Solarunterstützte dezentrale Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mit Parabolrinnenkollektoren Mathias Schlosser 1, M. Norbert Fisch 1, Lars Kühl 2, Lutz Richter 3, Mathias Safarik 3, Lukas Kirscht 4, Ralf Jungebloed 4, Roland Weidner 5 1 ) Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS), TU Braunschweig Mühlenpfordtstr. 23, 38106 Braunschweig Tel. +49-531-391-3555, Fax +49-531-391-8125 e-mail: schlosser@igs.bau.tu-bs.de Internet: www.igs.bau.tu-bs.de 2 ) Ostfalia Hochschule - Fakultät Versorgungstechnik, Wolfenbüttel, 3 ) Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbh, Dresden, 4 ) Mithras Holding GmbH & Co. KG, Dersum / Emsland, 5 ) Wegra Anlagenbau GmbH, Westenfeld / Thüringen 1. Einführung Innerhalb des Verbundforschungsvorhabens Komponentenentwicklung für eine hocheffiziente dezentrale solarunterstützte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung soll ein Anlagensystem der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung zur Nutzung solarer Prozesswärme, welche über einen Parabolrinnenkollektor auf einem Temperaturniveau von 250 C bereitgestellt wird, entwickelt werden. Die lastorientierte Abstimmung der Komponenten untereinander in einem integralen Anlagensystem ist die Voraussetzung zur effizienten und wirtschaftlichen Nutzung der Energie. Die zukunftsfähige Technologie steht am Anfang ihrer Entwicklung. Die einzelnen Anlagenteile sind prinzipiell am Markt verfügbar. Ein integrales System zur solaren Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung in einem für den dezentralen Einsatz geeigneten Leistungsgrößenbereich steht derzeit noch nicht zur Verfügung. Im Unterschied zu den bestehenden Solarthermischen Kraftwerken (>50 MW el ) zielt die Entwicklung auf Anlagengrößen von 500 kw el bis 5 MW el und besetzt damit einen Markt, der die Umsetzung dezentraler Versorgungssysteme ermöglicht. Die Projektpartner TU Braunschweig, Hochschule Ostfalia und Fa. Mithras Holding GmbH & Co. KG aus Dersum bearbeiten den Entwicklungsteil der Solarthermie und der solarthermischen Stromerzeugung. Das Institut für Luft- und Kältetechnik aus Dresden und die Fa. Wegra Anlagenbau GmbH aus Westenfeld den Entwicklungsteil der hocheffizienten thermischen Kälteerzeugung. Die Laufzeit dieses Forschungsvorhabens beträgt 2,5 Jahre. Mit den Arbeiten wurde im Juli 2010 begonnen. Das Verbundvorhaben wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) mit einer Zuwendung von ca. 1,07 Mio. gefördert (FKZ 0325963A und 0325963B).
