Klimaanlagen Solare Wärme für kühle Gebäude

Jeder spürt es, jeden Sommer - Hitze ermüdet, die Leistungsfähigkeit sinkt, Lebensmittel verderben schneller. Seit jeher versuchen Menschen, Gebäude und Vorratslager zu kühlen. Die Araber nutzen die kühlende Wirkung verdunstenden Wassers, die Römer schafften Gletschereis aus den Hochgebirgen in ihre Städte. Wir haben es da deutlich bequemer. Unsere Kältemaschinen nutzen die Verdunstungskälte, die entsteht, wenn ein flüssiges Kältemittel verdampft. Dazu braucht man meist elektrisch angetriebene Verdichter - sogenannte Kompressionskältemaschinen. Die sind technisch ausgereift, kompakt und erreichen gute Wirkungsgrade.

Der Haken an der Sache ist der Energieverbrauch. Der setzt die Stromnetze unter Stress; Kraftwerkskapazität muss bereitgehalten werden. Denn Klimatisierungsenergie wird immer dann abgerufen, wenn die Netze sowieso unter Lastspitzen ächzen. Und der Kältebedarf wächst überall. PCs oder Drucker und der Trend zu großen Glasflächen sorgen für zusätzliche Wärmelasten im Sommer. Zwar belegt Deutschland mit rund 100.000 installierten Klimaanlagen international nur einen der hinteren Plätze. Aber auch hierzulande dürfte sich die gekühlte Gebäudefläche bis zum Jahr 2020 nahezu verdreifachen.

Mit Sonnenkraft zum kühlen Raum

Machte man so weiter wie bisher, dann würden in zwölf Jahren rund 200 Milliarden Kilowattstunden (kWh) Strom jährlich in Kältemaschinen verbraten und mithin alle Klimaschutzziele konterkariert. In den Vereinigten Staaten und Japan erreichen mit Gas befeuerte Kältemaschinen beachtliche Marktanteile. Im Sommer nutzen sie die freien Kapazitäten des Gasnetzes und entlasten die Stromnetze. Noch zukunftsträchtiger freilich scheinen thermische Kältemaschinen, welche die „Abfall-Wärme“ von Blockheizkraftwerken, Fernwärmenetzen oder die Sonnenwärme als Antriebsenergie nutzen.

Die solare Kühlung hat dabei einen ganz besonderen Charme. Der Vorteil: Die Sonne strahlt immer dann besonders, wenn wir uns Kühlung wünschen. Der Kühlbedarf ist also dann am größten, wenn eine thermische Solaranlage den maximalen Ertrag liefert. Das gilt nicht nur über eine Kühlsaison, sondern, um einige Stunden verschoben, auch im Tagesprofil. Damit entgeht die solare Kühlung einem für andere solare Anwendungen typischen Problem: der aufwendigen Speicherung. Etwa 150 solarthermisch angetriebene Kältemaschinen mit einer Kälteleistung von etwa 7,7 Megawatt sind derzeit auf der Welt in Betrieb.

Die Leistungsklasse entscheidet

Schon auf der Weltausstellung 1878 in Paris erzeugte der französische Ingenieur Augustin Mouchot mit einer durch Sonnenwärme angetriebenen Absorptionskältemaschine einen Eisblock. Gemeinsam ist den solarthermisch angetriebenen Kältemaschinen die Sorption. Darunter versteht man die reversible Anlagerung eines Kältemittels, in der Regel Wasser, an einen zweiten Stoff. In Absorptionsanlagen sind das flüssige Lösungsmittel, etwa ein Ammoniak-Wasser-Gemisch. Klimakälte wird durch Verdampfung des Kältemittels erzeugt. Das Lösungsmittel nimmt den Wasserdampf wieder auf und wird erneut aufgeheizt.

