AGROKÜHL Solar gekühlte Kühllager für landwirtschaftliche Produkte (A/C/D/E/F) Laufzeit: 01.06.2011 bis 31.05.201 13 (verl. bis 30.11..2013) Öffentlicher Schlussbericht Zuwendungsempfänger: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heidenhofstraße 2, 79110 Freiburg (Koordination) KRAMER GmbH Stöckmatten 2-10, 79224 Umkirch Planungsbüro Nürnberger Ingenieurgesellschaft mbh Ludwig-Jahn-Straße 8, 08132 Mülsen OT Neuschönburg Ingenieur-Büro Katholing Bauplann GmbH Bahnhofstraße 13, 95463 Bindlach Kälte Grohmann GmbH & Co.KG Leuchtenberger Straße 20, 92699 Irchenrieth Koordinator: Jochen Döll Jochen.doell@ @ise.fraunhofer.de Hauptautoren: Jochen Döll Matthias Weckesser Gerhard Nürnberger Peter Ruppert Armin Grohmann Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01LY1016 (A/C/D/E/F) gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Freiburg, den 22.05.2014
Inhalt 0 Einleitung: Aufgabenstellung und Stand der Technik... 5 0.1 Aufgabenstellung des Gesamtvorhabens... 5 0.2 Voraussetzungen zur Durchführung... 5 0.2.1 Konsortium... 5 0.2.2 Verfügbarkeit der Technologien... 10 0.3 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens... 11 0.3.1 Entwicklungsstand bei den einzelnen Komponenten zu Beginn des Vorhabens... 15 0.4 Planung und Ablauf des Vorhabens... 16 0.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen... 17 Einzeldarstellung der erzielten Ergebnisse... 18 1 AP 1 Marktrecherche Komponenten und Eigenschaften... 19 2 AP 2 Pilotanlage in Umkirch... 21 2.1 AP 2.1 Auswahl der Komponenten und die Dimensionierung der Anlage... 21 2.1.1 Definition der Betriebszustände... 23 2.2 AP 2.2 Aufbau und messtechnische Ausstattung... 27 2.2.1 Messdatenerfassung und Steuerung... 27 2.3 AP 2.3 Betrieb der Anlage in Umkirch... 39 2.3.1 Lastemulation... 41 2.4 AP 2.4. Optimierung der Betriebsweise... 42 2.5 AP 2.5. Auswertung der Messdaten und Bewertung der Ergebnisse... 42 2.5.1 BZ2... 43 2.5.2 BZ3... 44 2.5.3 BZ4... 45 2.5.4 Optimierungsvorschläge und Ergebnisse... 46 3 AP 3 Optimierung Kühllager... 54 3.1 Bauwerk... 57 3.2 Baubeschreibung... 58 3.2.1 Rohbauarbeiten /Stahlkonstruktion... 58 3.2.2 Innenwände, Decken und Türen der Kühlräume... 58 3.2.3 Sonstige Arbeiten... 59 4 AP 4 Simulationsstudie für die Anwendung in Nordafrika... 60 4.1 Komponenten... 60 4.1.1 Kollektor... 60 4.1.2 Absorptionskältemaschine... 60 4.1.3 Eisspeicher... 61 4.1.4 Hydraulik... 61 4.1.5 Regelung... 61 4.1.6 Backup... 62 4.2 Stromverbräuche... 62 4.2.1 Pumpe HT... 63 4.2.2 Pumpe LT... 63 4.2.3 AKM... 63 4.2.4 Solekühler... 64 4.2.5 Kompressionskältemaschine... 64 4.3 Rahmenbedingungen... 65 4.3.1 Kühllager... 65
4.3.2 Lasteinkopplung... 66 4.3.3 Lastprofile... 68 4.3.4 Standorte und Klima... 69 4.3.5 Backup... 69 4.4 Validierung... 71 4.4.1 Kollektor... 71 4.4.2 Absorptionskältemaschine... 73 4.4.3 Eisspeicher... 75 4.4.4 Solekühler... 77 4.5 Bewertungsgrößen... 77 4.5.1 Solarer Deckungsgrad SD... 77 4.5.2 Energieeffizienzgrad SEER... 78 4.5.3 Eingesparter Strom f sav... 79 4.6 Parametervariation... 80 4.7 Ergebnisse... 80 4.7.1 Erläuterung der Darstellung... 81 4.7.2 Solarer Deckungsgrad... 83 4.7.3 Energieeffizienzgrad... 84 4.7.4 Eingesparte Energie gegenüber einem Referenzsystem... 86 4.7.5 Einfluss der Anlagendimensionen am Standort Kairo... 87 4.7.6 Einfluss der Kollektorgröße... 87 4.7.7 Einfluss der Anzahl der AKMs... 88 4.7.8 Einfluss der Anzahl der Eisspeicher... 90 4.7.9 Einfluss der Anlagendimensionen am Standort Madras... 91 4.7.10 Einfluss des Lastprofils am Standort Kairo... 92 4.7.11 Einfluss des Lastprofils am Standort Madras... 95 4.7.12 Einsparpotential mit ausgewählten Lastprofilen... 96 4.8 Zusammenfassung Simulationsstudie... 98 5 AP 5 Design Modellkühllager... 99 6 Veröffentlichungen... 100 6.1 Tagungsbeiträge... 100 6.2 Fachvorträge... 100 6.3 Sonstige Veröffentlichungen... 100
0 Einleitung: Aufgabenstellung und Stand der Technik 0.1 Aufgabenstellung des Gesamtvorhabens Ziel des Vorhabens war es, ein solar gekühltes Kühllager für landwirtschaftliche Produkte als integriertes Gesamtsystem zu entwickeln. Das Einsatzgebiet der Entwicklung sollte zunächst vorzugsweise im ländlichen Nordafrika sowie den südeuropäischen Ländern liegen. In Nordafrika aber auch in anderen Mittelmeer-Anrainerstaaten ist ein zunehmender Bedarf an Kühlkapazitäten zur qualifizierten, wirtschaftlichen Lagerung von Agrarprodukten, Lebensmitteln und sensiblen Produkten der pharmazeutischen Industrie festzustellen, was unter anderem auf die Anforderungen aus den EU-Staaten (z.b. IFS, EU-VO 852/2004) nach einer geschlossenen Kühlkette zurückzuführen ist. So fehlen zum Beispiel in Tunesien, einem Land ohne wesentliche eigene Energieressourcen, einerseits gewerbliche Kühlkapazitäten zur Lagerung von Agrarprodukten in erheblichem Umfang, andererseits belasten die subventionierten Energiepreise den Staatshaushalt in Höhe von mehreren Hundertmillionen TD (Tunesische Dinare). Die vorhandenen Kühlkapazitäten sind am Beispiel Tunesien teilweise mit veralteter Technik aus den 60er und 70er Jahren ausgestattet und haben einen hohen Energie und damit auch Sanierungsbedarf. Von der tunesischen Regierung werden erhebliche Anstrengungen unternommen, den Bedarf an Primärenergie und damit die Belastungen für den Staatshaushalt zu reduzieren. Die beschriebenen Feststellungen, welche auch auf andere Länder ohne wesentliche eigene Gas- und Ölvorkommen zutreffen, waren der Anstoß, in mehreren Besuchen und direkten Gesprächen mit geeigneten Zielgruppen die technischen Möglichkeiten einer Verwendung von Solarenergie zur Kälteerzeugung in gewerblichen Kühllagern zu prüfen, mit dem Ziel die neue energiesparende Technologie primär in Nordafrika und dem Mittelmeerraum, aber auch in allen Ländern mit hoher direkter Sonneneinstrahlung zu vermarkten. Dabei sollten sich perspektivisch die Bemühungen auf die ganzheitliche und nachhaltige Betrachtung der Kühllager mit Energieerzeugung, Energieverwendung und Minimierung der Verluste bei Erzeugung und Lagerung konzentrieren. 0.2 Voraussetzungen zur Durchführung 0.2.1 Konsortium Im Vorhaben ist die Verknüpfung unterschiedlicher Expertisen erforderlich, um die vorgesehen Arbeiten durchzuführen: einerseits sind Kenntnisse in Bau und Betrieb von Kühllagern sowie zur Marktsituation der Kühllagerung erforderlich, AgroKühl 5 Öffentlicher Schlussbericht 2014