2. Gegenwärtiger Entwicklungsstand Parabolrinnenkollektoren Derzeit gibt es auf dem Markt verschiedene Versionen von Rinnenkollektoren der Parabelform aus verspiegelten Gläsern sowie gebogene Aluminiumspiegel, mit und ohne Glasabdeckung. Die Anlagen stehen vorrangig in großen Ausführungen für den Temperaturbereich bis 550 C zur Verfügung. Als Wärmeträgermedium werden Thermoöl, Salzschmelzen und Wasser eingesetzt. Zur Ausrichtung der Kollektoren gibt es bis zu 150 m lange Aufständerungen mit einachsiger und zweiachsiger Nachführung. Die meisten Entwicklungen richten sich aber auf die Großkraftwerkstechnik aus. Kleine kostengünstige Systeme für den dezentralen Einsatz stehen noch nicht in ausreichender Anzahl zur Verfügung. Anbieter kleiner Parabolrinnen bis zu einem Temperaturniveau von ca. 250 C sind z.b. Solitem, Solarlite, Button Energy, etc. mit jeweils unterschiedlichen Konzepten und Ansätzen. Bild 1 Links: Solitem Parabolrinnenkollektor PTC 1800 [Quelle: http://www.solitem.de]; Rechts: Abengoa Solar IST Parabolrinnenkollektor [Quelle: http://www.abengoasolar.com] Thermische Kälteerzeugung Die thermische Kälteerzeugung, insbesondere die Nutzung von Solarwärme zur Klimakälteerzeugung hat in den letzten Jahren sehr an Bedeutung gewonnen. Die seit geraumer Zeit auf dem Markt angebotenen bzw. in Entwicklung befindlichen Absorptionskälteanlagen sind Anlagen mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid für den Klimakältebereich. Bekannt sind aber auch NH 3 - Absorptionskältemaschinen kleiner Leistungen der Firmen colibri (Holland) und Robur (Italien), die Nutztemperaturen auch unter 0 C erzeugen können, jedoch mit Erdgas direkt beheizt werden. Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlagen besitzen jedoch ein etwas schlechteres Wärmeverhältnis als Anlagen, die mit Wasser-Lithiumbromid arbeiten. Auch kann mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak-Wasser praktisch keine energie-effiziente Double Effekt Schaltung realisiert werden.
Einstufige Wasser-Lithiumbromid- Absorptionskälteanlagen besitzen ein Wärmeverhältnis von rd. 0,7. Eine zweistufige, so genannte Double Effekt Anlage kann ein Wärmeverhältnis von rd. 1,2 erreichen. Dies ist insbesondere in Kopplung mit solarthermischen Anlagen wichtig, da teure Solarwärme so effektiv wie möglich genutzt werden muss. Die derzeit am Markt platzierten Double Effekt Anlagen werden mit Dampf oder mit Gas direkt beheizt. Sie werden jedoch fast ausschließlich nur im größeren Kälteleistungsbereich über 500 kw angeboten. Die kleinste Double Effekt Absorptionskälteanlage mit 175 kw Kälteleistung ist derzeit die der chinesischen Firma Broad. Eine weitere Möglichkeit Solarwärme im höheren Temperaturniveau zu nutzen, liegt im Bereich der Dampfstrahlkältemaschine. Hier sind jedoch bisher nur Prototypen am Markt vorhanden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es weltweit keine hocheffizienten thermischen Kälteerzeugungsanlagen im mittleren und kleinen Kälteleistungsbereich gibt. Bild 2 Links: Broad 2-stufige Absorptionskältemaschine [Quelle: http://www.gasklima.de]; Rechts: EAW Energieanlagenbau GmbH 1-stufige Absorptionskältemaschine [Quelle: http://www.eaw-energieanlagenbau.de] Thermische Stromerzeugung Für den Bereich der thermischen Stromerzeugung auf niedrigem Temperaturniveau sind unterschiedliche Prozesse möglich. Techniken stehen in Form von Turbinen, Hubkolbenmotoren, Schraubenmotoren sowie angepasste Scroll- und Zentrifugalkompressortechniken zur Verfügung. Im dezentralen solaren Einsatzbereich existieren jedoch keine Betriebserfahrungen. Die von der Firma Mithras fokussierte Turbinentechnologie bietet für den solarthermischen Einsatz im Bereich von 0,5 bis 5 MW Vorteile. Dazu zählt der hohe Wirkungsgrad von derzeit 25% beim Betrieb mit Sattdampf von 250 C. Die Turbine mit kostengünstigem Aufbau setzt sich aus wenigen Bauteilen zusammen und besitzt keine
