"Also da oben sehen sie jetzt schon die Kollektoren. Und da gehen wir jetzt auch hoch…"
Bernd Bruy wartet vor der weiß glänzenden Tragluftkuppel im Zentrum des Betriebsgeländes, sie ähnelt einem gestrandeten Ufo. Statt auf die Exponate darin zu verweisen, zeigt der Leiter der Betriebstechnik nach Norden, aufs Dach der Produktionshalle, wo schwarze Sonnenkollektoren in der Sonne glänzen: Teile einer umweltfreundlichen Klimaanlage, die dafür sorgt, dass die Tüftler in den gläsernen Büros auch im Sommer einen kühlen Kopf bewahren.
Dass Innovation bei Festo groß geschrieben wird, zeigt man gern auch den Besuchern. Roboter im Modellautoformat trimmen die Halme der Grünflächen. Computergesteuerte Sonnensegel beschatten die Atrien der Bürokomplexe. Und die Schranken an der Einfahrt sind blaue Schläuche, die von Druckluft versteift in der Waagerechten hängen. Gibt der Pförtner grünes Licht, schnurren sie lautlos in sich zusammen und machen den Weg frei.
Die neueste Hightech-Demonstration auf dem Werksgelände fällt in Bernd Bruys Zuständigkeitsbereich. Es ist die Anfang des Jahres in Betrieb genommene solarthermische Klimaanlage: Eine Anlage, die Sonnenwärme in kaltes Wasser verwandelt. Der Weg zu den Wärmefängern auf dem Dach führt durch die alte Produktionshalle, die Wiege des Unternehmens, in der bis heute Pneumatik-Ventile für den Weltmarkt produziert werden. Bruy:
"Ich gehe jetzt gerade mal vor…"
Nach zwei Stockwerken im Treppenhaus geht es ins Freie und über eine Stahlleiter weiter nach oben. Bernd Bruy klettert die Sprossen voran.
"Das ist jetzt das Dach des Produktionsgebäudes. Jetzt gehen wir gerade mal da rüber zu den Solarkollektoren…"
Seit Januar ernten die nach Süden weisenden Schrägen des Hallendachs Sonnenwärme. Eine Fläche von etwa 60 mal 25 Metern wurde mit schwarzen Vakuumröhren-Kollektoren belegt. Also mit Tausenden parallelen Glasröhren, in denen die Sonne Wasser aufheizt. Die Kollektorfläche beträgt über 1300 Quadratmeter. Bruy:
"Weltweit ist es meines Erachtens die größte Installierung für solare Kühlung. Es gibt größere Solarfelder, aber die werden dann nicht für die Kühlung genutzt…"
An einem sonnigen Tag wie diesem, Ende August, heizen die Wärmefänger das Wasser in den Sammelleitungen aus Edelstahl auf über 90 Grad Celsius auf. 1200 Kilowatt Wärmeleistung lassen sich so im Idealfall einfangen. Genug, um eine Badewanne kaltes Wasser in unter einer Minute zum Kochen zu bringen. In Esslingen wird diese Wärmeenergie stattdessen in Kälte verwandelt.
Das Geschäft mit Kälte boomt. Der wirtschaftliche Aufschwung in Schwellenländern wie Indien und China führt dazu, dass die Nachfrage nach Klimaanlagen in den kommenden Jahrzehnten exponentiell wachsen wird. Von 1997 bis 2006 wurden weltweit 40 Millionen kleiner elektrischer Raumkühler installiert, deren Strombedarf sich auf 250 Gigawatt summiert. Wenn sie während der Mittagshitze auf Hochtouren laufen, zwingen die enormen Spitzenlasten die Stromnetze in die Knie. So geschehen im Hitzesommer 2006 in New York und Washington. In Europa sind ähnliche Probleme vorprogrammiert. Die internationale Energieagentur geht – unter anderem aufgrund der Erderwärmung - davon aus, dass die gekühlten Gebäudeflächen in Gesamteuropa bis 2020 jährlich um 12,7 Prozent wachsen werden. In Italien und Spanien sogar weit mehr.
Doch konventionelle Klimaanlagen sind Stromfresser. Solange sie ihre Energie aus Kraftwerken bekommen, die Kohle oder Erdgas verfeuern, heizen sie die Atmosphäre weiter auf. Mit der Folge, dass immer mehr Menschen eine Klimaanlage werden haben wollen. Ein Teufelskreis. Um ihn zu durchbrechen, sind alternative Konzepte gefragt: Kühlverfahren, die Kälteerzeugung und Klimaschutz unter einen Hut bringen. Ein viel versprechender Ansatz dazu heißt: Solares Kühlen.
"Bei der solaren Kühlung benutze ich die Abwärme einer thermischen Solaranlage, also keine Photovoltaikanlage, keinen Strom, sondern eine richtige Warmwasseranlage. Die hat im Sommer in der Regel jetzt nicht so wahnsinnig viel zu tun."
Der Physiker Uwe Eckstein ist Ende 30 und hat früher mal in Jazzbands Schlagzeug gespielt. Heute leitet der Solarthermie-Experte Marketing und Vertrieb der jungen Berliner Firma Invensor.
"Gerade heizungsunterstützende Anlagen, die bringen in der Übergangszeit richtig viel für die Heizung, im Sommer liegen sie meistens auf dem Dach und langweilen sich. Da ist viel Energie, die man verwenden kann. Und die Energie kann ich letztlich in eine thermisch getriebene Kältemaschine stecken, um damit Kälte zu erzeugen."
