Solares Kühlen, solare Kühlsysteme

Solares Kühlen und solare Kühlsysteme

Die Nutzung der Solarwärme zum Kühlen hört sich zwar paradox an, wird jedoch schon seit altersher praktiziert, z.B. bei den überall in der arabischen Welt verbreiteten Wasserkrügen aus unglasiertem Ton. Die Verdunstung des transpirierenden Wassers an der Außenfläche des Kruges reicht aus, um die Temperatur des Wasser innen um mehrere Grade zu senken.

Im Prinzip ist es möglich, ohne den Einsatz von elektrischem Strom mit den folgenden Methoden zu kühlen:

– durch chemische Zusätze
– durch komprimierte Gase
– durch Aufbewahrung in kühler Umgebung
– durch Verwendung von Eis
– durch Verdunstung

Die induzierte Verdunstung wird auch bei sogenannten Sumpfkühlern genutzt, die große Gebläse besitzen, welche Luft durch mit Wasser getränkte Matten oder Gewebeanordnungen saugen bzw. eine Durchströmung induzieren. Solche Systeme werden z.B. im Irak schon seit vielen Jahrzehnten zur Klimatisierung von Wohnräumen eingesetzt. Einfache Verfahren kommen sogar ohne Gebläse aus, indem mittels Sonnenwärme ein entsprechender Sog erzeugt wird, wobei man hier von einer solaren Luftrampe spricht. Und je größer die Strahlungsintensität ist, um so größer ist auch das Saugvermögen dieser Solarrampe.

In Harare, der fast 1.500 m hoch gelegenen Hauptstadt Simbabwes, entsteht 1996 ein 9-stöckiges Bürohaus, dessen Belüftungs- und Kühlsystem der Technologie von Termitenbauten nachempfunden ist. Trotz Tagestemperaturen von 40°C und nächtlichem Absinken bis in Gefrierpunktnähe wird eine konstante Innentemperatur von 23°C – 25°C erreicht, ohne daß eine Klimaanlage notwendig ist. Entwickelt wird der Termitenbau mit seinen Luftschächten in Form von doppelten Wänden, Decken und Fußböden von der Londoner Ingenieurfirma Ove Arup, gebaut wird es von dem simbabwischen Architekten Mick Pearce.

Auch Bomin-Solar beschäftigt sich mit der solaren Kühlung. Das Unternehmen setzt dabei auf den ‚doppelten Stirling’, einen Motor, bei dem ein zusätzlicher Kolben als Kälteaggregat fungiert. Hier kommt das auch bei Haushaltskühlschränken angewandte Funktionsprinzip der zyklischen Kompression bzw. Dekompression des Arbeitsgases zum Tragen. Das System wird auch als Entsalzungsanlage adaptiert (s.u.).

Eine sehr einfache Kühlmethode bildet der Holzkohlekühlschrank, dessen Baupläne schon Anfang der 1970er Jahre mittels verschiedener Alternativenergiepublikationen verbreitet werden, und der ebenfalls nach dem Prinzip der Verdunstungskälte arbeitet. Der Kühlschrank besteht aus Maschendraht-Wänden die mit Holzkohle befüllt sind, und auf die aus einer obenliegenden Wanne ständig Wasser tropft. Holzkohle wird deshalb benutzt, weil auf ihrer porösen, vergrößerten Oberfläche mehr Wasser verdunsten kann als bei einer kleinen Oberfläche. Holzkohle ist außerdem geruchshemmend, wasserbeständig, billig und auch überall zu finden. In den wärmeren Jahreszeiten kann die Innentemperatur auf bis zu 12°C gesenkt werden.

Die Gruppe IPAT der TU-Berlin arbeitet ebenfalls an Techniken zur solaren Kühlung. Bereits Ende der 1980er Jahre wird in Zusammenarbeit mit dem Kreuzberger Ingenieurkollektiv Wuseltronic für das Impfprogramm der Weltgesundheitsorganisation (WHO) ein Solarkühlschrank entwickelt, der sich besonders gut für die Aufbewahrung von wärmeempfindlichen medizinischen Seren bei konstant 4°C eignet. Selbst bei Außentemperaturen von 43°C hält der Solarkühlschrank innen die gewünschte Temperatur, er kommt drei Tage ohne Betriebsenergie aus und hat eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren. Das System wir photovoltaisch betrieben und besitzt eine präzise Steuerelektronik, außerdem ist die Vakuumisolation des Kühlbehälters aus Borsilikatglas etwa zehn mal so effektiv wie die handelsüblicher Kühlschränke. Als Wärmetauscher dienen zwei Peltier-Elemente.

