Solares Kühlen. Solares Kühlen mit einstufigen Sorptionskältemaschinen

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1 Solares Kühlen Solares Kühlen mit einstufigen Sorptionskältemaschinen Workshop Aktionskreis Energie Referent: Frank Göbel

2 Inhalt Einleitung Thermische Kältemaschinen Auslegung Systemvarianten Beispielanlagen Wirtschaftlichkeit Fazit Page 2

3 Basistechnologien für das Solare Kühlen Solarelektrisch Photovoltaikanlage + Kompressionskältemaschine oder Solarthermisch Solarthermieanlage + Sorptionskältemaschine Page 3 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

4 Wo viel Sonne ist, ist auch viel Kühlbedarf. Page 4 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

5 Argumente für die Solare Kühlung Scheint die Sonne stark, müssen Räume gekühlt werden saisonal passen Angebot und Nachfrage zusammen. Optimale Auslastung solarthermischer Anlagen rund um s Jahr. Wer steigenden bzw. schwankenden Energiepreisen entgegenwirken will, versorgt sich unabhängig. Positives Image und angenehme Kühlung für den Kunden. Markttrends. Page 5 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

6 Trends im Markt: Kernergebnisse 2010 Ingesamt ist festzustellen, dass in allen Themenfeldern der Bereich der nachhaltigen Entwicklung und Energieeffizienz an Bedeutung gewinnt. Überlegungen zur Implementierung der Technologie werden in Unternehmen und bei Privatpersonen allgemein aus zwei Gründen getroffen: a) die neue Technologie spart Geld aufgrund verringerter Energiekosten b) aufgrund eines gestiegenen Umweltbewusstseins. Oftmals ist es jedoch eine Kombination aus beiden Gründen. Page 6 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

7 Trendanalyse: Nachhaltiges Bauen Fokussierung auf Kundennutzen und große Märkte die zudem ganzes Potential der Maschine brauchen Green Building und Solar Nachhaltige Gebäude Heizen und Kühlen mit Absorptionskälte und Solar kombiniert die drei großen Märkte Heizungstechnik, Kühlung und Solarthermie. Beste Abdeckung der Kundenanforderungen. Preisdruck aufgrund längerfristiger Planung und guten Lastprofilen moderat. Maximale Breite an einsetzbaren Systemen. Politisch im Fokus (EPBD). Großer Markt der Kostenreduktionspotential erschließt. Kundenanforderungen Langfristig planbare, stabile Energiepreise Wirtschaftliche Energiesysteme Nachhaltige Technik und soziale Verantwortung Erhöhter Komfort im Sommer Page 7 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

8 Inhalt Einleitung Thermische Kältemaschinen Auslegung Systemvarianten Beispielanlagen Wirtschaftlichkeit Fazit Page 8 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

9 Einstufige thermische Kältemaschinen Sorptionskältemaschinen Absorptionskältemaschinen Adsorptionskältemaschinen Kältemitteldampf wird in einem Absorbens gelöst. Zwei Arbeitsmittel ein flüssiges Lösungsmittel und ein flüssiges Kältemittel. Zwei interne Kreisläufe der Lösungs- und der Kältemittelkreis. Kontinuierlicher interner Prozess Kältemitteldampf wird an ein Adsorbens angelagert. Zwei Arbeitsmittel ein festes Adsorbens und ein flüssiges Kältemittel. Ein interner Kreislauf der Kältemittelkreis. Diskontinuierlicher interner Prozess Page 9 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

10 Funktionsprinzip Absorptionskältemaschine Desorber (1): Durch Zufuhr von thermischer Energie wird das Kältemittel vom Lösungsmittel getrennt. Kältemittelarme Lösung (Absorbens) sinkt in Absorber. 2 thermischer Kompressor 1 Kondensator (2): Verflüssigung von Kältemitteldampf. 2-3: Flüssiges Kältemittel sinkt in Niederdruckbereich ab, Entspannung und Abkühlung. Kühlwasser Heißwasser Verdampfer (3): Aufnahme von Umgebungswärme der eigentliche Kühleffekt, Kältemitteldampf entsteht. Kaltwasser 3 4 Kühlwasser Absorber (4): Kältemitteldampf (Absorptiv) wird vom Absorbens unter Wärmeabgabe absorbiert, kältemittelreiche Lösung (Absorbat) wird in den Desorber gepumpt. Page 10 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

11 Absorptionskältemaschinen Einteilung nach Stoffpaarung LiBr/H 2 O - Absorber Nicht flüchtiges Lösungsmittel: Lithiumbromid / Kältemittel: Wasser LiCl/H 2 O Absorber Nicht flüchtiges Lösungsmittel: Lithiumbromid / Kältemittel: Wasser H 2 O/NH 3 Absorber Lösungsmittel: Wasser / Kältemittel: Ammoniak Ionische Flüssigkeit (IL)/H 2 O Ionische Flüssigkeit: Lösungsmittel aus dem Baukasten. H 2 SO 4 /H 2 O Absorber Lösingsmittel: Schwefelsäure / Kältemittel: Wasser Page 11 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

