Thermische Kühlung Grüne Kälte aus regenerativer Wärme Tomas Núñez Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Energietouren Innovationen begreifbar Freiburg, 12. Mai 2011 www.ise.fraunhofer.de
Agenda Einleitung: Gründe für die solare und thermische Kühlung Technologien Absorption Adsorption Offene Systeme Systeme - Systemaufbau Märkte Beispiele - Perspektiven Zusammenfassung
Prognose des weltweiten Strombedarfs Die weltweite Stromerzeugung erfolgt zum großen Teil aus fossilen Energieträgern > 40% der weltweiten CO 2 Emissionen ist auf die Stromerzeugung zurück zu führen CO 2 Quelle: IEA WEO 2002
Kältemittel Globale Klimapotential (GWP Global Warming Potential) konventioneller Kältemittel (CO 2 Äquivalent in 100 Jahren) Kältemittel Kältemittel Typ GWP verboten seit R12 FCKW 8.500 2001 R11 FCKW 4.000 2001 R22 H-FCKW 1.700 2002 R142b H-FCKW 2.000 2002 R134a H-FKW 1.300 2008 R141b H-FKW 630 2008 R717 NH 3 0 -- R744 CO 2 1 -- Konventionelle Kältemittel: Heute schon ohne Gefahr für die Ozonschicht aber großes Klimapotential (GWP) Jährliche Kältemittelverluste ca. 5%-15% (geschätzt) Vorgeschlagene Lösungen: Brennbare Kältemittel (Propan, Butan, Isobutan, Propylen) Ammoniak und Mischungen CO 2 Natürliche Kältemittel (thermische Prozesse) Fuente: IPCC, BGBL II Nr. 447/2002
Gebäude und Klima Klimafreundliche Gebäude Warm und trocken Sonnenschutz Lüftung Kalt und feucht Isolierung Regenschutz
Gebäude und Klima Und was passiert heute? Wir bauen Gebäude die eine Unmenge an Energie für ein angenehmes Innenklima brauchen...
Ein weltweit bekanntes Bild...
Energiebedarf für Kälteerzeugung und Klimatisierung Energiebedarf in TWh 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Hotels Industrie Büros Wohnungen 0 1996 2000 2005 2010 2015 2020 Quelle: EERAC 1998
Die Folgen... Kalifornien, 2001
Sommerliche Spitzenlast - Beispiel In vielen Regionen hat sich die elektrische Spitzenlast auf den Sommer verlagert auf Grund der zunehmenden Klimatisierungsanforderungen. Gleichzeitig gibt es zu dieser Zeit ein großes Solarstrahlungsangebot... Bedarf MW Gesamtlastprofil Sydney West Uhrzeit
Energiebedarf - Strahlungsangebot Energie Monat
Verfahrensüberblick Solarstrahlung Umwandlung in Nutzenergie Umwandlung in Strom Photovoltaik Modul Umwandlung in Wärme Solarkollektor Kühlprozess Kompressionzyklus Thermoelektischer Prozess (Peltier) Stirling Prozess Thermomechanischer Prozess Wärmetransformationsprozess
Wärmetransformationsverfahren Wärmetransformationsprozess offene Zyklen flüssige Sorbentien geschlossene Zyklen flüssige Sorbentien Gegenstrom Absorption Absorption LiBr/H 2 O Absorption H 2 O/NH 3 feste Sorbentien feste Sorbentien Entfeuchungsrotoren Adsorption (Silikagel/H 2 O) Festbettprozess Adsorption (Zeolith/H 2 O) trockene Absorption (Salz/H 2 O; NH 3 )
