für die solare Kühlung im kleinen

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1 solar Wissenschaft und Technik Solarkollektoren an Fassade und Boden des Trainingscenters und Bürogebäudes BachlerAustria. Quelle: SolarNext Auch die Sonne kann kühlen Ein Überblick über Sorptionskältemaschinen kleiner Leistung Steigender Komfortbedarf und fortschreitender Klimawandel werden in den kommenden Jahren die Zahl der klimatisierten Gebäude voraussichtlich stark ansteigen lassen. Der Einsatz herkömmlicher Kompressor-Kältemaschinen (Split-Geräte) verursacht Spitzenlasten, die bereits jetzt in Europa Stromnetze an ihre Grenzen bringen. Die derzeit eingesetzten Kältemittel in den Split-Geräten haben zwar kein Ozongefährdungspotenzial (ODP) mehr, aber besitzen aufgrund von Leckagen des Kältemittels im Bereich von 5 bis 15 % pro Jahr ein deutliches Global Warming Potential (GWP). Vor diesem Hintergrund erhält die Gebäudeklimatisierung auf Basis thermisch angetriebener Sorptionskältemaschinen einen besonders interessanten Aspekt: Die Ursache für den größten Teil des Klimatisierungsbedarfs die Intensität der Sonneneinstrahlung ist durch den Einsatz von Sonnenkollektoren zur Bereitstellung der Antriebswärme gleichzeitig Energiequelle für die Klimaanlage. Dieser grundsätzliche Zusammenhang ist das stärkste Argument für solares Kühlen. In den vergangenen Jahren wurden speziell in Europa viele neue Sorptionskältemaschinen im kleinen Leistungsbereich entwickelt. Viele dieser s- und Adsorptionskältemaschinen sind nun aus dem Prototypentwicklungsstadium in den Feldtest und die Produktion übergegangen, so dass in den nächsten Jahren vermehrt Produkte zu erwarten sind. Die Sorptionskältemaschinen verwenden natürliche Kältemittel und haben nur einen sehr geringen Stromverbrauch. Die Betriebskosten dieser Maschinen sind somit sehr niedrig und die CO 2 -Bilanz ist gegenüber Split-Geräten deutlich besser. Das Marktpotenzial für solare Kühlung im kleinen Leistungsbereich ist sehr groß, so dass von verschiedenen Firmen Solar-Cooling-Kits für das Produktgeschäft entwickelt werden. Eine ganzjährige Energienutzung der erneuerbaren Energiequellen zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung und solaren Kühlung ist dabei unabdingbar. Eingesetzte Sorptionstechnologien Die hauptsächlich eingesetzten Technologien für die solare Kühlung im kleinen Leistungsbereich sind die sund die Adsorptionskältetechnik. Einstufige skältemaschinen mit den Stoffpaaren Wasser/Lithiumbromid oder Ammoniak/Wasser erzeugen über einen geschlossenen, kontinuierlichen Kreisprozess Kälte. Die Verdampfertemperatur kann bei Ammoniak-skältemaschinen bis auf minus 60 C gesenkt werden, so dass industrielle Kälteprozesse möglich sind. Bei der Verwendung von Wasser als Kältemittel ist die Verdamp- 64 erneuerbare energien Juni 2008

2 Flachkollektoren auf dem Dach des Fraunhofer ISE Quelle: Fraunhofer ISE fertemperatur auf Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts von minimal 5 bis 6 C beschränkt. Bei der skältetechnik wird das Kältemittel (Wasser oder Ammoniak) in einem flüssigen Lösungsmittel (Lithiumbromid oder Wasser) absorbiert und durch direkte oder indirekte Beheizung in einem Austreiber bei hohen Temperaturen desorbiert und auf den erforderlichen Kondensatordruck gebracht. Bei der Kondensation beziehungsweise wird Kondensations- beziehungsweise Lösungswärme frei, die über einen gemeinsamen Kühlkreis abgeführt werden muss. Die