Optionen der solaren Kühlung und gewerbliche Anwendungen

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1 Optionen der solaren Kühlung und gewerbliche Anwendungen Dr.-Ing. Ahmet Lokurlu SOLITEM GmbH, Aachen

2 Übersicht Solare Kühlung und Klimatisierung Erläuterung geschlossene Verfahren Kaltwassererzeugung offene Verfahren Lüftungstechnik Realisierte Anlagen Gewerbliche Anwendungen Zusammenfassung

3 Energiepolitik Innovative Energy and Environmental Langfristszenarien in Deutschland Entwicklung der Wärmebereitstellung bis [TWh/a] Geothermie Kollektoren Biomasse Fern-/Nahw ärme, fossil Strom Gas Kohle, Öl Quelle: C. Stein, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

4 Thermische Nutzung der Solarenergie Niedertemperatur Mitteltemperatur Hochtemperatur < 150 C < 400 Schwimmbadwassererwärmung C Warmwasserbereitung < 1000 Solare CKühlung und Raumheizung Klimatisierung Prozesswärme für Metall-, Prozesswärme Solartrocknung Zement- und Glasindustrie für Papier- und Nahrungsmittelindustrie Stromerzeugung Meerwasserentsalzung (Turmkonzept) Stromerzeugung (DCS Konzept)

5 Niedertemperatur Systeme Innovative Energy and Environmental Niedertemperatur Kollektor Systeme Flachkollektor Vakuumröhrenkollektor

6 Niedertemperatur Systeme Innovative Energy and Environmental Flachkollektoren Source: Prof. Dr. B. Hoffschmidt, Solar-Institut Jülich

7 Niedertemperatur Systeme Innovative Energy and Environmental Vakuumröhrenkollektoren Quelle: Prof. Dr. B. Hoffschmidt, Solar-Institut Jülich

8 Solarkollektoren für mittlere Temperaturen Für solare Kühlung/Klimatisierung sind Kollektoren mit einem Arbeitsbereich C von besonderer Bedeutung Aussichtsreiche Ansätze: Zwei-Scheiben-Kollektoren mit AR- Beschichtung Stationäre, konzentrierende Kollektoren (Vakuum-Röhren, flache Bauweise) IEA Task 33 Solar Industrial Process Heat Subtask C: Collectors and components Teststand für Kollektoren bis 200 C am Fraunhofer ISE im Ausbau

9 Mitteltemperatur Systeme Innovative Energy and Environmental Parabolrinnenkollektor-Technik Glasshüllrohr Direktstrahlen Absorber mit Selektivbeschichtung Absorber- Medium Thermische Verl. Optische Verl. Reflektor Quelle: DLR

10 R SOLITEM PTC 1800 Parabolrinnenkollektoren Deutschland/Türkei

11 Mitteltemperatur Systeme Innovative Energy and Environmental R SOLITEM Parabolrinnenkollektor (SOLITEM PTC 1800 ) Moduldaten: Modullänge mm Modulbreite mm Rinnenhöhe 260 mm Fokallänge 780 mm Trägerkonstruktion Al-Profile und Al-Blech 0,5mm Reflektormaterial Al-Folie 0,5 mm Absorberrohr: Material Edelstahl Beschichtung Selektiv Außendurchmesser 38 mm Wandstärke 1,25 mm Glashüllrohr: Material Schott Außendurchmesser 65 mm Wandstärke 2,2 mm 1,00 Parabelprofil des SOLITEM PTC 1800 y (m) 0,75 0,50 0,78 0,25 0,00-1,00-0,75-0,50-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 x (m)

12 Mitteltemperatur Systeme Entwicklung des PTC 1100 Innovative Energy and Environmental

13 Gewerbliche Anwendungen der solarthermischen Anlagen

14 Kombination der Solarwärme mit der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung hochkalorische Wärme (Prozesswärme) Solarenergie SOLITEM PTC Zweistufige AKM Kälte COP ( ) Abwärme Zugeführte Brennstoff energie Wärme- Kraft- Maschine Strom 1 Stufige AKM COP (0,45-0,65) Kälte

