Analyse solarthermische Kühlung - solare

EvaSolK
Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im
Vergleich zu Referenztechnologien – Analyse von
solarthermischer und photovoltaisch gespeister Kälteerzeugung
AP 2 Analyse solarthermische Kühlung
Hauptautor : Peter Zachmeier
Finale Version
[12.08.2013]
FKZ: 0325966C
Peter Zachmeier
Kilian Hagel
Martin Helm
Stefan Natzer
Michael Radspieler
Prof. Dr. Christian Schweigler
Edo Wiemken
Dr. Mathias Safarik
ZAE Bayern
Walther-Meißner-Str. 6
85748 Garching
Fraunhofer ISE
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ILK Dresden
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Gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines
Beschlusses des Deutschen Bundestages.
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................................... 2
Nomenklatur ........................................................................................................................................... 3
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................................. 4
1. Marktübersicht und technische Analyse von Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen kleiner
Leistung ................................................................................................................................................... 5
1.1.
Einleitung in die Kältetechnik .................................................................................................. 5
1.2.
Einleitung in die Ab-/Adsorptionstechnik ............................................................................... 9
1.3.
Marktübersicht Ab- und Adsorptionstechnik ........................................................................ 11
1.4.
Verhalten thermischer Kältemaschinen bei Lastwechseln und Teillast ................................ 14
1.5.
Hilfsenergie............................................................................................................................ 17
1.6.
Thermische Kälteanlagen mit Nennleistungen über 100 kW ................................................ 19
1.7.
Offene sorptionsgestützte Klimatisierungsverfahren ........................................................... 21
2.
Praxisdaten Absorption / Adsorption ............................................................................................ 26
3.
Entwicklungspotenzial Apparatetechnik ....................................................................................... 31
4.
3.1.
Entwicklungspotenzial Absorptionstechnik .......................................................................... 31
3.2.
Entwicklungspotenzial Adsorptionstechnik .......................................................................... 41
Entwicklungspotenzial Systemtechnik .......................................................................................... 43
4.1.
Entwicklungspotenzial Absorptionstechnik .......................................................................... 43
4.2.
Entwicklungspotenzial Adsorptionstechnik .......................................................................... 51
2
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Nomenklatur
Absorber
Absorptionskältemaschine
Adsorber
Adsorptionskältemaschine
AdKM
Adsorptionskältemaschine
AbKM
Absorptionskältemaschine
AKM
Absorptionskältemaschine
Arbeitszahl
Maß für die Güte einer Kältemaschine über einen längeren Zeitraum;
AZ = Kälte- / Antriebsenergie
COP
Coefficient of Performance; Maß für die Güte einer Wärmepumpe
EER
Energy efficiency ratio; Maß für die Güter einer Kältemaschine; bei
Kompressionskältemaschinen gilt: EER = Kälteleistung / Antriebsleistung
EERel
elektrische Anlageneffizienz; wird verwendet bei thermischen
Kältemaschinen; elektrischer EER = Kälteleistung / elektrische Hilfsleistung
EERth
thermische Anlageneffizienz; wird verwendet bei thermischen
Kältemaschinen; thermischer EER = Kälteleistung / th. Antriebsleistung
(Wärmeverhältnis)
LiBr
wässrige Lithiumbromidlösung
LiCl
wässrige Lithiumchloridlösung
3
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 - Kaltdampf-Kompressions-Kälteprozess im p-T-Diagramm ............................................... 5
Abbildung 2 - Absorptionskreislauf ......................................................................................................... 6
Abbildung 3 - Adsorptionskältemaschine im Batchbetrieb..................................................................... 8
Abbildung 4 - Double-effect-Absorptionskälteanlage ........................................................................... 10
Abbildung 5 - DEC System mit Sorptions- und Wärmerad und Befeuchtung der Zuluft ...................... 22
Abbildung 6 – DEC-Flüssigsorptions-System mit Gegenstromwärmeübertrager und Befeuchtung der
Abluft ..................................................................................................................................................... 22
Abbildung 7 - Funktionsprinzip ECOS nach Bongs ................................................................................. 23
Abbildung 8 - Funktionsschema des EAC Systems mit direkter Luftkühlung ........................................ 24
Abbildung 9 - Funktionsschema des EAC Systems mit indirekter Luftkühlung ..................................... 24
Abbildung 10 - Funktionsschema der Membranentfeuchtung ............................................................. 24
Abbildung 11 - Druckverlust verschiedener AKMs inklusive des elektrischen Hilfsenergiebedarfs für
Steuerung und interne Pumpen ............................................................................................................ 32
Abbildung 12 - Volumenstrom verschiedener AKMs ............................................................................ 33
Abbildung 13 - Hydraulische Leistung verschiedener AKMs ................................................................. 34
Abbildung 14 - Kälteleistung in Verhältnis zu Volumen und Gewicht................................................... 35
Abbildung 15 - Kälteleistung in Verhältnis zu Volumen und Gewicht (nur AbKM) ............................... 36
Abbildung 16 - Schematische Darstellung einer Triple Effekt Absorptionskältemaschine ................... 40
Abbildung 17 - Stratisop Systemskizze .................................................................................................. 52
4
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
1. Marktübersicht und technische Analyse von Absorptionsund Adsorptionskälteanlagen kleiner Leistung
1.1.
Einleitung in die Kältetechnik
Wenn umgangssprachlich von Kälteerzeugung gesprochen wird, so ist im Allgemeinen von einer
Wärmeverschiebung die Rede. Einem Stoff wird Wärme entzogen und auf ein höheres
Temperaturniveau gebracht, von welchem aus sie an eine Wärmesenke abgegeben wird. Durch den
Wärmeentzug nimmt die innere Energie des „gekühlten“ Stoffes ab, wodurch seine Temperatur
absinkt. Durch die niedrigere Temperatur ist der Stoff seinerseits in der Lage, innere Energie eines zu
kühlenden Mediums aufzunehmen und somit dessen Temperatur abzusenken. Anstelle von Kälte
müsste eigentlich von „fehlender Wärme“ gesprochen werden, aber der Einfachheit halber wird
nachfolgend trotzdem der Begriff Kälte verwendet.
Die verbreiteteste Art der Kälteerzeugung ist der Kaltdampfprozess. Hierbei wird durch einen
mechanischen Verdichter das Druckniveau im Verdampfer soweit abgesenkt, dass ein darin
befindliches Kältemittel zu verdampfen beginnt. Da die Gleichgewichtstemperatur direkt mit dem
Druck zusammenhängt, kann über den Druck die gewünschte Temperatur festgelegt werden. Der
Verdichter erhöht den Druck des dampfförmigen Kältemittels und fördert es gleichzeitig zum
Kondensator, wo sich das Kältemittel unter Wärmeabgabe wieder verflüssigt.
Druck
QK
p1
Kondensator
Kältemitteldampf
Kältemittelkondensat
Kompressor
Expansionsventil
p0
PK
Verdampfer
QV
T0
T1
Abbildung 1 - Kaltdampf-Kompressions-Kälteprozess im p-T-Diagramm
5
Temperatur
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
In Abbildung 1 ist ein linksläufiger Kaltdampfprozess dargestellt. Bei der Temperatur T0, die
üblicherweise unter der Umgebungstemperatur liegt, wird dem Prozess die Wärme Q_V zugeführt
und unter dem Aufwand P_K auf das Temperaturniveau T1, angehoben. Auf dem Temperaturniveau
T1 wird die aufgenommene Wärme Q_V sowie die mechanische Arbeit P_K als Wärme Q_K wieder
abgegeben. Die Effizienz des Prozesses wird mittels des COP bzw. EER-Wertes angegeben. Hierbei
wird die Nutzleistung durch den Aufwand dividiert. Bei Kaltdampfkompressionskältemaschinen wird
also die Verdampferleistung Q_ V durch die elektrische Leistung P_K dividiert. Ist die Kälte am
Verdampfer die Nutzleistung, so spricht man von EER, wird die Kältemaschine als Wärmepumpe
betrieben und der Nutzen fällt am Kondensator ab, so verwendet man die Bezeichnung COP.
QK
QG
Kondensator
Generator
Druck
p1
Lösungswärmetauscher
Drossel
Lösungspumpe
Drossel
p0
Verdampfer
Absorber
QV
T0
QA
T1
Kältemitteldampf
Kältemittelreiche Lösung
Kältemittelkondensat
Kältemittelarme Lösung
T2 Temperatur
Abbildung 2 - Absorptionskreislauf
In Abbildung 2 ist ein Absorptionskältekreislauf dargestellt. Der Kreislauf ähnelt dem
Kompressionskältekreislauf, allerdings ist der mechanische Verdichter durch einen sogenannten
thermischen Verdichter ersetzt. Dieser thermische Verdichter besteht aus einem Absorber, einem
Desorber, einer Lösungspumpe und einem Lösungswärmeübertrager und einem kontinuierlich
umlaufenden Sorbens. Im Absorber, dessen Gasraum eine Verbindung zum dem des Verdampfers
hat, also auf gleichem Druckniveau liegt, wird das Sorbens gekühlt, so dass es sich nicht mehr im
Gleichgewichtszustand befindet und ein Absorptionspotenzial aufweist. Dadurch wird dem
gemeinsamen Gasraum von Absorber und Verdampfer Kältemitteldampf entzogen, wodurch der
Druck absinkt. Dies entspricht der drucksenkenden Wirkung des Verdichters im
6
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Kaltdampfkompressionsprozess. Durch die Lösungspumpe wird der Druck des flüssigen,
kältemittelreichen Sorbens erhöht, es wird durch den Lösungswärmetauscher in den Desorber
gefördert. Dort wird Kältemittel wieder aus dem Sorbens ausgetrieben. Dazu wird die Temperatur
des Sorbens durch Wärmezufuhr soweit erhöht, dass das Sorbens seinen Gleichgewichtszustand
verlässt und Kältemittel desorbiert. Der Kältemitteldampf wird am Kondensator, welcher über einen
Gasraum mit dem Desorber verbunden ist, enthitzt und niedergeschlagen. Dadurch bildet sich ein
Druckgefälle aus, welches die Dampfströmung zwischen Desorber und Kondensator erwirkt. Das
flüssige Kältemittel strömt nun zurück zum Verdampfer und nimmt den niedrigeren
Umgebungsdruck des Verdampfers an. Da die Temperatur des Kältemittels bei dem niedrigeren
Druck über dem Siedepunkt liegen würde, verdampft ein Teil des Kältemittels und entzieht so dem
restlichen Kältemittel Wärme, um es auf Siedetemperatur zu kühlen. Dieser Vorgang wird als
„flashen“ bezeichnet. Das restliche flüssige Kältemittel kann durch Verdampfung im Verdampfer dem
Kältekreis wieder Wärme entziehen. Der Kreislauf des Kältemittels ist geschlossen.
Das Sorbens dient als Trägerflüssigkeit und zirkuliert nur zwischen Absorber und Desorber und wird
in schwache und starke Lösung unterteilt. Wird das mit Kältemittel angereicherte Sorbens vom
Absorber in den Desorber gepumpt, so spricht man von kältemittelreicher Lösung. Da im Desorber
Kältemittel aus dem Sorbens ausgetrieben wird, sinkt der Kältemittelanteil im Sorbens und es strömt
als kältemittelarme Lösung vom Desorber in den Absorber zurück. Die kältemittelarme Lösung hat
eine höhere Temperatur als die kältemittelreiche Lösung und muss im Absorber gekühlt werden, um
Kältemittel absorbieren zu können. Gleichzeitig muss die kältemittelreiche Lösung geheizt werden
um im Desorber zu desorbieren. Deshalb wird zwischen Absorber und Desorber häufig ein
Wärmeübertrager eingesetzt. Dieser überträgt einen Teil der sensiblen Wärme der kältemittelarmen
Lösung auf die kältemittelreiche Lösung. Somit sinken der Kühlbedarf im Absorber und der
Wärmebedarf im Desorber. Der Lösungswärmeübertrager erhöht die Effizienz des Kreisprozesses
(auch als Wärmeverhältnis bzw. EER/COP bezeichnet).
Bei thermischen Kältemaschinen wird der EER aus Kälteleistung Q V und der Generatorleistung Q G
gebildet.
Sind Lösungsmittel und Kältemittel nicht vollständig ineinander löslich, so kann es zur Kristallisation
kommen. Bei wässriger Lithiumbromidlösung und Wasser, einer verbreiteten LösungsmittelKältemittelkombination, kann es beispielsweise unter ungünstigen Betriebsbedingungen zur
Kristallisation kommen. Die Löslichkeit von Lithiumbromid in Wasser steigt mit der Temperatur und
beträgt maximal 70 Massenprozent. Wird die Lösung im Desorber über die Löslichkeitsgrenze hinaus
aufkonzentriert, so kristallisiert das Salz aus und liegt im festen Zustand vor. Neben der übermäßigen
Aufkonzentration im Desorber kann eine Kristallisation aber auch im Absorber (bzw. im
Lösungswärmeübertrager) vorkommen. Dann ist zumeist die temperaturabhängige
Löslichkeitsgrenze für die Kristallisation verantwortlich. Liegt die starke Lösung im Desorber bei
hoher Temperatur noch flüssig vor, so gibt sie im Lösungswärmeübertrager Wärme an die schwache
Lösung ab und kühlt aus. Fällt die Temperatur so stark ab, dass die gegebene Konzentration bei der
niedrigeren Temperatur oberhalb der Kristallisationsgrenze liegt, kristallisiert die Lösung. Geschieht
dies, so verstopft zumeist der Lösungswärmeübertrager und der Absorptionsprozess kommt zum
Erliegen. Um den Absorber wieder gangbar zu machen, muss die kristallisierte Lösung wieder erhitzt
werden. Dazu wird üblicherweise von außen Wärme zugeführt.
7
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
QK
Druck
p1
Kondensator
QG
Desorber
Regenerationsphase
p0
Verdampfer
Adsorber
QV
Adsorptionsphase
QA
T0
T1
T2 Temperatur
Kältemitteldampf
Abbildung 3 - Adsorptionskältemaschine im Batchbetrieb
In Abbildung 3 sind die beiden Arbeitsschritte einer Adsorptionskälteanlage dargestellt. Bei
Adsorptionskältemaschinen (AdKM) spricht man häufig von Reaktoren, wobei ein Reaktor aus zwei
Wärmetauschern besteht. Ein Wärmetauscher verbindet dabei einen externen Kreis mit dem
Kältemittel, der andere verbindet einen weiteren externen Kreis mit dem Sorbens. Besteht die
Anlage aus nur einem Reaktor, so finden die Regenerations- und Adsorptionsphase abwechselnd
statt. Besteht die Adsorptionskältemaschine aus zwei Reaktoren, so findet in einem stets die
Adsorption, im anderen die Regeneration statt. Während der Adsorption lagert sich Wasserdampf
am Sorbens an. Da diese Reaktion exotherm ist muss Wärme abgeführt werden, um die Reaktion in
Gang zu halten. Durch die Kühlung des Adsorptionsprozesses bleibt das Sorbens hygroskopisch; es
wirkt also drucksenkend und nimmt weiter Wasserdampf auf. Dadurch kann im Verdampfer weiter
Wasser verdampft werden, wodurch Kälte erzeugt wird. Ist das Sorbens mit Wasserdampf gesättigt,
so findet eine Prozessumkehr statt. Nun wird dem Sorbens Wärme auf einem Temperaturniveau
zugeführt, welches über der Gleichgewichtstemperatur des Sorbens, bezogen auf dessen
Wassergehalt, liegt. Durch die zugeführte Wärme wird das angelagerte Wasser aus dem Sorbens
ausgetrieben und dem Kondensator zugeführt. Dieser Vorgang reduziert die Wasserbeladung des
Sorbens, es wird regeneriert. Nach Abschluss der Regeneration wird der Prozess abermals umgekehrt
und das Sorbens wirkt, wenn es gekühlt wird, wieder hygroskopisch und kann Wasserdampf
aufnehmen.
8
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
1.2.
Einleitung in die Ab-/Adsorptionstechnik
Ab- und Adsorptionskältemaschinen und –wärmepumpen stellen, verglichen mit der
Kompressionstechnik, nach wie vor nur Nischenprodukte dar. Trotzdem muss auch hierbei nochmals
nach Leistungsgröße unterschieden werden; während im Leistungsbereich über 100 kW
verschiedene Anbieter ihre Produkte seit Jahren erfolgreich kommerziell vermarkten, gibt es im
Bereich von einigen kW Kälteleistung nur wenige Anbieter. Große Absorptionskältemaschinen
werden z.B. in Asien installiert, um Kälteleistung in Spitzenlastzeiten bereitzustellen, wenn das
elektrische Netz an seine Kapazitätsgrenzen stößt. Nachfolgend sollen aber hauptsächlich AbKM und
AdKM mit geringer Leistung betrachtet werden.
Zunächst muss zwischen der Ab- und Adsorption unterschieden werden. Bei AdKM wird Kältemittel
adsorbiert, d.h. an das Sorbens angelagert, während es bei der Absorption absorbiert , d.h. im
Sorbens gelöst, wird. Während bei den Absorptionskältemaschinen ein flüssiges Sorbens durch die
Anlage zirkuliert, ist bei den Adsorptionskältemaschinen das Sorbens fest. Das hat zur Folge, dass bei
der Absorption die Komponenten Verdampfer, Absorber, Desorber (häufig auch als Generator oder
Austreiber bezeichnet) und Kondensator alle stets ihre Funktion beibehalten und immer gleichzeitig
arbeiten. Somit läuft der Kälteprozess bei der Absorption meist kontinuierlich ab. Da bei der
Adsorption das Sorbens nicht mobil ist, werden Absorber und Desorber im Batchbetrieb gefahren.
Das bedeutet, dass nach einer gewissen Zeit die Funktion von Absorber und Desorber getauscht wird.
Dies geschieht durch Umschalten der externen Wärmeträgerkreise. Das Sorbens, was also in der
Adsorberfunktion gekühlt wird und als Dampfsenke für den Verdampfer dient, wird nach dem
Betriebswechsel geheizt und dadurch regeneriert. Der Kältemitteldampf wird aus dem Sorbens
desorbiert und am Kondensator niedergeschlagen. Für eine diskontinuierliche Kältebereitstellung
genügt jeweils eine Adsorber-/Desorbereinheit. Soll bei einer Adsorptionskälteanlage Kälte
quasikontinuierlich bereitgestellt werden, so sind mindestens zwei Adsorber-/Desorbereinheiten
nötig. Eine Einheit arbeitet dann als Absorber, die andere als Desorber.
Beim Betriebswechsel in der AdKM werden Adsorptions- und Desorptionseinheit kurzzeitig
hydraulisch kurzgeschlossen, um einen Wärmeausgleich vorzunehmen. So wird der zukünftige
Adsorber vorgekühlt während der zukünftige Desorber erwärmt wird. Dadurch kann aber bestenfalls
in beiden Wärmeübertragern die mittlere Temperatur von Adsorber/Desorber erreicht werden.
Bei der Absorption hingegen läuft der Kälteprozess meistens kontinuierlich ab. Da das Sorbens flüssig
ist, kann es umgepumpt werden und in einem Lösungswärmetauscher einen Teil seiner sensiblen
Wärme abgeben. Dabei kann die Temperierung von kältemittelarmer und kältemittelreicher Lösung
effizienter erfolgen, da in einem Gegenstromwärmetauscher Temperaturen oberhalb
(kältemittelreiche Lösung) bzw. unterhalb (kältemittelarme Lösung) der Mischtemperatur erreicht
werden können.
