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1 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 [ ] FKZ: C Peter Zachmeier Kilian Hagel Martin Helm Stefan Natzer Michael Radspieler Prof. Dr. Christian Schweigler ZAE Bayern Walther-Meißner-Str Garching Edo Wiemken Fraunhofer ISE Heidenhofstraße Freiburg Dr. Mathias Safarik ILK Dresden Bertolt-Brecht-Allee Dresden Tel.: 089/ zachmeier@muc.zae-bayern.de Tel.: 0761/ edo.wiemken@ise.fraunhofer.de Tel.: 0351/ mathias.safarik@ilkdresden.de 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

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 2 Nomenklatur... 3 Abbildungsverzeichnis Marktübersicht und technische Analyse von Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen kleiner Leistung Einleitung in die Kältetechnik Einleitung in die Ab-/Adsorptionstechnik Marktübersicht Ab- und Adsorptionstechnik Verhalten thermischer Kältemaschinen bei Lastwechseln und Teillast Hilfsenergie Thermische Kälteanlagen mit Nennleistungen über 100 kw Offene sorptionsgestützte Klimatisierungsverfahren Praxisdaten Absorption / Adsorption Entwicklungspotenzial Apparatetechnik Entwicklungspotenzial Absorptionstechnik Entwicklungspotenzial Adsorptionstechnik Entwicklungspotenzial Systemtechnik Entwicklungspotenzial Absorptionstechnik Entwicklungspotenzial Adsorptionstechnik

3 Nomenklatur Absorber Adsorber AdKM AbKM AKM Arbeitszahl COP EER EER el EER th LiBr LiCl Absorptionskältemaschine Adsorptionskältemaschine Adsorptionskältemaschine Absorptionskältemaschine Absorptionskältemaschine Maß für die Güte einer Kältemaschine über einen längeren Zeitraum; AZ = Kälte- / Antriebsenergie Coefficient of Performance; Maß für die Güte einer Wärmepumpe Energy efficiency ratio; Maß für die Güter einer Kältemaschine; bei Kompressionskältemaschinen gilt: EER = Kälteleistung / Antriebsleistung elektrische Anlageneffizienz; wird verwendet bei thermischen Kältemaschinen; elektrischer EER = Kälteleistung / elektrische Hilfsleistung thermische Anlageneffizienz; wird verwendet bei thermischen Kältemaschinen; thermischer EER = Kälteleistung / th. Antriebsleistung (Wärmeverhältnis) wässrige Lithiumbromidlösung wässrige Lithiumchloridlösung 3

4 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 Abbildung 5 - DEC System mit Sorptions- und Wärmerad und Befeuchtung der Zuluft Abbildung 6 DEC-Flüssigsorptions-System mit Gegenstromwärmeübertrager und Befeuchtung der Abluft Abbildung 7 - Funktionsprinzip ECOS nach Bongs Abbildung 8 - Funktionsschema des EAC Systems mit direkter Luftkühlung Abbildung 9 - Funktionsschema des EAC Systems mit indirekter Luftkühlung Abbildung 10 - Funktionsschema der Membranentfeuchtung Abbildung 11 - Druckverlust verschiedener AKMs inklusive des elektrischen Hilfsenergiebedarfs für Steuerung und interne Pumpen Abbildung 12 - Volumenstrom verschiedener AKMs Abbildung 13 - Hydraulische Leistung verschiedener AKMs Abbildung 14 - Kälteleistung in Verhältnis zu Volumen und Gewicht Abbildung 15 - Kälteleistung in Verhältnis zu Volumen und Gewicht (nur AbKM) Abbildung 16 - Schematische Darstellung einer Triple Effekt Absorptionskältemaschine Abbildung 17 - Stratisop Systemskizze

5 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 p 1 Q K Kondensator Kältemitteldampf Kältemittelkondensat Kompressor Expansionsventil P K p 0 Verdampfer Q V T 0 T 1 Temperatur Abbildung 1 - Kaltdampf-Kompressions-Kälteprozess im p-t-diagramm 5

