Mit der Sonne kühlen - Solare Kühlung ist trotz erprobter Technologie und ökonomischem Potenzial immer noch ein Nischenmarkt

Der Energiebedarf für Klimatisierung in Gebäuden und zur Kälteerzeugung in Industrie und Gewerbe steigt weltweit stetig. Zunehmende interne Lasten und Komfortansprüche führten in den vergangenen Jahren zu einem drastischen Anstieg des Primärenergieverbrauchs konventioneller Anlagen für die Klimatisierung von Gebäuden. Allein in Deutschland laufen 120 Mio. Kälteanlagen, die – nach Berechnungen des Instituts für Luft- und Kältetechnik (ILK) in Dresden – zusammen etwa 14% des landesweiten Energieaufkommens verbrauchen.
Kälte mit solarthermisch gestützter Kühlung ist eine Möglichkeit, diesem Trend entgegenzuwirken. Anlagen dieser Art wandeln die Prozesswärme mittels solarthermischer Kollektoren direkt in Kälte um – ohne Umwege über den Energieträger Elektrizität. Prinzipiell bestehen die Anlagen der Solaren Kühlung aus drei Komponenten: einem Solarkollektor, einer durch Solarwärme angetriebenen Kältemaschine, sowie einer Anlage zur Kälteverteilung.

Unterschiedliche Technologien
Solarthermisch betriebenen Kühlverfahren stehen unterschiedliche Technologien zur Verfügung. Diese teilen sich nach Art der Prozessführung in offene und geschlossene Verfahren. Eine weitere Aufteilung erfolgt nach dem Zustand des Sorptionsmittels. Bei den geschlossenen Systemen finden sich Absorptionsmaschinen mit flüssigen Sorptionsmitteln und Adsorptionsmaschinen mit festen Sorptionsmitteln. Sie erzeugen Kaltwasser. Offene Systeme hingegen führen durch Luftentfeuchtung und Verdunstungskühlung mittels fester oder flüssiger Sorptionsmittel eine direkte Luftkonditionierung durch. Aufgrund der großen Volumenströme sind offene Systeme hauptsächlich für große Gebäude mit zentraler Klimaanlage geeignet. Neben der verfügbaren Kälteleistung ist das Verhältnis von Antriebswärme und erzielter Kälteenergie eine wesentliche Kennzahl der Anlagen zur solaren Kühlung.

Absorptionstechnik
Die Absorptionstechnik verwendet überwiegend die Stoffe Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als flüssiges Sorptionsmittel. Damit lassen sich Temperaturen bis 5°C erreichen. Damit ist diese Technik hauptsächlich für die klassische Gebäudeklimatisierung geeignet.
Eine weitere Variante nutzt Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Sorptionsmittel. Diese Technik kann im Kälteträgerkreis Temperaturen unter 0°C erreichen. Typische Anwendung war bis vor wenigen Jahren die Prozesskältebereitstellung im großen Leistungsbereich mit individuell angepassten Anlagen. Inzwischen rückt die Technik auch für die Gebäudeklimatisierung in den Blickpunkt des Interesses. In sonnenreichen Regionen ist die mehrstufige Absorptionstechnik in Verbindung mit konzentrierter Kollektortechnik interessant. Bei diesem Verfahren sind Generator und Kondensator kaskadenförmig in zweifacher Ausführung (zweistufig) oder in dreifacher Ausführung (dreistufig) aufgebaut.

Adsorptionstechnik                                                         
Im Gegensatz zur Absorption beruht die Adsorption nicht auf einer Lösung des Kältemittels im Sorptionsmittel, sondern auf der Anlagerung des dampfförmigen Kältemittels an der Oberfläche bzw. im Potenzialfeld der Oberfläche des Sorptionsmittels, Adsorbens genannt.  Bei diesem handelt es sich um hochporöse Feststoffe. Um bei Absorptionskältemaschinen ebenfalls eine Wärmerückgewinnung zwischen Austreiber und Adsorber durchzuführen, sind zwei Konzepte in der Praxis erprobt. Entweder ein hydraulischer Kurzschluss zwischen Adsorber und Austreiber (z.B. Mayekawa) oder  ein verzögertes Umschalten der Rücklaufventile nach den Vorlaufventilen.

