Solarthermische Kühlung

Die Energiekosten von Kälteenergie für Kühlung und Klimatisierung sind höher als bei Wärmeenergie.

Um die Energiekosten zu senken, ist die solare Kühlung die optimale Variante.

Grundprinzip

Bei der solaren Kühlung werden die sommerlichen Überschüsse einer Solaranlage z. B. mittels einer Absorptionskälteanlage in Kälte für Prozesse und Klimatisierung umgewandelt.

Funktionsprinzip der Absorptionskälteanlage s. > Absorptionswärmepumpe.

Die Solaranlage sollte gleichzeitig für die Trinkwassererwärmung und in der Übergangs- und Winterzeit zur Heizungsunterstützung verwendet werden.

Bei fehlendem oder zu geringem Solarertrag wird wie üblich, z. B. mit Erdgas etc. oder besser mit erneuerbaren Energien, nachgeheizt.

Vorteile

Der Nutzungsgrad der Solaranlage steigt enorm, da es keinen Stillstand im Sommer gibt.

Damit gibt es hier auch keine Überhitzungsprobleme mehr, wie bei den üblichen Anlagen zur Heizungsunterstützung im Sommer.

Auslegung

Die Anlage wird in d. R. nach der benötigten Kühllast ausgelegt.

Hauptbauteile (Beispiel)

Eine kleine Anlage für z. B. 15 kW Kühllast und einer Heizwasserleistung von 21 kW (Wärmeverhältnis COP=0,71) besteht z. B. aus folgenden Hauptbauteilen:

- ca. 40 m² Flachkollektoren

- Absorptionskälteanlage 15 kW

- Offener Kühlturm (Kühlleistung 35 kW)

- Heizungspufferspeicher 2.000 l

- Kältepufferspeicher 1.000 l

Entwicklungstendenzen solarthermischer Kühlung

Allein in Deutschland fallen ca. 40.000 GWh Stromverbrauch für die Klimatisierung von Bürogebäuden mit Kompressionskältemaschinen an. Gleichzeitig werden immer mehr Kollektorflächen für die Heizungsunterstützung installiert.

Nichts liegt näher, als diese elektrischen Kompressionskältemaschinen durch thermisch erzeugte Kälte zu ersetzen, zumal für Heizungsunterstützung ausgelegte Solaranlagen im Sommer sowieso zuviel Energie erzeugen.

Auch die Abwärme von BHKWs, Stirlingmotoren und Mikrogasturbinen bieten umweltfreundliche Alternativen zur Kühlung mit Strom.

Der Markt für solarthermische Kühlung ist z. Z. noch klein, das Potenzial ist jedoch hoch.

Quelle: SBZ 4/2008, Prof. Dr. Ursula Eicher, Zafh.net

Wirtschaftlichkeit

Die am weitesten verbreitete solare Kühltechnik basiert auf einem geschlossenen Absorptions-Kreisprozess mit den Kältemitteln Wasser oder Ammoniak.

Die Leistungszahlen (COP) bei Absorptionsanlagen liegen zwischen 0,7 (einstufig) und 1,3 (zweistufig), d. h. aus 1 kWh Wärme werden 0,7 bis 1,3 kWh Kälte erzeugt.

Um mit elektrischen Kompressionskältemaschinen energetisch konkurrieren zu können, müssen vor allem bei einstufigen Maschinen hohe solare Deckungsgrade bzw. niedrige Nachheizenergiemengen gegeben sein.

Vergleich Primärenergieaufwand zwischen elektrischer und solarer Kühlung

1. Kompressionskältemaschinen (Strom)

COP = 3, bei bester Technik 5 bis 6

Umwandlungswirkungsgrad von elektrischen Strom aus Primärenergie ca. 35% (η = 0,35).

Primärenergie-Leistungszahl

ep = COP x η

(besagt, wie viel kW Kälte aus 1 kW Primärenergie erzeugt werden kann; je höher die Zahl, desto besser)

Ergebnis:

Primärenergie-Leistungszahl

ep = (3 bis 6) x 0,35 = ca. 1 bis max. 2.

2. Absorptionskältemaschinen mit Solaranlage

Werden bei solarthermischer Kühlung solare Deckungsgrade von z. B. 70% erzielt, muss noch 30% fossil (Strom) bei Leistungszahlen COP = 0,7 nachgeheizt werden.

Für 0,7 kW Kälte muss also 0,3 kW thermische Nachheizleistung aufgewendet werden.

Thermischer Umwandlungswirkungsgrad 90% (η = 0,9)

Ergebnis:

Primärenergie-Leistungszahl

ep = 0,7 x 0,9 = 2,1

Ergebnis Vergleich

Thermische Kühlung kann erst bei sehr hohen solaren Deckungsgraden > 70% und möglichst zweistufigen Maschinen mit bester elektrischer Kühlung konkurrieren.

Energetisch wesentlich besser, sind solare Kühlanlagen, die nur mit Solarenergie beheizt werden und für den Spitzenbedarf elektrisch nachgekühlt werden.