Und genau solch eine thermisch getriebene Kältemaschine entwickelt Invensor gerade zur Marktreife. Ein Klimagerät mit zehn Kilowatt-Kälteleistung, das einmal Einfamilienhäuser und kleine Gewerbebetriebe kühlen soll. In Feldtests wird der Öko-Kühler für private Bauherren bereits erprobt. Kürzlich wurden die ersten zwei Geräte an Kunden ausgeliefert. Läuft alles nach Plan, könnten es bald mehr werden. Denn potenzielle Abnehmer gibt es reichlich.
"In Spanien, Italien, Griechenland ist es zunehmend normal, dass man sommerliche Klimatisierung hat - zumindest in neuen Gebäuden wird das eigentlich standardmäßig installiert. Da denke ich, gibt es schon ein erhebliches Potenzial. Es ist sicher so, dass für einen Anbieter von solchen Systemen das ein großer potentieller Markt ist."
Dr. Hans-Martin Henning leitet die Abteilung thermische Anlagen und Gebäudetechnik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, einem weltweit bekannten Think Tank für Öko-Energie. Die Energieeffizienz von Gebäuden - vom Einfamilienhaus über die Werkhalle bis zum Büroturm - ist Hans-Martin Hennings Fachgebiet. Und obwohl Fortschritte bei Wärmeisolierung und Belüftungstechnik den Klimatisierungsbedarf von Neubauten deutlich gesenkt haben: Ganz ohne Klimaanlagen wird man in vielen Bereichen nicht auskommen. Weshalb Henning und sein Team seit geraumer Zeit Möglichkeiten ausloten, mit Sonnenwärme Kälte zu erzeugen. Henning:
"Bei gut ausgelegten und gut betriebenen Anlagen gehen wir davon aus, dass man so 60 Prozent Primärenergie einsparen kann gegenüber einer nach gutem Stand der Technik ausgeführten Referenzanlage."
Die solare Kühlung könnte also durchaus einen nennenswerten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Hans-Martin Henning macht allerdings keinen Hehl daraus, dass dieses theoretisch mögliche Einsparpotenzial in der Praxis selten erreicht wird. Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Nur rund zwölf Megawatt solarthermischer Kühlleistung sind derzeit in Europa installiert – verteilt auf 120 bis 130 Testanlagen. Viele davon sind Forschungsprojekte, bezuschusst mit Fördergeldern aus Berlin oder Brüssel. Verlässliche Daten über ihre Wirtschaftlichkeit sind Mangelware.
Das Funktionsprinzip all dieser Anlagen ist mehr oder weniger dasselbe: Heißes Wasser aus von der Sonne erwärmten Heizschlangen hält einen thermochemischen Kreisprozess in Gang, der Kälte erzeugt. Hans-Martin Henning:
"Es ist in der Tat nicht so ganz einfach zu erklären und zu verstehen. Aber wahrscheinlich ist auch ein Kühlschrank gar nicht so einfach zu verstehen. Insofern…"
Im Haushaltskühlschrank zirkuliert ein spezielles Kältemittel, das schon bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt verdampft. Weil sein Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand Energie verbraucht, entzieht es der Umgebung dabei Wärme. Ein Effekt, der vom Schwitzen bekannt ist: Die so genannte Verdunstungskälte. Im Kühlschrank kühlt sie den Innenraum, bei einer Klimaanlage entweder direkt die Raumluft oder einen Kühlwasserkreislauf. Um das verdampfte Kältemittel erneut verwenden zu können, muss es wieder verflüssigt werden. Im Kühlschrank besorgt das ein elektrischer Kompressor, der es verdichtet. Der erhöhte Druck verflüssigt das Gas. Dabei wird das Gegenteil der Verdunstungskälte frei, die so genannte Verdampfungswärme. Um sie abzuleiten, fließt das warme Kühlmittel über Kühlrippen hinten am Kühlschrank. Anschließend gelangt es durch ein Ventil erneut in den Verdampfer - und das Spiel beginnt von vorn. Hans-Martin Henning:
"Das ist also erst einmal das Grundprinzip, womit Kälte erzeugt wird. Im Haushaltskühlschrank wird jetzt, um das gasförmige Kältemittel auf das hohe Druckniveau zu bringen, ein Verdichter eingesetzt. Und hier wird bei thermischen Verfahren eine grundsätzlich andere Vorgehensweise verwendet. Nämlich dass man das gasförmige Kältemittel an einem zweiten Stoff bindet. Und das nennt man dann Sorption."
Die Sorption ist der Schlüssel für das solare Kühlen. Sie erlaubt es, stromfressenden Kompressoren durch wärmegetriebene Prozesse zu ersetzen, die völlig reversibel und ziemlich effizient sind. Herzstück solcher Sorptionsreaktoren ist das Sorptionsmedium: Eine Flüssigkeit oder ein Feststoff mit einer starken Tendenz, das gasförmige Kühlmittel aufzunehmen. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Silikagelkügelchen. Also jene wasseranziehenden Perlen, die sich häufig in den Verpackungen elektronischer Geräte finden, um sie vor Feuchte zu schützen. Da die Kügelchen das Wasser in ihren zahllosen winzigen Poren binden, spricht man von Adsorption. Henning:
"Adsorption steht für einen Oberflächeneffekt. Man hat es da also mit hochporösen Feststoffen zu tun, wie beispielsweise Zeolithen, die also sehr große innere Oberfläche bieten, wo dann dieses gasförmige Kältemittel sich anlagert und dadurch wieder in eine Art kondensierte Phase übergeht."
