Kälte aus der Sonne

Weltweit werden ca. 10 bis 20 Prozent des Elektroenergieverbrauchs für Kühlzwecke benötigt [1]. In den Metropolen wird sogar ein Drittel bis die Hälfte der Elektroenergie für Kühlung und Klimatisierung verwendet [2, 3]. Der weltweit steigende Komfortanspruch an das Raumklima in Gebäuden, die globale Klimaerwärmung sowie der ständige Bedarf von Kühlung für Lebensmittel, Medikamente und für andere Bereiche der Verfahrenstechnik und Chemieindus­trie führen zu einem deutlichen Anstieg des Kältebedarfs [4, 5, 6]. Dieser Trend führt zu einer größeren Belastung der Energienetze sowie zu einer steigenden Umweltbelastung, schließlich werden nach wie vor ca. 80 Prozent der weltweit erzeugten Elektroenergie aus der Verbrennung fossiler Rohstoffe gewonnen [3]. Der Einsatz von Solarenergie könnte helfen, diese negative Umweltbeeinflussung zu mindern oder gar zu verhindern und kann zu einer nachhaltigen und langfristig ökonomischen Energieerzeugung für Klimatisierungs- und Kühlanwendungen beitragen.

Die Technologie der solaren Kühlung ist relativ neu. Bisher sind nur wenige Anlagen auf dem Markt verfügbar und ein Großteil der bisherigen Installationen sind an Forschungszwecke gebunden. Solare Kühlsysteme zeigen jedoch bereits jetzt im Vergleich zu konventionellen Systemen vielversprechende Vorteile. Ihr größter Vorzug ist, dass Kühllast und solare Einstrahlung häufig zeitlich sowohl im Tages- als auch im Jahresverlauf in einem großen Maß zusammenfallen, wie in Bild 1 verdeutlicht wird. Dar­über hinaus können fossile Rohstoffe geschont und dadurch die Emission von Treibhausgasen vermindert werden. Außerdem können umweltfreundliche Kältemittel, wie etwa CO₂ oder Ammoniak, in solar betriebenen Kältemaschinen eingesetzt werden. Die Nutzung von Solarwärme bringt zudem die Option der thermischen Energiespeicherung mit sich.

Der Begriff solare Kühlung scheint im ersten Augenblick ein Paradox zu sein. Die Energie der Sonnenstrahlung wird jedoch nicht direkt und ausschließlich als Wärme genutzt, sondern kann etwas abstrakter formuliert als eine Energieform eingesetzt werden, um einen thermodynamischen Kälteprozess anzutreiben. Für die Gestaltung eines solchen Prozesses gibt es verschiedene Möglichkeiten, die auf den folgenden Seiten kurz vorgestellt werden. Bemerkung: In diesem Beitrag werden die Begriffe solare Kühlung und solare Kälteerzeugung gleichwertig betrachtet.

Prinzip und Klassifizierung

Ein solares Kühlsystem besteht im Wesent­lichen aus drei Teilsystemen:

• Solare Energiegewinnung: Teilsystem zur Erzeugung von Solarstrom (Photovoltaik/PV-Module) oder Solarwärme (Solarkollektoren). Die Effizienz wird üblicherweise über den Kollektor- bzw. Modulwirkungsgrad angegeben.
• Kältemaschine: die zentrale Einheit, die die eingesetzte Energie nutzt, um in einem Kreisprozess Kälte zu erzeugen. Die Kältemaschine muss für solare Anwendungen geeignet sein. Ihre Effizienz wird in der Regel über ihre Leistungszahl (auch: COP coefficient of performance) definiert.
• Verteilerkreislauf, um die erzeugte Kälte zum Verbraucher zu befördern, z. B. über Kühldecken.

Um Energieproduktion und Bedarf zeitlich zu entkoppeln, können Wärmespeicher (vor der Kältemaschine, im Falle der Solarwärmeerzeugung) oder Kältespeicher (nach der Kältemaschine) eingesetzt werden.