Techniken Kaltwasser Wärme thermisch angetriebener Kühlprozess klimatisierte Luft Unterscheidung zwischen geschlossenen Verfahren zur Kaltwassererzeugung und offen Verfahren zur direkten Luftbehandlung Kaltwassererzeuger stellen Kaltwasser bereit, das jede Art von Klimatechnik versorgen kann (z.b. Lüftungsanlagen, Umluftkühler, Kühldecken, stille Kühlung,...) Offene Verfahren werden für die direkte Luftkonditionierung verwendet; sie bestehen generell aus einer Kombination von sorptiver Luftentfeuchtung und Verdunstungskühlung Auch eine Kombination von offenen mit geschlossenen Verfahren ist möglich
Verteil-Medium: Kaltwasser ~17 C > 60 C Zuluftsystem Zuluft Kühldecke Kaltwassertemperatur Antriebstemperatur Kaltwassermaschine (thermisch angetrieben) 15-18 C (< 12 C) 6-12 C Umluftkühler (fan coil) klimatisierter Bereich
Verteil-Medium: konditionierte Luft Antriebstemperatur > 50 C Abluft Zuluft Sorptionsgestützte Klimatisierung klimatisierter Bereich
Thermodynamischer Prozess Antriebswärme hohe Temperatur, T H Solarkollektor Umgebungsluft, z.b. Kühlturm Rückkühlung mittlere Temperatur, T M Nutzkälte niedrige Temperatur, T K Kenngröße: COP (Coefficient of Performance) COP th = Klimaanlage Nutzkälte Antriebswärme
Absorption - Verfahren Wärmeabgabe (Kühlturm) Wärmeaufnahme (z.b. Solarkollektor) Generator Kondensator Dampf Druck Drossel Dampf Lösungswärmeübertrager Lösungsmittelpumpe Verdampfer Absorber Wärmeaufnahme (Nutzkälte) Wärmeabgabe (Kühlturm) Temperatur
Absorptionskältemaschinen - Stand der Technik einstufige Absorptionskältemaschinen viele Produkte im Leistungsbereich >100kW; wenige Produkte < 100 kw für Klimatisierung fast ausschließlich Systeme mit Wasser/LiBr; für Tieftemperaturkälte Ammoniak/Wasser die meist genutzte Maschine in Verbindung mit solarer Klimatisierung ist die WFC 10 von Yazaki (35 kw) etablierte Technik und viele Herstellen in Asien / Nordamerika zweistufige Absorptionskältemaschinen einige Hersteller von 2-stufigen Absorptionskältemaschinen; oft direkt befeuerte Systeme; keine Produkte < 100 kw Kawasaki: bietet eine 3-stufige Maschine an
Absorptionskältemaschinen Nennleistung <15kW Quelle: Hersteller SK SonnenKlima GmbH
Adsorption - grundlegender Prozess Desorption Kondensation Antriebswärme (Solaranlage, T hoch ) Wasserdampf Wärmeabgabe (Kühlturm, T mittel ) Adsorption Verdampfung Wärmeabgabe (Kühlturm, T mittel ) Wasserdampf Raumlasten (Kaltwasser, T tief )
Adsorptionskältemachine innerer Aufbau Prinzip: Wärme wird zur Regeneration des Adsorbens im Desorber eingesetzt das desorbierte Kältemittel kondensiert im Kondensator und wird zum Verdampfer geführt Kältemittel verdampft im Verdampfer (Kühleffekt) und wird im Adsorber adsorbiert Ein wechselseitiger Betrieb ermöglicht eine quasikontinuierliche Kälteerzeugung ADSORBER Kühlwasser Wärmetauscher mit Silikagel interne Klappen Kältemittel Rückführung KONDENSATOR 2 1 VERDAMPFER DESORBER Kühlwasser Antriebswärme Wärmetauscher mit Silikagel Kaltwasser Quelle: Fraunhofer ISE Adsorption Desorption refrigerant refrigerant Q. Q. Q. Q. 1 cm
Adsorptionskältemaschine - Stand der Technik zwei kommerzielle Systeme (Japanische Hersteller); teurer als 1-stufige Absorptionskälteanlagen; großes Volumen, schwer; Leistung ab 70 kw COP etwas geringer als bei Absorption (COP 0.6) Verwendung von Silikagel und Zeolith als Adsorbentien neue Hersteller mit Maschinen <15kW in Europa auf dem Markt großes Entwicklungspotential sowohl bei Materialien als auch Apparaten
