TGA Kältetechnik

TGA Ausgabe 10-2013
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Mit solar-unterstützter KWKK klimatisiert

Abb. 1 Geschäftsführer Bernd Esders ist sehr zufrieden mit der KWKK-Anlage und ihrer Wirtschaftlichkeit. Die InvenSor-Adsorptionskältemaschine LTC 10 plus (10 kW Nennleistung) und der 2000-l-Kaltwasser-­Pufferspeiche (Quelle: InvenSor / Stefan Schoening)
Abb. 1 Geschäftsführer Bernd Esders ist sehr zufrieden mit der KWKK-Anlage und ihrer Wirtschaftlichkeit. Die InvenSor-Adsorptionskältemaschine LTC 10 plus (10 kW Nennleistung) und der 2000-l-Kaltwasser-­Pufferspeicher wurden im ersten Obergeschoss unmittelbar über dem…

Durch die Verfügbarkeit passender Adsorptionstechnik werden solar-unterstützte KWKK-Anlagen immer attraktiver. Dass diese Kombination nicht nur sehr energieeffizient, sondern auch wirtschaftlich interessant sein kann, wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts der Hochschule Kempten ermittelt. Bereits seit gut einem Jahr ist eine solche Anlage mit BHKW, thermischer Solaranlage und Adsorptionskältemaschine bei der Firma Esders in Haselünne im praktischen Einsatz.

Die im Emsland ansässige Esders GmbH befasst sich unter dem Motto „Technik aus Leidenschaft“ mit der Entwicklung von Messgeräten, Software und Systemlösungen für den Gas-, Wasser- und Abwasserbereich. Das Unternehmen wurde 1989 von Geschäftsführer Dipl.-Ing. Bernd Esders gegründet und beschäftigt heute rund 80 Mitarbeiter. Im firmeneigenen Büro- und Fertigungsgebäude sind neben der Entwicklung und Fertigung auch der Vertrieb und der Servicebereich angesiedelt. Der Kundenstamm besteht hauptsächlich aus Versorgungsunternehmen und Handwerksbetrieben aus dem Energiesektor.

Schnelle Entscheidung für KWKK

Aufgrund seiner hohen Affinität zu Ingenieurwesen und Nachhaltigkeit entschied sich Bernd Esders im Jahr 2010 zunächst für die Installation einer 10 kWp-Photovoltaik-Anlage. Doch dabei sollte es nicht bleiben. Bei der Planung eines Neubaus zur Vergrößerung der Firma sollte wieder eine besonders innovative Technik zum Einsatz kommen. Zusammen mit dem Planungsbüro Többen aus Haselünne wurde man sich einig, auf die Installation eines mit Erdgas betriebenen Blockheizkraftwerks (BHKW) zu setzen, um künftig selbst günstig Strom zu produzieren und die anfallende Wärme zur Heizung und Kühlung zu verwenden.

Die kombinierte Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, KWKK) ermöglicht lange BHKW-Laufzeiten zur schnellen Amortisation und besticht durch einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad. Um mehr Wärme für Kühlung und Heizung verfügbar zu haben, wurde zusätzlich eine Solarthermieanlage mit 3 kW Leistung installiert. Esders: „Ich wusste relativ schnell, als man mir die Anlage erläuterte, dass dies für unsere Bedürfnisse genau das Richtige ist. Eine clevere Verbindung, die Strom und Wärme bereitstellt und die aus der anfallenden Abwärme Kälte für die Raumklimatisierung und die Kühlung des Rechnerraums produziert, war für unser Neubauprojekt ein ideales System.“

Esders wählte zusammen mit dem Planungsbüro Többen ein SenerTec-BHKW mit 14,8 kW thermischer Leistung (Brennwert-Ausführung) und 5,5 kW elektrischer Leistung sowie eine wärmegetriebene InvenSor-Adsorptionskältemaschine (AdKM) LTC 10 plus mit integrierter Hydraulik und einer Nennleistung von 10 kW. Die LTC (Low Temperature Chiller) arbeitet bei besonders niedrigen Antriebstemperaturen mit reinem Wasser als Kältemittel. „Um das Potenzial des vorhandenen BHKW (2012: 5800 Betriebsstunden) möglichst gut zu nutzen, war die AdKM die perfekte Ergänzung zur Gesamtanlage“, erläutert Manfred Vey vom Ingenieurbüro Többen. „Das Zusammenspiel der einzelnen Anlagekomponenten ist durch die logisch und unternehmerisch sinnvolle Kombination sehr innovativ.“ Für den Fall, dass das neue Firmengebäude noch erweitert oder mehr Kühlleistung erforderlich wird, wurde der Platz für eine zweite Adsorptionskältemaschine freigehalten.