Anlagendimensionierung bestimmt Wirtschaftlichkeit

Wird aktiv gekühlt, sind lange Laufzeiten der Kältemaschine entscheidend für die Wirtschaftlichkeit einer solarthermischen Kühlung.

Kühlstunden

In Mitteleuropa treten im Wohnungsbau ca. 20 bis 200 Kühlstunden pro Jahr auf, im südlichen Mittelmeerraum und auch in Industrie - und Verwaltungsbauten sind ca. 1000 Volllaststunden für die Kühlung erforderlich.

Spezielle Räume (Computer-Serverräume etc.) haben ständig einen hohen Kühlbedarf, wodurch die Kühlanlage wesentlich wirtschaftlicher betrieben werden kann.

Kollektorflächen

Die benötigten Kollektorflächen und spezifischen Erträge (z. B. 2 bis 7 m²/kW Kälteleistung) resultieren aus den jeweiligen Lastbedingungen.

Generell führen hohe interne Lasten (Personen, E-Geräte etc.) zu einem höheren Jahresenergiebedarf als externe Lasten (Sonnenstrahlung) und damit zu längeren Anlagenlaufzeiten und geringeren Gesamtkosten.

Beispiele:

1.) Bürobau mit 450 m² Fläche, großzügige Südverglasung, geringe interne Lasten.

Bei ermittelten 850 Volllastbetriebsstunden wird eine Kältemaschine mit 15 kW Spitzenleistung und für 80% Deckungsgrad (d. h. 80% der benötigten Energie werden durch die Solaranlage bereitgestellt) 33 m² Kollektorfläche benötigt.

2.) Gleiches Gebäude, aber mit hohen internen Lasten benötigt 3.700 Betriebsstunden. Für 80% Deckungsgrad werden hier 103 m² Kollektorfläche benötigt.

Kältespeichervolumen

Über das Verhältnis von Kollektorfläche und Kältespeichervolumen zur erforderlichen Kälteleistung oder zur gekühlten Nutzfläche besteht noch keine Einigung.

Bei der Kollektorfläche unterscheiden sich Minimal- und Maximalwerte bei verschiedenen Demo-Projekten um den Faktor 10, bei Speichern sogar um 100.

Kosten

Für die solare Kälteerzeugung sind lange Anlagenlaufzeiten und eine optimierte Regelung Voraussetzung für die geringsten Gesamtkosten.

Beispiel

Die Kosten für eine System mit einer 15 kW Kältemaschine variieren stark in Abhängigkeit von den Betriebsstunden und weiteren Kriterien.

Anlagen < 1000 Betriebsstunden (Beispiel 1)

37 Ct/kWh für Anlage mit einfacher Regelung

26 Ct/kWh bei optimierter Regelung und Kühldecke (hohe Kälteverteiltemperaturen).

Anlagen > 1000 Betriebsstunden (Beispiel 2)

12 bis 15 Ct/kWh für Anlage mit hohen Laufzeiten und hohen internen Lasten.

Die Gesamtkosten sind meist von den Kosten der Solaranlage dominiert.

Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit bei geringen Laufzeiten

Um solare Kühlanlagen besonders bei geringen Laufzeiten wirtschaftlich zu betreiben, müssen die Kollektoren ganzjährig für zusätzliche Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung genutzt werden.

Verschiedene Entwicklungen thermischer Kältetechnik

Absorptionskältemaschinen

Leistungsbereich < 20 kW (kommerzielle Kleinanlagen)

Absorber

Im kleinen Leistungsbereich (< 20 kW) sind z. Z. nur wenige Absorber verfügbar.

Beispiel:

EAW Westenfeld (Absorber mit 15 kW Kälteleistung, Leistungszahl 0,75).

Komplettpakete für solare Kühlung

Verschiedene Solartechnikhersteller stellen mittlerweile Komplettpakete (Kältemaschine und Kollektoren) bereit.

Eine integrierte Regelung vereinfacht das Zusammenspiel von thermischer Solaranlage und Kältemaschine und vermeidet Funktionsfehler.

Beispiele:

Seit 2007 Komplettsystem von Schüco (EAW Absorber mit 15 oder 30 kW Kälteleistung, doppelt verglaste Kollektoren)

Phönix Sonnenwärme AG Berlin führt Feldtests mit einer 10 kW Lithiumbromidanlage mit gute Leistungszahlen durch. Markeinführung über Fa. Sonnenklima für 2009 geplant.

Vom ITW der Uni Stuttgart wird z. Z. eine Ammoniak-Wasser-Kältemaschine mit 9 kW maximaler Kälteleistung entwickelt.

SolarNext AG (Deutschland) vertreibt seit 2007 eine in Österreich entwickelte Ammoniak-Wasser-Kältemaschine mit 10 kW Kälteleistung.

Leistungsbereich > 20 kW

Größere Absorber mit dem Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid werden schon viele Jahre kommerziell eingesetzt.

Für die solarthermischen Anlage werden effiziente Flachkollektoren oder Vakuumröhren verwendet.

Beispiele:

Zweistufige Absorptionskältemaschinen mit Parabolrinnenkollektoren sind in den ersten Projekte von Solitem in der Türkei in Betrieb.

