Optisch wird das neu errichtete Technologie- und Logistikzentrum von Hawi Energietechnik, Eggenfelden, durch seine Stahl- und Glasarchitektur sowie die fassadenintegrierten Photovoltaik-Module dominiert, die gleichzeitig Geschäftsdynamik und die Ursprünge des Unternehmens repräsentieren. Die Y-förmige Firmenzentrale besteht aus 5000 m2 Logistikfläche und ebenfalls 5000 m2 umfassenden Nutzungsbereichen, in denen die Büro-, Schulungs- und Ausstellungsräume integriert sind.
Bei der Anlagentechnik stand die effiziente Nutzung regenerativer Energien im Fokus, wobei zur Systemfindung der Energieversorgung der Solaren Kühlung eine zentrale Rolle zukam. Nicht ohne (zweiten) Grund: Hawi plant, sein Portfolio um einen Geschäftsbereich für Systemanlagen zur Solaren Kühlung zu erweitern.
Gebäudetechnik
Das Energiekonzept zur autarken Energieversorgung setzt auf
- einen Hackschnitzel-Wärmeerzeuger und ein Blockheizkraftwerk
- Solarthermie und solare Kühlung sowie
- Photovoltaik
Der Biomasse-Wärmeerzeuger wird mit Holz-Hackschnitzeln (G30-Hackgut) betrieben und stellt eine Heizleistung von max. 270 kWth zur Verfügung. Das Erdgas-BHKW deckt kontinuierlich einen Strombedarf mit über 50 kWel. Die 396 fassadenintegrierten Solarmodule kommen auf eine Leistung von ca. 30 kWp. Die 200-m2-Solarthermie-Aufdachanlage wird zur anteiligen Deckung des Raumwärmebedarfs und zur Trinkwassererwärmung genutzt. Zusätzlich wird damit eine Absorptionskältemaschine beheizt, die mit der regenerativen Antriebsenergie das Kaltwasser zur Raumklimatisierung auf 9 °C herunterkühlt. Die Absorptionskältemaschine wird mit dem Kältemittel Wasser und dem Arbeitsmittel Lithiumbromid betrieben.
Ab- und Adsorptionstechnik
Als geschlossene Systeme zur Kaltwassererzeugung aus Niedertemperaturwärme stehen Ab- und Adsorptionskältemaschinen zur Verfügung. In Europa wurden bisher in rund 60 % der Fälle Absorptionskältemaschinen und in ca. 11 % Adsorptionskältemaschinen eingesetzt. Obwohl technisch mehrere Stoffpaare eingesetzt werden könn(t)en, wird in der Klimatechnik primär das hygroskopische und nahezu ungiftige, nicht brennbare, geruchslose und ökologisch problemlose Absorptionsmittel Lithiumbromid (LiBr) verwendet.
Der Lösungsmittelkreislauf besteht aus Absorber, Austreiber und Lösungsmittelpumpe. Die thermische Kompression einer Absorptionskälteanlage beruht auf der Siedepunkterhöhung des Arbeitsmittelgemischs gegenüber dem reinen Kältemittel. Sie entspricht der Erhöhung der Gleichgewichtstemperatur des kältemittelbeladenen festen Sorbens im Vergleich zur Siedetemperatur des reinen Kältemittels bei einem Adsorptionsprozess.
In beiden Prozessen sind diese physikalischen Eigenschaften der verwendeten Sorptionsmittel ausschlaggebend zur Eignung für einen Niedertemperatur-Sorptionskreislauf. Für einen bestimmten Einsatzfall, d.h. vorgegebene Kalt- und Kühlwassertemperaturen, ergibt sich die Prozesstemperatur im Austreiber (Generator) des Sorptionskreislaufes aus den Gleichgewichtsdaten des verwendeten Sorptionsmittels. Diese interne Prozesstemperatur sowie die Temperaturdifferenz für die Wärmeübertragung auf den internen Prozess sind für die erforderliche Temperatur zum Antrieb des Sorptionskreislaufes ausschlaggebend.