Dies trägt auch dazu bei, dass Absorptionskältemaschinen zumeist einen höheren EER aufweisen als
Adsorptionskältemaschinen. Während eine übliche einstufige Absorptionskältemaschine einen EER
von ~0,7-0,75 aufweist, liegt der Wert für Adsorptionskältemaschinen nur bei etwa 0,55-0,6.
In Adsorptionskältemaschinen wird keine Lösungsmittelpumpe benötigt; der innere Aufbau der
Geräte ist relativ einfach und enthält wenig bewegte Komponenten. Allerdings enthalten die Geräte
eine hydraulische Baugruppe zur externen Umschaltung der Wärmeübertrager zur
Wärmerückgewinnung. Die Steuerung dieser Umschaltung ist in der Gerätesteuerung enthalten. Die
9
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
internen Temperaturen, die für die Regeneration des Sorbens nötig sind, sind bei Ad- und AbKM, die
mit den Arbeitsstoffpaaren Silicagel bzw. Lithiumbromid betrieben werden, annähernd identisch.
Allerdings wird bei den Adsorptionskältemaschinen die Aufnahme von Antriebswärme niedrigerer
Temperatur durch die begrenzte Wärmerückgewinnung beim Taktwechsel begünstigt. Die zusätzlich
aufgenommene Niedertemperaturwärme deckt jedoch vornehmlich interne Verluste und erbringt
somit keine zusätzliche Kälteleistung. Zusätzlich können sich unterschiedliche Antriebstemperaturen
in der Praxis aus Unterschieden in der Auslegung der Wärmetauscher ergeben. Dadurch können
AdKM teilweise bereits mit niedrigeren Temperaturen regeneriert werden.
Über die Anwendung des einstufigen Kreislaufs hinaus können Absorptionskältemaschinen (AbKM) in
zwei- oder dreistufiger Schaltung ausgeführt werden. Allerdings wird dann eine Antriebstemperatur
für den Desorptionsprozess von >140°C beim zweistufigen Prozess benötigt. Um die Exergie der
Antriebswärme dieser direkt- oder dampfbeheizten Anlagen besser zu nutzen, wird auf den
Absorberkreis ein zweiter Desorber und Kondensator aufgesetzt. Durch die höheren Temperaturen
findet die Desorption bei einem höheren Druck statt und somit wird die Wärme der
Rückkondensation auch auf höherem Temperaturniveau frei. Diese Wärme kann dazu genutzt
werden, den Desorber des ersten Kreislaufes anzutreiben, wodurch ein großer Teil der
Antriebswärme zweimal zum Austreiben von Kältemittel genutzt wird.
Druck
P2
Kondensator2
Generator2
Lösungswärmetauscher
p1
Generator1
Kondensator1
Lösungswärmetauscher
Expansionsventil
Lösungpumpe
Expansionsventil
p0
Verdampfer
Absorber
T0
T1
T2
Kältemitteldampf
Kältemittelreiche Lösung
Kältemittelkondensat
Kältemittelarme Lösung
Abbildung 4 - Double-effect-Absorptionskälteanlage
10
T3
Temperatur
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
In Abbildung 4 ist das Schema einer zweistufigen Absorptionskälteanlage dargestellt.
Bei der Adsorption ist zwar prinzipiell auch eine Mehrstufigkeit denkbar, die technische Realisierung
ist aber schwieriger und durch den geringeren internen Wärmetausch auch tendenziell weniger
effizient. In Serienprodukten sind mehrstufige AdKM bis heute nicht umgesetzt.
Zweistufige AbKM benötigen Wärme bei einer Antriebstemperatur von über 140°C. Deshalb werden
sie überwiegend mit Dampf oder Rauchgas beheizt. Der Hinweis auf mehrstufige AbKM soll im
Hinblick auf eine vollständige Übersicht bzw. einen vollständigen Vergleich beider Systeme gesehen
werden. Zudem werden im Rahmen der Simulationsarbeit im Projekt EvaSolK auch in kleinem
Umfang
die
Anwendung
von
konzentrierenden
Kollektoren
und
mehrstufigen
Absorptionskältemaschinen simuliert. Da im Projekt EvaSolK der Fokus aber auf solarer
Kälteerzeugung mittels üblicher stationärer thermischer Solarkollektoren liegt, werden nachfolgend
überwiegend einstufige AbKMs betrachtet. Da die Temperatur der Antriebswärme bei einstufigen
AbKM aber zumeist bei 80-100°C liegt, kann diese Wärme auch durch Flach- bzw.
Vakuumröhrenkollektoren bereitgestellt werden.
Da thermische Kältemaschinen einen geringen EERth aufweisen, ergibt sich eine hohe
Rückkühlleistung. Da für die Rückkühlung zumeist Wasserpumpen und Ventilatoren benötigt werden,
ergibt sich ein gewisser Hilfsenergiebedarf, der üblicherweise elektrisch gedeckt wird. Setzt man die
Kälteleistung ins Verhältnis zum Hilfsenergiebedarf, so erhält man den sogenannten elektrischen EER.
Dieser Wert muss zwingend über dem EER Wert eines vergleichbaren Kompressionskälteaggregates
liegen, um elektrische Energie einzusparen. In bisher realisierten thermischen Kälteanlagen ist dies
nicht immer der Fall.
1.3.
Marktübersicht Ab- und Adsorptionstechnik
Nachfolgend wird ein Überblick gegeben, welche Ab- und Adsorptionskältemaschinen derzeit
vermarktet werden. Die Übersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und bezieht sich
hauptsächlich auf Anlagen im kleinen Leistungsbereich, d.h. Kälteleistungen von ~5-70 kW. Es sind
nur Produkte aufgeführt, die mit Heißwasser angetrieben werden und damit im Zusammenhang mit
solarthermischen Kollektoren einsetzbar sind. Weitere Entwicklungen, insbesondere für den
Anwendungszweck Sorptions-Wärmepumpe, die mit Heißdampf oder direkt angeschlossenem
Gasbrenner betrieben werden, sind nicht in der Tabelle enthalten. Eine Marktübersicht dazu ist in
[Henninger, 2011] enthalten1.
1
Stefan K. Henninger et al.: Technical and Economical Review of Thermally Driven Heat Pumps. Tagungsbeitrag
th
10 IEA Heat Pump Conference. 31. August 2011; Ort: virtuelle Konferenz (web-site-conference).
www.hpc2011.org
11
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Tabelle 1 - Übersicht der Anbieter von thermisch getriebenen Kälteanlagen im kleinen Leistungsbereich. Der Begriff „Serie“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine
Kleinserie gebaut wird bzw. ein Standardmodell nach Bestellung angefertigt wird. Die Kosten stellen unverbindliche Herstellerangaben (2010) dar
Hersteller
Produkt
Kältemittel / Leistung
Lösungsmittel [kW]
EERth
elektrische
Leistung [W]
Status
Chiller PC14/PC19
Congelo 50-05/95
GAHP-AR
SolarChiller
RXZ-11/58
RXZ-23/35
Solar 045
SHL003/005
SHL008/010
VGWR1006A/2006A
HELIOPLUS 40-W
XS 30
BCT23/70
suninverse
WFC SC05
WFC SC10
NH3 / H2O
NH3 / H2O
NH3 / H2O
H2O / LiCl
H2O / LiBr
H2O / LiBr
H2O / LiBr
H2O / LiBr
H2O / LiBr
H2O / LiBr
NH3 / H2O
NH3 / H2O
NH3 / H2O
H2O / LiBr
H2O / LiBr
H2O / LiBr
H2O / LiBr
~12/16
50
17
4-9
15/30
11/58
23/35
4,5
10.5/17.6
28.1/35.2
21/42
18.4
40
23/70
9-16
17,6
35
0,46 – 0,72
0.51
0,49 – 0,67
0,52 - 0,57
0,71/0,75
0,65/0,7
0,68/0,7
0,63
0.72/0.71
0.72/0.71
450
4190
900
22-70
300/500
150/300
300
100
180
380/400
Serie
Serie
Serie
z.Z. n.v.
Serie
Serie
Serie
z.Z. n.v.
Serie
Serie
Serie
Serie
0,57 - 0,84
0,7
0,7
1800/5200
120
48
210
Serie
z.Z. n.v.
Serie
Serie
ACS 08
ACS 15
LTC 09
HTC 10
AQSOA
H2O / Silikagel
H2O / Silikagel
H2O / Zeolith
H2O / Zeolith
H2O / Silikagel
8
15
0,6
0,6
0,61
0,5
0.45
7
14
20
20
36
Serie
Serie
Serie
Serie
Serie
Kosten
Absorption
Pink GmbH(AT)
AGO Energie (DE)
Robur (IT)
ClimateWell (SE)
EAW (DE)
Huin (CN)
Huin (CN)
Rotartica (ES)
Sakura (JP)
Sakura (JP)
Vicot(CN)
Ecoplus Energy Systems (AT)
Tranter Solarice XS 30(DE)
Broad Group (CN)
AbKM (DE)
Yazaki (JP)
Yazaki (JP)
Wegracal SE 15/30
0,73
14.500€
15.000€
19.500€
24.900€
Druckverlust im Kalt-,
Kühl- & Heißwasser [mbar]
-/-/-/-/150-450-150
310-/-/
450-380-300
400-900/500-400
600/400-500-800/500
300-400-400
-/-/210/260-130/140-30
250/270-320/300-60
400/-/-/-/-/-/-/-/350-320-200
530-380-770
560-850-900
Adsorption
Sortech (DE)
Sortech (DE)
Invensor (DE)
Invensor (DE)
Mitsubishi (JP)
9
10
9.8
12
10.000€
18.000€
13.000€
14.500€
300-350-230
500-440-260
170-500-230
240-500-230
423-698-275
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Die Tabelle 1 zeigt eine Auswahl von überwiegend am Markt erhältlichen thermisch getriebenen
Kältemaschinen. Die Angaben, insbesondere der Leistung und des EER Wertes, sind übernommen,
wie vom Hersteller beworben. Während einige Anlagen den Status eines Serienproduktes haben,
sind anderer aus verschiedenen Gründen zur Zeit nicht verfügbar(z.Z.n.v.). Dabei sind die
Bedingungen, unter denen die Hersteller die angegebenen Werte erreichen, nicht genormt. Deshalb
eignet sich die Tabelle nicht zum Vergleich der einzelnen Anlagen untereinander, da die externen
Temperaturen, insbesondere die des Rückkühlkreises, einen großen Einfluss auf die Kälteleistung und
den EERth haben. Die angegebenen Kosten beziehen sich nur auf den Kälteerzeuger. Komponenten
wie Rückkühlwerk oder Wärmeerzeuger für den Antrieb sind nicht im Preis inbegriffen. Die
Preisangabe beruht auf Angaben die von den Herstellern auf eine unverbindliche Anfrage hin
genannt wurden.
Als Arbeitsstoffpaare (Kälte-/Lösungsmittel) kommen bei den obig genannten Kältemaschinen vier
verschiedene Stoffpaarungen zum Einsatz; Ammoniak/wässrige Ammoniaklösung, Wasser/wässrige
Lithiumbromidlösung (LiBr), Wasser / Zeolith und Wasser/Silikagel. Bei den drei zuletzt genannten
Arbeitspaaren fungiert Wasser als Kältemittel. Somit ist die erzeugbare Kälte auf Temperaturwerte
über 0°C beschränkt. Bei Kältetemperaturen zwischen 0-100°C findet die Kälteerzeugung im
Unterdruckbereich statt. Bei der üblichen Kälteerzeugung von 6-15°C liegt der Druck im
Verdampfer/Absorber bei Werten zwischen 10-20 mbar absolut, bei Anlagenstillstand beträgt der
Druck in der gesamten Anlage, abhängig von der Umgebungstemperatur zwischen
20-60 mbar. Die Kältemaschinen befinden sich also stets im Unterdruck. Dies hat sowohl Vor- als
auch Nachteile. Durch den permanenten Betrieb im Unterdruck fallen die Apparate nicht unter die
Druckgeräterichtlinie, was die Herstellung und den Betrieb vereinfacht, im Gegenzug muss aber dafür
Sorge getragen werden, dass das Vakuum aufrechterhalten wird und Fremdgase, die durch Leckagen
eindringen, entfernt werden. Da der Dampfdruck des Lösungsmittels, also LiBr, Zeolith bzw. Silikagel
deutlich unter dem von Wasser liegt, befindet sich in der Dampfphase nur das Kältemittel.
Bei Ammoniak/wässriger Ammoniaklösung ist Ammoniak das Kältemittel, d.h. es können auch
Kältetemperaturen unter 0°C erzeugt werden, da die Erstarrungstemperatur von Ammoniak bei
-77°C liegt. Außerdem arbeitet die Kältemaschine, wenn die erzeugten Temperaturen zwischen -15
und 20°C liegen bei Drücken von 2-9 bar, d.h. stets im Überdruck. Dadurch müssen die
Kältemaschinen teilweise nach den Vorschriften der Druckgeräterichtlinie erstellt werden,
andererseits wird das Kältemittel bei Leckagen nicht verunreinigt. Da Ammoniak aber giftig ist, sind
Leckagen an Apparaten trotzdem sehr kritisch. Bezüglich des Dampfdruckes liegen Ammoniak und
Wasser wesentlich näher beisammen als beispielsweise Wasser/LiBr, wodurch im Desorber stets ein
Gemisch von Ammoniak- und Wasser ausgetrieben wird. Da das Kältemittel möglichst im reinen
Zustand vorliegen sollte, wird nach dem Desorber eine Kolonne geschaltet, die beide Stoffe
voneinander trennt. Dadurch steigt der Apparateaufwand im Vergleich zu AbKM auf Basis von LiBr.
Ebenso steigt der Aufwand an Energie am Desorber, da dort neben Kältemittel auch Lösungsmittel
verdampft wird. Dies schlägt sich auch in, verglichen mit LiBr AbKM, niedrigeren EERth Werten nieder.
Da also mit Ammoniak als Kältemittel Temperaturen unter 0°C erzeugt werden können und AdKM
keine oder wenig bewegte Teile enthalten, was jeweils als ihre Stärke angesehen werden kann, sind
die Angaben für die Leistung und den EERth, wie erwähnt, unterschiedlich.
13
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Es stehen also unterschiedliche Funktionsprinzipien und Arbeitsststoffpaarungen zur Verfügung. Die
Anlagen unterscheiden sich dementsprechend im Betriebsverhalten, in ihrer Robustheit - z.B.
bestimmt durch die Anzahl der beweglichen Teile – und ihrer Energieeffizienz. Für eine umfassende
Bewertung ist also neben den Leistungsdaten sowie den Angaben zum EER eine Fülle weiterer
Kriterien maßgeblich.
Eine Sonderstellung nimmt beispielsweise die AbKM von Robur ein, die eigentlich als Wärmepumpe
konzipiert wurde. Dem entsprechend werden Leistungswerte bei sehr niedrigen
Verdampfungstemperaturen und sehr hohen Kondensationstemperaturen angegeben. Bei
Kälteanlagen zur Komfortklimatisierung ist der benötigte Temperaturhub normalerweise geringer.
Eine weitere Besonderheit der Absorptionskältemaschine von Robur ist, dass sie, im Gegensatz zu
den heißwasserbetriebenen Maschinen, normalerweise gasgefeuert ist. Es wird jedoch auch eine
Variante mit indirekt beheiztem Wärmeübertrager im Generator auf Anfrage gefertigt, die bereits in
einigen Projekten mit konzentrierenden Kollektoren zur Prozesskühlung eingesetzt wurde.
Die Absorptionskältemaschine von Climatewell wird, obwohl sie eine Absorptionskältemaschine ist,
diskontinuierlich betrieben. Im Desorber wird LiCl soweit aufkonzentriert, bis es auskristallisiert.
Anschließend wird der Prozess umgekehrt und der Desorber wirkt als Absorber. Durch den
Batchprozess ähnelt der Vorgang der Adsorption, allerdings wird das Kältemittel im Sorbens gelöst
und nicht angelagert.
Ein Vergleich bei gleichen Bedingungen ist anhand der Herstellerangaben nicht möglich, da dort
zumeist nur ein Betriebspunkt spezifiziert ist. Auch wenn es teilweise noch Leistungsangaben für
andere Betriebspunkte gibt, so ist der EERth nur für die Nennbedingungen angegeben. Um die
Kältemaschinen doch miteinander vergleichen zu können, werden die Ergenisse der Messungen,
zumindest von einem Teil der in Tabelle 1 gelisteten Modelle, in Kapitel 2 miteinander verglichen. Da
in der Praxis verschiedene externe Temperaturen anliegen, ist ein Vergleich von verschiedenen
Anlagen untereinander ebenfalls schwer möglich. Um nicht einzelne Betriebspunkte herausgreifen zu
müssen, kann eine charakteristische Gerade gebildet werden. Dabei wird die Kälte- und
Antriebsleistung über der totalen treibenden Temperaturdifferenz aufgetragen. Somit kann aus
diesen Werten auch der EERth über der totalen treibenden Temperaturdifferenz aufgetragen werden.
Damit sind Maschinen vergleichbar, da sie bei gleicher totaler treibender Temperaturdifferenz
einander gegenübergestellt werden.
1.4.
Verhalten thermischer Kältemaschinen bei Lastwechseln
und Teillast
AbKM und AdKM unterscheiden sich deutlich im Verhalten bei Lastwechseln. Zum einen vollziehen
AdKM auch im „Dauerbetrieb“ permanent Lastwechsel, da sie im Batchbetrieb gefahren werden.
Zum anderen ergibt sich dadurch auch die Möglichkeit, Kälte zu speichern bzw. genauer gesagt die
Möglichkeit, Kälte bei Bedarf ohne gleichzeitigen Energieaufwand zu erzeugen. Eine AdKM kann zu
einem Zeitpunkt geladen werden und dann, in einem Art aufgeladenen Zustand ruhen bis eine
Kälteanforderung anliegt. Die speicherbare Kältemenge ist nur durch die Menge an Adsorbens
14
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
beschränkt. Dadurch kann beispielsweise tagsüber ein Reaktor mit Solarwärme geladen werden und
in der Nacht Kälte abgeben. Da der Reaktor bei Stillstand Umgebungstemperatur annimmt, gibt es
keine Speicherverluste, wie sie beispielsweise bei einem Kaltwasserspeicher auftreten würden. Weil
die Climatewell Absorptionskältemaschine ebenfalls im Batchbetrieb gefahren wird, kann diese auch
Kälte speichern.
Die speicherbare Kältemenge ist aber zumeist beschränkt, da die Füllmenge mit Sorbens einer
Optimierung von Kosten, Gewicht und Performance unterliegt. Die Taktzeiten, in denen ein Adsorber
ad- bzw. desorbiert bis eine Prozessumkehr stattfindet, sind üblicherweise auf einige Minuten
ausgelegt. Entsprechend gering ist demnach auch die vorgehaltene Kältemenge. Von Vorteil ist aber,
dass annähernd keine Kälteleistung verloren geht.
Ein kontinuierlicher Absorptionsprozess hingegen speichert weniger Kälte, da die Füllmenge mit
Sorbens zumeist für nicht viel mehr als eine vollständigen Benetzung aller Wärmetauscher ausreicht.