Adsorptionskältemaschinen einige Beispiele Nishiyodo NAK 70 kw Nennleistung Installation: Universitätsklinik Freiburg, Deutschland Sortech ACS 7.5 kw und 15 kw Nennleistung (Silikagel Wasser) Invensor 7 kw und 10 kw Nennleistung Zeolith - Wasser
Grundlagen der offenen Verfahren Offene Systeme werden für die direkte Luftkonditionierung hinsichtlich Temperatur und Feuchte verwendet. Es wird kein Kaltwasser produziert. Kältemittel ist Wasser Typische Antriebstemperaturen: 45 C bis 90 C Trennung der Schritte Entfeuchtung und Kühlung Sie bestehen generell aus einer Kombination von sorptiver Luftentfeuchtung und Verdunstungskühlung; Kühlung ohne Kälteanlage Auch bei größeren Anlage kein Kühlturm notwendig, da die Rückkühlung in den Prozess integriert ist Als alleinige Systeme besonders geeignet für Klimatisierungslösungen, in denen größere Außenluftvolumenströme gefragt sind Bezeichnungen: Sorptionsgestützte Klimatisierung (SGK) oder Desiccative and evaporative cooling (DEC)
Offene Verfahren feste Sorbentien (Standard Konfiguration) Regenerationswärme Sorptionsrotor Wärmerückgewinnung Befeuchter Abluft Fortluft Zuluft Außenluft Quelle: Munters
Offene Verfahren flüssige Sorbentien ein flüssiges Absorptionsmittel (LiCl) ist in einem direkten Verdunstungskühlungssystem integriert Fa.: Menerga Antriebstemperatur: 60-90 C integrierter (Kälte)Speicher mit hoher Energiedichte; Trennung von Kühlung und Regeneration einige Anlagen in Betrieb Regenerator Regenerationsluft Absorber Zuluft Q H konzentrierte Lösung Q M Antriebswärme Abwärme LiCl/Wasser Lösungsspeicher verdünnte Lösung Quelle: Fraunhofer ISE
Offene Verfahren flüssige Sorbentien ein flüssiges Absorptionsmittel (LiCl) ist in einem direkten Verdunstungskühlungssystem integriert Fa.: Menerga Antriebstemperatur: 60-90 C integrierter (Kälte)Speicher mit hoher Energiedichte; Trennung von Kühlung und Regeneration einige Anlagen in Betrieb
Systeme: Kollektoren - Kältetechnik Antriebs- Temperatur Tief (60-90 C) Mittel (80-110 C) Hoch (130-200 C) Kollektortyp Kältetechnik / System Offene Verfahren: direkte Luftbehandlung Geschlossene Verfahren: System mit hohen Verteilungstemperaturen (Kühldecke Geschlossene Verfahren: Kaltwasser zur Kühlung und Entfeuchtung Prozesskühlung, Klimatisierung mit Eisspeicherung Geschlossene Verfahren: zweistufige Verfahren mit hoher Effizienz System mit hohem Temperaturhub (z.b. Eisspeicher mit trockener Rückkühlung)
Kühlen und Klimatisieren integraler Ansatz Ziel Gewährleistung eines angenehmen Raumklimas mit minimalem Energieeinsatz Ansatz 1. Reduktion des Kühlbedarfs 2. Nutzung von natürlichen Wärmeund Kältesenken und -quellen Gebäudehülle, Lüftung Erdreich, Außenluft (T, x) direkt oder indirekt; Speichermasse 3. Effiziente Umwandlungsketten Minimierung der Exergieverluste) 4. Einsatz von Erneuerbaren Energien zur (Teil)Deckung des Restbedarfs Lüftungsanlage, Kraft-Wärme Kälte-Kopplung, Netzwerke, Hilfsenergiebedarf Solarthermie, PV, Biomasse...