12 Funktionsprinzip Adsorptionskältemaschine Erste Arbeitskammer (1): Das an das Adsorbens angelagerte Wasser wird unter Wärmezufuhr ausgetrieben. 2 Kühlwasser Kondensator (2): Verflüssigung von Kältemitteldampf. 2-3: Flüssiges Kältemittel sinkt in Niederdruckbereich ab, Entspannung und Abkühlung. Verdampfer (3): Aufnahme von Umgebungswärme der eigentliche Kühleffekt, Kältemitteldampf entsteht. Kühlwasser thermischer Kompressor 4 1 Heißwasser Zweite Arbeitskammer (4) Der Wasserdampf wird adsorbiert und die entstehende Wärme an das Kühlwasser abgeführt. 3 Kaltwasser Page 12 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

13 Adsorptionskältemaschinen Einteilung nach Adsorbens Silikagel Adsorbens: Amorphes Siliciumdioxid / Kältemittel: Wasser Zeolithe Adsorbens: Silikat-Mineral / Kältemittel: Wasser Aktivkohle Adsorbens: offenporige feinkörnige Kohle / Kältemittel: Wasser Page 13 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

14 Absorber und Adsorber ein kurzer Vergleich Absorber Höhere Leistungsdichte und Effizienz. Sehr gutes Teillastverhalten. Gleichmäßigere Temperaturverläufe. Adsorber Weniger Bauteile und damit einfacherer sowie robusterer Aufbau Kein Kristallisationsschutz notwendig. Niedrigerer interner Stromverbrauch. Page 14 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

15 Sorptionskältemaschinen 7 bis 20 kw Eckdaten Wärmeverhältnis von 0,63 bis 0,78 Gewicht von 300 bis 900 kg Abmaße: Maschinen sind größtenteils türgängig Interne elektrische Leistungsaufnahme von 10 bis 300 W Antriebstemperaturen von 55 bis 120 C Kaltwassertemperaturen bis 6 C bzw -10 C Page 15 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

16 Der thermische Wirkungsgrad von Sorptionskältemaschinen EER = COP th = Wärmeverhältnis = Kälteleistung Antriebsleistung Beispiel: Aus 1 kwh Antriebsenergie werden bei einem EER von 0, Wh Kälteenergie. Page 16 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

17 Beispiel: suninverse Absorptionskältemaschine 4 16 kw Nennleistung 10 kw bei 75/27/15 ( C). Entwickelt für die Anwendung Solares Kühlen. Sehr niedrige Antriebstemperaturen: Jede Wärme ab 55 C kann genutzt werden. Hoher COP (~0.78) kombiniert mit sehr gutem Teillastverhalten. Ausgestattet mit integriertem, einfachem und energiesparendem Vakuumhaltesystem Steuerungsalgorithmen für Gesamtsysteme. Page 17 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

18 Drei externe Hydraulikkreisläufe Heißwasserkreis Versorgt Maschine mit Antriebsenergie aus der Wärmequelle. Implementierte Temperaturbegrenzung und Leistungsregelung. Kaltwasserkreis Führt der Maschine die thermische Energie aus den zu kühlenden Räumen zu. Kühlwasserkreis Die der Maschine über Heiß- und Kaltwasserkreis zugeführte Wärme muss über den Kühlwasserkreis wieder abgeführt werden. Regelung der Kälteleistung möglich. Page 18 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

19 Heißwasserkreis Einflüsse auf COP und Leistung Cooling capacity [kw] COP 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 COP [-] 2 0, Driving temperature [ C] Quelle: TU Berlin Page 19 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

20 Kaltwasserkreis Einflüsse auf COP und Leistung Cooling capacity [kw] COP 95 C 85 C 75 C Driving temperature 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 COP [-] Chilled water temperature [ C] 0,0 Quelle: TU Berlin Page 20 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

21 Kühlwasserkreis Einflüsse auf COP und Leistung Cooling capacity [kw] COP (85 C) 95 C Driving temperature 85 C 75 C 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 COP [-] 0 0, Cooling water temperature [ C] Quelle: TU Berlin Page 21 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

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23 Planungsschritte Anlagen zur Solaren Kühlung können auf zwei Wegen geplant werden, die kombiniert werden sollten: Die grobe Auslegung der Anlage wird anhand von Kennzahlen durchgeführt. Sie bezieht sich auf eine bestimmte Kälteleistung bei der gegebenen Einstrahlung. Die genaue Auslegung der Anlage wird mit einer Simulation berechnet. Sie berücksichtigt Umweltverhältnisse und Wärmelastprofile. Page 23 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

