Gebäudetechnik

Solare Kälteerzeugung

Unter solarer Kälteerzeugung wird das Bereitstellen eines Kühlmediums – kalte Luft, kaltes Wasser – verstanden, wobei mit „kalt“ eine Temperatur des Kühlmediums gemeint ist, die unter der jeweiligen Umgebungstemperatur des zu kühlenden Objekts liegt. Die dazu nötige Energie wird solar generiert und kann sowohl solar erzeugte thermische als auch solar erzeugte elektrische Energie sein. Der Vorteil solarer Kälteerzeugung Kälteerzeugungsolargegenüber solarer Gebäudeheizungsunterstützung besteht in der Gleichzeitigkeit von solarem Leistungsangebot und Kälteleistungsbedarf.

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Der Vorteil solarer Kälteerzeugung gegenüber solarer Gebäudeheizungsunterstützung besteht in der Gleichzeitigkeit von solarem Leistungsangebot und Kälteleistungsbedarf. Die solare Kälteerzeugung ist damit aus energetischer Sicht ein idealer solarer Anwendungsfall, der vor allem in sonnenscheinreichen Regionen mit bisher mangelnder Energieversorgung unübertreffbare Vorteile besitzt.

Der Reiz dieser solaren Energieversorgung besteht darin, dass mit Sonnenenergie, durch die der Kälteleistungsbedarf im Wesentlichen entsteht, gleichzeitig dieser Bedarf auch gedeckt werden kann. Das wird durch folgendes Beispiel eindrucksvoll verdeutlicht:

Ein Kühllagerhaus, das in sonnenscheinreicher Gegend für das Erhalten der Lebensmittelqualität prinzipiell unersetzbar ist, wird mit einer solarthermischen Kälteanlage ausgestattet. Die Solarkollektoren, die die thermische Energie für den Kälteprozess liefern, liegen auf dem Dach des Kühllagerhauses. Sie verringern wegen der Energieabfuhr mit dem erwärmten Solarfluid die Kühllast, die sonst über das Dach in die Kühllagerräume eintritt. Die vom Dach geerntete Energie wird mit den in diesem Kapitel zu besprechenden Verfahren der solaren Kälteerzeugung zum Kompensieren der nun geringer als ohne Dachkollektoren anfallenden Kühllast verwendet.

Zunächst muss entsprechend angemerkt werden, dass mit solar bereitgestellter Energie prinzipiell alle Kälteprozesse durchgeführt werden können (Bild 1).

Bild 1: Übersicht über solare Kältebereitstellungsverfahren

In den folgenden Absätzen werden die Zuordnungen und Pfade des Bildes 1 näher erläutert.

Mit Solarzellen oder mit einem solarthermischen Kraftwerk erzeugte elektrische Energie versorgt PELTIER-Kälteanlagen und elektrisch angetriebene Kompressionskältemaschinen. Mit Solarzellen wird in einer Photovoltaikanlage Gleichstrom erzeugt und ggf. mit Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt. Solarthermische Kraftwerke arbeiten nach dem Prinzip von Dampfkraftwerken, deren „Befeuerung" mit solar bereitgestellter thermischer Energie erfolgt. Dieser Pfad ist mit der von der Wärmekraftmaschine nach oben gerichteten gestrichelten Linie angedeutet.

Bei der solaren PELTIER-Kälteanlage führt das Umkehren des SEEBECK-Effekts, der für die Temperaturmessung mit Thermoelementen genutzt wird, zum Bereitstellen von „Kälte". Durch das Einspeisen von elektrischer Energie in eine Thermopaarung wird an deren beiden Lötstellen unterschiedliche Temperatur erzeugt. An der kalten Lötstelle wird die Kälteleistung bereitgestellt; an der warmen Seite muss Wärme an die Umgebung oder an einen Abwärmenutzungsprozess abgegeben werden. Als Vorteil dieser Anlage gilt, dass sie ohne rotierende Verschleißteile auskommt.

PELTIER-Kälteanlagen sind bisher für sehr kleine Leistungen und in der Raumfahrt bekannt. Sie werden unmittelbar mit der solar erzeugten elektrischen Energie versorgt. Für die Nutzung in Gebäuden spielen sie momentan keine Rolle und werden hier deshalb nicht weiter besprochen.

Für die Kompressionskältemaschine muss die solar erzeugte elektrische Energie über einen Elektromotor in mechanische Energie des Verdichters umgewandelt werden. Kompressionskältemaschinen sind gegenwärtig die dominierenden Maschinen zur Kältebereitstellung in der konventionellen Kältetechnik.

Die solar erzeugte thermische Energie treibt Sorptions- und Dampfstrahlkältemaschinen an. Sorptionskältemaschinen sind gegenwärtig die realistischste Option zur solaren Kälteerzeugung. Obwohl auch die Dampfstrahlkältemaschine eine interessante Möglichkeit ist und neuerdings wieder stärker in den Blickpunkt rückt, sind solare Dampfstrahl-Kältemaschinen bisher über den Status einer Versuchsanlage nicht hinausgekommen. Sie werden deshalb hier nicht weiter erörtert.

Im Bild 1 nicht dargestellt ist der mögliche, aber doch sehr abwegige Pfad, solar erzeugte elektrische in thermische Energie umzuwandeln und damit eine Sorptions- oder Dampfstrahlkältemaschine zu betreiben.