hohen Anforderungen an die Dampfgüte. Auch ist der Betrieb im Teillastbereich unkritisch. Ein mehrmaliges An- und Abfahren pro Tag ist ohne Probleme möglich. Für alle Technologien gilt jedoch die Weiterentwicklung in Abstimmung auf die Anforderungen im Gesamtsystem eines Solarthermischen Kraftwerkes. Dabei stehen die Wirkungsgradsteigerung, Leistungssteigerung und Fertigungsvereinfachung im Vordergrund. 3. Ausgangs-Know-how der Projektpartner Das Projekt wird in Kooperation mit anderen Forschungseinrichtungen und Firmen aus der Wirtschaft durchgeführt. Ziel ist es, einen Ergebnispotenzierungseffekt durch den wissenschaftlichen Austausch und die Kooperation der verschiedenen Stellen herbeizuführen, die in jeweils unterschiedlichen Bereichen Vorarbeiten geleistet haben. Das Unternehmen Mithras aus Dersum (Emsland) wurde im Jahr 2008 gegründet. Die Geschäftstätigkeit teilt sich in die Entwicklung, Fertigung und Vermarktung von Parabolrinnen-Kollektoren für die Solare Stromerzeugung, Solare Kühlung und Solare Meerwasserentsalzung sowie die Erstellung von Solarthermischen Parabolrinnen- Kraftwerken in Modulbauweise. Das Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) der TU Braunschweig und die Ostfalia Hochschule bearbeiten verschiedene Projekte im Bereich der Niedertemperatur Solarthermie. Im Mittelpunkt aller Projekte steht die Entwicklung bzw. Optimierung von abgestimmten Konzepten zur ressourcenschonenden und emissionsreduzierenden Energieversorgung. Die WEGRA Anlagenbau GmbH ist auf den Gebieten Stahlbau, Melktechnik, Elektroanlagenbau, Heizungs-, Lüftungs- und Sanitärtechnik sowie im Energieanlagenbau tätig. Derzeit werden Blockheizkraftwerke im Leistungsbereich 10 bis 170 kw elektrisch sowie Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlagen im Leistungsbereich 15 bis 200 kw Kälte gefertigt und vertrieben. Gegenwärtig werden Sorptionskälteanlagen zur solaren Kühlung (5 kw Kälteleistung), zur Getränke- und Milchkühlung (0 C), zur hocheffizienten hoch temperierten Brennstoffzellenabwärmenutzung und zur Anwendung auf Schiffen entwickelt. Das Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK) aus Dresden betreibt industrienahe Forschung, Entwicklung und Technologietransfer auf den Fachgebieten und Anwendungsbereichen der Luft- und Kältetechnik. Auf dem Gebiet der Absorptionskältetechnik werden Bauteile und Produkte entwickelt, insbesondere unterschiedlicher ein- und mehrstufiger Kreisprozessgestaltungen. Weiterhin erfolgt die Untersuchung unterschiedlicher Arbeitsstoffpaare, Anlagenvermessungen und Anlagenoptimierungen sowie die Planung und Betreuung von Anwendungsprojekten.
4. Innovative Ziele und Zwischenergebnisse des Projektes Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Entwicklung, Umsetzung und die Erprobung einer Verbundanlage aus den Hochtemperatur-Kollektoren und einer hocheffizienten thermisch angetriebenen Kälteanlage im kleinen Leistungsbereich (ca. 50 kw), vorzugsweise für eine zweistufige Absorptionskältemaschine (Arbeitsstoffpaar H 2 O / LiBr). Im Rahmen des Verbundvorhabens werden die Voraussetzungen zum Aufbau einer modularen, dezentralen Energieverbundanlage zur solarunterstützten Bereitstellung von Wärme, Kälte und Strom im kleinen und mittleren Leistungsbereich geschaffen. Innerhalb von Teilprojekt 1 dokumentierte das IGS im Rahmen einer Literaturrecherche den Stand der Technik. Weiterhin erfolgte eine Simulationsstudie zum Potential der Solarstrahlung in anderen Ländern. Der neu zu entwickelnde Parabolrinnenkollektor konnte durch Mithras bisher auf seine Material- und Gestaltungsmöglichkeiten untersucht werden. Durch