Seit Jahren steigt in Europa die Nachfrage nach Klimaanlagen. So ist die Anzahl der verkauften Anlagen laut der Branchenzeitschrift CCI (9/2007) von 2004 bis 2007 um 53% auf 5,3 Millionen angestiegen. Diese Entwicklung betrifft nicht nur die von der Sonne verwöhnten Mittelmeeranrainer. Auch in Deutschland wächst die Nachfrage und damit der Klimaanlagenmarkt.
Spanien ist wichtigster Markt
Von diesem Trend will in den nächsten Jahren die Technologie der solaren Kühlung profitieren. „Spanien ist derzeit der wichtigste Markt. Dort wurden bereits mehrere hundert Anlagen installiert. In Deutschland, Österreich und China wurden dagegen jeweils Anlagen im unteren zweistelligen Bereich installiert“, sagt Ursula Eicker, Leiterin des Forschungszentrums Nachhaltige Energietechnik an der Hochschule für Technik in Stuttgart. Noch findet solares Kühlen überwiegend in Bürogebäuden und in Industriebetrieben Anwendung. Laut einer Erhebung zu leistungsstarken solaren Kühlsystemen der „Task 38 – Solar Air-Conditioning and Refrigeration“ der International Energy Agency (IEA) finden sich 60% dieser Anlagen in Bürogebäuden. „Bei kommerziellen Gebäuden sind Kühlsysteme, die ausschließlich auf Solarenergie setzen, sehr selten. Beinahe alle Systeme sind solarunterstützte Klimaanlagen“, sagt Alexandra Troi vom Institut für Erneuerbare Energie im italienischen Bozen.
Noch kein Massenphänomen
Bei der solaren Kühlung wird die Sonnenenergie als Wärmequelle eingesetzt, um mittels Adsorption oder Absorption Wasser abzukühlen. Noch ist Solar Cooling aber kein Massenphänomen. Auf rund 200 Anlagen schätzt Hans-Martin Henning von der Gruppe Thermische Anlagen und Komponenten des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, die Anzahl der Installationen zur solaren Kühlung in Europa. Weltweit geht Daniel Mugnier von der französischen Beratungsfirma Tecsol von 200 bis 300 Anlagen zur solaren Kühlung aus, die zusammen auf eine Kapazität von 20 MW kommen. Davon rund zwei Drittel mit einer Leistung von weniger als 15 kW, so Mugnier weiter. Für den Einsatz in Wohnhäusern eignen sich Einzeleffektsysteme, die mit relativ niedrigen Betriebstemperaturen zwischen 70 und 110°C arbeiten, besonders. Je nach Bedarf können diese Anlagen so konzipiert werden, dass sie sowohl zum Heizen, Kühlen und zur Warmwassererzeugung eingesetzt werden können. „Nur zentrale Kühlsysteme können mit Solarwärme betrieben werden, da derzeit noch keine technischen Lösungen für dezentrale Systeme existieren“, sagt Hans-Martin Henning vom ISE.
3 m² für 1 kW Kühlleistung
Für den Einsatz im Bereich der industriellen Kühlung sind hingegen größere Anlagen nötig, die auf eine höhere Betriebstemperatur (150–250 °C) ausgelegt sind. Diese Werte lassen sich jedoch nur erreichen, wenn der Kollektor nachgeführt wird und optische Konzentratortechnik zum Einsatz kommt. Dann kann in sonnenreichen Gegenden die solare Kühlung auch industriell eingesetzt werden, z. B. zur Herstellung von Eis oder in Kühlhäusern. Als Faustregel gelte, dass man in Europa mit rund 3 bis 3,5 m² Kollektorfläche pro kW Leistung rechnen müsse, so Hans-Martin Henning. Doch im Einzelfall könne die benötigte Fläche pro kW Kühlleistung durchaus zwischen 1 m² und 6 m² liegen, so Ursula Eicker in ihrem Vortrag.
Für Solarkollektoranlagen mit mehr als 40 m² Bruttokollektorfläche, die zur solaren Kühlung eingesetzt werden, gibt es im Rahmen des Marktanreizprogramms (MAP) eine Förderung, die bis zu 30% der Nettoinvestitionskosten einer Anlage abdeckt. 105 € pro m² Kollektorfläche stehen dem Anlagenbetreiber dabei zu. „Für ein kW Kühlleistung muss man in unseren Breiten rund 3m² Kollektorfläche einplanen“, kalkuliert Bernd Hebenstreit, Vertriebsleiter beim Absorptionsanlagenbauer Energieanlagenbau Westenfeld GmbH (EWA).