Deshalb kann selbst konzentriertes Sorbens nur wenig Kälte erzeugen. Zudem ist, zumindest bei LiBr,
nur eine begrenzte Löslichkeit vorhanden. Konzentriertes Sorbens ist bei hohen Temperaturen
flüssig, bei niedrigeren Temperaturen hingegen kann es auskristallisieren. Deshalb werden die
Lösungen in Absorptionskältemaschinen, die mit LiBr betrieben werden, häufig verdünnt bevor die
Kältemaschinen abgeschaltet werden. Dazu wird das gesamte Kältemittel der Lösung zugeführt.
Entweder wird das Kältemittel verdampft und absorbiert, was aber prozessbedingt nicht immer
vollständig möglich ist, oder es wird ohne Kältenutzung direkt in den Absorbersumpf gepumpt. So
wird sichergestellt, dass die Lösung verdünnt genug ist und im Anlagenstillstand nicht kristallisieren
kann.
Da AbKM meist als Grundlastanlage in Kombination mit Kompressionskälteanlagen betrieben
werden, ist eine Verdünnung der Lösung durch Verdampfung des Kältemittels und damit
einhergehender Kältenutzung in der Regel möglich. In solarthermisch angetriebenen Anlagen kommt
dazu noch die Variabilität der Antriebstemperatur. Ein typischer Tagesverlauf ist erst von einem
kontinuierlichen Anstieg der Heiztemperatur und nachfolgend von einem langsamen Abfall bis zum
Erreichen der Abschalttemperatur gekennzeichnet. Dabei tritt vormittags ein „Aufspeichereffekt“
ein, der sich nach Erreichen der maximalen Antriebstemperatur umgekehrt und zudem von den bei
trockenen Rückkühlern variablen Kühlwassertemperaturen unterstützt wird. Der Aufspeichereffekt
bedeutet, dass beim Beginn der Kälteerzeugung scheinbar ein schlechter EERth erreicht wird, da eine
hohe Antriebsleistung nur eine mäßige Kälteleistung zur Folge hat. Die gesamte Lösung wird auf ein
höheres Konzentrationsniveau befördert, wodurch die Absorptionsfähigkeit steigt. Die
Absorptionsfähigkeit wirkt wie ein Energiespeicher.
Bei einer AdKM wechselt die Last eines einzelnen Reaktors permanent. Zu Beginn eines
Desorptionsprozesses ist die Desorptionsrate hoch und es wird viel Kältemittel ausgetrieben. Je mehr
das Sorbens an den vollständig geladenen Zustand herankommt, desto weniger Kältemittel wird
ausgetrieben, die aufgenommene Leistung sinkt ab. Anschließend wird die Funktion getauscht, der
Desorber wird zum Adsorber. Im frisch geladenen Zustand ist die Adsorptionsrate zuerst sehr hoch,
dadurch wird der Dampfdruck niedrig gehalten und viel Kältemittel kann verdampfen. Je mehr
Kältemittel adsorbiert wurde, desto geringer ist die Adsorptionsneigung und die Kälteleistung geht
15
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
zurück bis der Prozess im Reaktor wieder umgedreht wird und eine Regenerationsphase beginnt. Die
Leistung sinkt vom Beginn bis zum Ende eines Ad- bzw. Desorptionszyklus permanent. Um für den
diskontinuierlichen Prozess einen EERth anzugeben, muss die durchschnittliche Kälteleistung auf die
durchschnittliche Antriebsleistung bezogen werden. In Teillast nimmt die Effizienz nicht ab, da bei
geringerer Leistung das Sorbens näher an seinen vollständigen Gleichgewichtszustand herangeführt
werden kann. Dies erfordert jedoch eine Anpassung der Taktrate in Teillast. Andernfalls, d.h. bei
konstanter Taktrate, sinkt der EERth -Wert in Teillast beträchtlich.
Bei Absorptionsprozessen hingegen schwankt der EERth während Lastwechseln, da Lastwechsel sich
normalerweise in Konzentrationsänderungen niederschlagen. Verringert sich die Kältelast, so sinkt
die Konzentration der Lösung. Somit kann die Desorberleistung für eine gewisse Zeit deutlich stärker
absinken als die Kälteleistung. Der Prozess bezieht seine Antriebsleistung gewissermaßen aus einer
Wärme, die in Form von erhöhter Salzkonzentration gespeicherter ist. Steigt die
Leistungsanforderung hingegen, muss die Lösungskonzentration erhöht werden. Dazu wird
überproportional viel Leistung in die Lösung eingebracht, um neben der Kälteerzeugung auch die
Salzkonzentration zu erhöhen. Über einen längeren Zeitraum betrachtet verliert eine AbKM bei
Lastwechseln keine Leistung, sie wird zwischengespeichert. Wird hingegen keine Leistung mehr
benötigt und die AbKM wird abgeschaltet, so wirkt sich das bei LiBr AbKM negativ auf die Effizienz
aus. Bei der oben erwähnten Lösungsverdünnung wird zuvor unter Einsatz von Antriebswärme
geschaffenes Potenzial zur Kälteerzeugung nutzlos vernichtet. Die dabei freiwerdende Abwärme, die
auf mittlerem Temperaturniveau rückgekühlt werden muss, beruht auf einem zusätzlichen Einsatz
von Antriebswärme und vermindert somit die Energieeffizienz der Anlage.
Ammoniak AbKM hingegen haben nicht das Problem der begrenzten Löslichkeit des Arbeitsmittels;
deshalb muss bei diesen Maschinen die Lösung auch nicht verdünnt werden, es wird beim
Abschalten kein Kältemittel in die Lösung geführt.
Zu häufige An- und Abfahrprozesse sollten bei AbKM (wie auch bei Kompressoren) vermieden
werden. Beim Anfahrprozess wird das Material belastet, da sich der Behälter inklusive
Schweißnähten durch die Erwärmung des Generators ausdehnt. Dabei findet die Erwärmung nicht
gleichmäßig statt und somit auch nicht die Materialdehnung. Zudem wird ein Teil der Antriebswärme
in der Wärmekapazität des Materials gespeichert. Wird die Anlage wieder abgeschaltet, so kühlt sie
sich ab und die Wärme geht an die Umgebung über, vor allem bei längerem Anlagenstillstand.
Außerdem wird bei Anlagenabschaltung häufig die Lösung verdünnt, mit dem oben beschriebenen
negativen Einfluss auf die Energieeffizienz..
16
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
1.5.
Hilfsenergie
Ad- und AbKM unterscheiden sich von Kompressionskältemaschinen, da sie Wärme anstelle von
elektrischer Energie als Antriebsenergie nutzen. Allerdings brauchen auch thermisch getriebene
Kältemaschinen elektrische Energie, die als Hilfsenergie oder parasitäre Energie bezeichnet wird. Die
wichtigsten Energieverbraucher sind:
- Steuerungselektronik / Schaltschrank
- Interne Pumpe für Kältemittelumlauf (nicht bei AdKM im kleinen Leistungsbereich)
- Interne Pumpe für Lösungsumlauf (nicht bei AdKM)
- Externe Pumpe für den Wärmeträgerkreis der Antriebsenergie am Desorber
- Externe Pumpe für den Wärmeträgerkreis der Nutzkälte am Verdampfer
- Externe Pumpe für den Wärmeträgerkreis der Abwärme am
Absorber(Adsorber)/Kondensator
- Ventilator des Rückkühlwerkes
Die Energie der externen Pumpe am Desorber kann teilweise entfallen, wenn die Ad-/AbKM direkt
mit Fernwärme oder Motorkühlwasser durchströmt wird und diese Pumpenergie dem externen
System zugerechnet wird. Beim Antrieb mit Fernwärme wird aber meistens ein Zwischenkreis mit
eigener Pumpe vorgesehen, da in vielen Fällen die Fernwärmebetreiber keinen Endverbraucher
direkt in ihrem Netz erlauben.
Der Energiebedarf der Pumpe des Kaltwasserkreises wird zumeist der Absorptions/Adsorptionskältemaschine zugerechnet. Selbst wenn im Rahmen einer Bilanzierung diese Energie
nicht dem Kälteerzeuger zugerechnet wird, so ist sie auf jeden Fall notwendig, um den Betrieb der
thermischen Kältemaschine sicherzustellen. D.h., wenn keine elektrische (Hilfs-)Energie vorhanden
ist, kann auch eine Ad-/AbKM keine Kälteleistung bereitstellen.
Der größte Anteil an Hilfsenergie wird für den Rückkühlkreis benötigt. Dies liegt zum einen daran,
dass in diesem Kreis die größte Wärmeleistung umgesetzt wird, entsprechend groß sind auch die
Volumenströme. Zum anderen muss für die Rückkühlung neben einer Umwälzpumpe auch noch ein
Rückkühlwerk betrieben werden, in dem Ventilatoren elektrische Energie benötigen. Die
Wärmemenge ist am größten, weil im Rückkühlkreis sowohl die Kälteleistung als auch die
Antriebsleistung abgeführt werden muss. Bei einstufigen Anlagen entspricht somit die
Rückkühlleistung dem (1+1/EERth)-fachen der Kälteleistung. Somit muss z.B. in einer 100 kW
Absorptionskältemaschine mit einem EERth von 0,7 eine Rückkühlleistung von 243 kW abgeführt
werden. Eine Kompressionskältemaschine der gleichen Kälteleistung, die einen EER von 3 aufweist,
muss hingegen nur 133 kW, also ca. 50 % der Rückkühlleistung abführen.
17
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Die häufigsten Rückkühlvarianten sind trockene und nasse Rückkühlwerke, die die Wärme an die
Umgebungsluft übertragen. Bei nasser Rückkühlung wird tendenziell weniger elektrische Energie
verbraucht, zudem kann eine niedrigere Kühltemperatur verglichen mit einer trockenen Rückkühlung
erreicht werden. Diese liegt zudem meist unter der Außentemperatur. Nachteilig sind hingegen der
Wasserverbrauch, die Aufbereitung und die teilweise Entsorgung des Wassers sowie gesundheitliche
Aspekte wie Legionellen, die sich bei falscher Betriebsführung im Wasser des Rückkühlers bilden
können.
Trockene Rückkühler haben zwar keine Legionellenproblematik, die erreichbaren
Kühlwassertemperaturen liegen aber stets über der Umgebungstemperatur und der Energiebedarf
ist höher. Zudem ist der Flächenbedarf für die Aufstellung zumeist höher, eine Wasserversorgung
und -entsorgung kann hingegen entfallen.
Eine weitere Möglichkeit für Rückkühlung von thermischen Kältemaschinen sind Schwimmbecken
oder Erdsonden. Ein Schwimmbecken, sofern vorhanden, stellt eine sehr gute Rückkühlmöglichkeit
dar, da es einen Wärmebedarf auf einem Temperaturniveau hat, welches für thermische
Kältemaschinen günstig ist. Zudem wird die Wärme einer Nutzung zugeführt, anstatt sie unter
Energieaufwand zu „entsorgen“. Aus diesem Grund werden Schwimmbecken gerne von Herstellern
von thermischen Kältemaschinen als Rückkühlmöglichkeit angeführt. Inwieweit diese Möglichkeit
vorhanden ist und der Wärmebedarf sich in zeitlicher und quantitativer Hinsicht mit dem
Energieangebot einer Ad-/Absorptionskältemaschine deckt, muss individuell beurteilt werden.
Eine Rückkühlung über Erdsonden ist vor allem dann interessant, wenn bereits Erdsonden für eine
Wärmepumpe vorhanden sind. Da im Heizfall Wärme aus dem Untergrund entzogen wird,
unterstützt die Wärmeabgabe einer thermischen Kältemaschine in den Untergrund die Regeneration
des Bodens und verhindert so eine langfristige Bodenauskühlung. Unter Umständen fällt das
Sondenfeld durch die aktive Bodenregenerierung sogar kleiner und somit kostengünstiger aus. Bei
einer Rückkühlung über Sonden kann zudem auch an sehr heißen Tagen eine niedrige
Rückkühltemperatur sichergestellt werden, da sich die Bodentemperatur ab 20 Meter Tiefe nur
langsam und geringfügig ändert, im Prinzip aber der durchschnittlichen Jahrestemperatur entspricht.
Inwieweit einer Wärmeabgabe in den Untergrund zulässig ist, ist vom Standort abhängig.
Die Rückkühlmöglichkeiten über ein Schwimmbecken oder eine Erdsonde sind aber nicht allein für
thermische Kältemaschinen einsetzbar, auch Kompressionskälteanlagen profitieren von den
günstigen Temperaturen sowie ggf. der Nutzung der Abwärme.
In realen thermischen Kältemaschinenkühlanwendungen sind häufig die hydraulischen Kreise von
Kalt-, Heiß- und besonders von Kühlwasser nicht optimal ausgeführt. Dies kann, insbesondere bei
Absorptionskälteanlagen kleinerer Leistung, so weit führen, dass der Hilfsenergiebedarf den
gesamten Energiebedarf einer konventionellen Kompressionskältemaschine übersteigt.
Ein weiterer Aspekt von thermischen Kältemaschinen ist das Regelungskonzept in Teillast. Ist der
elektrische EER in Volllast hoch, so kann er im Teillastbetrieb stark abfallen. Der Energieverbrauch
von Regelung und internen Pumpen ist annähernd konstant, allerdings normalerweise auch sehr
gering und somit in erster Näherung zu vernachlässigen. Wird aber die Regelung der externen
18
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Kreisläufe nicht optimiert, so wird unnötig elektrische Energie verbraucht. Der Energieverbrauch von
Pumpen und Ventilatoren ist theoretisch proportional zur dritten Potenz des Volumenstromes. Dies
gilt zwar nur bei einem konstanten Wirkungsgrad der Pumpen oder Ventilatoren über einen weiten
Betriebsbereich, es zeigt aber das Potenzial einer optimierten Regelung. So sollte im Teillastbetrieb
neben der Rücknahme der Antriebsleistung auch die Rückkühlseite betrachtet werden. Näheres
hierzu ist in Kapitel 4 beschrieben.
1.6.
Thermische Kälteanlagen mit Nennleistungen über 100 kW
Thermisch getriebene Kälteanlagen großer Leistung werden zum einen verwendet, um elektrische
Netze zu schonen, vor allem wenn die Anschlussleistung dauerhaft oder bei Lastspitzen den Betrieb
eines Kompressionskältekreislaufes nicht erlaubt. Zum anderen werden sie, in Kombination mit
Blockheizkraftwerken, zur Kälte-Grundlastversorgung unter Verwendung der KWK-Wärme im
Sommer benutzt. Wird die BHKW-Wärme nicht als Prozesswärme genutzt sondern als
Antriebswärme für Komfortklimatisierung mittels Sorptionskältemaschine, so gleicht in der
Übergangszeit bzw. im Sommer häufig ein entstehender Kältebedarf einen gleichzeitigen Rückgang
des Wärmebedarfs aus. Hierbei helfen Absorptionskältemaschinen, die Laufzeit des BHKW mit
Wärmeabnahme zu erhöhen und steigern somit dessen Wirtschaftlichkeit. Zudem werden Systeme,
in denen ein permanenter Kältebedarf herrscht, häufig mit der Kombination BHKW + AKM versorgt.
Am Flughafen München herrscht z.B. ein ganzjähriger Kältebedarf, um die Abwärme der
Gepäckförderanlagen abzuführen. Zudem wird Kälte für die Klimatisierung der Abfertigungshalle
benötigt. Hierbei stellt eine Absorptionskälteanlage in der Megawattklasse Kälte bereit. Die Kälte
wird hierbei sowohl als Prozesskälte benutzt als auch für Humanklimatisierung.
Eine weitere Anwendung sind Tiefengeothermieprojekte. Wird warmes Geothermiewasser mit
Temperaturen von ~80-90°C aus mehreren tausend Metern Tiefe an die Oberfläche gefördert, so
sollte das Wasser möglichst weit ausgekühlt werden, um den Pumpaufwand zu rechtfertigen. Hierbei
helfen Absorptionswärmepumpen dem Geothermiewasser zusätzliche Energie, d.h. Energie bei
einem Temperaturniveau unterhalb des Nutztemperaturniveaus, zu entziehen. Hierbei spricht man
zwar von Wärmepumpen, die Funktionsweise der Anlage ist aber dieselbe wie bei
Absorptionskältemaschinen. Diese Anlagen besitzen zumeist auch eine Leistung von einigen
Megawatt.
Bei der Firma Festo in Esslingen arbeiteten drei Adsorptionskältemaschinen mit je 350 kW
Nennkälteleistung in Kombination mit Abwärmenutzung aus der Produktion und einer thermischen
Solaranlage, um einen Bürogebäudekomplex zu kühlen. Hierbei dienen Gaskessel als Backup für die
Antriebswärme, falls Kühlbedarf vorliegt und die Abwärmeleistung und der Wärmeertrag der
Solarthermieanlage allein für den Betrieb der AdKM nicht ausreichen.
19
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Tabelle 2 - Auswahl einiger Anbieter von thermisch getriebenen Kälteanlagen im großen Leistungsbereich. Der Begriff „Serie“ bedeutet oft Fertigstellung gemäß
Serienmuster nach Auftragserteilung
Hersteller
Produkt
Kältemittel
/ Leistung
Lösungsmittel
EERTH
elektrische
Leistung
Status
Kosten
Druckverlust im Kalt-,
Kühl- & Heißwasserkreis
AGO (DE)
congelo
0,46
-
Serie
-
-
Broad (CN)
BDH
Ammoniak
/ 50-1000 kW
Wasser
Wasser / LiBr
>200 kW
0,75
>1,8 kW
Serie
-
-
Colibri (NE)
ARP-M
Ammoniak
Wasser
/ 15010000 kW
0-0,7
-
-
-
Carrier (USA)
RCH
Wasser / LiBr
0,71-0,72
1,1-5,3kW
-
Mattes
Absorptionstechnik (DE)
-
Ammoniak
Wasser
1581266 kW
/ >1000 kW
Spezialan
fertigung
en
Serie
0,2-0,6
-
Serie
-
540-590-490mbar 590-690-740mbar
-
Thermax (IN)
Prochill LT
Wasser / LiBr
0,67
1,8-6kW
Serie
-
Trane (USA)
ABSD
Wasser / LiBr
0,7-0,72
9,7-14,9kW
Serie
-
York (USA)
YIA
Wasser / LiBr
3502290 kW
20004800 kW
4204840 kW
0,72
9,7-13,5kW
Serie
-
MYCOM
ADR
Wasser / Zeolith
100-430 kW
0,52
-
Serie
-
Absorption
490-360-160mbar –
860-790-530mbar
600-370-/mbar 1290-1020-/mbar
210-270-/mbar
1080-840-/mbar
Adsorption
Mayekawa (JP)
20
-
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
1.7.
Offene sorptionsgestützte Klimatisierungsverfahren
Neben den geschlossenen thermischen Kälteerzeugungsverfahren gibt es auch einige offene
Prozesse. Diese werden zwar im Projekt EvaSolK nicht weiter behandelt, für einen vollständigen
Überblick über die thermisch getriebenen Kälte- bzw. Klimatisierungsprozesse sollen sie aber kurz
vorgestellt werden. Die Prozesse ähneln einander und eigenen sich insbesondere für Anlagen, bei
denen die Kühlung über das Medium Luft in einem Lüftungssystem (Zuluft-/Abluftsystem) erfolgt. Die
Begriffe, unter denen die Systeme nachfolgend vorgestellt werden, sind teilweise die firmen- bzw.
institutsspezifischen Bezeichnungen für ein Verfahrensschema bzw. einen Prozess. Das gleiche
Funktionsprinzip wird teilweise auch unter anderen Namen vertrieben bzw. beforscht.