das ILK (Teilprojekt 2) wurden bereits wichtige Ergebnisse im Zuge der Ausarbeitung zum Thema Untersuchung und Vergleich thermischer Kälteerzeugungsverfahren gewonnen. Daraus resultieren auch die bisherigen Auslegungsparameter der vorläufigen Vorzugsvariante. Alle Zwischenergebnisse können auf der Homepage vom IGS der TU Braunschweig abgerufen werden. Entwicklungsziel Parabolrinnenkollektor Der zu entwickelnde Solarkollektor zur Prozesswärmeerzeugung (Parabolrinne) liefert Wärme auf höherem Temperaturniveau von etwa 250 C für eine dezentrale Stromerzeugung und eine thermische Kälteerzeugung. Dabei werden neue Materialien und Konstruktionslösungen angewandt, die eine signifikante Kostensenkung ermöglichen. Der aufwändige Produktionsprozess von thermisch gebogenem Glas sowie das Problem der Restwelligkeit sollen vermieden werden. Für die Spiegelproduktion wird angestrebt, kaltgebogenes Sicherheitsglas sowie Aluminiumfolie einzusetzen. Eine Möglichkeit ist die Integration von Tragkonstruktion und Solarspiegel. Dabei kann die Spiegelkonstruktion aus einer verspiegelten, mehrschichtigen Aluminiumfolie, einer GFK-Sandwich-Konstruktion und einer einfachen Aufhängung für das Receiverrohr bestehen. Bei kleinen Spannweiten der Spiegel von 2,3 m werden eine deutliche Gewichts- und Kostenreduktion des Spiegels erwartet. Für den Parabolrinnenkollektor soll ein Receiverrohr ohne Glashülle eingesetzt werden. Eine Prototypenanlage aus 12 Modulen mit einer Gesamtgröße von 138 m² Spiegelfläche soll innerhalb des Vorhabens gebaut und für Messungen auf dem Versuchsstand in Dersum zur Verfügung stehen, siehe Bild 3. Dabei besteht ein
Parabolrinnenmodul aus 4 Spiegeln mit einer Gesamtfläche von 11,5 m², wobei ein Spiegel eine Fläche von 2,875 m² aufweisen soll (Höhe 2,3 m, Breite 1,25 m). Bild 3 Versuchsstand der Firma Mithras in Dersum (Emsland) Entwicklungsziel Thermische Kälteerzeugung Das Ziel besteht in der Entwicklung, dem Bau und der Erprobung einer thermisch angetriebenen Kälteanlage. Nach ersten Vergleichen unterschiedlicher thermischer Kälteerzeugungsverfahren wird eine Double Effekt Absorptionskälteanlage (DE- AKA) mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser-Lithiumbromid, zur hocheffizienten Nutzung von Solarwärme bevorzugt. Die Anlage soll einen hohen Umwandlungswirkungsgrad von Heizwärme in Kälteenergie besitzen. Bild 4 zeigt einen Vergleich der Wärmeverhältnisse unterschiedlicher ein- und mehrstufiger Dampfstrahl- (DSKA) und Absorptionskälteanlagen (AKA) (Single Lift SL, Tripple Lift TL) in Abhängigkeit der Kühlwassereintrittstemperatur. Es wird ersichtlich, dass bei hohen Außenlufttemperaturen, folglich hohe Kühlwassereintrittstemperatur, die Effizienz einer Dampfstrahlkältemaschine deutlich abnimmt und somit die geforderte Zielstellung im Projekt nicht erfüllen kann. Aber der Betrieb einer DE-AKA besitzt stärkere Grenzen hinsichtlich höherer Kühlwassertemperaturen. In Bild 5 sind die maximal und minimal zulässige Kühlwassereintrittstemperatur in Abhängigkeit der Generatorendtemperatur für die unterschiedlichen Absorptionskreisläufe aufgetragen. Die maximale Kühlwassereintrittstemperatur bedeutet, dass bei höheren Temperaturen der spezifische Lösungsumlauf über 30 liegt. Bei SE- AKA muss eine minimal zulässige Kühlwassereintrittstemperatur beachtet werden, bei Kristallisation in der Anlage eintritt (rote Linie). So darf bspw. für eine SE- AKA bei einer Generatortemperatur von 120 C die Kühlwassereintrittstemperatur nur zwischen 43 C und 49 C liegen. DE- AKA sind durch die Kreisprozessgestaltung hinsichtlich der maximalen Kühlwassereintrittstemperatur viel stärker beeinträchtigt. Bspw. liegt die maximale Kühlwassereintrittstemperatur bei 35,3 C bei einer HT- Generatortemperatur von 140 C.
