Solare Kühlunge - ältere Projekte

Prozessdampf- und Kälteerzeugung mit Solarkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern

Im Zuge des Vorhabens wurde eine Demonstrationsanlage zur solarthermischen Prozessdampf- und Kaltwassererzeugung mit Vakuumröhrenkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern an der Hochschule Karlsruhe errichtet und ihr Betriebsverhalten untersucht. Motivation des Projektes ist es, Technologien zur Steigerung der Effizienz und Nachhaltigkeit für die Industrie und Produktion zu entwickeln. Die Anlage dient zur Erforschung der genannten Technologien und wird als solare Gebäudekühlung an der Hochschule Karlsruhe betrieben.

Die Demonstrationsanlage besteht aus einer 2-stufigen Dampfstrahlkältemaschine mit einer Kälteleistung von 115,2 kWth bei einer Kaltwassertemperatur von 12 °C. Der Treibdampf wird mittels direktverdampfenden CPC-Vakuumröhrenkollektoren mit einer Gesamtleistung von 200 kWth bei einer Aperturfläche von 360 m² bereitgestellt. Die Anlage ist als offener Prozess, ohne hydraulische Trennung zwischen solarer Dampferzeugung, Dampfstrahlkältemaschine und Kaltwasserversorgung ausgeführt. Der Latentwärmespeicher nutzt Polyethylen als Phase Change Material. Im Kältespeicher kommt eine Paraffin-Wasser-Dispersion als Phase Change Slurry zum Einsatz. Das Phase Change Slurry hat einen Paraffingehalt von 30 % und enthält eine Mischung aus zwei Paraffinen. Dessen Phasenwechselbereich liegt bei der Beladung zwischen 6 und 13 °C und bei der Entladung zwischen 12 und 16 °C. Die Schmelz- bzw. Erstarrungswärme beträgt ca. 55 kJ/kg. Die Speicherkapazität des Latentkältespeichers beträgt etwa 25 kWh und ist damit um den Faktor 2,6 (bezogen auf den Temperaturbereich zwischen 6 und 13 °C) höher, als im Vergleich zu einem herkömmlichen Kaltwasserpufferspeicher. Der Latentwärmespeicher nutzt ca. 500 kg Polyethylen als Phasenwechselmaterial. Die Speicherkapazität des Latentwärmespeichers beträgt ca. 27 kWh. Durch den Einsatz eines Lamellenwärmeübertragers wird die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Polyethylen und dem Wärmeträgermedium im Latentwärmespeicher erhöht und eine hohe Be- und Entladeleistung von bis zu 80 kW sichergestellt. Das verwendete Polyethylen mit der Bezeichnung GHR 8110 besitzt eine Schmelztemperatur von 125 − 135 °C und eine Erstarrungstemperatur von 120 − 130 °C. Die Schmelzenthalpie beträgt 192 kJ/kg.

Im Rahmen dieses Projekts konnte die Prozessdampfbereitstellung via Vakuumröhrenkollektoren mit direkter Dampferzeugung in den Solarkollektoren demonstriert werden. Ferner wurde eine Dampfstrahlkältemaschine für den solarthermischen Betrieb ausgerüstet und ein Gesamtsystem zur Kaltwasserbereitstellung inklusive Rückkühlung, Steuerung, Prozessevakuierung, Wärmeankopplung etc. realisiert. Dieses Gesamtsystem ist für die Gebäudekühlung entwickelt worden und stellt den ersten Schritt hin zu einer Standardisierung dieser Technologie dar.

Im Verlauf des Projekts wurden mehrere Entwicklungsschritte, von Vorversuchen im Labor bis hin zur Demonstration, geleistet. Ein Schwerpunkt betraf die solare Prozessdampferzeugung. Hierfür wurde ein Versuchsaufbau bei der Firma Ritter errichtet und die Betriebscharakteristik eines einzelnen Solarkollektors untersucht. An der Hochschule Karlsruhe wurden Vorversuche zur Latentwärmespeicherung durchgeführt. Deren Inhalte waren die Untersuchung und Bewertung von Phase Change Materials sowie ein Versuchsaufbau für das Speicherkonzept. Am Fraunhofer-Institut UMSICHT wurde mit Hilfe einer kleinen Versuchsanlage der Einsatz einer Paraffin/Wasser-Dispersion als Kälteträger untersucht, um darauf aufbauend das Konzept der Kältespeicherung zu entwickeln. Weiterhin wurden Vorversuche zum Betriebsverhalten der Anlage durchgeführt sowie Fragenstellungen zu Evakuierung bearbeitet.

