Klimatisieren mit der Sonne

Die energiewirtschaftliche Qualität eines Energieumwandlungsprozesses und/oder eines Energienutzungsvorgangs wird bestimmt von der jeweiligen Qualität der einzelnen Prozesselemente, d.h. Energieumwandlungsstufen. Im Einzelfall stellt sich die Umwandlungskette der Solarenergie von der solaren Einstrahlung bis hin zur Raumkühlung als eine Folge von einfachen, meist linear strukturierten Umwandlungsstufen dar. Bei näherer Betrachtung wird man aber feststellen, dass es sich trotzdem um einen komplexen Gesamtprozess handelt.

Bevor nun auf diese Einzelheiten eingegangen wird, ist aus diesen Erkenntnissen der Schluss abzuleiten, dass eine betriebswirtschaftliche Bewertung der solaren Kühlung sehr schwierig ist. Sie erfordert eine differenzierte energiewirtschaftliche Analyse des Gesamtprozesses, wobei diese Analyse nicht auf einzelne ausgewählte Betriebsfälle beschränkt sein darf, sondern einen für ein Betriebsjahr charakteristischen zeitlichen Querschnitt umfassen muss. Hat man eine belastbare Energiebilanz aufgestellt, dann ist auch eine betriebswirtschaftliche Bewertung keine große Tat mehr.

Arten der Kälteerzeugung und Abnehmer für solar erzeugte Kälte

Für die solare Kälteerzeugung kommen nur thermisch angetriebene Kälteprozesse in Betracht. Als besonders bewährt ist die Absorp­tionskältetechnik mit den Stoffpaaren Ammoniak/Wasser und Wasser/Lithium-Bromid einzustufen. Im Gegensatz zu Kompressionskältemaschinen ist bei den zurzeit verfügbaren Absorptionskältemaschinen sowohl verdampfer- als auch kondensatorseitig ein Betrieb mit einem sekundärseitigen Wasserkreislauf zwingend erforderlich. Eine direkte Luftkühlung des Kondensators und des Absorbers ist zurzeit nicht möglich. Ebenso ist eine direkte Verdampfung des Kältemittels im Luftkühler einer Klimaanlage bei Einsatz von Absorp­tionskältemaschinen zurzeit nicht vorgesehen. Dies stellt eine erhebliche Einschränkung für die Gestaltung des gesamten Anlagenkonzeptes im Vergleich mit Kompressionskälteprozessen mit thermisch angetriebenen Kälteerzeugern dar.

Als Abnehmer für Kälte aus solar angetriebenen Kältemaschinen kommen in erster Linie Klimaanlagen in Betracht. Diese verfügen über einen Lastgang, der oftmals jedoch nicht immer mit dem zeitlichen Verlauf des Solarenergieangebots zusammenfällt. Zur Versorgung von Raumklimaanlagen werden ausschließlich Maschinen mit dem Stoffpaar Wasser/Lithium-Bromid eingesetzt, wobei Wasser das Kältemittel ist. Eine Verdampfertemperatur unter 0°C ist nicht erforderlich. Da einstweilen die Klimatisierung von Gebäuden das Hauptziel für den Einsatz der solar betriebenen Kälteerzeugung ist, wird die nachfolgende Betrachtung auf dieses Einsatzgebiet eingeschränkt.

Kälteerzeuger für solar betriebene Kühlsysteme

Hinsichtlich der Leistungsgröße der Kälteerzeuger zeigt sich eine sehr starke Differenzierung bei der Besetzung der einzelnen Leistungsbereiche. Unterhalb einer Kälteleistung von 100kW findet sich so gut wie kein Angebot. In der Leistungsklasse von 100 bis 200kW wird das Angebot schon größer. Von einer reichlichen Auswahl kann jedoch keine Rede sein. Das gilt ebenso für die Leistungsklassen 200 bis 500kW und 500 bis 1000kW. Erst ab einer Einheitsleistung von mehr als 1000kW trifft man auf ein größeres und hinsichtlich der technischen Merkmale auch differenzierteres Angebot.