andererseits sind theoretischee und praktische Erfahrungen im Bereich solarthermisch angetriebener Verfahren zur Kühlung notwendig. Das Konsortium im Vorhaben AgroKühl führt diese Kompetenzen zusammen, siehe Abbildung 1. Abbildung 1 Partner im Verbundprojekt Die fünf Partner werden im Folgenden kurz vorgestellt. Fraunhofer ISE Das Fraunhofer ISE ist mit über 1300 Mitarbeitern das größte Solarforschungsinstitut Europas. Die Arbeit des Instituts reicht von der Erforschung der naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen der Solarenergienutzung über die Entwicklung von Prototypen bis hin zur Ausführung von Demonstrationsanlagen. Das Institut plant, berät und stellt Know-how sowie technische Ausrüstung für Dienstleistungen zur Verfügung. Das Fraunhofer ISE ist in nationale und internationale Kooperationen eingebunden, es ist u. a. Mitglied dess ForschungsVerbunds Erneuerbare Energien (FVEE) und der European Renewable Energy Research Centres (EUREC) Agency. Die Forschung des Fraunhofer- Instituts für Solare Energiesysteme ISE schafft technische Voraussetzungen für eine effiziente und umweltfreundliche Energieversorgung, sowohl in Industrieländern als auch in Schwellen- und Entwicklungsländern. Dazu entwickelt das Institut Systeme, Komponenten, Materialien und Verfahren in den Geschäftsfeldern: Energieeffiziente Gebäude undd Gebäudetechnik Angewandte Optik und funktionale Oberfläche Silicium-Photovoltaik Solarthermie AgroKühl 6 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Photovoltaische Module und Systeme Alternative Photovoltaik-Technologien Regenerative Stromversorgung Wasserstofftechnologie Das Fraunhofer ISE Labor- und Servicecenter Gelsenkirchen sowie das Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle/Saale und das Technologiezentrum Halbleitermaterialien THM in Freiberg sind Außenstandorte des Instituts, die sich der Solarzellen- bzw. Halbleiter-Materialentwicklung widmen. Das CSP wird in Kooperation mit dem Fraunhofer IWM Freiburg und Halle betrieben, das THM wird in Kooperation mit dem Fraunhofer IISB betrieben. In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Physik der Universität Konstanz wird seit 2006 die Photovoltaik Projektgruppe vom Fraunhofer ISE und der Universität Konstanz gemeinsam betrieben. Das Fraunhofer ISE ist in ein Netz von nationalen und internationalen Kooperationen eingebunden. Bei Bedarf kann es insbesondere auf die Kompetenz anderer Fraunhofer-Institute zurückgreifen und erarbeitet so interdisziplinär Komplettlösungen. Als institutioneller Partner für den Bereich solarthermische Kälteversorgung ist das Fraunhofer ISE im Vorhaben eingebunden (gleichzeitig Koordination): Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme arbeitet seit ca. 20 Jahren auf dem Gebiet der solaren Kühlung und Klimatisierung und hat in diesem Zeitraum an Planung und Aufbau unterschiedlicher Anlagen mit solarer Kühlung mitgewirkt und wesentliche Impulse zur Entwicklung dieser Technologie geleistet. Die Projekterfahrungen sowie die Beteiligung an internationalen Aktivitäten zur solaren Kühlung 1 bilden eine wertvolle Basis für die Arbeiten in diesem Vorhaben. Zu den Projekten am ISE, die zu Beginn bzw. während der Laufzeit von AgroKühl von Bedeutung in diesem Themenbereich sind, zählen (Beispiele): Solarthermie 2000plus: Wissenschaftliche Programmbegleitung und Begleitforschung Solarthermische Gebäudeklimatisierung. 2005-2012. FKZ0329605A SolCoolSys Solare Kühlung im kleinen Leistungsbereich. Systementwicklung und Feldtests mit begleitender Systembewertung. 2009-2013. FKZ0329605K,J,M SOLERA (Integrated small scale solar heating and cooling systems for a sustainable air-conditioning of buildings) im 6. Forschungsprogramm der EU; 1 Beispiele: Fraunhofer ISE war Operating Agent des Task 25 (Solar Assisted Air-Conditioning in Buildings) im Solar Heating and Cooling Programme der Internationalen Energieagentur IEA. Laufzeit: 1999-2005. Fraunhofer ISE war Operating Agent des Task 38 (Solar Air-Conditioning and Refrigeration) im Solar Heating and Cooling Programme der IEA. Laufzeit: 2006-2010. www.iea-shc.org/tasks-completed (gesichtet: Mai 2014) Fraunhofer ISE ist beteiligt am laufenden Task 48 (Quality Assurance and Support Measures for Solar Cooling), ebenfalls im Solar Heating and Cooling Programme der IEA. Leitung des Subtasks B. Laufzeit: 2011-2015. www.iea-shc.org/tasks-current (gesichtet: Mai 2014). AgroKühl 7 Öffentlicher Schlussbericht 2014
TREN/07/FP6EN/S07.68923/038627. In diesem Projekt wurde vom ISE eine Prototyp-Anlage zur solaren Kühlung mit konzentrierendem Kollektor, NH 3 /H 2 O-Kältemaschine und Eisspeicher aufgebaut zur Kälteversorgung im Temperaturbereich 0 C-10 C. KRAMER GmbH, Umkirch Die drei Sparten der KRAMER GmbH Kühlraumbau, Ladenbau und Dämmtechnik - stehen für Vielfalt und branchenübergreifende Innovationsleistung. Aus einem Pool verlässlicher Partner im Netzwerk können wir auf eine lebendige und jederzeit bereitstehende Bandbreite von Leistungen zurückgreifen. Die Mitglieder der sparten- und branchenübergreifenden Entwicklungs- und Ausführungsteams sind perfekt aufeinander abgestimmt und gestalten ein elegantes Ineinandergreifen von modernen Technologien und Abläufen. Ob es um die Reorganisation von bestehenden Betrieben oder Neueinrichtungen in jeder denkbaren Größe und Ausführung geht: Kühlräume von KRAMER sind immer beste Maßarbeit, die sich rechnet und alle Arten von Kühlhallen, Kühlhäusern, Kühllagern und selbst Kühlzellen einschließt. Unser gewachsenes Verständnis vieler Branchen in Verbindung mit Betriebsgröße und Erfahrung liefert dazu eine natürliche Lösungskompetenz und Innovationskraft. Die Gesamtausführung in jedem Einzelfall erfordert zugleich Routine, sicheren Überblick und Aufgeschlossenheit für Neues dass wir diese Kombination beherrschen, haben wir schon oft unter Beweis gestellt. Über 80 Jahre durchgehende Erfahrung und Weiterentwicklung bilden die besondere Basis für langjährige Partnerschaften. Über 90% unserer Kunden sind Stammkunden. International erfolgreiche Unternehmen beauftragen KRAMER jetzt in zunehmendem Maße auch im Ausland und führen so zu einer langfristigen Internationalisierung. Mitarbeiter, die sich wohl fühlen und auch einmal querdenken dürfen, bilden die tragende Kraft unseres Unternehmens. Ausstattungen der höchsten Ergonomieklasse und Physiotherapie in unserem CO2 neutralen Firmengebäude kennzeichnen eine Arbeitsumgebung, die höchste Leistungen erlaubt und Freude am Miteinander fördert. Standardaufgaben werden mit überraschenden Details versehen, knifflige Herausforderungen halten uns und unsere Mitarbeiter wach und fit für die Zukunft. Die Geschäftsführer Heinz Gass, Matthias Weckesser und Franz Willli stehen für verantwortungsvolles und langfristig angelegtes Wachstum, Kontinuität in der Qualität und gezielte Innovationskraft. Ihr Motto: Besser werden bedeutet für uns, den Erfahrungsschatz vieler Jahrzehnte täglich einzusetzen und dabei immer wieder Neuland zu betreten. Planungsbüro Nürnberger Ingenieurgesellschaft mbh, Mülsen Die Planungsbüro Nürnberger Ingenieurgesellschaft mbh besteht in ihrer Form seit Januar 2010 und wurde ursprünglich vom jetzigen Geschäftsführer Herrn Dipl.