Solare Adsorptionskühlung

LESBAT: Catherine Hildbrand, Olivier Cherbuin, Julien Mayor. Projektleiter: Philippe Dind

Der Zweck dieses Artikels besteht darin, Ihnen das Prinzip der solaren Adsorptionskühlung vorzustellen, die es ganz einfach ermöglicht, mit Sonnenstrahlung Kälte zu erzeugen.

Was ist Solarkühlung?

Das Solar Energy and Building Physics Laboratory1 (LESBAT) der Hochschule für Technik und Management des Kantons Waadt (HEIG-VD) in der Schweiz ist seit mehr als zwei Jahrzehnten im Bereich der erneuerbaren Energien tätig.

Die Entwicklung von Adsorptionssolarkühlschränken war in den letzten Jahren einer der Hauptbereiche der angewandten Forschung.

Diese Systeme waren ursprünglich für die Kälteerzeugung in nicht elektrifizierten Gebieten der Länder der Sahelzone geplant, in denen Kühlung zur Konservierung von Medizin- und Lebensmittelprodukten benötigt wird.

Auf der Grundlage der Arbeit verschiedener Forscherteams in den 80er Jahren haben wir 1999 einen Demonstrationsprototyp und anschließend verschiedene Laborprototypen erstellt, um schließlich einen Solaradsorptionskühlschrank zu entwickeln, dessen Bau in Kleinserien in den Entwicklungsländern durchgeführt werden kann .

Wir haben unsere Entwicklungen durch einen Technologietransfer mit dem Ouagadougou Ecological Center begleitet.

In diesem Artikel stellen wir das Funktionsprinzip solarer Adsorptionskühlschränke, Beispiele konstruktiver Entwicklungen sowie den Technologietransfer nach Burkina Faso vor.

Die Finanzierung dieser experimentellen Entwicklung erfolgte hauptsächlich durch die GEBERT RÜF-STIFTUNG (Basel – Schweiz).

Warum Solarkühlung?

Schlagen Sie eine alternative und saubere Lösung für Entwicklungsländer zur Lagerung von Medikamenten und Lebensmitteln vor.

Eine solare Klimaanlage ist eine Alternative zu folgenden Lösungen:

• • Kühlung durch Absorption (und nicht durch Adsorption), die ebenfalls heißes in Kälte umwandelt, aber höhere Temperaturen einschließlich Verbrennung erfordert,

 

• • konventionelle Kühlung durch einen thermodynamischen Kühlkreislauf, dessen Pumpe von einem Generator angetrieben wird,

 

• • Elektrosolare Kühlung, die große Probleme bei der Speicherung elektrischer Energie mit sich bringt (Batterien mit sehr kurzer Lebensdauer usw.)

Keine dieser drei Lösungen entspricht perfekt den Bedürfnissen der Entwicklungsländer, da sie Kohlenwasserstoffe verbrauchen (selten und teuer in Afrika) und CO3 freisetzen oder indirekt über die verwendeten Technologien (Batterien, Kältemittel usw.) die Umwelt verschmutzen.

Die solare Klimatisierung durch Adsorption, bei der die thermische Sonnenenergie direkt in Kälte umgewandelt wird, weist solche Nachteile nicht auf.

Wie funktioniert solare Adsorptionskühlung?

Adsorption ist das Phänomen, das bei der Herstellung eines Gleichgewichts zwischen einem Gas und einem Feststoff auftritt.

Die Konzentration von Gasmolekülen ist nahe der Oberfläche des Festkörpers immer größer als in der Gasphase. Daher sind Oberflächenatome in jedem Festkörper unkompensierten Anziehungskräften senkrecht zur Oberfläche ausgesetzt. Das Gleichgewicht dieser Kräfte wird teilweise durch die Adsorption gasförmiger Moleküle wiederhergestellt.

