Solare Kühlung und Klimatisierung Stand der Techniken und Perspektiven

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1 Solare Kühlung und Klimatisierung Stand der Techniken und Perspektiven Seite 1 Edo Wiemken Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg Thermisch aktive Materialien und solare Kühlung Seite 2 Vorbemerkungen Thermisch angetriebene Kaltwassererzeugung Sorptionsgestützte Klimatisierung Antriebswärme (Solarkollektoren) Stand / Kosten der solaren Kühlung Zusammenfassung 1

2 Warum solare Kühlung? Spitzenlast im Stromnetz wird in manchen Regionen bereits durch Klimatisierungsaufwand geprägt Gleichzeitig hohe solare Erträge verwertbar Ganzjährige Ausnutzung solarthermischer Systeme durch Heizen, Kühlen, Brauchwassererwärmung Arbeitsstoffe ohne Treibhauspotenzial Seite 3 Erste Erfahrungen Weltausstellung 1878 in Paris: Seite 4 Erzeugung eines Eisblocks am 29. September durch Augustin Mouchot mit periodisch arbeitender Absorptionskältemaschine (nach dem Prinzip von Edmund Carré) Mouchot, Augustin: La chaleur Solaire et ses Applications Industrielles (deutsche Ausgabe, Olynthus Verlag, 1987) 2

3 Verfahren elektrische Systeme thermisch angetriebene Systeme in in Anwendung Anwendung Pilotprojekte Pilotprojekte Seite 5 Photovoltaik- Peltier Photovoltaik- Kompressor offene Verfahren Wärmetransformation geschlossene Verfahren thermomechanische Prozesse Rankine-Prozess/ Kompression Rotationsentfeuchter Feststoffsorbentien Flüssigkeiten (hygroskopische Lösungen) flüssige Sorptionsmittel Ammoniak/ Wasser feste Sorbentien Adsorption (Silikagel, Zeolith) Vuilleumier- Prozess Dampfstrahl- Prozess Festbettprozess Wasser/LiBr (LiCl) chemische Bindung (Salz-Ammoniakate) Geschlossene Verfahren Seite 6 Verteil-Medium Kaltwasser ~18 C Kaltwassertemperatur Antriebstemperatur > 60 C Zuluftsystem Zuluft Kühldecke Kaltwassermaschine (thermisch angetrieben) Absorption Adsorption C (< 12 C) 6-9 C Solarstrahlung Umluftkühler (fan coil) klimatisierter Bereich 3

4 Offene Verfahren Antriebstemperatur > 50 C Seite 7 Verteil-Medium konditionierte Luft Abluft Zuluft Sorptionsgestützte Klimatisierung Feststoffsorbentien, Flüssigsorption klimatisierter Bereich Seite 8 Vorbemerkungen Thermisch angetriebene Kaltwassererzeugung Sorptionsgestützte Klimatisierung Antriebswärme (Solarkollektoren) Stand / Kosten der solaren Kühlung Zusammenfassung 4

5 Thermisch angetriebene Wärmetransformation Seite 9 T Schub Antriebswärme, T hoch z.b. solare Kühlung: Solarkollektor z.b. Wärmepumpe: Gasflamme T Hub Wärmeabgabe, T mittel Wärmepumpe: Nutzwärme Kältemaschine: Abwärme Wärmeaufnahme, T tief Wärmepumpe: Niedertemperaturwärme (z.b Erdreich) Kältemaschine: Nutz kälte ( Kälteerzeugung ) Thermisch angetriebene Wärmetransformation Seite 10 Coefficient of Performance (Wärmeverhältnis ζ) COP = Nutzkälte Antriebswärme Thermodynamische Grenze (Carnot scher Vergleichsprozess) COP Grenz = Nutzkälte Antriebswärme 1 = T T T T mittel tief mittel hoch 1 Prozessgüte ξ PQ = COP real COP Grenz typische Werte 0.3 ξ PQ 0.4 5

