Fernwärmebasierte Kälteversorgung

Die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme (KWK) führt zu einem hohen Ausnutzungsgrad der Brennstoffenergie und ist ein probates Mittel zur Reduzierung von Ressourcenverbrauch und Emissionen. So wird ein kombiniertes Gas- und Dampf-Heizkraftwerk (GuD-HKW) unter den Erzeugungstechnologien gleich nach Wasserkraft als das kostengünstigste Mittel geführt, um CO₂ zu vermeiden [3]. Die saisonalen Schwankungen in der Wärmenachfrage führen allerdings zu einer geringen Auslastung der Anlagen und Infrastruktur, Erzeugungskapazitäten für KWK-Strom bleiben im Sommer ungenutzt. Ein signifikanter Kapazitätsausbau, um weitere Einsparungen zu realisieren, ist aber ohne die sommerliche Nutzung der Abwärme von KWK-Anlagen unwahrscheinlich. Anhand Bild 1 wird deutlich, dass neben einem Ausbau der KWK-Heizenergiebereitstellung bisherige KWK-Anlagen im Sommer kaum KWK-Strom bereitstellen können, da die dafür notwendige Wärmenachfrage fehlt.

Eine bisher kaum praktizierte Nutzung von Niedrigtemperaturwärme (z. B. Fernwärme) im Sommer ist aber die Bereitstellung von Klimatisierungskälte mittels Absorptionskälteanlagen. Neben der direkten Auslastungserhöhung bestehender KWK-Kapazitäten und der einhergehenden Erhöhung des KWK-Stromanteils könnte durch die Substitution von elektrisch betriebenen Kälteanlagen eine Reduzierung der Stromnachfrage in den sommerlichen Spitzenzeiten zu einer Reduzierung der vorgehaltenen Kraftwerkskapazitäten führen.

Analysen von Möglichkeiten zeigen ein signifikantes technisches und wirtschaftliches Potenzial. In einer Millionenstadt mit bestehendem Fernwärmesystem eine fernwärmegestützte Klimatisierung zu etablieren ist z. B. in [4] beschrieben. Die Auswirkungen sind durchweg wünschenswert im Sinne einer effizienten Energieversorgung und dem Beschluss des Deutschen Bundestages, bis 2020 den Anteil des KWK-Stroms auf 25 Prozent zu erhöhen, was einer Verdopplung gleichkommt.

Stand der Technik, Absorptionskälteanlagen

Wie auch bei Kompressionskälteanlagen wird im Verdampfer (V) der Kälteanlage die Nutzkälte durch verdampfendes Kältemittel erzeugt (Bild 2), welches im prozesstechnisch vorgelagerten Kondensator (K), bei höherem Druck und somit einer höheren Temperatur verflüssigt wurde. Anders als in der Kompressionskältetechnik, in der das Kältemittel vom Verdampfer zum Kondensator diesen Druckunterschied mittels des elek­trisch angetriebenen Kompressors überwinden kann, wird in der Absorptionstechnik ein thermischer Verdichter eingesetzt. Im thermischen Verdichter sind der Absorber (A) und der Generator (G) zusammengefasst. Der Kältemitteldampf wird im Absorber durch ein konzen­triertes flüssiges Lösungsmittel aufgenommen. Durch die Zufuhr von Antriebswärme wird der Kältemitteldampf im Generator aus der Lösung ausgetrieben. Primärenergetisch vorteilhaft ist hierbei der Einsatz von Abwärme, Wärme aus einem KWK-Prozess oder solar erzeugter Antriebswärme.

Mit Wasser als Kältemittel hat sich das Stoffgemisch Wasser/wässrige-Lithiumbromid-Lösung (LiBr) aufgrund sehr guter thermodynamischer, kalorischer und physikalischer Eigenschaften sowie dem Faktor der Ungiftigkeit und der unkritischen physiologischen Einwirkungen auf den Menschen, insbesondere in der Klimatisierung durchgesetzt.