6 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. Druck p 1 Q K Kondensator Q G Generator Drossel Lösungspumpe Lösungswärmetauscher Drossel p 0 Verdampfer Absorber Q V Q A T 0 T 1 Temperatur T 2 Kältemitteldampf Kältemittelkondensat Kältemittelreiche Lösung Kältemittelarme Lösung 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

7 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 KälteleistungQ und der Generatorleistung gebildet. Sind Lösungsmittel und Kältemittel nicht vollständig ineinander löslich, so kann es zur Kristallisation kommen. Bei wässriger Lithiumbromidlösung und Wasser, einer verbreiteten Lösungsmittel- Kältemittelkombination, 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. V Q G 7

8 Druck Q K Q G p 1 Regenerationsphase Kondensator Desorber p 0 Verdampfer Adsorber Adsorptionsphase Q V Q A T 0 T 1 Temperatur T 2 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

9 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

10 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 P 2 Kondensator2 Generator2 Lösungswärmetauscher p 1 Kondensator1 Generator1 Expansionsventil Lösungswärmetauscher Lösungpumpe Expansionsventil p 0 Verdampfer Absorber T 0 T 1 Temperatur T 2 T 3 Kältemitteldampf Kältemittelkondensat Kältemittelreiche Lösung Kältemittelarme Lösung Abbildung 4 - Double-effect-Absorptionskälteanlage 10

11 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 C liegt, kann diese Wärme auch durch Flach- bzw. Vakuumröhrenkollektoren bereitgestellt werden. Da thermische Kältemaschinen einen geringen EER th 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 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] enthalten 1. 1 Stefan K. Henninger et al.: Technical and Economical Review of Thermally Driven Heat Pumps. Tagungsbeitrag 10 th IEA Heat Pump Conference. 31. August 2011; Ort: virtuelle Konferenz (web-site-conference). 11

12 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 / Lösungsmittel Leistung [kw] 12 EER th elektrische Leistung [W] Status Kosten Druckverlust im Kalt-, Kühl- & Heißwasser [mbar] Absorption -/-/- Pink GmbH(AT) Chiller PC14/PC19 NH3 / H2O ~12/16 0,46 0, Serie -/-/- AGO Energie (DE) Congelo 50-05/95 NH3 / H2O Serie Robur (IT) GAHP-AR NH3 / H2O 17 0,49 0, Serie /-/ ClimateWell (SE) SolarChiller H2O / LiCl 4-9 0,52-0, z.z. n.v EAW (DE) Wegracal SE 15/30 H2O / LiBr 15/30 0,71/0,75 300/500 Serie / Huin (CN) RXZ-11/58 H2O / LiBr 11/58 0,65/0,7 150/300 Serie 600/ /500 Huin (CN) RXZ-23/35 H2O / LiBr 23/35 0,68/0,7 300 Serie Rotartica (ES) Solar 045 H2O / LiBr 4,5 0,63 - z.z. n.v. -/-/- Sakura (JP) SHL003/005 H2O / LiBr 10.5/ / Serie 210/ / Sakura (JP) SHL008/010 H2O / LiBr 28.1/ / Serie 250/ / Vicot(CN) VGWR1006A/2006A NH3 / H2O 21/42 380/400 Serie 400/-/- Ecoplus Energy Systems (AT) HELIOPLUS 40-W NH3 / H2O ,73 Serie -/-/- Tranter Solarice XS 30(DE) XS 30 NH3 / H2O 40 -/-/- Broad Group (CN) BCT23/70 H2O / LiBr 23/ /5200 Serie -/-/- AbKM (DE) suninverse H2O / LiBr ,57-0, z.z. n.v Yazaki (JP) WFC SC05 H2O / LiBr 17,6 0,7 48 Serie Yazaki (JP) WFC SC10 H2O / LiBr 35 0,7 210 Serie Adsorption Sortech (DE) ACS 08 H2O / Silikagel 8 0,6 7 Serie Sortech (DE) ACS 15 H2O / Silikagel 15 0,6 14 Serie Invensor (DE) LTC 09 H2O / Zeolith 9 0,61 20 Serie Invensor (DE) HTC 10 H2O / Zeolith 10 0,5 20 Serie Mitsubishi (JP) AQSOA H2O / Silikagel Serie