6 COP von Kaltwassererzeugern: Stand der Technik Seite COP Grenz 1-stufige Absorption 2-stufige Absorption COP Adsorption Temperaturen Temperaturen Kaltwasser: Kaltwasser: 8 C 8 C Kühlwasser: Kühlwasser: 28 C 28 C Heißwassereintrittstemperatur, Hot water inlet [ C[ C Absorption mit flüssigem Sorptionsstoff- Grundschema Seite 13 Wärmeabgabe (Kühlturm) Wärmeaufnahme (z.b. Solarkollektor) Generator Kondensator Dampf Druck Drossel Dampf Lösungswärmeübertrager Lösungsmittelpumpe Verdampfer Absorber Wärmeaufnahme (Nutzkälte) Wärmeabgabe (Kühlturm) Temperatur 6

7 Absorptionskältemaschinen - Stand der Technik Seite 14 einstufige Absorptionskältemaschinen; Antrieb: Heißwasser traditionelle Anbieter aus der Kältetechnik (meistens auch Anbieter von el. Kompressionskältemaschinen) im Leistungsbereich > 200 kw für Klimatisierung überwiegend Systeme mit Wasser/LiBr; für Tieftemperaturkälte Ammoniak/Wasser Bis vor einigen Jahren meist genutzte Maschine in Verbindung mit solarer Klimatisierung: Yazaki WFC 10 (35 kw) Seit kurzem: mehrere Geräte im kleinen Leistungsbereich < 15 kw Nennkälteleistung Absorptionskältemaschinen < 20 kw Nennkälteleistung (Beispiele) Seite 16 SK SonnenKlima GmbH Bildquellen: Hersteller / Vertrieb Kein Anspruch auf Vollständigkeit 7

8 Absorptionskältemaschinen Anbieter (Antrieb: Heißwasser; kein Anspruch auf Vollständikgeit) Ago Broad York, Carrier, Trane.. Seite 17 Thermax EAW Yazaki Robur Pink Sonnenklima ClimateWell Rotartica Am Markt seit < 3 Jahren Nennkälteleistung [kw] Wasser/LiBr Ammoniak/Wasser Wasser/LiCl Absorptionskältemaschinen - Stand der Technik Seite 19 zweistufige Absorptionskältemaschinen Einige Hersteller von 2-stufigen Maschinen; oft direkt befeuert Interessant für solarthermische Anwendungen: Antrieb mit Heißwasser / Heißdampf - Fa. Broad; 170 kw P Nennkälte, ca. 180 C Antriebstemperatur, max. COP: 1.4 einige Realisierungen mit solarthermischem Antrieb (konzentrierende Systeme) 2-stufige Absorptions-KM; 170 kw Nennkälteleistung Bildquelle: AICIA Sevilla 8

9 Absorptionskältemaschinen - Stand der Technik Seite 20 Nutzung der Absorptionstechnik in Deutschland Industrielle Anwendung, Nutzung von Abwärme zentrale Kälteversorgung in großen Einheiten (z.b. in Kältenetzen; Antrieb mit BHKW-Abwärme, Fernwärme) Bisher geringer Anteil an Gesamtkälteerzeugung (Statusbericht DKV Nr. 22, 2002: < 2%), aber durch neueren Aufbau in Kältenetzen vermutlich wachsend Adsorption - grundlegender Prozess Anlagerung von Gasmolekülen auf der inneren Oberfläche von hochporösen Feststoffen Typische Porengröße: nm innere Oberfläche : m² pro Gramm Typische Materialien: Silikagel, Zeolith, Aktivkohle, aktiviertes Aluminium Reversible Bindung, d.h. der Arbeitsstoff (Kältemittel) kann periodisch adsorbiert und desorbiert werden Dieser Effekt kann benutzt werden, um einen geschlossenen Kreisprozess durch aufeinander folgende Phasen der Adsorption und Desorption zu realisieren Adsorption Desorption Seite 21 Kältemittel Q. Kältemittel Q. 9