Bei den Ausführungsarten ist eine Unterscheidung in der internen Gestaltung des Zweistoffprozesses vorzunehmen. Die häufigste Ausführungsform ist der einstufige Absorptionsprozess: einstufig oder einfach wirkend (single effect). Demgegenüber wird die Absorptionskältemaschine auch in einer mehrstufigen Ausführung angeboten: mehrstufig = mehrfach wirkend (multiple effect). Um sogleich große Erwartungen zu dämpfen, ist an dieser Stelle hinzuzufügen, dass mehrfach sich in allen Fällen de facto als zweifach entpuppt, obgleich die zwei als Stufenzahl in einem thermischen Prozess allerhöchstens die Richtung einer plausiblen technischen Entwicklung, nicht aber den Zustand einer ultimativen Lösung darstellen kann. Wenn die Entwicklung eines thermodynamischen Prozesses von der einstufigen zur zweistufigen Ausführung eine wesentliche Verbesserung verspricht, dann gilt dies für einen dreistufigen Prozess umso mehr.

In [1] wurde ein aktueller Vergleich der Leistungen und der COP-Werte von für die Klimatisierung geeignete Absorptionskältemaschinen vorgestellt. Neben den Leistungen interessieren vor allem die erforderlichen Heizmitteltemperaturen und die COP-Werte (COP = Coefficient of Performance, entspricht dem Leistungsverhältnis = Kälteleistung dividiert durch Heizleistung). Die Betrachtung umfasst sowohl ein- als auch zweistufige Maschinen. Einstufige Maschinen werden durchweg mit Heißwasser (bis etwa 90°C) beheizt. Bei zweistufigen Maschinen ist entweder Heißwasser mit 110°C oder höher oder aber Sattdampf mit einem Druck von >3 bar (abs.) erforderlich. Die COP-Werte liegen für die einstufigen Prozesse zwischen 0,5 und 0,7. Bei den zweistufigen Prozessen werden COP-Werte von 0,95 bis 1,5 erreicht. Soweit die Übersicht aus [1]. Die darin angegebenen Daten stellen aber die Nominalwerte bzw. auch die Garantiewerte dar.

Seriöse Maschinenbauer geben als Garantiewerte stets solche Werte an, die auch gesichert im Betrieb erreicht werden können. Die zu erwartenden eben nicht garantierten Werte sind in diesen Fällen z.T. deutlich besser als die Garantiewerte. Weiterhin gelten die Werte gem. [1] für den Volllastfall. Bei Teillast können sich die COP-Werte beträchtlich verbessern. Daher ist es bei einer detaillierten Betrachtung notwendig, auch das Betriebs- und Teillastverhalten der jeweiligen Maschine in die Projektierung mit einzubeziehen. Hierzu benötigt man Maschinenkennlinien, die meistens auch in den technischen Unterlagen der Hersteller zu finden sind.

Es bleibt dem Geschick des Projektingenieurs überlassen, die Maschinengröße so festzulegen, dass der Großteil der Betriebszeit und damit der Großteil der Kälteerzeugung in einen optimalen Betriebs­bereich (z.B. Teillast 50 bis 80%) liegt. Es ist klar, dass in der endgültigen Entscheidung auch die Herstellungskosten eine Rolle spielen. An dieser Stelle ist jedoch ein Hinweis auf die Gesamtkosten notwendig.

Stellt man die möglichen COP-Werte der zweistufigen, dampfbeheizten Kältemaschine dem COP-Wert von z.B. 0,7 einer einstufigen heißwasserbeheizten Maschine gegenüber, so wird einmal mehr deutlich, dass eine Beschränkung des Heizsystems auf Heißwasser mit maximal 90°C auf vertane Chancen hinausläuft. Im Mittel kann man bei der zweistufigen Maschine mit einem COP-Wert von 1,4 rechnen, je nach dem, wie sie leistungsmäßig platziert wurde und wie der Lastgang während des Betriebs ist. Dies bedeutet, dass sie nur die Hälfte der Heizenergie verbraucht im Vergleich zur einstufigen Maschine.

