Solarthermische Kälteerzeugung Technologien und Potentiale

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1 Kälteerzeugung Technologien und Potentiale Dipl.-Ing. Christopher Paitazoglou Motivation Marktentwicklung Verfahren zur solaren Kälteerzeugung : Komponenten und Verfahren Realisierte und neue Entwicklungen Planung, sbedarf 1

2 Warum solare Kälteerzeugung? Anstieg von Personendichte, moderne Glasfassaden und interne Lasten Kälteanlagen und Kühlschränke verursachen etwa 15% des weltweiten Stromverbrauches! Einsatz von Raumklimageräten wächst weltweit steigender Stromverbrauch+CO 2 -Emissionen Überlastung der Versorgungssysteme Gute Übereinstimmung von Kältebedarf und Solareinstrahlung 2

3 Marktentwicklung - Basismärkte für solares Kühlen Klimaanlagen (bis 20 kw): weltweit ca. 50 Mio. jährlich verkaufte Geräte, Zuwachsrate ~4 % p.a. Anlagen: weltweit ca. 11 Mio m² jährlich installiert, Zuwachsrate ~18% p.a. Quellen: -Phönix SonnenWärme AG, Intersolar, Juni 2005, Freiburg -Renewables 2011 Global Status Report 3

4 Verfahren zur solaren Kälteerzeugung elektrische thermische - PV + Kompressionskältemaschine geschlossene Wärmetransformationssysteme offene thermomechanische Prozesse - Dampfstrahl-Kältemaschine Flüssigsysteme Feststoffsysteme Flüssigsysteme Feststoffsysteme Absorptionskälteanlage Adsorptionskälteanlage Sorptionsgestützte Klimatisierung (SGK, DEC) 4

5 Typische Kenndaten von Wärmetransformationsprozessen geschlossen offen Absorption Adsorption DEC COP max H 2 O/ LiBr ~ 0,8 (einstufig) ~ 0,6 in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen stark variabel Arbeitsstoffe H 2 O - LiBr (NH 3 - H 2 O) H 2 O-Silikagel / Zeolith H 2 O-Silikagel / Zeolith Systemkomplexität (Kosten) zusätzlich externe Kälte- und Kühlkreisläufe (nasse oder trockene Rückkühlanlage) direkte Luftkonditionierung Betriebsgrenz en Kristallisation robust gegen Betriebsgrenzen Wasserverbrauch Anlagenanforderungen Vakuumdichtheit (Unterdruck) Luftqualität (Umgebungsluft) 5

6 Komponenten und Verfahren Flachkollektoren Vakuumröhrenkollektoren konzentrierende Kollektoren Luftkollektoren Antriebswärme Abwärme Nasskühlturm Trockenkühlturm Erdsonde Thermische angetriebene Wärmepumpe Kältelast Kühldecke Ventilatorkonvektoren (Fan coils) Zentrales Lüftungssystem 6

7 Prozess Kompressionskälteanlage Kondensator Dampf Kühlwasser Kältemitteldrossel Verdichter Elektrische Energie Kaltwasser Verdampfer Dampf Wassergekühlte Kompressionskälteanlage [1] Flüssiges Kältemittel Dampfförmiges Kältemittel [1] Carrier 7

8 Prozess Absorptionskälteanlage (AbKA) Kondensator Dampf Generator Kühlwasser Warmwasser Kältemitteldrossel Kaltwasser Verdampfer Dampf Absorber Kühlwasser 10 kw Phönix- Absorptionskälteanlage Kältemittel verdünnte Lösung konzentrierte Lösung 8

9 Spezifikationen Arbeitsstoffpaar Wasser/LiBr COP (Kälte-/Antriebsleistung) 0,79 Kälteleistung 50 kw Kaltwasser ein/aus 21/16 C Volumenstrom 8,6 m³/h Antriebsleistung 63 kw Heißwasser ein/aus 90/72 C Volumenstrom 3,0 m³/h Abwärmeleistung 113 kw Kühlwasser ein/aus 30/37 C Volumenstrom 14,4 m³/h 50 kw Absorptionskälteanlage (Teststand der TU Berlin) 9