15 Hochtemperatur Solarsystem mit Parabolrinnen Kollektoren, Heißwasserkreislauf und Dampfproduktion Kollektorfeld Heißwasserleitung Dampfschiene Dampf Dampferzeuger Verbraucher

16 Integriertes Solitem PTC system ORC-PROCESS Steam Turbine Solar Steam Gen. Heat user Pump Working Fluid

17 PTC Warmwasser Speicher Hotels Krankenhäuser Speicher Mikroturbine (optional) Kaltwasser Speicher Heizung Absorptions- KM Siedlungen Industrie Betriebe (Textil, Nahrungsmittel, usw. Räume Wäscherei Küche, etc. Warmwasser Heizung Kaltwasser

18 Trocknung und Wäscherei Innovative Energy and Environmental Solare Trocknungsanlage: Krimmer-Pulling Inbetriebnahme: 2003 Aperturfläche Kollektorfeld: 138 m²; Solar HFK ; Sun-Pro GmbH Quelle: L. Staudacher, ZAE Bayern

19 Trocknung und Wäscherei Innovative Energy and Environmental Solar unterstützte Wäscherei: JVA-Bernau Inbetriebnahme: 2002 Aperturfläche Kollektorfeld: 88,4 m²; A1-GK 1185 ; Solar Energie-Technik GmbH Quelle: L. Staudacher, ZAE Bayern

20 Solarthermischer Prozesse zur Gebäudeklimatisierung

21 Quelle: Dr. Hans-Martin Henning, ISE

22 Marktsituation - Kaltwassererzeuger 1-stufige Absorption viele Produkte für Antrieb mit Heißwasser (oder Dampf) im Leistungsbereich > 100 kw; wenige Produkte < 100 kw 2-stufige Absorption oft direkt befeuerte Anlagen; Dampfbetriebene Anlagen keine Produkte <100 kw Adsorption zwei kommerzielle Systeme (Japanische Hersteller) zum Antrieb mit Heißwasser Quelle: Dr. Hans-Martin Henning, ISE

23 Funktionsweise Absorptionskältemaschine typische Antriebstemperaturen (1-stufig): C Druck COP-Werte: 0,6...0,8 je nach Anlage und Betriebsbedingungen typische Antriebstemperaturen (2-stufig): C COP-Werte: 1,0...1,2 je nach Anlage und Betriebsbedingungen Temperatur Quelle: Dr. Hans-Martin Henning, ISE

24 COP-Werte (Coefficient of Performance) 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 20% 40% 60% 80% 100% Operation Load COP (Coefficient of Performance) = Nutzkälte Antriebswärme Quelle: Dr. Hans-Martin Henning, ISE

25 Vergleich von ein- und zweistufigen Absorptionskälteanlagen Kaltwasser-Bedarf kwh/a Absorptionskältemaschine Einstufig Zwei stufig m ,5 1,27 einstufige AKM Erforderliche Kollektorfläche COP-Werte 240 zwei stufige AKM COP Wärmeverbrauch Solarsysteme Temperatur Jahresertrag Kollektorfläche C m 2 kwh/a kwh/m 2 0, FPC , PTC (4,0 bar)

26 Vergleich verschiedener Systeme zur Klimatisierung Strom-Kraftwerkswirkungsgrad (Weltdurchschnitt) η = 30% KKM 100 kwth COP = 2,5 3,5 Brennstoffenergie 30 kwel 90 kw Kälte 100 kwth Brennstoffenergie Kesselwirkungsgrad (Durchschnitt) η = 85% 100 kwth Hochtemperatur Solarenergie (3,0) 1-stufige AKM 85 kwth COP = 0,45 0,65 47 kw Kälte (0,55) SOLITEM PTC 2-stufige AKM COP = 1,3 1,5 (1,4) 100 kwth 140 kw Kälte E R Z E U G T E K Ä L T E Ohne Brennstoffverbrauch am Dampferzeuger auf reiner Solarbasis Hochtemperatur Solarenergie 180 C