Zeolithe sind die Hightech-Nachfolger von Silikagel: Kristalline, von Hohlräumen durchsetzte Verbindungen aus Aluminium- und Siliziumoxiden, die in jahrelanger Forschung für den Einsatz in Sorptionsreaktoren optimiert wurden. Mit ihrer Hilfe – glauben Experten wie Hans-Martin Henning - könnte es gelingen, kleine, effiziente Kältemaschinen mit zehn bis 15 Kilowatt Leistung zu bauen. Öko-Kühler fürs Eigenheim. Henning:
"Meiner Einschätzung nach hat die Adsorptionstechnik im kleinen Leistungsbereich schon Chancen, weil sie grundsätzlich sehr robust und einfach und simpel ist, man also auch weniger materialtechnische Probleme hat als bei flüssigen Sorptionsverfahren."
Diese alternativen Absorptions-Verfahren, bei denen das Gas mit Hilfe einer Flüssigkeit wieder eingefangen wird, gibt es zwar schon im Handel. Aber sie haben spezifische Nachteile. Entweder sie benötigen giftiges Ammoniak als Kältemittel, das nicht jeder im Keller haben will. Oder sie benutzen wasseranziehende Salzlösungen, die stark korrosiv sind. Beides erhöht den Aufwand an Wartung und Betriebstechnik. Doch ganz gleich, ob flüssiger oder fester Kältemittelfänger: Um den Kreis zu schließen, wird das mit Kältemitteldampf gesättigte Sorptionsmedium aufgeheizt und so das Kühlmittel wieder ausgetrieben. Die Wärme für diese zyklische Regenerierung kann die Sonne liefern. Es kann aber auch die Abwärme eines Blockheizkraftwerkes oder anderer Maschinen sein.
"Also, hier geht’s jetzt in den Steigschacht runter, zum Hauptverteiler. Und von diesem Hauptverteiler wird die Wärme über Rohrleitungen zu den Adsorptionskältemaschinen gepumpt…"
Bernd Bruy, der fürs Betriebsklima zuständige Mann bei Festo in Esslingen, kehrt den unzähligen Vakuumröhrenkollektoren auf dem Dach den Rücken. Bruy:
"Und dann würde ich vorschlagen, gehen wir zu den Adsorptionskältemaschinen…"
Er steigt Leitern und Treppen wieder hinunter und biegt dann in einen langen, weiß gekachelten Tunnel, der die Produktionshalle mit den Bürobauten verbindet. Ungefähr unter der weißen Ausstellungskuppel im Zentrum des Betriebsgeländes, schließt er rechts eine Kellertür auf.
"Das ist jetzt die Kältezentrale mit den drei Adsorptionskältemaschinen…"
Wärmeisolierte Wasserrohre mit computergesteuerten Ventilen durchziehen den riesigen Raum. Es ist warm wie in einem Heizungskeller.
"Von den Maschinen, Sie sehen hier eins, zwei, drei in Reihe gestellt, hat jede eine Kälteleistung von 353 Kilowatt."
Jeder der drei Adsorptionskühler ist so groß wie ein Schiffsdiesel. Ihr Herzstück sind große Behälter mit Silikagel. Die wasseranziehenden Kügelchen sind das Sorptionsmedium, das abwechselnd Kältemitteldampf aufsaugt und wieder getrocknet wird. Sieben Minuten dauert ein kompletter Zyklus. Das Wasser, das dabei im Verdampfer verdunstet, entzieht einem Kühlwasserkreis Wärme. Über mäandernde Rohre temperiert dessen acht Grad warmes Wasser im Sommer die Betondecken der gläsernen Bürokomplexe. Bruy:
"Die schwarzen Rohre, wo sie dort sehen, sind die, wo quasi die Kälte in das Gebäude verteilt wird."
Betonkernaktivierung heißt diese Form der Klimatisierung im Fachjargon. Weil keine Zugluft entsteht, sorgt sie für ein angenehmes Raumklima. Um das Silikagel in den Kältemaschinen alle paar Minuten wieder zu trocknen, wird es erhitzt. Bis Anfang des Jahres nutzte man dazu neben der Abwärme der Druckluftgeneratoren auf dem Werksgelände eine zusätzliche Gasbefeuerung. Dank Warmwasser vom Dach ist die jetzt überflüssig. Bruy:
"Es gab im Vorfeld eine Simulation von der Fachhochschule Stuttgart. Da kam raus, dass die Anlage im Durchschnitt 650 Megawatt solare Wärme pro Jahr erzeugt. Das entspricht durchschnittlich dem Heizverbrauch von 50 Einfamilienhäusern. Das wiederum entspricht einer CO2-Einsparung von 100 Tonnen pro Jahr."
Nach acht Monaten Betriebszeit sieht es so aus, als ob die Einsparungen an Primärenergie tatsächlich den Prognosen entsprechen – obwohl der Sommer auch in Süddeutschland nicht hielt, was er versprach. Ingenieure der Fachhochschule Offenburg wollen das als Forschungsprojekt geförderte solare Kühlsystem bei Festo in den kommenden Monaten genau vermessen, um mögliche Verbesserungen auszuloten. Bernd Bruy ist schon jetzt zufrieden. Alles läuft wie geplant. Und die Besucher geben sich die Klinke in die Hand. Auch Abgesandte eines großen Automobilkonzerns aus dem Stuttgarter Raum haben sich angemeldet.