Schlüsselrolle der Rückkühlung
Dem Abtransport der Abwärme und deren Effizienz kommt in der thermisch angetriebenen Kühlung eine Schlüsselrolle zu. Denn die Wärmemenge, die an die Umgebung abgeführt werden muss, ist im thermisch getriebenen Kälteprozess größer als die Wärmemenge, die in einer Kompressionskälteanlage zur Rückkühlung gelangt. Für die Rückkühlung ist in der Solaren Kühlung somit im Vergleich zur Kompressionskälteversorgung mehr Elektrizität nötig.
Mit verschiedenen Ansätzen lässt sich die Steuerung des Rückkühlwerks optimieren. Weitere Möglichkeiten der Reduktion des Elektrizitätsbedarfs zur Rückkühlung sind beispielsweise die Nutzung der Abwärme zur Brauchwasservorwärmung, zur Schwimmbadbeheizung oder für sonstigen Heizwärmebedarf. In Kliniken oder technischen Gewerben, wo ein Kühlbedarf gleichzeitig mit einem hohem Warmwasserbedarf einhergeht, ist damit eine beträchtliche Steigerung der Gesamteffizienz möglich. Anbieter von Komplettsystemen führen meist Anlagenpakete, die in der Minimalkonfiguration aus Kältemaschine, darauf abgestimmte Rückkühler und Regler bestehen.

Verschiedene Kollektoren sind möglich
Abgesehen von den technischen Komponenten der Klimatisierung (geschlossen, offen) beeinflusst der solarthermische Kollektor wesentlich die Effizienz und Kos­ten einer Anlage. Eine Vielzahl von solarthermischen Kollektoren unterschiedlicher Qualität und Bauweise stehen zur Verfügung. Für solarthermische Kollektoren existieren internationale und europäische Normen und Qualitätskennzahlen. Zu unterscheiden sind grundsätzlich stationäre und von der Sonne nachgeführte Kollektoren. Stationäre kommen in Klimazonen mit hohem Diffusstrahlungsanteil zum Einsatz. Nachgeführte bieten sich bei hoher Direktstrahlung an oder wenn Betriebstemperaturen deutlich über 100°C erforderlich sind.
Für Solare Kühlung sind unter den Flachkollektoren aus Effizienzgründen nur abgedeckte Kollektoren mit selektiver Beschichtung des Absorbers gefragt. Der einfachste Kollektor dieser Bauart ist der Luft-Flachkollektor. Diese Art von Kollektoren eignen sich typischerweise zur Luftvorerwärmung in der Heizperiode, beispielsweise in gewerblichen Anwendungen. Eine Neuentwicklung auf dem Markt der Luftkollektoren ist die Nutzung der Vakuumröhrentechnik. Diese erlaubt hohe Kollektoraustrittstemperaturen, auch über 100°C, und kann auch in Verbindung mit einem Wärmekreis zur Zwischenspeicherung der Wärme oder zum Antrieb von Kältemaschinen interessant sein.
Flachkollektoren mit flüssigem Wärmeträger stellen in Europa den größten Marktanteil an installierter Kollektortechnik. Im dezentralen Bereich liegt ihr Hauptanwendungsgebiet in der Brauchwarmwasserbereitung und Heizungsunterstützung im Temperaturbereich bis ca. 70°C.
Effizientere Flachkollektoren mit geringeren  Wärmeverlusten und höheren Temperaturbereichen bis etwa 90°C , häufig in großen Flächeneinheiten, sind ebenfalls am Markt.
Bei den nachgeführten Kollektoren haben sich überwiegend linear konzentrierte Kollektoren durchgesetzt. Diese werden nur einachsig nachgeführt. Zwei wesentliche Technologien sind am Markt: Parabolrinnenkollektoren und Fresnel-Kollektoren. Wirtschaftlich lohnend dürften solche Anlagen hauptsächlich in heißen Regionen und in Kombination mit anderen Anwendungsgebieten sein. Das Unternehmen Solitem, Aachen, hat verschiedene Anlagen mit Parabolrinnenkollektoren zur Solaren Kühlung in der Türkei konzipiert (TUI-Hotel/Dalaman, Großmarkt der Metro-Gruppe/Antalya).

