Klimatisierung, Kühlung und Klimaschutz: Technologien, … · 2007. 2. 2. · Stirling Prozess Vuilleumier Prozess Abbildung 1: Unterschiedliche Prozesse zur Kälteerzeugung Neben

Klimatisierung, Kühlung und Klimaschutz: Technologien, Wirtschaftlichkeit und CO2-

Reduktionspotenziale

Materialband Stand der Technologie, Wirtschaftlichkeit, Potenziale, Emissionen und Fallstudien

Verfasser:

DI Dr. Günter R. Simader

DI Dr. Christian Rakos

Wien, 07.03.2005

DANKSAGUNG

Für die Mitarbeit an diesem Materialband sei insbesondere folgenden Personen und Or-ganisationen an dieser Stelle gedankt:

DI Dr. Richard Krotil (Fachhochschulstudiengänge Burgenland Ges.m.b.H.)

Ing. Ferenczy (Haustechnik Planungsgesellschaft m.b.H.)

DI Dr. Erich Podesser (Joanneum Research)

DI Olivier Pol, DI Michael Neuhäuser (Arsenal Research)

DI Dr. Christian Eckl

DI Johanna Pucker

Georg Trnka

Impressum

Herausgeberin: Österreichische Energieagentur – Austrian Energy Agency, Otto-Bauer-Gasse 6, A-1060 Wien; Tel. +43 (1) 586 15 24, Fax +43 (1) 586 15 24 - 40; E-Mail: [email protected], Internet: http://www.energyagency.at

Für den Inhalt verantwortlich: Dr. Fritz Unterpertinger

Gesamtleitung: Dr. Christian Rakos (bis 31. Juli 2004), Dr. Günter R. Simader (ab 1. September 2004)

Lektorat: Dr. Margaretha Bannert

Layout: Mag. Reinhard Jellinek

Herstellerin: Österreichische Energieagentur

Verlagsort und Herstellungsort: Wien

Nachdruck nur auszugsweise und mit genauer Quellenangabe gestattet. Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier.

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Inhaltsverzeichnis

1 Allgemein ....................................................................................................................1 1.1 Allgemeines zur Kältetechnik ......................................................................................... 1 1.2 Anwendungsmöglichkeiten............................................................................................. 5 1.3 Emissionsbewertungen und -berechnungen ................................................................ 6 1.4 Kältemittelproblematik..................................................................................................... 8 1.5 Prozessarten für wärmebetriebene Kühltechnologien............................................... 10

1.5.1 Kompressionsprozess............................................................................................. 10 1.5.2 Absorptionsprozess ................................................................................................ 11 1.5.3 Geschlossener Adsorptionsprozess ....................................................................... 13 1.5.4 DEC-Prozess/Offener Adsorptionsprozess ............................................................ 15

2 Technologiestand wärmegetriebener Kälteanlagen .............................................17 2.1 Lithiumbromid/Wasser-Absorptionsanlagen .............................................................. 17

2.1.1 Einstufige warmwasserbetriebene LiBr/H2O-Anlagen ............................................ 18 2.1.1.1 Kälteleistung......................................................................................................... 19 2.1.1.2 Kaltwassertemperatur .......................................................................................... 19 2.1.1.3 Temperaturniveau der Antriebswärme................................................................. 19 2.1.1.4 COP...................................................................................................................... 19 2.1.1.5 Abmessungen und Gewicht ................................................................................. 19 2.1.2 Zweistufige dampfbetriebene LiBr/H2O-Anlagen .................................................... 21 2.1.3 Kälteleistung............................................................................................................ 21 2.1.3.1 Kaltwassertemperatur .......................................................................................... 21 2.1.3.2 Temperaturniveau und Druck der Antriebswärme ............................................... 22 2.1.3.3 COP...................................................................................................................... 22 2.1.3.4 Abmessung und Gewicht ..................................................................................... 22 2.1.4 SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlagen .................................................................................. 22 2.1.4.1 Kälteleistung......................................................................................................... 24 2.1.4.2 Kaltwassertemperaturen ...................................................................................... 24 2.1.4.3 Temperaturniveau der Antriebswärme................................................................. 24 2.1.4.4 COP...................................................................................................................... 25 2.1.4.5 Abmessungen und Gewicht ................................................................................. 25

2.2 Wasser/Ammoniak-Absorptionsanlagen ..................................................................... 25 2.2.1.1 Kälteleistung......................................................................................................... 26 2.2.1.2 Kühltemperaturen................................................................................................. 26 2.2.1.3 Temperaturniveau der Antriebswärme................................................................. 26 2.2.1.4 COP...................................................................................................................... 26 2.2.1.5 Abmessungen und Gewicht ................................................................................. 26

2.3 Silicagel/Wasser-Adsorptionsanlagen......................................................................... 26 2.3.1.1 Kälteleistung......................................................................................................... 27 2.3.1.2 Kaltwassertemperatur .......................................................................................... 27 2.3.1.3 Temperaturen der Antriebswärme ....................................................................... 27 2.3.1.4 COP...................................................................................................................... 28 2.3.1.5 Abmessungen und Gewicht ................................................................................. 28

2.4 DEC-Anlagen................................................................................................................... 28 2.4.1.1 Luftvolumenstrom................................................................................................. 29 2.4.1.2 Kühlleistung.......................................................................................................... 29 2.4.1.3 Sorptionsrotor....................................................................................................... 30 2.4.1.4 Regenerationstemperatur .................................................................................... 30

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2.4.1.5 Kühltemperatur..................................................................................................... 30 2.4.1.6 COP...................................................................................................................... 30 2.4.1.7 Abmessungen und Gewicht ................................................................................. 30

2.5 Perspektiven und neue Entwicklungen........................................................................ 31 2.5.1 Absorptions- und Adsorptionsanlagen .................................................................... 31 2.5.2 Sorptionsgestützte Klimatisierung........................................................................... 33

2.6 Technologiestand im Überblick .................................................................................... 35 2.6.1 Vor- und Nachteile wärmegetriebener Anlagen...................................................... 35 2.6.1.1 Vorteile von Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen ..................................... 35 2.6.1.2 Nachteile von Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen................................... 36 2.6.1.3 Vorteile von DEC-Anlagen ................................................................................... 36 2.6.1.4 Nachteile von DEC-Anlagen ................................................................................ 37

3 Wirtschaftlichkeit und Emissionen anhand von Fallbeispielen .......................... 38 3.1 Allgemein......................................................................................................................... 38 3.2 Methodische Annahmen für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen.......................... 38

3.2.1 Systemabgrenzung ................................................................................................. 38 3.2.2 Berechnungsgrundlagen......................................................................................... 39 3.2.3 Annuitätsmethode ................................................................................................... 39 3.2.3.1 Berechnungsgrundlagen/Formeln........................................................................ 40 3.2.3.2 Wirtschaftliche Rahmenbedingungen .................................................................. 42 3.2.4 Sensitivitätsanalyse................................................................................................. 43

3.3 Fallbeispiele .................................................................................................................... 44 3.3.1 DEC-Anlage im Ökopark Hartberg.......................................................................... 45 3.3.1.1 Allgemeine Projektbeschreibung.......................................................................... 45 3.3.1.2 Technische Daten ................................................................................................ 49 3.3.1.3 Wirtschaftlichkeitsberechnung ............................................................................. 50 3.3.1.4 Sensitivitätsanalyse.............................................................................................. 54 3.3.1.5 Emissionsberechnungen...................................................................................... 56 3.3.1.6 Anhang ................................................................................................................. 58 3.3.2 Fernwärmebetriebene Komfortklimaanlage............................................................ 65 3.3.2.1 Beschreibung des Kühlobjekts und des Kältesystems ........................................ 65 3.3.2.2 Technische Daten ................................................................................................ 68 3.3.2.3 Wirtschaftlichkeitsberechnung ............................................................................. 70 3.3.2.4 Sensitivitätsanalyse.............................................................................................. 74 3.3.2.5 Emissionsberechnungen...................................................................................... 76 3.3.2.6 Anhang ................................................................................................................. 78 3.3.3 Einkaufszentrum Salzburg ...................................................................................... 83 3.3.3.1 Objektbeschreibung ............................................................................................. 83 3.3.3.2 Technische Daten ................................................................................................ 84 3.3.3.3 Betriebsweise ....................................................................................................... 86 3.3.3.4 Wirtschaftlichkeitsberechnung ............................................................................. 87 3.3.3.5 Wirtschaftlichkeit .................................................................................................. 90 3.3.3.6 Sensitivitätsanalyse.............................................................................................. 92 3.3.3.7 Emissionsberechnungen...................................................................................... 95 3.3.3.8 Fazit...................................................................................................................... 97 3.3.3.9 Anhang ................................................................................................................. 98 3.3.4 Zentral mittels Fernwärme gekühlter Bürokomplex in Wien ................................. 101 3.3.4.1 Allgemeine Beschreibung des Objektes, des Kühlbedarfes und ihrer

Bereitstellung..................................................................................................... 101 3.3.4.2 Technische Beschreibung des Kältesystems .................................................... 101 3.3.4.3 Wirtschaftlichkeitsberechnungen ....................................................................... 103

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3.3.4.4 Emissionsberechnungen.................................................................................... 105 3.3.4.5 Fazit.................................................................................................................... 107 3.3.4.6 Anhang............................................................................................................... 108

4 Potenziale für Kühlung mit Fernwärme und Solarenergie in Österreich ..........111 4.1 Allgemeine Situation des Klimaanlagenmarktes ...................................................... 111

4.1.1 Herkömmliche Klimageräte................................................................................... 111 4.1.1.1 Dezentrale Raumklimaanlagen.......................................................................... 111 4.1.1.2 Zentrale Klimaanlagen ....................................................................................... 111 4.1.2 Weltsituation.......................................................................................................... 112 4.1.2.1 Aufbau des Weltklimaanlagenmarktes............................................................... 112 4.1.2.2 Entwicklung des Weltklimaanlagenmarktes....................................................... 113 4.1.2.3 Klimatisierte Gebäude: Beispiel des USA-Marktes............................................ 114 4.1.3 Europäische Situation ........................................................................................... 116 4.1.3.1 Aufbau des europäischen Klimaanlagenmarktes............................................... 116 4.1.3.2 Entwicklung des europäischen Klimaanlagenmarktes....................................... 116 4.1.3.3 Südeuropäische Länder ..................................................................................... 117 4.1.3.4 Kälte- und Klimatisierungsmarkt-Segmente in Österreich ................................. 118 4.1.4 Derzeitige Situation der thermischen Klimatisierung ............................................ 119

4.2 Faktoren, die den Einsatz von thermischen Kälte- und Klimaanlagen fördern ..... 120 4.2.1 Exkurs: Notwendige Investitionen für Stromversorger und Verbraucher –

Substitution durch kleine fernwärmebetriebene Absorptionskälteanlagen........... 121 4.2.2 Entwicklung des Gebäudebestandes ................................................................... 122

4.3 Österreichische Potenziale und Emissionsreduktionen der thermischen Kühlung und Klimatisierung....................................................................................................... 124

4.3.1 Gebäudekategorien und Anlagetypen .................................................................. 124 4.3.2 Potenziale der Kühlung mit Fernwärme und Solarenergie und der damit

verbundenen CO2 Einsparungen in Österreich .................................................... 126 4.3.2.1 Potenziale in Bürogebäuden.............................................................................. 130 4.3.2.2 Emissionseinsparungen durch den Einsatz von wärmebetriebenen

