Solare Kälteerzeugung ein Überblick

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1 Solare Kälteerzeugung ein Überblick Hans-Martin Henning, Alexander Morgenstern, Edo Wiemken Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg Kolloquium Solare Kühlung im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts ProSolarDSKM 28. Oktober 2014 Hochschule Karlsruhe

2 Inhalt Kältemarkt und Energieeinsatz Zur Entwicklung der solaren Kühlung Solarthermisch oder solarelektrisch? Geschlossene und offene Verfahren der solaren Kühlung F&E-Ansätze Randbedingungen solarer Kühlung (thermodynamisch, Primärenergieeinsparungen) Anlagenbeispiele Perspektiven und Ausblick

3 Inhalt Kältemarkt und Energieeinsatz Zur Entwicklung der solaren Kühlung Solarthermisch oder solarelektrisch? Geschlossene und offene Verfahren der solaren Kühlung F&E-Ansätze Randbedingungen solarer Kühlung (thermodynamisch, Primärenergieeinsparungen) Anlagenbeispiele Ausblick

4 Markt Air-Conditioning weltweit Markt Air-Conditioner 2012: geschätzt 31 Mrd US$ * Prognose für 2016: 40 Mrd US$ * Prognose für gesamter Markt Air-Conditioning: ca. 100 Mrd US$ in 2016 * Marktvolumen für Splitgeräte (< 5 kw Kälteleistung) in 2008 Quelle: JARN, SolarNext * Datenquelle: BSRIA

5 Kältebedarf in Deutschland Elektroenergieeinsatz: ca. 71 TWh/a ca. 14 % Anteil am Gesamtstromverbrauch Gesamter Endenergieeinsatz: ca. 85 TWh/a * ohne Nahrungsmittelherstellung Datenquelle: VDMA-Report 2011, Energiebedarf für Kältetechnik in Deutschland; Datenbasis: 2009

6 Endenergieeinsatz und Solare Kühlung Roadmap vision for solar cooling in relation to final energy use for cooling (Exajoule/a) Roadmap vision for solar cooling (Exajoule/a) 1 EJ = 278 TWh Quelle: Technology Roadmap Solar Heating and Cooling. OECD/IEA, International Energy Agency,

7 Kältemarkt und Energieeinsatz Zur Entwicklung der solaren Kühlung Solarthermisch oder solarelektrisch? Geschlossene und offene Verfahren der solaren Kühlung F&E-Ansätze Randbedingungen solarer Kühlung (thermodynamisch, Primärenergieeinsparungen) Anlagenbeispiele Ausblick

8 Erste Erfahrungen: Weltausstellung 1878 in Paris Erzeugung eines Eisblocks am 29. September 1878 durch Augustin Mouchot mit periodisch arbeitender Absorptionskältemaschine (nach dem Prinzip von Carré) Mouchot, Augustin: La chaleur Solaire et ses Applications Industrielles (deutsche Ausgabe: Die Sonnenwärme und ihre industriellen Anwendungen, Olynthus Verlag, 1987)

9 Solare (solarthermische) Kühlung: Europa und weltweit Nutzung solarer Wärme für thermisch betriebene Kälteanlage war Gegenstand intensiver Forschung in den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts, insbesondere in USA und Japan Verstärkte Aktivitäten in Deutschland und Europa seit Ende der 1990er Jahre; wichtige Programme und Projekte IEA SHC Task 25 Solar Assisted Air-Conditioning of Buildings; IEA SHC Task 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration; IEA SHC Task 48 Quality Assurance and Support Measures for Solar Cooling; Seit 2014: IEA SHC Task 53 New Generation Solar Cooling & Heating Systems (PV and solar thermally driven systems) Zahlreiche Projekte mit EU-Förderung (Pilot- und Demonstrationsanlagen, Markttransferaktivitäten) Solare Kühlung in nationalen Förderprogrammen, z.b.: in Solarthermie 2000plus

10 Solare Kühlung; Europa und weltweit Was hat sich getan? Forschungsgegenstand an zahlreichen Forschungseinrichtungen; Ergebnisse aus Pilot- und Demonstrationsanlagen, Bewertungsverfahren, Ansätze zur Standardisierung, Training, Marktförderung Mehrere Anbieter für thermisch angetriebene Kältemaschinen im kleinen Leistungsbereich (< 20 kw) Vor 20 Jahren: Überwiegend Kälteanlagen im großen Leistungsbereich Kleine Anlagen, z.b. mit integrierten Kreislaufpumpen Systemanbieter und Planungsunternehmen für solare Kühlung Aber: immer noch ein Nischenmarkt; geringes Wachstum Bildquellen: Hersteller