Wie so häufig wird der Entwicklung kurz vor Erreichen der Marktreife 1990 ihre Förderung gestrichen, so daß die notwendigen Tests in den Tropen nicht mehr durchgeführt werden können. Auf einem zehn Jahre später von mir mitorganisierten Umweltfestival ID 2000 in Berlin wird der rucksackgroße Solarkühlschrank ausgestellt – als wertvolles, unersetzbares Einzelstück…

Ab Mitte der 1990er wird das Prinzip der solaren Kühlung wieder aktuell, diesmal in Verbindung mit der Siliziumverbindung Zeolith (s.u. Wärmespeichern). Eine einfache Version, die sogar ohne Strom auskommt, entwickelt der Verein EG-Solar in Altötting. Hier wird der notwendige starke Unterdruck mittels einer Handpumpe erzeugt.

Große Erfolge feiert das Unternehmen Paradigma Energie- und Umwelttechnik GmbH  & Co KG.

Paradigma baut seit 2006 solarthermische Großanlagen mit CPC-Vakuumröhrenkollektoren, die wie konventionelle Kessel arbeiten und wie solche auch einfach verschaltet werden. In kurzer Zeit entstanden so bereits zahlreiche Anlagen, darunter mit 1330 m² Bruttokollektorfläche bei der Fa. Festo AG & Co. KG in Esslingen-Berkheim bei Stuttgart auch die größte der Welt (Sanitär+Heizungstechnik 4/2008: FESTO), welche im Sommer die Kühlung von über 27.000 m² Bürofläche unterstützt und im Winter zur Heizung beiträgt. Knapp 300 weitere Anlagen, darunter auch noch viel größere, sind bereits in Planung.
Die Einsatzmöglichkeiten der Aqua-Solar-Technologie bei SGA reichen von solarer Erweiterung über teilsolares Heizen bis hin zur Prozesswärme. Zielgruppen sind u. a. Getränkehersteller wie Brauereien, generell Lebensmittelhersteller (z. B. aus der Fleisch- und Wurstindustrie), Großwaschanlagen, Galvanisierbetriebe, Lackierereien sowie Kühlanlagen zur Raumklimatisierung, aber auch Waschanlagen, Stallheizungen, die Papier- und Lederindustrie, Großküchen oder Großreinigungen sowie Krankenhäuser, Kasernen, Hotels und Freizeiteinrichtungen – im Grunde alle, die viel warmes Wasser mit Temperaturen bis maximal 130 °C benötigen (Paradigma Referenzen).

Eine weitere Kühlmethode ist die Strahlungskühlung, die hier nur kurz beschrieben werden soll, da es sich im Grunde ja um eine ‚Ohne-Sonne-Kühlung’ handelt: Metallplatten werden mit einer Kombination unterschiedlicher Isolationsmaterialien möglichst perfekt gegen eingestrahlte Energie abgeschirmt. Diese Abschirmung ist nur für eine mittlere Infrarot-Wellenlänge zwischen 8 µm und 13 µm durchlässig. Die Infrarotstrahlung transportiert die Wärme der Platten ab; und da das Licht dieser Wellenlänge von der irdischen Lufthülle nicht absorbiert wird, stellt es eine Verbindung zum Weltall her – und die Metallplatten können sich bis auf minus 50°C abkühlen. Statt Metallplatten sollen sich auch Folien aus schwarzem Polyäthylen und Cadmiumtellurid eignen, da diese Materialen für das kurzwellige und sichtbare Licht undurchlässig, für die längerwellige Strahlung, die beim Abkühlen unterhalb der Umgebungstemperatur auftritt, jedoch durchsichtig sind.