BHKW, PV, solare Kühlung, Kühlteich

Die PV-Anlage liefert schon seit 2010 umweltfreundlich einen Teil des Strombedarfs, wobei ihre von der Sonneneinstrahlung abhängige Leistung dem tatsächlichen Lastgang nur bedingt entspricht. Im Neubau produziert das BHKW nun bei Bedarf kontinuierlich Strom und Wärme. Die ungewöhnliche Kombination mit einer Solarthermieanlage macht durch den Einsatz der Adsorptionskältemaschine Sinn; zu Zeiten mit hoher Solareinstrahlung und dadurch bedingt höherer Kühllast steht mehr thermische Energie für die Kälteerzeugung zur Verfügung.

Durch die thermisch angetriebene Kälteerzeugung wird der Strombedarf von der Witterung nur noch gering beeinflusst, was sich auch positiv auf den Strombezug auswirkt. Esders: „2012 haben wir fast 36000kWh Strom selbst erzeugt. Das entspricht rund 40 % unseres Jahresbedarfs. Den größten Teil des selbst erzeugten Stroms haben wir auch selbst verbraucht, nur ein sehr geringer Teil wurde ins Netz eingespeist.“

Die einzelnen Bausteine des Projekts wurden schrittweise zu einem Gesamtsystem integriert. Nach der BHKW-Installation im Dezember 2011 erfolgte im Sommer 2012 der Einbau der Kältemaschine und Klimatechnik von InvenSor. Das BHKW steht im Erdgeschoss des Neubaus, während die AdKM sowie der Pufferspeicher in einem separaten Raum eine Etage höher untergebracht sind. Die Verbindungswege zwischen BHKW, AdKM und Pufferspeicher betragen jeweils nur wenige Meter. Der ausführende Fachhandwerker Hans-Peter Lobert von der H. Mersmeyer GmbH zur Gesamtanlage: „Eines der interessantesten Projekte, das ich bis jetzt betreut habe. Die Kombination aus BHKW, Photovol­taik, solarer Kühlung und Kühlteich ist sehr fortschrittlich.“

Esders freut sich besonders über den hohen Wirkungsgrad der Anlage: „Da durch die Produktion der Messgeräte Wärme freigesetzt wird, benötigten wir ein intelligentes Klima- und Kühlungskonzept.“ Um die Erzeugung und den Bedarf zu entkoppeln, Spitzenlasten abzufedern, solare Erträge zu bevorraten und die Verfügbarkeit der Kühlung für die EDV-Anlagen zu erhöhen, wurden neben der AdKM ein Warm- und ein Kaltwasserpufferspeicher mit jeweils 2000 l Inhalt installiert.

Leistungsdaten auf einen Klick

Um den Betrieb der Anlage gut verfolgen zu können, hat die Abteilung Softwareentwicklung von Esders ein eigenes Tool programmiert, in dem alle relevanten Informationen aktuell am PC abrufbar sind. „Mithilfe dieser Software kann ich nicht nur alle aktuellen Leistungsdaten darstellen, sondern alle Komponenten steuern und auch die Raumkühlung mit ein paar Klicks verändern“, berichtet Esders. Die Raumkühlung im Neubau erfolgt über eine zentrale RLT-Anlage. Versorgt werden damit im Ober- und Untergeschoss jeweils 450 m2 Bürofläche sowie rund 100 m2 in der Produktion, also insgesamt ca. 1000 m2 Gebäudefläche. Im Erdgeschoss beträgt der in Stufen regelbare Volumenstrom maximal 3000 m3/h und im Obergeschoss 4000 m3/h.

Auch das alte Bürogebäude hatte schon ein sehr interessantes Klimatisierungskonzept mit einem ca. 2000 m3 fassenden Kühlteich, der auch heute noch teilweise die Kühlung übernimmt. Seine Tiefe von 4 m eignet sich sehr gut für die Klimatisierung. In direkter Nähe zum Teich wurde eine Pumpe installiert, die das Wasser am Grund ansaugt. Das Teichwasser durchläuft übliche Klimakassetten und ermöglicht so die Temperaturabsenkung in den Büroräumen mit minimalen Betriebskosten.