Antriebstemperaturen für die Austreibung liegen je nach Technologie zwischen 70 und 120 C. Grundsätzlich finden skältemaschinen Verwendung als zentrale Klimatisierungssysteme mit dezentralen Umluftgeräten (Fan Coils) oder Kühldecken für die Klimatisierung der zu kühlenden Räume. Bei der geschlossenen Adsorptionstechnik wird das Kältemittel Wasser an einem Festkörper wie Silikagel unter Freisetzung von Bindungswärme an der Oberfläche adsorbiert. Die Bindungswärme sinkt bei steigender Anlagerung von Wassermolekülen gegen null, so dass nur noch Verdampfungswärme abgeführt werden muss. Die Desorption des angelagerten Wassers und die Druckerzeugung für die Kondensation erfolgt bereits bei niedrigen Antriebstemperaturen von 55 bis 70 C, so dass diese Technologie besonders für den Einsatz von Solarenergie geeignet ist. Von geschlossenen Adsorptionskältemaschinen wird durch den periodischen Kreisprozess Kaltwasser von minimal 5 bis 6 C erzeugt. Diese Kältemaschinen können ebenfalls als zentrale Klimatisierungssysteme mit dezentralen Umluftgeräten oder Kühldecken eingesetzt werden. Absorber chillii WFC 18 Quelle: Yazaki Marktverfügbarkeit Seit 1977 bietet die japanische Firma Yazaki Wasser/Lithiumbromid-skältemaschinen mit 35, 70 und 5 kw Kälteleistung an, wobei die 35-kW- Maschine die bisher weltweit am meisten verwendete skältemaschine für solare Kühlungsprojekte ist

3 solar Wissenschaft und Technik Tabelle 1: Vergleich von marktverfügbaren Sorptionskältemaschinen kleiner Leistung Firma Yazaki EAW Sonnenklima Rotortica Climatewell SolarNext SorTech SJTU WFC-SC5 / chillii WFC 18 Wegracal SE15 suninverse Solar 045 Climatewell chillii PSC ACS 08 / chillii STC8 SWAC- Technologie Adsorption Adsorption Arbeitsstoffpaar H2O/LiCl NH3/H2O H2O/Silica gel H2O/Silica gel 17,5 15 4,5 7,5 88 / / / / / - 85 / / / 79 Kühlwasser-Temperatur [ C] 31 / / / / / - 24 / / / 36 Kaltwasser-Temperatur [ C] 12,5 / 7 17/11 18 / 15 13/ - / 15 12/6 18 / 15 15/ 0,7 0,71 0,77 0,67 0,68 0,63 0,53 0,39 0,60 x 0,80 x 1,94 1,75 x 0,76 x 1,75 1,13 x 0,80 x 1,96 1,09 x 0,76 x 1,15 1,20 x 0,80 x 1,60 0,80 x 0,60 x 2,20 0,79 x 1,06 x 0,94 1,80 x 1,20 x 1,40 Produktname Kälteleistung [kw] Heizwasser-Temperatur [ C] COP Abmessungen (BxTxH) [m x m x m] Gewicht [kg] Elektrische Leistungs aufnahme [W] (inkl. Ventilator) [1]. Seit Anfang 2008 wird beispielswei- ein wichtiger Vorteil bei kleinen Instal- skältemaschine, den chillii se von SolarNext eine 17,5-kW-Maschi- lationen. PSC, der Firma Pink aus Österreich. ne, die chillii WFC18, angeboten. WeiWährend für die Vermeidung von Diese Maschine verwendet eine neu enttere Wasser/LiBr-Absorber mit 15 bis Kristallisation in konventionellen Absorp- wickelte Membranlösungspumpe [6]. Die 200 kw Kälteleistung bietet EAW aus tionskältemaschinen ein hoher Aufwand Antriebstemperaturen sind je nach KaltWestenfeld an, wobei die beiden kleins- getrieben wird, nutzt die Firma Climate- wassertemperatur und Rückkühlmöglichten Kältemaschinen mit 15 kw und 30 well aus Schweden genau dieses Prinzip keit (Nasskühlturm oder TrockenrückkühkW von Schüco vertrieben werden [2]. der Kristallisation hochkonzentrierter Li- ler) im Bereich von 75 bis 85 C. Tabelle An verschiedenen europäischen Stand- thiumchlorid-lösung zur Erhöhung der in- 1 zeigt die verschiedenen technischen Deorten führt die Firma Sonnenklima aus ternen Speicherdichte. Um das Kältemittel tails und Leistungsdaten dieser AbsorptiBerlin mit einer -kw-lithiumbromid- Wasser komplett aus der Salzlösung auszu- onskältemaschinen. maschine Feldtests durch [3]. Die Firma treiben und zwei Behälter mit Salzlösung Bei geschlossenen AdsorptionsanRotartica in Spanien entwickelt seit auszukristallisieren, werden insgesamt 88 lagen ist der schlechte Wärmetransport einigen Jahren eine weitere Lithium- kwh Heizwärme benötigt. Erste Maschi- zwischen Feststoff-Adsorbern ein Probromid-Maschine kleiner Kälteleistung, nen im Leistungsbereich 7 bis kw sind blem, wie beispielsweise Packungen um die auch in Feldtests analysiert wird [4]. seit 2005 im Feldtest in Spanien [5]. einen Wärmetauscher und dem flüssigen Dabei wird ein rotierender Absorber SolarNext vertreibt seit Ende 2006 Wärmeträger. Erst die Beschichtung von mit trockener Rückkühlung verwendet exklusiv eine -kw-ammoniak/wasser- Wärmetauschern mit Adsorptionsmate- Absorber LB 15 Quelle: Schüco 66 erneuerbare energien Juni 2008 Absorber suninverse Quelle: Sonnenklima

4 Absorber Climate well Quelle: Climatewell rialien erlaubt die Konstruktion von Adsorptionskältemaschinen mit sehr kurzen Zyklusdauern im Minutenbereich. Die SorTech aus Halle hat einen Adsorber mit 7,5 kw Kälteleistung entwickelt [7], die beispielsweise von Solarnext als chillii STC8 vertrieben wird. An der Shanghai Jiao Tong University in China wurde ein weiterer -kw-wasser/silikagel-adsorber entwickelt, der derzeit in mehreren Projekten in China getestet wird [8]. Potenzial solarer Kühlung Die Absatzzahlen vor allem kleiner Splitt- Geräte steigt rasant: In Europa hat sich die Anzahl verkaufter Einheiten von 2006 mit 7,4 Millionen um % auf prognostisierte 8,1 Millionen im Jahr 2007 erhöht [9]. Die japanische Refrigeration and Air Conditioning Industry Association (JRAIA) gibt für den kleinen Leistungsbereich bis 5 kw einen weltweiten Absatz von 70,7 Millionen Geräten im Jahr 2006 an. Für das Jahr 2007 wurde ein Anstieg um 5 % auf 74,4 Millionen Geräte weltweit prognostisiert. Der Markt für solare Kühlung ist hingegen noch klein: Insgesamt waren in Europa im Jahr 2006 etwa 12 MW Kälteleistung installiert, das entspricht rund 0 bis 120 Anlagen []. Die insgesamt installierte Kollektorfläche beträgt ungefähr m². Rund 60 % der Anlagen verwenden skältemaschinen, etwa 11 % Adsorptionskältemaschinen und rund 29 % offene Kühlverfahren, wobei hier die Anlagen mit Sorptionsrotoren (DEC) dominieren und bislang nur wenige Systeme (4 %) mit offener Flüssigsorption arbeiten. Die meisten der Anlagen wurden in Deutschland (39,1 %), Spanien (27,5 %) und Griechenland (8,7 %) realisiert. Eine im Jahr 2007 durchgeführte Recherche geht aktuell von 200 installierten Anlagen kleiner bis großer Kälteleistung in Europa aus [11]. Solar Cooling Kits In den vergangenen Jahren haben sich ein paar wenige Solarfirmen auf dem europäischen Markt als Systemanbieter für Solar- Cooling-Kits positioniert. Diese sind für den kleinen Leistungsbereich bis 30 kw Kälteleistung beispielsweise die Firmen: CitrinSolar mit dem Adsorber von SorTech, Enus mit der suninverse von Sonnenklima, Schüco mit der LB 15 bzw. LB 30 (beides Absorber von EAW), Solarnext mit ihren chillii Solar Cooling und Heating Kits basierend auf dem chillii PSC, chillii STC8 und chillii WFC18. Solarnext setzt auch skältemaschinen von EAW und Yazaki für Ihre chillii Solar Cooling Systeme ein. Solution mit der Adsorptionskältemaschine von SorTech bzw. den Alaska-Sets basierend auf den skältemaschinen von EAW.

