Solare Kühlung mittels Adsorptionstechnologie - Bis zu 70% Stromeinsparungen und Verdoppelung der Lebenszyklen

Nutzer, die hohe Komfortansprüche an das sommerliche Raumklima stellen, können dieses nur mit aktiven Klimatisierungssystemen erreichen. Dieses gilt insbesondere dann, wenn die passive Nachtlüftung eines Gebäudes nicht ausreicht oder andere regenerative Kühlquellen, z.B. oberflächennahe Geothermie (Erdsonden oder Erdreichflächensonden), den Kühlbedarf nicht decken können.
Die Haupteinsatzgebiete erstrecken sich über Arztpraxen-, Banken-, Boutiquen-, Hotels-, Büro-und Verwaltungsgebäude sowie sonstige Zweckbauten. Die Adsoprtionskältemaschinen im kleineren Leistungssegment mit 7,5 und 15 kW können ideal zur energiesparenden Klimatisierung in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie kleineren Büro- und Gewerbebauten eingesetzt werden. Diese kompakten Maschinen arbeiten mit Wasser als Kältemittel und sind nahezu geräuschlos und wartungsarm.
Zur Raumkühlung dienen in der Regel konventionelle RLT-Geräte (Splitgeräte), die mit den stromhungrigen elektrisch betriebenen Kompressoren über die Sommermonate einen maximalen Stromverbrauch zur Spitzenlastzeit benötigen. Diese Tatsache führte in den letzten Jahren regelmäßig zur Überlastung der Stromnetze. Solare Kältemaschinen haben den Vorteil, dass diese Geräte gerade zu dem Zeitpunkt, wenn die Außentemperaturen von 20 bis 32°C ansteigen, ihre höchste Kühlleistung liefern. Diese Geräte präsentieren sich als umweltfreundliche Alternative zu den Splitgeräten.
In den letzten Jahren wurden unterschiedliche Technologien und Systeme zur thermisch angetriebenen Kälteerzeugung und Klimatisierung entwickelt, die auf dem Sorptionsprinzip basieren, d.h. der reversiblen Anlagerung eines Arbeitsstoffes an einem Sorptionsmittel. Die Systemvarianten werden je nachdem, ob es sich bei der Anlagerung um ein Oberflächen- oder Volumeneffekt handelt, als Adsorption (Oberfläche) oder Absorption (Volumen) definiert. Ferner wird noch zwischen den offenen und geschlossenen Verfahren sowie zwischen festen und flüssigen Sorptionsmitteln unterschieden.
Die mit Wärme (Sonnenenergie, Abwärme, etc.) angetriebenen thermischen Kältemaschinen sparen gegenüber den mit elektrischem Strom betriebenen Kompressionskältemaschinen nicht nur bis zu 70% elektrische Energie sondern entlasten auch als klimaschonendere Systemlösung die Umwelt um
mit bis zu 30% niedrigeren CO2-Schadstoffemissionen. Silikalgel ist umweltfreundlich: Ozonschicht-Abbaupotenzial ODP = Null und Treibhauspotenzial GWP = Null!!