27 CO 2 -Bilanz für ein mittelgroßes Hotel in Mittelmeerraum 500 kw Kältekapazität, 6 Monate Kühlung = kwh Kälte/a KKM COP = 2,5 3,5 (3,0) 1-stufige AKM COP = 0,45 0,65 (0,55) 500 kw Kälte 500 kw Kälte Für 1 kw Kälteerzeugung ca. 0,9 kg/co 2 -Ausstoß (Auf Mixbrennstoffbasis) η Kraftwerk = 30 % Tonnen CO 2 pro Jahr Für 1 kw Kälteerzeugung ca. 0,5 kg/co 2 -Ausstoß (Auf Erdgas- und Erdölbasis) η Kessel = 85 % 900 Tonnen CO 2 pro Jahr SOLITEM PTC 2-stufige AKM COP = 1,3 1,5 (1,4) 500 kw Kälte Hybridsystem ca. 60% Solar ca. 350 Tonnen CO 2 pro Jahr SOLITEM PTC 2-stufige AKM COP = 1,3 1,5 (1,4) 500 kw Kälte Reiner Solarbetrieb Null Schadstoffemissionen

28 Neue Entwicklungen bei Kaltwassererzeugern In den vergangenen Jahren ist eine verstärkte Aktivität im Bereich der Entwicklung von Kältemaschinen zu verzeichnen, die sich für solarthermischen Antrieb besonders eignen Schwerpunkt vieler Projekte ist die Entwicklung von Maschinen kleiner Leistung (< 20 kw, teilweise deutlich kleiner), da hier praktisch keine marktgängigen Produkte verfügbar sind Beispiele sind: EAW (Westenfeld), Phönix Sonnenwärme (Berlin), FH Stuttgart, Fa. H+P (Bad Mergentheim), Fa. AoSol (Portugal), Joanneum Research (Graz, Österreich), Fa. Sortech (Halle), Fa. ClimateWell (Schweden), UPC (Terrassa, Spanien), Fa. Rotarica (Mondragon, Spanien)

29 Marktsituation offene Verfahren Systeme mit Sorptionsrotoren Sorptions-Rotoren sind in einem großen Leistungsbereich von etlichen Herstellern verfügbar; eingesetzte Sorptionsmaterialien entweder Silikagel oder LiCl Schaltungsvarianten für gemäßigte und feuchte Klimata möglich Systeme mit flüssigem Sorptionsmittel einige Systeme befinden sich in der Phase von Tests oder Pilotanlagen; Sorptionsmittel LiCl-Lösung Innovative Energy and Environmental Quelle: Dr. Hans-Martin Henning, ISE

30 Neue Entwicklungen offener Verfahren Schwerpunkt im Bereich der Entwicklung offener Verfahren liegt im Bereich der Flüssigsorption: Fa Menerga (Mühlheim), Technion Haifa (Israel), ZAE Bayern Flüssigsorption hat folgende bauart-bedingte Vorteile Kühlung des Sorptionsprozesses leichter möglich als bei Feststoffen konzentriertes Sorptionsmittel kann als hocheffizienter, verlustfreier Speicher dienen ==> ermöglicht zeitlichen Ausgleich zwischen Regenerierung (solar) und Klimatisierung (z.b. in tropischen Klimata mit ganztägigem Entfeuchtungsbedarf) schwierig: effizienter Wärme- und Stofftransport heute meist eingesetztes Material: Lithiumchlorid Entwicklung im Bereich der Feststoffsorption hocheffizienter Sorptionsentfeuchter mit indirekter Verdunstungskühlung, insbesondere für den Einsatz in Klimazonen mit sehr hoher Feuchte (Fraunhofer ISE)