Kälteanlagen in Bürogebäuden......................................................................... 133 4.3.2.3 Potenziale in Hotels ........................................................................................... 138 4.3.2.4 CO2 Emissionseinsparungen durch den Einsatz von wärmebetriebenen

Kälteanlagen in Hotels ...................................................................................... 141 4.3.2.5 Potenzial in Einkaufszentren und im Lebensmittelhandel ................................. 145 4.3.2.6 Potenziale in der Industrie.................................................................................. 152 4.3.2.7 Fazit der Potenziale und Emissionsreduktionen von thermischen Kühlanlagen

in Österreich...................................................................................................... 156

5 Rahmenbedingungen für die Markteinführung von innovativen Kühltechnologien ...................................................................................................161 5.1 Relevante EU Legislativen........................................................................................... 161

5.1.1 Gebäude Richtlinie................................................................................................ 161 5.1.2 Richtlinie 2004/8/EG über die Förderung einer am Nutzwärmebedarf orientierten

Kraft-Wärme-Kopplung im Energiebinnenmarkt ................................................... 163 5.1.3 6. FTE Rahmenprogramm der EU........................................................................ 164 5.1.4 Intelligent Energy – Europe................................................................................... 165

5.2 Nationale und länderspezifische Förderinstrumente ............................................... 165 5.2.1 Umweltförderung Inland........................................................................................ 165 5.2.2 Forschung und technologische Entwicklung (FTE) .............................................. 166 5.2.3 Fördermöglichkeiten im Rahmen des Programms „Energiesysteme der Zukunft“167 5.2.4 Förderinstrumente der Bundesländer ................................................................... 168

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6 Schlussfolgerungen und Empfehlungen für Pilotprojekte ................................ 169

7 Literatur................................................................................................................... 175

8 Anhang.................................................................................................................... 179 8.1 Anhang 1: Herstellerliste ............................................................................................. 179 8.2 Anhang 2: Stand der Forschung................................................................................. 181

8.2.1 IEA Programme..................................................................................................... 181 8.2.1.1 IEA District Heating & Cooling /DHC.................................................................. 181 8.2.1.2 IEA Solar Heating & Cooling, Task 25 „Solar assisted Air Conditioning of

Buildings“........................................................................................................... 182 8.2.1.3 Österreichische Beteiligung am IEA SHC Task 25 ............................................ 183 8.2.1.4 Task 24 Subtask C: Technologie ....................................................................... 184

8.3 Anhang 3: EU-Projekte................................................................................................. 184 8.3.1 Projekte zu Absorptionskälte, KWKK, Fernkälte................................................... 184 8.3.2 Projekte zur Solaren Kühlung ............................................................................... 192

8.4 Anhang 4: Forschungsinstitutionen........................................................................... 197 8.4.1 Österreich.............................................................................................................. 197 8.4.1.1 arsenal research................................................................................................. 197 8.4.1.2 TU Graz, Institut für Wärmetechnik.................................................................... 197 8.4.1.3 JOANNEUM RESEARCH .................................................................................. 198 8.4.1.4 Fachhochschule Pinkafeld ................................................................................. 198 8.4.2 Internationale Forschungseinrichtungen............................................................... 199 8.4.2.1 Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ........................................... 199 8.4.2.2 Fraunhofer Institut Systemtechnik und Innovationsforschung ........................... 199 8.4.2.3 Fachhochschule Stuttgart, Hochschule für Technik........................................... 199 8.4.2.4 AE Bayern Bayer. Zentr. F. Angewandte Energieforschung e. V. ..................... 200 8.4.2.5 TU Dresden Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik ............................................. 200 8.4.2.6 Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. ....................................................................... 200 8.4.2.7 Institut für Lüftung und Klima ............................................................................. 200 8.4.2.8 Forschungsrat Kältetechnik................................................................................ 201

8.5 Anhang 5: Referenzprojekte mit Fernkälte ................................................................ 203 8.5.1 München Airport.................................................................................................... 203 8.5.2 SWM Fernkälte f. Forschungs- und Innovationszentr. der BMW Group .............. 203 8.5.3 Fernkältenetz Chemnitz ........................................................................................ 203 8.5.4 Kälteerzeugung mit Fernwärme Verwaltungsgebäude Karlsruhe ........................ 203 8.5.5 Fernkältenetz Gera ............................................................................................... 203 8.5.6 Fernkälte mit Absorptions-WP aus Kehrichtwärme Hauptbahnhof SBB Bern...... 204 8.5.7 USA: District Cooling............................................................................................. 204 8.5.8 District Cooling in Stockholm Using Sea Water .................................................... 205

8.6 Anhang 6: Beispiele von einigen bereits realisierten solar unterstützten Klimaanlagen ................................................................................................................ 205

8.7 Anhang 7: Kurzbeschreibung der Raumklimaanlagen............................................. 207

Allgemein

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1 Allgemein

1.1 Allgemeines zur Kältetechnik

Unter Kältetechnik versteht man die Technik, für einen begrenzten Bereich eine im Ver-gleich zu den benachbarten Bereichen tiefere Temperatur zu erzeugen, aufrecht zu erhal-ten und auszunutzen. Dafür ist Kühlung erforderlich. Kühlung oder Kälteerzeugung ist der Entzug von Wärme aus einem begrenzten Bereich [L 1].

Ein weiterer Begriff, der oft mit Kältetechnik in Verbindung gebracht wird, ist die Klimati-sierung. Klimatisierung ist die Erzeugung eines erwünschten Raumklimas. Das umfasst nicht nur die Bereitstellung einer bestimmten Raumtemperatur, sondern auch die Einhal-tung bestimmter Werte für Feuchte, Reinheit und Zusammensetzung der Luft [L 2].

Klimatisierung wird mit Hilfe von Klimaanlagen erreicht. Klimaanlagen sind raumlufttechni-sche (RLT) Anlagen mit einer Lüftungsfunktion und den Luftbehandlungsfunktionen Hei-zen, Kühlen, Befeuchtung und Entfeuchten [L 4]. D.h. die Kältetechnik ist nur ein Teilbe-reich der Klimatisierung.

Kälteerzeugung wird auch in anderen Bereichen als der Klimatisierung, z.B. zur Kühlung von Lebensmitteln, zur Transportkühlung, zur Verflüssigung von Gasen oder zur Rückge-winnung von Lösungsmitteln eingesetzt.

Für das Kühlen ist eine technische Einrichtung erforderlich, sogenannte Kältemaschinen oder Kälteanlagen. Die Funktionsweise dieser Maschinen kann auf unterschiedlichen Prozessen zur Kälteerzeugung basieren.

Nach der grundsätzlichen physikalischen Art der Kälteerzeugung wird zwischen Kalt-dampfprozessen und Kaltgasprozessen unterschieden. Bei Kaltdampfprozessen erfolgt nach der Kondensation des Kältemittels die Entspannung aus der Flüssigphase in das Nassdampfgebiet. Bei Kaltgasprozessen wird ein gasförmiges Arbeitsmedium expandiert [L 2].

Kaltdampf- und Kaltgasmaschinen können entweder mit mechanischer Energie oder mit thermischer Energie angetrieben werden. Abbildung 1 gibt einen Überblick über unter-schiedliche Kälteprozesse, eingeteilt nach Kaltdampf- oder Kaltgasmaschinen und An-triebsart.

Klimatisierung, Kühlung und Klimaschutz: Technologien, Wirtschaftlichkeit und CO2-Reduktionspotenziale

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Kälteprozesse

Kaltdampfmaschine Kaltgasmaschine

Mechanischer Antrieb

Thermischer Antrieb

Mechanischer Antrieb

Thermischer Antrieb

Absorptionsprozess

Kompressionsprozess

Adsorptionsprozess Dampfstrahlprozess

Joule Prozess Stirling Prozess

Vuilleumier Prozess

Abbildung 1: Unterschiedliche Prozesse zur Kälteerzeugung

Neben den Kühltechnologien lassen sich weiters die Kältenetze in drei Kategorien eintei-len. Dabei ist die Betriebstemperatur der Einteilungsmaßstab. In Abbildung 2 sind die drei Arten in Abhängigkeit der Betriebstemperatur dargestellt. Sie lassen sich untergliedern in Netze für Klimakälte (+ 15 °C bis + 3 °C), Gewerbekälte (+ 7 °C bis - 37 °C) und Tieftem-peratur (< - 35 °C).

Abbildung 2: Anwendungsbereiche von Kälte [L 3]

Die in den Fallbeispielen, die in dieser Studie behandelt werden, eingesetzten Maschinen sind thermisch angetriebene Kaltdampfmaschinen und arbeiten mit dem Absorptions- oder dem Adsorptionsprozess. Sie werden mit dem den Markt dominierenden Kompressi-onsprozess verglichen. In Folge werden die Grundschaltungen dieser Prozesse beschrie-ben.

Der größte Markt für Kaltdampfmaschinen (Ab- und Adsorptionsanlagen) liegt im asiati-schen Raum. Dort werden derartige Anlagen als Alternative für elektrisch angetriebene Maschinen eingesetzt.

Technologieführer für Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen ist Japan. Weltweit wer-den derzeit ca. 8.600 Absorber pro Jahr hergestellt. Davon werden 30% in Japan, 35% in China und 20% in Korea produziert. Die meisten in Japan installierten Absorber sind mit

Allgemein

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Gas oder Öl direkt beheizt. Im Sommer werden sie zum Kühlen eingesetzt und im Winter zum Heizen [L 13]. Serienreife Adsorptionsanlagen werden nur von zwei japanischen Herstellern angeboten.

Der zweitwichtigste Markt für wärmebetriebene Kälteanlagen ist Nordamerika. Der euro-päische Markt ist derzeit im Vergleich zum asiatischen und amerikanischen sehr klein und eher unbedeutend.

Der Stand der Technik der am europäischen Markt verfügbaren Kälteanlagen wurde durch Informationen von 12 Kälteanlagenherstellern aus Deutschland und Österreich er-mittelt und durch weitere Informationsquellen, wie aktuelle Tagungsunterlagen über Küh-lung mit Wärme, ergänzt. Die Herstellerinformationen wurden im April und Mai 2004 ein-geholt.

Am betrachteten Markt werden derzeit folgende Anlagen, die mit Wärme angetrieben werden können, angeboten:

Lithiumbromid/Wasser-Absorptionsanlagen

Wasser/Ammoniak-Absorptionsanlagen

Silicagel/Wasser-Adsorptionsanlagen

DEC-Anlagen

Die Antriebswärme kann einerseits durch fossile Energieträger abgedeckt werden, ande-rerseits auch durch erneuerbare Energieträger (Solarenergie, Biomasse, u.U. Biogas) oder Abwärme aus Industrieprozessen bzw. Wärme aus Fernwärme- und Müllverbren-nungsanlagen. Optimale Antriebsbedingungen für wärmebetriebene Kühltechnologien werden bei der Anbindung an eine Gasturbine mit direkter Nutzung der Abgaswärme bzw. über eine Dampfauskopplung erzielt. In Verbindung mit Motor-BHKW werden insbesonde-re heißgekühlte BHKW Anlagen eingesetzt. Bei diesen Anlagen können Vorlauftempera-turen von 120 °C für die Kühltechnologien eingesetzt werden.