11 Solare Kühlung; Europa und weltweit Entwicklungsmotor: Anwendungen in Europa Geringe Zuwachsrate ( Anlagen pro Jahr) Quelle: F. Mauthner, W. Weiss: Solar Heat Worldwide. Markets and Contribution to the Energy Supply IEA-SHC Report, 2014 Edition

13 Solar Heizen und Kühlen Generelle System-Optionen Solarthermischer Kollektor Heizung Photovoltaik- Anlage Thermisch angetriebener Kälteprozesse Wärmepumpe Kompressionskältemaschine Warmwasser Kühlung Heizung Warmwasser Kühlung

14 Solar Heizen und Kühlen Generelle System-Optionen Solarthermischer Kollektor Heizung Thermisch angetriebener Kälteprozesse Warmwasser Kühlung Photovoltaik- Anlage Heizung Reversible Wärmepumpe Warmwasser Kühlung

15 Solarthermische Systemvarianten Kälte-Back-Up auf Wärmeseite Speicher nur auf Wärmeseite

16 Solarthermische Systemvarianten Kälte-Back-Up auf Wärmeseite Speicher auf Wärme- und Kälteseite

17 Solarthermische Systemvarianten Kälte-Back-Up auf Kälteseite Speicher auf Wärme- und Kälteseite

18 Photovoltaische Systemvarianten Heizkessel für Wärmebereitstellung

19 Photovoltaische Systemvarianten Wärmepume für Wärme und Kälte

20 Einige generelle Charakteristika Solarthermie versus PV Solarthermie + Verwendung eines Pufferspeichers für Heizen und Kühlen möglich + Höhere Temperatur durch Solarthermie erreichbar größere Speicherkapazität für Wärmeanwendung Längere hydraulische Leitungen höhere thermische Verluste Mehr Komponenten für Backup erforderlich (Rückkühlwerk) PV Getrennte Speicher für Wärme- und Kälteanwendung erforderlich Speichertemperatur Wärmespeicher durch Wärmepumpe limitiert geringere Kapazität für Wärmeanwendung + Keine hydraulische Verbindung von Solaranlage zum Technikraum geringere thermische Verluste + Backup für Kälteanwendung einfacher (elektrische Kältemaschine)

21 Einige generelle Charakteristika Solarthermie versus PV Solarthermie + Verwendung eines Pufferspeichers für Heizen und Kühlen möglich + Höhere Temperatur durch Solarthermie erreichbar größere Speicherkapazität für Wärmeanwendung Längere hydraulische Leitungen höhere thermische Verluste Mehr Komponenten für Backup erforderlich (Rückkühlwerk) PV Getrennte Speicher für Wärme- und Kälteanwendung erforderlich Speichertemperatur Wärmespeicher durch Wärmepumpe limitiert geringere Kapazität für Wärmeanwendung + Keine hydraulische Verbindung von Solaranlage zum Technikraum geringere thermische Verluste + Backup für Kälteanwendung einfacher (elektrische Kältemaschine) Letztlich hängt Entscheidung im Einzelfall von konkreten Randbedingungen ab wie Kosten für Energie, Einspeisebedingungen für Photovoltaik, lokale Kosten für Installation usw.

23 Verfahren Elektroenergie-Konversion: Photovoltaikmodul Thermische Konversion: Solarkollektor Elektrisch betriebene Kompressionskältetechnik Wärmetransformation Thermomechanisch Offener Prozess Flüssigsorption Gegenstrom- Absorber Feststoffsorption Entfeuchtungs- Rotor Festbett-Prozess Geschlossener Prozess Absorption; Flüssige Sorbentien Wasser / Liithiumbromid Wasser / Lithiumchlorid Ammoniak / Wasser Adsorption; feste Sorbentien Wasser / Silicagel Rankine Dampfstrahl-Prozess Vuilleumier Wasser / Zeolith

