16.06.2016

Interview: Wie „Hummel“ und „Biene“ in der Wüste Kälte erzeugen

Absorptionskälteanlage "Biene"

Ausgestellte Absorptionskälteanlage “Biene” auf der Woche der Umwelt. Foto: Stephanie Stühler/IKI

In der jordanischen Wüstenstadt Petra scheint die Sonne im Durchschnitt sieben bis zehn Stunden pro Tag bei Temperaturen von über  40°C. Daher hat die Region einen sehr hohen Bedarf an Klimaanlagen und Kühlmöglichkeiten. Das IKI-Projekt Solare Industrie- und Gewerbekälte in Jordanien macht sich diese klimatischen Bedingungen zu eigen, indem es Sonnenenergie zur Erzeugung von Kälte nutzt. Dazu kommen Absorptionskälteanlagen, die sogenannte „Hummel“ und ihre kleine Schwester „Biene“, zum Einsatz. In Kooperation mit dem jordanischen Umweltministerium führen die TU Berlin und die Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) das Projekt in Jordanien gemeinsam durch.
Auf der Woche der Umwelt in Berlin im Schlosspark von Bellevue hat sich am 7. und 8. Juni 2016 das Projekt vorgestellt. Wir haben Marion Geiss, GIZ-Beraterin für das Vorhaben Solare Kühlung für Industrie und Gewerbe, und Christopher Paitazoglou, Wissenschaftlicher Mitarbeiter der TU Berlin, dort getroffen und sie zu ihren Erfahrungen befragt.

Solare Kühlung hört sich zunächst widersprüchlich an. Das IKI-Projekt will den Kühlprozess CO2-frei machen, indem es die dazu notwendige Energie aus Sonnenenergie gewinnt. Wie läuft der Prozess ab?

Foto von Christopher PaitazoglouC. Paitazoglou: Unser Motto auf der Woche der Umwelt lautet „Heat to cool“. Eine Absorptionskälteanlage nimmt Antriebswärme auf einem hohen Temperaturniveau auf, um daraus Kälte zu erzeugen. Es handelt sich dabei um einen Wärmetransformationsprozess, oder anders ausgedrückt, die Anlage arbeitet nach dem Prinzip der Wärmepumpe. Wärme auf einem tiefen Temperaturniveau wird mit Hilfe von Solarwärme, die auf dem hohen Temperaturniveau verfügbar ist, auf mittleres Temperaturniveau „gepumpt“. Der Entzug von Wärme auf dem tieferen Temperaturniveau erzeugt die Nutzenergie Kälte. Gleichzeitig kann die Absorptionswärmepumpe auch Nutzwärme auf dem mittleren Temperaturniveau liefern, die beispielsweise für ein Heizungssystem oder zur Warmwassererzeugung genutzt werden kann. Mit der Absorptionskälteanlage erspart man sich im Vergleich zum Kühlschrank oder einer Kompressionskälteanlage, die auch elektrisch angetriebene Wärmepumpen darstellen, die elektrische Antriebsenergie für den Verdichter, indem man einen thermischen Verdichter einsetzt.

Die „Biene“, wie Sie die Absorptionskälteanlage nennen, besteht aus zwei übereinander befestigten, gelben Behältern, die durch mehrere Rohre miteinander verbunden sind. Was passiert im Inneren der Anlage?

C. Paitazoglou: Im inneren der Anlage befindet sich ein natürliches Kältemittel Wasser und ein Salz dessen hygroskopische Eigenschaft man sich zu Nutze macht. Im konzentrierten Zustand kann die Salzlösung Kältemitteldampf im Niederdruckbehälter absorbieren. Bei der Absorption wird Wärme frei, so dass der Absorber gekühlt werden muss. Das Kältemittel, dass in der Lösung absorbiert wird, verdampft im Verdampfer und entzieht einem externen Kreis Wärme und erzeugt dort extern seitig einen Temperaturabfall. Die mit Kältemittel verdünnte Lösung wird mit Hilfe einer kleinen Umwälzpumpe, die im Vergleich zur elektrisch angetrieben Kälteanlage einen Bruchteil an Elektroenergie benötigt, zum Hochdruckbehälter gefördert, wo die Lösung durch die Zufuhr von hochtemperierter Wärme beziehungsweise Solarwärme regeneriert wird. Die konzentrierte Salzlösung kann nun wieder für das Absorbieren von Kältemittel eingesetzt werden. Das ausgetriebene, dampfförmige Kältemittel im Hochdruckbehälter wird durch eine externe Kühlung verflüssigt und kann dann ebenso im Niederdruckteil der Anlage wieder als reines flüssiges Kältemittel zur Verfügung gestellt werden. Es handelt sich dabei im Vergleich zur einer Adsorptionskälteanlage um einen kontinuierlichen Prozess.