In den letzten Jahren wurden Entwicklungen forciert, die die Verwendung von Solarener-gie und von Fernwärme zum Ziel hatten.

Solares Kühlen

Typische Einsatzgebiete von Solarkollektoren sind üblicherweise die Warmwasserberei-tung im Sommer, bzw. die teilsolare Wärmeversorgung im Winter bzw. in der Übergangs-zeit. Werden Solarkollektoren zusätzlich für die Kühlung bzw. Klimatisierung herange-zogen, kann der Energieertrag der Solaranlagen weiter gesteigert werden. Das Ziel einer solarunterstützten Kühlung sollte eine möglichst hohe Einsparung an Primärenergie sein. Bis dato wurden vorwiegend Demonstrationsanlagen errichtet, die die Grundlasten von Objekten gedeckt haben. Die Mittel- und Spitzenlasten wurden entweder mit anderen Wärmequellen (B. Abwärme, Backup Kesselsysteme, Fernwärme, Nahwärme aus Bio-masse-Anlagen, etc.) oder in Kombination mit konventionellen Kühlsystemen gedeckt. Die durchschnittlichen Solarstrahlungen reichen weiters nicht aus um Kälte zu generieren (beispielsweise für gewerbliche Anwendungen).

In der Praxis existieren bereits eine Anzahl von Pilot- und Demonstrationsanlagen. In Eu-ropa gibt es derzeit zur solaren Klimatisierung ca. 65 Anlagen mit einer installierten Kälte-leistung von 5,7 MW [L 35]. Wie aus Abschnitt 2.5 ersichtlich wird, werden auch einige Forschungsprojekte und neue Entwicklungen im Bereich Solarer Kühlung durchgeführt.


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Mit solarer Klimatisierung beschäftigte man sich bereits in den 1980er Jahren besonders in Japan und den USA. Auf Grund von hohen Kosten und einer schlecht entwickelten Kol-lektortechnik konnte damals kein breiter Einsatz der Technologie erreicht werde. In den letzten fünf Jahren wurde das Thema wieder neu aufgegriffen und weiterbearbeitet. Die Hauptaktivitäten finden diesmal in Europa statt. Die Interessenten sind einerseits Anwen-der und Nutzer und andererseits die Solarindustrie, die neue Möglichkeiten für den Ein-satz von Solarkollektoren sucht [L 27]. Nach wie vor steht die technologische Weiterent-wicklung im Vordergrund (Standardisierung von Komponenten, Marktüberführung, etc.), die Senkung der Investitions- und Wartungskosten sowie die Entwicklung von Planungs-tools im Vordergrund welche eine optimierte Systemauslegung zum Ziel haben.

Fernwärme

Mit der Fernwärme-Kälte können – insbesondere im Sommer – Lasttäler von Fern- und Nahwärmenetzen aufgefüllt werden.1 Korrespondierend dazu können Lastspitzen in der Stromerzeugung („supply-side“ Management) bzw. im Strombezug („demand-side“ Mana-gement) abgebaut werden. Die Klimatisierung wird – zusätzlich zur Heizung und Warm-wasserbereitstellung – zum Wärmeverbraucher. Damit steigen auch die Betriebsstunden bzw. der Brennstoffnutzungsgrad des KWK Systems bzw. des Kraftwerkparks. Der Ein-satz von Fernwärme in Fernkältenetzen ist vorwiegend in räumlich begrenzten Regionen mit konzentriertem Kältebedarf z. B. in Dienstleistungszentren von Interesse. Einzelanla-gen können üblicherweise mit konventionellen Anlagen aus wirtschaftlichen Gründen nicht konkurrieren (siehe hierzu die Fallbeispiele in Salzburg und Wien in den Kapiteln 3.3.3 und 1.1.1). Fernkälteanlagen stehen im Wettbewerb mit konventionellen Kältetechnolo-gien. Der Investor/Kältekunde sucht letztlich eine preiswerte und sichere Lösung für seine Kälteversorgung, die er mit einem Kältedienstleister oder mit der eigenen Anlage tech-nisch-wirtschaftlich optimal realisieren wird. Positiv kann die Fernkälte durch Contracting- oder Nutzenergiekonzepte und die systematische Erschließung des Kältemarktes über kommunale oder lokale Kälteversorgungskonzepte beeinflusst werden.

Hinsichtlich des vorhandenen Temperaturniveaus hat die Fernwärme den Vorteil, dass sie bei konstantem Temperaturniveau zur Verfügung steht, allerdings liegen die Vorlauftem-peraturen in Fernwärmenetzen im Sommer oft nur bei ca. 70°C. Für den Antrieb von be-stimmten Kältemaschinen sind diese Temperaturen bereits zu niedrig oder an der unteren Grenze. Die Fernwärme Wien kann im Gegensatz hierzu in bestimmten Netzgebieten bereits Vorlauftemperaturen von > 95°C anbieten.

Insbesondere beim Fernwärme-Einsatz für Kühlzwecke wurde in den letzten Jahren eine Anzahl von Projekten in Europa realisiert. Beispielsweisen kann in Stockholm auf ein Ver-sorgungsgebiet (vorwiegend in Bürokomplexen) von 7.000.000 m2 und ein Kältenetz mit 76 km Länge verwiesen werden (siehe hierzu auch Anhang 5 in Kapitel 8.5).

1 Die bisher realisierten Fernkältenetze (mit Absorptionskältemaschinen) sind i.G. zu den Fernwärmenetzen

noch nicht sehr weitreichend und bedienen eher Bezirke oder Gruppen von Bürogebäuden: der passende Begriff für diese Systeme würde eher „Nahkälte“ sein. Die Kälteleistungen in den Netzen liegen üblicher-weise zwischen 1 MW bis 20 MW.

Allgemein

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1.2 Anwendungsmöglichkeiten

Bisher werden für die Gebäudeklimatisierung hauptsächlich Kompressionskältemaschinen eingesetzt. Die früher ozonschädigenden Kältemittel dieser Anlagen wurden durch teilfluo-rierte bzw. durch gänzlich FCKW-freie Ersatzstoffe substituiert, die allerdings nicht un-problematisch sind für das Erdklima (siehe hierzu auch Abschnitt 1.3). Weiters weisen Kompressionskältemaschinen einen hohen Strombedarf auf, der u.A. zu Spitzenlastzeiten abgerufen wird.

Neben den Kompressionskälteanlagen gibt es auch zahlreiche Anwendungen basierend auf wärmebetriebenen Kältemaschinen. Sie können überall dort sinnvoll eingesetzt wer-den, wo Kälteanlagen größerer Leistungen benötigt werden und kostengünstige Wärme-quellen vorhanden sind, wie etwa:

Abwärme von KWK- bzw. BHKW-Anlagen (die einerseits mit fossilen bzw. biogenen Brennstoffen betrieben werden können)

Abwärme von Produktionsprozessen

Nahwärme und Fernwärme

Wärme aus Solarenergie

Wärme aus Geothermie

Steht Abwärme höherer Temperaturen zur Verfügung, so ist die Kälteproduktion mit wär-megetriebenen Kälteanlagen in Kombination mit Abwärmenutzung aus energetischer Sich besonders sinnvoll. Einsatzgebiete von wärmebetriebenen Kältemaschinen sind:

Verwaltungsgebäude, Büroräume und Versammlungsräume

Krankenhäuser

Flughäfen

Lebensmittelindustrie inkl. Molkerein und Brauereien

Supermärkte

Hotels und Gasthäuser

Theater- und Konzertsäle, Kinos

Bibliotheken

Industriebetriebe

Einkaufszentren

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für wärmebetriebene Kältemaschinen sind jene Ge-biete, wo Strom sehr teuer ist bzw. keine gesicherte Stromversorgung vorhanden ist. Das kann in der Dritten Welt der Fall sein oder in ehemaligen Kriegsgebieten.

Ob der Einsatz von wärmegetriebenen Kälteanlagen wirklich eine Alternative für Kom-pressionskälteanlagen ist, ist für jeden Fall einzeln zu analysieren. Dabei sind energeti-sche, ökologische und ökonomische Aspekte zu beachten. In Abschnitt 3 wird für unter-schiedliche Fallbeispiele auf die Wirtschaftlichkeit von einzelnen wärmebetriebenen Käl-teanlagen genauer eingegangen. Weitere Informationen zu wärmebetriebenen Kältema-schinen finden sich im Kapitel 0 Potenziale für Kühlung mit Fernwärme und Solarenergie in Österreich.


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1.3 Emissionsbewertungen und -berechnungen

Für die quantitative Beurteilung von Kompressionskälteanlgen wurde eine eigene Berech-nungsmethode bzw. -Zahl entwickelt (die sogenannte TEWI Zahl, wobei TEWI für „Total Equivalent Warming Impact“ steht), mit der die Auswirkungen auf den Treibhauseffekt beim Betrieb von Kälteanlagen individuell beurteilt werden können (siehe hierzu auch Abbildung 3).

Abbildung 3: Berechnungsmethode für TEWI Kennwerte (Quelle: Bitzer, 2004)

Grundsätzlich ist anzumerken, dass alle halogenierten Kältemittel, einschließlich der chlorfreien HFKW, zur Kategorie der Treibhausgase zählen (unterschiedlich zu den Stoff-paaren, die in wärmebetriebenen Kälteanlagen eingesetzt– siehe hierzu Tabelle 4). Eine Emission dieser Stoffe in Form von Leckagen bzw. Verlusten bei der Rückgewinnung trägt zum Treibhauseffekt bei. Der höchste Anteil am Treibhauseffekt einer Klimatisie-rungsanlage stammt allerdings von den indirekten Emissionen durch die Energieerzeu-gung (dies sind rund 75 bis 90 % basierend auf den Annahmen des Beispiels in nachfol-gender Abbildung).

Abbildung 4: Beispiel eines Vergleichs von TEWI Kennwerten basierend auf dem Kühl-mittel R134 a unter Berücksichtigung verschiedener Kältemittelfüllungen und Energie-verbräuchen (Quelle: Bitzer, 2004)

Die Emissionsbewertungen und –berechnungen für die Emissionen der Energiebereitstel-lung in diesem Projekt werden mittels des GEMIS Programms durchgeführt. GEMIS, vom deutschen Öko-Institut und der Gesamthochschule Kassel Ende der 80-ziger Jahre entwi-ckelt, ist ein computergestütztes Instrument, mit dem die Umweltauswirkungen von unter-

Allgemein

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schiedlichen Energiesystemen einfach, präzise und vor allem umfassend berechnet und miteinander verglichen werden können. Das Modell wurde vom Umweltbundesamt in Ös-terreich eingeführt und für die Situation hierorts adaptiert. Es finden sich in GEMIS-Österreich daher auch für Österreich spezifische Datensätze (z.B. zur Strom- und Fern-wärmeversorgung, zu Heizsystemen, Energieträgern, Kosten, …), die die österreichi-schen Verhältnisse widerspiegeln und daher eine Anwendung des Computermodells für Fragestellungen in Österreich ermöglichen.