24 Dimensionierung des Kollektorfeldes Größe und Typ des Kollektorfeldes sind abhängig von: gewünschter Kaltwassertemperatur, Rückkühltechnik (Trocken/Nass/Hybrid/sonstige), Einstrahlungsverhältnissen, Ausrichtung der Kollektoren, Speichergröße, Lastprofilen. Page 24 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

25 Grobauslegung Solarfeld anhand von Kennzahlen Flachkollektoren Vakuumröhren 3,5-4 m² Kollektorfläche pro 1 kw Kälteleistung 3-3,5 m² Kollektorfläche pro 1 kw Kälteleistung Beispiele: Für eine Kälteleistung von 10 kw bei Betrieb mit Nasskühlturm und Kühldecken wird eine Flachkollektorfläche von ca. 35 m 2 benötigt. Für eine Kälteleistung von 10 kw bei Betrieb mit Trockenkühlturm und Klimakonvektoren könnte eine Röhrenkollektorfläche von ca. 35 m 2 erforderlich sein. Page 25 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

26 Grobauslegung Maschine: Nomogramm t Q 0 [kw] t t Technische Universität Berlin Prof. F. Ziegler/S. Petersen Page 26 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

27 Grobauslegung Rückkühlung Die Dimensionierung der Wärmesenke der Rückkühlung (oft ein Rückkühler) richtet sich nach notwendiger Übertragungseffizienz (Grädigkeit) und natürlich der erforderlichen maximalen Übertragungsleistung. Übertragungsleistung max = Kälteleistung max + Kälteleistung max EER Weitere Kriterien für die Wahl des geeigneten Rückkühlers sind die erforderliche Kühlwassertemperatur, elektrische Leistungsaufnahme, Geräuschpegel, Wartungsaufwand, eventuell Design. Page 27 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

28 Genaue Auslegung per Simulation Die Feinauslegung wird projektspezifisch und unter Berücksichtigung von Klima und Gebäudedaten mit Simulationen errechnet. Standardsimulationen sind noch nicht verfügbar, aber in der Entwicklung. Hoher Aufwand beim Simulieren der Gebäude. TRNSYS Simulationen. TRNSYS-Types für Sorptionskältemaschinen müssen vorhanden sein. Page 28 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

29 Erfahrung und Wissen für Planung und Bauausführung Solare Kühl- und Heizsysteme sind sehr komplex. Fehler treten mit Gewissheit auf, vor allem bei Markteinführung. Planungskompetenz nicht abgeben. Aufbau eines gut geschulten Planungs- und Installationsnetzes. Respektierte und zufriedene Handwerker sind halbe Miete für Erfolg. Zusatzprodukte für sicheren Systemaufbau (z.b. Pumpstationen). Wenn möglich Mess- und Steuerungssysteme für das Gesamtsystem. Page 29 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

31 Heißwasserkreis - Solarwärmeübertrager Externer oder innenliegender Solar-Wärmetauscher. Erprobtes System. Solarkreis ist frostsicher. M Erhöhter Komponenteneinsatz. Erhöhte Temperaturdifferenz Kollektor Desorber. Verminderte Effizienz. Page 31 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

32 Heißwasserkreis Direktsystem Kein Solar-Wärmetauscher. Verminderte Temperaturdifferenz Kollektor Desorber. Höhere Effizienz der Solarthermie und der sol. Kühlung. Reduzierter Komponenteneinsatz. System in Entwicklung. Wassersystem - Solarkreis ist nicht passiv frostsicher. M T M Page 32 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

33 Kaltwasserkreis Module für die Kälteverteilung Kühldecken Klimakonvektoren Hohe Kaltwassertemperaturen. Effizienzsteigerung System. Angenehmes Klima. Aufwendiger Einbau. Taupunktregelung notwendig. Niedrige Kaltwassertemperaturen. Effizienzminderung System. Luftzug durch Ventilatoren. Einfacher Einbau. Keine Taupunktregelung. Page 33 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

34 Rückkühlung konventionelle Kühltürme Trockenkühlturm Wartungsarm. Rel. günstiger Preis. Einfache Technologie. Kühlwassertempertur nur über Umgebung. Nasskühlturm Kühlwassertemperatur unter Umgebung. Teurer als Trockenkühler. Wartungsintensiv, anfällig für Verschmutzung. Wasserverbrauch Ständige Überwachung des Wasserzustandes. Page 34 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

35 Rückkühlung alternative Varianten Hybridkühler Verbindet die Vorteile von Nass- und Trockenkühler. Bei Bedarf wird Wärmeübertrager besprüht. Noch sehr teuer. Weniger erprobt als Nass- und Trockenkühler. PCM-Speicher + Trockenkühler Phase Change Materials. Phasenänderung fest/flüssig bei entsprechender Temperatur. Beladung an (zu) warmen Tagen, Entladung in der Nacht. Zusätzlicher Platzbedarf und zusätzliche Kosten. Page 35 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