5 SolAr WISSEnSCHAFT UnD TECHnIK Bestandteile solcher Solar-Cooling-Kits sind Solarkollektoren mit Zubehör, Warmwasserspeicher, Pumpen-Sets, Kältemaschine, Rückkühler, teilweise Kaltwasserspeicher und die Regelung. Weitere europäische Solarfirmen überlegen derzeit ebenfalls den Einstieg in den solaren Kühlungsbereich oder testen solche Anlagen, wie etwa Paradigma, Saunier Duval (Vaillant), Schott und Solvis. Die spezifischen Gesamtkosten von installierten solaren Kühlungsanlagen in Europa (s-/adsorptionskältemaschinen) lagen bisher in einem Bereich zwischen und /kw. Für 2008 werden Systempreise von / kw erzielt, zukünftig sollten /kw erreicht werden. Realisierte Anlagen kleinere Leistung In den letzten Jahren wurden vermehrt Anlagen im kleinen Leistungsbereich in neubauten wie im Bestand installiert. Bei allen Systemen wurde die Rückkühlung auf unterschiedlichte Weise realisiert (nasskühlturm, Schwimmbad, Trockenrückkühler, Brunnen, Erdsonden). Abb. 7: Adsorber chillii STC8 Quelle: SorTech Für das neue Trainingscenter und Bürogebäude der BachlerAustria GmbH in Gröbming, Österreich, wurde eine solare Kühlungsanlage mit einem Biomasse-Back-up im Frühjahr 2007 in Betrieb genommen. Als Kältemaschine ist ein chillii PSC für eine Kältelast von 9 kw installiert, und zur Rückkühlung wird ein 26 kw nasskühlturm sowie zusätzlich ein Schwimmbad verwendet. Der nasskühlturm wird für den mitteleuropäischen Einsatzbereich mit sehr niedrigen Rückkühltemperaturen von 24/29 C betrieben. Die benötigte Solarwärme wird von 40 m²-flachkollektoren geliefert, die sich nicht wie üblich auf dem Dach, sondern an der Fassade und auf dem Boden vor dem Gebäude befinden und in drei 1,5 m³ großen Warmwasserspeichern gespeichert. Die Kälteverteilung wurde mittels Bauteilaktivierung (ähnlich wie Kühldecken) mit Kaltwassertemperaturen von 19/16 C realisiert. Seit 2007 wird die Kantine des Fraunhofer ISE in Freiburg solar gekühlt. Dafür wird eine Adsorptionskältemaschine ACS 05 von SorTech mit 5,5 kw Kälteleistung verwendet. Die notwendige Wärme für den Antrieb der Maschine wird durch 22 m² Flachkollektoren und dem Heißwassernetz des Instituts als Back-up bereitgestellt. Puffer ist ein Liter- Warmwasserspeicher. Drei Erdsonden mit je 80 m dienen zur effektiven Rückkühlung der Abwärme der Adsorptionskältemaschine. Die Kälteverteilung erfolgt durch die Lüftungsanlage, wo die Kälte über ein Kühlregister im Zuluftstrang der Küche abgegeben wird. Im Winter arbeitet die Maschine als Wärmepumpe, wobei die Zuluft über ein Vorheizregister erwärmt wird. Adsorber SWAC Quelle: SJTU Absorber chillii PSC Quelle: SolarNext/Pink 68 erneuerbare energien Juni 2008

6 Fazit und Ausblick Bei einem generellen Trend zu größeren solarthermischen Anlagen für die Heizungsunterstützung bieten kleine thermische Sorptionskältemaschinen gute Möglichkeiten, sommerliche Wärme effizient zu nutzen. Da der Energiebedarf für Klimatisierung weltweit stetig steigt, können die thermisch betriebenen Kältemaschinen zu einer deutlichen Reduktion des elektrischen Energieverbrauchs und der CO 2 -Emissionen führen. Grundsätzlich sollte der solare Deckungsgrad von Solar-Cooling-Kits über 70 % liegen oder besser ein vollständiges solares Heizsystem vorliegen. Bei sehr geringen Wärmepreisen, etwa bei ohnehin vorhandenen solarthermischen Anlagen zur Heizungsunterstützung oder in Biomasse-KWK- Anlagen und langen Laufzeiten, können heute thermische Klimatisierungsanlagen nahezu mit elektrischer Kompressionskälte konkurrieren. Im kleinen