GEMIS berücksichtigt von der Primärenergie- bzw. Rohstoffgewinnung bis zur Nutzener-gie bzw. Stoffbereitstellung alle wesentlichen Schritte – also die gesamte „Energiekette“ – und bezieht auch den Hilfsenergie- und Materialaufwand zur Herstellung von Energiean-lagen und Transportsystemen mit ein (sogenannte „graue“ Energie). Die Datenbasis ent-hält für alle diese Prozesse Kenndaten zu Nutzungsgrad, Leistung, Auslastung, Lebens-dauer, direkten Luftschadstoffemissionen, Treibhausgasemissionen, festen Reststoffen, etc.

Mit GEMIS ist es daher möglich, die Auswirkungen von alternativen Energiebereitstel-lungssystemen auf die Gesamtemissionssituation sowohl für die Emissionssituation auf nationaler/regionaler als auch auf globaler Ebene hin zu analysieren und somit fundierte Aussagen über die Umweltauswirkungen spezifischer Investitionsentscheidungen zu tref-fen.

Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die Modellstruktur von GEMIS.

Abbildung 5: Modellstruktur bzw. Funktionsübersicht des Computerprogramms GEMIS 4.13

In GEMIS können auch Kraft-Wärme-Kopplungsprozesse (KWK) modelliert werden, die für wärmebetriebene Kühlprozesse zum Einsatz kommen. Da KWK-Prozesse mehr als ein Hauptprodukt (Strom(!) und Wärme) bereitstellen, ist eine Allokation erforderlich, um die Umwelt- und Kosteneffekte auf ein Hauptprodukt zu beziehen und den „Nebennutzen“


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des anderen Produkts durch eine Zuordnungsregel anzurechnen. In GEMIS wird in der Regel das Gutschriften-Verfahren für Nebenprodukte verwendet. Im Rahmen der Emissi-onsberechnungen wurde auf folgende Emissionsfaktoren zurückgegriffen:

Relevanz in Öster-reich (inkl. Vorkette)

Relevant außerhalb von Österreich (inkl. Vor-kette)

Gesamte Emissionen inkl. Vorkette

Emittent [kg pro erzeugter MWh elektrisch bzw. thermisch]

CO2 CO2 Äquivalente CO2

CO2 Äquivalente CO2

CO2 Äquivalente

Österreichische Kraftwerks-park (2001)

212,90 216,69 16,27 29,68 229,17 246,37

Österreichische thermischer Kraftwerkspark (2001)

674,48 685,99 69,85 115,81 744,33 801,80

Solarkollektor 8,63 8,82 13,03 11,25 19,87 21,85

Heizwerk Biomasse 30,95 42,26 3,93 4,85 34,52 47,11

Tabelle 1: Emissionsfaktoren der verschiedenen Wärme- und Stromquellen (inkl. Vor-ketten) Quelle: GEMIS

Für die Bewertungen der Fernwärme wurden Datensätze der Fernwärme Wien bzw. Salzburg AG herangezogen (siehe hierzu die Fallstudie bzw. Planungsbeispiele in den Abschnitten 3.3.3 und 3.3.3). Weiters wurde idF auf aktuelle Studien des UBA herange-zogen [L 5]. Falle von direkten Emissionen (ohne Berücksichtigung jedweder Vorketten) wurden die GHEMIS Datensätze entsprechend adaptiert. Bei der Fallstudie Wien wurde als Referenzszenario anstelle des österreichischen Kraftwerksparks die CO2-Emissionen des UCTE2 Kraftwerksparks herangezogen.

1.4 Kältemittelproblematik

FCKW und ihre Ersatzstoffe verstärken den Treibhauseffekt (neben den mengenmäßig wichtigsten Treibhausgasen CO2 und CH4). Die Klimawirksamkeit dieser Verbindungen resultiert aus den z.T. extrem langen atmosphärischen Verweilzeiten, verbunden mit einer hohen spezifischen Absorption der Moleküle im infraroten Spektralbereich. Das Treib-hauspotenzial verschiedener FCKW und ihrer Ersatzstoffe wurde vom International Panel on Climate Change (IPCC) wie in Tabelle 2 angeführt geschätzt:

2 UCTE ist die Abkürzung für „Union for the Co-ordination of Transmission of Eelctricity”

Allgemein

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Tabelle 2: Beispiele für das Treibhauspotenzial von FCKW und FCKW-Ersatzstoffen. Angegeben ist der Faktor, um den das Treibhauspotenzial für einen Betrachtungszeitraum von 100 Jahren höher ist als bei CO2. (Quelle: IPCC)

Basierend auf dem Kyoto-Protokoll und den Verpflichtungen Österreichs (Emissions-minderung treibhauswirksamer Gase in Österreich um 13 %) hat der Umweltminister im Jahr 2002 eine Verordnung erlassen, mit der die Verwendung bzw. Emission von HFKW, FKW und SF6 eingeschränkt werden soll (BGBl. II Nr. 447/2002). Die Regelungen betref-fen in erster Linie kältetechnische Anlagen aber auch (für diese Studie zwar nicht relevant aber vollständigkeitshalber angeführt) Schaumstoffe, Aerosole, Lösungsmittel, Löschmit-tel, die Elektro- und Elektronikindustrie, die Herstellung von Sportschuhen sowie die Fens-tererzeugung.

Die Verwendung von HFKW und FKW als Kälte- und Kühlmittel ist je nach Verwendungs-zweck ab den in der folgenden Tabelle genannten Terminen verboten.

Anwendungsbereich Verbotstermin

Verwendung von HFKW als Kältemittel in sämtlichen stationären und mobilen Klima-, Kühl- und Gefriergeräten (einschließlich Haushaltsgerä-ten)

1. Januar 2008 *)

Verwendung von HFKW als Kältemittel in Klima-, Kühl-, Gefriergeräten (einschließlich Haushaltsgeräten) sowie mobilen Kälte- und Klimaanla-gen, die zur Ausfuhr bestimmt sind

Keine zeitliche Be-grenzung *)

Verwendung von FKW als Kühlmittel zur Direktkontaktkühlung von Hoch-leistungselektronik

Keine zeitliche Be-grenzung *)

Verwendung von FKW als Kälte- und Kühlmittel in sonstigen Anlagen und Geräten

11. Dezember 2002

Verwendung von HFKW und FKW als Kältemittel sowie von FKW als Kühlmittel zur Instandhaltung und Wartung bereits befüllte und in Betrieb befindlicher Anlagen (Umbau technisch nicht möglich oder unverhältnis-mäßig)

Keine zeitliche Be-grenzung

Abverkauf von Geräten und Anlagen, die HFKW oder FKW enthalten 6 Monate ab dem Verwendungsverbot

*) Der Umweltminister muss im Jahr 2005 prüfen, ob nach dem Stand der Technik eine Änderung dieser Fris-ten oder weitere Ausnahmen erforderlich sind.

Tabelle 3: Verbots- bzw. Begrenzungstermine von HFKW und FKW (Quelle: BGBl. II Nr. 447/2002)


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Die Verbote von HFKW und FKW gelten auch für die Herstellung, den Bezug aus einem EU-Staat oder das In-Verkehr-Setzen für den jeweiligen Verwendungszweck sowie für das In-Verkehr-Setzen von Geräten und Anlagen, die solche Stoffe enthalten. Der Lan-deshauptmann kann auf Antrag eines Anlagenherstellers, Geräteherstellers oder Impor-teurs eine auf maximal 4 Jahre (2 Jahre plus 2 Jahre Verlängerung) befristete Ausnahme genehmigen, wenn die technische Notwendigkeit dafür nachgewiesen werden kann.

1.5 Prozessarten für wärmebetriebene Kühltechnologien

In diesem Materialband wird detailliert auf folgende Kühlprozesse eingegangen:

Absorptionsprozess,

Adsorptionsprozess, und

DEC Prozess.

Diese werden im Vergleich zum konventionellen Kompressionsprozess in zusammenfas-sender Form (siehe Tabelle 4) dargestellt.

Kompressionspro-zess Absorptionsprozess Adsorptionsprozess (geschlossen) DEC-Prozess

Kältemittel HFKW (z.B.: R134a), FKW H2O, NH3 H2O H2O kombiniert mit Luft

Sorptions-mittel

flüssiges Absorptionsmit-tel: wässrige NH3-Lösung, wässrige LiBr-Lösung

festes Adsorptionsmit-tel: Silicagel, Zeolith

festes Adsorpti-onsmittel: Silicagel, LiCl

Prozess-charakteris-tikum

mechanischer Ver-dichter zur Druck- und Temperaturer-höhung

thermischer Verdichter als Lösungsmittelkreislauf mit Absorption, Druckerhö-hung mittels Pumpe, De-sorption in Austreiber durch Wärmezufuhr

Umschaltregenera-toren zur Adsorption und Desorption; Aus-treibung nach Sätti-gung durch Wärmezu-fuhr

Rotierender Sorpti-onregenerator zur Luftentfeuchtung; Regeneration mit-tels erhitzter Abluft

Antriebs-energie

mechanische Ener-gie Wärmeenergie Wärmeenergie Wärmeenergie

Tabelle 4: Vergleich von Kompressionsprozess mit wärmebetriebenen Kühlprozessen

1.5.1 Kompressionsprozess Der Kompressionsprozess ist ein Kaltdampfprozess, der durch die Zuführung von mecha-nischer Verdichterarbeit realisiert wird. Der Kompressionsprozess enthält wie alle Kälte-prozesse als Energieträger umlaufende Fluide, sogenannte Kältemittel. In Kompressi-onsmaschinen werden üblicherweise Fluorderivate eingesetzt, beispielsweise R134a ein Fluorderivat des Ethans (1,1,1,2-Tetrafluorethan (CH2FCF3)) für Verdampfungstemperatu-ren zwischen 0°C und –25°C eingesetzt. Tiefere Temperaturen können durch Mischungen mit anderen fluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW, FKW) erzeugt werden [L 7].

Abbildung 6 zeigt das Schaltbild einer einstufigen Kompressionskältemaschine. Die Ma-schine besteht aus dem Verdampfer V, dem Kondensator K und einem Drosselventil DV.

Der Verdampfer nimmt die Wärme auf, die dem zu kühlenden Medium entzogen wird. Im Verdampfer befindet sich bei einem niedrigen Verdampferdruck pV das Kältemittel, das durch die Wärmeaufnahme verdampft. Der Kältemitteldampf wird dem Kompressor zuge-führt und auf den hohen Kondensatordruck pK verdichtet.

Allgemein

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Die Drücke pK und pV sind so zu wählen, dass die zu pV gehörende Siedetemperatur TV niedriger ist als die Kühltemperatur T0 und die zu pK gehörende Kondensationstemperatur TK über der Umgebungstemperatur TU liegt. Diese Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und dem zu kühlenden Raum bzw. der Umgebung muss genügend hoch ge-wählt werden, damit der Wärmeübergang im Verdampfer und im Kondensator möglich ist.

Der im Kompressor erzeugte überhitzte Kältemitteldampf wird im Kondensator auf die Kondensationstemperatur TK abgekühlt und gibt die Überhitzungs- und Kondensations-wärme an die Umgebung ab. Nach der vollständigen Kondensation wird das Kondensat noch um etwa 5 bis 10 K weiter abgekühlt [L 7].

Im Drosselventil wird das flüssige Kältemittel expandiert und auf den Ausgangszustand am Verdampfereintritt entspannt.