-Ing. Gerhard Nürnberger im Oktober 1990 als freiberufliches Ingenieurbüro gegründet. Vor und während den Planungsphasen erfolgen durch unser Büro umfangreiche Beratungen. Diese sind in jedem Fall produkt- und AgroKühl 8 Öffentlicher Schlussbericht 2014
firmenunabhängig und auf die Vorstellungen und Wünsche des Bauherrn orientiert. Kosten- und Energieoptimierung sind neben Qualität, Termintreue und Aussagefähigkeit der Planungsunterlagen Merkmale unserer Tätigkeit, die durch ständige Qualifikation der Mitarbeiter konsequent angestrebt werden. Eine gute Planung muss nach unserer Überzeugung für den Bauherrn einen erkennbaren Vorteil und einen nachvollziehbaren, nachhaltigen Nutzen darstellen. Alle Planungen werden gemäß den nutzungsspezifischen Anforderungen der Bauherrschaft, mit dem Ziel minimaler Investitions- und Betriebskosten für eine nachhaltig, wirtschaftliche Nutzung der Bauvorhaben erstellt. Dabei wird auf die Einhaltung des gestellten Kostenrahmens bis zur Fertigstellung der Objekte höchster Wert gelegt. Zum Planungsumfang gehören Anlagen der Heizungs-, Lüftungs-, Klima/Kälteund Sanitärtechnik sowie des Fernwärme- und Anlagenbaus. Weiterhin planen wir die Gewerke der drucklufttechnischen Anlagen, der Reinigungsanlagen, der technischen Gase und der MSR-Technik. Es handelt sich dabei um Vorhaben im Industrie-, Wohnungs-, Gewerbe- und Gesellschaftsbau im gesamten Bundesgebiet. Unter den ausgeführten Anlagen befinden sich sowohl Neubauten als auch Sanierungen. Katholing Bauplan GmbH, Bindlach Das Ingenieurbüro Katholing wurde 1988, die Katholing Bauplan GmbH 2000 von Frau Dipl.Ing(FH) Irene Katholing-Ruppert gegründet. Die Tätigkeit der Ingenieurgesellschaft umfasst neben gelegentlich anfallenden Wohnungsneubauten die Beratung, Planung und Realisierung von gewerblichen Baumaßnahmen sowie Altbausanierungen, Schwerpunkt der vergangen Jahre waren gewerbliche Baumaßnahmen mit hohen Anforderungen an Funktion und technische Ausrüstung unter Beachtung der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen. Besonderes Fachwissen wurde bei folgenden Projekten erarbeitet: Neu- und Umbauten von Lebensmittel- und Fleischverarbeitungsbetrieben Durchführung von Genehmigungsverfahren für genehmigungsbedürftige Anlagen gemäß Bundesimmissionsschutzgesetzt (BimSchG) Vorbereitung der Zulassung von Lebensmittel- und Fleischverarbeitungsbetrieben gemäß EU-Verordnung EG Nr. 853/2004 bzw. Fleischhygieneverordnung Neu- und Umbauten von Hotels und Pflegeheimen Umbauten/Sanierung von Altbauten, auch in Verbindung mit Denkmalschutz Um das Ziel, den überzeugten und zufriedenen Bauherren, zu erreichen, werden die übertragenen Planungs- und Bauleitungsaufträge den funktionellen Anforderungen, wirtschaftlichen Möglichkeiten und zeitlichen Wünschen des Bauherrn, sofern realisierbar strikt untergeordnet und durch ständige Planungsund Kostenkontrolle sowie fachgerechte Bauleitung sichergestellt. AgroKühl 9 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Kälte Grohmann GmbH & Co. KG, Irchenrieth Seit 1942 sind ist die Kälte Grohmann GmbH ganz vorn in der Kälte- und Klimatechnik. Jeder Auftrag wird als Zeichen des Vertrauens der Kunden gewertet. Als kälte- und klimatechnischer Fachbetrieb mit über 70-Jähriger Erfahrung, Niederlassungen im süddeutschen und mitteldeutschen Raum, eigenen Planungs- und Konstruktionsbüros und einem 24-Stunden-Kundendienstservice ist das Unternehmen einer der führenden Anbieter in den Bereichen der Klimaund Kältetechnik. Ob für den EDV- oder Industriebereich, im Einzelhandel oder in Bürogebäuden, stets erhalten Sie eine fundierte Beratung und ein individuell auf Ihr Unternehmen zugeschnittenes Lösungskonzept. Schnellste Umsetzung, höchste Qualität, zukunftsweisende Technik, Inbetriebnahme, Reparatur und Wartungen für alle kältetechnischen Anlagen. Das ist unser Anspruch. Das Leistungsspektrum umfasst: Klimatechnik Kühl- und Tiefkühltechnik MSR-Technik/Schaltschrankbau Fernwartung Kälte Grohmann liefert Lösungen, so individuell wie seine Kunden. Die erfahrenen Mitarbeiter betreuen individuell und bieten Leistungen und Service, der auf die jeweiligen Belange maßgeschneidert ist. 0.2.2 Verfügbarkeit der Technologien Zur Durchführung des Vorhabens muss die technische Grundvoraussetzung, d.h. die Die Verfügbarkeit der Komponenten für die geplante Pilotanwendung gegeben sein. In AgroKühl bezieht sich dies auf die thermisch angetriebene Kälteanlage und auf einen geeigneten Kollektor. Der Typ der Kälteanlage ist von der vorgesehen Anwendung abhängig. Im Vorhaben sollte vorrangig der Kühllagerbetrieb im Temperaturbereich zwischen 0 C und 10 C gezeigt werden. Dies ist - in den üblichen Anlagenkonzepten mit marktgängigen Absorptionskältetechniken (Stoffgemisch 2 : H 2 O/LiBr) und mit Adsorptionskältetechniken nicht zu erreichen. Geeignet sind Adsorptionstechniken, die Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Sorptionsstoff nutzen. Mit diesem Kältemittel kann der Kältekreis zwischen 0 C und 5 C betrieben werden und es lassen sich preisgünstige Phasenwechselspeicher (Eisspeicher) einsetzen. Absorptionskälteanlagen mit NH 3 /H 2 O sind verfügbar, allerdings zur Zeit deutlich weniger marktgängig als H 2 O/LiBr-Technologie. In der Regel handelt es 2 In der Kennzeichnung des Stoffgemisches bezeichnet der erste Term das Kältemittel, der zweite den Sorptionsstoff. AgroKühl 10 Öffentlicher Schlussbericht 2014