24 Thermisch angetriebene Wärmetransformation T Schub Antriebswärme, T hoch z.b. solare Kühlung: Solarkollektor z.b. Wärmepumpe: Gasflamme Wärmeabgabe, T mittel T Hub Wärmepumpe: Nutzwärme Kältemaschine: Abwärme Wärmeaufnahme, T tief Wärmepumpe: Niedertemperaturwärme (z.b Erdreich) Kältemaschine: Wärmeentzug ( Kälteerzeugung )

25 Solarthermische Kühlung: Grundprinzip Kollektor Wärme Heizung Warmwasser Thermisch angetriebener Prozess TKM SGK Kaltwasser Konditionierte Luft Klassifizierung Geschlossener Prozess (Kälteanlage): Kaltwasser (TKM = thermische Kältemaschine) Offener Prozess: direkte Luftbehandlung (Frischluft, Temperatur- und Feuchtekonditionierung; SGK = sorptionsgestützte Klimatisierung)

26 Geschlossener Prozess Kaltwasser oder Eis Absorption: Ammoniak-Wasser oder Wasser-LiBr (1-stufig, 2-stufig) Adsorption: Silicagel Wasser, Zeolith-Wasser Dampfstrahlkälte Quelle: GEA Wiegand Weitere thermo-mechanische Verfahren (z. B. gekoppelte Expansions-Turbo-Maschine)

27 Geschlossener Prozess Kaltwasser oder Eis Absorption: Ammoniak-Wasser oder Wasser-LiBr (1-stufig, 2-stufig, Marktschwelle: 3-stufig) Adsorption: Silicagel Wasser, Zeolith-Wasser Dampfstrahlkälte Quelle: GEA Wiegand Weitere thermo-mechanische Verfahren (z. B. gekoppelte Expansions-Turbo-Maschine)

28 Absorptionskältetechnik Technologie Prozess Kältemittel Sorptionsmittel Kältemedium Verteilung geschlossen Absorption Wasser Lithiumbromid Lithiumchlorid Kälteträger > 6 C Zulfuftkühlung und Entfeuchtung, Umluftkühler, Kühldecken,. Ammoniak Wasser Kälteträger < 0 C + Frostschutz Phasenwechselspeicher, Gewerbliche und industrielle Kühlung (Lebensmittel, Chemie,..),

29 Absorptionskältetechnik Absorption des Kältemittels im flüssigen Sorptionsmittel (Lösung) Lösungsmittelpumpe erforderlich Kreisprozess H 2 O / LiBr Wärmeabgabe (Kühlturm) Kondensator Wärmeaufnahme (z.b. Solarkollektor) Kältemitteldampf Generator Druck Verdampfer Drossel Lösungsmittelpumpe Kältemitteldampf Lösungswärmeübertrager Absorber Wärmeaufnahme (Nutzkälte) Wärmeabgabe (Kühlturm) NT MT HT Temperatur

30 Produktbeispiele Absorptionskältetechnik PINK, Österreich NH 3 / H 2 O (ab 12 kw) YAZAKI, Japan H 2 O / LiBr (ab 17.5 kw) TU Berlin / Vattenfall / ZAE Bayern Hocheffiziente 1-stufige H 2 O / LiBr -AKM (ab 50 kw) Bildquellen: Hersteller ROBUR, Italien NH 3 / H 2 O (ab 12 kw)

31 Adsorptionskältetechnik Technologie Prozess Kältemittel Sorptionsmittel Kältemedium Verteilung geschlossen Adsorption Wasser Silicagel Zeolith Kälteträger > 6 C Zuluftkühlung und Entfeuchtung, Umluftkühler, Kühldecken,.

32 Adsorptionskältetechnik Adsorption des Kältemittels am festen Sorptionsstoff (Anlagerung an Porenoberflächen) Adsorption Desorption Kältemittel Adsorbens Q. Q. Wärmeübertrager

33 Adsorptionskältetechnik Keine Lösungsmittelpumpe erforderlich Kreisprozess Adsorption 1-2 Adsorber mit Kältemittel gesättigt; Vorwärmung zur Regeneration (WRG) Kreis Kältemittel 2-3 Kondensation des Kältemitteldampfes 3-4 Kältemittelrückfuhr in Verdampfer Druck 3 Kondensator 2 Generator Q WRG Wärmeaufnahme und Verdampfung des Kältemittels Kreis Sorptionsmaterial 2-5 Austreibung Kältemittel 5-6 Vorkühlung zur Adsorption (WRG) 4 Verdampfer 1 Adsorber Adsorption des Kältemitteldampfes; gekühlt NT MT HT Temperatur