Abbildung 6: Schaltbild und Zustandsdiagramm für eine Kompressionskältemaschine. V Verdampfer, K Kondensator, DV Drosselventil [L 7]

Bei sinkender Kühlraumtemperatur T0 vergrößert sich das Druckverhältnis des Kondensa-tionsdrucks pK zum Verdampferdruck pV. Dadurch steigt die Verdichterarbeit und mit ihr die Verluste bei der Verdichtung, Drosselung und Wärmeabfuhr. In diesen Fällen emp-fiehlt es sich, die Verdichtung in mehreren Stufen auszuführen, wofür es besondere Schaltungen im Kältemittelkreislauf gibt.

1.5.2 Absorptionsprozess Der Absorptionsprozess ist ein Kaltdampfprozess, bei dem thermische Energie zur Kälte-erzeugung eingesetzt wird.

Dabei werden bestimmte Arbeitsstoffe, sogenannte Stoffpaare eingesetzt. Diese Stoffpaa-re setzen sich aus dem Kältemittel und dem Sorptionsmittel zusammen. Charakteristisch für Sorptionsmittel ist die Fähigkeit, gasförmige Stoffe – in diesem Fall den Kältemittel-dampf – aufzusaugen. Sorptionsmittel können Flüssigkeiten oder feste Stoffe sein.

Ist das Sorptionsmittel eine Flüssigkeit, spricht man von einem Absorptionsmittel, da es sich bei der Aufnahme des Kältemittels um den Vorgang der Absorption handelt. Wird das


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Kältemittel von einem festen Stoff aufgenommen, wird das Sorptionsmittel als Adsorpti-onsmittel oder Adsorbens bezeichnet, da sich das dampfförmige Kältemittel in den Poren an der Oberfläche des Feststoffes festsetzt und dort adsorbiert wird [L 8]. Für Prozesse mit Adsorptionsmitteln siehe Punkt 1.5.3 und 1.5.4.

Für Absorptionsmaschinen haben sich in der Praxis, trotz intensiver Bemühungen in der Entwicklung neuer Stoffpaare, bisher nur zwei Gemische durchgesetzt [L 1]:

Ammoniak – Wasser: Dabei ist Ammoniak (NH3) das Kältemittel und kann bis zu einer Verdampfungstemperatur von –60°C eingesetzt werden. Das Absorptionsmittel ist eine wässrige Ammoniaklösung.

Wasser – wässrige Lithiumbromidlösung: Hier ist Wasser das Kältemittel und es kann bis zu einer Verdampfungstemperatur von +4°C damit gearbeitet werden.

Abbildung 7 zeigt das Schaltbild einer einstufigen Absorptionskältemaschine. Darin kann man, durch die strichpunktierte Linie getrennt, zwei unterschiedliche Teile erkennen: den Kälteteil und den Lösungsmittelkreislauf, der auch als Antriebsteil oder thermischer Ver-dichter bezeichnet wird.

Im Kälteteil wird, wie auch bei der Kompressionsmaschine, im Verdampfer die Wärme aus dem zu kühlenden System aufgenommen und Kältemitteldampf erzeugt und im Konden-sator durch Verflüssigung des Kältemittels Wärme an die Umgebung abgegeben.

Der thermische Verdichter besteht aus Absorber, Generator (auch als Kocher oder Austreiber bezeichnet), Lösungspumpe, Drossel und Lösungswärmeübertrager (Gegen-stromwärmetauscher). In ihm wird das Kältemittel vom Absorptionsmittel absorbiert und wieder ausgetrieben.

Abbildung 7: Schaltbild einer einstufigen Absorptionskältemaschine. K Kondensator, V Verdampfer, A Absorber, G Generator (Austreiber), LW Lösungswärmeübertrager, LP Lösungspumpe, flüssiges Kältemittel, Kältemitteldampf, --- reiche Lösung, .... arme Lösung [L 7]

Allgemein

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Der Absorptionsprozess läuft wie folgt ab:

Das Absorptionsmittel kommt als arme Lösung in den Absorber. Unter armer Lösung ver-steht man, dass sich kein bzw. nur eine sehr geringe Konzentration Kältemittel im Absorp-tionsmittel befindet. Der aus dem Verdampfer kommende Kältemitteldampf gelangt auch in den Absorber und wird dort vom Absorptionsmittel absorbiert. Es entsteht eine ‚reiche’ Lösung. Die bei der Absorption frei werdende Absorptionsenthalpie muss abgeführt wer-den. Der Absorber und der Verdampfer arbeiten unter dem niedrigen Verdampferdruck pV.

Die reiche Lösung wird durch die Lösungspumpe vom niedrigen Verdampferdruck pV auf das höhere Druckniveau pK des Austreibers und des Kondensators gebracht. Sie erwärmt sich im Lösungswärmeübertrager. Im Austreiber wird dem Prozess Wärme zugeführt. Durch die Wärmezufuhr wird das Lösungsvermögen des Absorptionsmittels herabgesetzt und es kann das Kältemittel nicht länger binden. Das Kältemittel wird ausgetrieben und das Absorptionsmittel liegt wieder als arme Lösung vor.

Die heiße arme Lösung kommt aus dem Austreiber in den Lösungswärmeübertrager, wo sie sich abkühlt. Danach wird sie auf den Absorberdruck pV gedrosselt und dem Absorber wieder zugeführt.

Der Lösungswärmeübertrager, der einen Gegenstromwärmetauscher darstellt, dient der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Durch ihn wird der Wärmebedarf des Austreibers verringert und die aus dem Absorber abzuführende Wärme sinkt.

Der aus dem Austreiber austretende Kältemitteldampf gelangt in den Kondensator. Dort wird das Kältemittel durch Wärmeabfuhr verflüssigt. In der nachgeschalteten Drossel wird das flüssige Kältemittel auf Verdampfungsdruck entspannt.

Wenn der Kältemitteldampf aus dem Austreiber austritt, soll er nur aus reinem Kältemittel bestehen. Bei der Verdampfung einer Salzlösung wie beim Stoffpaar Wasser/Lithium-bromid stellt das kein Problem dar. Beim Gemisch aus Ammoniak und Wasser muss al-lerdings eine Rektifikation nachgeschaltet werden. Sie dient dazu, den Restwassergehalt im Kältemittel klein zu halten, da dieser sich sonst im Verdampfer wieder finden und in den Kreislauf zurückgeschleust werden würde.

Der große Unterschied zum Kompressionsprozess liegt darin, dass die Druckerhöhung von Verdampfungs- auf Verflüssigungsdruck in der flüssigen Phase erfolgt. D.h. es muss eine Flüssigkeit wieder auf Verflüssigungsdruck des Kältemittels gebracht werden und nicht der Kältemitteldampf, was mit erheblich geringerer mechanischer Arbeit verbunden ist. Allerdings wird thermische Energie mit ausreichend hoher Temperatur benötigt [L 1].

1.5.3 Geschlossener Adsorptionsprozess Auch der geschlossene Adsorptionsprozess ist ein thermisch angetriebener Kaltdampf-prozess, bei dem sich, im Gegensatz zum Absorptionsprozess, der Kältemitteldampf (Ad-sorbat) an einem festen Stoff (Adsorptionsmittel oder Adsorbens) anlagert. Beim ge-schlossenen Adsorptionsprozess verwendet man die Stoffpaare Wasser/Zeolith3 und

3 Zeolithe sind natürliche oder auch künstlich hergestellte, hydratisierte Alumosilikate. Sie besitzen aufgrund ihrer Hohlraumstruktur (zahlreiche Poren und Kanäle) eine hohe innere Oberfläche, die eine außergewöhnlich hohe und spezifische Ionenaustausch-, Adsorptions- und Hydratationsfähigkeit aufweist.


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Wasser/Silicagel4, wobei Wasser/Silicagel in größeren Leistungsbereichen (40-500 kWKäl-te) zur Bereitstellung von Kaltwasser eingesetzt wird [L 9].

Die Adsorptionskältemaschine besteht im Wesentlichen aus den Teilen Verdampfer, Kon-densator, Austreiber (Desorber) und Sammler (Adsorber). Diese Teile sind in vier Kam-mern angeordnet, die unter Vakuum stehen und über Ventile verbunden sind. In der un-tersten Kammer befindet sich der Verdampfer. In den zwei mittleren Kammern sind Wär-metauscher installiert, die mit dem festen Adsorptionsmittel (Adsorbens) umhüllt sind. Diese Kammern stellen Austreiber und Sammler dar. In der obersten Kammer ist der Kondensator angeordnet. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Maschine ist in Abb. 4 dargestellt.

Abbildung 8: Prinzipieller Aufbau einer Adsorptionskältemaschine für einen geschlosse-nen Adsorptionsprozess [L 10]

Zur Erzeugung des Vakuums beim Starten des Prozesses ist eine kleine Vakuumpumpe installiert, die den Kreislauf auf ein Vakuum von ca. 10 mbar bringt und das Vakuum wäh-rend des Betriebs hält. Durch das Vakuum verdampft das in den Verdampfer eingesprüh-te Kältemittel Wasser schon bei 4 - 7°C [L 9]. Dabei wird einem Kaltwasserkreislauf Wär-me (Kälteleistung) entzogen und das Kaltwasser auf die für die Kühlanlage erforderliche Temperatur gebracht.

Der Wasserdampf gelangt auf Grund von Druckunterschieden in der Anlage über ein Ven-til in die linke Kammer, den Sammler. Dort wird der Kältemitteldampf vom Adsorptionsmit-tel adsorbiert und die dabei frei werdende Adsorptionsenthalpie wird über das im Sammler installierte Kühlwassersystem abgeführt.

Gleichzeitig kommt es in der rechten Kammer, dem Desorber, zur Austreibung des mit Wasser gesättigten Adsorptionsmittels. Dieser Vorgang erfolgt durch die Zuführung von Wärme (Austreiberleistung) über einen Heißwasserkreislauf. Der ausgetriebene Kältemit-teldampf gelangt in den Kondensator, wo er an den Kühlwasserrohren unter Abgabe sei-ner Kondensationsenthalpie heruntergekühlt und kondensiert wird. Das flüssige Kältemit-tel wird über eine Rohrleitung wieder dem Verdampfer zugeführt.

Der oben beschriebene Vorgang kann solange durchgeführt werden, bis das Adsorpti-onsmittel im Sammler vollständig gesättigt ist bzw. im Austreiber der Kältemitteldampf fast vollständig ausgetrieben worden ist. Dieser Zustand ist nach ca. 10 min erreicht. Jetzt 4 Der Name Silicagel (auch Kieselgel genannt) ist die Bezeichnung für Siliciumdioxid mit der Eigenschaft einer hohen Porösität und mit großer inneren Oberfläche. Dadurch eignet es sich insbesondere als Filter- und Adsorptionsmaterial.

Allgemein

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wird die Funktion von Sammler und Austreiber vertauscht. Das gesättigte Adsorptionsmit-tel regeneriert sich durch Wärmezufuhr, d.h. das Adsorptionsmittel wird getrocknet.

Auf Grund des periodischen Betriebs der Kältemaschine kann die ‚Kälte’ auch nur perio-disch bereitgestellt werden. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu erreichen, kann man zwei Aggregate gegenphasig arbeiten lassen, so dass sich immer einer der beiden Ver-dampfer in der Kühlphase befindet, oder man installiert einen Speicher für das erzeugte Kaltwasser.

1.5.4 DEC-Prozess/Offener Adsorptionsprozess DEC-Prozess (Desiccative and Evaporative Cooling) ist ein offener Adsorptionsprozess, der für die Klimatisierung von Gebäuden eingesetzt wird.