sich um maßgeschneiderten Anlagenbau für den großen Kälteleistungsbereich ab einigen hundert kw. Obwohl diese Technologie Gegenstand zahlreicher universitärer F&E-Projekte ist, sind kleine Einheiten mit einer Nennkälteleistung < 20 kw nur von wenigen Anbietern erhältlich. Die Zielgröße in späteren Anwendungen der in AgroKühl vorgestellten Konzepte liegt ebenfalls eher oberhalb von 50 kw Nennkälteleistung, um eine Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebs zu erreichen. Für die Pilotanlage war jedoch eine kleinere Absorptionskälteeinheit vorgesehen. Mit Blick auf den Einsatzbereich in späteren, kommerziellen Anwendungen waren Geräte, die mit trockener Rückkühlung arbeiten, also keinen zusätzlichen Frischwasserbedarf für die Rückkühlung benötigen, von Interesse. Dafür kam unter anderem ein Anbieter in Betracht, dessen Anlage bereits in einigen anderen Projekten (z.b. aus dem oben genannten SOLERA-Projekt) mit Erfolg eingesetzt wurde. Diese NH 3 /H 2 O Absorptionskältemaschine mit 12 kw Nennkälteleistung war passend für das Vorhaben. Die Wahl der Kältemaschine hat Auswirkungen auf den Kollektortyp, der sich als Antriebsquelle einsetzen lässt. Mit der angestrebten NH 3 /H 2 O Absorptionskältemaschine ergibt sich ein Antriebstemperaturbereich von ca. 160 C bis 200 C, der vom Kollektor bereitzustellen ist. Mittlerweile gibt es eine ausreichende Anzahl von Anbietern für konzentrierende Kollektoren, die diesen Temperaturbereich abdecken können. In Abschnitt 2.1 (Marktrecherche) wird darauf näher eingegangen. Ebenfalls erhältlich sind Eisspeicher und andere Phasenwechselspeicher, die für die Kälteversorgung einsetzbar sind. Für den Aufbau der Pilotanlage stellte die Fa. Kramer an ihrem Hauptsitz in Umkirch (Nähe Freiburg) Fläche und Räume bereit; dies erlaubte kurzfristige Maßnahmen bei eventuellen Problemen mit dem Anlagenbetrieb und Monitoring. Der Einsatz von konzentrierenden Kollektoren ist zwar prinzipiell erst in sonnenreicheren Regionen Südeuropas oder etwa Nordafrikas wirtschaftlich, für Test- und Demonstrationszwecke kann ein solcher Kollektor aber durchaus über einen weiten Zeitbereich im Sommer auch in Deutschland aussagekräftige Ergebnisse liefern. Damit waren insgesamt auch die technischen Voraussetzungen zur Durchführung des Vorhabens gegeben. 0.3 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens Solare Kühlsysteme wurden zu Beginn des Vorhabens vorzugsweise in Mitteleuropa und zu Zwecken der Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden errichtet. Weltweit gab es zu dem Zeitpunkt ca. 300 Anlagen. Inzwischen wird von ca. 1000 Anlagen ausgegangen mit zunehmendem Interesse am Einsatz der Technik auch außerhalb Europas. Die Nutzung der Solarenergie kann dabei in unterschiedlichen Verfahren erfolgen; in der solaren Kühlung stehen bisher Verfahren der Wärmetransformation im Vordergrund (Abbildung 2). Zu Details der Techniken wird auf gängige Publikationen verwiesen3. 3 Beispiele: AgroKühl 11 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Elektroenergie Konversion: Photovoltaikmodul Thermische Konversion: Solarkollektor Elektrisch betriebene Kompressionskältetechnik Wärmetransformation Thermomechanisch Offener Prozess Geschlossener Prozess Rankine Flüssigsorption Gegenstrom Absorber Feststoffsorption Entfeuchtungs Rotor Festbett Prozess Fraunhofer ISE Absorption; Flüssige Sorbentien Wasser / Liithiumbromid Wasser / Lithiumchlorid Ammoniak / Wasser Adsorption; feste Sorbentien Wasser / Silicagel Wasser / Zeolith Dampfstrahl Prozess Vuilleumier Abbildung 2 Beispiele für Prozesse, in denen sich Sonnenenergie als regenerative Antriebsquelle zur Kühlung und Klimatisierung nutzen lässt. Im Wesentlichen werden die Verfahren der Wärmetransformation in der solaren Kühlung eingesetzt. Für das Pilotprojekt sind hier nur die geschlossenen Verfahren, in denen das Kältemittel in einem geschlossen Kreislauf zirkuliert, von Interesse. Die Antriebswärme wird durch einen Solarkollektor bereitgestellt und kann in Form von Heißwasser, Dampf oder Thermoöl auf den Antriebskreis der Kälteanlage übertragen werden. Während in der solaren Kraftwerkstechnik überwiegend Thermoöl als Wärmeträger eingesetzt wird, sind in der solaren Kühlung die unkritischeren Wärmeträger Wasser (+ Frostschutz) und Dampf (im Mitteltemperaturbereich > 100 C bis ca. 250 C) üblich. Im Mitteltemperaturbereich wird anstelle von Heißdampf auch Heißwasser unter entsprechendem Druck angewendet. Abbildung 3 zeigt, das unter den marktverfügbaren geschlossenen thermisch betriebenen Kälteprozessen für die Pilotanlage nur Geräte mit Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Sorptionsstoff in Frage kommen, um den gewünschten Temperaturbereich im Kühllager einzustellen. Planungsleitfaden Solare Kühlung, erstellt im Rahmen der Begleitforschung in Solarthermie 2000plus zur solaren Gebäudeklimatisierung. Abrufbar unter www.solarekuehlung.info/projekte/projekte/solarthermie2000plus (gesichtet: Mai 2014); Solar Cooling Handbook A Guide to Solar Assisted Cooling and Dehumidification Processes. Editoren: Hans- Martin Henning, Mario Motta, Daniel Mugnier. 2013, Ambra V. ISBN 978-3-99043-438-3 AgroKühl 12 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Technologie Prozess Kältemittel Sorptionsmittel Kältemedium Verteilung geschlossen Absorption Wasser Lithiumbromid Lithiumchlorid Kälteträger > 6 C Zulfuftkühlung und Entfeuchtung, Umluftkühler, Kühldecken,. Fraunhofer ISE Ammoniak Wasser Kälteträger < 0 C + Frostschutz Phasenwechselspeicher, Gewerbliche und industrielle Kühlung (Lebensmittel, Chemie,..), Abbildung 3 Technologiezweig der geschlossenen Kältebereitstellung mit Absorptionskältetechnik. Techniken mit dem Arbeitsstoffpaar NH3/H2O erlauben Kälteträgertemperaturen < 0 C zur Eiserzeugung und Prozesskühlung im niedrigen Temperaturbereich. NH3/H2O-Absorptionskältemaschinen sind deutlich weniger am Markt vertreten als Absorptionskälteanlagen mit Salzgemischen als Sorptionsmittel. In der Regel werden sie im großen Leistungsbereich in der Verfahrenstechnik im Anlagenbau errichtet. Kleinere Einheiten werden von einigen Firmen in Einzelfertigung auf Anforderung gefertigt. Eine Kleinserie für den überwiegenden Einsatzzweck der Gebäudeklimatisierung wurde von der österreichischen Firma Pink auf den Markt gebracht. Diese Anlage ist jedoch wegen einer Beschränkung im Verdampfertemperaturbereich (> 0 C erforderlich