Kühlen und Klimatisieren integraler Ansatz Ein integraler Ansatz ist vor allem nötig, wenn aktive Solartechnologien in die Gebäudehülle integriert werden sollen integraler Ansatz reduction energy demand environmental heat sinks/sources efficient conversion renewable energies Bildnachweis: http://www.uni-stuttgart.de/ibk2/ (oben); Fraunhofer ISE (unten)
Systemaufbau: Anwendungen mit Heiz- und Kühlbedarf Grundschema für Gebäudekühlung und Klimatisierung in moderatem Klima mit signifikantem Heizungsbedarf Kritisch: Kessel sollte nur für Heizung und Warmwasser genutzt werden Last Heizung WW Kollektor Kessel Kältemaschine Kühlung Rückkühlung Quelle: Fraunhofer ISE
Systemaufbau: Hauptanwendung Kühlung Wenn Kühlung immer gewährleistet werden muss ist ein Hilfssystem nötig. Eine konventionelle Kompressionskältemaschine ist primärenergetisch vorteilhafter gegenüber einem Kessel Rückkühlung Kollektor Speicher Alternativ: Nutzung von Abwärme aus BHKWs oder Fernwärme > 12 C Ab/Adsorptionskältemaschine Kompressionskältemaschine 6 C - 9 C
Systemstandardisierung: Komplettpaket
Weltweit installierte Anlagen - Überblick IEA Task 38 Vatican USA UK UAE Turkey Syria Switzerland Sudan Spain South Singapore Portugal Netherlands Mexico Malta Liechtenste Kosovo Japan Italy Greece Germany France Egypt Denmark China Belgium Austria Australia Armenia 1 3 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 2 1 1 2 1 1 5 7 16 31 47 11% 6 1 21 3 1 82% 0 20 40 60 80 100 120 140 7% Number of SAC-installations (total 288 - status 12/2009) 126 Absorption Adsorption DEC Quelle: W. Sparber, A. Napolitano (EURAC research)
Solar Kühlung eines Weinlagers in Banyuls, Frankreich Kühlung eines Weinlagers (3 Millionen Flaschen) mit drei Lüftungssystemen Absorptionskältemaschine mit 52 kw Nennkälteleistung Nasser Rückkühlturm 130 m² Vakuumröhrenkollektoren, 1 m³ Pufferspeicher Kein Hilfssystem, kein Kältespeicher (Speicher auf der Last) Zuverlässiger Betrieb seit 1991 Mediterranes, heißes Klima Quelle: Tecsol
DIREN, Guadeloupe Standort: DIREN, Guadeloupe (Französische Antillen) Bürogebäude, klimatisierte Fläche : 570 m² 61 m² Vakuumröhrenkollektoren Kälteleistung : 35 kw (Absorption) nasser Rückkühlturm Hilfssystem: konventionelle Kompressionskälte! tropisches Klima (geog. Breite: 16 N) Source : TECSOL
Industrie und Handelskammer, Freiburg Standort: Freiburg; Industrie und Handelskammer Südlicher Oberrhein, Klimatisierung von zwei Schulungsräumen (ca. 210 m² Fläche) Kältetechnik: offenes sorptionsgestütztes Verfahren mit Sorptionsrotor Luftvolumenstrom 10,200 m³/h 100 m 2 Luftkollektor zum Heizen und Kühlen Kein Speicher Konzept: solar autonome Kühlung In Betrieb seit 2001 Source : Fraunhofer ISE
Industrie und Handelskammer, Freiburg Kosten Solarluftkollektoren 16 809 Kollektorinstallation 4 202 Gebäudemaßnahmen 27 315 Lüftungsanlage 96 653 Luftführung und Installation 35 719 Hydraulik, Elektrik 12 607 Monitoring 10 506 Planung 6 303 Lüftungssystem 46% Luftführung + Installation 17% Gesamt: 210 114 Kollektoren ( / m²) 228 Gebäudemaßnahmen 13% Kollektor Installation 2% Solarkollektoren Planung 8% 3% Monitoring 5% Hydraulik, Elektrik 6% Source : Fraunhofer ISE
