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Absorptionskälteanlage nutzt Fernwärme und solare Niedertemperaturquellen

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze

2-Generationen-Funktionsmuster 50 kW

© TU Berlin

Projektsteckbrief

ProjektstatusProjektstatus: Phase 3 Realisierung
StandortMarchstraße 18, 10587 Berlin
ProjektfahrplanAus den prinzipiellen Überlegungen und der Umsetzung eines neuen Konstruktionsprinzips anhand eines 50kW Funktionsmusters in 2009, sowie der nachfolgenden Vermessung im ersten Halbjahr 2010, in der die Erreichung der Ziele verifiziert, bzw. in Aussicht gestellt werden konnten folgte die Installation zweier Funktionsmuster im Feldtest. Parallel ging es an die Konstruktion einer 160 kW Einheit, Hummel genannt. In der Vermessung in 2011 konnte diese ihren Erwartungen mehr als gerecht werden, so dass das 50kW Funktionsmuster, fortan Biene genannt, in der finalen Projektphase ein Relaunch erhielt. Als Projektergebniss liegen die Konzepte zukunftsfähiger, hocheffizienter und kompakter Absorptionskälteanlagen vor, deren Konstruktion zudem zu bisher ungeahnt günstigen Produktionskosten in diesem Markt führt. Ein Anschlussvorhaben zur breiten Feldforschung und Demonstration der Möglichkeiten dieser Anlagen ist gemeinsam mit anderen Universitäten und 2 Verbänden von Versorgern und dem Handwerk beantragt.
TrägerTU Berlin, ZAE Bayern, Vattenfall Europe Wärme AG
Projektthemen

Projektbeschreibung

Einleitung

Vattenfall Europe Wärme zählt zu den künftigen Anwendern hocheffizienter Kälteerzeugung aus Fernwärme; die Technischen Universität Berlin ist Know-how-Träger und Entwickler im Bereich der thermisch angetriebenen Kältetechnik. Beide Partner entwickeln und erproben zusammen in diesem Forschungsprojekt neue thermische Kälteerzeugungssysteme. Aufbauend auf dem Stand der Technik nutzt die Universität die aktuellsten Erkenntnisse der Systemtechnik und des hydraulischen Aufbaus, um mit Hilfe einer Kälteerzeugungsanlage - bestehend aus Absorptionskälteanlage und Rückkühlwerk sowie einer gemeinsamen Regelungsstrategie - ein System zu schaffen, das eine Halbierung bis Drittelung der investitionsbezogenen Kältegestehungskosten und eine Verdopplung der elektrischen Effizienz gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Wesentlicher Baustein des Projekts ist die Neuentwicklung von Absorptionskälteanlagen im Leistungsbereich von 50-320 kW in teilmodularer Bauweise. Sie soll bei minimalen Kosten die Integration in innerstädtische Gebäudestrukturen erlauben. Die Demonstrationsanlagen lassen sich auch im realen Anwendungsfeld optimieren und können so das hohe Potenzial dieser Technik unter Beweis stellen.

Projekt

Wurde die Klimatisierung in früheren Jahren häufig nur als Erhöhung des Komforts, oft aber als überflüssig betrachtet, so kommt sie heute im gewerblichen Bereich wegen steigender Arbeitsschutzanforderungen und neuen Baukonzepten mit lichtdurchlässiger Fassadengestaltung immer häufiger zur Anwendung. Im Gastgewerbe gelten klimatisierte Veranstaltungsräume und Gaststätten gerade in warmen Sommern teilweise bereits als unerlässlich für eine funktionierende Bewirtschaftung.

Den wachsenden Kältebedarf zu decken, erfordert vor dem Hintergrund der Klimaschutzverpflichtungen und der hohen Abhängigkeit der EU von Energieimporten neue energiesparende Technologien. Ein wesentliches Element hierbei stellt die Absorptionskühlung auf Basis von Solarthermie und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) dar. Mit dem Einsatz dieser Systeme wird die weitere Ausbreitung kompressionsgestützer Systeme vermieden und ggf. bestehende Systeme ersetzt. Hinzu kommen die Reduktion des Strom- und Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen. Zusätzlich erhöht sich mit dem Absatz von Kälte unter Verwendung von Fernwärme als Energieträger die KWK-Stromerzeugung im Sommer. Sie verdrängt damit weniger energieeffiziente Stromerzeugung vom Markt und leistet einen zusätzlichen Beitrag zur Energieeinsparung und Emissionsminderung.

In dem 2008 gestarteten Projekt werden Absorptionskälteanlagen im Leistungsbereich von 50-320 kW in teilmodularer Bauweise mit dem Ziel der Produktionskostensenkung bei gleichzeitig hoher thermischer und elektrischer Betriebseffizienz entwickelt. Diese Anlagen werden durch die TU Berlin und ZAE Bayern entwickelt, an der TU vermessen und durch den Energieversorger Vattenfall Europe Wärme im Feld erprobt. Projektbegleitend werden die Einbringung und Verteilung von Kälte im Gebäude über das vorhandene Heizungsverteilsystem konzipiert und getestet.

