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Klimatechnik

Klimasysteme erzeugen Kälte aus der Sonnenglut

25.10.2007 | Autor / Redakteur: Winfried Schröder / Ulrike Gloger

Walter Mittelbach, Vorstand der Sortech AG, Halle (Saale): „Wir denken, dass die solare Klimatechnik sehr gute Chancen hat, sich am Markt zu etablieren.“ Bild: Sortech
Walter Mittelbach, Vorstand der Sortech AG, Halle (Saale): „Wir denken, dass die solare Klimatechnik sehr gute Chancen hat, sich am Markt zu etablieren.“ Bild: Sortech

Zurzeit spielen solare Klimasysteme noch eine untergeordnete Rolle. Die internationalen Bemühungen, den CO2-Ausstoß zu senken, und steigende Energiekosten könnten die Bedeutung umweltverträglicher solarer Klimatechnik beträchtlich steigern.

Obwohl menschliche Vorstellungskraft beachtlich ist, gibt es doch Ereignisse, die in Größenordnungen ablaufen, die schlichtweg unvorstellbar sind – und dazu gehören die Vorgänge, die auf der Sonne ablaufen: In jeder Sekunde verliert der Fixstern geschätzte 4 Mio. t an Masse, die nach Einsteins Formel E = mc² in pure Energie umgewandelt werden. Da wundert es kaum noch, dass die Sonne in einer Stunde so viel Energie abstrahlt, dass man damit die gesamte Erde ein Jahr lang versorgen könnte.

Globaler Klimawandel steigert den Kühlbedarf

Grund genug, sich möglichst viel Sonnenenergie nutzbar zu machen, zum Bereiten von Warmwasser, Erzeugen von Strom und – besonders im Sommer, wenn die Hitze das alltägliche Leben lähmt – zum umweltfreundlichen Klimatisieren von Räumen. Der Wunsch nach gekühlten Räumen, insbesondere in Bürogebäuden, nimmt europaweit stark zu.

Immer mehr Energie wird für die sommerliche Klimatisierung von Gebäuden aufgewendet – zurückzuführen auch auf den durch den globalen Klimawandel verursachten Temperaturanstieg in den letzten Jahrzehnten. Bei einer Raumklimatisierung ist zu überlegen, ob nicht die solare Kühlung einer konventionellen, mit Strom betriebenen Klimaanlage, vorgezogen werden kann.

Unter „solarer Kühlung“ versteht man die Nutzung der Sonnenenergie zur Kühlung. Sie wird mithilfe von Sonnenkollektoren umgesetzt.

Klimaanlagen bewirken hohe Strom-Spitzenlast

Während der Sommermonate steigt der Strombedarf durch den verstärkten Einsatz von Klimaanlagen. Das wiederum führt zu einem Anstieg der Spitzenlast und kann für die Stromversorgung ein erhebliches Problem bedeuten. Solarenergie bietet sich als viel versprechende Lösung an.

Sie kann in nahezu allen Gebäuden zum Betreiben der Kühlkreise und damit zur Raumklimatisierung genutzt werden. Kühllast ist meist dann gegeben, wenn Solarenergie verfügbar ist, und folglich verläuft der Kühlbedarf eines Gebäudes annähernd phasengleich zur Sonneneinstrahlung.

Solare Klimaanlagen mit unbedenklichen Betriebsflüssigkeiten

Solare Klimaanlagen werden zumeist mit absolut unbedenklichen Betriebsflüssigkeiten, wie Wasser oder Salzlösungen, betrieben. Sie sind energieeffizient und umweltverträglich und können entweder als eigenständige Systeme oder in Verbindung mit herkömmlichen Klimaanlagen eingesetzt werden. Vorrangiges Ziel ist es, durch solare Techniken mit „Null-Emission“ den Energieverbrauch und den CO2-Ausstoß zu senken.

Dazu erläutert Walter Mittelbach, Vorstand der Sortech AG, Halle (Saale): „Man unterscheidet Klimatisierung mittels Solarstrom oder Sonnenwärme, wobei Solarstrom aufgrund des höheren Energieverlustes bei der Umwandlung energetisch eher ungünstig ist. Die dominierenden Techniken für solares Kühlen durch Sonnenwärme sind Ad- und Absorption. Die Herausforderung für die Hersteller ist es, Anlagen im kleinen Leistungsbereich wirtschaftlich zu machen. Der Sortech-Adsorption-Chiller S 05 (ACS 05) basiert auf dem Adsorptionsverfahren, mit dem Stoffpaar Silikagel/Wasser. Wir befinden uns derzeit im Status der Erprobung und nutzen dafür intensiv die Kühlperiode 2007. Ab 2008 soll eine Kleinserie in Produktion gehen.“

Kälteanlagen unter 10 kW sind noch Mangelware

Diese Entwicklung sieht man an einem der führenden Forschungsinstitute in diesem Bereich, dem Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme in Freiburg, kurz ISE genannt, ebenso: „Gerade kleine Anlagen unter 10 kW Kälteleistung“, so Dr.-Ing. Peter Schossig, Leiter der Gruppe Thermisch aktive Materialien und solare Kühlung am ISE, „sind bisher kaum auf dem Markt vertreten, sondern werden erst seit kurzem von verschiedenen Unternehmen angeboten. Größere Anlagen, insbesondere über 100 kW gibt es bereits seit einiger Zeit.“