34 Adsorptionskältetechnik KONDENSATOR Kühlwasser ADSORBER Kühlwasser Wärmeübertrager in Kontakt mit Adsorbens DESORBER Antriebswärme Wärmeübertrager in Kontakt mit Adsorbens automatische, innere Ventile Kältemittelrücklauf Kaltwasser VERDAMPFER

35 Produktbeispiele Adsorptionskältetechnik SORTECH, Halle H 2 O / Silikagel (Zeolith) (ab 8 kw) SOLAB, Niederlande H 2 O / Silikagel (Zeolith) (ab 2 kw) ECO-MAX, USA Silikagel (ab 100 kw) INVENSOR, Berlin H 2 O / Silikagel (Zeolith) (ab 8 kw) Bildquellen: Hersteller

36 Dampfstrahlkälte Verdampfung eines Kältemittels durch Impulsaustausch im Dampfstrahlverdichter

37 Offene sorptionsgestützte Klimatisierung Zuluftbehandlung im offenen System Festkörpersorption Entfeuchtungsräder Beschichtete Wärmeübertrager Silikagel oder LiCl-Matrix, zukünftig Zeolithe Flüssigsorption Füllkörper Absorber Platten-Wärmeübertrager LiCl-Lösung: thermochemische Speicherung möglich ECOS (Fraunhofer ISE) in TASK 38

38 Offene sorptionsgestützte Klimatisierung Offene Systeme werden für die direkte Luftkonditionierung hinsichtlich Temperatur und Feuchte verwendet. Es wird kein Kaltwasser produziert Sie bestehen generell aus einer Kombination von sorptiver Luftentfeuchtung und Verdunstungskühlung Typische Antriebstemperaturen: 55 C bis 90 C Anwendung: hohe latente Kühllasten, hohe Luftwechselraten Bezeichnungen: Sorptionsgestützte Klimatisierung (SGK) oder Desiccative and evaporative cooling (DEC) als alleinige Systeme besonders geeignet für Klimatisierungslösungen, in denen hohe Außenluftvolumenströme benötigt werden

39 Offene sorptionsgestützte Klimatisierung Direkte Luftkonditionierung, kein Kaltwasser Kombination Entfeuchtung mit Verdunstungskühlung Anwendung: hohe latente Kühllasten, hohe Luftwechselraten Erforderlich: Zuluft- und Abluftsystem Hohe Gebäudedichtigkeit Wärmerückgewinnung C

40 Offene sorptionsgestützte Klimatisierung Systeme mit Flüssigsorption Möglichkeit der verlustlosen Speicherung der Salzlösungen - zeitlich versetzte Regeneration möglich Hohe Ansprüche an Materialien wegen Korrosivität Regenerator Regenerationsluft Antriebswärme konzentrierte Lösung LiCl/Wasser Speicher Absorber Wärmeabgabe Prozessluft schwache Lösung

42 F&E Absorptionskältetechnik NH 3 /H 2 O (Verdampfer: T < 0 C) Verschiedene Entwicklungen im kleinen Leistungsbereich, oft im universitären Bereich Wärmepumpenbetrieb; gasbefeuert H 2 O/LiBr (Verdampfer: T > 5 C) Optimierung Wärmeübertrager Höhere Leistungsdichte Trockene Rückkühlung Ionische Flüssigkeiten (organische Salze) Große Anzahl möglicher Stoffpaare Hoher Temperaturhub möglich (keine Kristallisation) Kälteträgerkreis mit T < 0 C möglich Geringere Korrosivität

43 F&E Absorptionskältetechnik Triple-effect H 2 O/LiBr mindestens zwei Hersteller Nur im großen Leistungsbereich Antrieb: Dampf, > 200 C EER th bis 1.8 (Datenblatt) Interessant für solarthermische Anwendungen mit konzentrierenden Kollektoren Bildquelle: Kawasaki ( Bildquelle: ZAE Bayern

44 F&E Absorptionskältetechnik Kollektorintegriertes Sorptionsmodul Tag-/Nachtzyklus Heizen und Kühlen Erste Demo-Anlage in Karlstadt, Schweden (180 m²) Vielversprechende elektrische Effizienz (EER el * ca. 10 ohne Kältespeicherverluste) Bildquelle: Climatewell * EER el : Nutzkälte / Summe elektr. Hilfsenergie