Offene, sorptionsgestützte Luftkonditionierung
Für die Klimatisierung von Gebäuden lassen sich neben den kaltwassergestützten Anlagen auch Anlagen zur Luftkonditionierung einsetzen. Da bei diesen Anlagen eine direkte Behandlung der Luft erfolgt und das verwendete Kältemittel Wasser in direktem Zusammenhang mit der Atmosphäre steht, werden sie als offene Systeme bezeichnet. Das Verteilmedium ist die Luft selbst, welche dem Raum zu- und abgeführt wird.
Im Gegensatz zu kaltwassergestützten Klimatisierungssystemen, bei denen die Entfeuchtung durch die Unterschreitung des Taupunktes der Luft realisiert wird, erfolgt bei sorptionsgestützten Klimatisierungssystemen (SGK) eine Trennung der Prozesse Entfeuchtung und Kühlung. SGK entzieht der eindringenden Luft zunächst die Feuchte und kühlt dann in einem zweiten Schritt die Luft, indem die Wärme auf die Abluft übertragen wird. Durch eine direkte Einstellung der gewünschten Zulufttemperaturen im Prozess kann auf das bei konventionellen Klimatisierungssystemen notwendige Nachheizen der Zugluft verzichtet werden.
In Abhängigkeit des grundlegenden Prozesses erfolgt eine Einteilung der klassischen sorptionsgestützten Klimatisierungssysteme in feststoffbasierte Systeme mit Rotoren und Flüssigkeitssysteme. Die genutzten Sorptionsmittel sind umweltverträglich und stellen daher auch in direktem Kontakt mit der Atmosphäre kein Gefährdungspotenzial dar.
Der Großteil der bisher installierten SGK-Systeme sind Rotorsysteme, nur etwa ein Viertel Flüssigkeitssysteme. Ebenso wie bei den geschlossenen Verfahren zur Kaltwassererzeugung wird auch bei den offenen Verfahren die thermische Leistungszahl EERSGK als das Verhältnis von nutzbarer Kälte zu Antriebswärme für die Prozessbewertung herangezogen. SGK-Anlagen lassen sich für verschiedene Klimazonen mittels spezieller Anpassungen und Anlagenerweiterung variieren.

Ökologisch sinnvolle Anlagenkonzepte
Der ökologische Lösungsbeitrag der Solaren Kühlung ist mehrfach zu sehen. Statt einer hohen elektrischen Leistung für die Kühlanlage kann der Verbrauch an elektrischer Leistung für die Kühlanlage gesenkt werden. Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme schätzt das Primärenergieeinsparpotenzial auf 40 bis 60% für gut ausgelegte Kaltwassersysteme und auf 20 bis 50% für die offenen Systeme der Klimatisierung mittels Sorptionstechnik. Dies entlastet außerdem die Netze, gerade in den Zeiten, in denen sie oft überlastet sind. Das wiederum ist insbesondere in sonnenreichen Gegenden mit schwachen Stromnetzen relevant. Der verminderte Stromverbrauch führt zu geringen schädlichen Emissionen, welche sonst beispielsweise zur Erhöhung des Treibhauseffektes beitragen. Und: Die Wärmenutzung im Sommer erfolgt zu einer Zeit, in der die bei Anlagenstillstand entstehende Hitze sonst die Solarkollektoren eher schädigt.  
Anzumerken ist, dass bei einer ungüns­tigen Anlagenkonfiguration das Ziel der Reduktion von schädlichen Emissionen verfehlt werden kann. Daher ist einer sorgfältigen Anlagenauslegung und einer effizienten Technik hohe Aufmerksamkeit zu schenken. In der solarthermisch gestützten Kaltwassererzeugung haben die Randbedingungen des Anlagenbetriebes sowie die eingesetzte Kältetechnik einen determinierenden Einfluss auf die notwendige Kollektortemperatur und damit auf den Kollektortyp. Diese Randbedingungen sind beispielsweise:

