Solar-unterstützte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Technische und wirtschaftliche Potenziale einer neuen Systemkombination

Zur Steigerung der Effizienz von Energieerzeugungssystemen werden heutzutage zumeist einzelne Komponenten, wie z.B. BHKW oder Kältemaschinen, unabhängig vom gesamten Energiesystem optimiert. Nach Müller & Topp [1] sind jedoch wesentliche Steigerungen der Energieeffizienz nur durch zwei weitere Methoden zu erreichen: die Nutzung neuer oder bisher nicht angewandter naturwissenschaftlicher Wirkprinzipien und die Integration momentan isolierter Prozesse. In diesem Beitrag werden diese beiden Methoden im Bereich der Wärme- und Kälteversorgung von Bürogebäuden angewendet. Es wurden das neue Energiesystem der solar-unterstützten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (kurz: solar-unterstützte KWKK oder su KWKK) entwickelt sowie die technischen und wirtschaftlichen Potenziale untersucht. Die Ergebnisse werden dabei unterschiedlichen, getrennten und kombinierten Energiesystemen zur Wärme- und Kälteversorgung gegenübergestellt.

Systemidee der solar-unterstützten KWKK

Ausgangpunkt für die Entwicklung der solar-unterstützten KWKK sind die zwei bekannten Energiesysteme solare Kühlung und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (kurz: KWKK). Bei der solaren Kühlung wird die Hauptantriebswärme für eine Sorptionskältemaschine durch thermische Solarkollektoren bereitgestellt. Ein konventioneller Kessel dient dabei als Backup; im Heizmodus entspricht dieses Energiesystem einer solar-unterstützten Heizung. Bei der KWKK wird die Abwärme eines BHKW zum Antrieb einer Sorptionskältemaschine verwendet. Im Heizmodus entspricht dieses System einer typischen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.

Zur Bewertung der Primärenergieeffizienz gegenüber den Vergleichssystemen wird der Primärenergienutzungsgrad PER (engl.: Primary Energy Ratio) herangezogen:

           NE

PER =

  PESystem - PEStrom erzeugt

                                                                                                                          (1)

Hierbei wird die Nutzenergie NE (Wärme und Kälte) ins Verhältnis zum Primärenergieaufwand gesetzt. Bei den Energiesystemen mit Stromerzeugung wird der Betrag des erzeugten Stroms PEStrom erzeugt primärenergetisch von der verbrauchten Primärenergie PEStrom erzeugt  subtrahiert. Die Wärme- und Kälteversorgung steht somit im Mittelpunkt der Betrachtung, die Stromerzeugung wird in der Energiebilanz primärenergetisch herausgerechnet. Diese Berechnungsweise des bilanziellen Primärenergieverbrauchs entspricht der Stromgutschriftmethode [2].

In Bild 1 sind die Primärenergienutzungsgrade typischer Konfigurationen der betrachteten Systeme kleinerer Leistung bis 30 kW Kälte gezeigt [3,4]. Die Werte wurden durch eine statische Energiebilanz berechnet, bei der Literaturwerte und Wirkungsgradketten verwendet wurden; die Hilfsenergien wurden hierbei vernachlässigt. Der primärenergetische Vorteil der solaren Kühlung liegt im Kühlmodus, bei dem mit 1,9 ein fast doppelt so hoher Primärenergienutzungsgrad gegenüber einem konventionellen System mit Kompressionskältemaschine und Gaskessel (1,1) erzielt wird. Im Heizmodus hat die solare Kühlung durch die solare Unterstützung des Kessels nur einen leicht höheren Wert. Die Stärke der KWKK liegt wie bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Heizmodus (1,9 gegenüber 0,98 beim konventionellen System). Im Kühlmodus ist kein Vorteil vorhanden, der Einsatz der Sorptionskältemaschine führt lediglich zu einer höheren Auslastung des BHKW, wodurch die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.

Die Kombination der solar-unterstützten KWKK nutzt die jeweiligen Vorteile: so werden die Vorteile der KWKK im Heizmodus und die Vorteile der solaren Kühlung im Kühlmodus genutzt, wodurch der Primärenergienutzungsgrad für das Gesamtsystem deutlich gesteigert werden kann.

Randbedingungen für die Simulation

Für den Systemvergleich wurden die Hauptkomponenten Solarkollektor, Sorptionskältemaschine, BHKW und Rückkühler vorab durch messtechnische und theoretische Untersuchungen ausgewählt. Hierbei wurden ausschließlich marktverfügbare Komponenten berücksichtigt. Für alle betrachteten Systeme werden die gleichen Komponententypen verwendet.