10 Kälteleistung [kw] COP [-] Green Building und Erneuerbare Energien in Tunesien - Antriebstemperaturen ab 55 C - COP (Kälte-/Antriebsleistung) von 0,79 0,84 in einem Lastbereich von % Stationäre Betriebsergebnisse Variation Heißwassertemperatur Nennpunkt 1,00 0, Nennlast Warmwasser ein/aus: 90/72 C Kühlwasser ein/aus: 30/37 C Kaltwasser ein/aus: 21/16 C 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0, Antriebstemperatur [ C] 10

11 Kälteleistung [kw] COP [-] Green Building und Erneuerbare Energien in Tunesien - Kühlwassertemperaturen C - COP (Kälte-/Antriebsleistung) von 0,8 0,6 Stationäre Betriebsergebnisse Variation Kühlwassertemperatur - Einsatz von Trockenkühltürmen möglich Nennpunkt Antriebstemperatur: 90 C Kaltwassertemperatur: 16 C Kühlwassertemperatur [ C] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 11

12 Prozess Adsorptionskälteanlage (AdKA) 70 kw Nennleistung Adsorptionskälteanlage NAK [1] [1] Bine Themeninfo I/04: 12

13 Solare Kälteerzeugung im Umweltbundesamt Dessau (UBA) AbKA 30kW Bilderquelle: Busse Solarunterstützte Kälteerzeugung Fernwärme als Backup Kältelast 25-35kW Hybride Rückkühlung Anlagentausch 8/2011 Solarkollektorfeld 240m² (Heatpipe) Warmwasserspeicher 2x22,5m³ Kaltwasserspeicher 2x8m³ Adsorptionskälteanlage (AdKA) Absorptionskälteanlage (AbKA) 13

14 Alte Anlage UBA - AdKA Adsorptionskälteanlage GBU NAC-020/70 (Wasser/Silicagel): Nennkälteleistung 70 kw, COP 0,69 Ist-Kälteleistung 27 kw, COP 0,40 solarer Deckungsanteil von 16% (per anno) Neue Anlage im Umweltamt Dessau (UBA) Absorptionskälteanlage (Wasser/LiBr): Nennkälteleistung 30 kw, COP 0,77 Prognostizierter solarer Deckungsanteil von 26% (per anno) AdKA AbKA 14

15 Prozess Sorptionsgestützte Klimatisierung DEC-Anlagenschaubild [1] Schema einer solar betriebenen SGK-Anlage mit Backup-System (KKM) [1] Munters UK: 15

16 Planung, Mehraufwand Hydraulik und Mess- und Regelungstechnik (Investitionskosten höher, Betriebskosten niedriger, gesamt aber i.d.r. höhere Jahreskosten) Hauptziel ist Primärenergieeinsparung (CO 2 - Einsparung) Nebenstromverbrauch externe Kreise, insb. Rückkühlkreis Solar unterstützter Betrieb verursacht auch Primärenergieaufwand 16

17 160 kw Absorptionskälteanlage Abgasgetriebene Strahlkälteanlage Honigmann-Prozess Wasser/LiBr Entwicklung und Auslegung Reduktion spez. Volumen um 50%, spez. Gewicht um 25% Leistungs- und Variationsvermessung R134a Funktionsnachweis miniaturierter Strahlverdichter Hohe Strahlerleistungsdichten Vermessung Abgaswärmeübetrager Vermessung Strahlerverdichter Analytisches Prozessverständnis Prozessauslegung Experimentelle Untersuchung 17

18 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Technische Universität in Berlin Fachgebiet für Maschinen- und Energieanlagentechnik: Dipl.-Ing. Christopher Paitazoglou 18