Klimatisierung im Bundespresseamt Standort: Berlin Betreiber: Bundespresseamt Systembeschreibung: 2 Absorptionskältemaschinen mit je 44 kw Kälteleistung Solaranlage 240 m 2 Vakuum-Röhren-Kollektoren (Absorberfläche; Bruttofläche: 348 m 2 ); Pufferspeicher 1.5 m 3 Anwendung: Klimatisierung von Bürogebäuden in der Giebelwandbebauung mit Systemen der stillen Kühlung Hilfssystem: thermisch über Fernwärmenetz
Solar unterstützte Kühlung bei der FESTO AG & Co. KG Standort: Esslingen, Deutschland Klimatisierung von 26.000 m² Bürofläche (Technologiecenter) seit 2001: 3 x 350 kw Adsorptionskältemaschinen (Mycom) Wärmequellen: Abwärme aus Produktionsprozess, Gaskessel und seit 12/2007: Solar 1218 m² Vakuumröhrenkollektoren Zuluftkühlung, Flächenkühlung Monitoring: FH Offenburg Quelle: FESTO Quelle: Paradigma
Solar unterstützte Kühlung der Weinherstellung in Grombalia, Tunesien Demonstration einer solaren Prozesskälteanlage in der Weinproduktion; Jährliche Produktion: 600,000 l Kälteerzeugung: - 5 C Trockene Rückkühlung bei hohen Außentemperaturen Wasser / Ammoniak Absorptionskältemaschine (Robur) mit 12kW Nennkälteleistung Linear konzentrierender Fresnellkollektor; 88 m² Spiegelfläche; Druckwasser bei 160-180 C Hilfssystem: Kompressionskältemaschine In Betrieb seit 2008 Mediterranes, heißes Sommerklima
Zusammenfassung Erfahrung mit Installierten Systemen Solarkollektortechnologie und thermisch angetriebene Kältetechnik ist marktverfügbar weitere Entwicklungen bei der Kältetechnik sind zu erwarten (Adsorption, Wasser/Ammoniak, kleine Leistungen, mehrstufige Verfahren...) Einsparung von Primärenergie ist möglich Eine sorgfältige Auslegung und Planung der Anlagen ist nötig vor allem in Hinblick auf den elektrischen Hilfsenergiebedarf (Pumpen, Steuerung, Rückkühlung...) Hochqualifiziertes Personal nötig für Auslegung, Installation und Betrieb (bei einigen Systemen leider nicht erfolgt...)
Zusammenfassung Marktchancen Beste Marktnischen für die Einführung: Regionen mit hohen Kosten für Strom und unsicherer Versorgung (Hotels, isolierte Lage) Anwendungen mit gleichzeitigem Heiz-, Warmwasser und Kühlbedarf (Hotels, Industrie, Agrarbetriebe,...) Kosten: Investitionskosten noch 2-4mal so hoch wie für konventionelle Systeme... Rentabilität der Investition hängt hauptsächlich von Klima, Lastbedingungen (Anzahl der Betriebsstunden) und Energiekosten ab Amortisation <10 Jahre ist unter optimalen Voraussetzungen möglich Marketing kann zusätzliche Argumente liefern (fortschrittlicher Betrieb, solar gekühlter Wein, klimagerechtes Wohnen...)
Informationsquellen 1. Introduction PART I - COMPONENTS 2. The load sub-system - air-conditioning equipment 3. The cold production sub-system 4. The heat production sub-system PART II SYSTEMS 5. System configurations: examples, control and operation 6. Design approaches 7. Performance figures 8. Design examples 9. Summary Komplett überarbeitete 3. Ausgabe in Bearbeitung (voraussichtlich Okt. 2011) Solare Kühlung allgemein: www.solair-project.eu
Ausblick Erste Erfahrungen mit solarer Kühlung Weltausstellung 1878 in Paris Erzeugung eines Eisblocks am 29. September durch Augustin Mouchot mit ei-ner periodisch arbeitenden Absorptionskältemasc hine nach dem Prinzip von Edmund Carré Mouchot, Augustin: La chaleur Solaire et ses Applications Industrielles (deutsche Ausgabe, Olynthus Verlag, 1987)
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Tomas Núñez www.ise.fraunhofer.de tomas.nunez@ise.fraunhofer.de