Parallel zu den Vorversuchen fand die Planung der Demonstrationsanlage statt. Besondere Herausforderungen stellten dabei die Dampfbereitstellung sowie die Anbindung der Anlage an die Infrastruktur der Hochschule Karlsruhe dar. Für die Dampfbereitstellung wurde ein Konzept zur Regelung der solarthermischen Großanlage mit direkter Dampferzeugung und zur Regelung des Dampfstrahlkälteprozesses entwickelt. Das Konzept der Dampfbereitstellung umfasst auch die Integration und den Betrieb des Latentwärmespeichers. Beide Anlagenelemente, die Solaranlage und der Latentwärmespeicher, sind prozesstechnisch eng miteinander verschaltet. Bei der Anbindung der Gesamtanlage an die Infrastruktur der Hochschule Karlsruhe galt es, die zur reinen Wärmeversorgung konzipierte Infrastruktur auch zur Gebäudekühlung zu nutzen. Dies erforderte eine besondere Betriebsstrategie und zusätzliche Anlagentechnik.

Die Erstinbetriebnahme der Gesamtanlage erfolgte Ende Mai 2014. Schon während der Inbetriebnahmephase wurden erste Optimierungspotenziale hinsichtlich der Anlagenautomatisierung identifiziert und umgesetzt. Weitere Optimierungspotenziale wurden nach der Auswertung des Demonstrationsbetriebs ermittelt. Im Rahmen des Versuchsbetriebs in den Sommermonaten 2014 und 2015 wurden etwa 6 MWh Kälte bereitgestellt. Zahlreiche Sommertage wurden für Testläufe zur Optimierung einzelner Regelkreise genutzt. Die gewonnenen Erkenntnisse stehen nun für weitere Demonstrationsvorhaben zur Verfügung.

Ziel

Ziel des Demonstrationsbetriebs war es, die Funktionalität der Einzelkomponenten sowie das Zusammenspiel aller Komponenten zu testen und die Betriebscharakteristik der Anlage in verschiedenen Betriebssituationen zu untersuchen. Hierzu zählen der Betrieb mit solarthermisch erzeugtem Treibdampf, der Betrieb der DSKM im Betriebsmodus „Freie Kühlung“ sowie das Betriebsverhalten der Anlage bei unterschiedlichen Kaltwasser- und Kondensatortemperaturen. Darüber hinaus wurde, basierend auf den gewonnenen Messdaten, die Anlagencharakteristik bewertet und Kennzahlen, wie der Tagesnutzungsgrad des Solarfelds, das Wärmeverhältnis der DSKM und die elektrische Leistungszahl der Gesamtanlage, bestimmt.

Die Funktionalität des Systems konnte in der Demonstrationsphase unter Beweis gestellt werden. Die Tauglichkeit von Vakuumröhrenkollektoren zur Direktdampferzeugung für den Betrieb eines Dampfstrahlkälteprozess konnte nachgewiesen werden. Mit dem Kollektorfeld kann bei entsprechender solarer Einstrahlung leicht überhitzter Dampf bei Temperaturen von bis zu 150 °C bereitgestellt werden. Ferner sind mit dem Solarfeld Tagesnutzungsgrade, definiert als Verhältnis von Nutzwärmemenge zu solarer Einstrahlung, zwischen 30 und 40 % erreichbar. Im Rahmen des Projekts wurden neue Erkenntnisse zum Betrieb und zur Regelung von solarthermisch betriebenen Dampfstrahlkältemaschinen im Zusammenspiel mit Latentwärmespeichern gewonnen. Es gilt nun weitere Betriebserfahrungen zu sammeln und das System zu optimieren.

Der Dampfstrahlkälteprozess in offener Bauweise, ohne hydraulische Trennung von Kollektorfeld und Kaltwassertrasse, ist funktionstüchtig; die Kältetechnik arbeitet zuverlässig. Es wurden mittlere Wärmeverhältnisse an verschiedenen Versuchstagen zwischen 0,21 und 0,76 bei relativ hohen Kondensatordrücken ermittelt. Eine Effizienzsteigerung der Anlage ist noch möglich, da noch weitere anlagenspezifische Optimierungsmaßnahmen ausstehen. Hinsichtlich der elektrischen Leistungszahl wurden Werte zwischen 6 und 9 im stationären Betrieb der Anlage ermittelt. Neben den Projektergebnissen wird in verschiedenen Bereichen noch weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf gesehen. So stehen eine Reduzierung des Hilfsenergiebedarfs und die Steigerung der Gesamteffizienz der Anlage noch aus. Im Rahmen einer weiteren, wissenschaftlich begleitenden Demonstrationsphase könnten diese Optimierungsarbeiten umgesetzt werden. Auch die Konzeptlösung der Anlagenevakuierung sollte überarbeitet werden. Ebenso birgt das Steuerungskonzept der Gesamtanlage noch Optimierungspotenzial, funktioniert aber zuverlässig.