13 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 EER th 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 C findet die Kälteerzeugung im Unterdruckbereich statt. Bei der üblichen Kälteerzeugung von 6-15 C liegt der Druck im Verdampfer/Absorber bei Werten zwischen mbar absolut, bei Anlagenstillstand beträgt der Druck in der gesamten Anlage, abhängig von der Umgebungstemperatur zwischen 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 EER th 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 EER th, wie erwähnt, unterschiedlich. 13

14 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 EER th 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 EER th über der totalen treibenden Temperaturdifferenz aufgetragen werden. Damit sind Maschinen vergleichbar, da sie bei gleicher totaler treibender Temperaturdifferenz einander gegenübergestellt werden 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

15 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 EER th 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

16 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 EER th 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 EER th -Wert in Teillast beträchtlich. Bei Absorptionsprozessen hingegen schwankt der EER th 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

17 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/EER th )-fachen der Kälteleistung. Somit muss z.b. in einer 100 kw Absorptionskältemaschine mit einem EER th 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

18 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

19 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 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

20 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 / Lösungsmittel Absorption AGO (DE) congelo Ammoniak / Wasser Leistung EER TH elektrische Leistung Status Kosten Druckverlust im Kalt-, Kühl- & Heißwasserkreis kw 0,46 - Serie - - Broad (CN) BDH Wasser / LiBr >200 kw 0,75 >1,8 kw Serie - - Colibri (NE) ARP-M Ammoniak / Wasser kw 0-0,7 - Spezialan fertigung en - - 0,71-0,72 1,1-5,3kW Serie mbar mbar Carrier (USA) RCH Wasser / LiBr kw Mattes - Ammoniak / >1000 kw 0,2-0,6 - Serie - - Absorptionstechnik Wasser (DE) Thermax (IN) Prochill LT Wasser / LiBr kw Trane (USA) ABSD Wasser / LiBr kw York (USA) YIA Wasser / LiBr kw Adsorption Mayekawa (JP) MYCOM ADR 0,67 1,8-6kW Serie mbar mbar 0,7-0,72 9,7-14,9kW Serie /mbar /mbar 0,72 9,7-13,5kW Serie /mbar /mbar Wasser / Zeolith kw 0,52 - Serie

21 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

22 Feuchterad Wärmerad Sprühbefeuchter Fortluft Frischluft Regenerations -WT Abluft 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

23 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 slides, Otti 4 th International Conference Solar Air Condition, Zypern

24 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

25 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 Produktbezeichnung Funktionsprinzip Luftleistung [m³/h] Seven Air Gebr. Meyer AG (CH) RECOCOOL EAC indirekt Menerga (DE) Sorpsolair Typ 72/73 DEC indirekt AL-KO (DE) HUMID-OFF DEC + Kompressionskühlung 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

26 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 Suninverse- Maschine 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

27 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,

28 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; ; Call: FP TREN-3 28

29 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; 29

30 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

31 3. Entwicklungspotenzial Apparatetechnik 3.1. Entwicklungspotenzial Absorptionstechnik Thermischer und elektrischer EER Bei einstufigen Absorptionskälteanlagen ist der thermische EER th bereits nahe am theoretischen Maximum. Der maximal erzielbare EER th in einer Absorptionskältemaschine ist durch das Lösungsmittel begrenzt und definiert zu EER th =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 EER th =2380/( )=~0,93. Die realen EER th 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 EER th 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 EER th 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 ( kw), 31

32 teilweise genauso viel elektrische Energie verbrauchen wie konventionelle Kaltwassersätze. Einen großen Teil zu einem verbesserten EER el 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

33 dieser Wert auf ca. 1 W/kW Nennkälteleistung reduziert werden kann, sofern die Nennleistung nicht unter 50 kw sinkt. In der Klasse von 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 EER th 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

34 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 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

35 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

36 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