Heute verfügbare Absorptionskälteanlagen benötigen in der Regel Antriebsenergie auf relativ hohem Temperaturniveau (80100 °C) bei einer verhältnismäßig kleinen Auskühlung (< 10 K) und hohen Volumenströmen. Die Effizienz der Kälteanlagen wird hierdurch zwar i. Allg. positiv beeinflusst, jedoch beeinträchtigen die hohen Temperaturen des Antriebswassers und die geringe Auskühlung die Effizienz des vorgelagerten KWK-Prozesses. Im Nennbetrieb des Heizfalls werden Fernwärmesystemein der Regel mit Temperaturspreizungen von mehr als ca. 40 K betrieben. Marktverfügbare Absorptionskälteanlagen sind im Allgemeinen ausgelegt für Antriebsspreizungen von ca. 35 K, was im Kühlfall zum 15-fachen Volumenstrom im Fernwärmenetzabschnitt führen würde und daher nicht tolerierbare hydraulische Aufwendungen verursacht.

Darüber hinaus gilt für Absorptionskälteanlagen bisher der Einsatz von Verdunstungsrückkühlwerken als obligatorisch. In den Entwicklungsabteilungen wird in den letzten Jahren hier nach Alternativen für die marktverfügbaren Absorptionskälteanlagen gesucht. Der Einsatz von Latentwärmespeichern zur Verlagerung der Rückkühlung an die Umgebung von den heißen Tagesstunden in die kühleren Nachtstunden kann hier zielführend für einen Wechsel auf trockene Rückkühlwerke mit einer Verringerung der energetischen Aufwendungen für die Rückkühlung angesehen werden [5]. Zunehmend wird auch an der direkten Kopplung von trockenen Rückkühlwerken, z. T. mit adiabater Luftvorbefeuchtung gearbeitet, z. B. bei der Demon­s­tration von kleinen KWKK-Systemen im europäischen Projektverbund PolySMART.

In den 1990er Jahren wurde bereits in Demonstrationsanlagen nachgewiesen, dass Absorptionskälteanlagen auch Antriebstemperaturspreizungen von bis zu 40 K zulassen. Diese Anlagen, die mit mehreren ineinander verschachtelten Verfahrensstufen ausgelegt waren, hatten jedoch einen zu hohen apparativen Aufwand und nur einen moderaten COP von ca. 0,6 [6]. Vom Markt wurden sie auch aus diesen Gründen nicht angenommen.

Ähnliches gilt für einstufige Systeme, die heute schon mit COPs in der Größenordnung von 0,7 bis 0,75 aufwarten. Auch bei diesen apparativ weniger aufwendigen Anlagen gelten weiterhin die großen Abmessungen verfügbarer Systeme als nachteilig. Sie beeinträchtigen deren Einsatzmöglichkeiten, da das Einbringen der Anlage in bestehende Gebäude nur schwer zu realisieren ist. Gegenüber Kompressionskälteanlagen weisen sie zudem wegen ihrer hohen Kosten vor allem bei Systemen im Leistungsbereich bis ca. 1 MW [7] wirtschaftliche Nachteile auf, sodass das Interesse an der Nutzung derzeit eingeschränkt ist.

In Bezug auf die Energieeffizienz wird die Technik heute (zum Glück) wesentlich differenzierter betrachtet. Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass die Systeme hinsichtlich ihrer Antriebsenergie zwar als primärenergieeffizient eingestuft werden dürfen, den elektrischen Nebenverbräuchen für die Versorgungskreise (Warmwasser, Rückkühlung, Kaltwasser) und die Rückkühlung selbst aber erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, um die positiven Effekte des exergetisch günstigen Antriebs nicht zu negieren [8, 9, 10].