Hinsichtlich des Latentwärmespeichers ist die Klärung der Langzeitanwendung von verschiedenen Latentwärmespeichermaterialien, wie Polyethylen zu untersuchen. Für die Optimierung der Anwendungseigenschaften sind weitere Materialentwicklungsarbeiten notwendig die nur im Rahmen weiterer umfangreicherer Forschungsprojekte bzw. Teilprojekte möglich sind.

Der Einsatz einer Paraffin/Wasser-Dispersion als Kältespeichermedium ist vielversprechend. Teilweise gab es jedoch hydraulische Probleme im Speicherkreis. Ursache dieser Probleme sind die rheologischen Eigenschaften der Dispersion, die bei den vorangegangenen Labor- und Technikumsversuchen so nicht aufgetreten sind. Die Probleme konnten jedoch identifiziert werden, sodass diese bei weiteren Versuchsanlagen vermeidet werden können. Dennoch sind weitere Untersuchungen zur Rheologie von Dispersionen erforderlich.

Zusammenfassend wurden die Projektziele erreicht, weitere Entwicklungsziele wurden identifiziert und es wurde die Basis geschaffen die genannten Technologien zur Marktreife zu bringen.

Die hier vorgestellten Arbeiten wurden im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes „Demonstration einer Prozessdampf- und Kälteerzeugung mit Solarkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern“, Förderkennzeichen 01RI0908A-D erarbeitet.

Projektpartner und Förderung

Veröffentlichungen

Özcan, T.; Kauffeld, M.: Prozessdampf- und Kälteerzeugung mit Solarkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern. Ki Luft- und Kältetechnik 52, 10 (2016), S.76-80, ISSN 1865-5432

Özcan, T.; Guckelberger, E.; Kauffeld, M.: Latent heat storage with polyethylene enhanced with aluminium stripes. 11th IIR Conference on Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning, Karlsruhe, 18. – 20. Juni 2016, ISBN: 978-2-36215-015-9

Joemann M.; Özcan, T.; Kauffeld, M.; Pollerberg, C: Process Steam and Chilled Water Production with CPC-collectors, Steam Jet Ejector Chiller and Latent Heat Storages. Energy Procedia, Volume 91, 2016, Pages 767 - 776

Özcan T,; Joemann M,; Pollerberg C,; Kauffeld M.: Prozessdampf- und Kälteerzeugung mit Solarkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern – Ergebnisse. Deutsche Kälte-und Klimatagung 2015, Dresden, 18. - 20. November 2015). Tagungsband erschienen 2016, ISBN 978-3-932715-51-8

Özcan, T.; Koffler, M.; Kauffeld, M.: Entwicklung eines Latentwärmespeichers für hohe Temperaturen, Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft. Forschung aktuell 2014. ISSN 1613-4958

Kauffeld, M.; Özcan, T.; Koffler, M.: Entwicklung eines Latentwärmespeichers; Deutsche Kälte-und Klimatagung 2012, Würzburg, 21. - 23. November 2012). Tagungsband erschienen 2013, ISBN 978-3-932715-48-8

Pollerberg, C.; Kauffeld, M.; Özcan, T.; Koffler, M.; Hanu, G.L.; Doetsch C.: Latent heat and cold storage in a solar-driven steam jet ejector chiller plant. Energy Procedia, Volume 30, 2012, Pages 957 - 966
Kauffeld, M.; Kettner, M.; Özcan, T.; Korejba, W.: Prozessdampf-und Kälteerzeugung mit Solarkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern; Deutsche Kälte-und Klimatagung 2011, Aachen, 16. - 18. November 2011). Tagungsband erschienen 2012, ISBN 978-3-932715-47-1

Wissenschaftliche Vorträge

Özcan T, Joemann M, Pollerberg C, Kauffeld M: Prozessdampf- und Kälteerzeugung mit Solarkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern – Ergebnisse
Wo: Deutsche Kälte-Klima-Tagung 2015 – Dresden
Wann: 18. - 20. November 2015

Abschlusskolloquium zum Projekt „Solare Kühlung“
Wo: Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft
Wann: 28. Oktober 2014

Özcan, T.; Kauffeld, M.; Koffler, M.: Entwicklung eines Latentwärmespeichers
Wo: Deutsche Kälte-Klima-Tagung 2012 – Würzburg
Wann: 21. - 23. November 2012

Özcan, T.; Kauffeld, M.: Prozessdampf-und Kälteerzeugung mit Solarkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern
Wo: Deutsche Kälte-Klima-Tagung 2011 – Aachen
Wann: 16. -18. November 2011