Im Gegensatz zum Absorptions- und Adsorptionsprozess wird beim DEC-Verfahren kein Kaltwasser, sondern Luft mit den für die Herstellung eines angenehmen Raumklimas ge-forderten Eigenschaften erzeugt. Kommt das DEC-Verfahren zum Einsatz muss berück-sichtig werden, dass man ein entsprechendes Luftverteilsystem im Gebäude benötigt.

Beim DEC-Verfahren wird im Vergleich zur konventionellen Klimatisierung das Kühlen und Entfeuchten der Luft getrennt.

In herkömmlichen Klimaanlagen erfolgt die Entfeuchtung der Luft durch Taupunktunter-schreitung, wodurch sich die nachträgliche Kühlung erübrigt. Die Luft wird dabei oft soweit abgekühlt, dass noch eine Nacherhitzung auf die gewünschte Zulufttemperatur notwendig ist. Die im DEC-Prozess stattfindende Trennung von Kühlen und Entfeuchten wird durch sorptive Entfeuchtung möglich. Durch den Einsatz eines Sorptionsregenerators wird die Luftfeuchte durch Adsorption an ein Sorptionsmittel, wie Silicagel oder Lithiumchlorid, verringert [L 12]. Die sorptiv getrocknete Luft wird befeuchtet und dabei durch Verduns-tung auf die gewünschte Temperatur gekühlt.

Durch die Trennung von Entfeuchtung und Kühlung erspart man sich den in der konventi-onellen Klimatisierung notwendigen Kaltwassersatz mit Rückkühlwerk [L 9].

Die Anwendung des DEC-Verfahrens zur Raumklimatisierung nennt man auch sorptions-gestützte Klimatisierung. Abbildung 9 zeigt das Schema eines DEC-Prozesses.

Abbildung 9: Schema eines DEC-Prozesses: 1 Filter, 2 Sorptionsregenerator, 3 Wärmerrückgewinnungssystem, 4 Nacherhitzer, 5 Verdunstungskühler, 6 Ventilator, 7 Erhitzer

Außenluft

Fortluft

Zuluft

Abluft

2 3 4 51

57

Kühllast

6

6


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Die Außenluft wird über einen Filter angesaugt und im Sorptionsregenerator entfeuchtet. Bei der Adsorption im Sorptionsregenerator wird Adsorptionsenthalpie abgegeben und die Luft erwärmt sich. Die getrocknete warme Luft gelangt in das Wärmerückgewinnungssys-tem. Im Wärmerückgewinnungssystem wird die Wärme des Zuluftstroms an die Abluftsei-te abgegeben und die Luft kühlt sich ab. Damit die Anlage ihre Funktion auch im Winter erfüllen kann, ist ein Nacherhitzer eingefügt. Im Verdunstungskühler wird die Luft durch Befeuchtung und darauf folgende Verdunstung auf das geforderte Temperaturniveau wei-ter abgekühlt. Durch den Zuluftventilator wird die Luft in den Raum geblasen. Dabei kann Wärme vom Ventilator an den Zuluftstrom abgegeben werden, was bei der Festlegung der Zulufttemperatur zu berücksichtigen ist.

Für die Regeneration des Sorptionsmittels wird Abluft verwendet, die im Gegenstrom zur Zuluft durch die Anlage geleitet wird. Die Abluft wird in einem Verdunstungskühler annä-hernd bis Sättigungszustand befeuchtet und abgekühlt, um ein ausreichend hohes Tem-peraturniveau für die Wärme- bzw. Kälterückgewinnung zu erhalten. Im Wärmerückge-winnungssystem nimmt der Abluftstrom, die Wärme des Zuluftstroms auf und erwärmt sich. Anschließend wird die Abluft in einem Erhitzer aufgeheizt, um die Regeneration des Sorptionsregenerators gewährleisten zu können. Nach der Desorption des Sorptionsmit-tels wird die Abluft mit Hilfe eines Ventilators ins Freie befördert.

Die einzelnen Anlagenteile einer DEC-Anlage sind in Abbildung 10 dargestellt.

Abbildung 10: Anlagenteile einer DEC-Anlage 1 Filter, 2 Sorptionsregenerator, 3 Wärmeregenerator, 4 Platz für Nacherhitzer, 5 Verdunstungskühler, 6 Ven-tilator, 7 Erhitzer [L 13]

Prinzipiell ist es auch möglich, flüssige Sorptionsmittel in einem DEC-Prozess einzuset-zen. Diese Systeme werden aber bis jetzt nur begrenzt angeboten [L 12].

Technologiestand wärmegetriebener Kälteanlagen

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2 Technologiestand wärmegetriebener Kälteanlagen

Der größte Markt für Sorptionsanlagen liegt im asiatischen Raum. Sorptionsmaschinen werden dort als Alternative für elektrisch angetriebene Maschinen eingesetzt.

Technologieführer für Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen ist Japan. Weltweit wer-den derzeit ca. 8.600 Absorber pro Jahr hergestellt. Davon werden 30% in Japan, 35% in China und 20% in Korea produziert. Die meisten in Japan installierten Absorber sind mit Gas oder Öl direkt beheizt. Im Sommer werden sie zum Kühlen eingesetzt und im Winter zum Heizen [L 13]. Serienreife Adsorptionsanlagen werden nur von zwei japanischen Herstellern angeboten.

Der zweitwichtigste Markt für wärmegetriebene Kälteanlagen ist Nordamerika. Der euro-päische Markt ist im Vergleich zum asiatischen und amerikanischen sehr klein und eher unbedeutend.

Der Stand der Technik der am europäischen Markt verfügbaren Kälteanlagen wurde durch Informationen von 12 Kälteanlagenherstellern aus Deutschland und Österreich er-mittelt und durch weitere Informationsquellen, wie aktuelle Tagungsunterlagen über Küh-lung mit Wärme, ergänzt. Die Herstellerinformationen wurden im April und Mai 2004 ein-geholt.

Am betrachteten Markt werden derzeit folgende Anlagen, die mit Wärme angetrieben werden können, angeboten:

Lithiumbromid/Wasser-Absorptionsanlagen

Wasser/Ammoniak-Absorptionsanlagen

Silicagel/Wasser-Adsorptionsanlagen

DEC-Anlagen

Die Antriebswärme kann neben Erdgas oder Erdöl durch Abwärme aus Industrieprozes-sen oder durch Biomasse bereitgestellt werden. Unter bestimmten Bedingungen können die Anlagen auch durch Solarenergie oder Fernwärme betrieben werden.

In den folgenden Abschnitten werden die am Markt verfügbaren Anlagen genauer be-schrieben, auf die Möglichkeit des Antriebs mit regenerativen Energiequellen und Fern- bzw. Abwärme wird genauer eingegangen.

2.1 Lithiumbromid/Wasser-Absorptionsanlagen

Die Lithiumbromid/Wasser-Absorptionsanlage ist die mit Wärme angetriebene Kältema-schine, die am häufigsten angeboten wird. Die Maschine wird sowohl als Serienprodukt, als auch als Spezialanfertigung angeboten. Es sind unterschiedliche Anlagenarten, die mit verschiedenen Verfahren arbeiten, erhältlich. In dieser Arbeit werden einstufige warm-wasserbetriebene, zweistufige dampfbetriebene und SE/SL-DL-Anlagen behandelt.


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2.1.1 Einstufige warmwasserbetriebene LiBr/H2O-Anlagen Einstufige LiBr/H2O-Anlagen sind warmwasser- bzw. dampfbetrieben oder direkt beheizt erhältlich. Kann Heißwasser durch Fernwärme oder Solarenergie auf dem passenden Temperaturniveau bereitgestellt werden, können warmwasserbetriebene Anlagen tech-nisch gesehen in ein Fernwärmenetz eingebunden oder durch Solarenergie betrieben werden.

Für die technische Darstellung der einstufigen warmwasserbetriebenen LiBr/H2O-Anlage wurden Daten folgender Firmen verwendet:

Axima Refrigeration GmbH (http://www.axiref.com/refde)

Carrier Transicold Austria GmbH (http://www.carrier-transicold.at/)

EAW-Energieanlagenbau GmbH Westenfeld (http://www.eaw-energieanlagenbau.de/public/eaw/)

Entropie GmbH (http://www.entropie.com)

LG-Machinery (keine Website)

Trane Austria GmbH (http://www.trane.com/TraneHomePage.asp)

York International GmbH, Austria (http://www.york.com/)

Abbildung 11: Einstufige LiBr/H2O-Anlage Typ 16 JB, JH der Fa. Carrier Transicold Austria GmbH [L 15]

Abbildung 12: Einstufige LiBr/H2O-Anlage Typ Yazaki WFC 10 mit dazugehöriger Pumpengruppe im Vordergrund. Installiert von der Fa. S.O.L.I.D. im Gebäude der European Agency for Reconstruction in Pristina, Kosovo [L 16].


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2.1.1.1 Kälteleistung Einstufige warmwasserbetriebene LiBr/H2O-Anlagen werden in der Regel ab Kälteleistun-gen von 100 kW, von einigen Firmen auch erst ab Kälteleistungen um 400 kW angeboten.

Die einzige Ausnahme bildet die Fa. EAW-Energieanlagenbau GmbH Westenfeld, die 5 Anlagen im Leistungsbereich von 15 bis 200 kW anbietet [L 17]. Die obere Grenze der Kälteleistung liegt um 5.000 kW pro Einheit. Wobei durch die Kombination mehrerer Ein-heiten auch höhere Leistungen erzielt werden können.

2.1.1.2 Kaltwassertemperatur Da bei LiBr/H2O-Anlagen das Kältemittel Wasser ist, können damit grundsätzlich nur Kaltwassertemperaturen über 0°C erreicht werden. In der Praxis liegen die erzielbaren Kaltwassertemperaturen meist bei einer Minimaltemperatur von 5°C. Eine Ausnahme hier bildet die Firma Entropie GmbH, die Anlagen anbietet, die Wasser mit einer Temperatur ab 0°C produzieren können.

2.1.1.3 Temperaturniveau der Antriebswärme Die Antriebswärme muss eine bestimmte Mindesttemperatur aufweisen, damit der Pro-zess noch möglich ist. Diese liegt im Normfall zwischen 80 und 85 °C für einstufige warmwasserbetriebene LiBr/H2O-Absorptionsanlagen. Bei Sonderanfertigungen kann sie noch reduziert werden. Im Gegensatz zu Adsorptionsanlagen muss bei Absorptionsanla-gen die Temperatur der Antriebswärme auf einem möglichst konstanten Niveau gehalten werden. Temperaturschwankungen wirken sich stark auf die bereitgestellte Kälteleistung der Maschine aus.

2.1.1.4 COP Der Coefficient of Performance (COP) beschreibt das Verhältnis der Kälteleistung (Nut-zen) zur Wärmeleistung, die notwenig ist, um das Kältemittel wieder auszutreiben (Auf-wand). Für einstufige warmwasserbetriebene LiBr/H2O-Absorptionsanlagen liegt er in ei-nem Bereich von 0,6 bis maximal 0,8.