Absorptionsanlagen mit Leistungen um die 200 Kilowatt (kW) zur Klimatisierung größerer Gebäudebereiche sind am Markt etabliert. Mit thermischen Kältemaschinen geringer Leistung taten sich die Entwicklungsingenieure hingegen schwer. Doch gerade bei Kälteleistungen deutlich unter 50 kW gelten solarthermische Anlagen als idealer Wärmelieferant. In dieser Leistungsklasse hat die Adsorptionstechnik derzeit die Nase vorn. Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal zur Absorption: Das Kältemittel (ebenfalls Wasser) wird nicht an einer Flüssigkeit, sondern an einem hochporösen festen Stoff, etwa Silikagel, angelagert. Wegen des Unterdrucks in Adsorptionsmaschinen verdampft das Kältemittel schon bei niedrigen Temperaturen.

Adsorptionskältemaschine im Alltagstest

In rund einem Dutzend Pilotprojekten konnte das Unternehmen Sortech, ein Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, die Alltagstauglichkeit einer neuartigen Adsorptionskältemaschine mit einer Leistung von 5,5 Kilowatt unter Beweis stellen. Ein Aggregat aus der Prototypenserie kühlt seit dem Sommer 2007 die Institutsküche des ISE. Dort wird die Adsorptionsanlage im Sommer als Kältemaschine und im Winter als Wärmepumpe genutzt. Drei je 80 Meter tiefe Erdsonden dienen dabei als Wärmesenke und im Winter als Wärmequelle für Heizzwecke. Der solare Teil der Anlagen besteht aus einem 20 Quadratmeter großen Flachkollektorfeld.

Während des sommerlichen Kühlbetriebs treibt die mit der thermischen Solaranlage gewonnene Wärme die kompakte Adsorptionskältemaschine an. In der Maschine wird Kälte produziert, indem Wasser als Kältemittel bei einem Druck von nur 10 Millibar verdampft wird. Mit der so erzeugten Kälte wird die Zuluft der Kantinenküche gekühlt und die Abwärme ans Erdreich abgegeben. Dabei konnte die Solaranlage rund 60 Prozent der benötigten Antriebsenergie liefern. Reichte die Sonnenstrahlung einmal nicht aus, stellte das Heiznetz zusätzliche Antriebswärme bereit. Der elektrische Verbrauch bleibt auf nur ein Zehntel der erzeugten Kälteenergie begrenzt.

Wartungskosten und Stromverbrauch sinken

Im März legte das Unternehmen mit Sitz in Halle eine Kleinserie mit spürbar verbesserter Leistungsdichte auf. Die Kälteleistung stieg auf 7,5 Kilowatt, das Bauvolumen wurde um 25 Prozent verringert. Eine zweite Produktreihe mit einer Kälteleistung von 15 Kilowatt folgte im Juni. Die Anlagen arbeiten schon bei niedrigen Antriebstemperaturen zwischen 65 und 75 Grad mit brauchbarem COP (Coefficient of Performance = Verhältnis von erzeugter Kälteleistung zur eingesetzten Primärenergie) und können damit die Niedertemperaturwärme aus Solaranlagen und Fernwärmenetzen gut nutzen. So erreicht die Kältemaschine bei einer Antriebstemperatur von 72 Grad einen COP von 0,56.

Adsorptionskältemaschinen gelten zudem als robuste Dauerläufer, da sie kaum bewegte Teile enthalten. Das lässt Wartungskosten und Stromverbrauch, die gerade bei Anlagen kleinerer Leistung stärker zu Buche schlagen, sinken. Gleichwohl mussten die Ingenieure konstruktive Herausforderungen meistern. Eine davon war die Vakuumtechnik, die normalerweise schwere Apparaturen mit entsprechenden Wandstärken mit sich bringt. Bei Sortech erdachte man eine Konstruktion, bei der sich eine relativ dünne Vakuumhülle auf den Komponenten im Innern abstützt wie bei vakuumverpacktem Kaffee der Beutel auf seinem Inhalt. Volumen und Gewicht sanken - die Fertigungskosten ebenfalls.