Solare Kühlsysteme werden in zwei Hauptgruppen unterschieden: solar-elektrische und solar-thermische Systeme. In Ersterem wird eine PV-Anlage an eine elektrisch betriebene Kältemaschine angeschlossen, in Letzterem wird eine thermisch betriebene Kältemaschine mit Solarkollektoren (z. B. Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren) verbunden. Solar-thermisch betriebene Systeme können weiterhin wie folgt unterteilt werden:

• sorptionsbasierte Prozesse(1) geschlossene Kreisläufe mit flüssigen Sorptionsmitteln (Absorption) oder festen Sorptionsmitteln (Adsorption)(2) offene Kreisläufe, ebenfalls mit flüssigen oder festen Sorptionsmitteln
• thermomechanische Prozesse, als Sonderform auch Dampfstrahlverdichter (Ejektor)

Altbewährtes neu entdeckt: solar-elektrische Kühlung

Kernelement einer solar-elektrisch betriebenen Kälteerzeugung ist eine Kaltdampf-Kompressions-Kältemaschine, deren elektrischer Verdichter über Solarstrom aus PV-Modulen betrieben wird. Darin zirkuliert das Kältemittel (z. B. R 744 oder R 134 a) zwischen Verdampfer und Verflüssiger, wodurch es abwechselnd eine Kompressionim dampfförmigen Zustand und eine Expansion im flüssigen Zustand erfährt.

Kompressionskältemaschinen sind weit entwickelt und werden millionenfach eingesetzt (z. B. in Kühlschränken). Sie sind zugleich die dominierende Technologie der Kälteerzeugung. Die Verbindung zu PV-Anlagen ist ein kleiner Schritt, der die Anlage zu einer solaren Kühlanlage macht. Solar-elektrische Kühlung an sich ist bisherkaum diskutiert worden, aufgrund stark sinkender Kosten für PV-Anlagen gewinnt diese Technologie jedoch zunehmend an Interesse. Ein großer Vorteil von elektrisch angetriebener Kühlung ist die Möglichkeitder Einspeisung überschüssiger Elektroenergie in das elek­trische Netz. Andererseits bietet die Nutzung der Solarenergie als Elek­troenergie nicht die Möglichkeit der Wärmespeicherung innerhalb des Systems. Nur die produzierte Kälte kann gespeichert werden,was energetisch deutlich aufwendiger ist.

Aus warm mach kalt: Absorption und Adsorption

Die einstufige Absorptionskältemaschine, die derzeit am häufigsten verwendete sorptionsbasierte Technologie für solare Kühlung [7, 10, 11], arbeitet mit einem flüssigen Sorptionsmittel. Das Grundprinzip entspricht dem der Kompressionskältemaschine. Allerdings wird der elektrisch angetriebene Kompressor durch einen thermischen Verdichter ersetzt, siehe Bild 2. Dieser thermische Verdichter besteht hauptsächlich aus einem Absorber, einem Generator (auch als Austreiber oder Desorber bezeichnet), einer Lösungspumpe, einem zusätzlichen Drosselventil und einem Wärmeübertrager zur Erhöhung der Energieeffizienz. Innerhalb dieser Einheit zirkuliert ein flüssiges Sorptionsmittel, welches das Kältemittel absorbiert.

Die benötigte Antriebswärme, z. B. in Solarkollektoren gewonnen, wird verwendet, um die Lösung zu regenerieren. Dabei verlässt das Kältemittel den Generator bei höherem Druck- und Temperaturniveau (Verdichtungseffekt). Es ist ersichtlich, dass nach wie vor Elektroenergie erforderlich ist, um die Lösungspumpe anzutreiben. Jedoch ist der elektrische Energieverbrauch der Pumpe fast vernachlässigbar gegenüber einem elektrischen Kompressor (etwa 0,5 bis 2 Prozent der im Verdampfer erreichten Kühlleistung [14]).

Ein typisches Arbeitsmittel in Absorptionskältemaschinen ist Wasser (deshalb auch die geläufige Bezeichnung als Kaltwassersystem), kombiniert mit Lithium-Bromid (LiBr) als Sorptionsmittel [9]. Wird Wasser als Kältemittel verwendet, muss die Temperatur über 0 °C sein, um Eisbildung innerhalb des Systems zu vermeiden [11]. Zur Erzeugung niedriger Temperaturen unter 0 °Cwird häufig das Arbeitsmittelpaar NH3/H2O eingesetzt (Ammoniak als Kältemittel, Wasser als Sorbens) [7, 9]. Es ist umweltfreundlich, verursacht keine Kristallisationsprobleme und hat einen breiten Betriebs­temperaturbereich [11].

