Solares Kühlen (Teil 1): Was ist solarthermische Kühlung?

Im Zuge der wachsenden Bedeutung solarer Prozesswärme ist immer häufiger die Rede von solarthermischer Kühlung beziehungsweise solarthermischem Kühlen. Was solarthermische Kühlung ist, wie sie funktioniert und wo solarthermisches Kühlen überhaupt Sinn macht, das erkläre ich hier.

Will man das Prinzip der solaren Kühlung im Allgemeinen und der solarthermischen Kühlung im Besonderen ergründen, muss man sich zunächst mit dem Thema Kühlung an sich befassen. Katrin hatte das Prinzip in einem unserer ersten Artikel auf dem Blog “Solare Kühlung? Wie geht denn das?” mit dem Schwitzen von Haut erklärt. Kühlung steht technisch betrachtet für die Erzeugung von Kälte sowie für Klimatisierung. Technische Systeme zur Kühlung, also Geräte und Anlagen, die Kälte erzeugen, werden auch Klimatisierungs- / Kältegeräte oder -anlagen, kurz: Klimaanlagen, genannt. Vor dem Hintergrund Energie / Energiewende sind die ein großes Thema, denn

1. gibt es weltweit einen großen Kühlungsbedarf und
2. kostet Klimatisierung bislang extrem viel Energie, Großteils elektrische Energie (Strom).

Der Bedarf an Kühlung steigt zudem stetig. Und mit ihm die dafür aufgebrachte Energiemenge und deren Kosten. Und das nicht nur in sonnenreichen Gegenden. Laut des Themenpapiers „Mit solarer Wärme kühlen. Konzepte und Technologien für die Klimatisierung von Gebäuden“ des BINE-Informationsdienstes aus dem Jahr 2016 werde sommers mehr als die Hälfte des produzierten Stroms zur Klimatisierung von Gebäuden genutzt. Im mitteleuropäischen Deutschland seien es dagegen weniger als fünf Prozent der gesamten Endenergie Strom, die für die Gebäudeklimatisierung zum Einsatz kämen. Dafür gäbe es hier einen großen Energiebedarf zur Kühlung beim Herstellen und Lagern von Lebensmitteln sowie in der Erzeugung sogenannter Industriekälte.

Definition: Was ist solare Kühlung / solares Kühlen?

Der BINE-Infodienst definiert die Begriffe solare Kühlung und Klimatisierung als „einen Prozess, im dem Solarenergie direkt einen Kühl- der Klimatisierungsprozess mit Energie beliefert. Es bestünde demnach also eine direkte Zuordnung zwischen solarer Energie und dem Kühlprozess.

Wie kühlt solare Energie?

Prinzipiell böten sich laut BINE drei Wege an, um mit Hilfe solarer Energie Kälte zu erzeugen:

1. mit der Erzeugung von Solarstrom mit Solarstromanlagen (Photovoltaik-Anlagen, PV-Anlagen, PVA), der dann Kompressionskältesysteme antreibt.
2. mit hermomechanischen Sytemen wie Vuilleumier- und Rankine-Prozessen. (Mehr zur Vuilleumier-Wärmepumpe findet ihr hier in dieser BINE-Projekt-Info.)
3. mit solarthermischen Systemen wie sorptionsgestützte Kälteerzeugung (SGK beziehungsweise DEC für Desiccant and Evaporative Cooling), Absorptionskälteprozessen, Adsorptionskälteprozessen, Dampfstrahlkälteprozessen.

Für uns ist Punkt 3 der Liste von Interesse, schließlich geht es hier um solare Wärme (Solarthermie), die zum solaren Kühlen genutzt wird. Dabei unterscheide man, so schreibt BINE weiter, Solarthermie-Anlagen nach den bei ihnen eingesetzten

• offenen
• oder geschlossenen

Verfahren. Offene Sorptions-Verfahren würden demnach die Zugluft konditionieren (Temperaturabsenkung und Entfeuchtung der Luft, auch sorptiv gestützte Lüftung genannt), während geschlossene Ab- und Adsorptionskälteanlagen Kaltwasser erzeugten (Kaltwassersysteme), das unter anderem in sogenannten Kühldecken genutzt werde. In manchen Anwendungen würden auch beide Verfahren kombiniert.

Welche Vorteile bringt solarthermische Kühlung?

Als Vorteile von mit Solarthermie betriebenen Kühl- und Klimatisierungstechniken seien demnach die folgenden zu nennen:

• Solarthermische Kühlung entlaste das Stromnetz, denn die Systeme bräuchten nur wenig Strom.
• Die in solarthermischen Kühl- und Klimatisierungsanlagen genutzten Kältemittel, allen voran: Wasser, hätten kein Treibhausgaspotential.
• Die Kältemittelsche Kühlung werde Großteils mit niederen Temperaturen (unter 100 Grad Celsius) betrieben und eigen sich aus diesem Grund für stationäre Kollektortechnik.
• Solarthermische Kühlung lasse sich in Kombination mit Abwärmenutzung kombinieren.
• Solarthermische Kühl- und Klimatisierungsanlagen seien in Betrieb geräusch- und vibrationsarm.