Für das Projekt kooperieren jordanische und deutsche Partner miteinander. Auf der jordanischen Seite ist das das Umweltministerium, auf Deutscher die GIZ und TU Berlin. Wie funktioniert die Zusammenarbeit?

Foto von Marion GeissM. Geiss: Finanziert wird das Projekt natürlich von der IKI. Aufgesetzt hat es die GIZ in Absprache mit dem jordanischen Umweltministerium aus den Montreal Protokollverhandlungen heraus. 2012 wurde das Projekt vom BMUB beauftragt und damit haben wir gleich begonnen die verschiedenen Technologiepartner zu suchen. Wir haben eine technische Studie mit Hilfe der technischen Consulting HEAT gemacht und sind so auf die TU Berlin gestoßen. Das heißt, technische Experten haben mit der TU Berlin Gespräche im Vorfeld geführt und geschaut, ob Interesse vorhanden ist, solche Pilotanlagen nach Jordanien zu bringen. Gleichzeitig ist der Anspruch des Projektes, das wir Technologietransfer in Form einer Kooperation machen, das heißt auf der Seite Jordaniens nimmt der technologische Partner Millenium Energy Industries das Know-How auf und soll es wiederum in Folgeprojekte in der MENA Region stecken.

Wieso wurde gerade Jordanien ausgewählt?

M. Geiss: Aus den internationalen Verhandlungen heraus hat sich Jordanien als engagierter Partner gezeigt. Jordanien ist mehrmals an die IKI herangetreten, um zu schauen, wo wir Unterstützung leisten können im Kältebereich, um den großen Kältebedarf im ganzen Land, gerade während der Hitzeperioden im Sommer, zu bedienen. Dafür alternative, klimaverträgliche Lösungen zu finden, ist das Ziel. Zum Hintergrund: Jordanien selbst hat keine großen Ressourcen, weder Öl- noch Gasvorkommen, es importiert und subventioniert fossile Energieträger sehr stark und die Energiepreise hängen stark mit der innenpolitischen Stabilität zusammen, die durch den gesamten Umkreis beeinflusst ist. Solarenergie aus Kälte zu gewinnen ist daher die attraktivste Lösung, weil das die Energiekosten senken würde, zum Klimaschutz beiträgt und die Wirtschaft ankurbelt. Es eignet sich gleichzeitig besonders gut für solarthermische Anlagen und Solarenergie, weil es eine sehr hohe Sonneneinstrahlung über das Jahr genießt.

Hier auf der Woche der Umwelt präsentieren sich viele Aussteller, die im Umwelt- und Energiebereich neue Ideen vorstellen. Was macht das Projekt so innovativ?

C. Paitazoglou: Die Hummel und die Biene bauen auf den letzten Stand der Konstruktionstechnik, der Prozessführung und der Prozess- und Anlagenregelung, die auf eine charakteristische Gleichung basiert, auf. Die Absorptionskälteanlagen sind spezifisch gesehen, was sie an Platz und Material brauchen, wesentlich günstiger als Referenz-Absorptionskälteanlagen, da die Anordnung von Wärmetauscherflächen im Inneren der Anlage effizient und materialsparend vorgenommen worden ist. In Kombination mit internen Messsensoren und Aktoren lässt sich die Anlage wesentlich besser und sicherer betreiben, auch außerhalb der klassischen Betriebsgrenzen von beispielsweise   hohen Kühlwassertemperaturen, wo konventionelle Hersteller keinen Anlagenbetrieb mehr zulassen. Bei den Absorptionskälteanlagen vom Typ Hummel oder Biene ist das möglich, da die Prozessüberwachung und –führung weiterentwickelt worden ist, so dass der Umgang mit Sonderbetriebszustände besser und weniger störanfällig geworden ist.

Gruppenbild vor der "Biene"

Ein Hotel in Jordanien setzt als eines von vier Pilotprojekten die neue Technologie ein. Welche Erfahrungen haben Sie bisher damit gemacht?