Wenn es um Adsorption geht, wird häufig vom Drehmoment gesprochen. Das Paar besteht aus einem Adsorbens (Feststoff) und einem Adsorbat (Flüssigkeit, die als Kältemittel fungiert).

Bei den als Adsorptionsmittel verwendeten Körpern handelt es sich im Allgemeinen um Körper, die eine sehr große Außenoberfläche aufweisen. Wir können aktivierte Tonerden, Aktivkohlen, Kieselgele und Zeolithe nennen. Die Auswahl des Adsorptionsmittels erfolgt entsprechend der gewünschten Temperatur auf der Ebene des Verdampfers und der verfügbaren Temperatur auf der Ebene der heißen Quelle (Sonnenkollektor).

Der andere Teil des Paares (das Adsorbat) muss zwei wesentliche Bedingungen erfüllen: eine hohe latente Verdampfungswärme aufweisen und aus kleinen, leicht adsorbierbaren Molekülen bestehen. Zu den Flüssigkeiten mit diesen Eigenschaften gehören Wasser, Ammoniak, Methanol und Kohlendioxid. Zusätzlich zu diesen beiden „physikalischen“ Bedingungen müssen die Art der Flüssigkeit und ihre Gefährlichkeit (Entflammbarkeit, Toxizität usw.) berücksichtigt werden.

Unsere Anwendungen verwendeten nacheinander Aktivkohle-Methanol-, Kieselgel-Wasser- und Zeolith-Wasser-Paare. Die Verwendung dieser Paare erfordert ein mittleres Vakuumniveau (10-3 mbar), um das Vorhandensein nicht kondensierbarer Gase zu minimieren, die den Durchgang von Adsorbatdämpfen behindern könnten. Der Zyklus funktioniert intermittierend, da die Kälte nur nachts erzeugt wird.

Die in unseren Entwicklungen konzipierten Kühlschränke bestehen aus vier Hauptelementen:

• • Der Kollektor-Adsorber: Teil, der das Adsorptionsmittel enthält, das durch Sonneneinstrahlung erhitzt wird, mit der Wirkung von
    Adsorbat-Desorption.

 

• • Der Kondensator: Dieses Element dient zur Kondensation der im Kollektor-Adsorber desorbierten Adsorbatdämpfe.

 

• • Das Kühlgehäuse: Dieses Element ist der nützliche Teil des Kühlschranks und besteht aus dem isolierten Gehäuse und dem Verdampfer, der das Adsorbat in flüssiger und fester Form enthält.

 

• • Das autonome Ventil: Organ, das die Trennung des Hochdruckteils vom Niederdruckteil ermöglicht. Diese bei LESBAT entwickelte Komponente ist automatisch und ohne Elektronik (registriertes Modell).

Betriebszyklus

Der Solarkühlschrank arbeitet mit einem Adsorptions-Wärmezyklus. Der Kreislauf
kann wie unten erläutert in vier verschiedene Phasen unterteilt werden. Wir geben in dieser Tabelle auch den im Clausius-Clapeyron-Diagramm dargestellten Zyklus an (Ln(P) (Druck) als Funktion von (-1/T) (Temperatur)).

Vor-/Nachteile der Adsorptionsklimatisierung

Nachteile:

• • Verzögerungen von (mindestens) 12h zwischen Wärme- und Kälteproduktion (dies könnte durch Pufferspeicher recht einfach gelöst werden)

 

• • Es ist eine Kältequelle (nachts) erforderlich, um den „kalten“ Adsorptionszyklus zu erzeugen

 

• • Der COP ist deutlich (ungefähr 1/10) niedriger als bei Kompressor-Kältemaschinen (aber ist das wirklich wichtig, wenn man bedenkt, dass die Solarquelle nahezu unbegrenzt ist?)

Avantages:

• • Es wird keine andere Energiequelle als die Sonne (oder eine andere Wärmequelle, z. B. Wärmeverluste) benötigt.

 

• • Keine beweglichen Teile (außer dem Verschluss), daher wird die Wartung erheblich erleichtert.

