Solare Kühlung. Hans-Martin Henning. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Tag der offenen Tür Freiburg, 9. Juli 2011

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1 Solare Kühlung Hans-Martin Henning Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Tag der offenen Tür Freiburg, 9. Juli

2 Übersicht Wie funktioniert solare Kühlung? Stand der Technik Ausblick Ihre Fragen.

3 Wie funktioniert solare Kühlung? Stand der Technik Ausblick Ihre Fragen.

4 Wofür? Anwendungsbereiche solare Kühlung Gebäude Raumklimatisierung: Kühlen, Entfeuchten Raumkomfort im Sommer bzw. in der Kühlperiode Klimatisierung

5 Wofür? Anwendungsbereiche solare Kühlung Gebäude Raumklimatisierung: Kühlen, Entfeuchten Raumkomfort im Sommer bzw. in der Kühlperiode Klimatisierung Industrielle Prozesse Kühlung von Produkten, z.b. in der Lebensmittelindustrie Kühlung von Prozessen, z.b. in der chemischen Industrie Kälteerzeugung

6 Solare Klimatisierung grundsätzliche Verfahren Photovoltaik- Anlage Strom Solarwärme- Anlage Wärme Elektrische angetriebene Kälteerzeugung / Klimaanlage Thermisch angetriebene Kälteerzeugung / Klimaanlage Kaltwasser konditionierte Luft Kaltwasser konditionierte Luft

7 Wie wird Kälte erzeugt?

8 Wie wird Kälte erzeugt? Kältemittel Wasser

9 Wasser kocht bei Normaldruck bei 100 C Kältemittel Wasser

10 Je niedriger der Druck, desto niedriger die Verdampfungstemperatur (z.b in den Bergen) Kältemittel Wasser

11 In einem geschlossenen, evakuierten Behälter verdampft Wasser bei niedriger Temperatur. Wärmezufuhr bei niedrigen Temperaturen ist gleichbedeutend mit Kälteerzeugung Kältemittel Wasser

12 Kompressionskältekreis Solare Kühlung mit Photovoltaik Verdichter Kondensator Kältemittel Verdampfer Drossel Kältemittelrückführung Wärmeabgabe Wärmeaufnahme = Kälteerzeugung

13 Alternative: Thermisch angetriebene Kälteerzeugung Wärmeabgabe Wärmeaufnahme: Antriebsenergie Ausheizen aus Sorptionsmittel Kältemittelrückführung Wasser Kondensation Drossel Verdampfung Anlagerung an Sorptionsmittel Wärmeaufnahme = Kälteerzeugung Wärmeabgabe

14 Thermische angetriebene Kälteerzeugung Solare Kühlung mit Solarwärme Wärmeabgabe Wärmeaufnahme: Antriebsenergie Ausheizen aus Sorptionsmittel Kältemittelrückführung Wasser Kondensation Drossel Verdampfung Anlagerung an Sorptionsmittel Wärmeaufnahme = Kälteerzeugung Wärmeabgabe

15 Thermisch angetriebene Kälteerzeugung Antriebswärme, T hoch Solare Kühlung: Solarkollektor T Schub Wärmeabgabe, T mittel Abwärme, Rückkühlwerk T Hub Wärmeaufnahme, T tief Wärmeentzug ( Kälteerzeugung )

16 Schema einer Adsorptionskältemaschine KONDENSATOR Kühlwasser ADSORBER Kühlwasser DESORBER Antriebswärme Wärmeübertrager mit Silicagel Wärmeübertrager mit Silicagel automatische, innere Ventile Kältemittelrücklauf Kaltwasser VERDAMPFER Quelle: Fraunhofer, ISE

17 Adsorptionszyklus Kondensator Phase 1 Desorption Adsorption Phase 4 Phase 2 Kondensator Verdampfer Kondensator <<<<<<<<<<<<<< Verdampfer Wärmerückgewinnung Kondensator Phase 3 Verdampfer Wärmerückgewinnung <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< Adsorption Desorption Verdampfer

18 Adsorptionszyklus Kondensator Phase 1 Desorption Adsorption Phase 4 Phase 2 Kondensator Verdampfer Kondensator <<<<<<<<<<<<<< Verdampfer Wärmerückgewinnung Kondensator Phase 3 Verdampfer Wärmerückgewinnung <<<<<<<<<<<<<<<<< Adsorption Desorption <<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<< Verdampfer

19 Adsorptionszyklus Kondensator Phase 1 Desorption Adsorption Phase 4 Phase 2 Kondensator Verdampfer Kondensator <<<<<<<<<<<<<< Verdampfer Wärmerückgewinnung Kondensator Phase 3 Verdampfer Wärmerückgewinnung Adsorption Desorption Verdampfer