31 Zyklus Adsorptionskältemaschine typische Antriebstemperaturen (1-stufig): C COP-Werte: je nach Anlage und Betriebsbedingungen Quelle: Dr. Hans-Martin Henning, ISE

32 Quelle: Dr. Hans-Martin Henning, ISE

33 Weinkühlung in Südfrankreich Innovative Energy and Environmental Standort: Banyuls (Südfrankreich) Systembeschreibung: Absorptionskältemaschine (52 kw Kälteleistung) mit 130 m2 Vakuum-Röhren-Kollektoren und einem 1 m3 Pufferspeicher; 180 kw Kühlturm (offen) Anwendung: Kühlung eines Weinkellers (3 Millionen Flaschen) durch 3 Klimaanlagen mit insgesamt m3/h Luftleistung Besonderheit: kein Back-up, kein größerer Speicher (Speicherung auf Lastseite) thermisch solarautark; möglich wegen hohen Speichervermögens auf der Lastseite

34 SOLITEM Solarkühlungsanlage Innovative Energy and Environmental Standort: Dalaman (Türkische Mittelmeerküste) Anwendung: Klimatisierung der Hotelräume sowie Dampfbereitstellung für die Hotelwäscherei Technik: Parabolrinnenkollektor stellt Wärme bei rund 180 C bereit: 180 m2 Aperturfläche; Doppeleffekt Absorptionskältemaschine (Kälteleistung 116 kw, 4 bar gesättigter Dampf; COP > 1.2) Ölkessel als thermisches Back-Up erste Anlage mit Doppeleffekt-AKM hohe Gesamt-Effizienz interessantes Konzept für Standorte mit hohem Anteil an Direktstrahlung

35 Generelle Erfahrungen mit ausgeführten Anlagen Enormes Optimierungspotenzial bei bestehenden Anlagen Anlagenauslegung sehr anspruchsvoll bislang wenige Messwerte von Anlagen vorhanden, da aufwändige, anfällige Messtechnik konventionellen Komponenten, wie z. B. Regelung, Kühlturm, Ventile, sind Hauptverursacher von Problemen Inbetriebnahme der Anlagen überwachen und kontinuierliche Anlagenkontrolle sicherstellen

36 Zusammenfassung Innovative Energy and Environmental Solare Klimatisierung in Verbindung mit Prozessdampferzeugung wird zunehmend konkurrenzfähig Größere Anlagen sind aufgrund der Kostendegression hinsichtlich der spezifischen Kosten kleineren Anlagen überlegen Speichereinsatz für Sicherstellung von definierten Klimatisierungsparametern notwendig, um Schwankungen von Kühlbedarf und Solarangebot auszugleichen Es werden Speicherkonzepte sowohl auf Angebots- (z. B. Hochtemperaturspeicher) wie auch auf Bedarfsseite (z.b. Eisspeicher, Betonkernaktivierung, Weinkühlung) verfolgt

37 Ausblick Die dargestellten Ergebnisse zeigen das Potential der Technik; ob die errechneten Energieeinsparungen in der Praxis erreicht werden, hängt davon ab, ob die Anlagen entsprechend funktionieren (Hydraulik, Regelungstechnik) Hier sind weitere umfangreiche Erfahrungen aus entsprechenden Pilot- und Demonstrationsvorhaben notwendig, um Installation, Inbetriebnahme und Betrieb zu optimieren (Programm Solarthermie 2000 plus des BMU) Trotz der günstigeren Ergebnisse für Groß-Anlagen, gibt es auch für kleine Anlagen eine aussichtsreiche Perspektive: Solarwärme für Brauchwasser, Heizen und Kühlen eröffnet ganzjährige Nutzung der Solarenergie, insbesondere in südlichen Regionen (z.b. Mittelmeerraum) Solare Klimatisierung ist eine viel versprechende Möglichkeit der Nutzung von Solarthermie im Gebäude mit wachsendem Interesse von Marktseite