 

• • Möglichkeit der Verwendung von Kältemitteln so einfach wie Wasser!

 

• • COP-Äquivalent oder sogar etwas höher als elektro-solare Klimaanlagen (Photovoltaik-Paneele, die einen mechanischen Kühlkreislauf versorgen), abzüglich der Nachteile (Verschleiß und Verschmutzung der Batterien, Wartung usw.)!

Ökonomische Aspekte

Bezüglich der Kosten für die Herstellung eines Solaradsorptionskühlschranks, der gemäß der Beschreibung in diesem Artikel gebaut wird, ist es sehr schwierig, Zahlen zu nennen.

Die Kosten eines in der Schweiz oder in Frankreich entwickelten Prototyps haben nichts mit den Selbstkosten eines Kühlschranks zu tun, der in einigen Dutzend Exemplaren pro Jahr in Burkina Faso mit den qualifizierten Arbeitskräften des Landes gebaut wird (aber zuerst angestrebt wird). Bei einer Massenproduktion von Tausenden Exemplaren pro Jahr in einer automatisierten Kette hier oder in Afrika würde dieser Preis umso stärker sinken.

Eine im Jahr 2002 vom CEAS-BF in Burkina Faso durchgeführte Marktstudie ergab, dass pro Jahr mehr als hundert 300-Liter-Adsorptions-Solarkühlschränke verkauft und diese drei Jahre lang an NGOs, Krankenhäuser, Hotels und landwirtschaftliche Genossenschaften in Burkina Faso bereitgestellt werden konnten dass der Verkaufspreis 750 F CFA (ca. 000 €) nicht überschreitet.

Die Herausforderung besteht also aus zwei Gründen: die Marktnachfrage nach Produktionsbeginn in handwerklichem Tempo zu decken und produzieren zu können, ohne den oben genannten Verkaufspreis zu überschreiten. Die aktuellen Marktbedingungen und die Preise für burkinische Arbeitskräfte lassen uns glauben, dass das CEASBF in der Lage ist, diese Herausforderung zu meistern.

Fazit

Die im Rahmen von LESBAT durchgeführten Experimente auf dem Gebiet der solaren Adsorptionskühlung haben es ermöglicht, alle mit dieser Technik verbundenen Schwierigkeiten zu verstehen.

Damit es sich verbreiten kann, ohne Misserfolge zu erleiden, die es diskreditieren könnten, ist es wichtig, die Weitergabe von Wissen an Entwicklungsländer durch die Schaffung oder Stärkung wirksamer Fähigkeiten vor Ort zu unterstützen, wie wir es im Rahmen von versucht haben unsere Zusammenarbeit mit dem CEAS-BF.

Die konstruktiven Weiterentwicklungen unserer Solarkühlsysteme zielen auf eine konstruktive Vereinfachung bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit ab. Dieses Ziel wurde erreicht. Der Rest des Projekts zielt darauf ab, kleine Kühlräume zu entwickeln. Es wird darum gehen, die optimale Kammergröße unter Berücksichtigung der von unserem System vorgegebenen technologischen Grenzen zu bestimmen.

Solare Adsorptionskühlung ist Teil der Lösungspalette für die Umweltprobleme, die durch unseren übermäßigen Verbrauch fossiler Brennstoffe verursacht werden.

Darüber hinaus soll es möglich werden, die Lebensqualität einer großen Zahl von Menschen, insbesondere in den Ländern der Sahelzone, zu verbessern, indem ihnen der Zugang zu konservierten Medikamenten, Impfstoffen und Lebensmitteln ermöglicht wird.

Mehr:
- Die LESBAT-Website
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- Allgemeines und Funktionsprinzip
- Optimierungen von Solarkollektoren
- Präsentationspanel zur Solar-Klimaanlage: Funktionsweise
- Präsentationstafel für Solarklimaanlagen: Afrikanische Zusammenarbeit