aufgrund von Konstruktionseigenschaften) nicht für das Vorhaben geeignet. Abbildung 1.3.3 zeigt drei Gerätebeispiele mit Ammoniak-Wasser als Arbeitsstoffpaar. Interessant ist dagegen eine Kältemaschine des italienischen Herstellers Robur, die eine Modifikation einer kleinen Gaswärmepumpe darstellt. In dieser Anlage wurde der integrierte Gasbrenner durch einen Wärmeübertrager für Heißwasser als Antriebsquelle ersetzt. Darüber hinaus enthält sie einen integrierten Luftkühler; dies erlaubt neben einer kostensparenden Installation auch den Einsatz des Gerätes in Regionen mit Frischwassermangel; Probleme der Kühlwasserbehandlung entfallen durch diese Konstruktion. Zu Beginn des Vorhabens waren einige wenige Maschinen diese Typs (in weniger als fünf Anlagen) mit solarer Wärme kombiniert. In den übrigen Anlagen zur solaren Kühlung und Klimatisierung wurde Absorptionskältetechnik oder Adsorptionskältetechnik für den Temperaturbereich > 6 C eingesetzt. Während noch vor ca. 10 Jahren mit wenigen Ausnahmen überwiegend thermisch betriebene Kälteanlagen im Leistungsbereich oberhalb von 70 kw verfügbar waren (Ausnahme: Absorptionskältemaschine des japanischen Herstellers Yazaki mit 35 kw Nennkälteleistung), wurde unter anderem auch durch internationale Aktivitäten die Entwicklung kleinerer Aggregate angestoßen. Heute sind Geräte ab 8 kw Nennkälteleistung marktverfügbar. Die meisten sind kombinierbar mit solarthermischen Kollektoren guter Qualität und Effizienz (Flach- oder Vakuumröhrenkollektor); die Kollektorplanung benötigt allerdings eine enge Abstimmung mit der thermisch angetriebenen Kälteversorgung hinsichtlich Antriebstemperatur, Rücklauftemperatur und Massenstrom. Die thermische Effizienz einer Ab- oder Adsorptionskälteanlage wird im Quotienten Nutzkälteleistung (P Kälte ) / Antriebswärmeleistung (P Antrieb ) als Energy Efficiency Ratio (EER th ) definiert: AgroKühl 13 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Gegenwärtig wird für diesen Quotienten auch noch häufig der Begriff COP (Coefficient of Performance) verwendet, der in Zukunftt aber der Wärmeerzeugung im Wärmepumpenbetrieb vorbehalten sein soll. Auf saisonaler Ebene mit zeitlicher Integration der Nutzkälte- und Antriebswärmemengen gilt entsprechend: ä ä Nennwerte des EER th für thermischh betriebene Kälteanlagen im Antriebstemperaturbereich 75 C bis 95 C liegen zwischen 0.5 und 0.75. Die saisonal erreichbaren Werte liegen darunter, dies ist stark von den jeweiligen Betriebsbedingungenn (Antriebs-, Kaltwasser und Rückkühl-Temperaturen, Teillastzustände) abhängig 4. Abbildung 4 Beispiele für NH3/ H2O Absorptionskälteanlagen. Links: Fa. Robur, Nennkälteleistung 12 kw, eingebauter Luftkühler (Bild: ISE). Mitte: Fa. Pink, 12 kw (Bild: Pink). Rechts: Fa. SolarIce, 25-40 kw (Bild: SolarIce). Erste solare Kühlungen mit zweistufigen Absorptionskältemaschinen wurden ebenfalls realisiert. Dabei wird Antriebswärme auf hohem Temperaturniveau (ca. 140 C bis 180 C) kaskadenartig in zwei Generatorstufen verwertet. In diesen Anwendungen wird eine erheblich verbesserte thermische Effizienz erreicht mit EERth Werten zwischen 1.1 und 1.4; d.h., gegenüber einstufigen Prozessen kann das Kollektorfeld deutlichh kleiner ausgelegt werden. w Diese Technik ist derzeit allerdings nur im Prozess mit dem Stoffpaar H2O/LiBr für Kältetemperaturen > 6 C verfügbar. Als solare Wärmequelle sind linear 4 Betriebsergebnisse mit saisonalen Arbeitszahlen sind z.b. dokumentiert in: Abschlussbericht Solarthermie 2000plus: Wissenschaftliche Programmbegleitung und Begleitforschung Solarthermische Gebäudeklimatisierung. FKZ0329605A, www.solare- Mai 2014) kuehlung.info/projekte/projekte/solarthermie2000plus (gesichtet: A. Thür et al. : Monitoring results A technical report of subtask A (Pre-engineered systems for f residential and small commercial applications). Deliverable A3b, Subtask A imm IEA-SHC Task 38. September 2011. www.iea- shc.org/tasks-completed task38 (gesichtet: Mai 2014) AgroKühl 14 Öffentlicher Schlussbericht 2014
fokussierende Kollektoren einsetzbar, z.b. Parabolspiegel-Kollektoren oder Fresnel-Kollektoren. In letzteren wird der konzentrierende Spiegel durch eine Anzahl paralleler, schmaler Spiegelsegmente gebildet, die das Sonnenlicht auf eine Absorberröhre fokussieren. Diese Kollektortechniken wurden auch in den bisher existierenden Anlagen zur solaren Kühlung mit NH3/H2O-Stoffgemisch angewendet. In der Regel erfolgt die Rückkühlung in Anlagen der solaren Kühlung über Nasskühltürme. Trockene Rückkühlung ist für zweistufige Absorptionskälteprozesse thermodynamisch nicht sinnvoll; von den einstufigen Anlagen gibt es erst in jüngerer Zeit verstärkte Bemühungen, diese Rückkühltechnik einzusetzen. Monitoringergebnisse lassen darüberhinaus zum Energieeinsatz für die Rückkühlung noch Optimierungsbedarf vermuten. Die trockene Rückkühlung ist für die Zielregionen der solaren Kühllagerung von besonderem Interesse, da auf den Einsatz von Frischwasser sowie auf eine entkeimende Behandlung im offen bzw. äußeren Kühlwasserkreis verzichtet werden kann. In trockener Rückkühlung ist allerdings ein höherer Elektroenergieaufwand für den Ventilatorbetrieb als in nasser Rückkühlung erforderlich. Ein möglichst energieeffizienter Betrieb im Rückkühlkreis ist daher eine der Herausforderungen im Vorhaben. 0.3.1 Entwicklungsstand bei den einzelnen Komponenten zu Beginn des Vorhabens Solarkollektoren für Prozesswärme Solarkollektoren für Prozesswärme sind hocheffiziente Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren, gering konzentrierende nicht nachzuführende CPC (Compound parabolic concentrator) und einachsig nachgeführte Systeme. In dieser Reihenfolge sind sie auch für Temperaturen um die 100 C und bis ca. 250 C bei den nachgeführten Systemen ausgelegt. Sie unterscheiden sich gegenüber den Kollektoren für solare Kraftwerke in ihrer Betriebstemperatur und vor allem in der Größe, so dass sie für eine Montage auf Flachdächern geeignet sind. Im Rahmen der IEA-SHC Task 33 Solar Heat for Industrial Processes (http://www.iea-shc.org/task33/index.html) wurden die unterschiedlichen Entwicklungen erfasst und vorgestellt. Seit der Publikation dieses Berichtes (2008) wurden einige der Entwicklungen zu Prototypen weiterentwickelt und stehen zum Teil in kleinen Serienfertigungen oder als Einzelprodukte zur Verfügung. Kältetechnik