45 F&E Adsorptionskältetechnik Höhere Leistungsdichte durch verbesserten Wärme- und Stofftransport Sorptionsmaterialien mit verbesserten Oberflächen, Charakteristiken (höhere Aufnahmekapazität Kältemitteldampf; schnelle Aufnahme / Abgabe, langzeitstabil) Optimierte Wärmeabgabe an Wärmübertragerstruktur (z.b. direkte Aufkristallisation) Optimierte Wärmeübertragerstrukturen (auch Verdampfer, Kondensator) Bildquelle: SorTech

46 F&E Adsorptionskältetechnik Beispiel Adsorber-Wärmeübertrager Fluidkanal: Al-Profil Schicht aus Metallfasern (4 mm), beschichtet von SorTech 4 mm 30 mm 30 mm 308 mm mm

47 F&E Adsorptionskältetechnik Neue Sorptionsmatierialien Stoffgruppen SAPO (Silizium-Aluminium- Phosphate), MOF (Metal organic framework); Kältemittel: Wasser (im Blickpunkt: Fertigungsverfahren, Langzeitstabilität) Aktivkohle; Kältemittel: Methanol (für Temperaturbereich < 0 C) Anwendung: Wärmepumpen Bildquelle: S.K. Henninger, H. A. Habib, C. Janiak; MOFs as Adsorbents for Low Temperature Heating and Cooling Applications, J. AM. CHEM. SOC. 2009, 131,

48 F&E Adsorptionskältetechnik Bereich offene, sorptiv gestützte Systeme Neuer sorptiv beschichteter Luft-Luft-Wärmeübertrager zur Entfeuchtung (und Kühlung) Prozesskühlung durch indirekte Verdunstungskühlung Zwei Pilotanlagen getestet (Singapur, Deutschland)

49 Beispiel Kollektorentwicklung Linear fokussierende Kollektoren für Mitteltemperaturen (ca. 180 C 250 C) Seit einigen Jahren zunehmende Entwicklungen für Prozesswärmeanwendungen Parabol- und Fresnel-Kollektoren mit Konzentrationsverhältnissen Bildquelle: Soltigua Sekundärspiegel Absorber Primärspiegel

50 Dampfstrahlkältetechnik Kombination solarer Dampferzeugung mit Dampfstrahlkältetechnik Quelle: GEA Wiegand Quelle: Ritter XL Solar

52 Effizienzgrößen Energy Efficiency Ratio EER (oft auch COP) SEER = seasonal EER EER th = Nutzkälte Antriebswärme Thermodynamische Grenze (Carnot scher Vergleichsprozess) COP Grenz = 1 T T mittel tief T T mittel hoch 1 Prozessgüte ξ C = EER th / COP Grenz typisch: 0.25 < ξ PQ < 0.4

53 Wärmeverhältnis EER th = Nutzkälte Antriebswärme

54 Thermodynamische Randbedingungen Erforderliche Antriebstemperatur T h [ C] Kleiner Temp.-hub (z.b. Kühldecken / Nasskühlturm) Mittlerer Temp. -hub (z.b. Umluftkühler mit Enteuchtung / Nasskühlturm) Hoher Temp. -hub (z.b. Umluftkühler mit Entfeuchung / trockene Rückkühlung) Sehr hoher Temp.- hub (z.b. Eiserzeugung / trockene Rückkühlung) Nutzbarer Temperaturhub = T m T k [K]

57 Solarthermisch angetriebene Techniken Systemtopologie Antriebstemperatur niedrig (60-90 C) Kollektortyp Systemart Offener Prozess: direkte Luftkonditionierung Geschlossener Prozess: hohe Kaltwassertemperatur (z.b. Flächenkühlung)

58 Solarthermisch angetriebene Techniken Systemtopologie Antriebstemperatur niedrig (60-90 C) mittel ( C) Kollektortyp Systemart Offener Prozess: direkte Luftkonditionierung Geschlossener Prozess: hohe Kaltwassertemperatur (z.b. Flächenkühlung) Geschlossener Prozess: Kaltwasser für Kühlung und Entfeuchtung Geschlossener Prozess: Prozesskühlung, Kühlung mit Eisspeicher