20 Adsorptionszyklus Kondensator Phase 1 Desorption Adsorption Phase 4 Phase 2 Kondensator Verdampfer Kondensator Verdampfer Wärmerückgewinnung Kondensator Phase 3 Verdampfer Wärmerückgewinnung Adsorption Desorption Verdampfer

21 Offene Sorptionsverfahren Offen: keine geschlossene Maschine; Zyklus in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft Zusatzwärme Direkte Behandlung von Ventilationsluft Sorptive Luftentfeuchtung FO Befeuchter AB Kühllasten Verdunstungskühlung (Kältemittel Wasser) AU Entfeuchter WRG ZU Quelle: Fraunhofer, ISE

22 Standardprozess für mitteleuropäisches Klima Temperatur [ C] AB AU FO Zusatzwärme 20 ZU 10 FO AB absolute Feuchte [g/kg] AU Entfeuchter WRG Befeuchter ZU Kühllasten Quelle: Fraunhofer, ISE

23 Übersicht thermische Kälteverfahren Geschlossene Maschinen zur Kälteerzeugung Flüssige Sorptionsmaterialien Wasser Lithiumbromid (Salzlösung) Ammoniak-Wasser Feste Sorptionsmaterialien Wasser/Zeolith, Wasser/Silikagel, Wasser/Salz Weitere (z.b. Dampfstrahlkälte) Offene Sorptionsverfahren (Verdunstungskühlung mit vorangeschalteter Luftentfeuchtung) Flüssige Sorptionsmaterialien (Salzlösung) Feste Sorptionsmaterialien

24 Wie funktioniert solare Kühlung? Stand der Technik Ausblick Ihre Fragen.

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

26 Installierte Anlagen Alle Anlagen nutzen solarthermische Verfahren Quelle: climasol Fraunhofer ISE Rococo TECSOL TECSOL estimate

27 Klimatisierung einer Produktionshalle in Griechenland Klimatisierung an der IHK Südlicher Oberrhein in Freiburg Weinkühlung in Frankfreich Klimatisierung und Prozesswärme für ein Hotel in der Türkei

28 Klimatisierung eines Bankgebäudes in Portugal Kühlung einer Produktionshalle bei Stuttgart Weinkühlung in Tunesien Weltgrößte Anlage in Bau: Klimatisierung eines Bildungscampus in Singapur

29 Kältemaschinen im Bereich kleiner Leistung (< 20 kw) Ohne Anspruch auf Vollständigkeit

30 Beispiel einer Gesamtanlage Solarkollektor Wärmespeicher Thermisch angetriebene Kältemaschine Heizkreisverteiler Kühlturm Kältespeicher Elektrisch angetriebene Kältemaschine (optional) Weitere Wärmequellen Abgabesysteme im Gebäude

31 Auslegung Energieeinsparung (Primärenergie) Beispiel Hotel in Madrid (3050 m 2 Nutzfläche) Vorgehen Ermitteln der Energieeinsparung (Primärenergie) im Vergleich zu einer konventionellen Vergleichsanlage

32 Auslegung Investkosten pro Kälteleistung ( pro kw) Beispiel Hotel in Madrid (3050 m 2 Nutzfläche) Vorgehen Ermitteln der Gesamtinvestkosten einschl. Planung und Installation (normiert auf Kälteleistung)

33 Auslegung Gesamtkosten über die Lebensdauer Beispiel Hotel in Madrid (3050 m 2 Nutzfläche) Vorgehen Ermitteln der Gesamtkosten über die Lebensdauer der Anlage Darstellung als Prozentwert bezogen auf konventionelles Vergleichssystem

34 Wie funktioniert solare Kühlung? Stand der Technik Ausblick Ihre Fragen.

35 Ausblick Anlagen mit normaler Kollektortechnik (Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren) Solares Heizen, Kühlen und Brauchwarmwasser Antriebstemperaturen C Anwendung in Gebäuden: Wohnen (heiße Klimaregionen), Gewerbegebäude Kostensenkungen im Bereich Systemtechnik und thermisch angetriebene Kälteanlagen kleiner Leistung Mehr Standardisierung und Vorfertigung Zukünftig auch PV in Verbindung mit Wärmepumpe bzw. elektrischer Kältemaschine

36 Ausblick (2) Anlagen mit konzentrierenden Kollektoren Mittlere und große Anlagen in Regionen mit hoher Direktstrahlung Anwendungen mit großem Kältebedarf (z.b. Lebensmittelsektor) Installation auf dem Boden oder den Flachdächern großer Gewerbegebäude Antriebstemperaturen C

37 Woran arbeitet das Fraunhofer ISE im Themenfeld solare Kühlung? Materialien Synthese neuer Sorptionsmaterialien Materialcharakterisierung Komponenten Adsorber Verdampfer, Kondensator Systemtechnik Neue Systemkonfigurationen Verbesserte Verfahren Anlagen Auslegung, Machbarkeitsstudien Messtechnische Begleitung und Evaluierung

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE Hans-Martin Henning