DEC Systeme
Bei DEC (Desiccant and Evaporative Cooling) handelt es sich um Systeme zur Luftkonditionierung,
welche besonders dort eingesetzt werden können, wo entweder die Klimatisierung vollständig über
das Medium Luft erfolgt, oder wo eine kontrollierte Luftzufuhr und Luftabfuhr vorhanden ist. Diese
Zuluft wird dann entfeuchtet und gekühlt. Der Haupteffekt der DEC-Systeme liegt in der Behandlung
der latenten Kühllasten, also der Zuluftentfeuchtung. Die sensiblen Kühlleistungen sind in der Regel
begrenzt, da diese durch direkte oder indirekte adiabate Verdunstungskühlung erzeugt werden.
Daher kann eine Kombination mit zusätzlichen Flächenkühlsystemen, die mit hohen
Kaltwasservorlauftemperaturen betrieben werden, erforderlich sein.
Bei den DEC-Systemen wird zwischen Feststoffsorptionssystemen mit Sorptions- sowie
Wärmeübertragerrotor und Flüssigsorptionssystemen unterschieden. Bei beiden Systemen erfolgt
eine Trennung der beiden Prozessschritte sorptive Entfeuchtung und Kühlung. Bei rotorbasierten
Systemen (siehe Abbildung 5) durchströmt die zu klimatisierende Luft zunächst den sich langsam
drehenden Sorptionsrotor, der das Sorptionsmittel enthält. In diesem Prozessschritt wird die Luft
entfeuchtet, jedoch kommt es gleichzeitig zur Erwärmung der Luft. Im nächsten Schritt wird die
Wärme mittels eines Wärmeübertragerrotors von der Zuluft- auf die Abluftseite übertragen. Die
Abluft wurde bereits durch eine Befeuchtung bis zur Sättigungsgrenze gekühlt, um das maximale
Kühlpotenzial des Wärmeübertragers auszunutzen (indirekte Verdunstungskühlung). Falls notwendig,
kann in einem nachgeschalteten Prozessschritt die Zuluft durch weitere Verdunstungskühlung auf
das gewünschte Temperaturniveau abgekühlt und gleichzeitig befeuchtet werden. Beim DEC System
mit dem Funktionsprinzip Flüssigsorption (siehe Abbildung 6) wird die Zuluft erst mittels eines
Sorptionsmittels, welches über einer Füllkörperkolonne bzw. über einem Wabenkörper verrieselt
wird, entfeuchtet. Dadurch steigt die Temperatur der Luft an. Anschließend wird die erwärmte Zuluft
über einen Gegenstromwärmetauscher gegen Abluft rückgekühlt. Dabei kann die getrocknete Zuluft
Temperaturen nahe der Abluft erreichen, ist aber trockener als diese. Wird die Abluft mit
Wasserverdunstung gekühlt, bevor sie den Gegenstromwärmetauscher passiert, so kann die Zuluft
auf Werte unter der ungekühlten Abluft abgekühlt werden. Wie auch bei den Rotorsystemen kann
die Zuluft, nachdem sie den Wärmetauscher zur Abluft passiert hat, durch Verdunstungskühlung
temperiert werden. Dabei steigt zwar die Luftfeuchte an, aber die Temperatur wird verringert. Bei
beiden DEC Systemen muss das Sorptionsmittel mittels Wärmezufuhr regeneriert werden. Dieser
Prozessschritt ist in keiner der beiden Abbildungen dargestellt.
21
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Feuchterad
Wärmerad
Sprühbefeuchter
Fortluft
Abluft
Regenerations -WT
Frischluft
Zuluft
Abbildung 5 - DEC System mit Sorptions- und Wärmerad und Befeuchtung der Zuluft
Gegenstromwärmeübertrager Sprühbefeuchter
Fortluft
Abluft
Frischluft
Zuluft
Füllkörperkolonne
Abbildung 6 – DEC-Flüssigsorptions-System mit Gegenstromwärmeübertrager und Befeuchtung der Abluft
ECOS System
Unter dem Begriff ECOS (Evaporatively COoled Sorptive Heat Exchanger) wird vom Fraunhofer ISE ein
System beschrieben, welches auf der Anwendung eines zuluftseitig sorptiv beschichteten
Kreuzstrom-Luft-Luft-Wärmeübertragers basiert. Die Zuluft wird beim Passieren des
Wärmeübertragers durch den Kontakt mit dem Sorptionsmittel entfeuchtet. Die dabei frei werdende
Sorptionswärme wird auf die Abluftseite des Wärmeübertragers übertragen, von der
durchströmenden Abluft aufgenommen und mit der Abluft an die Umgebung abgegeben. Durch
Verdunstungskühlung auf der Abluftseite wird der Effekt soweit verstärkt, dass eine Kühlung der
Zulufttemperatur erfolgt und deren Temperatur unter der Außenlufttemperatur liegt. Dies führt
gleichzeitig zur Kühlung des Sorptionsprozesses und damit zu einer Erhöhung der
Entfeuchtungsleistung. Im Prinzip handelt es sich um einen Festbett-Adsorptionsprozess, der analog
zu geschlossenen AdKM zur Regeneration des Sorptionsmittels taktend betrieben werden muss.
Zurzeit wird das Verfahren in Pilotanlagen getestet. Das Verfahren zielt auf den
Klimatisierungsbereich im eher kleinen Luftvolumenstrombereich < 1000 m³/h.
22
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Quelle: Fraunhofer ISE
Abbildung 7 - Funktionsprinzip ECOS nach Bongs
2
Da eine zyklische Regeneration des sorptiv beschichteten Wärmeübertragers erforderlich ist, sind für
einen kontinuierlichen Klimatisierungsprozess zwei Wärmeübertrager notwendig, von denen
wechselweise einer die Klimatisierung übernimmt, während der andere gerade mit warmer Luft
regeneriert wird.
EAC System
Eine weitere Möglichkeit zur Klimatisierung bietet EAC (Evaporative Air Conditioning). Hierbei wird
zwischen direkter (siehe Abbildung 8) und indirekter (siehe Abbildung 9) Verdunstungskühlung
unterschieden. Bei der direkten Variante wird die Zuluft direkt durch Verdunstung gekühlt. Allerdings
wird dabei gleichzeitig die Luftfeuchte der zugeführten Luft erhöht. Bei indirekter
Verdunstungskühlung wird Außen- bzw. Abluft angesaugt, und durch den Verdunstungseffekt
abgekühlt. Anschließend nimmt die gekühlte Luft in einem Luft-Luft-Wärmetauscher Wärme von
frischer Zuluft auf. Dadurch wird die Zuluft nicht weiter befeuchtet. Das System kommt ohne
Sorptionsmittel aus. Deshalb ist hierfür auch keine Wärmequelle zur Regeneration nötig, es wird
lediglich Energie für Wasserpumpen und Ventilatoren sowie das Wasser selbst benötigt. Entfeuchtet
werden kann die Zuluft aber nicht. In einem trocknen Klima kann dies aber ausreichend sein, um
kühle Luft mit behaglichen Luftfeuchten bereitzustellen. Dabei ist der Energieverbrauch niedrig,
allerdings ist Wasser nötig.
2
Constanze Bongs, Performance Analysis and Model Validation of the ECOS heat exchanger, Presentation
th
slides, Otti 4 International Conference Solar Air Condition, Zypern 2011
23
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Sprühbefeuchter
Zuluft
Frischluft
Abbildung 8 - Funktionsschema des EAC Systems mit direkter Luftkühlung
Sprühbefeuchter
Fortluft
Abluft
Frischluft
Zuluft
Abbildung 9 - Funktionsschema des EAC Systems mit indirekter Luftkühlung
Membranentfeuchtung
Die Membranentfeuchtung ist für sich genommen nicht lauffähig, sie kann nur Luftentfeuchtung und
Luftkühlung unterstützen. Ist in einem Raum bereits gekühlte (und getrocknete) Luft vorhanden, so
unterstützt ein Membranwärmetauscher die eigentliche Luftkonditionierung. Dazu wird die trockene
und kühle Abluft an einem Membranwärmetauscher, der für Luftfeuchte durchlässig ist,
vorbeigeführt. Auf der Sekundärseite strömt warme, feuchte Luft am Wärmetauscher vorbei und
wird so vorkonditioniert. Zum einen wird ein Teil der Wärme an die kühlere Luft übertragen, zum
anderen sorgt auch der höhere Dampfdruck dafür, dass Luftfeuchtigkeit durch die Membran
diffundiert und von der trockenen Fortluft aufgenommen wird. Das Prinzip funktioniert nur, wenn die
Fortluft trockner und kälter ist als die Zuluft. Dann aber wird durch die Vorkühlung und
Vorentfeuchtung die eigentliche Luftkonditioniereinheit entlastet.
Membranwärmetauscher
Wärme- und Feuchteübertragung
Fortluft
Abluft
Zuluft
Frischluft
Abbildung 10 - Funktionsschema der Membranentfeuchtung
24
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Der kurze Überblick über die offene Sorptionstechnik soll nur der Abrundung des Themas solare
Klimatisierung dienen. Nachfolgend wird ausschließlich auf geschlossene Ab- und
Adsorptionskälteanlagen eingegangen. In Tabelle 3 wird eine Auswahl an Anbietern dargestellt,
welche offene und teilweise sorptive Klimatisierungssysteme anbieten.
Tabelle 3 - Auswahl einiger Anbieter von offenen (sorptionsgestützten) Klimatisierungssystemen
Hersteller
Seven Air Gebr. Meyer AG (CH)
Produktbezeichnung
RECOCOOL
Funktionsprinzip
EAC indirekt
Menerga (DE)
Sorpsolair Typ 72/73
DEC indirekt
HUMID-OFF
DEC +
Kompressionskühlung
AL-KO (DE)
SEW GmbH (DE)
EAC direkt
robatherm (DE)
"Sorptionstechnik"
DEC direkt / indirekt
Fläkt Woods Group (CH)
ECONET
EAC indirekt + KVS
Imtech (DE)
System Imtech
EAC indirekt + KVS
Siegle + Epple (DE)
-
DEC direkt / indirekt
Klingenburg (DE)
CERTO
EAC indirekt
Condair GmbH (DE)
SH2
EAC indirekt
25
Luftleistung [m³/h]
3.000-24.000
2.900-15.000
5.000-50.000
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
2. Praxisdaten Absorption / Adsorption
In diesem Kapitel soll auf die Praxisdaten einiger Absorptions- / Adsorptionskälteanlagen
eingegangen werden, die in realen Anlagen im Feld vermessen werden. Dabei soll zunächst
veranschaulicht werden, dass der Vergleich von verschiedenen Anlagen sehr schwierig ist, da das
umgebende System immer verschieden ist. Dazu werden die Leistungsdaten der gleichen
Absorptionskälteanlage in zwei verschiedenen Anwendungen verglichen und die unterschiedlichen
Leistungswerte diskutiert. Damit soll der reine Systemeinfluss veranschaulicht werden, da es sich bei
der Kältemaschine ja um das gleiche Modell handelt. Anschließend werden die Ergebnisse aus dem
„IEA Task 38 Solar Air –Conditioning and Refrigeration“ vorgestellt. Auch dort ist eine große Varianz
hinsichtlich der erreichten Effizienzwerte zu verzeichnen. Auch wenn durch die Anzahl der Anlagen
keine stochastische Relevanz vorliegt, so lässt sich anhand der Anzahl an vermessenen Systemen
aber eine Grundtendenz erkennen.
Zunächst wird die Absorptionskältemaschine „Suninverse“ (10kW Nennkälteleistung), die bis etwa
2008 von der Firma Sonnenklima (vormals Phönix Sonnenwärme) angeboten wurde, in zwei
verschiedenen Anwendungen betrachtet und es werden die jeweiligen Leistungsdaten miteinander
verglichen. Eine der Absorptionskältemaschinen wird am ZAE Bayern für Bürokühlung eingesetzt. Die
Antriebswärme stammt dabei von thermischen Solarkollektoren. Die andere betrachtete SuninverseMaschine wurde im Rahmen des Projektes PolySMART für die Kühlung eines Ausstellungsraumes bei
einem Heizungsinstallateur vermessen. Diese AbKM wurde hierbei mit der Wärme eines BHKWs
angetrieben. Auch wenn im Projekt EvaSolK der Fokus auf solarer Klimatisierung liegt, soll dieser
Vergleich angestellt werden, da es für die Absorptionskältemaschine unerheblich ist, welchen
Ursprung die antreibende Wärme hat.
Die Absorptionskältemaschine am ZAE Bayern ist seit mehreren Jahren Bestandteil der
Gebäudekühlung. Die Systemtechnik für den Betrieb der Absorptionskältemaschine wurde
permanent optimiert, um einen energieeffizienten Betrieb sicherzustellen. Neben einem innovativen
Rückkühlsystem, bei dem ein trockener Rückkühler von einem Latentwärmespeicher (PCM-Speicher,
engl. phase change material) unterstützt wird, sind alle Umwälzpumpen als Hocheffizienzpumpen
ausgeführt. Die Verrohrung wurde großzügig dimensioniert, sodass sich die hydraulischen Verluste
im System in Grenzen halten. Die erzeugte Kälte wird für ein Flächenkühlsystem verwandt, wodurch
vergleichsweise hohe Kaltwasservorlauftemperaturen ermöglicht werden. Diese liegen üblicherweise
bei 15°C.
Durch die günstigen Bedingungen und nach Optimierung der elektrischen Antriebe erreichte die
Absorptionskältemaschine beispielsweise im Sommer 2012 im Monatsmittel eine thermische
Arbeitszahl von 0,67 sowie eine elektrische Arbeitszahl von 9,9. Tagesmittelwerte bei hoher
Anlagenauslastung lagen teilweise über 0,7 für die thermische Arbeitszahl und über 12 für die
elektrische Arbeitszahl. Für den elektrischen Verbrauch werden neben dem Stromverbrauch der
Absorptionskältemaschine selbst sämtliche Energieverbraucher im Rückkühlkreis (Pumpen,
Ventilatoren) betrachtet. Ebenso werden die Pumpen für den Antrieb der Anlage in die Bilanz mit
einbezogen, sowohl primär als auch sekundärseitig, also sowohl die Pumpe für das Heißwasser im
26
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Antriebskreis der AKM, als auch die primäre Solarpumpe im Wasser-Glykolkreis der Solaranlage.
Besonders hervorzuheben ist hierbei die hohe elektrische Arbeitszahl, die den Energieverbrauch für
die Kälteerzeugung, verglichen mit einer konventionellen Kälteerzeugung, in etwa um 70% senkt.
Die baugleiche Absorptionskälteanlage wurde auch im Projekt Polysmart in einer BHKW Anwendung
vermessen. Die erreichten Arbeitszahlen sind in dieser Anwendung wesentlich geringer.
Während der Vermessung traten im Wesentlichen drei Erkenntnisse zu Tage.
Zum einen wurde festgestellt, dass die Absorptionskältemaschine mehrere Leckagen hatte, was zu
einem Anstieg der Inertgase in der Anlage führte. Dies wirkte sich insbesondere nach längeren
Stillstandszeiten der Kältemaschine aus, da im Betrieb die Inertgase teilweise wieder durch das
Purgesystem abgesaugt werden. Da die Suninverse Kältemaschine nur in Vorserie bzw. Kleinstserie
produziert wurde, war die Fertigungsqualtität und Erfahrung vermutlich nicht groß genug, die
Leckagen bei der Produktion zu entdecken bzw. beim Bau auszuschließen. Zudem konnten die
Leckagen durch die Herstellerfirma nicht behoben werden. Auch wenn die Inertgase im Betrieb
teilweise wieder abgesaugt wurden, so trugen sie doch dazu bei, dass der nominale thermische EER
der Kältemaschine nicht erreicht wurde.
Als zweites Problem wurden geringe Heizwassertemperaturen im Antriebskreis der
Absorptionskältemaschine identifiziert. Da die Anlage in ein bestehendes System integriert wurde,
konnte auf die Antriebstemperaturen kaum Einfluss genommen werden. Das BHKW erzeugt zwar in
seinem Kühlwasser durchaus Temperaturen, die für den Betrieb der AKM ausreichend sind, da aber
nachgeschaltete Puffer und eine komplexe Hydraulik das Temperaturniveau deutlich absenkten,
waren am Eintritt der AKM keine ausreichend hohe Temperaturen im Heizwasser mehr vorhanden.
Eine Anhebung des gesamten Temperaturniveaus, so dass die AKM Antriebstemperatur noch
ausreichend hoch wäre, war nicht möglich, da das BHKW aufgrund einen Schutzschaltung bei zu
hohen Kühlwassertemperaturen abschaltete. Prinzipiell ist die AKM zwar für Teillastbetrieb geeignet
und erreicht auch gute Effizienzwerte, siehe auch [Kühn 2005]3. Das niedrige Temperaturniveau im
Antrieb führte allerdings zu einem derart niedrigen Teillastbetrieb, das sich eine Verminderung der
Effizienz, also des thermischen EER, einstellte. Aufgrund der verringerten Kälteleistung konnte die
Kältelast teilweise nicht vollständig gedeckt werden. Die verringerte Effizienz führte auch zu einem
erhöhten spezifischen Rückkühlbedarf der Absorptionskältemaschine.
Die dritte und gesamtenergetisch wichtigste Erkenntnis war der hohe parasitäre Energieverbrauch im
Rückkühlkreis. Die trockenen Rückkühler erfüllten ihre Anforderungen gemäß den Erwartungen. Die
hydraulische Verrohrung zwischen AKM und Rückkühler war allerdings sehr knapp dimensioniert,
wodurch eine hohe Pumpleistung notwendig wurde. Durch eine Umplanung der Position von
Rückkühlern und AKM verlängerten sich die notwendigen Rohrleitungslängen zusätzlich, wodurch
der Pumpaufwand weiter stieg. Durch die verminderte Effizienz und die daraus resultierende erhöhte
Rückkühlleistung wurde der Rückkühlkreis weiter belastet.
Die Auswirkungen der zuvor genannten Auffälligkeiten finden sich in den Messdaten wieder. Die
erzeugte Kaltwassertemperatur lag typischerweise über 15°C, teilweise sogar über 18°C. Dabei
erreichte die AKM Kälteleistungen von ca. 2-5 kW, was weniger als der Hälfte der Nominalleistung
entspricht. In den Monaten Juli – September 2009, in denen die AKM die meiste Kälte lieferte, lag die
3
Annett Kühn: OPERATIONAL RESULTS OF A 10 kW ABSORPTION CHILLER
FOR LOW-GRADE DRIVING HEAT; Paper: International Sorption Heat Pump Conference, 2005
27
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
thermische Monatsarbeitszahl bei 0,5-0,6. Die elektrische Monatsarbeitszahl der AKM ohne
Rückkühlkreis lag in diesem Zeitraum bei ca. 15. Die elektrische Arbeitszahl des gesamten Systems
hingegen erreichte kaum mehr als 2. Details hierzu sind nachzulesen in [Núñez, 2010]4
Diese Messergebnisse verdeutlichen zwei wichtige Punkte:
Der gleiche Typ Kältemaschine erreicht in zwei verschiedenen Anwendungen unterschiedliche
Kälteleistung und Effizienzwerte. Die Leckagen in der AKM sind vermutlich teilweise durch die
Kleinserienfertigung bedingt, da der Hersteller so weder eine große Erfahrung aufbauen noch die
Fertigung angemessen überwachen konnte. Da selbst bei einer optimierten Serienfertigung Fehler
passieren können, ist es nötig, dass zumindest eine spätere Reparatur durch den Hersteller möglich
ist.