59 Solarthermisch angetriebene Techniken Systemtopologie Antriebstemperatur niedrig (60-90 C) mittel ( C) Hoch ( C) Kollektortyp Systemart Offener Prozess: direkte Luftkonditionierung Geschlossener Prozess: hohe Kaltwassertemperatur (z.b. Flächenkühlung) Geschlossener Prozess: Kaltwasser für Kühlung und Entfeuchtung Geschlossener Prozess: Prozesskühlung, Kühlung mit Eisspeicher Geschlossener Prozess: hocheffiziente 2- und 3-stufige Systeme Geschlossener Prozess: Systeme mit hohem Temperaturhub (z.b. Eisspeicherung mit trockener Rückkühlung)

60 Primärenergetische Analyse eines solarthermischen Kühlsystems Elemente der PE-Bilanz TKM = thermische angetriebene Kältemaschine Brennstoff für Backup- Kälte Stromverbrauch Solarsystem Stromverbrauch thermisch angetriebene Kältemaschine TKM Stromverbrauch Rückkühlwerk Luigi Marletta, Gianpiero Evola, Hans-Martin Henning, Mario Motta: Chapter 7 - Energy and economic figures for Solar Cooling. in: Henning, H.M., M. Motta, D. Mugnier (Editors). Solar Cooling Handbook A Guide to Solar Assisted Cooling and Dehumidification Processes. Wien/New York, Springer (in press)

61 PE-Bilanz PE-Aufwand Solarthermisches Kühlsystem = + +!+ " PE-Aufwand konventionelles Referenzsystem = Relative PE-Einsparung (fractional PE saving), = =1

62 Relative PE-Einsparung Abhängigkeit vom solaren Deckungsanteil Größe Wert f Brennstoff 1.1 h Kessel 0.9 f Strom 2.5 AZ sol 50 AZ TKM 60 AZ RK 30 SEER 3.5

63 Relative PE-Einsparung Abhängigkeit von der Arbeitszahl des Rückkühlwerks Größe Wert f Brennstoff 1.1 h Kessel 0.9 f Strom 2.5 AZ sol 50 AZ TKM 60 SF TKM 0.9 SEER 3.5

64 Relative PE-Einsparung Abhängigkeit vom SEER des Referenzsystems Luft-gekühlte Kaltwassersätze oder multi-split-geräte Große Kältezentralen mit Nasskühlturm Größe Wert f Brennstoff 1.1 h Kessel 0.9 f Strom 2.5 AZ sol 50 AZ TKM 60 AZ RK 30 SF TKM 0.9

65 Auslegungsregeln Folgend aus primärenergetischer Analyse Mindestdeckungsanteil solar für Antriebswärme TKM, um PE-Einsparung zu sichern > 60 % bei zwei-stufigen TKM > 80 % bei ein-stufigen TKM Bei kleineren solaren Deckungsanteilen nur in Kombination mit elektrischer Kältemaschine sinnvoll (große Anlagen) Elektrische Arbeitszahl Rückkühlwerk kritisch, Mindestwert > 20 1-stufige thermisch angetriebene Anlagen in der Regel nur sinnvoll einsetzbar anstelle von Anlagen im kleinen Leistungsbereich, die typischerweise SEER- Werte < 4 aufweisen

66 Primärenergieeinsparung und Wirtschaftlichkeit Solarthermisches Kühlen, Heizen und Brauchwarmwasserversorgung (ST) Kühlen: thermisch angetriebene Kühlung nicht auf Spitzenlast ausgelegt; konventionelles Backup vorhanden Rel. PE-Einsparung und Kosten der PE-Einsparung im Vergleich zur konventionellen Versorgung (Referenz) Vergleich mit konventioneller Versorgung + netzgekoppelter PV (Ref+PV) Kosten der Primärenergieeinsparung [ / kwh PE ] Anwendungsbeispiel: großes Hotelgebäude; Kühlen, Heizen und hoher Warmwasserbedarf Referenz Heutige Kostensituation Referenz Kostenszenario: Kollektorsystem - 40% TKM-System - 50% ST Ergebnisse aus Simulationsstudie in EVASOLK (FKZ A)

67 Primärenergieeinsparung und Wirtschaftlichkeit Solarthermisches Kühlen, Heizen und Brauchwarmwasserversorgung (ST) Kühlen: thermisch angetriebene Kühlung nicht auf Spitzenlast ausgelegt; konventionelles Backup vorhanden Rel. PE-Einsparung und Kosten der PE-Einsparung im Vergleich zur konventionellen Versorgung (Referenz) Vergleich mit konventioneller Versorgung + netzgekoppelter PV (Ref+PV) Kosten der Primärenergieeinsparung [ / kwh PE ] Anwendungsbeispiel: großes Hotelgebäude; Kühlen, Heizen und hoher Warmwasserbedarf Referenz Heutige Kostensituation Referenz Kostenszenario: Kollektorsystem - 40% TKM-System - 50% ST Ergebnisse aus Simulationsstudie in EVASOLK (FKZ A)