Zielsetzung
Zur Nutzung der solarthermischen Anlage als Wärmequelle zur Klimatisierung von Gebäuden stellt sich die Gleichzeitigkeit von solarem Wärmeangebot und Kühlbedarf als ein großer Vorteil heraus. Insofern besteht der größte Kühlbedarf während der Sommermonate tagsüber, wenn auch das größte solare Energieangebot zur Verfügung steht. Dieses wirkt sich positiv auf den Nutzungsgrad der Solarthermieanlage und auch auf die Dimensionierung der Anlagenkomponenten aus. Hinsichtlich des Einflusses der Antriebstemperatur sollte berücksichtigt werden, dass die Leistungsfähigkeit geschlossener Sorptionskältemaschinen von den drei Prozesstemperaturen für Heiz-, Kühl- und Kaltwasser abhängig ist.
Für den Antrieb von Adsorptionskältemaschinen kann Wärme ab 55°C genutzt werden. Die günstigste maximale Heizwassertemperatur bei Adsorbern beträgt jedoch circa 85°C. Eine höhere Heizwassertemperatur erhöht zwar die Leistung, aber nicht die Wirtschaftlichkeit. Der Coefficient of Performace (COP) der Adsorptionskältemaschine wird bei Temperaturen über 85°C nur unwesentlich verbessert.
In der Regel sollte aus wirtschaftlichen Aspekten eine ganzjährige Energienutzung der regenerativen Energiequellen zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung und Kaltwassererzeugung (Kältebereitstellung) angestrebt werden. Die Heizwassertemperatur sollte bei konven-
tionellen Klimaanlagen 70 bis 80°C und bei RLT-Anlagen mit Kühldecken zwischen 60 bis 70°C betragen.
Letztlich liegt in einer dem Bedarf angepassten Konzeption auch die Reduzierung der Investitionskosten begründet, d.h. insofern auch die Dimensionierung der Pufferspeicher. Die Pufferspeicher können bei der Nutzung der solaren Wärme zu Kühlzwecken kleiner dimensioniert werden als eine Solarthermieanlage vergleichbarer Größe, die in der Regel lediglich zur Heizungsunterstützung dient. Die Speicher puffern die Wärmemenge für den Arbeitszyklus der Adsorptionskältemaschine. Beim Be- und Entladevorgang sind die Pufferspeicher in Reihe geschaltet.

Produkthersteller und Entwicklungsstand
Viele der neuen Innovationen (Adsorptions- oder Absorptionskältemaschinen sind derzeit aus der Prototypenphase in den Feldtest sowie bereits in die Marktreife und Produktion übergegangen. Besonders im kleinen Leistungsbereich ist ein erhöhtes Marktpotenzial zu verzeichnen. Bei den thermisch angetriebenen Adsorptionskältemaschinen im mittleren Leistungssegment haben sich bisher zwei japanische Produkte positioniert:

• Nishyodo (Vertrieb in Deutschland über GBU, Bensheim), Silikagel/Wasser-Maschine vom Typ „NAK-C“ für Kälteleistungen von 50 bis 430 kW.
• Mayekawa/Mycom-Maschine (Vertrieb Albring Industrievertretung GmbH, 64665 Alsbach) mit einer  Kälteleistungen von 50 bis 500 kW.

Im kleineren Leistungssektor haben sich in den letzten Jahren auf Basis der Adsorptionstechnologie mit dem Stoffpaar Silikagel/Wasser nachfolgend aufgeführte Produkthersteller etabliert:

• CitrinSolar mit dem Adsorber „Chillii STC“,
• Solution mit der Adsorptionskältemaschine mit einer Kälteleistung von 7,5 kW bzw. 15 kW, von der Sortech AG, Halle/Saale,
• Invensor GmbH, Berlin, mit einer Kälteleistung von 5 bis 50 kW,
• Die „SWAC-10“ Adsorptionskältemaschine von der SJTU in China hat eine Kälteleistung von 10 kW.

Die an der Shanghai Jiao Tong University (SJTU) in China entwickelte Adsorptionskältemaschine vom Typ „SWAC-10“ mit dem Stoffpaar Wasser/Silikagel, wird von der chinesischen Firma Jiangsu Shuangliang Air Conditioner Equipents hergestellt und seit 2008 in mehreren Projekten getestet.

Systemaufbau
Eine Adsorptionskältemaschine be-steht aus zwei mit Silikagel gefüllten Kammern, die wechselweise zur Wasserdampfadsorption und -desorption genutzt werden und einen quasikontinuierlichen Prozess ermöglichen. Die Adsorptionswärme bzw. die notwendige Heizwärme für die Desorption wird durch Wärmeübertrager in den Kammern ab- bzw. zugeführt, deren Rippen für einen guten thermischen Kontakt dicht mit Silikagel umpackt sind. Die Kältemittelpumpe fördert lediglich nicht verdampftes Wasser zurück in die Sprühdüsen des Verdampfers. Im Verdampfer herrscht ein Unterdruck, der das Kältemittel unter Aufnahme thermischer Energie schneller in den gasförmigen Aggregatezustand überleiten lässt. Hierdurch kühlt das Kaltwasser ab, und es kann zur Gebäudeklimatisierung verwendet werden.