Für Kühllager sind Temperaturen um die 0 C nötig. Von den thermisch angetriebenen Kältetechniken kommt daher primär das Stoffpaar Wasser- Ammoniak, bei dem Ammoniak das Kältemittel ist und somit auch Temperaturen unter 0 C erzeugen kann, in Frage. Alternative Techniken, wie Lithiumbromid-Wasser oder Adsorptionskältemaschinen auf Basis von Silikagelen, kommen aufgrund des Wassers als Kältemittel nicht in Frage. Neue Stoffpaare auf Adsorptionsbasis, wie z.b. Aktivkohle-Ammoniak oder Aktivkohle-Methanol, sind noch nicht weit genug entwickelt und scheiden somit vorerst aus. AgroKühl 15 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Weitere Komponenten Zu den Hauptkomponenten Solarkollektor und Kältetechnik kommen eine Reihe von zusätzlichen Komponenten (Pumpen, Ventile RückkühlunR g, Kälteverteilung), deren Zusammenspiel gemeinhin unterschätzt wird. Die Erfahrungen bei der solaren Klimatisierung haben gezeigt, dass der Strombedarf für alle diese Hilfskomponentenn und vor allem für die Rückkühlung sehr hochh sein kann, wenn kein integrierter Ansatz verfolgt wird w und die Komponenten somit nicht aufeinander abgestimmt sind. Während es im Bereich der Raumklimatisierung erste Ansätze zur integrierten Systemplanung gibt und vorgefertigte Komplettsysteme entwickelt werden, ist dies im Bereich der solaren Kälteerzeugung für industrielle Zweckee noch nicht der Fall. Zusätzlich ist zu berücksichtigen,, dass die industrielle Anwendung nicht nur von den technischen Randbedingungen (Temperaturen) höhere Anforderungen stellt, sondern auch hinsichtlichh der Betriebssicherheit, insbesondere da mit leicht verderblichen Produkten gearbeitet wird. Daher ist die Einbindung und Abstimmung aller Komponenten der solaren Kühlung mit ihrer inhärenten Variabilität, der Speicherung von Kälte, der Betriebsweise des Kühllagers und nicht zuletzt die Integrationn der Hilfsaggregate - die entscheidende Voraussetzung für den Erfolg der hier skizzierten Entwicklung. 0.4 Planung und Ablauff des Vorhabens Das Projekt wurde gemäß Abbildung 5 in fünf Arbeitspakete gegliedert. Abbildung 5 Gliederung der Arbeitspakete Die umfangreiche Recherche in AP1 bildetee die Grundlage für die Auswahl der Komponenten des Pilotsystems, welches im Rahmen von AP2 geplant, errichtet und betrieben wurde. Die Optimierungen inn AP3 wurden teilweisee ebenfalls in AP2 durchgeführt, um so einen bestmöglichen Betrieb des Pilotsystems zu gewährleisten. Um aus den Erfahrungen des Betriebes der Pilotanlage Schlüsse für den Betrieb wesentlich größerer Anlagen in den geplanten ariden Zielregionen ziehen zu können wurde im Rahmen von AP4 eine umfangreichu he Simulationsstudie durchgeführt. Abschließend wurde im AP5 das Design des Modellkühllagers als erste Anwendung in Zielgröße definiert. Die Laufzeit des Projektes erstreckte sich ursprünglich auf den Zeitraum Z vom 01.Juni 2011 bis zum 31.Mai 2013. Aufgrund des späten Projektstarts erst im AgroKühl 16 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Sommer des Jahres 2011 wurde das Projekt jedoch um 6 Monate verlängert, um so zwei volle Sommerperioden als Testbetrieb der Anlage realisieren zu können. 0.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen Eine Zusammenarbeit mit anderen Stellen fand vor allen Dingen im Rahmen des AP2 Pilotanlage in Umkirch statt. Großen Anteil an der Errichtung der Pilotanlage hatte die Firma Industrial Solar aus Freiburg, welche den schließlich verwendeten Fresnel-Kollektor gefertigt und installiert hat. Auch im Verlauf des Projektes fand ein reger Austausch mit den Mitarbeitern von Industrial Solar statt, um so das Zusammenspiel der Regelung des Kollektors und der des Gesamtsystems optimal aufeinander abzustimmen. Von der Firma Meibes System-Technik GmbH wurde die Hydraulikstation für den Hochtemperatur-Kreislauf gekauft. Im Vorfeld fanden gemeinschaftliche Planungs- und Dimensionierungsarbeiten statt. Die Installationsarbeiten der Pilotanlage (außer Kollektor) wurden von der Firma Kramer in Eigenleistung aber auch von der Firma Strecker Sanitär aus Glottertal durchgeführt. AgroKühl 17 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Einzeldarstellung der erzielten Ergebnisse AgroKühl 18 Öffentlicher Schlussbericht 2014
1 AP 1 Marktrecherche Komponenten und Eigenschaften Koordination des Arbeitspaketes: Fraunhofer ISE Ziel von AP1 war es, einen aktuellen Überblick über unmittelbar und mittelbar verfügbare Komponenten, welche für das Projekt AgroKühl relevant sein können, zu erarbeiten. Dieses Ziel wurde innerhalb des Berichtszeitraumes erreicht. Recherchiert wurden Entwicklungen und vor allem auch marktverfügbare Komponenten zu: Konzentrierenden Solarkollektoren mit Betriebstemperaturen von 80 C bis 250 C Thermisch angetriebene Kältemaschinen für Temperaturen unter 0 C Wärme- und Kältespeicher (Wärmespeicher bis 250 C, Kältespeicher -10 C Kühllagertechnik Energieeffiziente konventionelle Kühltechnik als Hilfsaggregat zur solaren Kühlung. Die Ergebnisse der Recherche sind in einem Endbericht ausführlich zusammengefasst worden. An dieser Stelle soll daher nur ein kurzer Überblick gegeben werden. Im Bereich Kollektoren wurden 15 verschiedene konzentrierende Kollektorsysteme betrachtet, welche Temperaturen bis 250 C liefern können. 7 von 15 Kollektoren können als marktverfügbar angesehen werden und wären in Größen passend zur Leistungsklasse sowohl der Pilotanlage als auch der Zielanwendung lieferbar. Bei allen Kollektoren handelt es sich um einachsig nachgeführte Systeme. Im Bereich thermisch angetriebener Kältetechnik muss man zwischen Pilotanlage (Kälteleistung ca. 10kW) und Zielanwendung (ca. 100kW) unterscheiden. Im Bereich der Pilotanlage sind lediglich zwei Maschinen verfügbar, beide müssen jedoch vom Hersteller modifiziert werden, um den Anforderungen im Projekt zu entsprechen. Als thermisch angetriebene Kältemaschinen für die Zielanwendung kommen 3 verschiedene Maschinen in Frage. 