36 Rückkühlung Variantenreichtum und Entwicklungsbedarf Die eine technische Lösung für Rückkühlung nicht absehbar. Sichtung der Möglichkeiten Wahl der optimalen Variante bei jeder Anlage. Nutzung von Wärmesenken wie: Erdwärmesonden, Brunnen, Pools. Entwicklungsanstrengungen notwendig für: Senkung des elektr. Energiebedarfs der Rückkühlung. Einsatzfähigkeit der Sorptionstechnologie in sehr warmen Regionen. Reduzierung der Rückkühlvarianten. Reduzierung der Kosten. Page 36 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

38 Phönix SonnenWärme AG, Berlin - Pilotsystem Wärmequelle Ort Kälteverteilung Abwärmesystem Inbetriebnahme 30m² Vakuumöhren 40 m2 Flachkollekt. Kühldecken Nasskühler Berlin 2003 Page 38 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

39 Ärztehaus Rheineck Kühlung medizinisches Equipment Entwicklungsthemen: Wassersystem Solaranlage. Außeneinsatz suninverse. Reduktion Hilfsenergie. Wärmequelle Kälteverteilung Abwärmesystem Ort Inbetriebnahme 40m² CPC Röhren FanCoils Trockene Rückkühlung Berlin 2008 Förderkennzeichen: , Projektleitung V. Clauß. Page 39 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

40 Haribo Museum in Zués - Raumkühlung und Heizung Wärmequelle Kälteverteilung Abwärmesystem Ort Inbetriebnahme 35m² Flachkollektoren Kühlböden Brunnen Uzés/Frankreich Page 40 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

41 CUT Osnabrück - Raumkühlung Wärmequelle Ort Kälteverteilung Abwärmesystem Inbetriebnahme 36m² Flachkollektoren Konvektoren Nasskühler Osnabrück 2005 Page 41 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

42 CUT Osnabrück Externe Temperaturverläufe Page 42 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

43 CUT Osnabrück Leistungsbilanz Page 43 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

45 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Austausch und Neubau Betrachtete Heiz- und Kühlsysteme für ein Einfamlienhaus Konventionell Solar Heizkessel Split-Klimageräte Fußbodenheizung Sorptionskältemaschine Solarfeld Speicher Rückkühler Fußbodenheizung Heizkessel Kosten des solaren Kühlsystems (10 kw): Euro Quelle: solarcombi+, D2.4: Report on specification of component costs, 2009 Page 45 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

46 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Austausch und Neubau Amortisationsrechnung für den Austausch des Systems im Gebäudebestand Amortisation Amortisation inkl. Förderung 20 % Amortisation inkl. Förderung 40 % 23,12 Jahre 18,90 Jahre 14,48 Jahre Betrachtung nach Kapitalwertmethode für den Neubau (Lebensdauer: 20 Jahre) Kapitalwert konv. System Kapitalwert solar Kapitalwert solar inkl. Förderung 20 % Kapitalwert solar inkl. Förderung 40 % Quelle: solarcombi+, D2.4: Report on specification of component costs, 2009 Page 46 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

47 Wirtschaftlichkeit Kostenfaktoren Kosten eines Systems für solares Kühlen (ohne Kälteverteilung): ca. 35 T Sorptionskältemaschine: ca. 10 T Solarfeld: ca. 10 T Rückkühler: ca. 2.5 T Pumpen und hydraulische Komponente: ca. 5 T Speicher: ca. 1 T Installationskosten: ca. 5 T Betriebskosten pro Jahr (Strom und Wartung): ca. 500 Page 47 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin frankgoeb@web.de - mobil

49 Fazit Solarthermisches Kühlen Solarthermische Systeme werden im Sommer optimal genutzt. Marktrends sprechen für Solares Kühlen. Systeme haben ihre Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit in etlichen Installationen nachgewiesen. Potential für energieeffizientes Kühlen bestätigt. Solarthermische Kühlanlagen sind noch zu teuer. In heißen Klimaregionen mit viel Sonnenschein ist Technik noch zu ineffizient, weil Rückkühltemperaturen zu hoch sind. Komplexe, aufwendig zu installierende Technik. Noch umfassendere Nutzung der Anlagen (Bsp: Wärmepumpe) Anpassung der Technologie an heiße Regionen. Systeme vereinfachen. Nebenstromverbräuche senken durch effizientere Pumpen, Ventilatoren, Regelungsstrategien Page 49 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil

50 Solares Kühlen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Workshop Aktionskreis Energie Page 50 Frank Göbel Köpenicker Landstr. 187, Berlin - mobil