Realisierung

Während der Projektlaufzeit wurde in unterschiedlichsten Iterationen ein völlig neues Konzept des Aufbaus von Absorptionskälteanlagen umgesetzt. Bis zum Projektabschluss wurden fünf Funktionsmuster gebaut. Das erste Funktionsmuster, in dem die neuartige Konstruktion umgesetzt wurde diente vor allem dem Nachweis der funktionalen Tauglichkeit, nicht nur jeder einzelnen Komponente, sondern der Komponenten untereinander. Zwei weitere Funktionsmuster, die nur in Detailkomponenten angepasst wurden gingen in zwei Feldtests, eines zur Versorgung eines Bürogebäudes zur Klimatisierung, ein anderes zur Kühlung eines Rechenzentrums. In parallel verlaufenden Up-und down-scalings wurde das Konzept in seiner Ausgestaltung für die Leistungsklassen 50 und 160 kW optimiert.

Die neuen Absorptionskälteanlagen weisen eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Eisatzes in Fernwärme-Versorgungsstrukturen auf. Über einen Temperaturbereich von ca. 55°C bis ca. 110°C kann die Anlage mit nahezu beliebigen Volumenströmen betrieben werden. Dies unterstützt den Einsatz in den unterschiedlichsten Fernwärmenetzen mit unterschiedlichsten Randbedingungen bezüglich dem Temperaturniveau und verfügbarem Volumenstrom. Andererseits kann dieses Wissen insbesondere in Teillastzuständen zu einer Optimierung des Einsatzes in KWK Versorgungsstrukturen und Reduzierung der FW-Rücklauftemperatur genutzt werden. So läßt sich z.B. über den gesamten Lastbereich mit einer Reduzierung des Volumenstroms auf 66% des Nennvolumenstroms die Spreizung erheblich erhöhen, da die Leistung nur auf 90% der Ausgangsleistung zurückgeht. Damit verändert sich der Stand der Technik derart, dass zukünftig Teillast nicht über Absenkung der Vorlauftemperatur, sondern ergänzend durch eine Absenkung der Rücklauftemperatur bewusst erzielt werden kann. Neben dem Betrieb in zentralen Versorgungsstrukturen schafft dies nun auch die Möglichkeit zur Kopplung mit modulierenden BHKW-Anlagen. Für solare Anwendungen kann auch bei niedrigen Einstrahlungswerten über eine Volumenstromabsenkung an der Kälteanlage der Betrieb der gesamten solaren Kälteanlage verlängert werden und so der solare Deckungsanteil signifikant erhöht werden. Dies wurde am UBA in Dessau während der Projektlaufzeit anhand eines Biene Funktionsmusters im Feld demonstriert.

Die Kälteleistung der Anlagen ist, wie bei allen Kälteanlagen und Kälteerzeugungsverfahren, anti proportional abhängig von der Rückkühl- bzw. Kondensationstemperatur. Durch konsequente Vermeidung von Wärmebrücken auf der Prozessseite und das neuartige Wärmeübertrage Layout erzielt die Anlage sehr gute Wärmeverhältnisse auch bei höheren Rückkühltemperaturen oberhalb von 45°C. Bisher konnten sehr gute Systeme hier bis ungefähr 40°C zwar betrieben werden, hatten aber ab ca. 35°C bereits mit sehr großen Einbußen bei dem COP zu kämpfen. Die Verschiebung dieses Grenzwerts ermöglicht nun auch in Mittel- und Nordeuropa den Einsatz von trockenen Rückkühlwerken.

Die Entwicklung hin zu geregelten Pumpen in der Gebäudetechnik ermöglicht heute auch im Betrieb thermisch angetriebener Kälteanlagen, wesentliche Reduktionspotenziale in den Nebenstromverbräuchen zu erschließen - vor allem in den überwiegenden Betriebsstunden im Teillastbetrieb. Dafür ist es wichtig, dass die Kälteanlagen ein stabiles Regelverhalten in Abhängigkeit von Änderungen der Volumenstrom aufweisen und über einen breiten Volumenstrombereich ein stabiles Anlagenverhalten zulassen.

Bild 7 stellt den Zusammenhang zwischen Kühlwassertemperatur/-volumenstrom und der resultierenden Kälteleistung dar. Absorber und Kondensator der neuen Anlage lassen in serieller Durchströmung Teillastvolumenströme bis ca. 20% des Nennvolumenstroms bei annähernd gleichbleibender Betriebsgüte zu. Die Kälteleistung erreicht bei ca. 25% des Volumenstroms bei konstanter Kühlwassereintrittstemperatur noch immer ca. 60% der Basisleistung. Gleichzeitig reduzieren sich aber die hydraulischen Aufwendungen im Rückkühlkreis um 98%! Dies ist die Grundlage für neue effiziente Regelungsstrategien, um bei einer vorgegebenen Kühllast, Antriebswärme und Nebenverbräuche auch nach den Zielen von Morgen optimieren zu können.