Für hohe Temperaturen (i. A. > 100 °C) kann die Absorptionskältemaschine auch zweistufig ausgelegt sein. Die zwei Druck- und drei Temperaturstufen des einstufigen Prozesses werden um eine weitere Stufe erweitert: es sind jeweils zwei Verflüssiger und zwei Generatoren enthalten. Dabei wird der Niedrigtemperaturgenerator über einen Zwischenkreislauf von der abgeführten Wärme aus dem Hochtemperaturverflüssiger angetrieben. Durch die zweistufige Fahrweise können höhere Leistungszahlen (COPs) erreicht werden.

Adsorptionskältemaschinen arbeiten ausschließlich mit festen Sorptionsmitteln, z. B. Kieselgel oder Zeolithen. Daher ist es nicht möglich, das Sorbens zu pumpen, womit die Anlagen nur nichtstationär oder quasistationär betrieben werden können.

Eine Adsorptionskältemaschine besteht im Wesentlichen aus vier in einem Vakuumbehälter eingeschlossenen Kammern: einem Verdampfer, einem Verflüssiger (Kondensator) und zwei Kammern, die mit dem Sorbens gefüllt sind und abwechselnd als Kollektor bzw. Generator arbeiten. Verflüssiger und Verdampfer sind durch ein Ventil verbunden. Das Kältemittel (in der Regel Wasser) verdampft im Verdampfer aufgrund des niedrigen Drucks, der durch das Sorptionsmittel im Kollektor erzeugt wird. Aufgenommene Verdampfungswärme führt zu dem gewünschten Kühleffekt. Das gasförmige Kältemittel strömt in die Kammer, die zu diesem Zeitpunkt als Kollektor arbeitet. Die Sorption des Kältemittels setzt Sorptionswärme frei, somit muss der Kollektor gekühlt werden. Ist das Sorptionsmittel an Kältemittel gesättigt, schaltet der Kollektor in den Generatormodus, wobei er mit dem Verflüssiger verbunden wird. Die zum Regenerieren des Sorptionsmittels benötigte Wärme wird als Solarwärme zugeführt. Das ausgetriebene Kältemittel strömt in den Kondensator und wird verflüssigt, wobei die Kondensationswärme abzuführen ist. Das flüssige Kältemittel strömt über ein Ventil zurück in den Verdampfer, wodurch sich der Kreislauf schließt. Kollektor und Generator wechseln ihren Modus in festen Intervallen (typischerweise 5 bis 10 Minuten [13]), um eine quasistationären Arbeitsweise zu ermöglichen.

Auch die Adsorptionskältemaschine kann zweistufig gestaltet werden, um noch niedrigere Antriebstemperaturen nutzbar zu machen. Dabei werden jeweils zwei Kammern hintereinander geschaltet, die zwischen Kollektor und Generator wechseln und somit auf insgesamt drei statt zwei Druck- und Temperaturstufen arbeiten.

Adsorptionskältemaschinen bieten den Vorteil, niedrige Temperaturen nutzen zu können. Außerdem sind sie robust und benötigen keine Pumpen. Allerdings sind sie sowohl sperrig als auch schwer und erreichen geringere COPs als Absorptionskältemaschinen.

Neben den geschlossenen Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen können feste und flüssige Sorptionsmittel auch in offenen Prozessen als Trockenmittel eingesetzt werden. Ein Prozess wird als offen bezeichnet, wenn das Arbeitsmittel (Luft) nach dem Desorptionsprozess wieder in die Umgebung abgegeben wird. Im Gegensatz zu geschlossenen Sorptionsprozessen liefern offene Systeme direkt klimatisierte Luft durch Verdunstungskühlung und Luftentfeuchtung über Sorption [13]. Besonders bei großem Lüftungs- oder Entfeuchtungsbedarf, also in feuchtem Klima und in Küstenregionen, sind offene Kühlsysteme sinnvoll.