Die Festlegung des Solarkollektor- und Kältemaschinentyps erfolgte auf Grundlage der energetisch besten Kombination für den Kühlbetrieb. Nach Henning [5] ist die auf den solaren Wirkungsgrad bezogene Leistungszahl COPsol ein entscheidendes Kriterium für die Auswahl einer passenden Kombination eines thermischen Solarkollektors und einer Sorptionskältemaschine, die wie folgt definiert ist:

COPsol = COP(T2) . ηK (Tm)                                                                                                                          ⇥(2)

Die Leistungszahl COP wird in Abhängigkeit der Antriebstemperatur T2 bei sonst konstant angenommenen Temperaturen und Volumenströmen berechnet bzw. aus Datenblättern bestimmt. Der thermische Wirkungsgrad des Solarkollektors ηwird nach DIN EN 12 975-2 mit

                          Tm               (Tm)2

ηK  =  η0 +α1 .           + α2 .                                                                                                 

                           Gg                            Gg⇥(3)

in Abhängigkeit der mittleren Temperaturdifferenz Tm berechnet; Tm ist die Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Kollektortemperatur und der Umgebung. Die Umgebungstemperatur wird hier mit 27 °C konstant angenommen. Die Solarkollektorleistungsparameter η0, α1 und α2 wurden durch eine Marktanalyse von Flach- und Vakuumröhrenkollektoren ermittelt [6]. Für die Absorptions­kältemaschine wurde die charakteristische Gleichung der SK Sonnenklima suninverse [7] verwendet, für die Adsorptionskältemaschine (kurz: AdKM) Messdaten der InvenSor LTC 09. Das Ergebnis der Berechnung ist in Bild 2 zu sehen.

Es zeigt sich, dass durch den Einsatz von Flachkollektoren im niedrigen Temperaturbereich bis 75 °C eine höhere Energieeffizienz erreicht wird. Oberhalb von 75 °C ist der Einsatz von Vakuumröhrenkollektoren effizienter. Zudem wird deutlich, dass bei niedrigeren Antriebstemperaturen AdKM zu einem effizienteren Gesamtergebnis führen, obwohl der COP bei diesen Maschinen im Maximum niedriger als bei Absorptionskältemaschinen ist [5,8]. Hinsichtlich des Ziels möglichst geringer thermischer Verluste im Gesamtsystem, vor allem im Bereich der Speicher und Rohre, sollte die Temperatur möglichst niedrig gehalten werden. Somit fiel die Wahl auf die Flachkollektoren und die AdKM.

Für die Auswahl der BHKW-Leistungsdaten wurde eine Marktanalyse durchgeführt [6]. Für BHKW mit Erdgas mit einer elektrischen Leistung bis zu 30 kW wurden die folgenden mittleren Wirkungsgrade ermittelt: elektrischer Wirkungsgrad 28 % und thermischer Wirkungsgrad 62 %. Das dynamische Anfahrverhalten (Zeitlicher Verlauf der Strom- und Wärmeleistung) für Kalt- und Warmstarts wurde anhand von Messdaten mehrerer BHKW charakterisiert.

Für die Festlegung des Rückkühlers wurden Messungen an einer Versuchsanlage im Labor für Energietechnik der Hochschule Kempten gemacht. Bei dem Vergleich des elektrischen Verbrauchs unterschiedlicher Rückkühlertypen schnitt der wassergefüllte Trockenrückkühler mit drehzahlgeregelten Lüftern am besten ab. Durch eine festgelegte Sollaustrittstemperatur wird ein Kompromiss zwischen einer möglichst niedrigen Rückkühltemperatur für die AdKM und einem minimalen Stromverbrauch des Rückkühlers erreicht [9].

Simulationsergebnisse

Es wurden die energieeffizientesten Kombinationen der betrachteten Energiesysteme bei gleicher Wirtschaftlichkeit für den Standort Kempten ermittelt. Hierzu wurden bei den Energiesystemen solare Kühlung, KWKK und solar-unterstützte KWKK die Größen der Komponenten Solarkollektor, BHKW sowie Wärme- und Kältespeicher entsprechend variiert. Die Kälteleistung wurde auf 9 kW festgelegt. Das konventionelle Vergleichssystem blieb dabei gleich und dient somit als Referenz für die Wirtschaftlichkeitsberechnung. Bei einer maximalen Abweichung von 2 % der Gesamtannuität nach VDI 2067 gegenüber der Referenz wurde die Wirtschaftlichkeit als gleich definiert. Konnte durch die Variation keine gleichwirtschaftliche Lösung gefunden werden, wurde eine möglichst naheliegende und zugleich systemtechnisch noch sinnvolle Kombination gewählt. Die Kostenfunktionen sowie die Variationsbreiten für die variablen Komponenten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Für die solare Kühlung ergibt sich, dass eine Vergrößerung der Solarkollektorfläche die Wirtschaftlich­keit verbessert. Dies liegt an der hohen staatlichen Förderung des Solarkollektors mit 180 €/m² Bruttokollektorfläche für die solare Kälteerzeugung durch die BAFA. Somit wird eine Solarkollektorfläche von 63 m² (7 m²/kW Kälte) gewählt, bei der ein solarer Deckungsgrad beim Kühlen von nahezu 100 % erzielt wird. Die Größe des Wärmespeichers liegt bei 3,5 m³, was einem spezifischen Speichervolumen von 56 l/m² Kollektorfläche entspricht. Bei den Energiesystemen mit BHKW werden die Wärmequellen in der Weise vergrößert, dass auf eine Spitzenlast verzichtet werden kann. So hat die KWKK ein BHKW mit 15 kWth, wodurch ein monovalenter Betrieb möglich ist. Bei der solar-unterstützten KWKK wird die Solarkollektorfläche auf 18 m² gesetzt. Die Größe des Wärmespeichers liegt jeweils bei 2 m³.

