Nachhaltige Klimatisierung von Büros und Rechnerraum mit solar-unterstützter Kraft-Wärme-Kälte- Kopplungsanlage

August 1, 2014

Solar-unterstützte KWKK-Anlagen werden durch die Verfügbarkeit passender Adsorptionstechnik 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 in der Praxis im Einsatz ist eine solche Anlage bei der Firma Esders GmbH in Haselünne.

Firmengebäude der Esders GmbH in Haselünne

Diese hat zusammen mit einem innovativen Planungsbüro die clevere Kombination aus Blockheizkraftwerk, thermischer Solaranlage und InvenSor Adsorptionskältemaschine seit Mitte 2012 in Betrieb. Gegenüber Anlagen zur rein solaren Kühlung wird hier mit deutlich kleineren Kollektorflächen gearbeitet und über das BHKW zusätzlich Strom erzeugt.

An sonnigen Tagen steht die höhere thermische Gesamtleistung zur Verfügung, das BHKW liefert die Deckung der Grundlast. Im Winter kann der Adsorber durch Einkopplung von niedrig temperierter Solarwärme zusätzlich die Wärme aus dem BHKW mit hohen Wirkungsgraden veredeln.

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. Die Firma wurde im Jahr 1989 von Geschäftsführer Dipl. Ing. Bernd Esders gegründet und wuchs seitdem auf rund 80 MitarbeiterInnen. Im firmeneigenen Büro- und Fertigungsgebäude ist neben der Entwicklung und Fertigung auch der Vertrieb und Servicebereich angesiedelt. Der Kundenstamm besteht hauptsächlich aus Versorgungsunternehmen und Handwerksbetrieben aus dem Energiesektor.

Schnelle Entscheidungsfindung zu Gunsten einer KWKK-Anlage

Aufgrund seiner großen Affinität zu Ingenieurwesen und Nachhaltigkeit entschied sich Geschäftsführer Bernd Esders im Jahr 2010 zunächst für die Installation einer Photovoltaikanlage mit 10 kW Leistung. Doch dabei sollte es nicht bleiben. Bei der Planung eines Neubaus zur Vergrößerung der Firma sollte wieder eine besonders innovative Technik zum Einsatz kommen.

Eines der interessantesten Projekte, das ich bis jetzt betreut habe.

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.

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

Klimatisierung der Büro- und Lagerräume

Bernd Esders wählte zusammen mit dem Planungsbüro Többen ein Senertec BHKW mit 14,8 kW thermischer Leistung (Brennwertgerät) und 5,5 kW elektrischer Leistung sowie eine InvenSor Adsorptionskältemaschine (AdKM) LTC 10 plus mit integrierter Hydraulik und einer Nennleistung von 10 kW. Diese wärmegetriebene AdKM hat den großen Vorteil, dass sie sehr wenig Strom verbraucht.

Im Gegensatz zu herkömmlichen strombetriebenen Klimaanlagen nutzt die InvenSor Kältemaschine die Abwärme des vorhandenen BHKWs als Antriebsenergie, um Kälte zu produzieren. Dabei arbeitet die LTC (Low Temperature Chiller) bei besonders niedrigen Antriebstemperaturen mit reinem Wasser als Kältemittel und reduziert so neben dem Stromverbrauch auch den Einsatz klimaschädlicher Kältemittel.

„Um das Potenzial des vorhandenen BHKWs (2012: 5.800 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 sehr innovativ, da hier unterschiedliche Technologien aus dem Bereich der ʼErneuerbaren Energienʼ logisch und unternehmerisch sinnvoll kombiniert werden“. Für den Fall, dass das neue Firmengebäude noch erweitert werden sollte oder mehr Kühlleistung gefragt wird, hat man direkt neben der Kältemaschine Platz für ein zweites Gerät gelassen.

Clevere Kombination von BHKW, Photovoltaik, Solarthermie und Adsorber

Die Photovoltaikanlage auf dem Dach liefert schon seit dem Jahr 2010 umweltfreundlich einen Teil des Stroms, wobei die Leistung natürlich von der Sonneneinstrahlung abhängt. Im Neubau produziert das SenerTec BHKW nun je nach Bedarf kontinuierlich Strom und Abwärme mit hoher Ausnutzung des eingesetzten Brennstoffs. Die ungewöhnliche Kombination mit einer Solarthermieanlage macht durch den Einsatz der Adsorptionskältemaschine Sinn; zu Zeiten mit hoher Solareinstrahlung steht besonders viel thermische Energie zum Antrieb für die Raumkühlung zur Verfügung.