Eine solche Anordnung für solare Applikationen besteht im Wesentlichen aus zwei Rotoren (einem Sorptionsrotor, der das Trockenmittel trägt, und einem regenerativen Wärmeübertrager) sowie Ventilatoren für die Luftbewegung, Verdunstungskühlern und mindestens einem rekuperativen Wärmeübertrager, der mit Solarwärme angetrieben werden kann. Typische Durchmesser für Sorptionsrotoren sind im Bereich zwischen 0,1 und 6 m, typische Werte für die Drehzahl liegen bei 6 bis 12 Umdrehungen pro Stunde [12]. Die zwei Rotoren werden sowohl mit der Zu- als auch der Abluft durchströmt. Im Sorptionsrotor wird die Zuluft zunächst entfeuchtet, wodurch mittels nachgeschalteter Verdunstungskühlung die erforderliche Kälte bereitgestellt werden kann. Die Abluft wird, bevor sie ebenfalls den Sorptionsrotor durchströmt, mittels Solarwärme erwärmt, um durch den Eintrag der Sorptionswärme Feuchtigkeit auszutreiben und so das Potenzial für die erneute Aufnahme von Feuchtigkeit im Sorptionsrotor für den Zuluftstrom aufzubauen.

Unkonventionell und abenteuerlich:thermomechanische Kühlung

Wird aus Solarwärme mechanische Arbeit oder Strom erzeugt, womit wiederum eine Kältemaschine angetrieben wird, spricht man von thermomechanischer Kühlung. Solarwärme wird in einer Wärmekraftmaschine (z. B. Rankine-Prozess [8]) genutzt, um eine Turbine anzutreiben, die mit dem Kompressor der Kühleinheit verbunden ist.

Im Vergleich zu anderen solaren Kühlsystemen sind erreichbare COPs sehr gering. Außerdem verursachen Turbine und Kompressor Vibrationen und einen hohen Geräuschpegel. Zum Betrieb der Anlage ist zudem der Wärmeeinsatz auf einem sehr hohen Temperaturlevel erforderlich, was konventionelle Solarkollektoren ausschließt. Der Einsatz von konzentrierenden Kollektoren (z. B. Parabolrinnen- oder FresnelKollektoren) oder zumindest Vakuumröhrenkollektoren ist erforderlich und macht die Energieerzeugung dadurch aufwendig und eher unwirtschaftlich.

Ein Sonderfall der thermomechanischen Kühlung, der in letzter Zeit gesteigertes Forschungsinteresse erfährt, ist die Kälteerzeugung mittels Ejektor (Dampfstrahlverdichter). Speziell für Niedrigtemperatur-Energien, wie Solarenergie oder Abwärme, kann die Anwendung eines Ejektor-Kühlkreislaufs ein vielversprechendes Konzept sein.

Das Kältemittel teilt sich in zwei separate Kreisläufe (einen Treibmittelkreislauf und einen Kühlmittelkreislauf). Der Treibmittelstrom tritt nach dem Passieren einer Umwälzpumpe in den Generator ein, wo er durch Aufnahme von Solarwärme verdampft wird. Dieser Treibmitteldampf wird als Primärstrom dem Ejektor zugeführt. Der zweite Teilstrom gelangt durch das Ventil in den Verdampfer, wo er ebenfalls verdampft wird, jedoch auf niedrigem Druck- und Temperaturniveau. Der Kühlmittelstrom tritt als Sekundärstrom in den Ejektor ein. Dieser besteht im Grunde aus einer Düse, einer Saugkammer, einer Mischzone und einem Diffusor. Durch Ausnutzung des Venturi-Effektes wird der Sekundärstrom mithilfe des Primärstroms im Inneren des Ejektors verdichtet. Das Gemisch aus Primär- und Sekundärstrom verlässt die Dampfstrahlverdichtereinheit auf mittlerer Druck- und Temperaturstufe und wird im Kondensator wieder verflüssigt.

Der Einsatz eines Ejektors bietet zahlreiche Vorteile, darunter die Einfachheit der Herstellung, Zuverlässigkeit, wenig Wartungsaufwand (da sich keine bewegenden Teile im Ejektor befinden), gutes Teillastverhalten und die Verwendbarkeit von natürlichen Kältemitteln wie beispielsweise CO₂. Die erreichbaren COPs sind hingegen eher niedrig.