Im Sommer solar kühlen
Der Vorteil des Solar Cooling gegenüber der Trinkwassererwärmung oder Gebäudebeheizung mit Solarthermie liegt darin, dass der Kühlbedarf und die Außentemperatur prozyklisch zueinander verlaufen. Wenn der Kühlbedarf eines Gebäudes wegen dessen Trägheit sein Maximum erst ein bis zwei Stunden nach dem Außentemperaturmaximum erreicht, kann diese Verschiebung durch den Einsatz von Puffern ausgeglichen werden. Gleichzeitig lässt sich die Installation so gestalten, dass die Anlage neben der Kühlung im Sommer, auch einen Teil der Gebäudebeheizung im Winter übernehmen kann.
Die derzeit auf dem Markt befindlichen Anlagen arbeiten nach den physikalischen Prinzipien der Adsorption (Marktanteil 60 %), der Absorption (Marktanteil 11 %) und des Open Sorption Assisted Air-Conditioning (DEC) (Marktanteil 29 %). Gemeinsam ist den Techniken, dass mittels Verdampfung Verdunstungskälte erzeugt wird, die dann Räume und Gebäude klimatisiert. Mehr als drei Viertel des Marktanteils für Ab- und Adsorptionssysteme fielen den Unternehmen Rotartica (43 %) und Climatwell (35 %) zu, schätzt Daniel Mugnier von Tecsol.
Prozesswärme bis zu 200 °C
Absorptionskühler funktionieren mit einem flüssigen Sorbent und arbeiten in einem Kreislauf. Durch die Betriebstemperaturen von rund 95 °C werden Absorptionskühler vor allem als Großanlagen konzipiert und können ein Leistungsniveau von 100 kW und mehr erreichen. Als Sorbent wird in der Regel Lithiumbromid in Kombination mit Wasser als Kühlmittel eingesetzt, wenn ein Einsatz als Klimaanlage geplant ist. Um Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu erzeugen, müssen in dem Kreislauf andere feuchtigkeitsbindende Lösungen wie Lithiumchlorid oder Ammoniak eingesetzt werden. Durch die Verdampfung des Wassers unter niedrigem Druck im Verdampfer wird ein Kühleffekt erzeugt. Der Wasserdampf wird vom Absorber aufgenommen und verdünnt dadurch die Lösung. Durch die Wärmezufuhr von den Kollektoren wird die Lösung anschließend regeneriert.
Um die Betriebstemperatur zu erreichen, eignen sich herkömmliche Kollektoren nur bedingt. Stattdessen werden einachsig nachgeführte Kollektoren eingesetzt. Dazu bieten sich Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren an. „Mit als Aufdachanlage installierten, linearen Fresnel-Kollektoren ist es möglich industrielle Prozesswärme bis zu 200°C zu erzeugen. Damit sind sie geeignet Absorptionskühler zu betreiben“, erklärt Christian Zahler von der PSE AG in Freiburg. Die hohe Temperatur, die durch Konzentratortechnik erreicht wird, ermöglicht eine zweistufige Absorption mittels einer weiteren Generatorenstufe. „Im Vergleich zu den einstufigen Absorptionskältemaschinen erreichen zweistufige Maschinen einen 2 bis 3 Mal höheren Wirkungsgrad. Dadurch kann mit einem kleineren Kollektorenfeld dieselbe Leistung wie bei einem einstufigen Prozess erzielt werden“, sagt Walter Masur, Marketingleiter der Solitem GmbH in Aachen.
Neue Produkte, neue Anbieter
Daniel Mugnier lieferte auf dem Münchener Seminar auch einen Überblick über die derzeitigen Hersteller und ihre Anstrengungen bei der Entwicklung neuer Anlagen. Viele Unternehmer sind mit ihren Produkten derzeit in der Testphase, doch in den nächsten beiden Jahren dürften mehrere Modelle gerade aus dem unteren Leistungsbereich in den Verkauf kommen. Solare Kühlsystem mittlerer Leistungsgröße (17,5, 35, 70 und 105 kW), die nach dem zweistufigen Absorptionsprinzip arbeiten, bieten mehrere Unternehmen an. Dazu gehört auch das japanische Unternehmen Yazaki, das seit 30 Jahren in diesem Bereich tätig ist. Seit 2008 neu auf dem Markt ist ein 17,5-kW-System auf Wasser/Lithium- und Bromidbasis, das SolarNext unter der Typenbezeichnung Chillii WFC 18 vertreibt. Eine weitere Absorptionsanlage des österreichischen Herstellers Pink vertreibt SolarNext unter der Typenbezeichnung Chillii PSC10. Das Arbeitspaar bilden hier Wasser und Ammoniak. Auf diese Kombination setzen auch die portugiesische Aosol, Solar Frost aus Österreich und die italienische Robur. Alle drei Unternehmen entwickeln derzeit neue Absorptionsanlagen.