Das Forschungsprojekt InnoKKK

Um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer regenerativ betriebenen, innovativen Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage (InnoKKK) zu analysieren, begründete die Hochschule Kempten im Jahr 2009 das Projekt InnoKKK im Rahmen des Bayerischen Forschungsverbunds Energieeffizienter Technologien und Anwendungen (Foreta). In diesem Verbund waren elf bayerische Forschungsinstitute aktiv beteiligt, die beispielhafte Anwendungen für die Effizienz der Bereitstellung, Nutzung und Speicherung von Energie in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) untersucht haben. Fördergelder für die Forschungsprojekte wurden vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst bereitgestellt.

Solar-unterstützte KWKK-Anlagen

Ziel solar-unterstützter KWKK-Anlagen ist die möglichst wirtschaftliche und effiziente Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte. Der Projektleiter der Hochschule Kempten, Prof. Dr.-Ing. Jost Braun, und der Projektkoordinator von InnoKKK, Dipl. Ing. (FH) Michael Becker, der über dieses Projekt seine Promotion verfasst, entschieden sich nach einer längeren Auswahlphase für eine thermisch angetriebene AdKM LTC 09 von InvenSor mit 9 kW Leistung. Kennengelernt hatte Becker InvenSor auf der Intersolar 2010, wo das Unternehmen den Intersolarpreis für seine Adsorptionskältemaschinen gewonnen hat.

Becker: „Wir hatten eine thermisch angetriebene Kältemaschine gesucht und den Markt hierfür sondiert. Am Ende haben wir uns für die LTC 09 von InvenSor entschieden, da sie am besten zu der geplanten Anlage passte und sehr einfach zu installieren war. Außerdem kann man diese Kältemaschine auch als Wärmepumpe im Winter benutzen, was sehr gut ins Gesamtsystem der KWKK passte.“ Verschiedene Anlagenkombinationen für den Antrieb der Anlage sowie die Kühllasten auf der Verbrauchsseite wurden während des gesamten Forschungszeitraums mit speziellen Wärmeerzeugern emuliert.

Wie beim Projekt in Haselünne wurde eine Solarthermieanlage mit einem BHKW kombiniert. Mit der Betrachtung des Winterbetriebs des Adsorbers als Wärmepumpe geht das Konzept allerdings noch einen Schritt weiter als die bei Esders realisierte Anlage. Als optimale Größe der thermischen Solaranlage wurde in Kempten eine aus fünf Kollektoren bestehende Fläche von 11 m2 ermittelt. Die Nominalleistung liegt bei 5 kWth und hat damit etwa die doppelte Leistung der Anlage in Haselünne. Für den Warm- und Kaltwasserpufferspeicher wurde jeweils ein Fassungsvermögen von 1000 l gewählt.

Hohe BHKW- und AdKM-Auslastung

Bei den Berechnungen zur Effizienz der Gesamtanlage ging das Forschungsteam in der Simulation von einer zu kühlenden Bürofläche von 300 m2 aus. Becker: „Wir sind bei unseren Simulationen mit dem Gesamtsystem der solar-unterstützten KWKK auf eine jährliche Volllaststundenzahl des BHKW von ca. 4000 gekommen; damit erzielte die AdKM circa 1660 Volllaststunden pro Jahr. Die Antriebstemperatur der AdKM lag zumeist bei einem niedrigen Wert von 66 °C, die AdKM erreichte jedoch hohe Kälteleistungen und Leistungszahlen.“

Wirtschaftlichkeit der InnoKKK-Anlage

Für das Gesamtsystem der solar-unterstützten KWKK in Kempten hat Projektkoordinator Becker eine Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067 durchgeführt. Zum Vergleich wurden eine konventionelle Anlage mit elektrisch ­angetriebener Kompressionskältemaschine für die Kälteerzeugung und ein Gas-Brennwertheizessel für die Wärmeerzeugung herangezogen. Die Heiz- und Kühllasten entsprechen einem modernen Bürogebäude mit 300 m2 Nutzfläche.

Die Investitionskosten liegen bei der solar-unterstützten KWKK-Anlage mit 55500 Euro zwar höher als bei dem konventionellen System mit 23200 Euro, doch wird dies durch die Eigenstromverwendung und die Einspeisung mehr als ausgeglichen: Die Annuitäten für die beiden untersuchten Anlagen betragen bei der KWKK-Anlage minus 150 Euro (Zurückzahlung unter anderem wegen der Stromeinspeisung) und bei der konventionellen Anlage 4600 Euro. Die insgesamt zu leistenden Zahlungen (Gesamtannuität) liegen bei dem vorgestellten InnoKKK Projekt mit 6000 Euro deutlich niedriger als bei dem konventionellen System, welches mit 7100 Euro zu Buche schlägt.