10 Schema einer Adsorptionskältemaschine Seite 23 KONDENSATOR Kühlwasser ADSORBER Kühlwasser DESORBER Antriebswärme Wärmeübertrager mit Silicagel Wärmeübertrager mit Silicagel automatische, innere Ventile Kältemittelrücklauf Kaltwasser VERDAMPFER Maschinenzyklus Seite 25 Temperatur [ C] Heisswasser, ein Heisswasser, aus Kühlwasser, aus Kühlwasser, ein Kaltwasser, ein 10 0 Kaltwasser, aus 00:00 05:00 10:00 15:00 20:00 25:00 30:00 Zeit [mm:ss] 10

11 Adsorptionskältemaschinen - Stand der Technik Seite 26 Etabliert am Markt Nishiyodo (Japan): kw Mayekawa (Japan), in Europa Mycom: kw Beginn der Markteinführung Sortech (Halle): 7.5 kw; 15 kw (WP-Funktion möglich) Invensor (Berlin): 5-15 kw F&E ECN (NL): 2 kw mit Wasser-Silicagel (Entwicklung) Universität Warwick (GB): 2 kw Ammoniak-Aktivkohle (Entwicklung) Shanghai Jiao Tong University (China): 10 kw Wasser-Silikagel (Test) Sortech: direkte Aufkristallisation von Zeolith auf Wärmeübertrager F&E Sorptionsmaterialien: höhere Leistungsdichte durch optimierte Sorptionsmaterialien und Wärmeübertragerstrukturen Adsorber-Aufbau: Stand der Technik Seite 27 Granulares Sorptionsmaterial in metallischen Lamellen (teilweise verklebt) Rohre zur Wärmezubzw. -abfuhr Quelle: Sortech 1 cm 11

12 Seite 28 Mayekawa / Mycom ADR 350 kw Nennkälteleistung Installation: FESTO AG & Co, KG Nishiyodo NAK 70 kw Nennkälteleistung Installation: Universitäts-Klinikum Freiburg Sortech ACS kw Nennkälteleistung Sortech ACS kw Nennkälteleistung Quelle: Sortech Adsorptionskältemaschinen - Anbieter Seite 29 Nishiyodo (JP) SorTech (DE) {SJTU (CN)} Invensor (DE) Mayekawa (JP) Wasser/Silica-Gel Wasser/Zeolith Am Markt seit < 3 Jahren Nennkälteleistung [kw] 12

13 Adsorptionskältemaschine - Stand der Technik Seite 30 Vorteile Umweltfreundliche Stoffpaare Keine Lösungsmittelpumpe, wenig bewegte Teile Keine Kristallisationsgefahr Niedrige Antriebstemperaturen > 60 C Sehr geräuscharm Hohes Kostenreduktionspotential (grundsätzlich einfacher Aufbau) Nachteile Hohe Anforderungen an Vakuumdichtigkeit Vermeidung von Bildung nicht-kondensierbarer Gase Derzeit noch niedrigerer COP als bei Absorptionskältemaschinen Zyklische Temperaturschwankungen in den hydraulischen Kreisen Dampfstrahlkältetechnik F&E mit solarer Wärme Solarkollektor (Parabolrinne) Seite 31 Quelle: DLR, Köln 35 C 55 mbar 200 C 13 bar ü Rückkühlung 6 C 9 mbar Mit Hilfe eines Treibmediums wird Kältemitteldampf von Verdampferdruckniveau auf Kondensatordruckniveau gefördert Quelle: ITW, Universität Stuttgart 13

14 Dampfstrahlkältetechnik Seite 32 Vorteile Nur Wasser als Trieb- und Kältemittel vom Verdichtungsverhältnis abhängiger COP (> 1 möglich) schnelle Ansprechgeschwindigkeit, robuste Technik Nachteile Antriebstemperaturen von typischerweise > 150 C Einsatz von konzentrierenden Solarsystemen mit Nachführung wie z.b. Parabolrinnenkollektoren als Antriebsquelle bislang gibt es keine standardisierten, marktverfügbaren Serienmodelle aussichtsreich für sonniges Klima, Prozesskälteanwendungen Dampfstrahlkältetechnik Seite 33 Kommerzielle Anwendungen im großen Leistungsbeich (> einige 100 kw) ohne solare Wärmenutzung F&E-Aktivitäten zur Nutzung solarer Wärme Prototyp-Entwicklung einer 5 kw DSKM (Fraunhofer UMSICHT, DLR, AEE INTEC) 14