Das Unternehmen EAW bietet Systeme für die solare Kühlung mit 15, 30 und 54 kW an. Das 15-kW-Modell auf einer WasserLithiumbromid-Basis wurde zwischen 2005 und 2006 unter realen Bedingungen getestet. Die SK Sonnenklima GmbH hat mit dem Suninverse ein 10-kW-Kühlsystem entwickelt, das mit Lithiumbromid als Lösungsmittel arbeitet. Derzeit läuft die Kühlanlage an mehreren Standorten im Probebetrieb doch mit einer Markteinführung ist bis 2009 zu rechnen.
Eine Ausnahme im Segment der Absorptionsanlagen hat die SK Sonnenklima GmbH entwickelt. Das neue Modell AKM arbeitet bereits bei Temperaturen ab 55°C; ein Temperaturniveau also, das sich mit normalen Flachkollektoren erzeugen lässt. Die spanische Rotartica, die einen Anteil von 43% auf dem Markt für Ab- und Adsorptionskühler hat (laut Erhebung der Task 38 der IEA 2008), entwickelt ebenfalls einen Lithiumbromid-Solarkühler im unteren Leistungsbereich.
Adsorptionssysteme für geringere Kühlleistung
Adsorptionssysteme basieren auf einem festen Sorptionsmaterial, wie Silikagel oder Zeolith sowie Wasser als Kältemittel. Sie können im Verdampfer Temperaturen zwischen 5 und 6°C erzeugen. Wasserdampf wird an diese Materialen adsorbiert wodurch dem Prozess Wärme entnommen wird. Während der Desorption wird dem Prozess hingegen Wärme zugeführt. Mit Silikagel reichen dazu Temperaturen zwischen 60 und 70°C aus, für Zeolit liegt die benötigte Temperatur bei rund 90°C. Die Kosten für ein solches Silica-System sind zwar höher, doch aufgrund der niedrigeren Betriebstemperaturen ist der Einsatz herkömmlicher Flachkollektoren möglich. Über viele Jahre haben ausschließlich zwei japanische Unternehmen Adsorptionssysteme hergestellt und vertrieben: Nishyodo und Maekawa. Die beiden Hersteller bieten solare Kühlsysteme mit einer Leistungsspanne zwischen 50 und 500 kW an. Vertrieben werden die Produkte in Europa über GBU (Nishyodo) und Mycom (Maekawa).
Doch in den letzten Jahren haben mehrere europäische Unternehmen kleinere Adsorptionssysteme entwickelt. Dazu gehört das niederländische ECN, EEE Güssing (Österreich) sowie die Universität RWTH aus Aachen, deren Prototypen kurz vor der Markteinführung stehen. Zu den kleineren Adsorptionssystemen, die bereits auf dem Markt sind, gehört der ACS 08 von Sortech (wird von Solarnext als „Chillii STC8“ vertrieben) sowie der SWAC-10. Dieser wurde von der chinesischen Shanghai Jiao Ton Universität entwickelt und von dem Klimaanlagenhersteller Jiangsu Shuangliang Air Conditioner Equipments hergestellt. „Ein breites Spektrum an Anlagen mit einer Kühlleistung über 100 kW ist seit 2005 auf dem Markt erhältlich. Seitdem ist auch sehr schnell ein Markt für Anlagen mit geringer Kühlleistung entstanden“, beobachtete Daniel Mugnier von Tecsol.
Hoher Entfeuchtungsgrad
Bei der dritten Technologie, den Solar Assisted Desiccant Cooling Systems, ist sowohl der Einsatz von flüssigen wie auch von festen Sorptionen möglich. Die Verwendung von flüssigen Lithiumchlorid-Sorptionen beschränkt sich jedoch lediglich auf Prototypen. Der Vorteil der flüssigen Sorptionen liegt darin, dass bei identischer Betriebstemperatur ein höherer Entfeuchtungsgrad erzielt wird. Doch bisher sind auf dem Markt nur Anlagen mit festen Sorptionsmitteln erhältlich, die bei den marktgängigen Systemen in einem Drehrad eingelagert sind. Der Vorteil der Technik ist, dass für die Regeneration des Sorptionsmaterials nur Temperaturen um die 50 bis 70 °C benötigt werden. Der Kreislauf lässt sich beeinflussen, um die Leistung an unterschiedliche klimatische Bedingungen anzupassen.