69 Beispiel 1: Kühlung eines Unterrichtsraumes an der Richard- Fehrenbach Gewerbeschule Freiburg Demonstrationsanlage im Projekt SolCoolSys 32 m² Kollektorfläche (19 m² Flachkollektoren und 13 m² Vakuumröhrenkollektoren) 8 kw Adsorptionskältemaschine Fernwärmenetz als Wärmebackup Kühlung/Heizung über Gebläsekonvektoren und Fußbodenheizung Wärmepumpenbetrieb im Winter möglich

70 Beispiel 2: Kühllager zur Lebensmittellagerung Demonstrationsanlage im Projekt AgroKühl 88 m² Fresnell-Kollektor 12 kw Wasser-Ammoniak-Kältemaschine 53 kwh Latentwärmespeicher 2 x 300 l Eisspeicher 100 m³ Kühllager

71 Beispiel 3: Warmwasserbereitung und solare Kühlung in Montpellier / Südfrankreich (SERM system) Hybrid-Systemkonzept: Versorgung von Wohnungen und Büros/Geschäften Warmwasserbereitung im Winter Kühlung (und WW) im Sommer 240 m² Flachkollektoren, doppeltverglast 35 kw Absorptionskältemaschine Solarkreis mit Wasser-Glykol als Drainback- System 1500 l Warmwasserspeicher Quelle: D. Mugnier, TECSOL

72 Beispiele großer Anlagen FESTO, Berkheim, Deutschland 1218 m 2 Kollektorfläche, 1.05 MW (3 Adsorption-KM) Quelle: Paradigma, Festo Sun-Moon Mansion Building, China 5024 m 2 Kollektorfläche, 0.5 MW Absorptions-KM Quelle: Himin Solar Energy United World College (UWC) Singapur 3900 m 2 Kollektorfläche, 1.47 MW Absorptions-KM Quelle: SOLID, Graz/Austria Desert Mountain High School, Arizona, USA 5000 m 2 Kollektorfläche, 1.75 MW Absorptions-KM Quelle: SOLID, Graz/Austria

74 Ausblick, Perspektiven Solare Kühlung in Deutschland Nischenanwendung (z.b.: sommerliche Nutzung großen Kollektorfelds von Solarkombianlage) In D auch bei wachsendem Bedarf für sommerliche Klimatisierung stark limitierte Zahl an Vollbenutzungsstunden Weltweit erhebliches Potenzial, insbesondere in Verbindung mit Gesamtlösungen für unterschiedliche Wärme-Anwendungen in Gebäuden und in industriellen Prozessen Deutsche Firmen: Entwicklung von Lösungen für Anwendungen in Drittländern Thermisch angetriebene Verfahren (Wärme, Kälte) auch für Deutschland wichtig Sorptions-Wärmepumpe Sorptions-Kälte in Verbindung mit Abwärme, BHKW, Fernwärme und auch Solarwärme Photovoltaik-basierte Lösungen vielversprechend Evaluierung im konkreten Einzelfall

75 Einige generelle Empfehlungen Vorteilhaft für Wirtschaftlichkeit sind zusätzliche Abnehmer der solaren Wärme, z.b. Brauchwarmwasser, Heizungsunterstützung oder Prozesswärme (solar polygeneration) Thermisch angetriebene Kälteversorgung nicht auf Spitzenlastdeckung auslegen Bei Komfortklimatisierung: wenn vereinbar mit Komfortansprüchen Verzicht auf Kälte-Backup (solarthermisch autonome Kühlung) Entkopplung der Klimatisierungsaufgaben: Entfeuchtung durch sorptiv gestützte Klimatisierung, Abfuhr sensibler Wärmelasten durch Flächenkühlung

76 Handbook for professionals Completely revised 3 rd edition of Solar Cooling Handbook Early 2012 Main Content Components Systems Experiences Design guidelines

77 vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Hans-Martin Henning, Edo Wiemken, Alexander Morgenstern