Der Erfolg des Vorzeigeprojektes darf allerdings nicht darüber hinweg täuschen, dass es sich wirtschaftlich eigentlich nicht rechnet. Denn schwäbische Innovationsfreude hin oder her: Ohne die Fördermittel aus dem Bundesumweltministerium hätte sich Festo kaum zu den Investitionen für die solare Kühlung durchgerungen. Ein Problem, das symptomatisch für die ganze Szene ist. Obwohl die Entwicklung der Technologie seit Jahren gefördert wird, ist sie bis heute nur bedingt konkurrenzfähig. Die Anlagen sind komplex und oft unausgereift. Henning:
"Das Schlüsselproblem sind sicher Kosten. Das ist ein erheblicher anlagentechnischer Aufwand. Es ist sicher so, dass auch vor zehn Jahren schon technische Lösungen da waren. Allerdings nicht im kleinen Leistungsbereich, sondern eher im großen Leistungsbereich. Da hat man es normalerweise nicht mit Häuslebauern zu tun, sondern mit kommerziellen Gebäudenutzern, die sehr stark betriebswirtschaftlich rechnen. Und da ist die solare Kühlung dann zu teuer, sozusagen."
Für Hauseigentümer im Süden sieht die Rechnung unter Umständen anders aus. Wer heute in Spanien oder Griechenland ein Haus baut, plant meist sowieso Sonnenkollektoren auf dem Dach, die Warmwasser für die Dusche liefern und im Winter Heizenergie sparen helfen. Da liegt es nahe, anstelle einer elektrischen Klimaanlage das im Sommer ungenutzte Warmwasser vom Dach für Kühlzwecke einzusetzen. Nach einer Faustformel braucht man für ein Kilowatt Kälteleistung rund drei Quadratmeter Kollektorfläche. Für zehn Kilowatt-Kälteleistung also eine Fläche von fünf mal sechs Metern. Fraunhofer-Forscher Hans-Martin Henning glaubt deshalb,
"dass also auch wahrscheinlich sogar eher in dem kleinen Leistungsbereich über Wohnhäuser, Einfamilienhäuser - vielleicht eher der gehobenen Preisklasse - der Markteintritt stattfinden wird. Da ist eben eigentlich erst seit kurzer Zeit der technischen Stand so, dass man wirklich Lösungen anbieten kann."
Kompakt, robust, einfach zu installieren und weitgehend wartungsfrei: All das müssen Sorptionskühler für den Hausgebrauch sein. Das junge Berliner Unternehmen Invensor ist eine von rund einem Dutzend europäischer Firmen, die sich zum Ziel gesetzt haben, solche Geräte zu entwickeln. In der Hoffnung, unter den Ersten zu sein, die ein ausgereiftes Produkt auf den Markt bringen. ‚Eckstein:
"Den Fußboden haben wir selber gemacht, zum Beispiel. Das war alles am Anfang Staub und leer. Und so nach und nach ist dann doch eine Firma draus geworden."
Technologiepark Voltastraße: Eine sanierte Fabrikhalle aus Backstein. Früher haben hier AEG-Ingenieure U-Bahnen gebaut, erklärt der Physiker Uwe Eckstein.
"Und den Teststand haben wir auch gleich im hinteren Bereich aufgebaut, damit der noch ein bisschen geschützter ist gegen die Blicke von außen. Weil die Fenster hier doch recht groß sind, da muss man natürlich aufpassen, dass die Konkurrenz nicht rein schaut."
Auf dem Estrichboden stehen Stahlregale, in denen sich Kartons mit der Aufschrift "Wärmetauscher", "Hydraulik" und "Kleinteile" stapeln. Ein Tisch, ein paar Pflanzen, eine Espressomaschine. Im Nebenraum nehmen zwei Männer an einem Computer Messreihen auf. Eckstein:
"Ja, das ist unser Labor. Das heißt, hier werden im Moment die Maschinen hergestellt und auch getestet. Im hinteren Drittel ist der Teststand. Was man da an Geräuschen hört sind Vakuumpumpen, sind irgendwelche Heizenergieerzeuger. Wir simulieren ja hier eine Solaranlage, ein Blockheizkraftwerk, was auch immer möglich ist an Wärme. Fahren das dann über Speicher, um es ein bisschen auszugleichen, um flexibel zu sein in den Temperaturen, die wir erzeugen. Und dann betreiben wir die Maschine und kühlen damit auch einen relativ großen Behälter, können einen Wärmetauscher dazwischen schalten – und simulieren so eine Anlage im Betrieb."
Isolierte Rohre verbinden Kessel, Durchflusszähler, Heizpatronen und Ventile. Über sechs graue Schläuche ist einer der Prototypen angeschlossen: Eine brusthohe Metallbox vom Format eines Heizkessels. Eckstein:
"Die Anlage selber hört man eigentlich gar nicht. Das heißt, wenn man jetzt alle Hintergrundgeräusche abstellen würde, würde man nur ab und zu ein leises Klacken hören, wenn Ventile umschalten – und das war’s dann auch"
In dem grauen Gehäuse steckt eine Adsorptionskältemaschine mit zehn Kilowatt Kühlleistung. Ihre Benutzerschnittstelle ist übersichtlich: Keine Knöpfe, Regler oder Ventile. Nur ein postkartengroßes blaues Display. Eckstein:
"Da braucht man eigentlich nur relativ wenig einzustellen. Das richtet sich im Wesentlichen nach dem System, wie die Maschine betrieben wird. Also, welche Antriebstemperaturen stecke ich rein: Meine Solaranlage, wie heiß wird die betrieben, was hat die für Kollektoren dran? Auf der Kälteseite: Welche Kälteanforderungen habe ich? Möchte ich eine Kühldecke betreiben mit 15 Grad Vorlauf? Möchte ich in irgendein Fan-Coil gehen mit sieben Grad Vorlauf? Danach richtet sich dann eigentlich wie die Maschine fährt. Da gibt’s dann auch in der Praxis nicht viel einzustellen."