SL-DSKA TL-DSKA SE-AKA DE-AKA t KW = 5 K / t KT,a = 12 C [-] 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 t KW,e [ C] Bild 4 Vergleich der Wärmeverhältnisse verschiedener thermischer Kälteerzeuger in Abhängigkeit der Kühlwassereintrittstemperatur 60 RB: rl = 30 / t o = 10 C / t Abs = t c - 2K / t c = t KW,a + 2K / t KW = 5K / Abs = 0,5 / für ZV = 2,32 55 50 tkw,e [ C] 45 40 35 30 25 20 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 t G [ C] maximal für SE - AKM minimal zur Vermeidung Kristallisation SE - AKM maximal für DE - AKM maximal für DE - ZV - AKM Bild 5 Maximal und minimal zulässige Kühlwassereintrittstemperatur in Abhängigkeit der Generatorendtemperatur für unterschiedliche Absorptionskreisläufe
Bei höheren Kühlwassereintrittstemperaturen reduziert sich die mögliche Kälteleistung sehr schnell. Möglichkeiten den Arbeitsbereich einer DE- AKA auf höhere Kühlwassertemperaturen zu erweitern, bestehen in einer Integration eines Boosterverdichters oder in einer Umschaltung der Betriebsweise auf Single Effekt. Bei der Variante DE - ZV AKM ist der Boosterverdichter im Niederdruck angeordnet. Bei einem Druckverhältnis von 2,32 kann zur Einhaltung des spezifischen Lösungsumlaufs von 30 die maximale Kühlwassereintrittstemperatur um rd. 10 K gesteigert werden. Die thermische Kälteanlage ist für folgende Randbedingungen konzipiert, wobei berücksichtigt wird, dass in südlichen Regionen auf eine Luftentfeuchtung bei der Raumluftkonditionierung nicht verzichtet werden kann: Kälteleistung 50 kw Kälteerzeugung bis zu einer Kälteträgertemperatur von 12 C Nutzung thermischer Antriebsenergie im Temperaturbereich um 145 C Wärmeverhältnis der thermischen Kälteerzeugung > 1,2 trockene Rückkühlung der Kälteanlage auch in warmen Standortgebieten bspw. Mittelmeerraum (Rückkühltemperatur > 40 C), vorerst Auslegung für Kühlwassertemperatur Eintritt 34 C und Austritt 39 C Bild 6 zeigt ein vereinfachtes Schaltschema einer dampfbeheizten Double Effekt Absorptionskälteanlage mit einem Hochtemperaturgenerator, der als Entspannungsaustreiber oder Plattenwärmeübertrager ausgeführt wird. Die AKA soll kompakt gebaut sein. Nach Test und Vermessung des Prototyps der Kälteanlage auf dem Versuchstand der Fa. Wegra soll diese innerhalb des Verbundforschungsvorhabens an die solare Kraft-Wärme-Kopplungsanlage im Versuchsfeld der Fa. Mithras angeschlossen werden. Das Verbundvorhaben wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert (FKZ 0325963A und 0325963B). Die Autoren danken dem BMU für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt der Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
21 10 22 20 G1 G2 Kühlwasser K 19 11 9 1 LWÜ 2 12 8 15 14 LMP 2 16 LWÜ 1 6 13 7 LMP 1 17 5 2 V 3 18 4 A Kaltwasser Kühlwasser Bild 6 Schematische Darstellung Aufbau einer DE- AKA