Die Güte der Sorptionskreisläufe wird maßgeblich durch den Verlustwärmestrom im thermischen Kompressor vom Austreiber zum Ab- bzw. Adsorber bestimmt. Bei Absorptionskreisläufen beruht dieser auf der unvollständigen Wärmeübertragung zwischen der kältemittelarmen und kältemittelreichen Lösung im Lösungskreislauf.
Eine thermisch angetriebene Kältemaschine ist durch drei Temperaturniveaus charakterisiert, ein
- hohes Temperaturniveau, auf dem die Antriebswärme (Heizwasser) bereitgestellt wird, ein
- niedriges Temperaturniveau, auf dem die Nutzkälte (Kaltwasser) generiert wird und ein
- mittleres Temperaturniveau, auf dem die Wärme (an die Umgebung) abgeführt wird (Kühlwasser).
Um das Kältemittel aus der Lösung zu verdampfen, kann abhängig vom Verfahren, Maschinentyp sowie der Kaltwassertemperatur bei typischen Klimakälteanwendungen Ab- oder Solar-wärme auf einem Temperaturniveau zwischen 60 und 100 °C zum Antrieb verwendet werden. Ab ca. 80 °C werden in der Regel Vakuum-Röhrenkollektoren erforderlich. Zur Dimensionierung für thermisch angetriebene Absorptionskältemaschinen kann als Anhaltspunkt ein Wert von 3 bis 3,5 m2/kWKälte zugrunde gelegt werden.
Welcher Kollektor?
Die Solar-Kühlsysteme haben in den letzten Jahren auch von der Weiterentwicklung der solarthermischen Kollektoren profitiert. Denn hier sind insbesondere Solarthermiekollektoren von Interesse, die eine hohe Energieeffizienz auch oberhalb von 80 °C Betriebstemperatur aufweisen. Zum Antrieb von Absorptionskältemaschinen haben sich Hochleistungskollektoren, wie selektiv beschichtete Flachkollektoren mit Doppelverglasung und optimierter Außenisolation sowie Vakuumröhrenkollektoren (CPC-Kollektoren) bzw. konzentrierende Kollektorsysteme (Parabol- oder Fresnel-Kollektoren) bewährt.
Die bisher am häufigsten verwendeten Absorptionskältemaschinen benötigen eine Antriebstemperatur von rund 75 bis 80 °C, besser sind allerdings 90 bis 95 °C. Diese Temperaturen schaffen Flachkollektor gerade noch bei einer maximalen Einstrahlung. Bei 600 W/m2 Einstrahlung sind nur deutlich geringere Vorlauftemperaturen möglich. Das führt dazu, dass immer öfter Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden, um die Absorptionskältemaschine kleiner dimensionieren und mit einem guten Wirkungsgrad betreiben zu können.
Trend zur Standardisierung
Bei der solaren Kälteerzeugung ist zunehmend ein Trend zu Ab- und Adsorptionskältemaschinen im kleineren Leistungssektor zwischen 3,5 bis 25 kW als Standardisierung und Komplettlösungen aus Absorbermaschine, Solarthermieanlage, Pufferspeicher etc. zu verzeichnen. Dieses hat den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten vor allem hinsichtlich der hydraulischen Einbindung und Sicherheitstechnik optimal in die Integration des Gesamtsystems passen. Bei sämtlichen Kompakteinheiten stellt die Regelungstechnik den besonderen Aspekt dar, denn durch eine mangelhafte Regelungsstrategie kann der Jahreswirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit erheblich reduziert werden.
Wirtschaftlichkeit
Um Nutzkälte mittels Solarwärme und Absorptionskältemaschine wirtschaftlich bereitzustellen, müssen besondere Voraussetzungen existieren, die Anlagen exakt dimensioniert, im Betrieb überwacht und von Spezialisten errichtet und in Betrieb genommen werden. Bei den eingesetzten Komponenten sind höchste Wirkungsgrade und geringste Temperaturverluste ein Muss. Steht zusätzlich andere, sonst nicht verwertbare Wärme oberhalb von 60 °C (besser 80 °C) bei gleichzeitigem Kältebedarf zur Verfügung, ist die Wirtschaftlichkeit insbesondere ab dem mittleren Leistungsbereich erreichbar. Vorteile ergeben sich auch, wenn beispielsweise das Kollektorfeld zu Zeiten ohne Kältebedarf anderweitig genutzt werden kann. Bei der Entwicklung von Absorptionskälteanlagen im kleineren Leistungsbereich bis 25 kW gab es zuletzt einige Fortschritte und mittlerweile gibt es auch mehrere Anbieter. Ohne die Förderung über ein Markteinführungsprogramm ist es jedoch aktuell nicht realistisch, dass ein Stückzahlniveau erreicht wird, um mit der klassischen, elektrisch angetriebenen Kompressionskälteerzeugung in den Wettbewerb einzutreten.