Der zweite, für allgemeine Anwendungen wichtigere Punkt ist eine gute Systemplanung. Wird eine
AKM in ein bestehendes System eingebaut, so ist eine gute Einbindung unerlässlich. Dies beginnt bei
ausreichenden Rohrdimensionierungen und geringen Druckverlusten in den wasserführenden
Leitungen und kann bis zu nötigen Umbauarbeiten im Bestandssystem führen. Stimmt das System
nicht mit den Anforderungen der AKM überein, so können Minderleistung, Effizienzverluste und ein
hoher externer Hilfsenergiebedarf die Folge sein. Im ausgeführten Beispiel ist der elektrische
Energieverbrauch derart hoch, dass die eingesetzte AKM keinerlei Primärenergieeinsparung
gegenüber einem konventionellen Kompressionskältesystem erzielen kann, sondern sogar mehr
Energie verbraucht.
Anhand dieses Beispiels wurde aufgezeigt, welche Herausforderungen bereits im Vergleich von zwei
baugleichen Absorptionskältemaschinen im realen Betrieb entstehen können. Nachfolgend wird auf
die wichtigsten Ergebnisse des IEA-SHC (International Energy Agency – Solar Heating and Cooling)
TASK 38, Subtask A, eingegangen.
Im Rahmen des IEA-SHC TASK 38 wurden mehrere solare Klimatisierungs- bzw. Kühlsysteme in
Feldtests vermessen. Von elf Systemen liegen Messdaten bezüglich der thermischen Leistungen vor.
Die elektrische Leistungsaufnahme wird in den unterschiedlichen Anlagen mit verschiedener
Auflösegenauigkeit aufgezeichnet, d.h. bei einigen Systemen kann der elektrische EER der
thermischen Kälteanlage einzeln gebildet werden, die meisten Systeme messen hingegen nur den
elektrischen Hilfsenergiebedarf des Gesamtsystems. Die elf Systeme bilden ein breites Spektrum der
verschiedenen thermischen Kälteerzeuger im kleinen Leistungsbereich ab. Es werden sowohl Ad- als
auch Absorptionskältemaschinen vermessen. Bei den AdKM wird durchweg Silikagel als
Arbeitsmedium verwendet, bei den AbKM kommt sowohl das Stoffsystem Wasser/wässrige
Lithiumbromidlösung als auch Ammoniak/Wasser zum Einsatz.
Neun von elf vermessenen thermischen Kälteerzeugern erreichen thermische Kältearbeitszahlen von
0,5 - 0,7. Die beiden Systeme, deren Arbeitszahlen unter 0,5 liegen, werden unter anspruchsvollen
4
Dr. Thomas Núñez: POLYgeneration with advanced Small and Medium scale thermally driven Air-conditioning
and Refrigeration Technology; Abschlussbericht Demonstrationsanlagen im Projekt Polysmart; 2011
http://www.polysmart.org ; Call: FP6-2004-TREN-3
28
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
externen Bedingungen betrieben. Eine Anlage wird mit Antriebswärme auf niedrigem
Temperaturniveau versorgt, die andere arbeitet aufgrund ihres warmen Umgebungsklimas und des
trocknen Rückkühlers bei einem ungünstigen Rückkühltemperaturniveau.
Die elektrische Kältemonatsarbeitszahl, welche den gewichteten Mittelwert des elektrischen EER
Wertes über jeweils einen Monat darstellt, kann bei vier Systemen rein für den Kälteerzeuger
angegeben werden. Dabei schwanken die Werte für die Absorptionskältemaschinen in etwa
zwischen 15-40, eine Adsorptionskältemaschine erreicht sogar Werte bis über 140. Die Werte
können allerdings nur bedingt miteinander verglichen werden. Bei der Adsorptionskältemaschine
werden systembedingt keine inneren Pumpen benötigt, die externen Pumpen werden anderweitig
mit Energie versorgt. Somit wird hier elektrische Energie nur für die Regelungstechnik benötigt.
Bei einer Absorptionskältemaschine bezieht die externe Heißwasserpumpe ihre elektrische Energie
von der Kältemaschine, somit sind die Voraussetzungen für diesen Vergleich nicht identisch.
Die elektrische Kältemonatsarbeitszahl des gesamten Systems Kälteerzeuger, in der neben der
Kältemaschine auch sämtliche parasitäre elektrische Verbraucher wie Umwälzpumpen und
Rückkühleinheit inkludiert sind, liegt für sieben Anlagen vor. Die elektrischen Kältearbeitszahlen sind
nun deutlich niedriger als bei der Betrachtung der reinen Kälteerzeuger und liegen zwischen 2 und 8.
Einige Anlagen erreichen Werte über 5 bis 6, was eine deutliche Einsparung an Primärenergie,
verglichen mit einem konventionellen Kompressionskaltwassersatz, bedeutet. Ein System erreicht
Kältemonatsarbeitszahlen zwischen 3 und 4; ein guter Kompressionskaltwassersatz kann ebenfalls
solche Werte erreichen. Ein weiteres System liegt bei Kältearbeitszahlen bis maximal 2. Ein solches
System verbraucht sogar mehr Energie als eine konventionelle Kälteversorgung und kann so keine
Primärenergie einsparen.
Letztlich soll noch eine weitere Kältemonatsarbeitszahl - nämlich die des Gesamtsystems solare
Kühlung – verwendet werden. Diese unterscheidet sich von der Kältemonatsarbeitszahl des
Kälteerzeugersystems hauptsächlich darin, dass der Energiebedarf der Solarpumpen mit in die
Bilanzierung aufgenommen wird. Für diese Betrachtung konnten zehn Anlagen für die Auswertung
herangezogen werden. Die Werte verringern sich gegenüber der vorherigen Kältemonatsarbeitszahl
abermals. Es bildet sich eine Häufung bei Werten von 4,5 - 5 heraus, wobei zwei Anlagen sogar Werte
von 6 - 7 erreichen. Auf der anderen Seite weisen nun sogar drei Systeme Werte von 2 - 3 auf, so
dass sich ein Gleichstand mit bzw. sogar ein Mehrverbrauch gegenüber konventionellen
Kälteerzeugern ergibt.5
Die Erkenntnisse des Tasks 38 zeigen, dass bereits einige der thermisch getriebenen solaren
Kälteerzeuger elektrische Arbeitszahlen aufweisen, die über denen von konventionellen
Kälteerzeugern liegen. Zudem werden bereits Arbeitszahlen erreicht, die in etwa doppelt so hoch
liegen wie die der Referenztechnologie Kompressionskältetechnik. Potenzial für weitere
Verbesserungen ist noch vorhanden. Dieses liegt hauptsächlich in der Verringerung der parasitären
Energieverbräuche des Gesamtsystems, insbesondere des Energieverbrauches der Rückkühlung.
5
Dagmar Jähnig und Alexander Thür; IEA Task 38 SHC - Monitoring Results; Abschlussbericht; September 2011;
www.iea-shc.org
29
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Ebenso wie Kompressionskälteanlagen benötigten auch thermisch angetriebene Kälteerzeuger
Wartung und Instandhaltung. Zu den regelmäßigen Kontrollen gehört der Behälterdruck,
insbesondere nach längeren Betriebspausen wie beispielsweise einer Kühlpause im Winter. Ggf.
muss der Innendruck auf den erforderlichen Nenndruck abgesenkt werden, dazu müssen mittels
einer Vakuumpumpe Inertgase aus dem Behälter abgesaugt werden. Bei längeren
Betriebsunterbrechungen können die Apparate auch mit Stickstoff auf einen Druck leicht oberhalb
des Atmosphärendruckes befüllt werden. Dadurch wird Korrosion durch eindringenden
Luftsauerstoff verhindert. Während des Anlagenstillstands kann durch die Undichtigkeiten der
Behälter etwas Stickstoff entweichen, der Überdruck bleibt aber bestehen. Für eine erneute
Inbetriebnahme muss der Behälter in jedem Fall zuvor evakuiert werden, um das Stickstoffgas zu
entfernen. Abgesehen von den Druckkontrollen sind keine weiteren regelmäßigen Wartungen nötig.
Je nach Ausstattung bzw. Leistungsklasse der thermischen Kältemaschine ist eine Vakuumpumpe
teilweise integriert. Dadurch wird die Druckhaltung erleichtert, allerdings ist der Betrieb der
Vakuumpumpe zumeist nicht automatisiert. Ist eine Vakuumpumpe integriert, so muss das Öl der
Pumpe von Zeit zu Zeit getauscht werden. Bei Absorptionskältemaschinen mit dem Arbeitsmittelpaar
Wasser/wässrige Lithiumbromidlösung kann sich im Laufe des Betriebs Salzlösung im Verdampfer
anreichern. Da die Funktion des Verdampfers mit steigendem Salzgehalt zurückgeht, muss das
Kältemittel des Verdampfersumpfes bei Bedarf in den Absorbersumpf zurückgepumpt werden. Dazu
muss zunächst die Notwendigkeit dafür erkannt werden, die Rückspülung selbst ist zumeist einfach,
erfordert aber einen manuellen Eingriff. Zusätzlich können bei Absorptionskältemaschinen Proben
der Lösung gezogen werden, um den Gehalt an Additiven für einen besseren Absorptionsprozess und
an Korrosionsinhibitoren zu überprüfen. Bei Adsorptionskältemaschinen entfallen sowohl eine
Lösungskontrolle als auch ein mögliches Rückspülen des Kältemittels, da eine Verunreinigung des
Kältemittels konstruktionsbedingt nicht auftritt. Eine Anlagenüberwachung, wie sie bei
Kompressionskältemaschinen mit größeren Füllmengen Kältemittel vorgeschrieben ist, entfällt
hingegen. Da thermische Kältemaschinen weniger verbreitet sind als Kompressionskältemaschinen,
ist der nötige Arbeitsablauf bei der Wartung von thermischen Kältemaschinen nicht jedem
Kältetechniker bekannt. Dies kann unter Umständen den Einsatz von speziell geschulten Fachleuten
nötig machen.
30
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
3. Entwicklungspotenzial Apparatetechnik
3.1.
Entwicklungspotenzial Absorptionstechnik
Thermischer und elektrischer EER
Bei einstufigen Absorptionskälteanlagen ist der thermische EERth bereits nahe am theoretischen
Maximum. Der maximal erzielbare EERth in einer Absorptionskältemaschine ist durch das
Lösungsmittel begrenzt und definiert zu EERth=r/(r+l). Dabei ist r die spezifische Verdampfungswärme
des Kältemittels und l die spezifische Lösungswärme des Arbeitsmittels. Für wässrige
Lithiumbromidlösung ergibt sich so, abhängig von der Temperatur und Konzentration der Lösung, in
etwa ein maximaler EERth=2380/(2380+170)=~0,93.
Die realen EERth liegen bereits bei 0,7 – 0,75, unter Laborbedingungen werden 0,8 erreicht. Somit ist
das reale Wärmeverhältnis bereits nahe am theoretischen Maximum. Inwieweit hier weiter optimiert
wird bzw. weiter optimiert werden sollte, ist momentan nebensächlich, da die real erzielbaren
Verbesserungen marginal sind. Denkbar ist hingegen, dass der EERth in Teillast optimiert wird. Hierbei
sind auf Seite der Apparatetechnik vor allem die Lösungswärmetauscherverluste zu nennen.
Üblicherweise wird durch die Lösungspumpe ein fester Volumenstrom an Lösung vom Absorber zum
Desorber gefördert. Sinkt die Leistung der Maschine von Voll- auf Teillast, so bleibt die
Berieselungsstärke konstant, die Ausgasungsbreite (d.h. die Differenz der Lösungskonzentration
zwischen armer und reicher Lösung) nimmt ab. Die Wärme, mit der die Lösung im Desorber bis zum
Siedezustand erwärmt werden muss, bleibt konstant. Bei sinkender Kälteleistung bewirkt dieser
Wärmeeinsatz für die Vorwärmung der Lösung vor der Desorption infolge der unvollständigen
Wärmeübertragung im Lösungswärmetauscher eine zunehmende Verminderung der thermischen
Kältezahl (EER) gegenüber dem Volllastbetrieb. Wird die Lösungspumpe drehzahlregelbar ausgeführt,
so kann der Lösungsmassenstrom reduziert werden. Dadurch wird die Ausgasungsbreite
aufrechterhalten und die Lösungswärmetauscherverluste sinken. Zudem ist der Energiebedarf der
Lösungspumpe geringer. Diese Betriebsweise ist aber nur in gewissen Grenzen durchführbar. Mit
geringerem
Lösungsmassenstrom
nimmt
auch
die
Berieselungsdichte
der
Rohrbündelwärmeübertrager,
der
dominanten
Wärmeübertragerbauform
von
Absorptionskältemaschinen, ab. Bei einer geringeren Berieselungsdichte steigt die Gefahr von
unvollständiger Benetzung, d.h. ungenützter Wärmeübertragerfläche. Dies hätte wiederum einen
schlechteren EERth zur Folge. Bei Absorptionskälteanlagen mit Umlaufverdampfer kann ebenfalls der
Verdampferumlauf reduziert werden, allerdings ist die Reduktion aus den gleichen Gründen wie
beim Lösungsmassenstrom beschränkt. Allerdings kann, solange minimale Umlaufmengen der
Lösung bzw. des Kältemittels im Verdampfer nicht unterschritten werden, davon ausgegangen
werden, dass die ungenutzten Wärmetauscherflächen gering sind, so dass die dadurch zu
erwartenden Nachteile von den Vorteilen bezüglich Hilfsenergieeinsparung und verringerten
Lösungswärmetauscherverlusten überkompensiert werden.
Da der thermische EER nur noch wenig Optimierungspotenzial verspricht, sollte das Augenmerk
besonders auf die Verbesserung des elektrischen EER gelegt werden. Dies ist wichtig, da einige
ausgeführte Absorptionskälteanlagen, insbesondere im kleineren Leistungsbereich (10-100 kW),
31
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
teilweise genauso viel elektrische Energie verbrauchen wie konventionelle Kaltwassersätze. Einen
großen Teil zu einem verbesserten EERel können die Regelungstechnik und die externen
Komponenten beitragen. Die Optimierung der Regelungstechnik wird in Kapitel 4 behandelt. Bei den
externen Komponenten ist zuerst auf die Verwendung von hocheffizienten Elektromotoren in
Pumpen und Ventilatoren zu achten. Hocheffizienzpumpen bzw. –Ventilatoren verbrauchen zum Teil
weniger als 50% der Energie einer konventionellen Pumpe bzw. eines Ventilators.
Der Druckverlust der externen Verrohrung muss sorgfältig geplant und ein druckverlustoptimiertes
Rückkühlwerk gewählt werden. Aber auch an den Absorptionskältemaschinen selbst kann Energie
gespart werden, in dem das Wärmetauscherbündel bezüglich des Druckverlustes optimiert wird. Zum
einen ist die Optimierung der Rohranzahl, des -durchmessers und der –länge zu nennen, zum
anderen auch die Umlenkung (Wasserkasten/Rohrbögen), die Aufteilung auf Pässe und Stränge und
die Verschaltung der Hauptkomponenten zueinander.
Abbildung 11 - Druckverlust verschiedener AKMs inklusive des elektrischen Hilfsenergiebedarfs für
Steuerung und interne Pumpen
In Abbildung 11 ist der Druckverlust einiger AKMs aus Tabelle 1 aufgetragen. Die Bezeichnung setzt
sich aus einem Kürzel für den Typ und die Nennkälteleistung zusammen. Dabei steht „S“ für
Serienprodukt, „SN“ für seriennahes Produkt, „P“ für Prototyp und „EP“ für Entwicklungspotenzial.
H1 – H8 steht für jeweils einen Hersteller.
Der Druckverlust variiert nicht zwangsläufig über die Anlagengröße, dies ist in Abbildung 11 auch gut
zu sehen. Der spezifische Hilfsenergiebedarf nimmt mit steigender Kälteleistung zuerst ab und
erreicht dann einen relativ konstanten Wert von ca. 4 W/kW. Allerdings wird dieser Wert sogar schon
von der Anlage SH4 mit 18 kW Kälteleistung erreicht. Dabei muss beachtet werden, dass bei diesem
Energiebedarf nicht die Pumpenergie für die externen Wasserkreise inkludiert ist sondern lediglich
die Energie für Lösungspumpen und Kältemittelpumpen sowie Steuerelektronik. Neue Prototypen in
der 50 kW Klasse halbieren diesen Wert nochmals. Das Entwicklungspotenzial lässt vermuten, dass
32
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
dieser Wert auf ca. 1 W/kW Nennkälteleistung reduziert werden kann, sofern die Nennleistung nicht
unter 50 kW sinkt. In der Klasse von 10-50 kW sind 2-4 W/kW erreichbar.
Der Pumpaufwand wird zum einen vom Volumenstrom, zum anderen vom Druckverlust bestimmt.
Ein hoher Volumenstrom ist tendenziell für den EERth günstig, da er eine geringere
Temperaturspreizung und einen besseren Wärmeübergang zur Folge hat.
Abbildung 12 - Volumenstrom verschiedener AKMs
In Abbildung 12 ist der relative Volumenstrom dargestellt, mit dem die verschiedenen
Absorptionskälteanlagen betrieben werden. Die Anlagen des Herstellers H6 und H7 haben annähernd
konstanten relativen Volumenstrom. Dies liegt daran, dass es sich bei diesen AKMs um jeweils einen
Anlagentyp eines Herstellers handelt, der lediglich in der Leistungsgröße variiert. Eine
Potenzialabschätzung bezüglich des spezifischen Volumenstromes vorzunehmen ist nicht zielführend,
da dieser normalerweise kein Auslegungskriterium darstellt. Bezüglich des thermischen EER Wertes
sind 0,8 möglich. Ob darüber hinaus noch weitere Erhöhungen umgesetzt werden, ist fraglich. Werte
über 0,85 erscheinen für einstufige Absorptionskältemaschinen nicht erreichbar.
33
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Abbildung 13 - Hydraulische Leistung verschiedener AKMs
In Abbildung 13 ist die benötigte hydraulische Leistung verschiedener AKMs dargestellt. Dabei wird
der Druckverlust in den Wärmeübertragern der einzelnen Komponenten mit dem nominalen
Volumenstrom multipliziert. Weitere Druckverluste, wie Rohrleitungsdruckverluste, Druckverluste in
Rückkühlwerken oder weiteren Wärmetauschern sind nicht berücksichtigt, steigern aber den
Hilfsenergiebedarf der AKMs. Bei den meisten AKMs benötigt der Kühlwasserkreis am meisten
Hilfsenergie für die hydraulische Leistung. Kalt- und Heißwasserkreis benötigen jeweils ca. 2-4
W/kW_Kälte, der Kühlwasserkreis zwischen 3-12 W/kW_Kälte. In Summe benötigen alle drei Kreise
eine hydraulische Leistung von ca. 5-15 W/kW_Kälte.