Das Projekt

Im Rahmen einer Projektpartnerschaft unter Führung von Vattenfall Europe Wärme AGsollen innovative fernwärmebasierte Ab-sorptionskältesysteme entwickelt werden, die sich für die Kühlung von Geschäfts- und Wohnräumen eignen. Die Planungen sehen die Entwicklung von zwei Gerätegrößen vor: 50 kW und 160 kW. Sie erlauben modular zusammengeschaltet die Abdeckung eines Leistungsspektrums von 50 bis 320 kW. Zur Steigerung der Effizienz der Kälteerzeugung und Senkung der Kosten wird auf die Trocknung der Luft verzichtet. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Entwicklung liegt neben optimaler Effizienz und niedrigem Anlagenpreis vor allem in der Kompaktheit der Module, die eine einfache Einbringung in den Gebäudebestand ermöglichen.

Die Projektarbeiten umfassen neben der eigentlichen Geräteentwicklung die Anbindung der neuen Anlagen an die benötigten peripheren Einrichtungen wie Rückkühlwerke und Wärmeübertrager in den Geschäfts- und Wohnräumen. Zur Vereinfachung der Gebäudeintegration ist hierbei geplant, die Kälteverteilung mit bestehenden Wärmeverteilungssystemen zu realisieren. Gegen Taupunktunterschreitung werden hierzu verschiedene regelungstechnische Varianten erarbeitet. Die Abmessungen und Massen der Einzelteile des Systems sollen den Werten entsprechen, wie sie von Heizkesselanlagen für Mehrfamilienhäuser bekannt sind. Der Einsatz der Geräte und die Einbringung der Anlagenteile in die Gebäude ist damit über übliche Kellertüren bzw. Gebäudeeingänge gewährleistet.

Innovatives Anlagendesign

Neben einer wesentlichen Verringerung der Anlagenkosten standen vor allem die Kompaktheit unter Berücksichtigung der Türgängigkeit und geringste Nebenverbräuche in Bezug auf den Wasserbedarf für die Rückkühlung und den Strombedarf für Absorptionskälteanlage, Rückkühlwerk, aber auch die hydraulischen Aufwendungen in den drei Versorgungskreisen der AKA im Vordergrund. Im vergangenen Projektabschnitt wurde eine 50 kW Absorptionskälteanlage darauf aufbauend neu konstruiert und vermessen. Die Anlage mit 1,88 x 0,85 x 1,95 m (H x B x L) Abmaßen und ca. 950 kg Transportmasse wird aktuell hinsichtlich dieser Masse (Reduktion um ca. 20 %) und den Abmaßen nochmals optimiert. Die thermodynamischen Nennbetriebsdaten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Anhand der folgenden Bilder werden die Möglichkeiten der Absorptionskälteanlagentechnik für den Teillastbetrieb anhand der Daten der neuen Entwicklung EnEff 50 kW deutlich. Die Kälteleistung der Anlage ist, wie bei allen Kälteanlagen, antiproportional abhängig von der Rückkühlungstemperatur (Bild 3). Durch konsequente Vermeidung von Wärmebrücken auf der verfahrenstechnischen Prozessseite und ein neuartiges Wärmeübertragerlayout erzielt die Anlage optimale Wärmeverhältnisse (COP) auch bei hohen Rückkühltemperaturen von bis zu 45 °C. Am Beispiel der älteren Anlage wird deutlich, dass bisher ca. 40 °C in aller Regel als oberer Grenzwert für den Betrieb galten. Die Erweiterung dieser Grenze in Verbindung mit dem durchgängig höheren COP ermöglicht nun in Mittel- und Nordeuropa den direkten Einsatz von trockenen Rückkühlwerken. Die positive Entwicklung zu geregelten Pumpen in der Gebäudetechnik kann heute auch im Betrieb von thermischen Kälteanlagen wesentliche Reduktionspotenziale in den Nebenverbräuchen, vor allem in den überwiegenden Betriebsstunden im Teillastbetrieb, erschließen helfen. Dafür ist es wichtig, Kälteanlagen zu haben, die nach Möglichkeit ein stabiles Regelverhalten in Abhängigkeit von Volumenstromänderungen aufweisen und über einen breiten Volumenstrombereich ein stabiles Anlagenverhalten zulassen. In Bild 4 ist der Zusammenhang zwischen Kühlwassertemperatur/-volumenstrom und der resultierenden Kälteleistung dargestellt. Absorber und Kondensator der neuen Anlage lassen in serieller Durchströmung Teillastvolumenströme bis ca. 20 Prozent des Nennvolumenstroms bei gleichbleibender Betriebsgüte zu. Die Kälteleistung erreicht bei ca. 25 Prozent des Volumenstroms bei konstanter Kühlwasser-eintrittstemperatur ca. 60 Prozent der Ba-sisleistung. Gleichzeitig reduzieren sich die hy­draulischen Aufwendungen im Rückkühlkreis um 98 Prozent. Auf die Möglichkeiten, dies für effiziente Regelungsstrategien einzusetzen, gehen wir später nochmals ein.