Grundsätzlich unterscheidet man laut Schossig zwischen offenen und geschlossenen Systemen, die sich im Systemaufbau voneinander abheben. Außerdem unterscheidet man, je nach Arbeitsmittel fest oder flüssig, zwischen Adsorption und Absorption. Die solare Klimatisierung teilt sich somit in zwei Verfahren auf:

  • Geschlossene Systeme: Das sind thermisch betriebene Kältemaschinen, die Kaltwasser produzieren. Entweder wird dieses Kaltwasser zur Zuluftkühlung und -entfeuchtung in einer Klimaanlage genutzt oder es wird über ein Kaltwassernetz zu dezentralen Kälteaggregaten in die einzelnen Räume geleitet. Die handelsüblichen Geräte sind Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen.
  • Offene Systeme: Sie ermöglichen eine vollständige Klimatisierung durch Bereitstellung von gekühlter und entfeuchteter Luft gemäß den Komfortbedingungen. Das Kältemittel ist immer Wasser, weil es in direkten Kontakt mit der Atmosphäre tritt. Die gängigsten Systeme arbeiten mit einem Sorptionsrad und einem festen Sorbent zur Kühlung und Entfeuchtung.

Klimaanlagen auf Sonnenenergie-Basis am umweltfreundlichsten

An erster Stelle steht sicherlich die umweltfreundliche Art der Klimatisierung, einerseits durch den Einsatz unbedenklicher Stoffpaare und andererseits durch die Nutzung von Sonnenenergie, und somit Einsparung von Primärenergie. So sollten die verwendeten Kältemittel weder ozonschädlich sein noch den Treibhauseffekt fördern. Damit einhergehend bestehen keine Beschränkungen oder Meldepflichten für diese Anlagen, wie es etwa für konventionelle Anlagen notwendig ist (HFKW oder FKW). Die Einsparung von Primärenergie ist dadurch gegeben, dass größter Sonnenertrag und größte Kühllast parallel auftreten.

Mittelbach: „Die bisher ungenutzte Wärme kann nun mittels der Anlagen zur Klimatisierung eingesetzt werden und reduziert den Einsatz konventioneller Anlagen. Darüber hinaus zählen geringe Wartungskosten und gute Regulierbarkeit zu den Vorteilen der solaren Klimatisierung durch Adsorptionstechnik. Ferner lassen sich Kältemaschinen auch als Wärmepumpen einsetzen und so lässt sich beispielsweise in der Übergangszeit kostenlose Umweltwärme zur Heizungsunterstützung heranziehen.“

Hohe Preise und Einsatzgrenzen bremsen Klimaanlagen auf Sonnenenergie-Basis noch aus

Im Moment verhindern noch ein verhältnismäßig hoher Preis und eventuelle Einsatzgrenzen die schnelle Eroberung des Marktes. „Allerdings sind beide Einschränkungen als temporär anzusehen“, so Mittelbach, „die zu gegebenem Zeitpunkt technisch lösbar sind. Dies gilt auch für die eingeschränkte Verfügbarkeit der Produkte, vor allem im kleinen Leistungsbereich. Hier gibt es unserem Wissen nach bisher noch keinen Anbieter, der das Produkt wirtschaftlich vertreibt.“ Z

ur Zeit sind Absorptionskältemaschinen noch sehr weit verbreitet. Doch die Adsorptionstechnik mit festem Sorptionsmittel ist im Kommen. Mittelbach: „Wie bereits angedeutet, hat die Adsorptions- gegenüber der Absorptionstechnik entscheidende Vorteile, unter anderem kann eine kleine kompakte Bauweise realisiert werden.“

Verbesserungen der Sonnenenergie-Klimatisierung in den nächsten Jahren

In den nächsten Jahren erwarten Fachleute eine Verbesserung in der Umsetzung und Nutzung (COP-Wirkungsgradkennzahl) der Sonnenenergie oder -wärme, nicht nur durch die Kälteanlage selbst, sondern auch von der thermischen Solaranlage. Auch werden Preissenkungen, hervorgerufen durch geringeren Materialeinsatz und Skaleneffekte, die Wirtschaftlichkeit der Anlagen erhöhen.

„Wir denken“, so Mittelbach, „dass die solare Klimatechnik sehr gute Chancen hat, sich am Markt zu etablieren. Als Komplementärprodukte werden sich thermische Solaranlagen und solare Klimatechnik gegenseitig positiv beeinflussen und verstärken. Demgegenüber steht auch die Herausforderung, die beiden Anlagen optimal aufeinander abzustimmen.“

Ähnlich den anfänglichen Unsicherheiten bezüglich der Installation einer Solaranlage werde es auch bei der Kombination von thermischer Solaranlage und Kühlaggregat anfangs zu Leistungseinbußen aufgrund „fehlerhafter“ Installation kommen. Dies gelte es zu vermeiden und zeitnah optimale Parameter zu definieren, so Walter Mittelbach.

Winfried Schröder ist Fachjournalist in Kreßberg

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