Knapp zehn Geräte habe man bislang gebaut, sagt Uwe Eckstein – in einem Prozess sukzessiver Optimierung. Das Funktionsprinzip der Kältemaschinen ist dasselbe, wie bei den Großkühlern im unterirdischen Maschinenraum der Festo AG. Nur dass die thermodynamischen Prozesse hier auf engstem Raum ablaufen. Eckstein:
"Das zentrale Element der Maschine ist der Sorptionsreaktor. Der ist bei uns komplett verschweißt. Da muss man also auch nicht mehr ran. Man muss in diesem Gerät nichts warten, nichts einstellen, das läuft aus sich selbst heraus. Der Prozess basiert im Prinzip auf Druckdifferenzen und auf Dampfmengen, die da drin zirkulieren. Das heißt, es ist einfach dicht geschweißt. Da kommen ein paar Rohre raus und das war’s."
Weshalb der Einbau eigentlich jedem Heizungsinstallateur gelingen sollte. Gut 350 Kilogramm bringt die Kühlbox auf die Waage. Das mikroporöse Zeolith selbst schlägt dabei kaum zu Buche. Eckstein:
"Am Ende ist es ein Haufen Metall. Das Adsorptionsmaterial selber ist jetzt gar nicht der riesige Anteil von Gewicht. Das war früher einmal so. Ich habe also die Zeiten selbst noch miterlebt. Die Vorläufer dieser Maschinen, das waren Behälter die beschüttet waren mit Silikagel. Dann hat man Wärmetauscher rein gebracht. Da war richtig noch ganz viel Material drin. Aber jetzt, nach vier, fünf, sechs, sieben Jahren Entwicklung mit neuen Materialien läuft das im Endeffekt auf beschichtete Wärmetauscher hinaus. "
Welche Form die haben und wie sie hergestellt werden, ist Betriebsgeheimnis. Auch die Konkurrenz in Halle - das vom Fraunhofer ISE ausgegründete Unternehmen Sortech, das an ähnlichen Geräten tüftelt - hält sich diesbezüglich bedeckt. Der effektive Wärmetausch auf engstem Raum entscheidet nämlich über Einsatzgebiet, Effizienz und künftige Miniaturisierung der Maschinen. Derzeit macht die graue Berliner Kühlbox aus einer Kilowattstunde Wärmeenergie je nach Konfiguration 0,4 bis 0,6 Kilowattstunden Kälte. Das entspricht einer Ausbeute von 40 bis 60 Prozent. Verglichen mit elektrischen Kompressions-Kühlern ist das zwar mager, weil die Antriebswärme kostenfrei vom Dach kommt, aber verkraftbar. Eckstein:
"Unsere Maschine hat eine Leistungsaufnahme von einigen zehn Watt. Also verschwindend gering. Das heißt, man steckt schon tatsächlich die meiste Energie in Form von Wärme rein. Deswegen kann man von der Maschine her betrachtet in der Größenordnung 80 bis 90 Prozent des Stroms sparen."
Das klingt gut, ist aber leider nur die halbe Wahrheit. Eckstein:
"Es laufen noch ein paar Hilfsaggregate. Ich brauche Pumpen, um die Flüssigkeit umzupumpen. Meine Kühldecke, die brauche ich natürlich sonst auch. Aber ich brauche zum Beispiel den Rückkühler. Das heißt, ich habe einen Ventilator, der im Freien läuft, um die Überschusswärme abzupumpen. Wenn man diese Gesamtsysteme vergleicht, dann kommt man so auf…Wir haben schon Anlagen gehabt, wo’s um die 50 Prozent Stromeinsparung ging. Wir haben auch schon welche gehabt, wo’s 70 Prozent Stromeinsparungen waren. Da muss man dann sehr genau gucken, wie die Maschine betrieben wird, mit welchen Volumenströmen, mit welchen Detailkomponenten."
Sorgfältige Planung ist deshalb das A und O, sonst verhageln Kleinigkeiten die Energiebilanz. Eine Erfahrung, die auch Conergy machen musste. Das auf erneuerbare Energienutzung spezialisierte Hamburger Unternehmen installierte 2007 in Barcelona ein solares Kühlsystem mit 20 Kilowatt Kälteleistung, das die Kantine und weitere Räume der deutschen Schule dort klimatisieren sollte. Die anfängliche Euphorie verflog schnell. Die Wirtschaftlichkeitsanalysen waren schockierend, berichtet ein Ex-Mitarbeiter. Im Zuge von Umstrukturierungen hat sich Conergy mittlerweile komplett aus dem Geschäft mit dem solaren Kühlen zurückgezogen. Henning:
"Ich kann Ihnen nicht sagen, woran es bei dem konkreten Beispiel lag. Aber wir haben ähnliche Projekte. Und haben da auch erst einmal unsere Aha-Erlebnisse gehabt. Ein kritischer Punkt ist sicher, dass man ein deutlich größeres Rückkühlwerk braucht als bei kompressionsgetriebener Technik, einfach weil man wesentlich mehr Energie auf der Rückkühlseite abgeben muss."