Funktionsprinzip
Der Prozess besteht aus zwei Arbeitstakten sowie einer kurzen Umschaltphase zwischen den Takten. Die Adsorptions- und Desorptionskammer sind räumlich voneinander getrennt und vertauschen ihre Funktion in jedem Zyklus. Das
Silikagel der Adsorptionskammer nimmt das verdampfte Kältemittel auf und gibt hierbei Wärme an die Kühlwasserleitung ab. Das Silikagel in der Desorptionskammer hat im vorigen Zyklus Kältemittel gebunden.
Mithilfe der Wärme des Heißwassers aus der Solarthermieanlage wird das Kältemittel wieder freigegeben, im Kondensator verflüssigt und zum Verdampfer zurückgeführt. Nun beginnt der Zyklus von Neuem.
Jede Silikagelkammer wird über zwei ansteuerbare Ventilklappen entweder mit dem Verdampfer oder Kondensator verbunden. Im Arbeitstakt 1 ist das untere Dreiwegeventil für eine der beiden Silikagelkammern zum Verdampfer hin geöffnet und der im Verdampfer produzierte Wasserdampf wird an dem trockenen und vorgekühlten Silikagel adsorbiert. Das obere Dreiwegeventil ist zur anderen Kammer geöffnet. Die Beladung erfolgt bei geringerem Verdampferdruck (z.B. 1000 Pa bei 5°C) und die freiwerdende Adsorptionsenthalpie wird durch das Kühlwasser abgeführt. Die mögliche Wasserdampfbeladung des Silikagels steigt mit sinkender Kühlwassertemperatur, die somit den Endpunkt der Adsorption festlegt. In der zweiten Kammer ist während des ersten Arbeitstaktes die Ventilklappe zum Verdampfer hin geschlossen und die Klappe zum Kondensator hin geöffnet. Durch Wärmezufuhr wird der im vorigen Arbeitstakt angelagerte Wasserdampf ausgetrieben und bei Kondensatordruck verflüssigt.
Im Arbeitstakt 2 werden die Dreiwegeventile genau gegenläufig betrieben. Der adsorbierte Wasserdampf der ersten Kammer wird jetzt durch Wärmezufuhr in den Kondensator ausgetrieben (Ventilklappe zum Kondensator geöffnet, zum Verdam-pfer geschlossen), in der zweiten Kammer wird das getrocknete Silikagel zur Adsorption von Wasserdampf aus dem Verdampfer verwendet. Zwischen den beiden Arbeitstakten findet eine Umschaltphase zur Wärmerückgewinnung von etwa 20 Sekunden Dauer statt, in welcher beide Kammern in Reihe von Kühl- bzw. Heizwasser durchströmt werden. Das Heizwasser dient zur Vorwärmung der Adsorptionskammer des vorhergehenden Arbeitstaktes, das Kühlwasser kühlt die bisherige heiße Desorptionskammer vor. Ein typischer Zyklus dauert 400 Sekunden, sodass inklusive Umschaltphase ein Takt von 7 Minuten gegeben ist.
Da der Kaltwasserpuffer bis zu 4°C abgekühlt werden kann, steht für den Spitzenlastfall eine Zusatzleistung zur Verfügung.
Der Lebenszyklus der Anlagen beträgt zwischen 20 bis 25 Jahre. Im Vergleich dazu liegt der Anlagen-Lebenszyklus bei Kompressorkältemaschinen zwischen 10 bis 12 Jahren.