Überblick über Technik zur solarthermischen Kühlung

Im Folgenden stelle ich euch die wichtigsten Maschinentypen der Kälteerzeugung und Klimatisierung kurz vor. Los geht’s mit geschlossenen Kältemaschinen, die Kaltwasser bereitstellen.

Geschlossene Kältemaschinen

Weit verbreitet: Absorptionskältemaschinen

Sogenannte Absorptionskältemaschinen seien dazu fähig, so heißt es im BINE-Themenpapier, Wärmequellen auf niedrigem Temperaturniveau zu verwerten. Als Wärmequellen kämen demnach

• Solarthermie,
• Fernwärme,
• industrielle Abwärme
• oder Abwärme eines Blockheizkraftwerks (BHKW)

in Frage. Die Absorptionskältemaschinen machten sich demnach – so wie auch Kompressionsmaschinen – den Fakt zunutze, dass der Siedepunkt eines Kältemittels vom Druck abhängig sei. Allerdings werde das Kältemittel in gelöster, flüssiger Form in einem Sorptionsmittel verdichtet (komprimiert), um so den Stromverbrauch der Kälteerzeugung zu minimieren.

Adsorptionskältemaschinen

Mit sogenannten Adsorptionskältemaschinen lagere man den im Verdampfer erzeugten Dampf des Kältemittels in sogenannten Adsorbentien an. Dieser Prozess, also Kältemitteldampfstrom und Kälteerzeugung, gehe BINE zufolge so lange, bis das Adsorbens gesättigt sei, das sich anschließen regenerieren müsse, bevor der Kälteprozess erneut gestartet werden könne. Das sei auch der Grund, warum solche Adsorptionskältemaschinen zyklisch arbeiten würden. In der Phase der Regeneration treibe die Antriebswärme den Kältemitteldampf aus dem Adsorbens, so dass er dann im Kondensator kondensiere. Um den Kondensator zu kühlen und die Adsorptionswärme abzuführen, sei ein Kühlkreis nötig.

Vergleich: Absorptionskältemaschine vs. Adsorptionskältmaschine

Vergleiche man beide Kältemaschinen-Typen systemisch sei die Effizienz der Adsorptionskältemaschinen etwas kleiner. Dafür bräuchten sie keine Pumpen im Vakuumbereich und es bestünde bei ihnen keine Kristallisationsgefahr, was weniger Einschränkungen bei der Kühlwassertemperatur bedeute.

Dampfstrahlkältetechnik

In der sogenannten Dampfstrahlkältetechnik diene laut BINE-Papier Wasser als Kältemittel beziehungsweise Treibmittel. Die den Systemen unter hohem Druck zugeführte Wärme erzeuge sogenannten Treibdampf, der durch eine Düse hindurch geleitet und entspannt werde. Der zugleich beschleunigte Dampf erzeuge in der Düse einen Unterdruck, infolgedessen sauge ein Verdampfer Wasserdampf ab. Im Verdampfer können auf diese Weise bei niedrigem Druck Wasser verdampfen, wobei es Wärme aufnehme. Das Gemisch aus entspanntem Treibdampf und Kältemitteldampf des Verdampfers kondensiere auf mittlerem Temperaturniveau, die anfallende Rückkühlwärme werde abgeleitet.

Offene, sorptionsgestützte Technologien

Offenen Systemen schreibt man das Attribut offen zu, weil das Kältemittel Wasser direkten Kontakt mit der Atmosphäre habe, ist bei BINE weiter zu lesen. Entsprechend ausgelegte Anlagen würden die Luft gemäß geregelter Werte temperieren und hydrieren und zugleich Frischluft liefern. Um den Sorptionsstoff zu regenerieren, also das darin gebundene Wasser auszutreiben, sei solarthermische Antriebsenergie nötig. dabei werde stets das Kühlpotential der im Vergleich zur Außenluft kühlen Abluft aus klimatisierten Räumen genutzt. Das bedeute, dass für diese Technik ein geschlossenes Zu- und Abluftsystem nötig sei (Stichwort: kontrollierte Wohnraumlüftung kWRL). Außerdem hätten alle Anlagen eine Wärmerückgewinnungseinheit (Stichwort: WRG).

Im nächsten Teil dieser Artikelserie geht es um die Effizienz solarthermischer Kühlung. Und in einem weiteren Teil wird es um das Potential und den Status Quo von Anlagen zur solarthermischen Kühlung gehen.

Foto: christophe papke / photocase