Hinsichtlich unterschiedlicher Fernwärmetemperaturen und -volumenströme bzw. allgemein unterschiedlicher Antriebsbedingungen, die ähnlich im solaren Kühlen oder bei modulierenden Motor-KWK-Anwendungen auftreten, zeigt Bild 5 die Variabilität der neuen Anlage.

Prinzipiell ist ein Anlagenbetrieb bis ca. 60 °C Eintrittstemperatur realisierbar. Über den gesamten Lastbereich lässt sich mit einer Reduzierung des Volumenstroms von 0,9 l/s auf 0,6 l/s bei einem Verlust von ca. zehn Prozent der Kälteleistung die Spreizung der Antriebstemperatur um 35 Prozent erhöhen. Anders als im Stand der Technik, bei dem die Leistungsregelung einer Absorptionskälteanlage mit variabler Eintrittstemperatur vorgenommen wird, kann hier mit konstanter Spreizung und variablem Volumenstrom das Leistungsband zwischen 50 und 10 kW angefahren werden und erschließt somit ein neues Potenzial vor allem in der Kopplung zwischen Motor BHKWs und Absorptionskälteanlagen. So kann eine Antriebstemperaturspreizung im Bereich von 50 kW Kälteleistung bis zu 25 K bei Eintrittstemperaturen von 90 °C gefahren werden.

Abweichend von marktüblichen Regelstrategien ist vor allem im kleinen und mittleren Leistungsbereich auf eine ganzheit­liche Leistungsregelung zur Erzeugung einer bestimmten Kälteleistung zu achten. Neben der Zielgröße der Lastdeckung sind Kosten- oder primärenergieoptimierte Betriebsweisen der Versorgungskreise, Heiz-, Kühl, Kaltwasser und des Rückkühlwerks zu entwickeln. In Bild 6 ist eine primärenergieoptimierte Regelstrategie unter Berücksichtigung aller externen Versorgungskreise dargestellt. Rückkühlventilatoren und die Kühlwasserpumpe werden parallel geregelt, sodass über den gesamten Lastverlauf das Verhältnis der Wärmekapazitätsströme im Rückkühler optimal bleibt. Der Fernwärme- bzw. Antriebsvolumenstrom wird hier ebenfalls reduziert, da das Fernwärmenetz innerhalb der Bilanzgrenze liegt und in Teillast auch hier die Aufwendungen für Pumpenstrom berücksichtigt wurden.