C. Paitazoglou: Rundum haben wir sehr viele positive Erfahrungen gemacht. Sehr viel von dem, was man mit Sorge oder Skepsis im Vorfeld betrachtet hat, gab es nicht. Das kooperierende Planungsbüro ist sehr kompetent. Es ist zuständig für die gesamte Planung und Ausführung der Systeme zur solaren Kühlung. Unser Partner Millenium Energie Industries ist international sehr gut aufgestellt und kennt sich im Geschäft durch verschiedene bereits erfolgreich umgesetzte kleine und große Solarprojekte gut aus. Natürlich gab es Bedarf bei der Beratung und Unterstützung zur Integration der solaren Kühlung in bestehende Kälte- oder Solarsysteme, aber auch bei neu auszulegenden Systemen zur solaren Kühlung wie das in Petra. Dies gelang uns durch vertiefende und intensive Workshops an der Technischen Universität in Berlin, durch eine enge Zusammenarbeit und einen hochfrequenten Austausch im Rahmen der Planung und Umsetzung. Es gelang uns somit aktiv an einem Wissens- und Technologietransfer zu arbeiten. Für mich war es eine positive Erfahrung, da alle Beteiligten auf Augenhöhe sich inhaltlich, konstruktiv und zielorientiert ausgetauscht haben.

M. Geiss:  Ja, unser Anliegen ist ja, dass es auch von den Piloten aus weitergeht und dass der Technologietransfer nicht zwischen wenigen Partnern aufhört. Das Projekt ist so aufgesetzt, dass es ein technisches Komitee gibt, in dem alle wichtigen und großen Universitäten und Ingenieurfakultäten vertreten sind, das heißt über die Curricula der Universitäten soll es eine Replikation geben, damit solare Kühlung als alternative Technologie verankert ist. Und natürlich ist es wichtig, dass es in internationale Foren eingespielt wird und da auch nochmal Akzente setzt, damit es hoffentlich auch genügend Nachahmer und Nachahmerprojekte findet. 

Welche Ergebnisse zeigt das Projekt bisher?

C. Paitazoglou: Wir hatten im letzten Jahr in der German Jordan University einen sehr stabilen Betrieb, durchgehend über den ganzen Sommer hinweg. Die Anlage war in der ganzen Breite der Umgebungstemperatur, die Werte von über 40 °C annehmen kann, in Betrieb und trotz eines nicht optimalen Betriebs des Bestandskollektorfeldes erwies die installierte Absorptionskälteanlage (AKA) eine hohe Betriebsbereitschaft und einen hohen Nutzungsgrad. Die elektrische Effizienz, die das Verhältnis von erzeugter Kälte zur benötigten Elektroenergie des AKA-Systems bildet, lag Anfang Mai in den ersten Betriebswochen des solaren Kälteerzeugungssystems im Petra Guest House bei Werten zwischen 15 und 25. Das heißt, mit einer Einheit Strom kann das AKA System bis zu 25 Einheiten Kälte erzeugen. Hohe Werte für die elektrische Effizienz konnten durch relativ günstige Umgebungstemperaturen um die 30°C erreicht werden. Wir erwarten, dass in den heißen Sommermonaten die elektrische Effizienz jedoch auf Grund des erhöhten Aufwandes für die Rückkühlung sinken wird. Die CO2-Emissionen pro produzierter Kälte lagen für die solare Kühlung in dieser Betriebsphase bei rund einem Viertel bis fünftel von den der Kompressionskälteanalage. Das sind doch eigentlich ganz positive Ergebnisse für den Anfang des Jahres.

Unter welchen Voraussetzungen wäre ein breitflächiger Einsatz der Technologie möglich?

C. Paitazoglou: Ein breitflächiger Einsatz ist zu erwarten, wenn sich die Technologie primär ökonomisch erweist. Die kapitelgebundenen Kosten liegen bei der Absorptionskälteanlagentechnologie noch über der eines konventionellen elektrisch angetriebenen Kältesystems. Die solarthermische Kühlung macht, ökonomisch betrachtet, eher Sinn in Kältesystemen mittlerer bis höherer Kälteleistungen, weniger im kleinen Leistungsbereich von ca. 2 bis 50 KW. Dies liegt an den relativ hohen speziellen Erzeugungskosten kleiner Komponenten. Insgesamt macht solarthermische Kühlung Sinn in Kombination mit der Nutzung der solaren Wärme im Winter, wodurch natürlich ein ökonomischer Vorteil zustande kommt. Das solare System erzeugt im Winter und im Sommer dadurch einen Doppelnutzen. Für die Durchsetzung der Technologie ist wichtig, dass sie neben dem ökologischen und energetischen Vorteil auch wirtschaftlich vertretbar ist. In Jordanien versuchen wir zusätzlich zu zeigen, dass Absorptionskälteanlagen auch mit trockener Rückkühlung und hohen Kühlwassertemperaturen gute Betriebsergebnisse erweisen, was bisher in der Branche als Tabu galt.

Interview /Fotos: Stephanie Stühler und Elena Metz (IKI)

Schloss Bellevue


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