Abmessungen
Ein weiteres Maß zum Beurteilen von Absorptionskälteanlagen ist die volumetrische Kälteleistung,
d.h. welches Volumen nimmt die Absorptionskälteanlage pro kW Nutzleistung ein. Hierbei wird das
Volumen als Grundfläche multipliziert mit der Anlagenhöhe definiert, da „freier“ Raum zwischen den
Behältern von Hoch- und Niederdruckteil im Normalfall nicht sinnvoll anderweitig genutzt werden
kann. Zudem kann die Masse zur Kälteleistung in Bezug gesetzt werden, allerdings ist diese Größe
zumeist weniger relevant da Absorptionskälteanlagen meist ortsfest installiert sind oder auf Schiffen
betrieben werden, bei denen das Gewicht eine untergeordnete Rolle spielt. Im Einzelfall kann das
Gewicht trotzdem relevant sein, wenn beispielsweise die Einbausituation den Einsatz von schwerem
Gerät verhindert oder die Traglast des Aufstellortes begrenzt ist, wie es z.B. bei Decken oder Dächern
teilweise der Fall ist.
34
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Abbildung 14 - Kälteleistung in Verhältnis zu Volumen und Gewicht
In Abbildung 14 ist die Kälteleistung zum Anlagenvolumen und Gewicht in Relation gesetzt. Dabei
wird noch zusätzlich zu Abbildung 11 und Abbildung 12 der Vergleich zu wassergekühlten
Kompressionskaltwassersätzen gezogen, um den Vergleich Absorption-/Kompressionskältetechnik
herauszuarbeiten. Bezüglich der gewichtsspezifischen Kälteleistung ist die Kompressionskältetechnik
deutlich überlegen. Die volumetrische Kälteleistung bei kleineren Leistungen ist hingegen nicht
eklatant unterschiedlich. Wird das Entwicklungspotenzial einer 160 kW Absorptionskältemaschine
voll umgesetzt, so könnte diese sogar einer 290 kW Kompressionskältemaschine bezüglich
volumetrischer Kälteleistung überlegen sein.
35
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Abbildung 15 - Kälteleistung in Verhältnis zu Volumen und Gewicht (nur AbKM)
In Abbildung 15 ist nochmals die volumetrische und spezifische Kälteleistung abgebildet, allerdings
ohne die Kompressionskältemaschinen. Dadurch wird der Unterschied der einzelnen
Absorptionskältemaschinen untereinander deutlicher. Prinzipiell ist zu sehen, dass mit steigender
Kälteleistung der spezifische Bauraumbedarf und das spezifische Gewicht abnehmen. Ebenso ist zu
sehen, dass, bei ähnlicher Kälteleistung, der Hersteller H7 eine deutlich geringere spezifische
Kälteleistung bereitstellt als der Hersteller H6. Die gravimetrische Kälteleistung ist dagegen sehr
ähnlich.
Das Entwicklungspotenzial für eine 50 kW Anlage, EP(50 kW), weist für den kleinen Leistungsbereich
noch ein deutliches Steigerungspotenzial auf, ebenso das abgeschätzte Potenzial für eine 160 kW
Absorptionskälteanlage.
Weitere Entwicklungen, an denen geforscht wird, sind nachfolgend aufgeführt. Auch wenn diese
nicht alle direkt Entwicklungen der Apparatetechnik sind, werden sie trotzdem in diesem Kapitel
aufgeführt.
36
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Ionische Flüssigkeiten
Unter Ionischen Flüssigkeiten versteht man organische Salze, die bei Temperaturen unter 100°C
flüssig sind. Zusätzlich wird diesen Salzen noch eine weitere Flüssigkeit zugesetzt, die im Salz löslich
ist. Somit können annähernd unbegrenzt Lösungspaare erstellt werden. Einige dieser Lösungspaare
scheinen prinzipiell geeignet, um in Absorptionskälteanlagen eingesetzt zu werden. Das Hauptziel
beim Einsatz von Ionischen Flüssigkeiten ist es, die Einschränkungen von LiBr-Lösungen zu beseitigen.
Diese sind zum einen die Begrenzung der Nutzkältetemperatur auf Temperaturen > 0°C, zum
anderen die Korrosivität von LiBr-Lösungen, speziell bei hohen Lösungstemperaturen. Dadurch wird
der Einsatz von mehrstufigen Absorptionsmaschinen, die einen besseren EERth Wert aufweisen,
verhindert. Eine weitere Einschränkung von LiBr-Lösungen, welche die neuen Lösungen mit Ionischen
Flüssigkeiten aufheben sollen, ist die beschränkte Löslichkeit von Wasser in LiBr. Da LiBr-Lösungen
nur bis zu einem maximalen Salzanteil von ~ 70 Massenprozent flüssig sind, ist sowohl der
Temperaturhub eingeschränkt als auch das Anlagenhandling. Besonders die temperaturabhängige
maximale Löslichkeit von Wasser-LiBr führt zu ineffizienten Abschaltprozeduren und
Sicherheitsvorkehrungen, die ein unbegrenzt lösliches Arbeitsmittelpaar nicht nötig hätte.
Zur Thematik der Ionischen Flüssigkeiten in Absorptionskältemaschinen laufen weltweit
verschiedene Forschungsarbeiten. Neben der Grundlagenforschung wurden bereits bestehende
Absorptionskältemaschinen mit Ionischen Flüssigkeiten befüllt. Dabei wurde auch Kälteleistung
bereitgestellt, auch wenn diese nicht immer an die einer LiBr-gefüllten Anlage heranreichte. Die
prinzipielle Machbarkeit wurde so demonstriert und Schwachstellen dieser Technik, wie z.B. erhöhte
Viskosität und mangelhafte Langzeitstabilität des Lösungsmittels, identifiziert. Da die Anzahl an
möglichen Ionenpaarungen annähernd unbegrenzt ist, ist es wahrscheinlich, dass bessere
Arbeitspaare für Absorptionskältemaschinen im Vergleich zur herkömmlich eingesetzten wässrigen
LiBr-Lösung gefunden werden können, die mindestens einige der zuvor genannten Schwachstellen
von LiBr aufheben.
Direkt luftgekühlte Absorptionskältemaschinen
Der Rückkühlkreis mit den beiden Verbrauchern Kühlwasserpumpe und Ventilator des
Rückkühlwerks benötigt die meiste elektrische Hilfsenergie. Durch den Kühlwasserkreis steigt zudem
die Komplexität des hydraulischen Systems, was insbesondere im kleinen Leistungsbereich die
Attraktivität thermischer Kälteanlagen im Vergleich zu luftgekühlten Kompressionskälteanlagen
mindert. Mehrere Einrichtungen arbeiten daher an der Entwicklung von direkt luftgekühlten, indirekt
beheizten Absorptionskältemaschinen im Leistungsbereich bis ca. 10 kW auch mit dem
Arbeitsstoffpaar Wasser/LiBr, welches hohe EERth ermöglicht. Diese Entwicklungen bieten das
Potenzial, den Hilfsenergiebedarf deutlich zu reduzieren, so dass auch im kleinen Leistungsbereich
nominale EERel bis 20 erreicht werden können. Da die Anlagen für Außenaufstellung konzipiert sind,
sinkt auch der Platzbedarf im Gebäude. Bei Dachaufstellung könnte die Absorptionskältemaschine
nah zum Kollektorfeld aufgestellt werden, so dass nur noch die Kaltwasserleitungen in das Gebäude
geführt werden müssen (vergleichbar einem luftgekühlten Kompressions-Kaltwassersatz).
37
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Bisher gibt es nur direkt beheizte luftgekühlte AbKM mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser.
Die Fa. Robur hat für Pilotanlagen einige AbKM für indirekte Beheizung umgerüstet. Dieses benötigen
jedoch sehr hohe Antriebstemperaturen.
Kältemittelverdichter im Sorptionskreislauf
Eine Erweiterung von klassischen Absorptionskältemaschinen stellt eine Entwicklung dar, bei der
zwischen Verdampfer und Absorber und oder auch zwischen Generator und Kondensator eine
mechanische Dampfverdichtung erfolgt. Dadurch werden im Wesentlichen zwei Vorteile erzielt. Zum
einen kann, bei der Anwendung Wärmepumpe, das Temperaturniveau der Wärmeabgabe dauerhaft
angehoben werden und somit Nutzungsfelder erschlossen werden, die ansonsten nicht für die
Absorptionstechnik geeignet wären. Da die Verdichtungsarbeit des Dampfes nicht über den
gesamten Druckhub erfolgen muss, ist eine deutlich geringere Leistungsaufnahme als bei einem
reinen Verdichter zu erwarten. Bei LiBr-Anlagen, bei denen Wasser als Kältemittel fungiert und im
Verdampfer-Absorber bei sehr geringem Druck vorliegt, ist allerdings ein Verdichter auszuwählen,
der mit geringen Dampfdichten effizient funktioniert. Der andere Vorteil baut auf dem gleichen
Prinzip und kommt vornehmlich als Backup-Lösung für warme Tage zum Tragen. Bei der Anwendung
Kältemaschine kann, bei einzelnen Tagen mit hohen Außentemperaturen, auf ein konventionelles
Backup verzichtet werden, indem in der Niederdruckstufe eine Dampfdruckerhöhung stattfindet.
Dadurch wird ein höherer Temperaturhub erzielt als durch das Lösungsfeld, d.h. die
Löslichkeitsgrenze von LiBr, in einem konventionellen einstufigen Prozess möglich wäre. Somit wird
die Rückkühlung bei hohen Temperaturen gewährleistet und zusätzlich kann eine erhöhte
Kälteleistung bereitgestellt werden.
Kaskadenschaltung von Absorptionskälte mit Kompressionskälteanlagen
Bei Überwindung von großen Temperaturhüben und bei der Nutzung von Kälte auf zwei
verschiedenen Temperaturniveaus werden häufig Kaskadenschaltungen von Kälteanlagen eingesetzt.
Dabei werden zwei Kältekreisläufe miteinander verknüpft, so dass die Abwärme des Kreislaufes mit
der tieferen Nutztemperatur in den Verdampfer des wärmeren Kältekreislaufes eingespeist wird.
Abhängig von der Anwendung können noch weitere Wärmequellen den Verdampfer des wärmeren
Kältekreises speisen und so die benötigte Kälteleistung gegenüber der tieferen Temperaturstufe
beliebig erhöhen.
Werden zwei Kompressionskältekreisläufe kaskadiert, so wird auch häufig das Kältemittel zwischen
den beiden Temperaturstufen gewechselt. So kann für jeden Temperaturhub ein guter Kompromiss
zwischen einer hohen volumetrischen Kälteleistung und maximalem Betriebsdruck gefunden werden.
Wird eine Absorptionskältemaschine als Rückkühlung einer Tieftemperaturkühlung eingesetzt, so
wird der elektrische Bedarf der Tieftemperaturstufe gegenüber einer Verdichtung bis zu
konventionellen Kondensationstemperaturen deutlich reduziert. Der Absorptionsprozess kann
permanent mit maximalem Temperaturhub betrieben werden, da die Abhängigkeit der Effizienz
eines LiBr-Absorptionskälteprozesses vom Temperaturhub nur marginal ist, während ein
Kompressionskälteprozess von niedrigen Rückkühltemperaturen profitiert. Droht der maximale
38
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Temperaturhub der Absorptionskältemaschine überschritten zu werden, so muss lediglich die
Kondensationstemperatur der Tieftemperaturstufe erhöht werden.
Bei einer solchen Verschaltung wäre denkbar, eine Kompressionskältemaschine mit CO2 als
Arbeitsmittel einer Tieftemperaturkälteanwendung mit Absorptionskältemaschinen zu kühlen. Durch
einen garantiert niedrigen Kondensationsdruck für den Kompressionskältekreislauf mit CO2 kann die
Auslegung der Komponenten auf geringerer Druckstufe erfolgen. Zudem kann so zuverlässig
vermieden werden, dass der Kältekreis mit CO2 im überkritischen Bereich betrieben wird. Dadurch
wird nicht nur der maximale Betriebsdruck reduziert, sondern auch die Art des Rückkühlers und
dessen Auslegung auf einen konventionellen Stand zurückgeführt. Solche Anlagenkonzepte könnten
z.B. für Tiefkühlhäuser eingesetzt werden. Wird dort der Strom für den Betrieb der
Kompressionskältemaschinen dezentral in einem BHKW erzeugt, so kann die entstehende Abwärme
des BHKW noch für den Betrieb der Absorptionskältemaschine genutzt werden.
Triple-effect-Absorptionskältemaschinen
Als letzter Punkt der Apparateentwicklung soll noch das Thema triple-effectAbsorptionskältemaschinen behandelt werden. Werden Absorptionskältemaschinen mit fossilen
Brennstoffen betrieben, werden sie häufig als double-effect-Maschinen eingesetzt, um die Effizienz
zu erhöhen. Eine konsequente Weiterentwicklung der double-effect-Maschinen stellen die tripleeffect-Absorptionskältemaschinen dar.
Bei mehrstufigen Absorptionskältemaschinen wird die Abwärme eines Absorptionsprozesses für den
Antrieb eines weiteren Absorptionsprozesses, der auf niedrigerem Druck- und Temperaturniveau
arbeitet, genutzt.
In Abbildung 16 ist der prinzipielle Aufbau einer triple-effect-Absorptionskältemaschine dargestellt.
Dabei wird Wärme dem Generator G3 auf einem hohen Temperaturniveau zugeführt. Der größte Teil
der zugeführten Wärme wird am Kondensator K3 vom Kältemitteldampf wieder abgegeben und steht
nun erneut zur Verfügung. Diese Wärme wird dem Generator G2 zugeführt, der seinerseits damit
wieder Kältemittel aus der Lösung austreibt. Somit kann die zugeführte Wärme mehrmals genutzt
werden, um Kältemittel aus der Lösung auszutreiben und letztlich dem Verdampfer zur Verfügung zu
stellen. Für die Funktionalität muss das Temperaturniveau der Kondensatoren jeweils höher sein als
das der nachgeschalteten Generatoren. Da die Steigung der Lösungsgeraden im p-T Diagramm
flacher ausfällt als die der Kältemittelgeraden, nimmt der benötigte Temperaturschub in jeder Stufe
zu. Somit werden selbst bei der double-effect-Absorptionskältemaschine am Generator hohe
Lösungstemperaturen erreicht. Bei der triple-effect-Maschine sind die Temperaturen im Generator
G3 nochmals deutlich höher. Da LiBr sehr korrosiv ist und die Korrosivität mit steigender Temperatur
zunimmt, ist eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung bzw. dem Betrieb von triple-effectAbsorptionskältemaschinen die Korrosion. Verschärfend kommt hinzu, dass übliche
Korrosionsinhibitoren (Li2MoO4 Lithiummolybdat) bei Temperaturen über ~200°C zersetzt werden
und somit ihre korrosionshemmende Wirkung verlieren.
39
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Druck
K3
K2
K1
V1
G3
G2
G1
A1
Temperatur Lösung
Abbildung 16 - Schematische Darstellung einer Triple Effekt Absorptionskältemaschine
Um das Problem der hohen Lösungstemperaturen zu entschärfen, kann der Temperaturhub in der
ersten Stufe, d.h. von V1 zu A1, verringert werden. Allerdings ist dies nur in Grenzen möglich, da
dieser Temperaturhub meist von der Anwendung vorgegeben ist.
In einem Forschungsprojekt zur Entwicklung von triple-effect-Absorptionskältemaschinen in Japan
von 2001-2004 waren unter anderem die Firmen Daikin, Kawasaki, Hitachi und Yazaki beteiligt. Dabei
wurden Prototypen von triple–effect-Absorptionskältemaschinen gebaut. Zum Zeitpunkt Februar
2012 vertreiben aber lediglich Hitachi und Kawasaki eine solche triple-effect-Anlage. Die KawasakiAnlage wird mit einem EERth von 1,74 beworben und ermöglicht auch die parallele Einbindung von
Niedertemperaturwärme (Solar, BHKW, Fernwärme) im single-effect-Modus.
Zukünftig ist zur erwarten, dass weitere Anlagenhersteller triple-effect-Maschinen anbieten. Diese
werden aber, da hohe Antriebstemperaturen nötig sind, hauptsächlich als fossil direktgefeuerte
Anlagen gebaut werden. Normalerweise liegt Abwärme nicht auf einem ausreichend hohen
Temperaturniveau vor, um diese nochmals in einer triple-effect-Absorptionskältemaschine nutzen zu
können. Als Ausnahme seien Gasturbinen erwähnt bzw. konzentrierende Solarkollektoren, welche
ebenfalls eine hohe Antriebstemperatur bereitstellen können.
Die Entwicklung einer mehrstufigen Absorptionskältemaschine mit mehr als 3 Stufen ist mit
wässriger Lithiumbromid Lösung als Arbeitsmittel nicht zu erwarten. Neben dem weiter steigenden
Anlagenaufwand, den jede zusätzliche Stufe einer mehrstufigen Absorptionskältemaschine bedingt,
würden die Korrosionsprobleme mit einer vierten Stufe weiter signifikant ansteigen. Zudem ist im
Moment kein Korrosionsinhibitor bekannt, welcher bei Temperaturen von deutlich über 200°C
beständig ist.
40
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
3.2.
Entwicklungspotenzial Adsorptionstechnik
Verbesserung der Leistungsdichte
Adsorptionskältemaschinen haben eine im Vergleich zu Absorptionskältemaschinen geringere
Leistungsdichte. Eine Steigerung kann durch den Einsatz von Adsorptionsmaterialien mit höherer
Aufnahmefähigkeit des Kältemitteldampfes sowie durch die Konstruktion effizienterer
Wärmeübertrager mit deutlich verbesserter thermischer Ankopplung an das Sorptionsmaterial
erwartet werden. Beide Aspekte sind Gegenstand laufender F&E-Tätigkeiten. Mitsubishi Chemical
hat ein Zeolith entwickelt, welches auf Aluminiumsulfat basiert. Erste Dauertests dazu sind
abgeschlossen und weisen eine Dauerfestigkeit des Materials nach. Die Adsorptionsfähigkeit von
Wasserdampf liegt bei dem Zeolith, welches unter der Bezeichnung FAM-Z01 bzw. FAM-Z02
beforscht wird, vier bis sechsmal so hoch wie die von Silika-Gel. Das Material kann sowohl für hohe
als auch moderate Antriebstemperaturen verwendet werden6.
Während in der Vergangenheit im Wesentlichen Silika-Gele als Sorptionsmittel in loser Schüttung
zwischen den Lamellen der Wärmeübertrager eingesetzt wurden, finden heute vielfach Zeolithe
Anwendung. Für einen besseren Wärmekontakt mit dem Wärmeübertrager zur Kühlung des
Adsorptionsprozesses bzw. zur Regeneration werden die Wärmeübertrager teilweise mit dem
Sorptionsmaterial beschichtet; entwickelt werden auch Verfahren zur direkten Aufkristallisation auf
die Wärmeübertrager.
Auch neue Sorptionsmaterialen aus den Stoffgruppen SAPO (Silizium-Aluminium-Phosphate) oder
MOF (Metal-Organic-Framework) werden untersucht. Hier stehen insbesondere zuverlässige
Fertigungsverfahren und die Langzeitstabilität der Materialien im Vordergrund. Während bei diesen
Sorptionsmaterialien stets Wasser als Kältemittel eingesetzt wird, sind auch andere Stoffpaare
möglich, z.B. Aktivkohle mit Methanol als Kältemittel.
Die Entwicklungen im Bereich der Adsorptionstechnik finden vor allem vor dem
Anwendungshintergrund Wärmepumpe statt, wobei in der Regel von einer Wärmequelle
(Gasbrenner) mit hoher Temperatur ausgegangen wird. Zukünftige Generationen von Geräten der
Adsorptionstechnik könnten daher eine höhere Effizienz und Leistungsdichte aufweisen, benötigen
aber Antriebstemperaturen > 100°C, die eine Kombination mit stationärer Solarthermie erschweren.