Neben solarer Kühlung wird Dampf für Hotel- und Industrieanwendung erzeugt.

(bei Kollektortemperaturen von 180 °C wird im Dampferzeuger 144 °C heißer Dampf erzeugt, der die die 2-stufige Kältemaschine antreibt)

Funktionsprinzip Absorptionskältemaschine s. > Sorptionswärmepumpen.

Adsorptionskältemaschinen

Bei geschlossenen Adsorptionsanlagen ist der schlechte Wärmetransport zwischen Feststoffadsorbern und den flüssigen flüssigen Wärmeträgern ein Problem. Erst durch Beschichtung von Wärmetauschern mit Adsorptionsmaterialien wird diese Technologie leistungsfähig.

SorTech AG entwickelt z. Z. einen Prototypen von 8-10 kW Kälteleistung mit modularen Aufbau bis 100 kW.

Größere Anlagen von Nishyodo und Mayekawa (Japan) laufen in Demo-Anlagen schon länger zuverlässig.

Bei einem 70 kW-Adsorber am Uniklinikum Freiburg wurden mittlere Leistungszahlen von 0,43 ermittelt, wobei der solare Deckungsgrad der 171 m² Vakuumröhrenanlage durch lange nächtliche Laufzeit nur 28% jährlich erreicht.

Funktionsprinzip Adsorptionskältemaschine s. > Sorptionswärmepumpen.

Nur wenige Sorptionsanlagen mit Luftkollektoren verfügen über eine genaue Messdatenerfassung und -auswertung.

Eine vom Fraunhofer Institut Freiburg vermessene Sorptionsanlage mit 10.200 m³/h Luftvolumenstrom und rein solarem Regenerationsbetrieb ergab Kollektorerträge der Luftkollektoranlage von nur max. 100 kWh/m²a (niedrige Laufzeit).

Die mittlere Leistungszahlen liegt bei 0,43

Wichtig für effizienten solaren Kühlbetrieb mit offener Sorption sind daher besonders lange Laufzeiten der Anlage im Regenerationsbetrieb oder eine parallele Nutzung der Kollektorwärme z. B. für Trinkwassererwärmung.

Flüssigsorption

Flüssige Sorbentien werden in offenen Systemen zur Trocknung von Luft eingesetzt, um anschließend einen Kühleffekt über Verdunstungskühlung zu erreichen.

Vorteil: kontinuierliche Lufttrocknung mit gleichzeitiger Wärmeabfuhr.

Geforscht wird an der Realisierung von Flüssigsorptionsabsorbern und -desorbern:

Das Zentrum für angewande Energieforschung in Bayern entwickelt und betreibt Flüssisorptionsanlagen in Labor und Praxis.

Die University of South Australia arbeitet an Regeneratoren/Absorbern mit Kunststoff-Platten-WT und Baumwollmatten für die Verteilung der Flüssigkeit.

Das Zafth.net Stuttgart entwickelt für den kleinen Leistungsbereich eine sensible Zuluftkühlung mit Flüssigsorptionstrocknung rein auf der Abluftseite.

Bei positiven Feldtests (2005) eines Flüssigsorptionssystems von Menerga wurden mittlere thermische Leistungszahlen von 1,2 erzielt.

L-DCS hat 2006 ein 350 kW Flüssigsorptionssystem (basierend auf Entwicklungsarbeiten von ZAE Bayern) in Singapur installiert.

Mit 13.000 m³/h Luftvolumenstrom konnte bei Außenlufttemperaturen von 33 °C und 21 g/kg absolute Feuchte eine Entfeuchtungsleistung > 10 g/kg erreicht werden.

In den USA werden Flüssigsorptionssysteme mit besonders geringen Durchflussmengen entwickelt und z. T. im Feldtest geprüft.

Faszit

Thermische Kühlung mit Solarthermie oder Biomasse kann den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen deutlich verringern.

Die niedrigen Leistungszahlen können allerdings schnell zu hohen Primärenergieverbräuchen führen, wenn nicht mit erneuerbaren Energieträgern nachgeheizt werden kann.

Deshalb muss vor allem bei 1-stufigen thermischen Kältemaschinen der solare Deckungsgrad hoch sein oder besser ein vollständiges solares Heizsystem vorliegen.

Noch gibt es wenige solare Kühlprojekte, was vor allem auf die mangelnde Wirtschaftlichkeit zurückzuführen ist (hohe Wärmegestehungskosten).

Hier sind Förderinstrumente dringend erforderlich und auch die Investkosten für die thermische Kältetechnik müssen niedriger werden (höhere Stückzahlen).

Bei sehr geringen Wärmepreisen (z. B. Biomasse-KWK-Anlagen, solarthermische Anlagen zur Heizungsunterstützung) und langen Laufzeiten können heute thermische Kühlanlagen nahezu mit elektrischen Kompressionskälteanlagen konkurrieren.

Viele Konzepte aus Absorptions-, Adsorptions- und Flüssigsorptionstechnik haben den Feldtest und die Produktion erreicht, so dass in den nächsten Jahren vermehrt Projekte auch im kleinen Leistungsbereich zu erwarten sind.

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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