Über Hawi Energietechnik
Der Gründer und Geschäftsführer Hans Wimmer hat 1990 das Dienstleistungsunternehmen seiner Elektrofirma um den Vertrieb und die Montage von Photovoltaikanlagen erweitert und in den nachfolgenden Jahren um die Bereiche der Anlagentechnologie und Komponenten für Blockheizkraftwerke und Windkraftanlagen vergrößert. Die Hawi Energietechnik GmbH wurde 2001 gegründet und um die Geschäftszweige
- regenerative Heizungstechniken
- Blockheizkraftwerk und deren Komponenten
- Planung und Vertrieb netzgekoppelter und netzautarker Photovoltaikanlagen
- PV-Montagesysteme
- Generatoranschlusskästen und hybride Energieversorgungsanlagen
- kleine Windkraftanlagen
erweitert. Als weiterer Geschäftsbereich sind Systemanlagen zur Solaren Kühlung angedacht.
Grundprinzip einer LiBr/H2O-AKM
Lithiumbromid/Wasser-Absorptionskältemaschinen (LiBr/H2O-AKM) werden in der Regel einstufig ausgeführt und können im Teillastbereich bereits ab etwa 60 °C Heißwassertemperatur eine Kaltwassertemperatur bis ca. 6 °C bereitstellen. Das Wasser dient hierbei als Kältemittel und eine Lithiumbromid-Lösung als Absorbens. Im Verdampfer verdampft das Wasser bei einem absoluten Druck von ca. 8 mbar (wird über eine Vakuumpumpe erzeugt und gehalten) und kühlt dabei das Kaltwasser. Der geringe Druck im System kann trotz des entstehenden Wasserdampfs gehalten werden, weil dieser sofort im Absorber in einer konzentrierten LiBr-Lösung absorbiert wird. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird über das Kühlwasser als Nutzwärme oder an die Umgebung abgeführt.
Mit einer Pumpe wird die nun verdünnte (kältemittelreiche) Lösung in den Austreiber gepumpt, wo ein Druck von etwa 80 mbar gehalten wird. Unter Zufuhr von Wärmeenergie (Heißwasser) wird dort ein Teil des Wassers aus der Lösung verdampft („ausgetrieben“). Die so konzentrierte Lösung wird in den Absorber zurückgeführt, der Wasserdampf strömt in den Verflüssiger und kondensiert dort unter Wärmeabgabe an das Kühlwasser. Verflüssigt gelangt es dann, wieder in den Verdampfer. Die beiden Druckzonen werden in der Regel konstruktiv durch die Anordnung der Hauptaggregate und entsprechende Flüssigkeitsstände getrennt. Technische Optimierungen sind die Wärmeübertragung zwischen konzentrierter und schwacher LiBr-Lösung sowie die Vorwärmung der schwachen LiBr-Lösung vor dem Austreiber.
Die energetische Kenngröße aller Sorptionskältemaschinen ist als das Verhältnis der Nutzkälte und zur aufzuwendenden Antriebswärme definiert. Dieses Wärmeverhältnis erreicht bei einfachen, einstufigen Anlagen einen Wert von ca. 0,55 (kleine Leistung, niedrige Heißwassertemperatur) bis 0,8 und bei zweistufigen Anlagen Werte von ca. 1,2 bis 1,3 (Heißwassertemperaturen von über 140 °C). Als Faustwert wird für die elektrische Leistungsaufnahme der Lösungsmittelpumpe häufig ein Wert von 1…2 % der Kälteleistung angegeben.
Eric Theiß
Dipl.-Ing., ist Freier Journalist für Technische Gebäude-ausstattung (TGA) sowie rationelle und Regenerativtechnologien, 81369 München
