Solare Prozesswärme

Realisierte Anlagen

Einsatz der Parabolrinnenkollektoren für Solare Kälte- und Dampfversorgung im Iberotel an der Türkischen Mittelmeerküste.

Parabolrinnenkollektoren für Hotelklimatisierung

Von Ahmet Lokurlu, Dirk Krüger und Klaus Hennecke*

In die zweite Saison geht die im türkischen Sarigerme Park Hotel installierte Pilotanlage, in der Parabolrinnenkollektoren in Verbindung mit einer Absorptionskältemaschine zur Klimatisierung und Dampfversorgung des Hotels beitragen. Durch den Einsatz von Parabolrinnenkollektoren werden Temperaturen erreicht, die in den bisher verbreiteten Solarkollektorsystemen nicht möglich sind. Dieses höhere Temperaturniveau ist allerdings die Grundvoraussetzung für eine effiziente Nutzung von Solarwärme in Hotels.

Abbildung 1: Kollektorfeld der Pilotanlage im Sarigerme Park Hotel

Weil die Niedertemperaturwärme-Anteile für Swimmingpoolheizung und Raumheizung an der Gesamtwärmelast in den Sommermonaten gegen Null gehen, muss der Kollektor besonders für die hohen Temperaturen der Wäscherei geeignet sein, die konventionell über eine 4 bar Dampfschiene (144 °C) versorgt werden. Dieses Temperaturniveau eignet sich auch zum Antrieb zweistufiger Absorptionskältemaschinen, die die Wärme besonders effizient zur Erzeugung von Klimakälte nutzen und so zur Deckung der sommerlichen Bedarfsspitzen beitragen können.

Abbildung 2: Blockdiagramm der solar unterstützten Wärme- und Kälteversorgung des Hotels

Anlässlich des Projektes wurde ein neuer Parabolrinnenkollektor für den Temperaturbereich bis 200 °C entwickelt. Er wird einachsig nachgeführt und besteht aus Modulen mit einer Aperturbreite von 1,8 m und einer Länge von 5 m. Mit Hilfe eines Reflektors (Aluminiumspiegel der Firma Alanod) wird die Strahlung auf einen Absorber mit dem Durchmesser von 38 mm gelenkt. Damit ergibt sich eine 15-fache Konzentration bezogen auf den Umfang. Die thermischen Verluste werden durch ein Glashüllrohr (Firma Schott-Rohrglas) verringert, allerdings wird aus Kostengründen kein Vakuum zwischen Absorber und Glashüllrohr eingesetzt, was die Effizienz nochmals deutlich steigern würde. Damit wenig Verschattung durch Streben auftreten, wurden die Versteifungen hinter das Modul gelegt. Bei dieser Konstruktion wird die Torsionssteifigkeit mit einem Rohr hinter dem Kollektor erhöht. Die Fertigung erfolgt in Ankara, wo eine Niederlassung der Firma SOLITEM gegründet wurde.

Nachführung der Kollektoren

Die Kollektorreihen werden durch einen Antrieb mit Drahtseilen nachgeführt, der maximal sechs Kollektorstränge mit bis zu acht Modulen pro Strang bewegen kann. Ein Controller den die Firma Egis für zweiachsig nachgeführte Spiegel anbietet, wurde von ihr für die Ansteuerung des Motors entsprechend den Erfordernissen des Parabolrinnenkollektors weiterentwickelt. Damit ist über eine Sonnenstandsberechung die Grobpositionierung des Kollektors und mittels eines Sonnensensors die Feinpositionierung möglich.
Das Kollektorfeld der Pilotanlage besteht aus fünf parallelen Reihen mit je vier Modulen mit einer Gesamtaperturfläche von 180 m². Als Wärmeträgermedium ist Druckwasser eingesetzt. Die Eintrittstemperatur beträgt 155 °C, die Austrittstemperatur 180 °C. Im nachgeschalteten Dampferzeuger wird über Wärmetauscher Sattdampf bei 4 bar mit 144 °C erzeugt. Für den Fall, dass keine Kühlbedarf besteht, beispielsweise im Winterhalbjahr, wird das Feld bei niedrigeren Temperaturen gefahren und die Wärme über einen separaten Wärmetauscher an das Warmwassernetz gegeben.
Die Kältemaschine wird ausschließlich mit solar erzeugtem Dampf betrieben. Durch die zweistufige Ausführung erreicht die Maschine der Firma Broad im Volllastfall (140 kW) einen garantierten COP von 1,27 bei einer Kühlwassereintrittstemperatur von 29 °C. Der Umwandlungsprozess der Solarwärme in Kälte für die Klimatisierung mittels der Absorptionskältemaschine kann im Wirkungsgrad wesentlich verbessert werden, indem diese nicht mit Volllast, sondern mit Teillast betrieben und die Kühlwassertemperatur auf 27 °C abgesenkt wird. In diesem Bereich variiert der COP zwischen 1,27 und 1,5. Im Mittel lässt sich so ein COP von 1,4 erreichen.
Das seit April 2004 in Betrieb befindliche Parabolrinnenkollektorfeld liefert je nach Fahrweise Peakleistungen von bis zu 100 kW thermisch im reinen Dampfversorgungsbetrieb oder bringt Kälteleistungen von bis zu 130 kW im reinen Kälteversorgungsbetrieb. Beide Versorgungsbereiche werden auch im Teillastbetrieb unterstützt. Die Anlage versorgt im Sommermodus die Wäscherei oder die zweistufige Absorptionskältemaschine mit Dampf. Im Wintermodus werden über die Kollektoren die Räume und der Swimmingpool beheizt.

Ausblick

In der Anfangsphase des Betriebs gab es Anpassungsschwierigkeiten, die durch Optimierungen der Anlage an die bestehende Struktur beseitigt wurden. Die Investitionskosten des Hotelbetreibers und damit die Leistungsfähigkeit der Parabolrinnenkollektoranlage wurden zur Demonstration der Funktionsweise beschränkt. Nachdem die Anlage für ihre Auslegung optimal funktioniert, erfolgt in diesem Jahr der nächste Schritt. Es wird die Leistungsfähigkeit des Systems durch Verdopplung der Kollektorfläche erheblich erweitert. Mit der Vergrößerung des solaren Energieeintrages wird eine thermische Leistung von ca. 200 kW zur Verfügung gestellt, mit der Kältebedarfe von bis zu 140 kW und Dampfleistungen von bis zu 100 kW parallel bedient werden können.

*) Dr..-Ing. Ahmet Lokurlu, wissenschaftlicher Mitarbeit und Promotion zum Thema Brennstoffzellen. Seit 1998 Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich. Seit 1999 Geschäftsführung und Projektleitung bei der SOLITEM GmbH, a.lokurli@solitem.de, www.solitem.de,
Dipl.-Ing. Dirk Krüger, seit 1997 beim DLR als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für technische Thermodynamik, Abteilung Solarforschung, tätig. Arbeitsschwerpunkt unter anderem: Entwicklung und Qualifizierung von Parabolrinnenkollektoren,
Dipl.-Ing. Klaus Henneke, seit 1989 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der damaligen Hauptabteilung Energietechnik des DLR, seit 2003 als Fachgebietsleiter in der Abteilung Solarforschung des Instituts für Technische Thermodynamik für die Unterstützung der Markteinführung konzentrierter solarthermischer Technologien verantwortlich. [^]