2.1.1.5 Abmessungen und Gewicht Bezüglich Abmessungen und Gewicht der Kältemaschinen liegen die Angaben der Her-steller in ähnlichen Bereichen. Zur Orientierung dienen Tabelle 5 und Tabelle 6. In Tabelle 5 sind die Abmessungen und das Gewicht einer einstufigen LiBr/H2O-Absorptionsanlage Typ IYA der Fa. York International GmbH angeben und in Tabelle 3 die Daten für die klei-neren Anlagen der Fa. EAW-Energieanlagenbau GmbH Westenfeld.

Abmessungen 2 Transportgewicht 2 Modell

Nennkälte- leistung 1

[kW] Länge 3

[mm] Breite

[mm] Höhe [mm]

Gesamt [kg]

Lösung [kg]

Betriebs-gewicht 2

[kg]

Stör-gewicht

4 [kg]

1A1 420 3720 1760 2320 4040 710 4950 6920 1A2 550 4330 1420 2320 4450 840 5500 8860 2A3 600 4940 1420 2320 4910 970 6130 8920 2A4 720 5550 1420 2320 5310 1100 6590 9770


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Abmessungen 2 Transportgewicht 2 Modell

Nennkälte- leistung 1

[kW] Länge 3

[mm] Breite

[mm] Höhe [mm]

Gesamt [kg]

Lösung [kg]

Betriebs-gewicht 2

[kg]

Stör-gewicht

4 [kg]

2B1 830 4940 1580 2640 6090 1220 7900 11730 3B2 960 5550 1580 2640 6720 1420 8540 12890 3B3 1090 6160 1580 2640 7360 1550 9490 14440 4B4 1170 6770 1580 2640 7990 1740 10490 15980 4C1 1280 5550 1770 3020 8400 1800 11400 17450 5C2 1440 6160 1770 302 9170 2130 12260 19270 5C3 1570 6770 1770 302 9900 2320 13620 21080 6C4 1820 7530 1770 302 10670 2640 14760 23110 7D1 1990 6160 2110 3540 13030 2640 17890 28650 7D2 2170 6770 2110 3540 14620 2960 19840 31770 8D3 2480 7530 2110 3540 16210 3280 21800 35290 8E1 2790 6870 2290 3840 17710 4050 24110 38760 9E2 3190 7630 2290 3840 19710 4570 26830 43320

10E3 3380 8390 2290 3840 22020 5020 29790 48170 12F1 4040 7630 2480 4240 25020 5790 35550 56100 13F2 4340 8390 2480 4240 27110 6500 39050 61910 14F3 4840 9150 2480 4240 28920 7140 41140 66250

1 Die Werte gelten für Kaltwasser 12,2/6,7°C, Kühlwasser 29,4/39,4°C, Dampf 0,8 bar ü trocken/gesättigt oder Heißwasser 115/109°C, Verschmutzung 0,004m2K/kW (ARI 560-92)

2 Maße und Gewichte sind ca.-Werte 3 Auf einer der beiden Stirnseiten ist für Wartung und Rohrauszug ein Abstand in gleicher Länge wie die

Länge der Einheit einzuhalten. Dieser Abstand kann auch durch Türen oder sonstige Öffnungen gegeben sein.

4 Das Störgewicht ist das Maximalgewicht, das sich ergibt, wenn bei einem durch externe Gründe verur-sachten Bruch eines Wärmetauscherrohres der Inhalt eines angeschlossenen Wasserkreislaufes die Ein-heit vollständig füllt.

Tabelle 5: Technische Daten der Absorptionsmaschine Typ IYA der Fa. York International GmbH

Absorptionskälteanlage WEGRACALSE

Modultyp Kälteleistung [kW] Länge [mm]

Breite [mm]

Höhe [mm]

Gewicht [kg]

WEGRACALSE15 15 1.500 750 1.600 650 WEGRACALSE50 54 3.000 1.100 2.250 2.250 WEGRACALSE80 83 3.000 1.100 2850 2.600 WEGRACALSE140 140 3.700 1.400 2.900 2.900 WEGRACALSE200 200 3.700 1.400 3.000 4.300

Tabelle 6: Technische Daten der Absorptionsmaschine WEGRACALSE der Fa. EAW-Energieanlagenbau GmbH Westenfeld


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2.1.2 Zweistufige dampfbetriebene LiBr/H2O-Anlagen Auch zweistufige LiBr/H2O-Absorptionsanlagen können direkt beheizt, warmwasser- oder dampfbetrieben sein. Die Mehrheit der zweistufigen Anlagen ist jedoch dampfbetrieben oder direkt beheizt. Um das für die Antriebswärme erforderliche Temperaturniveau zu erreichen, kommen als Energiequellen nur mehr Erdöl, Erdgas oder Biomasse für die di-rekt beheizten Anlagen in Frage bzw. Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau für dampfbetriebene Anlagen.

Laut Herstellerangaben sind Fernwärme und Solarenergie zum Antrieb der Anlagen nicht geeignet. Die üblichen Fernwärmevorlauftemperaturen im Sommer sind zu niedrig, um solche Anlagen zu betreiben. Mit Flachkollektoren können die notwendigen Temperaturen nicht erreicht werden. Technisch ist es möglich, mit Vakuumröhrenkollektoren und opti-scher Konzentration der Einstrahlung Wärme auf dem notwendigen Temperaturniveau bereitzustellen [L 18]. Solche Anlagen sind aber noch nicht Stand der Technik.

Für die Darstellung der technischen Daten von zweistufig dampfbetriebenen LiBr/H2O-Kälteanlagen wurden Informationen von folgenden Firmen verwendet:

Axima Refigeration GmbH (http://www.axiref.com/refde)

EAW-Energieanlagenbau GmbH Westenfeld (http://www.carrier-transicold.at/)

LG-Machinery

Trane Austria GmbH (http://www.trane.com/TraneHomePage.asp)

York International GmbH, Austria (http://www.york.com/)

Abbildung 13: Zweistufige LiBr/H2O-Anlage Typ ABDA der Fa. Trane Austria GmbH [L 19]

2.1.3 Kälteleistung Die angebotenen Anlagen weisen Kälteleistungen in einem Bereich von 200 – 6.100 kW auf.

2.1.3.1 Kaltwassertemperatur Die erreichbaren Kaltwassertemperaturen liegen im Normalfall über 6°C. In Sonderfällen können Temperaturen ab 5°C erreicht werden.


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2.1.3.2 Temperaturniveau und Druck der Antriebswärme Die erforderlichen Eigenschaften der Antriebswärme für dampfbetriebene Anlagen werden von den Anbietern entweder über die Temperatur oder den Druck des Dampfes angege-ben. Der angegebene Temperaturbereich liegt ca. bei 135 - 200 °C. Druckangaben liegen bei 3 - 11 bar (ü).

2.1.3.3 COP Der Coefficient of Performance (COP) – das Verhältnis der Kälteleistung (Nutzen) zur Wärmeleistung, die notwendig ist, um das Kältemittel wieder auszutreiben (Aufwand) – ist höher als bei den einstufigen warmwasserbetriebenen LiBr/H2O-Anlagen. Mit dampfbe-triebenen Anlagen werden Werte zwischen 0,9 und 1,3 erreicht.

2.1.3.4 Abmessung und Gewicht Die Abmessungen und die Gewichtsangaben von zweistufig dampfbetriebenen LiBr/H2O-Kälteanlagen bewegen sich für unterschiedliche Anbieter in ähnlichen Bereichen. Als Bei-spiel sind die Daten der Anlage Typ YPC-FS der Fa. York International GmbH in Tabelle 7 angegeben.

Abmessungen 2 Modell

Kälte-leistung 1

[kW] Länge [mm] Breite

[mm] Höhe [mm]

Transport-gewicht 3

[kg]

Betriebs-gewicht

[kg]

Stör-gewicht 4

[kg]

12SC 703 3970 1850 2280 8990 9490 13290 13SC 809 3990 1850 2280 9990 10830 14880 14SC 1055 4950 1890 2300 11450 12130 16980 15SL 1231 5000 2260 2730 16270 17360 24300 16S 1407 5000 2260 2730 16500 17580 24700

16SL 1547 5960 2300 2810 19810 21180 29700 17S 1705 5960 2300 2810 20180 21580 30300 18S 2039 6960 2360 2990 23500 25190 35300 19S 2373 7980 2360 2990 27760 29720 41600

1 bezogen auf Kaltwasser 12,2/6,7°C, Kühlwasser 29,4/35°C. Verschmutzungsfaktor 0,044m2K/kW. 2 Auf einer der beiden Stirnseiten der Einheit ist für Wartung und Rohrauszug ein Abstand in gleicher Länge

wie die Länge der Einheit einzuhalten. Dieser Abstand kann auch durch Türen oder sonstige Öffnungen gegeben sein.

3 Anlieferung mit Füllung bereits in die Einheit eingefüllt 4 Das Störgewicht ist das Maximalgewicht, das sich ergibt, wenn bei einem durch externe Gründe verur-

sachten Bruch eines Wärmetauscherrohres der Inhalt eines angeschlossenen Wasserkreislaufes die Ein-heit vollständig füllt.

Tabelle 7: Technische Daten der Absorptionsmaschine Typ YPC-FS der Fa. York International GmbH

2.1.4 SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlagen Bei der SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlage handelt es sich um eine Absorptionsmaschine, die speziell für den Antrieb mit Fernwärme entwickelt wurde. Die Anlage passt sich an die


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hydraulischen Bedingungen und die niedrigen Temperaturen eines Fernwärmenetzes an. Fernwärme mit einer Vorlauftemperatur von 80-100°C kann so auch im Sommer genützt werden [L 9].

SE/SL-DL steht für Single Effect/Single Lift-Double Lift, was die Kombination eines einstu-figen (Single Effect) mit einem speziellen zweistufigen (Double Lift) Kreislauf bedeutet. Grundsätzlich kann der Vorteil eines mehrstufigen Prozesses in der Verbesserung des Wirkungsgrades liegen (double effect) oder in der Möglichkeit, den Prozess mit niedrigen Temperaturen anzutreiben, was durch den Begriff „double lift“ ausgedrückt wird [L 20].

Die Temperaturspreizungen, die mit SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlagen erreicht werden können, sind höher als bei anderen Anlagenarten. Diese spezielle Anlagenform bewirkt eine Aus-kühlung des Heizmediums von 25-70 K abhängig von der Fernwärmevorlauftemperatur und somit auch niedrige Fernwärmerücklauftemperaturen von 50 - –60°C.

Im Unterschied zum herkömmlichen einstufigen Absorptionsprozess besitzt der SE/SL-DL-Prozess zwei Lösungskreisläufe und Wärme kann an drei Stellen des Kreislaufes auf unterschiedlichen Temperaturniveaus eingekoppelt werden. Dadurch werden die großen Temperaturspreizungen des Heizmediums erreicht.

Unter der Voraussetzung, dass die Wärmeabgabe im Kondensator, Resorber und Absor-ber bei ungefähr den gleichen Temperaturen erfolgt, läuft der Prozess auf drei Druck- und fünf Temperaturniveaus ab.

In Abbildung 14 ist das Flussdiagramm eines SE/SL-DL-Prozesses dargestellt.