Der Einsatz von Desiccant Cooling Systems beschränkt sich auf die Gebäudekühlung, da sich Lufttemperaturen unter 16°C mit diesem Prinzip nicht erzielen lassen. „Desiccant Systems behandeln die Luft direkt. Dies ist von Vorteil wenn der Betreiber eine hohe Austauschrate der Raumluft wünscht“, so Henning vom Freiburger ISE. Im letzten Vortrag des Tages stellte Laura Sisó Miró von Aiguasol einen Kostenvergleich der verschiedenen Techniken vor. „Desiccant Cooling Systeme können in Bezug auf die Kosten einer Installation schon heute wettbewerbsfähig sein. Voraussetzung ist allerdings, dass das Gebäude über eine mechanische Belüftungsnachfrage verfügt“, sagte Miró.
Preise werden sinken
Der Klimawandel führt auch in den gemäßigten Breiten zu einem höheren Kühlbedarf und die steigenden Strompreise treiben die Betriebskosten für strombetriebene Klimaanlagen in die Höhe. Die Solitem GmbH, die mittlere Anlagen und Großanlagen zur solaren Kühlung vertreibt, hat bereits eine Kombianlage in einem Hotelkomplex in der Türkei errichtet. Diese übernimmt im Sommer die Kühlung der Gebäude und beheizt im Winter als klassische solarthermische Anlage die Zimmer und den Pool. Doch auch in Deutschland ist solare Kühlung schon wettbewerbsfähig. Walter Masur, Marketingleiter bei Solitem, dazu: „Für das sonnenreiche Süddeutschland lässt sich sagen, dass sich der Einsatz der solaren Kühlung bereits heute wirtschaftlich auch ohne Subventionen lohnt.“ Derzeit entwickelt das Unternehmen auch Anlagen mit einer geringeren Kühlleistung, die sich z.B. für den Einsatz Einfamilienhäusern eignen.
Der Markt ist noch relativ jung und mehrere Anlagen haben sich als Prototypen in Demonstrationsobjekten bewiesen und kommen jetzt auf den Markt. Somit ist wegen der Skalenökonomie mit sinkenden Preisen zu rechnen. Hans-Martin Henning vom ISE erwartet, dass in der Zukunft die Preise für thermisch betriebene Kühlsysteme kleiner Leistung von derzeit 1500 bis 2000 €/kW auf 500 bis 1000 €/kW sinken werden. Auch für größere Systeme, die laut Ursula Eicker derzeit zwischen 4000 und 4500 €/kW kosten, sei künftig mit Preisen zwischen 3000 und 3500 €/kW zu rechnen.
Trend zu Komplettsystemen
Ursula Eicker vom ZAFH erwartet, dass der Trend zu Komplettsystemen gehe, die mit einer Steuereinheit ausgestattet sind. „Komplettsysteme umfassen Kollektoren, einen Warmwassertank, Pumpen, die Kühleinheit sowie einen Kaltwassertank. Der Vorteil ist, dass sich mit Komplettsystemen die Investitionskosten deutlich reduzieren lassen“, sagt Daniel Mugnier von Tecsol. Drei deutsche Unternehmen (Citrinsolar, Schüco International und Solarnext) und die österreichische Solution haben Komplettsysteme im Angebot. Dabei handelt es sich jedoch nicht unbedingt um eigens entwickelte Modelle. So vertreibt Solution Produkte von EAW.
Auch der Leiter des Seminars, Hans-Martin Henning vom Fraunhofer ISE, wagte einen Ausblick in die Zukunft des solaren Kühlens. Multifunktionale Einzeleffektsysteme mit gewöhnlichen Kollektoren würden künftig stärker für die Gebäudekühlung und -beheizung sowie zur Trinkwassererwärmung eingesetzt werden. „Die Verkaufszahlen für Anlagen mit kleiner Leistung werden steigen. Die Markteinführung der Systeme im großen Stil steht kurz bevor. Ein erster wichtiger Schritt wird die Ausrüstung spanischer Wohngebäude mit solaren Kühlsystemen sein. Gleichzeitig werden die Preise fallen und sich Standards für die Systeme herausbilden“, sagte Henning. Weitere Chancen sieht er bei den einachsigen Nachführsystemen mit Konzentratortechnik (150 bis 250°C). Vor allem die Systeme im mittleren und oberen Leistungsbereich kämen dann in Regionen mit hoher Globalstrahlung zukünftig stärker zum Einsatz. Dazu gehörten auch reine Kühlanlagen im industriellen Bereich, meinte Hans-Martin Henning abschließend.
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