Diese Ergebnisse aus dem Abschlussbericht der InnoKKK-Forschung zeigen, dass es auch in Deutschland möglich ist, eine solar-unterstützte KWKK-Anlage effizient und kostengünstig zu betreiben. Umfassendere Untersuchungen und Ergebnisse zu dieser Systemkombination werden im Herbst 2013 in der Doktorarbeit mit dem Arbeitstitel „Technische und wirtschaftliche Potenziale der solar-unterstützten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung“ von Michael Becker veröffentlicht.

Im Vergleich der beiden dargestellten Anlagen erkennt man eine große Ähnlichkeit, beides sind solar-unterstützte KWKK-Anlagen, bei denen die Kühlung eine AdKM von InvenSor übernimmt. Bei Esders ist zusätzlich noch eine PV-Einheit im Gesamtsystem enthalten, was die Stromerzeugung der Gesamtanlage erhöht. In Kempten konnte man im Rahmen des Forschungsprojekts außerdem feststellen, dass der Primärenergienutzungsgrad (Nutzenergie zu eingesetzter Primärenergie) bei dem neuen Energiesystem um ca. 30 % verbessert wurde. Becker: „Die im Jahr 2009 formulierten Ziele des InnoKKK Projekts wurden voll erfüllt und es gibt fortgeschrittene Planungen, weitere Forschungsprojekte mit dieser zukunftsträchtigen Technologie durchzuführen.“

Insgesamt wurden innerhalb des Forschungsprojekts sechs Diplomarbeiten, zwei Masterarbeiten sowie eine Promotion zu einzelnen Komponenten oder zu den Forschungsergebnissen der Gesamtanlage verfasst. Becker: „Insgesamt war das Projekt sehr erfolgreich, da wir wissenschaftlich darstellen konnten, dass sich eine solar-unterstützte KWKK-Anlage in Deutschland finanziell lohnt und zugleich deutlich energieeffizienter arbeitet als eine vergleichbare Anlage mit Kompressionskältemaschine und Gas-Brennwertheizkessel.“  

http://www.esders.de

http://www.invensor.de

http://www.hochschule-kempten.de

Weitere Fachberichte zum Thema enthalten die TGAdossiers Sorption bzw. Mini-KWK: Webcode 1033 bzw. 716

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Mit solar-unterstützter KWKK klimatisiert
  2. Teil: Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
  3. Teil: Technische Fakten
  4. Teil: Pioniere der Adsorptionskühlung
  5. Teil: Juliane Speigl
  • Abb. 2 …BHKW (Dachs, SenerTec) mit einer elektrischen Leistung von 5 kW und einer thermischen Leistung von 14,8 kW.
  • Abb. 3 Solare Unterstützung: Um mehr Wärme, insbesondere im Sommer für den Antrieb der Adsorptionskältemaschine, zur Verfügung zu haben, wurde eine Solarthermieanlage mit 4 m² Kollektorfläche in die KWKK-Anlage integriert.
  • Abb. 4 Kälteverteiler für die Kühlung der EDV-Anlagen und zwei RLT-Anlagen.
  • Abb. 5 Klimatisiert werden über die Adsorptionskältemaschine im Ober- und Untergeschoss jeweils 450 m² Bürofläche sowie rund 100 m² in der Produk­tion über zwei in Stufen regelbare RLT-Anlagen mit 3000 und 4000 m³/h Nennluftmenge.
  • Abb. 6 Die AdKM lässt sich über ein Touch-Display sehr einfach steuern.
  • Abb. 7 Adsorptionsprozess
  • Abb. 9 Die Firma Esders aus Haselünne beschäftigt sich seit 1989 mit der Entwicklung von Messgeräten, ­Software und Systemlösungen für den Gas-, Wasser- und Abwasserbereich. Für die KWKK-Anlage hat das Unternehmen ein eigenes Tool programmiert, in dem alle relevanten Informationen am PC abrufbar sind.
  • Abb. 10 Michael Becker: „Die Ergebnisse aus dem Abschlussbericht der InnoKKK-Forschung zeigen, dass es auch in Deutschland möglich ist, eine solar-unterstützte KWKK-Anlage effizient und ­kostengünstig zu betreiben.“
InvenSor / Stefan Schoening
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