3 weitere Maschinen wären in einer höheren Leistungsklasse verfügbar (175/200/260 kw). Bei allen Produkten handelt es sich um Absorptionskältemaschinen mit dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser. Im Bereich thermische Speicher sind Wärme- und Kältespeicher zu trennen. Im Bereich der Wärmespeicher bis 250 C können Dampfspeicher, Druckwasserspeicher oder Thermoölspeicher eingesetzt werden. Aus diesen Bereichen wurden 13 Hersteller ermittelt, welche Speicher nach Kundenwunsch anfertigen. Standardprodukte gibt es in diesem Bereich nicht. AgroKühl 19 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Im Bereich der Kältespeicher wurden ausschließlich Latentspeicher mit dem Medium Wasser (Eis-Speicher) recherchiert, da diese den interessantesten Ansatz bei der angestrebten Soletemperatur von <0 C darstellen. Es gibt insgesamt 8 Hersteller, welche mit verschiedenen Konzepten Kälte speichern. Teilweise handelt es sich dabei um Maßanfertigungen, es sind jedoch auch Standardlösungen verfügbar. Im Bereich der Kühllagertechnik wurde ein Kühlhaus in Standard- Paneelbauweise (Größe ca. 100 m³) gewählt, da sich das ursprünglich angedachte betriebseigene Kühlhaus als zu klein herausstellte. Für die Zielanwendung wurde ein entsprechend größeres Kühlhaus ausgelegt. Im Bereich konventioneller Kühltechnik wurden Anlagen recherchiert, welche in der Zielanwendung zum Einsatz kommen können. Neben verschiedenen Arten der Systemintegration wurden sieben Kältemittel recherchiert und hinsichtlich ihrer Eignung beurteilt. AgroKühl 20 Öffentlicher Schlussbericht 2014
2 AP 2 Pilotanlage in Umkirch Koordination des Arbeitspaketes: Fraunhofer ISE Das Arbeitspaket 2 umfasst den kompletten Aufbau und Betrieb der Pilotanlage in Freiburg. Dabei wird das Arbeitspaket in 5 Unterpakete unterteilt, welche im Folgenden beschrieben werden. 2.1 AP 2.1 Auswahl der Komponenten und die Dimensionierung der Anlage Aufbauend auf der Komponentenrecherche in AP1 wurde entschieden, welche Komponenten in die Anlage eingebaut werden. Ursprünglich war vorgesehen, die produzierte Kälte im Getränkekühlhaus der Firma Kramer zu nutzen. Es wurde jedoch schnell klar, dass dieses Kühlhaus eine zu kleine Last darstellt und eine Pilotanlage bestehend aus marktverfügbaren Komponenten in der benötigten Leistungsklasse nicht realisiert werden kann. Zunächst wurde noch versucht, lokale Industrien zur Nutzung der Kälte zu gewinnen, z.b. über die Bereitstellung von Kühlfläche auf dem Gelände der Firma Kramer. Diese Bemühungen waren jedoch ohne Erfolg. Als Lösung wurde ein eigens für das Projekt zu errichtendes Kühlhaus gewählt, welches sich auf dem Gelände der Kramer GmbH befinden wird. In diesem Kühlhaus wird die sensible und latente Last, welche durch das Einbringen von zu kühlenden Gütern hervorgerufen wird, mittels Heizgeräten und Verdampfern emuliert. Dies hat den Vorteil, dass man beliebige Lastprofile bedienen und so das System flexibler untersuchen kann. Des Weiteren besteht nicht die Gefahr des Verderbens von echten Lebensmitteln, falls die Anlage zu Beginn des Betriebes nicht unterbrechungsfrei funktioniert. Eine ausführliche Darstellung des Kühlhauses sowie der Tragwerkskonstruktion finden sich in Anhang A5 bzw. Anhang A6. Die kleinsten am Markt verfügbaren Wasser/Ammoniak- Absorptionskältemaschinen (AKM) werden von der Firma Pink (AT) und der Firma Robur (IT) hergestellt. Beide haben eine Nennkälteleistung von ca. 10 bzw. 12 kw therm. Aus technischen Gründen wurde sich für die Maschine der Firma Robur entschieden. Diese wird mit Temperaturen oberhalb von 150 C angetrieben, hat ein integriertes trockenes Rückkühlwerk und hat unter Nennbedingungen eine Kälteleistung von ca. 12 kw therm bei einer Soletemperatur von -5 C und einem COP von 0,7. Nach Festlegung der Leistungsklasse des solaren Kühlsystems erfolgten zwei weitere Entscheidungen zur Anlagenkonfiguration. Zum einen wird kein Backupsystem verbaut werden, da die Last emuliert wird und im Falle einer Unterdeckung abgeregelt werden kann. AgroKühl 21 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Die zweite grundsätzliche Entscheidung betrifft die Speicheroptionen: Es wird nur ein Eisspeicher auf der Kaltwasserseite verwendet. Thermische Mitteltemperaturspeicher in der anvisierten Leistungsklasse sind Sonderanfertigungen und dementsprechend teuer. In der späteren Zielanwendung können zusätzliche Backupsysteme und thermische Speicher in Betracht gezogen werden. Deren Sinnhaftigkeit soll mithilfe der Systemsimulationen in AP4 geklärt werden. Die Anlagenkomponenten wurden somit auf Kollektor, AKM, Eisspeicher und Kühlraum beschränkt. Aus den Ergebnissen von AP1 wurde ein Kollektor der Firma Industrial Solar (DE) und Eisspeicher der Firma Consolar (DE) gewählt. Abbildung 6 Fresnel-Kollektor der Firma Industrial Solar (hier in einer Installation im Rahmen des Projektes MEDISCO in Tunesien) Nach der Auswahl der Komponenten konnte das hydraulische Schema aufgebaut werden. Dazu wurden zunächst die Betriebsmodi, welche mit dem System realisiert werden können, festgelegt. Diese sind: Direkte Kühlung Eisspeicher beladen Eisspeicher entladen Dabei ist auf eine Besonderheit in der Durchströmung des Eisspeichers zu achten: Die Belade- und Entlade-Durchströmung muss jeweils von der entgegen gesetzten Richtung erfolgen. Aufgrund dieser Anforderungen wurde zunächst ein einfaches Basisschema aufgebaut, mit dem es möglich ist, kostengünstig und effizient die Anlage zu betreiben, siehe Abbildung 7. AgroKühl 22 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Abbildung 7 Hydraulikschema der Pilotanlage in Umkirch Anhand des Basisschemas wurden optionale Optimierungen für den Betrieb der Anlage entwickelt. Eine Möglichkeit ist, die beiden Pumpen über Frequenzumrichter zu steuern. Dies hat den Vorteil, dass die Pumpen ohne großen Aufwand geregelt und an die benötigten Massenströme angeglichen werden können. Dadurch wird eine Energieeinsparung erzielt und das Betreiben, Einregeln und Einstellen der Anlage wird einfacher und effizienter. Eine weitere Möglichkeit bietet die sog. Kollektor-Vorwärmung (in Abbildung 7 bereits eingezeichnet). Dabei wird mit Hilfe eines elektrisch gesteuerten 3- Wege-Kugelhahns ein hydraulischer Vorheizkreis am Kollektor installiert. Dies hat den Vorteil, dass das Wärmeträgermedium in der Vorheizphase nicht durch die Absorptionskältemaschine gepumpt wird, sondern nur durch den Kollektor zirkuliert. Damit verringern sich die Wärmeverluste und die Aufheizphase verkürzt sich. So ist ein früherer Betrieb der Anlage möglich. Gleichzeitig verringert sich während der Vorheizphase der Druckverlust im System, da der AKM-Wärmetauscher nicht mehr durchströmt werden muss, was wiederum Strom spart. 