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Solare Kühlung: Stand heute und Trends für morgen

Solare Kühlung bedeutet Kühlung mit Wärmeenergie. Was auf den ersten Blick wie ein Widerspruch wirkt, ist mit Hilfe entsprechender Technologien möglich.

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Was ist solare Kühlung?

Unter Einsatz von Wärmeenergie verdunsten Flüssigkeiten, die entstehende Verdunstungskälte wird zur Kühlung eingesetzt. Solare Kühlung ist umweltfreundlich und kostengünstig und macht elektrisch betriebene Klimaanlagen unnötig. 

Die Vorteile der solaren Kühlung

Gründe für den Einsatz und die Sinnhaftigkeit der solaren Kühlung gibt es gleich mehrere:

  • Einsparung von Primärenergie durch Nutzung der Sonnenenergie
  • Vermeidung von Treibhausemissionen durch Kältemittel wie FCKW oder FKW
  • Entlastung der Stromnetze hinsichtlich Energieverbrauch und Leistung
  • Höherer Wirkungsgrad solarthermischer Anlagen durch ganzjährige Nutzung

Wie sich aus Wärmeenergie Kälte erzeugen lässt

Dass aus Sonnenenergie Kälte für die solare Kühlung erzeugt werden kann, ist folgenden physikalischen Prinzipien zu verdanken:

  • Beim Verdunsten von Flüssigkeiten entsteht die sogenannte Verdunstungskälte. Das beste Beispiel für diesen Vorgang ist der menschliche Körper. Beim Schwitzen verdunstet Flüssigkeit (der Schweiß) auf der Haut und kühlt sie dadurch ab.Bei der solaren Kühlung wird mit offenen oder geschlossenen Kreisläufen gearbeitet. Bei der geschlossenen Sorption wird die verdunstete Flüssigkeit vom Dampf zurück in Flüssigkeit verwandelt und kann so erneut verdunstet werden. Diese geschlossenen Kreisläufe arbeiten reibungslos, weil zwei weitere Gesetze der Physik greifen:
  • Bestimmte Stoffe ziehen Feuchtigkeit an, man nennt diese Eigenschaft „hygroskopisch“. Bei der Adsorption lagert sich die Flüssigkeit an der Oberfläche des jeweiligen Stoffes an, bei der Absorption in dessen Innerem.
  • Im Vakuum verdampft Flüssigkeit bereits bei niedrigen Temperaturen.

Adsorptionskältemaschinen und Absorptionskältemaschinen

Geschlossene Sorptionsverfahren arbeiten mit Wasser als Medium. Das Wasser wird durch Solarenergie abgekühlt und zur Temperaturabsenkung in die Räume eingeleitet. Die Abkühlung erfolgt zum Beispiel durch eine Klimaanlage oder durch eine Flächenheizung. Im geschlossenen Sorptionsverfahren unterscheidet man Adsorptions- und Absorptionsgeräte. Der Unterschied liegt in der Art, wie das Kältemittel gebunden wird. Bei der Absorption geschieht dies durch die Bindung in einer chemischen Lösung, bei der Adsorption durch Bindung an der Oberfläche eines Festkörpers.

Absorptionskältemaschinen

Die Bezeichnung Absorption stammt aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie saugen oder aufsaugen. Im chemischen Zusammenhang wird der Begriff verwendet, wenn ein Stoff einen anderen aufnimmt. Damit die absorbierenden Stoffe in der Lage sind, Feuchtigkeit aufzusaugen, müssen sie getrocknet werden. Dies geschieht durch Zufuhr von solarer Energie. Absorptionskältemaschinen sind die vorherrschend verwendeten Anlagen. Träger der Kälte sind Wasser als Kältemittel sowie ein weiteres flüssiges Lösemittel, zum Beispiel Lithiumbromid. Die Solarwärme ersetzt die elektrische Energie, die normalerweise für den Betrieb eines Kompressors aufgewendet werden muss. Die Kühlwirkung basiert bei diesem System darauf, dass Wasser verdampft und Verdunstungskälte frei wird.

Da im Verdampfer ein niedriger Druck herrscht, verdunstet das Wasser bereits bei Temperaturen zwischen vier und sieben Grad. Dabei wird die als Kühlmittel verwendbare Verdunstungskälte frei. Der Kältemitteldampf wird vom Absorber aufgesaugt, dadurch entsteht eine konzentrierte Lösung. Die wiederum wird in einen Generator gepumpt und der Druck erhöht sich. Im Generator wird Wärme zugeführt. Das Kältemittel verdampft und wird in den Kondensator geleitet. Das Kondensat, also die Flüssigkeit aus Wasser und Lösemittel wird zum Verdampfer zurückgeleitet und der Kreislauf beginnt von neuem. Absorptionskältemaschinen arbeiten typischerweise mit einer Leistung zwischen 30 und 100 kW.

Adsorptionskältemaschinen

Der Begriff Adsorption bedeutet Anlagerung. Flüssigkeit, bzw. (Wasser)-Dampf bindet sich an einen festen Stoff, den sogenannten „Sorbent“. Bei der solaren Kühlung wird das Kältemittel Wasser zum Beispiel vom porösen Silikagel adsorbiert. Die Adsorptionskältemaschine arbeitet als Mehrkammersystem. In der ersten Kammer wird heißes Wasser erzeugt, dass den Dampf auf dem Sorbent vertreibt. In der Kammer zwei wird der Wasserdampf aus dem Verdampfer adsorbiert. Bei diesem Vorgang entsteht die nutzbare Kälteenergie. Ist die Feuchtigkeit vollständig verdampft, dann laufen die Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge ab. Dadurch bleibt das System geschlossen und der Prozess kann wiederholt werden. Die Konstruktion bei diesem Anlagentyp ist einfach und robust, benötigt allerdings sehr viel Platz. Adsorptionsanlagen werden daher hauptsächlich in Bürogebäuden oder Fabrikationshallen eingesetzt. 

Solare Kühlung im Kaltluftverfahren

Mit Luft statt mit Flüssigkeit arbeitet das Kaltluftverfahren, das auch als offenes Verfahren bezeichnet wird. Dabei wird warme Außenluft angesaugt und über ein Sorptionsrad getrocknet. Die Trocknungswärme wird aus der Solarwärme bezogen, andere Verfahren nutzen zusätzlich hygroskopische Stoffe für die Trocknung. Die getrocknete Luft wird mit Wasser angefeuchtet und kühlt dadurch ab. Die abgekühlte Luft wird im Raum verteilt und kühlt die Raumtemperatur ab. Das Kaltluftverfahren wird als offenes Verfahren bezeichnet, da das Kühlmittel (in diesem Fall die Luft) nicht mehrfach verwendet, sondern immer wieder frisch angesaugt wird. Da bei diesen Anlagen generell die Luft als Überträger der Kälte dient, sind Kaltluftverfahren auch immer Lüftungsanlagen.

Das Interesse an solarer Kühlung wächst stetig, vor allem in Bürogebäuden wird die Technik als Alternative zur klassischen Klimaanlage zunehmend beliebter. Energetisch gesehen ist die Verwendung von Sonnenenergie zur Gebäudekühlung ideal. Denn immer dann, wenn der größte Kühlungsbedarf besteht, ist auch das Höchstmaß an solarer Energie verfügbar und umgekehrt. Auch hinsichtlich des Umweltschutzes bietet die solare Kühlung klare Vorteile: Auf problematische Kältemittel wie FCKW oder FKW kann vollständig verzichtet werden, da für die solare Kühlung kein zusätzlicher Strom erforderlich ist, bleiben die CO2-Emissionen gering.