und Adsorberbehälter.

Beispiele in Haushaltsmaschinen

Die Technologie ist längst im Alltag angekommen, ohne dass viele Verbraucher dies bewusst wahrnehmen.

Geschirrspüler mit Zeolith-Trocknung

Ein bekanntes Beispiel sind moderne Geschirrspüler mit Zeolith-Trocknung. Während des Trocknungsvorgangs adsorbiert das Zeolith den Wasserdampf aus dem Innenraum des Geschirrspülers.

Dabei geschieht gleichzeitig zweierlei:

• Der Wasserdampf wird aus der Spülluft entfernt.
• Die bei der Adsorption frei werdende Bindungswärme erwärmt die Luft zusätzlich.

Dadurch trocknet das Geschirr schneller und mit deutlich geringerem Stromverbrauch als bei einer rein elektrischen Beheizung.

Nach Abschluss des Spülprogramms wird das Zeolith während des nächsten Heizvorgangs automatisch regeneriert und steht anschließend erneut für den nächsten Trocknungsvorgang zur Verfügung.

Dieses Prinzip wird unter anderem von mehreren europäischen Haushaltsgeräteherstellern eingesetzt.

Weitere Anwendungen

Adsorptionsverfahren werden außerdem verwendet in:

• industriellen Adsorptionskältemaschinen,
• Fernkälteanlagen,
• Klimaanlagen mit Solarthermie,
• Kühlung durch industrielle Abwärme,
• Forschungsanlagen für thermochemische Energiespeicherung.

Die eigentliche Kälteerzeugung erfolgt dabei stets nach demselben physikalischen Prinzip: Wasserdampf wird an einem porösen Feststoff adsorbiert, wodurch im Verdampfer Verdunstungskälte entsteht.

Vergleich mit herkömmlichen Kompressionskältemaschinen

Die klassische Kälteerzeugung erfolgt meist durch eine Kompressionskältemaschine. Dabei wird ein Kältemittel durch einen elektrisch betriebenen Kompressor verdichtet und entspannt.

Eine Adsorptionskältemaschine unterscheidet sich grundlegend:

Vergleich Adsorptionskältemaschine und Kompressionskältemaschine

Merkmal	Adsorptionskältemaschine	Kompressionskältemaschine
Antriebsenergie	Wärme (z. B. Solarthermie, Abwärme)	Elektrischer Strom
Kältemittel	Häufig Wasser	Meist synthetische oder natürliche Kältemittel
Hauptkomponente	Adsorber aus porösem Feststoff	Elektrischer Kompressor
Bewegliche Teile	Wenige (Pumpen, Ventile)	Kompressor mit beweglichen Teilen
Geräuschentwicklung	Sehr gering	Durch Kompressor höher
Nutzung von Abwärme	Sehr gut möglich	Kaum möglich

Die Adsorptionskältemaschine ersetzt daher nicht grundsätzlich jede Kompressionskälteanlage, sondern bietet besondere Vorteile überall dort, wo Wärme günstig verfügbar ist.

Bedeutung für zukünftige Energiesysteme

Mit dem zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energien gewinnt die Nutzung von Wärmeüberschüssen immer stärker an Bedeutung.

Während elektrische Batteriespeicher vor allem kurzfristige Schwankungen über Stunden oder Tage ausgleichen, können thermochemische Speicher Energie über wesentlich längere Zeiträume speichern.

Mögliche Einsatzbereiche sind:

• saisonale Speicherung von Solarwärme,
• Nutzung überschüssiger Prozesswärme,
• Kühlung mit erneuerbarer Energie,
• autarke Gebäudeversorgung,
• Kombination mit Photovoltaik und Solarthermie.

Besonders interessant ist die Kombination verschiedener Technologien:

• Photovoltaik erzeugt elektrischen Strom.
• Solarthermie liefert Wärme.
• Zeolithspeicher lagern thermische Energie über lange Zeit.
• Adsorptionskältemaschinen wandeln diese Wärme bei Bedarf in Kühlleistung um.

Dadurch entsteht ein Energiesystem, das Strom, Wärme und Kälte miteinander koppeln kann.

Grenzen der Technologie

Trotz der vielen Vorteile besitzt die Adsorptionstechnik auch Einschränkungen:

• Geringere Leistungsdichte: Für dieselbe Kälteleistung sind Adsorptionsanlagen meist größer als Kompressionsanlagen.
• Hohe Anforderungen an die Konstruktion: Dauerhaftes Hochvakuum erfordert hochwertige Materialien und Fertigung.
• Langsamerer Lastwechsel: Die thermischen Prozesse reagieren langsamer als elektrische Kompressoren.
• Kosten: Kleine Anlagen sind aufgrund des komplexeren Aufbaus häufig teurer.

Die Technik ist deshalb besonders interessant für Anwendungen mit dauerhaft verfügbarem Wärmeangebot oder besonderen Anforderungen an Effizienz, Nachhaltigkeit und Autarkie.

Siehe auch

• Adsorption
• Absorption
• Zeolith
• Thermochemischer Wärmespeicher
• Solarthermie
• Kraft-Wärme-Kopplung
• Energiespeicher

Zusammenfassung

Die Adsorptionskältemaschine verbindet ein sehr altes Naturprinzip mit moderner Energietechnik.

Ein poröser Feststoff wie Zeolith kann Wasserdampf aufnehmen und wieder abgeben. Beim Aufnehmen entsteht Wärme, beim Verdampfen des Wassers entsteht Kälte. Durch diesen einfachen physikalischen Kreislauf kann Wärmeenergie direkt in Kühlleistung umgewandelt werden.

Besonders in Regionen mit viel Sonnenenergie oder überschüssiger Abwärme bietet diese Technologie große Vorteile. Sie ermöglicht einen nahezu geräuschlosen, langlebigen und umweltfreundlichen Kühlbetrieb mit sehr geringem Stromverbrauch.

Darüber hinaus eröffnet die gleiche Technologie mit thermochemischen Speichern neue Möglichkeiten für die langfristige Speicherung erneuerbarer Wärmeenergie und könnte ein wichtiger Baustein zukünftiger autarker Energiesysteme werden.