Evaluierung

Motiviert durch die schnelle Inbetriebnahme und die guten Ergebnisse im Teststand wurde im April 2010 entschieden, noch im gleichen Sommer eine Liegenschaft mit der 50 kW-Anlage auszustatten. Ausgewählt wurde ein Bürogebäude der Vattenfall Wärme AG in Berlin-Lichtenberg. Standortbedingt liegen im Sommer ca. 75-80°C Fernwärme-Vorlauftemperatur an. Die Liegenschaft hat einen Spitzenbedarf von ca. 42 kW Kälte. Für die Rückkühlung wurde die Kälteerzeugungsanlage mit einem Tischkühlgerät mit 102 kW Nennleistung bei Auslegungsbedingungen konzipiert. Seit Juni 2011 ist die Anlage kontinuierlich in Betrieb.

Darüberhinaus wurde im Herbst 2011 im Umweltbundesamt (UBA) in Dessau bei einem Anlagenaustausch ein Funktionsmuster in die solare Kälteerzeugungsanlage zur Kühlung des dortigen Rechenzentrums integriert.

Die Ergebnisse dieser beiden Anlagen fließen aktuell in die Überarbeitung von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen ein und fanden bereits Einzug in die Konstruktionsüberarbeitung der neueren Funktionsmuster. Im UBA konnte bereits eine Effizienzsteigerung gegenüber dem Vorgängersystem von ca. 50% nachgewiesen werden. Weitere Potentiale, die sich erst aus dem tiefen Verständnis der Anlagentechnik ergeben, sollen in den kommenden Jahren in einem neuen Projekt evaluiert werden.

Die neuen Kälteerzeugungsanlagen können die Investitionskosten in dieser Leistungsklasse erheblich senken. Die angestrebten Ziele mit Investitionskosten von 200-240 Euro/kW gegenüber ca. 750 Euro/kW aktuellem Marktstand scheinen in greifbarer Nähe. Ein Teil dieses Ziels kann durch Überzeugung potenzieller Anwender erreicht werden, da die Anlagen im Übergang von der Einzelstückfertigung zur Kleinserie durch Anpassungen in der Produktion und vor dem Hintergrund der Konstruktion ein erhebliches Kostensenkungspotenzial aufweisen. Dafür sollen in einem breiten Feldtestvorhaben alle Anwendungsbereiche der neuen Anlagen demonstriert und mittels Monitoring nachhaltig das Potenzial sowohl von der technischen, als auch von der wirtschaftlichen Seite beweisen.

Energetische Kenndaten

Die Tabelle zeigt eine Übersicht charakteristischer Kenndaten marktverfügbarer Absorptionskälteanlagen (vorher) und den aktuellen Entwicklungsstand (nachher) im Projekt. Die Marktanalyse stützt sich auf die Auswertung von acht Anlagen fünf unterschiedlicher Hersteller im Leistungssegment zwischen 40 und 200 kW. Die mittleren Jahresarbeitszahlen SEER (seasonal energy efficiency ratio) für die elektrischen und thermischen Aufwendungen beziehen sich auf aktuelle Best Practice-Umsetzungen. Mittelwerte umgesetzter Systeme fallen heute in aller Regel wesentlich niedriger aus. Die elektrischen Aufwendungen berücksichtigen sämtliche notwendigen Komponenten der Kälteerzeugungsanlage, inkl. RKW, MSR und hydraulischer Versorgung.

Kenndaten Energie

vorherPotenzialnachherEinheit
Minimale Antriebstemperatur75,0050,0055,00°C
Maximale Abwärmetemperatur (Anlageneintritt)40,00 46,00°C
Volumetrische Leistungsdichte24,00 44,00kW Kälte / m³
COP nominal0,700,800,78kW Kälte / kW Wärme
SEER thermisch0,65 0,78kWh Kälte / kWh Wärme
SEER elektrisch12,00 20,00kWh Kälte / kWh Strom

Zusätzliche Informationen:

  • Erprobungsobjekt: Bürogebäude der Vattenfall Wärme AG in Berlin Lichtenberg am Syringenplatz
  • Übersicht der energetischen Kenndaten beider Kälteanlagentypen
  • Variation von Heißwasservolumenstrom und -temperatur
  • Kälteleistung und Rückkühltemperatur: Vergleich mit einer älteren Anlage
  • Variation von Kühlwassermassenstrom und -temperatur
  • COP über Teillast, Variation Kühlwasser