Geschäftsführer Bernd Esders neben der InvenSor Adsorptionskältemaschine

Die einzelnen Bausteine des Projekts wurden schrittweise zu einem Gesamtsystem integriert. Nach der Installation des BHKWs 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 im darüber gelegenen Obergeschoss untergebracht sind. Die Verbindungswege zwischen BHKW, AdKM und Pufferspeicher betragen dabei jeweils nur wenige Meter.

Der ausführende Installateur Hans-Peter Lobert von der Firma H. Mersmeyer GmbH meint zur Gesamtanlage: „Eines der interessantesten Projekte, das ich bis jetzt betreut habe. Die Kombination aus BHKW, Photovoltaik, solarer Kühlung und Kühlteich ist sehr fortschrittlich und bringt immensen Mehrwert für den Kunden“.

 

Bernd Esders freut sich über den hohen Wirkungsgrad der Anlage: „Da durch die Produktion der Messgeräte bei uns Wärme entsteht, benötigten wir ein intelligentes Klima- und Kühlungskonzept für die Räumlichkeiten in unserer Firma. Dabei war die InvenSor Kältemaschine die ideale Lösung. Bei hohen Außentemperaturen ergänzen sich zu ihrem Antrieb die Abwärme des BHKWs und die Energie, die unsere Solarthermieanlage bereitstellt.“ Und wenn beides einmal nicht in ausreichendem Maße verfügbar sein sollte, ist man gewappnet. Im gleichen Raum wie die AdKM stehen ein Warm- und ein Kaltwasserpufferspeicher mit jeweils 2.000 Liter Fassungsvermögen, welche die Wärme oder Kälte vorhalten, die nicht direkt in die Gebäudeklimatisierung, die Heizung, die Server- Kühlung oder den Warmwasserbedarf fließen. Bei Bedarf kann also aus den zwei Pufferspeichern Kälte oder Wärme angefordert werden.

Leistungsdaten auf einen Klick

Um den Betrieb der Anlage gut verfolgen zu können, hat die Abteilung Softwareentwicklung der Firma Esders ein eigenes Tool programmiert, in dem alle relevanten Informationen aktuell am PC abrufbar sind. „Mit Hilfe dieser Software kann ich nicht nur alle aktuellen Leistungsdaten darstellen, sondern alle Komponenten steuern und auch die Raumkühlung mit ein paar Klicks verändern“, sagt Esders. Dazu ist die Kühlung im Neubau in eine von der Firma Heinrich Voss Haustechnik GmbH installierte Lüftungsanlage eingebunden. Versorgt werden damit im Ober- und Untergeschoss jeweils 450 m2 Bürofläche sowie rund 100 m2 in der Produktion, also insgesamt circa 1.000 m2 Gebäudefläche.

Vor- und Rückläufe der KWKK Anlage

Im Erdgeschoss beträgt der in Stufen regelbare maximale Luftumsatz 3.000 m3/h und im Obergeschoss 4.000 m3/h. Esders ergänzt: „2012 haben wir fast 36.000 kWh Strom selbst erzeugt. Das sind rund 40% unseres Jahresbedarfs. Bis auf ein paar Prozent haben wir diese auch selbst verbraucht, der Rest wurde ins Netz eingespeist. Auch das alte Bürogebäude hatte schon ein sehr interessantes Klimatisierungskonzept, hier haben wir einen circa 2.000 m3 fassenden Kühlteich verwendet, der auch heute noch teilweise die Kühlung übernimmt. Seine maximale Tiefe von vier Metern eignet sich sehr gut für die Klimatisierung. In direkter Nähe zum Teich haben wir eine Pumpe installiert, die das Wasser vom Grund ansaugt und dann über ein Rohr in den Keller und ins Erdgeschoss des alten Firmengebäudes leitet“, so Esders. Das Teichwasser durchläuft übliche Klimakassetten und ermöglicht so die kosteneffektive Temperaturabsenkung der Büroräume.

 


Das Forschungsprojekt InnoKKK an der Hochschule Kempten

Um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer regenerativ betriebenen, innovativen Kraft- Wärme-Kälte-Kopplungsanlage (InnoKKK) zu analysieren, begründete die Hochschule Kempten bereits 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) untersuchten. Fördergelder für die innovativen Forschungsprojekte wurden vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst bereitgestellt.

Solar-unterstützte KWKK-Anlagen

Ziel solcher 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.