Modelle zur energetischen Bewertung solarer Kühlsysteme

Die zentrale Größe zur Bewertung verschiedener Systeme ist die Leistungszahl (COP) der Kältemaschine. Sie ist jedoch nicht der einzige Einflussfaktor. Die Arbeitstemperaturen der Kältemaschinen bestimmen das Temperaturlevel in den Solarkollektoren und damit deren Wirkungsgrad. Dar­über hinaus ist der COP eine eher abstrakte Größe. Zur anschaulichen Bewertung können deshalb verschiedene Modelle herangezogen werden, wie etwa:

• spezifische Kollektorfläche (d. h. Solar-kollektoren und/oder PV-Module) pro kW benötigter Kühlleistung
• minimale Kollektorfläche zum Erreichen einer ausgeglichenen Tagesenergiebilanz
• jährlicher Primärenergiebedarf eines solar unterstützten Kühlsystems bei vorgegebener Kollektorfläche

Für das zweite und dritte Modell sind zum einen meteorologische Daten des betrachteten Standortes erforderlich, zum anderen muss ein energetisches Modell des Gebäudes zur Bestimmung des Kühlbedarfs entworfen werden.

In diesem Beitrag wird beispielhaft der Vergleich verschiedener solarer Kühlsysteme (Kollektoren/PV-Module + Kältemaschine) im Hinblick auf eine ausgeglichene Tagesenergiebilanz angeführt. Für ein Modellgebäude wird die benötigte Solarkollektor-/PV-Modulfläche berechnet, um die im Tagesverlauf kumulierte Energiemenge (Wärme und Strom) zur Erzeugung der benötigten Kälte über die Solarkollektoren und Solarmodule bereitzustellen. Die meteo­rologischen Daten (Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, Solarstrahlung) wurden dabei für den Standort Palermo als stündliche Mittelwerte hinzugezogen. Dabei wurde der Tag mit der höchsten Umgebungstemperatur im Jahresverlauf ausgewählt. Die verfügbare südwärts geneigten Solarfläche des modellierten Gebäudes beträgt 55 m².

Tabelle 1 zeigt die für den energetischen Vergleich der verschiedenen Kühlsysteme verwendeten Werte für typische Arbeitstemperaturen der Kältemaschinen, repräsentative Leistungszahlen der Kältemaschinen, die dem Temperaturlevel entsprechenden Wirkungsgrade der Solarkollektoren (für die polykristallinen PV-Module wurde ein Wirkungsgrad von 13 Prozent angenommen) sowie einen typischen Wert für den für Pumpen und andere Komponenten benötigten spezifischen elektrischen Energiebedarf der Kältemaschinen pro kW im Verdampfer erzeugte Kälte.

Das Ergebnis ist für den ausgewählten Fall Palermo in Bild 3 dargestellt. Die rote Linie markiert die auf der Südseite des Daches verfügbare Fläche zur Montage der Solarkollektoren und PV-Module. Wie zu erkennen ist, reicht bei acht der elf untersuchten Systeme die verfügbare Fläche aus, um die erforderliche Kühlleistung aufzubringen. Bei thermomechanischer sowie ejektorbasierter Kühlung wäre ein Backup-System erforderlich. Das beste System (zweistufige Absorptionskältemaschine + Vakuumröhrenkollektoren) benötigt mit ca. 25 m² weniger als die Hälfte der verfügbaren Dachfläche. Insgesamt schneiden die Absorptionssysteme in Verbindung mit Vakuumröhrenkollektoren am besten ab. Auch die solar-elektrisch betriebene Kälteerzeugung mit PV-Modulen benötigt nur eine vergleichsweise kleine Solarfläche.

Entscheidend ist jedoch die Erkenntnis, dass für einen realistischen Standort gezeigt werden kann, dass der Betrieb einer Anlage zur solaren Kälteerzeugung bei vielen Kombinationen von Kollektoren und Kältemaschinen energetisch sinnvoll ist.

Immer der Sonne nach? Wohin führt der Weg?