Objektbeispiel Festo
Im Firmenstammsitz der Festo AG & Co. KG in Stuttgart-Esslingen/Berkheim wurde die derzeit größte solarunterstützte Klimaanlage zur Beheizung und Kühlung des Bürogebäudes in Betrieb genommen.
Die Gesamtanlage besteht aus drei Adsorptionskältemaschinen des japanischen Herstellers Mayekawa, vom Typ „Mycom ADR-100“ mit einer Gesamtkälteleistung von 1,5 MW. Die drei „Mycom“-Adsorptionskältemaschinen werden dazu verwendet, die Abwärme der Druckluftkompressoren aus dem Technologiezentrum zu nutzen und damit die Büros und das Rechenzentrum zu kühlen. In der Praxis hat sich jedoch ergeben, dass die Abwärme dieser Druckluftkompressoren nur ca. 300 kW erreicht. Im Zuge der überarbeiteten  Gebäudetechnik wurde für die maximale Gesamtleistung der zur Kältemaschinenantriebsenergie benötigten Wärme von 1750 kW eine Erhöhung des Druckluftwärmegewinns auf 600 kW durchgeführt. Die restlichen 700 kW werden seitens der 1300 m² großen Solarthermie-kollektoren bereitgestellt. Aufgrund dieser Energiekonzeption wird in einem erheblichen Umfang Erdgas als Primärenergie eingespart und somit indirekt die Energieressourcen geschützt.  
Bei dem aus 2001 bestehenden Anlagekonzept und der kürzlich erfolgten Sanierung auf eine solare Kühlung mussten auch die geeigneten hydraulischen Anbindungen des Solarthermienetzes in das Heiznetz, aus welchem die Adsorptionskältemaschinen die Heizleistung beziehen,  durchgeführt werden.
Auf den Dächern der Produktionsstätten versorgen die Vakuumröhrenkollektoren die Adsorptionskälteanlage mit Antriebswärme. Die solare Kühlung vereint die im Grunde als paradox erscheinende Technik, das aufgrund des Einsatzes der rationellen Energieanwendungen die regenerative Sonnenenergie auch im Hochsommer zum Kühlen verwendet werden kann. Um dieses realisieren zu können, wurden die Vakuumröhrenkollektoren (58 x Typ „CPC 30“ und 232 x „CPC 45“)  mit einer Aperturfläche von insgesamt 1218 m² an die Adsorptionskältemaschinen gekoppelt. Die Solarthermieanlage unterstützt in den Sommermonaten die Adsorptionskältemaschine zur Kühlung von über 27000 m² Bruttofläche und trägt in den Wintermonaten zur Beheizung bei. Die Wärme kann je nach Sonneneinstrahlung auf hohem Temperaturniveau für das gesamte Werk bzw. auf Niedertemperaturniveau nur für die Betonkernaktivierung eines Gebäudes verwendet werden.
Die Energiekonzeption bei Festo basiert letztlich darauf, dass wenn die sommerlichen Außentemperaturen ihre Spitzenwerte erreichen, zur Gebäudekühlung auch die meisten Kühlenergien benö-tigt werden. Da das solare Energieangebot proportional mit dem Energiebedarf steigt und sinkt, steht nun mit der integrierten Technologie nahezu zeitgleich genau dann ausreichend Energie zur Verfügung, wenn sie am nötigsten angefordert wird. Eine geringe zeitliche Verzögerung tritt nur durch die Speichermassen der Fundamente, Wände und Decken auf, die ein Aufheizen des Gebäudeinneren durch ihre eigene Wärmekapazität puffern. Der große Aufwand, Wärme zu speichern und wieder bereitzustellen, entfällt, weil die Energie sofort verbraucht wird und daher nur kleine Puffer verwendet werden.
Aufgrund dieser Konzeption wird durch Nutzung der kostenlosen regenerativen Sonnenenergie übers gesamte Jahr Energie eingespart. Im Sommer versorgt die Sonne die Adsorptionsanlage mit Heißwasser und im Winter betreibt sie die Heizungsanlage.