Die Rückkühlung ist die Achillesferse der solaren Kältetechnik. Genau wie ein Kühlschrank erzeugen die Sorptionsreaktoren Abwärme, die sie wieder los werden müssen, damit der Kühlkreislauf nicht ins Stocken gerät. Im günstigsten Fall genügen dazu Kühlrippen und ein Ventilator. Je höher die Umgebungstemperatur, desto schwieriger wird es für den Rückkühler, die überschüssige Wärme loszuwerden. Bei 40 Grad, wie sie im Mittelmeerraum mittags durchaus üblich sind, ziehen solche Kühler deshalb viel Strom, weil ihr Ventilator ständig auf Hochtouren laufen muss. Die solare Klimaanlage läuft also ausgerechnet dann am ineffizientesten, wenn sie am dringendsten gebraucht wird. Noch kostspieliger wird es, wenn feuchte Rückkühler eingesetzt werden müssen, die zusätzlich Wasser verdampfen. In Spanien hat man deren Betrieb aus Angst, der warme Wasserdampf könnte Legionellen-Infektionen verbreiten, an strenge Wartungsauflagen geknüpft. Die damit verbundenen Kosten machen die Sonnenkälte für Eigenheimbesitzer unattraktiv. Weshalb die Entwicklungsanstrengungen im kleinen Leistungsbereich dahin gehen, Sorptionskühler zu bauen, die auch an heißen Tagen ohne nasse Rückkühlung auskommen. Höhere Antriebstemperaturen, effizientere Wärmetauscher und optimierte Zeolithe sollen den Weg dorthin ebnen. Bei Invensor in Berlin will man diese Hürde inzwischen genommen haben. Allzu große Euphorie verbreiten möchte man aber nicht. Bis auf weiteres bleibe die Technologie etwas für Liebhaber, räumt Uwe Eckstein ein.
"Ich denke, bei der großen, für ein breites Publikum anwendbaren thermischen Kühlung, da wird man sicherlich noch ein paar Jährchen brauchen, bis man wirklich da ist, dass man sagt: Das kaufe ich mir, weil es wirtschaftlich ist."
Bei den großen Pilotanlagen, wie sie derzeit etwa schon zur Klimatisierung von Hotelkomplexen in der Türkei eingesetzt werden, ist die Situation ähnlich. Belastbare ökonomische Daten gebe es noch nicht, sagt Fraunhofer-Forscher Hans-Martin Henning.
"Es gibt sehr wenig Erfahrungen bisher. Wir haben einen Haufen Wirtschaftlichkeitsstudien gemacht. Die beruhen dann aber immer auf Simulationsrechnungen. Auch da zeigt sich, dass die Anlagen natürlich von den Erstkosten deutlich höher sind als konventionelle Technik. Aber es gibt Beispiele, wo sich das dann in einer vernünftigen Zeit - also durchaus in einem Zeitraum kleiner zehn Jahre – amortisieren kann, wenn die Randbedingungen stimmen. Wenn man wirklich eine hohe Ausbeute der Solaranlage sicherstellen kann, einfach auch durch die Nutzungsprofile. Wenn man entsprechende Energiepreisrandbedingungen hat, wo Spitzenstrom teuer ist, der ansonsten für die Klimatisierung benötigt wird. Dann gibt es schon Fälle wo sich das rechnen kann."
Beim Pneumatikhersteller Festo schätzt man, dass sich die Investitionen für die bis dato größte solare Klimaanlage in unter zehn Jahren amortisieren. Danach spare man mit jedem Sonnentag bares Geld, freut sich Bernd Bruy, der nicht ausschließen will, dass dem Pilotprojekt weitere folgen könnten.
"Es ist durchaus möglich, dass wir diese Technologie auch in anderen Festo-Standorten weltweit nutzen werden."
Es wäre ein Anfang. Denn nur wenn der Markt wächst, die Stückzahlen steigen und die Preise für Kollektoren und Kältemaschinen purzeln, könnte die Kälte von der Sonne einmal einen nennenswerten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Überschätzen dürfe man den allerdings nicht, räumt Hans-Martin Henning ein.
"Natürlich lösen wir damit nicht alle Probleme. Das ist auch völlig klar. Also man darf das nicht so als Heilsbringer sehen, die solare Kühlung."
Denn trotz aller technischen Fortschritte und trotz Europas derzeit führender Rolle auf dem Gebiet der solaren Kühlung: Die umweltfreundlichste Klimaanlage wird auch in Zukunft die bleiben, die man gar nicht einschaltet.
Bernd Bruy wartet vor der weiß glänzenden Tragluftkuppel im Zentrum des Betriebsgeländes, sie ähnelt einem gestrandeten Ufo. Statt auf die Exponate darin zu verweisen, zeigt der Leiter der Betriebstechnik nach Norden, aufs Dach der Produktionshalle, wo schwarze Sonnenkollektoren in der Sonne glänzen: Teile einer umweltfreundlichen Klimaanlage, die dafür sorgt, dass die Tüftler in den gläsernen Büros auch im Sommer einen kühlen Kopf bewahren.