15 Seite 34 Vorbemerkungen Thermisch angetriebene Kaltwassererzeugung Sorptionsgestützte Klimatisierung Antriebswärme (Solarkollektoren) Stand / Kosten der solaren Kühlung Zusammenfassung Offene Verfahren Seite 35 Offene Systeme werden für die direkte Luftkonditionierung hinsichtlich Temperatur und Feuchte verwendet. Es wird kein Kaltwasser produziert Sie bestehen generell aus einer Kombination von sorptiver Luftentfeuchtung und Verdunstungskühlung Typische Antriebstemperaturen: 55 C bis 90 C Kühlung ohne Kälteanlage Bezeichnungen: Sorptionsgestützte Klimatisierung (SGK) oder Desiccative and evaporative cooling (DEC) als alleinige Systeme besonders geeignet für Klimatisierungslösungen, in denen größere Außenluftvolumenströme gefragt sind 15

16 Standardprozess für moderates Klima (Mitteleuropa) Seite 36 Standard-SGK- Verfahren Entfeuchter zusätzlich zum System mit kombinierter Verdunstungskühlung FO AB Befeuchter AU ZU Entfeuchter WRG Standardprozess für moderates Klima (Mitteleuropa) Seite Temperatur [ C] AB AU FO Zusatzwärme 20 ZU 10 FO AB Befeuchter AU ZU Kühllasten Zusatzwärme Kühllasten absolute Feuchte [g/kg] Entfeuchter WRG 16

17 Sorptionsgestützte Klimatisierung Seite 39 Anlagen mit Sorptionsrotor Marktverfügbare Komponenten, große Leistungsbandbreite Verschiedene Hersteller Sorptionsmaterialien: Silikagel, LiCl Erforderlich: Sorgfältige Auslegung und Regelung, sorgfältige Inbetriebnahme und Überwachung des Anlagenbetriebs Unterschiedliche Verschaltungen für gemäßigte und feucht-heiße Klimata Quellen: Klingenburg, Seibu Giken Offene Systeme mit Flüssigsorption Seite 40 Offene AbSorption Quelle: Menerga 17

18 Offene Systeme mit Flüssigsorption Seite 41 Offene AbSorption Möglichkeit der verlustlosen Energiespeicherung in Salzlösung (LiCl); zeitlich versetzte Regeneration International: F&E Regenerator Q H Antriebswärme In Deutschland: Regenerationsluft Menerga, L-DCS Technology Einige Pilotanlagen mit solarer Wärmenutzung Absorber konzentrierte Lösung Q M Wärmeabgabe LiCl/water Speicher Prozessluft schwache Lösung F&E: Sorptiver Gegenstrom-Luftentfeuchter Seite 44 Prototyp Entwicklung am ISE; Partner: POLIMI, Firmen ECOS indirect Evaporative COoling heat exchanger with Sorption Luft-Luft Wärmeübertrager mit sorptiver Beschichtung auf der Zuluftseite Entfeuchtung und Kühlung auf der Zuluftseite durch - sorptive Beschichtung auf der Zuluftseite - Aufnahme der Sorptionswärme im Abluftkanal (indirekte Verdunstungskühlung) Außenluft sorptive Beschichtung Befeuchtung Abluft Fortluft Zuluft 18

19 Seite 46 Vorbemerkungen Thermisch angetriebene Kaltwassererzeugung Sorptionsgestützte Klimatisierung Antriebswärme (Solarkollektoren) Stand / Kosten der solaren Kühlung Zusammenfassung Antriebswärmequellen Seite 47 Kollektoren als Hauptwärmequelle für den Antrieb der Ab-/Adsorptionskältemaschinen bzw. zur Regeneration im SGK-System Solare Wärme im Winter immer zur Heizungsunterstützung nutzen Primärenergieeinsparung im Vergleich zu konventioneller Anlagentechnik (mit elektrisch betriebener Kompressionskältetechnik) muss gewährleistet sein 19