Auch die Kühlwassertemperatur hat einen entscheidenden Einfluss auf die COP-Werte. Zusätzlich wirkt die Kühlwassertemperatur so stark auf die Kälteleistung, wie kein anderer Betriebsparameter. Hier zeichnet sich langsam ab, wie komplex die Zusammenhänge wirklich sind. Das Ziel, eine optimale Systemlösung für eine solare Kühlung zu erhalten, ist nur erreichbar, wenn alle Betriebsparameter der Kältemaschine eingehend betrachtet und ihre Wirkungen auf Leistung und COP analysiert werden.

Wärmetechnische Kennwerte von solaren Wärmeerzeugern für den Antrieb von Kälteerzeugern, Vergleich der Kollektoren

Das Temperaturniveau von solarthermischen Systemen wird in Anbetracht der vorstehenden Ausführungen zur Schicksalsfrage für die solar angetriebene Kälteerzeugung mit ein- und mehrstufigen Absorptionskältemaschinen. Gleichzeitig hat das Temperaturniveau einen nachhaltigen Einfluss auf den Wirkungsgrad und den Energiegewinn aus der Solaranlage. Hier stellt sich die Frage nach einer geeigneten Technologie für die Versorgung von mehrstufigen Absorp­tionskältemaschinen mit Solarwärme. Diese Frage kann durch Hinzuziehen der Ergebnisse der POSHIP-Studie [4, 5] geklärt werden.

Die Grafik in Bild 5 zeigt die Ergebnisse aus einer Simulationsrechnung gemäß [6], in der die messtechnisch abgesicherten Kennwerte der verschiedenen Kollektorbauarten eingesetzt wurden. Die Anwendung verschiedener Kollektorsysteme in Deutschland wird in Bild 6 dargestellt [5]. Demnach scheidet der Flachkollektor für anspruchsvollere Temperaturbereiche von vorneherein aus. Parabolrinnen-Kollektoren (PTC) können auch bei höheren Systemtemperaturen noch Erträge liefern. Eine optische Verbesserung des PTC liefert noch einmal eine Steigerung um 100 kWh/m²a.

Der Vergleich der Systeme zeigt, dass mit dem Parabolrinnen-Kollektor in Kombination mit einer zweistufigen Absorptionskältemaschine eine effiziente Kältebereitstellung möglich ist. Die Klimatisierung von Gebäuden verlangt eine Kollektorbauform, die für die Dachmontage geeignet ist. Dafür muss eine geeignete Kollektorgeometrie gefunden werden. Das entscheidende Maß ist die Kollektorbreite, das heißt die Länge der das Parabelstück überspannenden Sehne. Diese wird als Aperturbreite bezeichnet. Neben den rein geometrischen Merkmalen muss eine Vielzahl von weiteren elementaren Konstruktionsmerkmalen beachtet werden, wie z.B. die Art der reflektierenden Schicht, die Kollektorkonstruktion im Hinblick auf Fertigung und Stabilität, das Absorberrohr mit selektiver Beschichtung und Wärmeschutzglashüllrohr sowie die Frage der Kollektornachführung.

Das Gesamtsystem Solare Wärme Kälteanlage Verbraucher Kühleinrichtung

Als Anwendung für die solare Klimatisierung mit Parabolrinnen-Kollektoren wird die Installation in einem Hotel an der südlichen Mittelmeerküste in der Türkei vorgestellt. Nach einer Bedarfsanalyse entschied man sich für ein System bestehend aus einem sekundären Dampferzeuger und einer dampfbeheizten Absorptionskältemaschine. Mit dieser Anlage können im Sommermodus neben der Kälteanlage andere Hochtemperatur-Wärmeverbraucher mit solar erzeugtem Dampf versorgt werden. Im Winterbetrieb wird Warmwasser für die Raumheizung und das Schwimmbad bereitgestellt. Das Grundschema dieses Systems ist in Bild 7 dargestellt.