Ein weiterer Aspekt sind Fremdgase bzw. Inertgase. Da die AdKM mit Wasser als Kältemittel im
Unterdruck betrieben werden, können Fremdgase durch die Undichtigkeiten der Apparatehülle in die
AdKM eindringen. Durch die Fremdgase wird der Adsorptionsprozess behindert. Für eine
Aufrechterhaltung des Adsorptionsprozesses muss die Temperaturdifferenz zwischen inneren und
äußeren Temperaturen ansteigen. Wird der Anteil der Inertgase zu hoch, so kann die Adsorption
vollständig zum Erliegen kommen. Bei der Absorptionstechnik zirkuliert das Lösungsmittel zwischen
Ab- und Desorber. Durch die Bewegung kann über einen Venturieffekt im Betrieb ein Teil der
6 Hiroyuki KAKIUCHI et al.: Novel zeolite adsorbents and their application for AHP and
Desiccant system , IEA-Annex 17 Meeting, 2004, Beijing
41
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Fremdgase abgesaugt werden und in einem so genannten „Purge Tank“ gelagert werden. Da bei der
Adsorptionstechnik das Arbeitsmittel nicht strömt, müssen Inertgase von Zeit zu Zeit durch eine
Vakuumpumpe abgesaugt werden. Eine Vakuumpumpe benötigt zum einen elektrische Energie, zum
anderen ist sie vor allem ein Kostenfaktor in der Investition. Während bei
Adsorptionskältemaschinen größerer Leistung eine Vakuumpumpe teilweise bereits integriert ist,
wird bei Anlagen kleinerer Leistung häufig auf eine Vakuumpumpe verzichtet.
Um dieses Problem zu umgehen, plant die Firma Invensor zukünftig Ihre Adsorptionskältemaschinen
mit einer Inertgasfalle auszustatten. Durch dieses System, was unter dem Begriff „Activac adsorber“
fungiert, werden Inertgase im Adsorber eingefangen und abgeleitet. Dadurch entfallen die Kontrolle
der Betriebsdrücke und der Adsorber kann stets in einem Bereich mit günstigen Bedingungen, d.h.
wenig Inertgasen betrieben werden.
Eine Erhöhung der Leistungsdichte mit einhergehender Gewichtsreduzierung ist ein weiterer
Entwicklungsschwerpunkt. Durch die Reduktion der Massen wird sowohl die thermische Trägheit der
Anlage als auch die thermischen Verluste bei der Umschaltung der beiden Ad-/Desorberkammern
reduziert. Ebenso erleichtert ein geringeres Gewicht sowie kompakteres Volumen das Handling und
somit den Einbau in Bestandsgebäude.
Der Verdampfer bietet ebenfalls Möglichkeiten zur Optimierung. Diese Komponente wird zumeist als
Rieselfilmverdampfer oder Poolverdampfer ausgeführt. Beide Bauformen haben Vor- und Nachteile.
Während beim Fallfilm bzw. Rieselfilmverdampfer die Temperaturdifferenz zwischen
Verdampfungstemperatur und Kaltwassertemperatur relativ gering ist, baut diese Verdampferform
relativ voluminös. Zudem wird ein Kältemittelüberschuss über den Rohren verrieselt, wodurch eine
Umwälzpumpe nötig wird. Diese erhöht den Bauaufwand und benötigt elektrische Hilfsenergie. Bei
einem Poolverdampfer hingegen sind die wärmeübertragenden Elemente vollständig von Flüssigkeit
umgegeben und eine vollständige Wärmetauscherbenetzung ist somit permanent gegeben. Dadurch
entfallen Umwälzpumpe und der Verdampfer ist kompakter in der Bauform. Allerdings ist bei dieser
Verdampferbauform die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur und
Kaltwassertemperatur höher. Da zumeist Wasser als Kältemittel in der AdKM eingesetzt wird, liegt
der Verdampfungsdruck nur bei einigen mbar. Ist der Wärmetauscher vollständig von Kältemittel
benetzt, so wirkt an der Wärmetauscheroberfläche ein gewisser statischer Druck, der die
Verdampfung erschwert. Um die Vorteile beider Verdampferbauarten zu kombinieren werden
Untersuchungen mit beschichteten Rohren bemacht. Ziel ist es, einen Poolverdampfer zu bauen,
dessen Rohre nur teilweise im Pool eintauchen. Um die volle Rohroberfläche als Wärmetauscher
nutzen zu können, sind die Rohre beschichtet und das Kältemittel wird über Kapillareffekte aus dem
Pool gesaugt. Somit könnten die Vorteile beider Verdampferarten kombiniert werden.
42
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
4. Entwicklungspotenzial Systemtechnik
4.1.
Entwicklungspotenzial Absorptionstechnik
Bezüglich der Systemtechnik sind zwei Ansätze zu verfolgen. Die Auswahl der geeigneten
Komponenten und deren korrekte Dimensionierung ist die Grundvoraussetzung für einen effizienten
Betrieb der thermischen Kältemaschinen. Ist das System prinzipiell richtig dimensioniert und
aufgebaut, so kann mit günstigen Regelungskonzepten der Energieverbrauch gegenüber
Standardregelungsalgorithmen weiter optimiert werden. Dies gilt im Besonderen in
Teillastbetriebszuständen.
Rückkühlkreislauf
Um das System um die thermische Kältemaschine richtig auszulegen, sind zuerst einmal elementare
Dinge wie eine ausreichende Dimensionierung der Rohrleitungen bzw. deren Dämmung zu nennen.
Hinzu kommt eine günstige Anordnung der Komponenten zueinander, um lange Wege mit
entsprechenden Druckverlusten zu vermeiden. Werden die Rohrleitungen zu lang und / oder zu klein
geplant, so ist der Pumpaufwand hoch und trägt zu einem schlechteren elektrischen EER-Wert bei.
Unabhängig von der Systemgestaltung sollten Hocheffizienzpumpen eingesetzt werden. Diese
Pumpen sparen in jedem Fall elektrische Hilfsenergie ein, spielen aber besonders im Zusammenspiel
mit einer effizienten Verrohrung ihre Vorteile aus. Das größte Augenmerkt ist hierbei auf den (Rück)Kühlkreis zu legen, da eine tiefe Rückkühltemperatur ausschlaggebend für die Effizienz der
Kältemaschine ist; zudem wird dort die größte Energiemenge umgesetzt. Deshalb ist besonders hier
auf kurze, ausreichend große Leitungen zu achten. Für die Rückkühlung gibt es verschiedene
Systeme, die gebräuchlichsten sind hierbei trockene Rückkühlung und Nasskühltürme. Die Vorteile
eines trockenen Rückkühlsystems liegen im wartungsfreien Betrieb sowie in den geringeren
Investitionskosten, insbesondere für Systeme kleinerer Leistung bis etwa 100 kW Abwärmeleistung.
Bei größeren Systemen bieten Nasskühltürme deutliche Kostenvorteile. Nachteilig wirkt sich bei
trockenen Rückkühlsystemen aus, dass die Rückkühltemperatur stets über der Außentemperatur
liegt. Bei den Rückkühlwerken ist darauf zu achten, dass der Ventilator von einem
Hocheffizienzmotor angetrieben wird, da dieser sehr hohe Laufzeiten hat. Nasskühltürme sind
kompakter und erreichen auch Temperaturen unterhalb der Außentemperatur. Allerdings benötigen
sie eine Wasserzufuhr und eine Wasserbehandlung bzw. Aufbereitung. Dies führt zu höheren
Betriebskosten. Zudem ist der Betrieb von Nasskühltürmen wegen Legionellengefahr teilweise
eingeschränkt.
Weitere vielversprechende Möglichkeiten der Rückkühlung sind die Nutzung von Erdsonden sowie
von Schwimmbecken. Bei der Nutzung von Erdwärmesonden wird die Energie des Ventilators
eingespart, dagegen wird der Pumpaufwand erhöht, um die Erdsonden zu durchströmen. Werden
die Erdsonden auch als Wärmequelle zu Heizzwecken benutzt, so hilft die Rückkühlung zusätzlich bei
der Regenerierung des Erdreiches. Die Nutzung eines Schwimmbeckens für die Rückkühlung ist, bei
entsprechend geringen Wassertemperaturen optimal weil mit sehr wenig Hilfsenergie die
Rückkühlung gewährleistet werden kann. Solange die Temperaturen im Schwimmbecken nicht
deutlich über 33°C liegen kann die Rückkühlleistung dort eingebracht werden. Zudem entfällt die
43
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Energie für den Ventilator eines Rückkühlers. Je nach Nutzung wird zudem noch eine Heizquelle
zumindest teilweise ersetzt, die andernfalls für die Temperierung des Wassers gesorgt hätte, oder,
wenn keine vorhandene Heizung verdrängt wird, wird der Badekomfort erhöht. Eine Gemeinsamkeit
von Pool und Erdsonden ist, dass eine solche „Rückkühlmöglichkeit“ in den seltensten Fällen allein im
Hinbick auf den Betrieb einer Kältemaschine gebaut werden wird, diese Rückkühlmöglichkeit kann
nur genutzt werden, wenn Erdkollektor bzw. Pool sowieso schon vorhanden sind.
Eine weitere Möglichkeit der Rückkühlung stellen Wärmespeicher dar, die einen Teil der Abwärme
zwischenspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt an eine Wärmesenke abgeben. Dies kann
vorteilhaft sein, wenn beispielsweise ein starkes Tag-/Nacht Temperaturgefälle vorliegt oder die
Wärmeübertragerfläche des Rückkühlers begrenzt ist. Ein solches System kann bis zu 10 % Energie
einsparen, selbst im Vergleich mit sehr effizienten herkömmlichen Systemen. Die Energieeinsparung
wird nicht nur bei hohen Außentemperaturen erzielt sondern auch bei moderaten Temperaturen.
Die Energieeinsparung ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass durch die Aufteilung der
Wärmeleistungen auf zwei Wärmesenken die Volumenströme in Kühlwasser und Kühlluft deutlich
reduziert werden und der Energieverbrauch der Pumpen bzw. Ventilatoren überproportional mit
dem Volumenstrom der Fluide zu- bzw. abnimmt. Je stärker das Temperaturgefälle Tag/Nacht
ausgeprägt ist, desto höher ist das Energieeinsparpotenzial.
In jedem Fall verlagert ein Speichersystem im Kühlwasserkreis den Energieverbrauch zeitlich. Somit
können zum einen Lastspitzen gekappt werden, zum anderen kann der Energieverbrauch in Zeiten
mit günstigeren Tarifkonditionen verlegt werden. Neben den Vorteilen des Lastmanagements liegt
aber der Hauptvorteil darin, dass auch bei hohen Außentemperaturen der Betrieb einer thermischen
Kältemaschine in Verbindung mit einem trocknen Rückkühler gewährleistet werden kann. Bei einer
intelligenten Systemeinbindung kühlt der trockene Rückkühler das Kühlwasser auf Temperaturen
etwas über der Außentemperatur zurück, anschließend wird das Kühlwasser durch den
Wärmespeicher weiter abgekühlt. Somit stehen stets ausreichend niedrige Kühlwassertemperaturen
zur Verfügung, um eine Ab-/AdKM zu betreiben. In den Nachtstunden kann der Speicher wieder
entladen und so regeneriert werden. Als Speicher bieten sich hier PCM (Phase-Change-Material)
Speicher an, da diese bei konstanter Temperatur große Wärmemengen aufnehmen können. Dies ist
wichtig, da somit Entlade- und Beladetemperatur des Speichers einerseits tief genug liegen, um die
thermische Kältemaschine kühlen zu können und andererseits hoch genug, um in der Nacht bei
kühlen Außentemperaturen die Abwärme über freie Kühlung an die Nachtluft abgeben zu können.
Soll der gleiche Effekt mit sensiblen Speichern erzielt werden, so sind sehr große Volumina nötig, da
die sensible Temperaturänderung nur wenige Kelvin betragen darf. In bestimmten Sonderfällen, in
denen ein hohes Tag/Nacht-Temperaturgefälle vorhanden ist sowie das zu klimatisierende Gebäude
wenig thermische Masse aufweist, kann in den Übergangszeiten ein Sonderfall entstehen. Dabei
muss das Gebäude tagsüber gekühlt werden, während in der Nacht geheizt werden muss. Hierbei ist
die Zwischenspeicherung der Abwärme besonders interessant, da diese nachts für die
Gebäudeheizung verwendet werden kann und somit einer Nutzung zugeführt wird.
Eine Angabe über das Entwicklungspotenzial bezüglich der Ausführung der Systemtechnik ist
schwierig, da sich noch kein einheitlicher Standard herausgebildet hat. Bei bisher ausgeführten
Anlagen unterliefen teilweise deutliche Fehlplanungen, weswegen auch die erreichten Effizienzwerte
44
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
zum Teil deutlich hinter den Möglichkeiten zurückgeblieben waren. Sachgerecht geplante Anlagen
mit effizienten Komponenten sollten auf jeden Fall elektrische EER-Werte von 10 oder größer
erreichen. Dass dies selbst in kleinen Leistungsklassen möglich ist, zeigt eine Anwendung, die am ZAE
Bayern installiert ist und bei 10 kW Kälteleistung einen elektrischen EER von 12 aufweist. Damit
werden bei hoher Kältelast elektrische Monatsarbeitszahlen zwischen 9 und 10 erreicht.
Regelungsstrategien im Teillastbetrieb
Um günstige Betriebsbedingungen für ein System sicherzustellen, sind optimierte
Regelungsstrategien notwendig. Die Regelung ist insbesondere für den Teillastbetrieb nötig.
Bisherige Regelkonzepte bauen darauf auf, dass die Volumenströme und Temperaturspreizungen für
die Auslegungsbedingungen eingestellt werden und anschließend auf schwankende Kältelasten mit
einer reduzierten Antriebstemperatur im Generator der Kältemaschine reagiert wird.
Nimmt man eine Absorptionskältemaschine, deren Volumenströme für den Volllastfall günstig
eingestellt sind und reduziert die anliegende Last, so bleiben die Volumenströme in allen externen
und internen Kreisläufen konstant. Durch Absenken der Antriebstemperatur, was häufig durch einen
Drei-Wege-Mischer im Desorberkreislauf geschieht, wird die Ausgasungsbreite des Lösungsmittels
reduziert und somit die Kälteleistung abgesenkt. Allerdings bleiben durch die konstanten
Volumenströme die Druckverluste in allen externen Kreisläufen konstant, die
Temperaturspreizungen gehen aufgrund der reduzierten Leistung zurück. Der Energieverbrauch für
die Pumpen der externen Kreise und die Ventilatoren des Rückkühlkreises bleibt konstant. Bezogen
auf die erzeugte Kälteleistung verschlechtert sich dadurch der elektrische EER. Da die interne
Lösungspumpe der Absorptionskältemaschine einen konstanten Lösungsmassenstrom fördert und
der Lösungswärmeübertrager einen annähernd konstanten Verlust hat, verschlechtert sich auch der
thermische EER, weil die Verlustleistung einer verringerten Kälteleistung gegenübersteht. Da die
konventionelle Regelung keinen Einfluss auf die Volumenströme nimmt, wird die Regelung nur über
die Temperaturen vorgenommen.
Eine optimierte Systemregelung regelt hingegen den Volumenstrom und die Temperaturen, um den
elektrischen Energieverbrauch in Teillast zu senken. Fällt die Last im Kältekreislauf ab und bleibt der
Volumenstrom konstant, so wird die Kaltwasservorlauftemperatur durch die Leistungsregelung der
Kältemaschine konstant gehalten. Die Temperaturspreizung nimmt ab. Wird der Kältekreislauf z.B. im
Auslegungsfall mit 15/18°C betrieben, so liegen die Betriebsbedingungen in 33% Teillast bei 15/16°C.
Wird hingegen die Temperaturspreizung auf konstant 15/18°C gehalten, so sinkt der Volumenstrom
auf 33% ab. Je nach Art des Kälteverbrauchers kann in Teillastbetriebsbedingungen eventuell sogar
die Temperaturspreizung erhöht werden, auf beispielsweise 15-19°C. Dies hätte eine Reduktion des
Volumenstromes im Kaltwasser auf 25% zur Folge. Da der Pumpaufwand in der dritten Potenz mit
dem Volumenstrom ansteigt, bedeutet eine Viertelung des Volumenstromes eine Reduktion des
Pumpaufwandes auf 1/64. Da Pumpen nicht in allen Betriebspunkten mit dem gleichen Wirkungsgrad
laufen und mit absinkender Last tendenziell an Wirkungsgrad einbüßen, wird sich der verminderte
hydraulische Aufwand nicht vollständig auf den Energieverbrauch auswirken. Trotzdem ist ein
deutliches Potenzial zur Energieeinsparung zu erkennen. Um eine solche Regelungsstrategie
umzusetzen, sind drehzahlregelbare Pumpen Grundvoraussetzung.
45
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Im Heißwasserkreis gilt prinzipiell das Gleiche; die Reduktion des Volumenstromes bietet großes
Einsparpotenzial bei der Hilfsenergie. Im Desorberkreislauf kann der Volumenstrom sogar
überproportional abgesenkt werden und die Temperaturspreizung erhöht werden. Dies liegt daran,
dass der Wärmeübertrager bei gleicher Größe weniger Energie übertragen muss und somit die
treibende Temperaturdifferenz zwischen interner und externer Temperatur verkleinert werden kann.
Dadurch liegt der Heißwasserrücklauf näher an der internen Lösungstemperatur und ist somit
gegenüber der Heißwasserrücklauftemperatur im Auslegungspunkt niedriger. Wird die
Vorlauftemperatur konstant gehalten, so steigt die Temperaturspreizung im Heißwasserkreislauf.
Der Rückkühlkreis ist der wichtigste externe Kreislauf, weil dort die meiste thermische Energie
umgesetzt wird und somit auch die meiste Hilfsenergie benötigt wird. Übliche Rückkühlkonzepte
schließen neben der Umwälzpumpe zudem noch die Ansteuerung eines trockenen oder nassen
Rückkühlers mit ein, welcher ebenfalls Hilfsenergie benötigt. Geht man nun von einem trockenen
Rückkühler aus, so hat man im Rückkühlkreis mehrere Freiheitsgrade. Zum einen kann durch
Reduktion des Luftstromes über eine Variation der Lüftdrehzahl Einfluss auf die Temperatur des
Rückkühlkreises
genommen
werden,
zum
anderen
kann
durch
Variation
des
Kühlwasservolumenstromes die Temperatur im Rückkühlkreis beeinflusst werden. Da die
übertragene Leistung im Teillastfall geringer ist, können interne und externe Temperatur näher
zusammenliegen. Dadurch kann die Vorlauftemperatur des Kühlkreises ansteigen und somit die
Temperaturspreizung steigen, beispielsweise von 30/40°C auf 30/42°C. Dazu kann der Volumenstrom
im Kühlwasser überproportional abgesenkt werden, was sich, wie bereits mehrmals gezeigt, günstig
auf den Energieverbrauch auswirkt. Alternativ dazu kann durch Verringerung der Ventilatordrehzahl
des Rückkühlwerkes die Temperaturspreizung des Luftstroms erhöht und der Volumenstrom des
Kühlwasserkreislaufes beibehalten werden. Zudem ist auch eine Kombination aus beiden
Maßnahmen denkbar. Welche Maßnahme welchen Erfolg bringt, hängt im Einzelfall von den
Systemvorgaben ab. Für eine allgemeine Aussage kann aber festgestellt werden, dass sich
üblicherweise der Hilfsenergiebedarf von Umwälzpumpe und Rückkühlwerk in der gleichen
Größenordnung bewegt. Somit sollte versucht werden, bei beiden Verbrauchern Energie
einzusparen.