Die Ergebnisse der Energiebilanzen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Das konventionelle Vergleichssystem hat einen Primärenergieverbrauch von 35 MWh, wodurch ein Primärenergienutzungsgrad von 0,87 erreicht wird. Die solare Kühlung erreicht einen solaren Deckungsgrad für das gesamte Jahr von 62 %, wobei im Heizbetrieb ein Wert von 33 % und im Kühlbetrieb 97 % erreicht wird. Der Primärenergieverbrauch liegt bei 24 MWh und der Primärenergienutzungsgrad bei 1,2; die Senkung des Primärenergieverbrauchs gegenüber dem konventionellen Vergleichssystem liegt somit bei 30 %. Bei der KWKK wird das BHKW monovalent betrieben (BHKW-Anteil 100 %). Der Primärenergieverbrauch liegt bei 69 MWh. Durch die Stromgutschrift des erzeugten Stroms ergibt sich bei der KWKK ein bilanzierter Primärenergieverbrauch von 20 MWh, der Primärenergienutzungsgrad liegt somit bei 1,5. Hierdurch wird eine Senkung des Primärenergieverbrauchs gegenüber dem konventionellen Vergleichssystem um 44 % erzielt. Die solar-unterstützte KWKK erreicht einen solaren Deckungsgrad für das ganze Jahr von 22 %; beim Heizen wird ein Wert von 11 %, beim Kühlen von 34 % erreicht. Der Anteil des BHKW liegt somit bei 78 %. Der Primärenergieverbrauch liegt bei 56 MWh. Der bilanzierte Primärenergiever­brauch nach Stromgutschrift liegt mit 17 MWh im Vergleich zu den anderen Energiesystemen am niedrigsten. Es ergibt sich ein Primärenergienutzungsgrad von 1,8. Somit wird eine Senkung des Primärenergieverbrauchs gegenüber dem konventionellen Vergleichssystem von 52 % erzielt.

Fazit

Mit dem neuen entwickelten System der solar-unterstützten KWKK sind deutliche Steigerungen der Primärenergieeffizienz möglich. Mit den Randbedingungen in Deutschland und bei guter Auslegung ist dieses System trotz erhöhter Komplexität wirtschaftlich umsetzbar.

Quellenverzeichnis

[1]    Müller H., Topp K.-H., Katalogbasiertes Konzipieren integrierter Energiesysteme mit der Funktionsstrukturanalyse, Informationsschrift der VDI-Gesellschaft Energietechnik, Hochschule Wismar, 2003


[2]    Arndt U., Optimierung von KWK-Systemen zur Hausenergieversorgung mittels prüfstandsge­stützter Simulation, Dissertation, Technische Universität München, 2008


[3]    Becker M. M., Braun J., Faulstich M., Mayer W., Solar-assisted trigeneration: Primary energy efficiency and cost performance of a new system concept, Proc. 5th Int. Conf. on Solar Air-Conditioning, Bad Krozingen, 2013, 128-133


[4]    Becker M. M., Mayer W., Innovative Lösungen durch Kombination bekannter Energiesysteme am Beispiel der solar-unterstützten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Forschungsreport für den Maschinenbau in Bayern (2014), 24-27


[5]    Henning H.-M., Solar assisted air conditioning of buildings – an overview, Applied Thermal Engineering 27 (2007), N0. 10, 1734-1749


[6]    Becker M. M., Technische und wirtschaftliche Potenziale der solar-unterstützten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Dissertation, Technische Universität München, 2014


[7]    Hagel K., Modellierung einer solaren Klimatisierung mit Absorptionskältemaschine und Latentwärmespeicher, Diplomarbeit, Hochschule Regensburg, 2009


[8]    Eicker U, Technologien und Perspektiven solarthermischer Kühlung, Proc. Solares Kühlen in der Praxis, Stuttgart, 2008, 7-20


[9]    Becker M. M., Anders B., Sturm K., Patel T., Braun J., Regenerativ betriebene innovative Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage (InnoKKK), in: Mayer W. (Hrsg), FORETA. Ergebnisse des Forschungsverbundes „Energieeffiziente Technologien und Anwendungen“, Kapitel G, Attenkofer Verlag, Straubing, 2013


[10] Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (Hrsg.), Solarthermische Anlagen, 8. Auflage, Deut­sche Gesellschaft für Sonnenenergie, Berlin, 2008


[11] Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (Hrsg.), BHKW-Kenndaten 2005. Module, Anbieter, Kosten, o.V., Berlin, 2005

Hinweis

Dieser Beitrag entstand im Rahmen des vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst geförderten Forschungsprojekts „InnoKKK – Regenerativ betriebene, innovative Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage“ und basiert auf der Dissertation von Michael M. Becker mit dem Titel „Technische und wirtschaftliche Potenziale der solar-unterstützten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung“ [6].

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