• Art der Kühlanwendung (Flächenkühlung, Umluftkühlung, Prozesskühlung) und damit der Kälteträgertemperatur;
• gewünschte oder mögliche Art der Rückkühlung (nass, trocken),
• eingesetzte thermisch angetriebene Kältetechnik (thermische Leistungszahl und Prozessqualität);
• Standort (Außentemperatur).

Zusätzliche Anlagenkomponenten können zudem notwendig sein, wie Speicher und weitere Wärme- oder Kälteversorger.
Aussagen über die Wirtschaftlichkeit von solarer Klimatisierung sind vom konkreten Einzelfall abhängig. Generell vorteilhaft für die Wirtschaftlichkeit sind zusätzliche Abnehmer der solaren Wärme (Erwärmung von Brauchwasser, Heizungsunterstützung oder Prozesswärme). Außerdem sollte die angetriebene Kälteversorgung nicht auf Spitzenlastdeckung ausgelegt sein und – sofern mit Komfortansprüchen vereinbar – sollte auf ein Kälte-Backup verzichtet werden. Viele hilfreiche Informationen zum Thema und einen Leitfaden zur Anlagenplanung mit zahlreichen Details für Planer, Gebäudeausstatter und Installateure bietet ein Planungsleitfaden des Fraunhofer ISE.       

Beispiele und Möglichkeiten
Die Anzahl weltweit installierter Anlagen zur solarthermischen Kühlung beläuft sich etwa auf grob 1000 (2012). Die installierte Kälteleistung umspannt dabei einen großen Bogen von 5 kW bis zu einigen MW Nennkälteleistung. Dementsprechend variiert auch die Kollektorfläche von einigen 10 m² bis zu mehreren 1000 m². Und ebenso unterschiedlich sind somit die realisierten Anlagenkonzepte.
Eine Erhebung der International Energy Agency (IEA) aus dem Jahre 2011 identifiziert 288 Anlagen zur solarthermischen Heizung und Klimatisierung weltweit. 60% davon haben danach ihren Standort in Spanien. Hinsichtlich der Verteilung von Klimatisierung im kleineren Leistungsbereich bis 20 kW mit Absorption und Adsorption ergibt sich das folgendes Bild. Vor allem in Ländern mit hoher Solarstrahlung und damit hohen Antriebstemperaturen wie Spanien und Portugal weist die Absorption noch deutlich höhere Marktanteile auf. In Ländern mit strahlungsbedingt niedrigen Antriebstemperaturen wie Deutschland, Österreich und Frankreich dagegen nimmt der Marktanteil der Adsorptionstechnik zu.  
Im Rahmen des Förderprogramms Solarthermie 2000plus wurden fünf Anlagen gefördert, die ebenfalls eine große Bandbreite haben. Die Betriebsergebnisse aus diesen Anlagen sind ausführlich im Schlussbericht „Solarthermie 2000plus: Wissenschaftlich Programmbegleitung und Begleitforschung Solarthermische Gebäudeklimatisierung“ dargestellt. Viele industrielle Anbieter und Marktakteure der solarthermischen Kühlen zeigen in ihrer Außendarstellung ebenfalls Referenzen.
In der folgenden Übersicht sind exemplarisch einige wenige Anlagen aufgeführt.