46
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
Geht man für eine vereinfachte Betrachtung davon aus, dass die Hilfsenergie HE für die
Umwälzpumpe genauso groß ist wie die für das Rückkühlwerk, so ergibt sich im Volllastfall ein
gesamter Hilfsenergiebedarf von 2 HE (HilfsEnergie) im Rückkühlkreis. Zudem wird weiter davon
ausgegangen, dass der Volumenstrom des Rückkühlwerks sich indirekt proportional auf die
Temperaturspreizung des Kühlwassers auswirkt. Es wird wieder das Beispiel 33% Teillast gewählt,
zudem wird von einem konstanten thermischen EER ausgegangen.
1. Fall: konstanter Kühlwasservolumenstrom
Der Volumenstrom im Kühlwasser bleibt konstant, die Leistungsreduktion findet nur über eine
Anpassung der Temperaturspreizung statt.
Hilfsenergie Umwälzpumpe: 1HE
Hilfsenergie Ventilator: 1/3 Temperaturspreizung im Wasserkreislauf -> 1/3 Volumenstrom
Luft -> (1/3)³ = 1/27 HE
Gesamte Hilfsenergie: 1 + 1/27 HE
2. Fall: konstante Temperaturspreizung
Die Temperaturspreizung bleibt konstant, die Leistungsreduktion findet nur über eine Anpassung des
Volumenstromes statt.
Hilfsenergie Umwälzpumpe: 1/3 Volumenstrom Wasser -> (1/3)³ = 1/27 HE
Hilfsenergie Ventilator: 1HE
Gesamte Hilfsenergie: 1+ 1/27 HE
3. Fall: Reduktion von Volumenstrom und Temperaturspreizung
Die Temperaturspreizung wird halbiert, der Volumenstrom auf 66% gedrosselt -> die Leistung wird
auf 33% abgesenkt.
Hilfsenergie Umwälzpumpe: 2/3 Volumenstrom Wasser -> (2/3)³ = 8/27 HE
Hilfsenergie Ventilator: 1/2 Temperaturspreizung im Wasserkreislauf -> 1/2 Volumenstrom
der Luft -> (1/2)³ = 1/8 HE
Gesamte Hilfsenergie: (8/27+ 1/8) HE = 91/216 HE (< 0,5 HE)
Wie obiges Beispiel zeigt, kann eine intelligente Regelung im Kühlwasserkreislauf den
Hilfsenergiebedarf gegenüber der Standardregelung nochmals halbieren. Hinzu kommt, dass bei
Teillast üblicherweise die Umgebungslufttemperatur niedriger ist als im Auslegungspunkt und
dadurch die Temperaturspreizung bei niedrigerer Ventilatorleistung hoch gehalten werden kann.
Durch die zuvor genannten Maßnahmen kann der Bedarf an Hilfsenergie in Teillast überproportional
zur abnehmenden Last reduziert werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, den elektrischen EER in
Teillast gegenüber dem Auslegungspunkt zu erhöhen. Im zuvor gewählten Beispiel sinkt die
thermische Last auf 33%, die elektrische Hilfsenergie (des Kühlkreises) von 2HE auf <0,5 HE, d.h. auf
<25%. Der elektrische EER würde also steigen. Dies ist bis jetzt in ausgeführten Anlagen eher die
Ausnahme. Um das Potenzial zu heben, ist eine intelligente Volumenstromregelung der
hydraulischen Kreise notwendig. Dafür sind drehzahlregelbare Pumpen nötig. Zudem muss, vor allem
47
AP2 Analyse solarthermische Kühlung
bei trockenen Rückkühlern, ein Konzept entwickelt werden, dass die gesamte Energieersparnis
optimiert und auch die Rückkühlerregelung ins Regelungskonzept mit aufnimmt.
Eine weitere regelungstechnische Maßnahme, die auf eine Optimierung des thermischen EER in
Teillast abzielt, ist die Regelung der internen Massenströme in Teillast. Absorptionskältemaschinen
haben üblicherweise einen Umlaufverdampfer, d.h. Kältemittel wird vom Verdampfersumpf
abgepumpt und über dem Verdampferrohrbündel wieder aufgegeben. Um eine möglichst
vollständige Benetzung des Wärmetauschers mit Kältemittel zu erhalten, wird mehr Kältemittel
umgewälzt, als zur Verdampfung nötig wäre. Die umgepumpte Kältemittelmenge ist somit
unabhängig von der Kältelast und eine Reduktion des Kältemittelmassenstromes in Teillast ist
normalerweise nicht vorgesehen. Im Prinzip kann bei niedrigeren Lasten der Volumenstrom etwas
zurückgenommen werden, da für den Teillastbetrieb eine vollständige Benetzung des
Wärmetauschers nicht nötig ist. Allerdings sind die so zu erzielenden Einsparungen gering. Eine
vollständige Benetzung des Wärmetauschers ist somit einer geringen Energieeinsparung vorzuziehen.
Da in Teillast das Verhältnis von Wärmetauscherfläche zur umgesetzten Leistung ansteigt, nimmt die
treibende Temperaturdifferenz ab und somit steigt die Drucklage der Verdampfung. Dadurch wird
der Absorber unterstützt, da er bei höheren Temperaturen rückgekühlt werden kann. Das dadurch
ermöglichte Energieeinsparpotenzial im Rückkühlkreis ist deutlich höher als die Energieeinsparung
der Kältemittelumwälzpumpe. Dies liegt vor allem auch daran, dass die Kältemittelumwälzpumpe
sehr wenig Energie verbraucht. Die Pumpe muss zum einen nur eine geringe Druckerhöhung leisten,
nämlich die geodätische Höhe des Verdampfers überwinden, und zum anderen einen geringen
Massenstrom fördern.
Die Lösungspumpe hingegen hat eine höhere Leistungsaufnahme, da sie einen größeren
Volumenstrom fördern und eine höhere Druckdifferenz überwinden muss. Da die Lösung vom
Absorber in den Desorber gefördert werden muss, muss neben den Höhen der Wärmeübertrager
auch noch der Druckunterschied zwischen Hoch- und Niederdruckstufe überwunden werden sowie
der Druckverlust des Lösungswärmetauschers. Der erhöhte Volumenstrom, der gefördert werden
muss, setzt sich aus dem Kältemittel und dem Lösungsmittel zusammen. Für
Absorptionskältemaschinen mit LiBr als Arbeitspaar eignen sich je nach Auslegung und
Apparatebauform f-Werte zwischen 10 und 30. Der f-Wert gibt das Verhältnis des
Lösungsmassenstromes zum umgesetzten Kältemittelmassenstrom an.
Wird in Teillast die Kälteleistung verringert, der Lösungsumlauf aber nicht entsprechend angepasst,
so steigt durch die Verringerung des Kältemittelmassenstromes automatisch der f-Wert an. Da der
Lösungsmittelwärmeübertrager nicht die gesamte Wärme der starken Lösung auf die schwache
Lösung übertragen kann, wird stets etwas Wärme vom Desorber in den Absorber verschoben. Diese
Wärme kann als Verlust angesehen werden. Dieser Wärmeverlust ist annähernd konstant und von
der Last der Kältemaschine unabhängig. In Teillast führt dies dazu, dass der thermische EER sinkt.
Wird im Teillastfall die Lösungspumpe geregelt und der Volumenstrom angepasst, so ergeben sich
zwei positive Effekte. Zum einen sinkt die Leistungsaufnahme der Lösungspumpe, zum anderen
bleibt der thermische EER konstant. Die Leistungsaufnahme der Lösungspumpe ist zwar deutlich
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höher als die der Kältemittelumwälzpumpe, im Vergleich zum Energiebedarf der externen Pumpen
und Ventilatoren jedoch gering. Dies gilt besonders, da für die Betrachtung der Regelungstechnik von
einem System mit optimierten Hocheffizienzpumpen ausgegangen wird. Somit ist auch die Reduktion
der Energieaufnahme der Lösungspumpe im Gesamtsystem nicht signifikant. Durch den konstanten
thermischen EER wird aber die Rückkühlleistung nicht unnötig erhöht und somit wird der
Energiebedarf von Kühlkreispumpe und Kühlkreisventilatoren im Vergleich zu einer ungeregelten
Lösungspumpe verringert. Allerdings ist auch hierbei zu beachten, dass der Volumenstrom der
Lösung nur soweit abgesenkt werden darf, dass eine vollständige Benetzung der Wärmeübertrager
(zumeist Rohrbündel) gewährleistet ist. Unvollständig benetzte Wärmetauscher verringern die
thermisch aktive Wärmetauscherfläche und erhöhen somit die treibende Temperaturdifferenz. Dies
wiederum wirkt sich negativ auf den Energiebedarf des externen Kühl- bzw. Heizkreislaufes aus.
In der Systemtechnik liegen die Optimierungspotenziale neben hocheffizienten Komponenten vor
allem in einer intelligenten Teillastregelung. Diese basiert im Wesentlichen auf drehzahlvariablen
Pumpen und Ventilatoren, die eine Volumenstromregelung ermöglichen. Zudem schließt eine
intelligente Regelung auch eine Volumenstromregelung des Lösungsumlaufes mit ein. Diese
Energieeinsparung ist aber im Vergleich zu den Potenzialen der externen Kreise gering und auch nur
begrenzt einsetzbar, da eine vollständige Benetzung der Wärmetauscher mehr
Energieeinsparpotenzial bietet als eine Reduktion der Leistungsaufnahme der Lösungspumpe.
Stand-alone Kälteerzeuger
Absorptionskältemaschinen die von volatilen Antriebsquellen wie Solarenergie oder fluktuierender
Abwärme angetrieben werden, können alleine eine durchgehende Kälteversorgung nicht
garantieren. Deshalb werden diesen Anlagen häufig Kompressionskältemaschinen als Backup oder
zur Spitzenlastabdeckung zur Seite gestellt. Um das Gesamtsystem zu vereinfachen und auf BackupLösungen verzichten zu können, kann ein Gasbrenner integriert werden. Mit einer solchen Lösung
wird beispielsweise eine solarthermische Absorptionskältemaschine derart aufgewertet, dass sie
dauerhaft und ausschließlich eine permanente Kälteversorgung bereitstellen kann. Ausfälle der
thermischen Antriebsleistung durch beispielsweise suboptimale oder gänzlich fehlende
Solarstrahlung kann so ausgeglichen werden. Zusätzlich kann in geringen Grenzen auch die
Kälteleistung im Vergleich zum reinen Heißwasserbetrieb gesteigert werden, um Lastspitzen
abzufahren.
Das ZAE Bayern realisierte eine solche Absorptionskältemaschine für eine solarthermische
Kühlungsanwendung mit 90 kW Nennkälteleistung. Bei ausreichender Solarstrahlung wird die
Absorptionskältemaschine als einstufige Anlage betrieben und ist heißwassergetrieben. Kann der
Kältebedarf nicht mehr (vollständig) von der Solarwärme gedeckt werden, schaltet ein Gasbrenner
zu. Da bei der Feuerung von Gas keine Begrenzung der Antriebstemperatur besteht, erfolgt die
Wärmeeinkopplung in den Sorptionskreislauf auf einem höheren Druck- bzw. Temperaturniveau.
Dadurch wird die Exergie des eingesetzten Brennstoffes besser genutzt, da die Kondensationswärme
der zweiten Stufe zum Antrieb der ersten genutzt werden kann. Wird die Kälte ausschließlich vom
Gasbrenner erzeugt, so arbeitet die Absorptionskältemaschine wie eine double-effect-Maschine.
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Liefert der Gasbrenner nur einen Teil der Antriebswärme und ein Teil wird von der Solaranlage
bereitgestellt, so verhält sich die Absorptionskältemaschine wie eine Mischung aus einer single-effect
und einer double-effect-Maschine. Dieser Betrieb wird als DE/SE bezeichnet, double-effect/singleeffect. Der erreichbare thermische EER liegt zwischen dem einer double-effect (~1,4) und einer
single-effect-Anlage (~0,75), je nach Anteil der beiden Wärmequellen näher bei 1,4 bzw. 0,75.
Durch Erweiterung der Absorptionskältemaschine um den Gasbrenner kann die
Absorptionskältemaschine alleine die Kälteerzeugung übernehmen. Da der Gasbrenner bereits fertig
montiert ist, wird auch dessen Steuerung von der Anlagenregelung übernommen. Somit werden
potenzielle Fehler bei der Ansteuerung vermieden und das System ist weniger anfällig verglichen mit
der Einbindung eines externen Wärmeerzeugers. Zudem erlaubt dieses System den Betrieb der
Absorptionsmaschine als Wärmepumpe im Winter, eine Wärmequelle mit ausreichend hohem
Temperaturniveau vorausgesetzt. Ist eine solche Wärmequelle nicht vorhanden, so kann der
Gasbrenner in der Absorptionskältemaschine auch im Kesselbetrieb, also ohne Wärmepumpeneffekt,
genutzt werden. Somit entfällt für den Heizfall eine zusätzliche Heizung.
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4.2.
Entwicklungspotenzial Adsorptionstechnik
Zahlreiche der im vorigen Abschnitt aufgeführten Entwicklungspotenziale treffen auch für die
Adsorptionstechnik zu; dies betrifft insbesondere die Elektroenergieaufwendungen in den externen
Kreisläufen für den Antrieb, für die Rückkühlung und für den Kälteträgerkreis. Eine Verringerung der
Druckverluste in den internen Wärmeübertragern der Adsorptionskältemaschine trägt daher
ebenfalls zur Verbesserung der elektrischen Aufwandszahl bei. Besonderes Augenmerk liegt auch
hier in der Rückkühlung, da wegen des durchschnittlich etwas ungünstigeren thermischen EER die
erforderlichen Rückkühlleistungen höher als in der einstufigen Absorptionstechnik sind.
Die Adsorptionskältemaschine im kleinen Leistungsbereich selbst enthält in der Regel außer der
internen Steuerung und der Ventile für die periodische Kammerumschaltung keine Komponenten,
die Elektroenergie aufnehmen. Hier ist daher wenig Potenzial für eine Verbesserung der elektrischen
Arbeitszahl vorhanden. Adsorptionskälteanlagen im höheren Leistungsbereich enthalten eingebaute
Vakuumpumpen, die kurzzeitig zum Absaugen von eventuell auftretenden Fremdgasen aktiviert
werden, bei korrekter Funktion der Kältemaschine aber nicht signifikant zur Stromaufnahme
beitragen. Die derzeitigen F&E-Arbeiten bezüglich des Entwicklungspotenziales Systemtechnik bei
Adsorptionskältemaschinen konzentrieren sich daher auf die Verbesserung der thermischen Effizienz,
d.h. Erhöhung des thermischen EER durch systemtechnische Entwicklungen.
Verbesserung der thermischen Effizienz
Bei herkömmlichen Anlagen wird die Wärmerückgewinnung beim Umschalten der Kammern vom
Adsorber- auf Generator(Desorber)betrieb und umgekehrt durch ein kurzzeitiges Zusammenschalten
der beiden Kammern erreicht. Dabei wird die im nächsten Schritt als Generator betriebene Kammer
vorgeheizt, die im nächsten Schritt als Adsorber betriebene Kammer vorgekühlt. Diese
Wärmerückgewinnung ist jedoch nicht ideal. Ein Ansatz, diesen Prozess erheblich zu verbessern, wird
im Zyklen-Konzept „Stratisorp“ untersucht. Dabei handelt es sich um ein Konzept des Karlsruhe
Institute of Technology (KIT) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE: die AdKM wird kombiniert
mit einem speziell angepassten Schichtenspeicher, dem sowohl Kühlwasser zur Rückkühlung des
Adsorbers als auch Heizwasser für die Regeneration auf jeweils passender Temperatur entnommen
wird.
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Abbildung 17 - Stratisop Systemskizze
Dargestellt ist in Abbildung 17 die Adsorptionsphase mit Kühlwasserentnahme aus der untersten
Speicherschicht. Der Speicher wird an einen externen Rückkühler und an eine externe Wärmequelle
(hier: Prozess für 200°C Antriebstemperatur) angeschlossen. Bildquelle: [Schwamberger, 2011]7.
Mit diesem Konzept kann vorhandene Wärme in hohem Maße genutzt und zwischengespeichert
werden. Detaillierte Simulationsrechnungen zeigen die Möglichkeit, dass damit die thermische
Aufwandszahl EER erheblich ansteigt. Der Aufbau eines Prototyps ist in Vorbereitung.
Einen Entwicklungsansatz, der gemeinsam vom Fraunhofer ISE, der Solvis GmbH und der SorTech AG
im Rahmen des Projektes SolCoolSys beforscht wird, ist ein hoher Vorfertigungsgrad des
Gesamtsystems thermischer Kälteerzeuger. Wie im Kapitel 2 „Praxisdaten“ gezeigt, ist die Anbindung
der Kältemaschine ins System fehleranfällig und kann die elektrische Effizienz deutlich vermindern.
Durch einen hohen Vorfertigungsgrad an der Hydraulik und der Regelungstechnik soll der parasitäre
Energieverbrauch minimiert werden. Wird die AdKM zudem zusammen mit einem geeigneten
Rückkühlwerk angeboten, wird ein weiteres Risiko für die Effizienz vermieden. Da eine AdKM bedingt
durch das Kältemittel Wasser hauptsächlich innerhalb des Gebäudes aufgestellt wird, während der
Rückkühler systembedingt im Freien steht, kann die Rohrleitungsführung sowie Dimensionierung
nicht vorgefertigt werden. Ein Dimensionierungsvorschlag kann den Planer bei der Ausführung
dagegen unterstützen.
Ein weiterer Schritt zur deutlichen Vereinfachung von Planung und Installation im System sind AdKM,
die bereits mit geregelten Kreislaufpumpen für die drei hydraulischen Betriebskreise Antrieb,
Rückkühlung und Kaltwasser ausgestattet sind. Hersteller von Geräten im kleinen Leistungsbereich
sind mit dieser Erweiterung bereits am Markt. In der jeweils geplanten Anwendung muss die
Kompatibilität mit dem hydraulischen Netz vor Ort geprüft werden.
7
Valentin Schwamberger et al.: Modeling Results of a Novel Adsorption Cycle with Advance Heat Recovery for
th
High-Efficiency Air-Cooled Adsorption Chillers. Tagungsbeitrag zu 4 International Conference Solar AirConditioning, 12.-14. Oktober 2011, Larnaka, Zypern
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Um den Ansatz der hohen integrierten Fertigung weiter zu vertiefen, werden teilweise bereits
Komplettpakte von BHKW und AdKM angeboten. Dadurch kann eine korrekte Einbindung einer
effizienten Wärmequelle gewährleistet werden. Diese Kombination zielt auf Anwendungen ab, die
eine hohe Gleichzeitigkeit von Strom und Kältebedarf haben sowie eine ganzjährig hohe Laufzeit.
Solche Anwendungen können beispielsweise Rechenzentren, Produktionsanlagen, Kühlhäuser oder
Krankenhäuser sein.
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