Ohne Frostschutzmittel
Die großflächige Solarthermieanlage enthält kein Frostschutzmittel und auch keinen Solar-Wärmeübertrager. Da die frostsichere Solarthermieanlage „AquaSystem“ von Paradigma als Wärmeträger nur Wasser enthält, kann dieses ohne verlustreiche Wärmeübertrager direkt zur Kaltwasserversorgung der RLT-Zentralgeräte geleitet werden. Über die Wintermonate wird der Frostschutz durch die Niedertemperaturwärme aus der Anlage gewährleistet. Aufgrund einer integrierten Frostschutzschaltung wird zudem verhindert, dass das Wasser im Winter einfrieren kann. Die Systemvorteile bestehen darin, dass nicht nur der Wärmeübertrager zwischen dem Kollektorkreis und Speicherkreis entfällt, sondern dass auch die Wärmekapazität des Wassers höher ist als bei einem Wasser/Glykol-Gemisch. Beide Faktoren führen zu einem höheren Energieertrag der Solarthermieanlage.
Als Argumente zur Zustimmung des „AquaSystems“ zählte primär, dass

• die Übertragungsverluste durch Wegfall der Wärmeübertrager und Frostschutzmittel (Glykol) minimiert werden,
• ein besserer Gesamtwirkungsgrad erreicht wird und somit
• eine Reduzierung der Investitionskosten erreicht wird.

Da der Frostschutz durch die solar erzeugte Niedertemperaturwärme aus der Anlage selbst garantiert wird, muss zwar ein Wärmeanteil des jährlichen Solarertrags von ca. 2 – 4% zur Verfügung gestellt werden, aber andererseits wird mit dem Einsatz des „AuqaSystems“ auch ein Vorteil für den Betrieb der Adsorptionskältemaschinen erreicht. Dem Energieaufwand der geringeren Wärmeverluste der CPC-Vakuumkollektoren  steht eine exergetische Mehrleistung aufgrund der höheren Arbeitstemperatur der Adsorptionskältemaschinen zu Verfügung. Ferner treten aufgrund dieser Systemfindung keine Überhitzungsprobleme auf, sodass hier eine Prozesswärmenutzung bis 150°C möglich ist. Da die Anlage auch ohne eine Wärmeabnahme im Stillstand stehen kann, konnte das System auch mit kleineren, effizienterem Speicher konzipiert werden. Für den elektrischen Antrieb der Pumpen wird mit einer Leistungsreduzierung von 50% gerechnet.

Förderung
Die Solarthermie wird in Deutschland durch Investitionsförderungen und die Gewährung verbilligter Kredite gefördert. Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gewährt für die Erstinstallation einer 20 – 40 m² großen Solarkollektoranlage zur solaren Kälteerzeugung eine Förderung von 210,– Euro pro angefangenem m² Bruttokollektorfläche. Jeder weitere Quadratmeter kann darüber hinaus mit bis zu 45,– Euro gefördert werden.
Ausführliche Informationen befinden sich auf der Internetseite des BAFA.
Zudem können für Investitionsmaßnahmen ab 40 m² Kollektorfläche bei der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) Darlehen beantragt werden.
Da die Betriebskosten zur Bereitstellung von Kühlenergie gegenüber der Heizenergie um den Faktor 3 höher sind, werden die Bauherren, Investoren und Betreiber immer sensibler für innovative und energieeffiziente kältetechnische Lösungssysteme.
Um die Wirtschaftlichkeit von Systemen der solar unterstützten Klimatisierung in der Zukunft weiter zu verbessern, müssen jedoch noch eine Reihe von Maßnahmen optimiert werden.
Einerseits können technische Verbesserungen an den Komponenten, wie z.B. eine höhere Effizienz der thermisch angetriebenen Kältemaschinen bzw. Klimatisierungsverfahren, zu Kostenreduktionen beitragen. Andererseits sollte aber eine weitere Senkung der Investitionskosten für Solarthermieanlagen angestrebt werden. Dieses betrifft insbesondere die Solarthermiegroßanlagen, die in der Regel zur solar unterstützten Klimatisierung eingesetzt werden. Letztlich wird sich eine erfolgreiche Markteinführung insbesondere der Adsorptionanlagen im kleineren Leistungsbereich von 5 bis 15 kW ohne die entsprechende Unterstützung von Förderungsmaßnahmen, z.B. im Rahmen eines angemessenen Markteinführungsprogramms, weiterhin hinauszögern.

Autor: Eric Theiß

Bilder: Festo

Links und weitere Informationen:
albring-gmbh@t-online.de
www.mycom-adsorber.de
www.invensor.de
www.sortech.de
www.paradigma.de