Leistungsbereich bis 30 kw Kälte sind nun seit kurzem verschiedene Wasser/Lithiumbromid-skältemaschinen, ein Ammoniak/Wasser-Absorber sowie zwei Wasser/Silikagel-Adsorptionskältemaschinen in Europa marktverfügbar. Erste Systemanbieter sind mit Solar-Cooling-Kits im kleinen Leistungsbereich am Markt vertreten, und es können in den nächsten Jahren weitere erwartet werden. Ihr Weg zu effizienter Photovoltaik Halle B5 skältemaschine chillii PSC des Trainingscenter und Bürogebäudes BachlerAustria. Quelle: SolarNext inter solar2008 Besuchen Sie uns auf der Intersolar 2008, Juni, Neue Messe München, Halle B5, Stand B eine Marke der PAIRAN elektronik Beratung. Entwicklung. Produktion. Tel:

7 solar Wissenschaft und Technik Literatur [1] J. Niemeyer, Technology for Solar Air-Conditioning, Proceedings of the 2nd International Conference Solar Air-Conditioning, Tarragona, Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.v. (OTTI), Oktober 2007, S , ISBN [2] B. Hebenstreit, Marktanalyse und Wirtschaftlichkeit solarer Kühlung, Tagungsband 5. Symposium Solares Kühlen in der Praxis, Stuttgart, Hochschule für Technik Stuttgart, April 2008, S [3] V. Clauß, O. Tamm, Betriebserfahrungen und systemtechnische Optimierung einer kw skältemaschine, Tagungsband 5. Symposium Solares Kühlen in der Praxis, Stuttgart, Hochschule für Technik Stuttgart, April 2008, S [4] M. Izquierdo, R. Lizarte, J.S. Marcos, E. Palacios, A. Burguete, Cooling with a 4,5 kw Air-cooled Single Effect LiBr/H 2 O Unit (Rotartica 045v), Proceedings of the 2nd International Conference Solar Air-Conditioning, Tarragona, Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.v. (OTTI), Oktober 2007, Seite , ISBN [5] C. Bales, G. Bolin, S. Nordlander, F. Settenwall, Solar driven chemical heat pump with integral storage the thermo-chemical accumulator, Proceedings of the 1st International Conference Solar Air-Conditioning, Bad Staffelstein, Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.v. (OTTI), Oktober 2005, S , ISBN [6] U. Jakob, K. Spiegel, Entwicklungen und Projekte mit Ammoniak-Wasser-Kältemaschinen kleiner Leistung, Tagungsband 5. Symposium Solares Kühlen in der Praxis, Stuttgart, Hochschule für Technik Stuttgart, April 2008, S [7] U. Jakob, M. Huber, D. Dubbelfeld, R. Aubele, Experimental investigation of a novel solar cooling system based on a small-scale water/silica gel adsorption heat pump. Proceedings of the 1st International Symposium on Innovative Materials for Processes in Energy Systems IMPRES, Kyoto, Oktober [8] D. Z. Wang, Z. Z. Xia, J. Y. Wu, R. Z. Wang, H. Zhai, W. D. Dou, Study of a novel silica gel-water adsorption chiller. Part I. Design and performance prediction, International Journal of Refrigeration, Vol. 28, 2005, S [9] 71 Mio. Klimageräte neuer Weltrekord, cci, Nr. 9, 2007, S. 30. [] H.-M. Henning, Overview on solar cooling, Proceedings of the 3rd European Solar Thermal Energy Conference estec 2007, Freiburg, Juni [11] J.-P. Meyer, What solar cooling costs. Sun & Wind Energy, Vol. 4, No. 1, 2008, S Dr. Uli Jakob SolarNext AG Nordstraße, Rimsting Tel / info@solarnext.de Adsorptionskältemaschine ACS 05 im Technikraum des Fraunhofer ISE Quelle: Fraunhofer ISE Dr. Uli Jakob studierte Bauphysik an der Hochschule für Technik in Stuttgart und promovierte an der De Montfort University Leicester (U.K.) am Institute of Energy and Sustainable Development auf dem Gebiet der solaren Kühlung. Seit 2006 verantwortet er bei der SolarNext AG den Bereich Solar Cooling. 70 erneuerbare energien Juni 2008