20 Antriebswärmequellen Seite 48 Falls solare Wärme nicht ausreichend ist (keine solar autonome sommerliche Klimatisierung einsetzbar): Vermeidung von Zusatzwärmequellen mit Einsatz fossiler Brennstoffe (bei einstufiger Kältetechnik: schon bei geringen Anteilen fossiler Zusatzwärme primärenergetisch ungünstig) Solarthermisches System thermisch angetriebene Kältemaschine(n) Kaltwasser andere Wärmequelle(n) erneuerbare, Abwärme Wärme andere Wärmequelle(n) Raumkühlung Raumwärme Antriebswärmequellen Seite 49 Alternativ: konventionelle, elektrisch betriebene Kältetechnik als Back-up Solarthermisches System andere Wärmequelle(n) Wärme el. Kompressions- Kältemaschine(n) thermisch angetriebene Kältemaschine(n) Kaltwasser Raumkühlung Raumwärme 20

21 Antriebswärmequellen für SGK Seite 50 Solarthermisches System andere Wärmequelle(n) Sommerliche Klimatisierung: erneuerbare, Abwärme; Zulufterwärmung Winter: keine Vorgabe Wärme el. Kompressions- Kältemaschine(n) Sorptionsgestützte Klimatisierung Kaltwasser zusätzliche Raumkühlung konditionierte Zuluft Seite 52 Solarluftkollektor direkte Lufterwärmung Glasabdeckung Isolierung Kollektorrahmen Absorber mit Luftkanälen Flachkollektor Erwärmung einer Flüssigkeit (Wasser-Glycol); mit/ohne selektive Beschichtung Glasabdeckung Isolierung Kollektorrahmen Absorber mit Fluidkanälen schwach konzentrierend (z.b. stationärer CPC) Erwärmung einer Flüssigkeit (Wasser-Glycol) Strahlungskonz. ohne Nachführung Reflektor Glasabdeckung Isolierung Absorber mit Fluidkanal Folie Kollektorrahmen Vakuum- Röhrenkollektor evakuierte Glasröhre; direktdurchströmt oder Heat-pipe; evtl. Konzentrator 21

22 Solarkollektoren und thermisch angetriebene Kühlverfahren Seite 53 1 Kollektorwirkungsgrad [-] 0,8 Adsorption T Umgebung = 25 C Einstrahlung = 800 W/m² 0,6 0,4 SGK Absorption einstufig Absorption zweistufig Auswahl Kollektorwirkungsgrade 0,2 Solarluftkollektor Vakuumröhrenkollektor Flachkollektor Mitteltemperatur Fluid [ C] Solarkollektoren und thermisch angetriebene Kühlverfahren Seite 54 Nachgeführte Kollektoren: Standorte mit hohem Direktstrahlungsanteil Anlagen mit hohen Antriebstemperaturen (ab ca. 120 C), z.b. zweistufige Absorptionskältechnik Anlagen mit hohem Temperaturhub zwischen Kaltwassertemperatur und Kühlwassertemperatur, z.b. Ammoniak/Wasser Kältetechnik in Verbindung mit trockener Rückkühlung 22

23 Kollektorauswahl: Einfluss durch Temperaturhub Seite 55 Temperaturhub T: klein Temperaturhub T: groß 30 C T Mittel 42 C T Mittel T = 15 K 15 C T Tief Kühldecken, nasse Rückkühlung Kollektoren: stationär (FK, VRK) T = 47 K -5 C T Tief Prozesskälte, trockene Rückkühlung Kollektoren: konzentrierend, nachgeführt Beispiel: Fresnel-Kollektor für Mitteltemperaturbereich 100 C 200 C Spiegelelemente: Glas, Rückseitenverspiegelung Hohe Windstabilität Einfache Reinigung Hersteller: PSE, Freiburg Seite 60 Quelle: PSE, Freiburg 23