Das Senertec-BHKW

Kennengelernt hatte Becker die Firma InvenSor auf der Intersolar 2010, wo das Unternehmen den Intersolarpreis für seine innovativen Adsorptionskältemaschinen gewonnen hat. „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“, erläutert Becker. Verschiedene Anlagenkombinationen für den Antrieb der Anlage wie auch Kühllasten auf der Verbrauchsseite wurden während des gesamten Forschungszeitraums mit speziellen Wärmeerzeugern emuliert.

Wie beim Projekt in Haselünne wird 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 im Hause Esders realisierte Anlage.

Als optimale Größe der thermischen Solaranlage wurde in Kempten eine aus fünf Kollektoren bestehende Fläche von 11m2 ermittelt. Die Nominalleistung liegt bei 5 kW bzw, etwa der doppelten Leistung im Vergleich zur Anlage in Haselünne. Für den Warm- und Kaltwasserpufferspeicher wurde jeweils ein Fassungsvermögen von 1.000 Litern gewählt. Bei Bedarf können diese Speicher die generierte Wärme / Kälte abgeben oder vorhalten.

Sehr gute Auslastungen von BHKW und AdKM

Bei den Berechnungen zur Effizienz der Gesamtanlage ging das Forschungsteam der Hochschule in der Simulation von einer zu kühlenden Bürofläche von 300 m2 aus. „Wir sind bei unseren Simulationen mit dem Gesamtsystem der solar-unterstützten KWKK auf eine jährliche Volllaststundenzahl des BHKW von circa 4.000 gekommen; damit erzielte die InvenSor 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,“ erklärt Michael Becker.

Wirtschaftlichkeit der Anlage

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

Solarthermie-Anlage mit 3 kW Leistung

Die Investitionskosten liegen bei der solar-unterstützten KWKK-Anlage mit 55.500€ zwar höher als bei dem konventionellen System mit 23.200€, doch wird dies durch die jährliche Stromeinsparung und die erfolgte Einspeisung mehr als ausgeglichen. Die Annuitäten für die beiden untersuchten Anlagen betragen bei der KWKK- Anlage minus 150€ (Zurückzahlung u.a. wegen Stromeinspeisung) und bei der konventionellen Anlage 4.600€ – ein deutlicher Unterschied. Die gesamt zu leistenden Zahlungen (Gesamtannuität) liegen bei dem vorgestellten InnoKKK Projekt mit 6.000€ deutlich niedriger als bei dem konventionellen System, welches mit 7.100€ zu Buche schlägt.

Diese in Auszügen bereitgestellten Daten 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 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 der Firma 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.

Touch Display der InvenSor LTC 10 plus

„Die im Jahr 2009 formulierten Ziele des InnoKKK Projekts wurden voll erfüllt und es gibt fortgeschrittene Planungen weitere Forschungsprojekte mit dieser zukunftsträchtigen Technologie durchzuführen“, erklärt Becker zufrieden. Insgesamt wurden innerhalb des Forschungsprojekts sechs Diplomarbeiten, zwei Masterarbeiten sowie eine Promotion zu einzelnen Komponenten oder zu den Forschungsergebnissen der Gesamtanlage verfasst.

„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 Gaskessel,“ schlussfolgert Becker.

Technische Daten der Anlage der Esders GmbH

KühlsystemInvenSor Adsorptionskältemaschine LTC 10 plus mit 10 kW Nennleistung, 2000 Liter Pufferspeicher, geschlossene trockene Rückkühlung, elektrische Leistungsaufnahme des Gesamtsystems inkl. Pumpen und Ventilatoren 500-1000 W
AntriebswärmeSenertec Dachs BHKW mit 14,8 kW thermischer und 5,5 kW elektrischer Leistung, 2000 Liter Pufferspeicher. Solaranlage mit 4 m2 Kollektorfläche
KlimatisierungWärmetauscher in der Lüftungsanlage
Lüftung3.000 m3/h Luftumsatz im Erdgeschoss und 4.000 m3/h im Obergeschoss
InstallationMärz 2011

 

Technische Daten der Anlage der InnoKKK der FH Kempten

KühlsystemInvenSor Adsorptionskältemaschine LTC 09 mit 9 kW Nennleistung, 1.000 Liter Pufferspeicher, wahlweise geschlossene trockene oder offene nasse Rückkühlung
AntriebswärmeSenertec Dachs BHKW mit 12,5 kW thermischer und 5,5 kW elektrischer Leistung (emuliert), 1.000 Liter Pufferspeicher. Thermische Solaranlage mit 11m2 Kollektorfläche (emuliert)
InstallationMärz 2011