Die Parabolrinnen-Kollektoren stellen Solarwärme in einen Heißwasserkreislauf mit einem Temperaturniveau von 155/180 °C bereit. In diesem Primärkreislauf befindet sich auch ein Heißwasserspeicher, der eine zeitliche Entkopplung von Wärmegewinn und Wärmeabgabe ermöglicht, was für die zeitlich ungleich auftretenden Bedarfsverläufe von entscheidender Bedeutung ist. Der Heißwasserkreislauf gibt die Wärme an einen Dampferzeuger ab, der Sattdampf mit 4 bar (abs.) und einer Temperatur von ca. 144°C erzeugt. Dieser Dampf wird in den Dampfverteiler des bereits vorhandenen Dampfnetzes eingespeist. Von dort aus wird auch die Absorptionskältemaschine versorgt.

Der Solardampf verdrängt fossil erzeugten Dampf und führt zu einer erheblichen Brennstoffkosteneinsparung. Bei den drastisch steigenden Brennstoffpreisen eröffnet dies der Solartechnik neue Möglichkeiten: Unter diesen Bedingungen erweist sich die Kombination aus Solarkälte- und Solardampfnutzung als ein betriebswirtschaftlich sehr interessantes Optimierungsgebiet. Je nach Lage der Strompreise einerseits und der Brennstoffpreise andererseits kann der Schwerpunkt der Nutzung gesetzt und betriebswirtschaftlich optimiert werden.-

Literatur

[1] Vergleich von Absorptionskältemaschinen, HLH Heizung Lüftung/Klima Haustechnik 2/2002, VDI Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung, Springer VDI Verlag Düsseldorf 2002

[2] A. Lokurlu, Solare Klimatisierung, ein Anwendungsfall in einem Hotel, Antalya/Türkei, Landesinitiative Zukunftsenergien Außenwirtschaft, Technologiepark, Gelsenkirchen März, 2000

[3] A. Lokurlu, F. Richarts, R. Ihle, Klimatisierung durch solarbetriebene Absorptionskälteanlagen (AKM) und Integration von Blockheizkraftwerken (BHKW) am Beispiel von Hotelanlagen, Türkisch-Deutsches Energiesymposium 13.17. November 1998, Ankara

[4] POSHIP The Potential of Solar Heat in Industrial Processes Von der EU geförderte Studie zur solaren Prozesswärmegewinnung und -nutzung, 2001

[5] Dirk Krüger, Klaus Hennecke, Robert Pitz-Paal, Thomas Fend, Klaus-Jürgen Riffelmann and Ralf Christmann, DLR Köln-Porz, Generation of Process Heat with Parabolic Trough Collectors, Workshop on Solar Heat for Industrial Processes, AEE Gleisdorf Austria, 8th of March 2002

[6] Lokurlu, A. et al., Wärme- und Kälteversorgung eines Hotels mit Parabolrinnen-Kollektoren, Thermische Solarenergie, OTTI-Energie-Kolleg, Zwölftes Symposium, Kloster Banz, Staffelstein, 24. bis 26. April 2002 (Posterpräsentation)

Großes Bild links: Solitem-Anlage beim TUI-Iberotel Sarigerme Park in Dalaman/ Türkei

Gleich zweimal wurde Solitem und ihr Gründer und Geschäftsführer Dr. Ahmet Lokurlu Anfang Mai geehrt. Zunächst wurde dem Unternehmen am 7.5.2008 auf dem Tag der Wirtschaft des BVMW* in Düsseldorf der Kyocera-Umweltpreis 2008 verliehen. Dr. Lokurlu nahm den 1. Preis aus den Händen des früheren Bundesumweltministers und ehemaligen UNEP-Direktors Prof. Klaus Töpfer, der auch der Preisjury vorsteht, entgegen. Der Preis wird verliehen, um besonders verdiente Projekte des deutschen Mittelstandes zur Reduzierung der Treibhausgase zu fördern.

Zwei Tage später wurde Solitem erneut gefeiert: Aus den Händen von NRW-Energie- und Wirtschaftsministerin Christa Thoben nahm Dr. Lokurlu auf dem CDU-NRW Zukunfts- und Innovationskongress in Düsseldorf den CDU-NRW Förderpreis 2008 entgegen.

* Bundesverband mittelständische Wirtschaft

Gründer und Geschäftsführer der Solitem GmbH, Aachen