Dass Innovation bei Festo groß geschrieben wird, zeigt man gern auch den Besuchern. Roboter im Modellautoformat trimmen die Halme der Grünflächen. Computergesteuerte Sonnensegel beschatten die Atrien der Bürokomplexe. Und die Schranken an der Einfahrt sind blaue Schläuche, die von Druckluft versteift in der Waagerechten hängen. Gibt der Pförtner grünes Licht, schnurren sie lautlos in sich zusammen und machen den Weg frei.
Die neueste Hightech-Demonstration auf dem Werksgelände fällt in Bernd Bruys Zuständigkeitsbereich. Es ist die Anfang des Jahres in Betrieb genommene solarthermische Klimaanlage: Eine Anlage, die Sonnenwärme in kaltes Wasser verwandelt. Der Weg zu den Wärmefängern auf dem Dach führt durch die alte Produktionshalle, die Wiege des Unternehmens, in der bis heute Pneumatik-Ventile für den Weltmarkt produziert werden. Bruy:
"Ich gehe jetzt gerade mal vor…"
Nach zwei Stockwerken im Treppenhaus geht es ins Freie und über eine Stahlleiter weiter nach oben. Bernd Bruy klettert die Sprossen voran.
"Das ist jetzt das Dach des Produktionsgebäudes. Jetzt gehen wir gerade mal da rüber zu den Solarkollektoren…"
Seit Januar ernten die nach Süden weisenden Schrägen des Hallendachs Sonnenwärme. Eine Fläche von etwa 60 mal 25 Metern wurde mit schwarzen Vakuumröhren-Kollektoren belegt. Also mit Tausenden parallelen Glasröhren, in denen die Sonne Wasser aufheizt. Die Kollektorfläche beträgt über 1300 Quadratmeter. Bruy:
"Weltweit ist es meines Erachtens die größte Installierung für solare Kühlung. Es gibt größere Solarfelder, aber die werden dann nicht für die Kühlung genutzt…"
An einem sonnigen Tag wie diesem, Ende August, heizen die Wärmefänger das Wasser in den Sammelleitungen aus Edelstahl auf über 90 Grad Celsius auf. 1200 Kilowatt Wärmeleistung lassen sich so im Idealfall einfangen. Genug, um eine Badewanne kaltes Wasser in unter einer Minute zum Kochen zu bringen. In Esslingen wird diese Wärmeenergie stattdessen in Kälte verwandelt.
Das Geschäft mit Kälte boomt. Der wirtschaftliche Aufschwung in Schwellenländern wie Indien und China führt dazu, dass die Nachfrage nach Klimaanlagen in den kommenden Jahrzehnten exponentiell wachsen wird. Von 1997 bis 2006 wurden weltweit 40 Millionen kleiner elektrischer Raumkühler installiert, deren Strombedarf sich auf 250 Gigawatt summiert. Wenn sie während der Mittagshitze auf Hochtouren laufen, zwingen die enormen Spitzenlasten die Stromnetze in die Knie. So geschehen im Hitzesommer 2006 in New York und Washington. In Europa sind ähnliche Probleme vorprogrammiert. Die internationale Energieagentur geht – unter anderem aufgrund der Erderwärmung - davon aus, dass die gekühlten Gebäudeflächen in Gesamteuropa bis 2020 jährlich um 12,7 Prozent wachsen werden. In Italien und Spanien sogar weit mehr.
Doch konventionelle Klimaanlagen sind Stromfresser. Solange sie ihre Energie aus Kraftwerken bekommen, die Kohle oder Erdgas verfeuern, heizen sie die Atmosphäre weiter auf. Mit der Folge, dass immer mehr Menschen eine Klimaanlage werden haben wollen. Ein Teufelskreis. Um ihn zu durchbrechen, sind alternative Konzepte gefragt: Kühlverfahren, die Kälteerzeugung und Klimaschutz unter einen Hut bringen. Ein viel versprechender Ansatz dazu heißt: Solares Kühlen.
"Bei der solaren Kühlung benutze ich die Abwärme einer thermischen Solaranlage, also keine Photovoltaikanlage, keinen Strom, sondern eine richtige Warmwasseranlage. Die hat im Sommer in der Regel jetzt nicht so wahnsinnig viel zu tun."
Der Physiker Uwe Eckstein ist Ende 30 und hat früher mal in Jazzbands Schlagzeug gespielt. Heute leitet der Solarthermie-Experte Marketing und Vertrieb der jungen Berliner Firma Invensor.
"Gerade heizungsunterstützende Anlagen, die bringen in der Übergangszeit richtig viel für die Heizung, im Sommer liegen sie meistens auf dem Dach und langweilen sich. Da ist viel Energie, die man verwenden kann. Und die Energie kann ich letztlich in eine thermisch getriebene Kältemaschine stecken, um damit Kälte zu erzeugen."
Und genau solch eine thermisch getriebene Kältemaschine entwickelt Invensor gerade zur Marktreife. Ein Klimagerät mit zehn Kilowatt-Kälteleistung, das einmal Einfamilienhäuser und kleine Gewerbebetriebe kühlen soll. In Feldtests wird der Öko-Kühler für private Bauherren bereits erprobt. Kürzlich wurden die ersten zwei Geräte an Kunden ausgeliefert. Läuft alles nach Plan, könnten es bald mehr werden. Denn potenzielle Abnehmer gibt es reichlich.
"In Spanien, Italien, Griechenland ist es zunehmend normal, dass man sommerliche Klimatisierung hat - zumindest in neuen Gebäuden wird das eigentlich standardmäßig installiert. Da denke ich, gibt es schon ein erhebliches Potenzial. Es ist sicher so, dass für einen Anbieter von solchen Systemen das ein großer potentieller Markt ist."