Solare Kühlung ist in einer frühen Phase der Entwicklung. Es gibt nur wenige marktverfügbare Technologien und kaum Langzeit­erfahrung. Solare Kühlsysteme sind jedoch fähig, unter real vorstellbaren Bedingungen Energieeinsparungen zu erreichen und gleichzeitig von der öffentlichen Energieversorgung unabhängig Kälte bereitzustellen. Besonders relevant ist der Einsatz solarer Kühlsysteme an Orten, wo die öffentliche Energieversorgung mangelhaft ist bzw. zu großen Schwankungen unterliegt (z. B. in Entwicklungsländern).

Die verschiedenen Potenziale der einzelnen Technologien schwanken jedoch stark. Während sorptionsbasierte Technologien am weitesten entwickelt sind und gute Leistungszahlen erreichen, sind beispielsweise ejektorbasierte Systeme noch in der Forschungsphase. Solar-elektrisch betriebene Systeme basieren auf Kaltdampfkompressionskältemaschinen, welche schon lange eingesetzt werden und weit bekannt sind. Obwohl sie in den Rechnungen nicht die besten Ergebnisse erzielen, haben sie Vorteile in puncto Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Praktikabilität.

Auch der gewählte Standort hat einen großen Einfluss auf Kühlbedarf und Solar­angebot und somit auf das gesamte Potenzial der Anlage. Gute Bedingungen sind dann gegeben, wenn Solarstrahlung hoch und Kühlbedarf niedrig sind. Außerdem ist eine hohe zeitliche Übereinstimmung von Last und Angebot günstig für die Leistungsfähigkeit.

Literaturverzeichnis

[1] Lucas, L.: IIR news. International Journal of Refrige­ration, Nr. 21, pp. 8788, 1998

[2] Butrymovicz, D.; Smierciew, K.; Karwacki, J.; Trela, M.; Gagan, J.: Modelling and experimentation of solar ejector refrigeration cycle. Proceedings 23rd Interna­tional Congress of Refrigeration, Prague, 2011

[3] Fong, K.; Chow, T.; Lee, C.L.Z.; Chan, L.: Comparative study of different solar cooling systems for buildings in subtropical city. Solar Energy, Nr. 84, pp. 227244, 2010

[4] Xu, S.; Huang, X.; Du, R.: An investigation of the solar powered absorption refrigeration system with advanced energy storage technology. Solar Energy, Nr. 85, pp. 17941804, 2011

[5] Isaac, M.; Vuuren, D.: Modeling global residential sector energy demand for heating and air conditioning in the context of climate change. Energy Policy, Nr. 37, pp. 507521, 2009

[6] Chidambaram, L.; Ramana, A.; Kamaraj, G.; Velraj, R.: Review of solar cooling methods and thermal storage options. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Nr. 15, pp. 32203228, 2011

[7] Henning, H.-M.: Solar-assisted air-conditioning of building an overview. Applied Thermal Engineering, Nr. 27, pp. 17341749, 2007

[8] Pridasawas, W.: Solar-driven refrigeration system with focus on the ejector cycle (Doctoral Thesis). Stockholm: KTH Royal institute of Technology Stockholm, 2006

[9] Eicker, U.: Solar technologies for buildings. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2003

[10] Kim, D.; Infante Ferreira, C.: Solar refrigeration options a state-of-the-art review. International Journal of Refrigeration, Nr. 31, pp. 315, 2008

[11] Srikhirin, P.; Aphornratana S.; Chungpaibulpatana, S.: A review of absorption refrigeration technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Nr. 5, pp. 343372, 2001

[12] Henning, H.-M.: Solar-assisted air-conditioning in buildings: a handbook for planners. Second revised edition, Wien, New York: Springer-Verlag, 2007

[13] Target GmbH: Best Practice Catalogue on Successful Running Solar Air-Conditioning Appliances. Hannover, 2008

[14] Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e. V.: Planning and installing solar thermal systems: A guide for installers, architects and engineers. London: James & James (Science Publishers), 2005

Bachelorstudium Umwelt-Engineering (20082012); Masterstudium Maschinenbau (seit 2012), Technische Universität Bergakademie Freiberg