Technik Kühlung durch EE

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Weltweit gibt einen starken Trend zur Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden. Üblicherweise werden dabei Kompressionskältemaschine eingesetzt. Der dadurch wachsende Energiebedarf wird von Experten als eines der am schnellsten wachsenden Felder für neuen Energiebedarf bewertet.[1] Dies bringt hohe elektrische Lastspitzen in den Sommermonaten mit sich, was vor allem in südlichen Ländern bereits zum Zusammenbruch der Stromnetze in Ballungsräumen führte. Da liegt es nahe, die Sonnenenergie, welche einerseits die Gebäude erwärmt, andererseits auch für deren Kühlung zu nutzen, was zunächst paradox erscheint. Dies kann zur Entlastung der Stromnetze beitragen, vermindert aber auch die Nutzung fossiler Brennstoffe in der Stromerzeugung und in der Folge CO2-Emissionen. Dabei sind verschiedene Wege möglich:

  1. Solare Wärme (oder auch geothermische Tiefenwärme bzw. Abwärme) mit einem Temperaturniveau von 80 bis 120 Grad Celsius kann in thermisch verdichtenden Absorptionskälteanlagen direkt verwendet werden.[2]
  2. Über die Stromerzeugung mit Photovoltaik kann EE-Strom zum Betrieb von elektrischen Kompressionskälteanlagen eingesetzt werden.
  3. Bei mit öberflächennaher Erdwärme betriebenen Wärmepumpen kann im Sommer der Prozess umgekehrt werden, wobei die Wärme dem Gebäude entzogen und in das Erdreich geführt wird.

Solare Kühlung

Anwendungen einer auf erneuerbaren Energiequellen basierenden Kältetechnik gab es bereits im 19. Jahrhundert: In Paris erzeugte Abel Pifre 1872 mit Hilfe der Absorptionskältetechnik kleine Mengen Eis. Die Kälte wurde erzeugt, indem Schwefelsäure mit Hilfe eines Parabolspiegels verdampft (konzentriert) wurde. Weitere frühe Anwendungen dieser Technik sind aus den USA bekannt. Zum Beispiel entwickelte W.P. Green an der Universität von Florida 1936 eine kleine Dampfstrahlkühlanlage, die mit einem Sonnenwärmekonzentrator betrieben wurde. Ein weiteres wird aus Taschkent berichtet: dort wurde 1953 ein Parabolspiegel mit einer Fläche von 10 m2 aufgestellt, mit dessen Hilfe 250 kg Eis pro Tag hergestellt werden konnten [3]. Die erste Absorptions-Kältemaschine mit dem Arbeitsstoffpaar H2O/LiBr wurde 1944 in den USA entwickelt. 1958 entwickelten Wissenschaftler an der Universität Queensland in Australien eine solar betriebene Absorptionsmaschine, die mit Lithium-Bromid arbeitete erreichte. Die Technik wurde 1966 in einem experimentellen Solarhaus eingesetzt [3]. In den 1970ern wurden basierend auf dieser Kältetechnologie in den USA Schulen, Labore und Privathäuser gekühlt. Im Jahre 1976 waren rund 500 solare Klimaanlagen (Absorption) installiert [3]. Ein Hersteller war z. B. ARKLA (Arkansas Luisiana Gas Company, USA), ein Unternehmen, das gasgetriebene Kälteanlagen auf Solarbetrieb umbaute [4]. Ziel war die Einsparung fossiler Energiequellen: “In the old days of solar cooling, in the 1970s and 1980, the expected advantage was to be able to preserve fossil energy resources [5] Der Klimaschutzbeitrag dieser Technologien rückte erst später, in den 1990er Jahren ins Blickfeld.