2.1.1 Definition der Betriebszustände Ausgehend vom Grundschema werden nun die einzelnen Betriebszustände aufgezeigt. Es wurde unterschieden zwischen den Betriebszuständen BZ1 Kollektor vorwärmen, BZ2 direkte Kühlung, BZ3 Eisspeicher beladen, BZ4 Eisspeicher entladen sowie dem optionalen Betriebsmodus BZ5 Direktes Kühlen und Eisspeicher beladen. AgroKühl 23 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Abbildung 8 Betriebszustand Kollektor vorwärmen (BZ1) BZ1: Kollektor vorwärmen: Wenn ausreichend Sonne scheint, um den Kollektor zu betreiben, dieser aber noch nicht eine genügend hohe Temperatur erreicht hat, um die AKM anzutreiben, wird die AKM überbrückt und der Kollektor wärmt das zirkulierende Wasser auf. Abbildung 9 Betriebszustand Direkte Kühlung (BZ2) BZ2 Direkte Kühlung: Die direkte Kühlung (Betriebszustand 2) wird gefahren, wenn vom Kollektor genügend Wärme zur Verfügung steht und im Kühlraum ein Bedarf an Kälte vorhanden ist. Die AKM wird dann direkt auf den Kühlraum geschaltet, d.h. der Eisspeicher wir nicht hinzu gezogen und die erzeugte Kälte wird direkt im Kühlraum genutzt ohne vorher gespeichert zu werden. AgroKühl 24 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Abbildung 10 Betriebszustand Eisspeicher beladen (BZ3) BZ3 Eisspeicher beladen: Der Betriebszustand 3 Eisspeicher beladen wird gefahren, wenn der Kollektor genügend Wärme zur Kälteproduktion zur Verfügung stellen kann, jedoch kein Bedarf an Kälte im Kühllager existiert. Damit die produzierte Kälteleistung nicht verloren geht, wird sie im Eisspeicher, der als Pufferspeicher dient, zwischen gelagert. AgroKühl 25 Öffentlicher Schlussbericht 2014
AP 2 Pilotanlage in Umkirch Abbildung 11 Betriebszustand Eisspeicher entladen (BZ4) BZ4 Eisspeicher entladen: Der Betriebszustand 4 Eisspeicher entladen wird gefahren, wenn der Kollektor nicht genügend Wärmeleistung zum Antrieb der AKM zur Verfügung stellen kann, jedoch trotzdem ein Bedarf an Kälteleistung im Kühllager vorhanden ist. Die AKM ist damit ohne Funktion. Dann wird der Eisspeicher auf den Kühlraum geschaltet und entladen. Abbildung 12 Betriebszustand Kollektor vorwärmen und Eisspeicher entladen (BZ5) Kollektor vorwärmen und Eisspeicher entladen: Der Betriebszustand 5 Kollektor vorwärmen und Eisspeicher entladen wird gefahren, wenn der Kollektor zwar genügend Einstrahlung zum Betrieb empfängt, jedoch noch nicht genügend Wärmeleistung zum Antrieb der AKM zur Verfügung stellen kann, aber trotzdem ein Bedarf an Kälteleistung im Kühllager vorhanden ist. Prinzipiell ist dies der parallele Betrieb von BZ1 und BZ4. AgroKühl 26 Öffentlicher Schlussbericht 2014
2.2 AP 2.2 Aufbau und messtechnische Ausstattung AP 2 Pilotanlage in Umkirch Vor dem Aufbau der Anlage wurde der Messstellenplan (siehe Abbildung 13) definiert. Dieser umfasst: 17 Temperaturmessstellen (zweiter Speicher nicht eingezeichnet) 2 Volumenstrommesstellen 4 Energiezähler (elektrisch) 2 Luftfeuchtemesstellen 1 Druckmesstelle Abbildung 13 Schema der Pilotanlage mit eingezeichneten Messstellen (T=Temperatur, F=Volumenstrom, E=Stromverbrauch, H=Luftfeuchtigkeit, P=Druck) 2.2.1 Messdatenerfassung und Steuerung Die Messdatenerfassung und Steuerung erfolgt im Prinzip über zwei Systeme, einem Agilent Messdatenerfassungssystem und einem Wago-System. Auf das Agilent-System werden alle Sensoren für die Bilanzierung des Systems auf drei Karten aufgeschaltet. Diese Karten sind Multiplexer und besitzen je 20 Kanäle und zwei zusätzliche Stromkanäle, mit denen alle Sensoren erfasst werden können. Alle Steuerungssignale werden auf das Wago-System aufgeschaltet. Dieses System ist in modularer Bauweise erhältlich und damit für die jeweilige Anlage individuell anpassbar. Alle Regelungs- und Steuersignale werden auf die dafür passenden Wago-Module aufgeschaltet, je nach Art des Aus- bzw. Eingangssignals. So gibt es für die AgroKühl-Anlage vier unterschiedliche Wago-Module, um die Steuer- bzw. die Regelung der jeweiligen Komponente zu ermöglichen. Beide Systeme, das Agilent und das Wago-System, werden dann mit einem Artila Matrix 500 verbunden, einem kleinen Rechner, der alle auflaufenden Messdaten speichert und komprimiert. Das Agilent kann dabei direkt mit diesem Rechner verbunden werden, das Wago besitzt dafür nicht die benötigten Schnittstellen und muss über ein speziell gesichertes DSL-Modem (ASA) mit dem Rechner verbunden werden. AgroKühl 27 Öffentlicher Schlussbericht 2014
Anschließend erfolgt die Übertragung ans ISE, welchee mit dem ASA A realisiert wird. Die Übertragungen vom Erfassungs-/Steuersystem zum ASA erfolgen e über einen Ethernet-Feldbus-Controller bzw. über das Agilent RS232. Dies sind Bezeichnungen der Kopplungssysteme mit denen die Hardwarekomponenten verbunden werden. Die Verbindung vom ASA ans ISE wird über eine einfache DSL-Leitung ermöglicht. Nun können die Messdaten direkt am ISEE ausgelesen, dargestellt und verarbeitet werden. Umgekehrt ist die Steuerungg der Anlage vom ISE aus möglich. Nach erfolgter Definition der Messstellenn wurde die Anlage errichtet. e Die Detailplanung und der Aufbauu der Pilotanlage werden unterteilt nach den einzelnenn Komponenten erläutert. AP 2 Pilotanlage in Umkirch Masterplan Der prinzipielle Aufbau der Anlage mit Festlegung der Anlagenkomponenten erfolgte bereits im Jahr 2011, so s dass Anfang des Jahres 2012 als erstes ein Masterplan zur örtlichen Platzierung des Kollektors, der Kältemaschine und des Kühlraumes erstelltt wurde. Dabei wurden zum einen die d örtlichen Gegebenheiten auf dem Dach und auf dem Betriebsgelände berücksichtigt, aber vor allem auch die möglichst wirtschaftliche Anordnung zur späteren Verrohrung und Verdrahtung der einzelnenn Komponenten in den Vordergrund gestellt. Zum Schutz des vorhandenen Gründaches wurde in Zusammenarbeit mit dem Kollektorhersteller, der Firma Industrial Solarr ein Fundamentplan erstellt. Bei der Erarbeitung des Masterplans wurde eine räumliche Trennung unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten für die Hauptkomponenten im HT- und NT- Hydraulikkreis vorgenommen. Dabei wurden die Pumpengruppe mit Ausdehnungsgefäß für den HT-Kreis und die KältemaschinK ne in unmittelbarer Nähe des Kollektors auf dem Dach platziert. Der Plan der Komponentenanordnung ist in Abbildung 14 zu sehen. Abbildung 14 Technische Zeichnung - Masterplan AgroKühl 28 Öffentlicher Schlussbericht 2014