Kühlung eines Unterrichtsraums an der Richard-Fehrenbach Gewerbeschule Freiburg:
• Demonstrationsanlage im Projekt SolCooSys
- 32 m² Kollektorfläche (19 m² Flachkollektoren und 13 m² Vakuumröhrenkollektoren),
- 8 kW Adsorptionskältemaschine,
- Fernwärmenetz mit Wärmebackup,
- Kühlung/Heizung über Gebläsekonvektoren und Fußbodenheizung,
- Wärmepumpenbetrieb im Winter möglich.

Kühllager zur Lebensmittellagerung:
•Demonstrationsanlage im Projekt AgroKühl
- 88 m² Fresnel-Kollektor,
- 12 kW Wasser-Ammoniak-Kältemaschine,
- 53 kWh Latentwärmespeicher,
- 2 x 300 l Eisspeicher,
- 100 m³ Kühllager.

Warmwasserbereitung und solare Kühlung in Montpellier/Südfrankreich
•Hybridsystemkonzept:
- Versorgung von Wohnungen und Büros/Geschäften,
- Warmwasseraufbereitung im Winter,
- Kühlung (und WW) im Sommer,
- 240 m² Flachkollektoren, doppeltverglast,
- 35 kW Absorptionskältemaschine,
- Solarkreis mit Wasser-Glykol als Drainback-System,
- 1500 l Warmwasserspeicher.

Beispiele großer Anlagen:  
FESTO, Berkheim, Deutschland
- 1218 m² Kollektorfläche,
- 1,05 MW (3 Adsorptionskälteanlagen).
 
Sun-Moon Mansion Buildung, China
- 5024 m² Kollektorfläche
- 0,5 MW Absortionskältemaschine.

United World College, Singapur
- 3900 m² Kollektorfläche,
- 1,47 MW Absorptionskältemaschine.

Desert Mountain High School, Arizona, USA
- 5000 m² Kollektorfläche.
- 1,75 MW Absorptionskältemaschine.

Fazit und Ausblick
Die solare Kühlung in Deutschland ist derzeit noch ein Nischenmarkt mit geringen Wachstumsraten. Dabei ergeben sich durchaus gute Betätigungsfelder für deutsche Firmen. So steigt der Klimatisierungsbedarf auch in Deutschland. Große Kollektorfelder könnten im Sommer auch zur Kühlung genutzt werden. In Deutschland ist aber auch bei wachsendem Bedarf an Klimatisierung die Zahl an Vollbenutzerstunden stark limitiert. Dennoch sieht das Fraunhofer ISE thermisch angetriebene Verfahren auch für Deutschland als wichtig an, vor allem in Form der Sorptions-Wärmepumpe sowie der Sorptions-Kälte in Verbindung mit Abwärme BHKW, Fernwärme und auch Solarwärme. Weltweit besteht ein erhebliches Potenzial in Verbindung mit Gesamtlösungen für unterschiedliche Wärmeanwendungen in Gebäuden und industriellen Prozessen. Hier können deutsche Firmen Lösun-
gen für Anwendungen im Ausland entwickeln.

Quelle: Fraunhofer ISE

Umweltfreundliche Kältemittel
Die heute eingesetzten Kältemittel in den Split-Geräten haben zwar kein Ozongefährdungspotenzial mehr wie einst FCKW, aber ein erhebliches Treibhausgaspotenzial. So trägt das häufig verwendete HFKW R-404A, ein fluorierter Kohlenwasserstoff,  rund 3900-mal stärker zum Treibhauseffekt bei als Kohlenstoffdioxid. Aufgrund der klimaschädlichen Wirkung sehen sich diese Kältemittel einer Verbotsdiskussion ausgesetzt. Daher wurden FKW und HFKW 1997 als Treibhausgase in das Kyoto-Protokoll aufgenommen. Seit Beginn 2015 hat die EU eine neue F-Gase-Verordnung verabschiedet, die Vorgaben hinsichtlich der Verwendung von FKW und HFKW macht und auf eine Verminderung ihrer Emissionen abzielt. Die solare Kühlung stellt eine nachhaltige, innovative Alternative dar, denn sie verwendet umweltfreundliche Kältemittel wie Wasser und Ammoniak.