In Deutschland gibt es nur vereinzelte und in der Regel geförderte Demonstrationsprojekte [6], bei denen solarthermisch gewonnene Wärme als Energiequelle für den thermischen Verdichter einer Adsorptionskältemaschine genutzt wurde. In der Regel werden wegen der erreichbaren höheren Arbeitstemperaturen bei der solarthermischen Anlage Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Weltweit sind nur einige Hundert Anlagen mit solarer Kühlung in Betrieb gegangen, die meisten in Spanien und Deutschland.[7] Da bei den verwendeten Adsorptionskälteanlagen prinzipiell auch jede andere Wärmequelle mit einem Temperaturniveau im Bereich von 80 bis 120 Grad Celsius genutzt werden kann, kommen auch tiefe Erdwärme oder Wärme aus Biomasse-BHKW als Wärmequelle in Frage. Insbesondere mit erneuerbaren Energien betriebene Wärmenetze[8], bei denen im Sommer kaum Wärmeabnahme besteht, bieten sich dafür an. An das Wärmenetz angeschlossene Gebäude können statt einer elektrisch angetriebenen Kältemaschine eine thermische Kältemaschine verwenden. Ein wesentlicher Nachteil dieser thermodynamisch vorteilhaften Anwendung sind die ggü. eine elektrischen Kompressionskältemaschine deutlich höheren Investitionskosten und die insgesamt im Vergleich geringe Wirtschaftlichkeit.

Heizen und Kühlen mit einer Wärmepumpe

Indirekt kann solare Kühlung auch über die solare Stromerzeugung erfolgen: Durch den großen Preisverfall bei Photovoltaikanlagen sind die Kosten pro kWh selbst erzeugten Strom stark gefallen und liegen bei Neuanlagen (in Deutschland) im Bereich um die 10 Cent/kWh, deutlich unter den Kosten für den Strombezug aus dem öffentlichen Netz, da auf den Eigenverbrauch bisher keine Steuern und Abgaben entfallen. Über den Zwischenschritt PV-Stromerzeugung ist die solare Kühlung kostengünstiger als über die den Weg der Solarthermie realierbar, da deutlich preiswertere elektrische Kompressionskältemaschinen zum Einsatz kommen können. Zwar gilt dieser Weg als thermodynamisch weniger effizient, doch letztlich zählt beim Kälteabnehmer nur der spezifische Preis pro kWh Kälte.

Erdreich

Wird das Gebäude mit einer Erd- oder Grundwasser-Wärmepumpe beheizt, bietet sich eine besonders elegante und einfache Möglichkeit der Kühlung an. Mit der sogenannten freien Kühlung kann bei vorhandener Erdwärmepumpe ganz ohne Einsatz einer Kältemaschine gekühlt werden[9]. Im Sommer zirkuliert dabei das Wärmeübertragungsmedium im einfachen Umwälzbetrieb und führt die Wärme aus dem Gebäude in das Erdreich. Im Winter wird die Wärme aus dem Erdreich wieder durch die Wärmepumpe entnommen.[10] Alternativ kann die Wärmepumpe in Betrieb bleiben, wobei das Wärmeübertragungsmedium zuerst durch die Wärmetauscher im Gebäude gepumpt wird und Wärme aufnimmt, bevor es in der Wärmepumpe ankommt. Das verbessert zudem die Arbeitszahl der Wärmepumpe bei der Erwärmung des im Sommerhalbjahr benötigten Brauchwassers.



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Quellen und weiterführende Hinweise

  1. Patrick Frey, Harald Drück: Solare Kühlung - Grundlagen, S. 2
  2. BINE Projektinfo 01/04 BINE Klimatisieren mit Sonne und Wärme; BINE Buch Kühlen und Klimatisieren mit Wärme; BINE Projektinfo 07/2012 Mit Wärme Kühlen
  3. 3,0 3,1 3,2 Roger Thévenot: A History of Refrigeration throughout the world. Seite 258 ff. International Institute of Refrigeration. Paris 1979
  4. Interview Felix Ziegler, 16.01.2014, mdl.)
  5. Jan Albers, Felix Ziegler: Editorial. In: International Journal of Refrigeration, Vol. 39.
  6. Beispiele: ZAE Bayern; Festo AG
  7. Tomas Núnez: Vortragspräsentation Thermische Kühlung - Grüne Kälte aus regenerativer Wärme.
  8. Technische Universität Berlin: Absorptionskälteanlage nutzt Fernwärme und solare Niedertemperaturquellen
  9. BINE Projektinfo 07/10 Erdwärme für Bürogebäude nutzen
  10. Reichstagsgebäude Berlin, 3-Liter-Wohnhaus Mannheim
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