Abbildung 14: Flussdiagramm eines SE/SL-DL-Prozesses [L 21]

Der große Lösungskreislauf (Single Effect-Kreislauf) ist aus dem Absorber A0, dem Gene-rator G21 und dem Generator G1 aufgebaut. Durch Wärmezufuhr in den Generatoren G21 und G1 wird der Kältemitteldampf aufkonzentriert. Dabei entsteht Kältemitteldampf, der vom Generator G21 zum Kondensator K2 bzw. vom Generator G1 zum Resorber A1 trans-portiert. Im Resorber nimmt die arme Lösung des kleinen Kreislaufs (A1 – G22 – A1/Double Lift – Kreislauf) den Kältemitteldampf auf und die angereicherte Lösung wird dem Desor-ber zugeführt. Im Desorber wird das dritte Mal Wärme zugeführt und der Kältemitteldampf


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weiter aufkonzentriert. Der aufkonzentrierte Kältemitteldampf wird dann in den Kondensa-tor K2 geleitet, wo der Kältemitteldampf verflüssigt wird. Anschließend wird das flüssige Kältemittel auf Verdampfungsdruck gebracht und dem Verdampfer V zugeführt. Im Ver-dampfer V wird die Kälteleistung aufgenommen und der Kältemitteldampf gelangt in den Absorber A0, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.

Die Anlage kann auch als reiner Single Effect-Prozess, mit den Teilen V0, A0, G21, K2 oder als reiner Double Lift-Prozess, mit den Teilen G1, A1, G22 betrieben werden. Für das Wechseln zwischen den einzelnen Betriebsweisen ist ein Dreiwegeventil im Heißwasser-kreislauf installiert, das einen Teilstrom des Heißwassers an den DL-Austreibern G1 und G22 vorbeileitet.

SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlagen werden weltweit nur von zwei Firmen hergestellt:

Entropie Gmbh (http://www.entropie.com/En/index.htm)

GEA Luftkühler GmbH [L 22] (http://www.gea-luftkuehler.de/german/nbsp/index.html)

Für diese Studie wurden Daten der Firma Entropie GmbH herangezogen, die das Patent auf diese Anlagen hat.

Abbildung 15: SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlage der Fa. Entropie. Die Leistung je Einheit beträgt 400 kW [L 23].

2.1.4.1 Kälteleistung Bei den Anlagen handelt es sich um Spezialanfertigungen, die an die Kundenanforderun-gen angepasst werden. Bereits realisiert wurden Anlagen in einem Bereich von 400 bis 3.600 kW. Anlagen bis 10.000 kW sind möglich.

2.1.4.2 Kaltwassertemperaturen Für SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlagen sind Kaltwassertemperaturen von 6°C normal. Möglich sind jedoch auch Temperaturen von 2°C bzw. 0°C.

2.1.4.3 Temperaturniveau der Antriebswärme Die Anlage kann sich auf die Temperatur der Fernwärme, die zum Antrieb verwendet wird, einstellen. Für höhere Temperaturen arbeitet sie im Single Effect-Betrieb, für niedri-gere Temperaturen stellt sich die Anlage auf reinen Double Lift-Betrieb ein.

Die Fernwärmevorlauftemperaturen können zwischen 80 und 100°C schwanken.


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2.1.4.4 COP Der Coefficient of Performance (COP) – das Verhältnis der Kälteleistung (Nutzen) zur Wärmeleistung, die notwenig ist um das Kältemittel wieder auszutreiben (Aufwand) – kann auf Grund der unterschiedlichen Fahrweisen in einem Bereich von 0,4 (reiner Doub-le Lift-Betrieb) bis 0,75 (reiner Single Effect-Betrieb) liegen.

2.1.4.5 Abmessungen und Gewicht Richtwerte für die Abmessungen und das Gewicht von SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlagen sind in Tabelle 8 angeführt. Dabei ist zu beachten, dass die Anlagen mit Kältemittelfüllung und externen Wärmeträgerflüssigkeiten noch um 10-20% des angegebenen Gewichts schwe-rer sind. Wird die Maschine in einen Raum eingebaut, muss um die Maschine herum ge-nug Platz für Reparaturarbeiten bleiben. Insbesondere muss in Längsrichtung ein Platz frei bleiben, der noch einmal der Länge der Maschine entspricht, oder es muss ein Tor ins Freie vorhanden sein, mit der Größe des Querschnitts der Maschine. Die Maschine kann auch im Freien ohne Überdachung aufgestellt werden. Für diesen Fall muss die Elektrik wasserdicht abgeschlossen sein und Frostschutzmaßnahmen gesetzt werden.

Leistung [kW] Länge [m] Breite [m] Höhe [m] Gewicht [t]

400 4 2,5 2,5 15

3.600 7 4 6 60

Tabelle 8: Richtwerte für Abmessung und Gewicht von SE/SL-DL-LiBr/H2O-Anlagen

Für eine Anlage mit einer Leistung von ca. 10.000 kW muss man mit einer Länge von ca. 14 m rechnen.

2.2 Wasser/Ammoniak-Absorptionsanlagen

H2O/NH3-Absorptionsanlagen können genauso wie LiBr/H2O-Anlagen mit Heißwasser, Wasserdampf, anderen Dämpfen mit ausreichender Temperatur oder durch direkte Be-heizung betrieben werden. Können mit Solarenergie oder Fernwärme ausreichend hohe Temperaturen erzeugt werden, dann ist es möglich, Solarenergie oder Fernwärme als Energieträger einzusetzen. Eine direkte Beheizung erfolgt in der Regel mit Erdöl oder Erdgas, ist aber auch mit Biomasse möglich und bereits umgesetzt [L 24].

H2O/NH3-Absorptionsanlagen werden deutlich seltener angeboten als LiBr/H2O-Anlagen. Von den befragten Herstellern gaben nur zwei Firmen an, diese Anlagenform in ihrem Angebot zu haben:

Mattes Engineering GmbH (http://www.mattes-ag.de/) und

LG-Machinery.

Für die technische Darstellung von H2O/NH3-Absorptionsanlagen wurden neben anderen Quellen Daten dieser zwei Firmen verwendet.

Auch H2O/NH3-Absorptionsanlagen gibt es in einstufigen und mehrstufigen Ausführungen. In der Folge wird nicht zwischen ein- und mehrstufig unterschieden.


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2.2.1.1 Kälteleistung Die Maschinen sind in Kälteleistungen ab ca. 100 kW erhältlich. Die Firma LG Machinery bietet eine kleine gasbeheizte Anlage an, die eine Kälteleistung in einem Bereich von 20 bis 100 kW haben kann. Mit dieser Anlage können allerdings nur Kühltemperaturen bis 4°C erreicht werden. Nach oben ist die Kälteleistung durch Kombination mehrerer Einhei-ten praktisch unbegrenzt. Eine einzelne Einheit kann eine maximale Kälteleistung von 10.000 kW aufweisen.

2.2.1.2 Kühltemperaturen Mit H2O/NH3-Absorptionsanlagen können im Gegensatz zu LiBr/H2O-Anlagen negative Kühltemperaturen erreicht werden. Die Verdampfungstemperaturen von Ammoniak liegen im Normalfall bei -50°C. In Sonderfällen können auch -60°C erreicht werden.

2.2.1.3 Temperaturniveau der Antriebswärme Welche Temperatur die Antriebswärme haben muss, ist abhängig von den Kühltempera-turen, die man erreichen will. Für Kühltemperaturen von -60°C muss die Antriebswärme mindestens 180°C betragen. Für Kühltemperaturen um 0°C sind Antriebstemperaturen um 100°C ausreichend.

2.2.1.4 COP Der Coefficient of Performance (COP) beschreibt das Verhältnis der Kälteleistung zur Wärmeleistung, die notwenig ist, um das Kältemittel wieder auszutreiben. Er ist abhängig von der gewünschten Kühltemperatur. Für eine Kühltemperatur von 0°C beträgt er 0,6, für eine Kühltemperatur von -10 bis -15°C beträgt er ca. 0,5 und für eine Kühltemperatur von -60°C beträgt er 0,25.

2.2.1.5 Abmessungen und Gewicht Eine kleine Anlage, die eine Kälteleistung von 100 kW aufweist ist ungefähr 4,5 m lang, 2,7 m breit und 4 m hoch. Diese Anlage wiegt ca. 11 t.

2.3 Silicagel/Wasser-Adsorptionsanlagen

Für Adsorptionsanlagen mit dem Stoffpaar Silicagel/Wasser gibt es weltweit nur zwei Her-steller, die serienreife Anlagen anbieten. Das sind die japanischen Firmen Nishiyodo Co. Ltd., die Maschinen des Typs NAK herstellt, und Mayekawa Co. Ltd., die Maschinen des Typs Mycom ADR produziert.

Der technische Überblick wurde auf Basis von Daten der zwei Firmen

GBU mbH Gesellschaft für Umwelttechnik (Typ NAK) (http://www.gbunet.de/) und

Albring Industrievertretung GmbH (Typ Mycom ADR)

erstellt, die diese Anlagen vertreiben.


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Abbildung 16: Adsorptionskälteanlage Typ NAK des Herstellers Nishiyodo Co. Ltd [L 25].

Abbildung 17: Adsorptionskälteanlage Typ ADR30 des Herstellers Mayekawa Co. Ltd [L 25].

Die Wärme, die in Silicagel/H2O-Adsorptionsanlagen zur Regeneration des Sorptionsmit-tels benötigt wird, kann technisch gesehen problemlos durch Biomasse, Solarenergie o-der Fernwärme bereitgestellt werden, da die Mindesttemperatur der Antriebswärme nied-riger ist, als z.B. bei LiBr/H2O-Absorptionsanlagen.

2.3.1.1 Kälteleistung Kälteleistungen von Silicagel/H2O-Adsorptionsanlagen bewegen sich in einem Bereich von 50 - 500 kW. Höhere Kälteleistungen können durch eine Anlage nicht mehr bereitge-stellt werden, da die Anlagen sonst nicht mehr transportfähig sind.

2.3.1.2 Kaltwassertemperatur Da das Kältemittel Wasser ist, müssen die Kaltwassertemperaturen prinzipiell über 0°C liegen. In der Praxis sind mit diesen Anlagen Kaltwassertemperaturen >3°C für Sonderan-fertigungen und >9°C im Normalfall erreichbar.

2.3.1.3 Temperaturen der Antriebswärme Die Antriebswärme liegt in einem Temperaturbereich von 55 - 95°C. Silicagel/H2O-Adsorptionsanlagen sind nicht so anfällig für Temperaturschwankungen wie LiBr/H2O-


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Absorptionsanlagen, d.h. die Wärme muss nicht mit einer konstanten Temperatur der An-lage zugeführt werden. Wichtig für den Prozess sind die Druckdifferenzen und diese wer-den ab ca. 50°C zu gering für die Aufrechterhaltung des Prozesses.

2.3.1.4 COP Der Coefficient of Performance (COP) – das Verhältnis der Kälteleistung (Nutzen) zur Wärmeleistung, die notwenig ist, um das Kältemittel wieder auszutreiben (Aufwand) – beträgt für Silicagel/H2O-Adsorptionsanlagen 0,5 - 0,7.

2.3.1.5 Abmessungen und Gewicht Als Richtwerte für die Abmessungen und das Gewicht von Silicagel/H2O-Adsorptionsanlagen werden in Tabelle 9 die Daten für eine 50 kW Anlage und für eine 500 kW Anlage angeführt.

Leistung [kW] Länge [m] Breite [m] Höhe [m] Gewicht [t]

50 3,1 1,7 2,2 5

500 6,7 3 3,5 25 Tabelle

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