24 Beispiel: Fresnel-Kollektor für Mitteltemperaturbereich 100 C 200 C Date: 2008/07/ Quelle: PSE, Freiburg 1000 Seite Temperature [ C] Power [kw] <T>in-collector [ C] <T>ambient [ C] DNI (right axis) [W/m²] <T>out-collector [ C] Collector Power [kw] :00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Time (GMT +1h) Seite 62 Vorbemerkungen Thermisch angetriebene Kaltwassererzeugung Sorptionsgestützte Klimatisierung Antriebswärme (Solarkollektoren) Stand / Kosten der solaren Kühlung Zusammenfassung 24

25 Stand der solaren Kühlung und Klimatisierung Seite 63 Hohe Aufmerksamkeit gegenüber solarer Kühlung, aber noch keine Marktdurchdringung Weltweit ca Anlagen Zuwachs insbesondere im Nennkälte-Leistungsbereich < 15 kw; hohe Zuwachsraten in Spanien Internationale Aktivitäten zur Marktunterstützung z.b.: Task 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration im Solar Heating & Cooling Programme der IEA (Schwerpunkte: Paket-Systemlösungen, Standardisierung, Monitoring,..) Marktunterstützung in nationalen und in EU-Projekten Stand der solaren Kühlung und Klimatisierung Seite 64 Überwiegend Kaltwassersysteme, größtenteils Absorption Mehrere Entwicklungen im Bereich kleiner Kaltwassererzeuger (Absorption, Adsorption) im Nennkältebereich < 15 kw leider auch Produktionszurückstellungen (Rotartica, Spanien) Erste Systemanbieter (z.b., S.O.L.I.D. in Österreich; SolarNext, Schüco in Deutschland) erste kommerzielle Anbieter für Flüssigsorption (z.b. Menerga) F&E zur Minimierung des Energieaufwandes für die Rückkühlung (z.b. Einsatz von Latentwärmespeichern) F&E im Bereich Sorptionstechnik (verbesserte Sorptionsmaterialien, Wärmeübertragerstrukturen,..) 25

26 Hemnisse in der Marktentwicklung Seite 65 Beispiele zu Kostenabschätzungen (aus Parameterstudie): Investitionskosten um den Faktor 2 bis 3 höher Jahreskosten* um den Faktor 1.2 bis 1.5 höher (ohne Förderung) *Jahreskosten enthalten: Kapitalkosten (annuisiert), Betrieb und Wartung fpc: flat-plate collector abs: absorption chiller th: thermal back-up el: el. compression chiller back-up Jahreskosten, annual cost, % % des of Referenzsystems reference 150% 140% 130% 120% 110% 100% 90% 80% 70% 60% Kollektorförderung 100 /m 2 Auszug aus Parameterstudie, 2004 Kosten ohne Förderung Madrid, Büro1, fpc / abs / th Madrid, Büro2, fpc / abs / th Freiburg, Hotel, fpc / abs / el 100% 120% 140% 160% 180% 200% 220% 240% 260% 280% Investitionskosten, first cost, %% des of Referenzsystems reference Zusammenfassung Seite 68 Solare Kühlung ist vielseitig einsetzbar (zentrale Kälteverteilung) Entwicklung von Systemtechnik für höhere Antriebstemperaturen im Zusammenhang mit 2-stufiger Absorptionstechnik oder mit trockener Rückkühlung Pilotprojekte an sonnenreichen Standorten Erforderlich: mehr Standardisierung und Planungshilfen, insbesondere im Bereich kleiner Leistung IEA Task 38: Solar Air-Conditioning and Refrigeration EU Projekte (SOLAIR, SolarCombi+, High-Combi, ) Mit zunehmender Marktentwicklung: deutliche Senkung der Komponentenkosten 26

27 Zusammenfassung Seite 69 Mittelfristig: Paketlösungen für Anlagen im kleinen Leistungsbereich 5-20 kw Nennkälteleistung; Nutzung solarer Wärme für Heizungsunterstützung und Kältebereitstellung Mittelfristig: mehr Planungsunterstützung (Auslegungs- und Modellierungswerkzeuge, Richtlinien für Planung, Inbetriebnahme und Anlagenüberwachung Mittel- bis längerfristig: mehr Standardisierung für Anlagen im mittleren und größeren Leistungsbereich für unterschiedliche Klimaregionen und Anwendungsbereiche Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 27