Zusammenfassung und Ausblick

Die neuesten Entwicklungen in der Absorptionskältetechnik zeigen bisher ungenutzte Potenziale für die Optimierung dieser Anlagen, sowohl im anlagentechnischen Layout, in Betriebsparametern, aber vor allem auch in der Betriebsweise. An der TU Berlin wurde zusammen mit dem ZAE Bayern im Rahmen eines Verbundvorhabens mit Vattenfall Europe eine neuartige einstufige Absorptionskälteanlage entwickelt, die hinsichtlich ihrer geome­trischen Parameter von 2,0 x 0,85 x 1,9 m(L x H x B) und einer Transportmasse < 1 t auch im Gebäudebestand nachgerüstet werden kann. In besonders schwierigen Liegenschaften kann die Kälteanlage in zwei Einheiten zur Einbringung getrennt werden. Durch konsequentes Vermeiden von Wärmebrücken und einem neuartigen Design der Wärmeübertrageranordnung werden sehr gute COPs von bis zu 0,81 erreicht. Die Absorptionskälteanlage zeigt in einem großen Teillastfeld bis ca. zehn Prozent der Nominalleistung ein gutmütiges, aber schnelles Regelverhalten, sodass Laständerungen von 25 Prozent auf 100 Prozent Last in weniger als 15 Minuten abgefahren werden können. Ende 2010 wurde die erste Demonstrationsanlage in einem Bürogebäude der VE Wärme AG in Berlin installiert, zwei weitere Installationen sind in 2011 geplant, bevor die Anlage für den Marktzugang in 2012 vorbereitet wird. Ziel ist die weitere Optimierung der Konstruktion hinsichtlich einer Serienfertigung, die Reduktion der Masse und einer Verkürzung der Anlagenlänge auf < 1,7 m. Ziel ist es, die Anlage in einem ähnlichen Preissegment wie KKA anbieten zu können. Zeitgleich läuft die Entwicklung einer 160 kW Anlage, deren 1. Modell ab Herbst 2011 an der TU-Berlin auf dem Teststand vermessen wird.

Danksagung

Das Projekt wird im Rahmen des Förder­programms EnEff Wärme vom BMWi und dem PTJ unter dem Förderkennzeichen 0327460B gefördert. Wir bedanken uns ­hiermit für die Unterstützung dieses Projekts bei dem BMWi, dem PTJ, sowie ­unseren Industriepartnern. -

Literatur

[1] DKV: Energiebedarf bei der technischen Erzeugung von Kälte in der Bundesrepublik Deutschland, DKV-Statusbericht Nr. 22, Stuttgart 2002, ISBN 3-932-715-06-3

[2] EU-Projektreport: Summerheat Meeting cooling demands in Summer by applying HEAT from cogeneration, Berliner Energie Agentur, Berlin 2009

[3] AGFW: Hauptbericht 2007, Der Energieeffizienz­verband für Wärme, Kälte und KWK e. V., Frankfurt am Main 2007

[4] Naß, S., Lanser, W., Petersen, S., Ziegler, F. (2010): Einfluss thermischer Kälteerzeugung auf den Einsatz von KWK-Anlagen in Fernwärmenetzen, 11. Symposium Energieinnovationen, Graz, 10.2.12.2.2010

[5] Mehling, H., Schossig, P., Kalz, D.: Latentwärme­speicher in Gebäuden, BINE Informationsdienst, FIZ Karlsruhe, Bonn 2009

[6] Schweiger, C.: Kälte aus Fernwärme, Fortschritt Bericht VDI, Reihe 19, NR121, VDI Verlag Düsseldorf 1999

[7] IUTA e. V.: Kostenfunktionen für Komponenten der rationellen Energienutzung, Institut für Energie- und Umwelttechnik, Duisburg 2005

[8] Ziegler, F., Albers, J., Kühn, A., Petersen, S.: Solar Cooling Plants: Chiller Development, Tagungsband des 61. Nationalen italienischen wärmetechnischen Kongresses, Perugia, Italien 2006

[9] Schicktanz, M., Wapler, A., Henning, H-M.: Primärenergieeinsparung, CO₂-Emission und Wirtschaftlichkeit der Kraft-Wärme-Kopplung, Tagungsbericht DKV-Jahrestagung Magdeburg 2010, DKV, Hannover

[10] Zegenhagen, T, et al. (2010): Best Practice: Data Center Cooling using CHCP Technology, Sustainable Refrigeration and Heat Pump Technology, KTH, Stockholm, Sweden 2010

[11] Mittermaier, M., Petersen, S., Ziegler, F. (2010): Primary energy optimized operating strategies of absorption systems in CHCP networks, Sustainable Refrigeration and Heat Pump Technology, KTH, Stockholm, Sweden 2010

Walther Hüls

Anja Hannske

Christian Hennrich

Wolfgang Lanser

Martin Mittermaier

Felix Ziegler

Technische Universität Berlin

Institut für Energietechnik

Maschinen- und Energieanlagentechnik