Dr. Hans-Martin Henning leitet die Abteilung thermische Anlagen und Gebäudetechnik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, einem weltweit bekannten Think Tank für Öko-Energie. Die Energieeffizienz von Gebäuden - vom Einfamilienhaus über die Werkhalle bis zum Büroturm - ist Hans-Martin Hennings Fachgebiet. Und obwohl Fortschritte bei Wärmeisolierung und Belüftungstechnik den Klimatisierungsbedarf von Neubauten deutlich gesenkt haben: Ganz ohne Klimaanlagen wird man in vielen Bereichen nicht auskommen. Weshalb Henning und sein Team seit geraumer Zeit Möglichkeiten ausloten, mit Sonnenwärme Kälte zu erzeugen. Henning:
"Bei gut ausgelegten und gut betriebenen Anlagen gehen wir davon aus, dass man so 60 Prozent Primärenergie einsparen kann gegenüber einer nach gutem Stand der Technik ausgeführten Referenzanlage."
Die solare Kühlung könnte also durchaus einen nennenswerten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Hans-Martin Henning macht allerdings keinen Hehl daraus, dass dieses theoretisch mögliche Einsparpotenzial in der Praxis selten erreicht wird. Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Nur rund zwölf Megawatt solarthermischer Kühlleistung sind derzeit in Europa installiert – verteilt auf 120 bis 130 Testanlagen. Viele davon sind Forschungsprojekte, bezuschusst mit Fördergeldern aus Berlin oder Brüssel. Verlässliche Daten über ihre Wirtschaftlichkeit sind Mangelware.
Das Funktionsprinzip all dieser Anlagen ist mehr oder weniger dasselbe: Heißes Wasser aus von der Sonne erwärmten Heizschlangen hält einen thermochemischen Kreisprozess in Gang, der Kälte erzeugt. Hans-Martin Henning:
"Es ist in der Tat nicht so ganz einfach zu erklären und zu verstehen. Aber wahrscheinlich ist auch ein Kühlschrank gar nicht so einfach zu verstehen. Insofern…"
Im Haushaltskühlschrank zirkuliert ein spezielles Kältemittel, das schon bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt verdampft. Weil sein Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand Energie verbraucht, entzieht es der Umgebung dabei Wärme. Ein Effekt, der vom Schwitzen bekannt ist: Die so genannte Verdunstungskälte. Im Kühlschrank kühlt sie den Innenraum, bei einer Klimaanlage entweder direkt die Raumluft oder einen Kühlwasserkreislauf. Um das verdampfte Kältemittel erneut verwenden zu können, muss es wieder verflüssigt werden. Im Kühlschrank besorgt das ein elektrischer Kompressor, der es verdichtet. Der erhöhte Druck verflüssigt das Gas. Dabei wird das Gegenteil der Verdunstungskälte frei, die so genannte Verdampfungswärme. Um sie abzuleiten, fließt das warme Kühlmittel über Kühlrippen hinten am Kühlschrank. Anschließend gelangt es durch ein Ventil erneut in den Verdampfer - und das Spiel beginnt von vorn. Hans-Martin Henning:
"Das ist also erst einmal das Grundprinzip, womit Kälte erzeugt wird. Im Haushaltskühlschrank wird jetzt, um das gasförmige Kältemittel auf das hohe Druckniveau zu bringen, ein Verdichter eingesetzt. Und hier wird bei thermischen Verfahren eine grundsätzlich andere Vorgehensweise verwendet. Nämlich dass man das gasförmige Kältemittel an einem zweiten Stoff bindet. Und das nennt man dann Sorption."
Die Sorption ist der Schlüssel für das solare Kühlen. Sie erlaubt es, stromfressenden Kompressoren durch wärmegetriebene Prozesse zu ersetzen, die völlig reversibel und ziemlich effizient sind. Herzstück solcher Sorptionsreaktoren ist das Sorptionsmedium: Eine Flüssigkeit oder ein Feststoff mit einer starken Tendenz, das gasförmige Kühlmittel aufzunehmen. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Silikagelkügelchen. Also jene wasseranziehenden Perlen, die sich häufig in den Verpackungen elektronischer Geräte finden, um sie vor Feuchte zu schützen. Da die Kügelchen das Wasser in ihren zahllosen winzigen Poren binden, spricht man von Adsorption. Henning:
"Adsorption steht für einen Oberflächeneffekt. Man hat es da also mit hochporösen Feststoffen zu tun, wie beispielsweise Zeolithen, die also sehr große innere Oberfläche bieten, wo dann dieses gasförmige Kältemittel sich anlagert und dadurch wieder in eine Art kondensierte Phase übergeht."
Zeolithe sind die Hightech-Nachfolger von Silikagel: Kristalline, von Hohlräumen durchsetzte Verbindungen aus Aluminium- und Siliziumoxiden, die in jahrelanger Forschung für den Einsatz in Sorptionsreaktoren optimiert wurden. Mit ihrer Hilfe – glauben Experten wie Hans-Martin Henning - könnte es gelingen, kleine, effiziente Kältemaschinen mit zehn bis 15 Kilowatt Leistung zu bauen. Öko-Kühler fürs Eigenheim. Henning:
"Meiner Einschätzung nach hat die Adsorptionstechnik im kleinen Leistungsbereich schon Chancen, weil sie grundsätzlich sehr robust und einfach und simpel ist, man also auch weniger materialtechnische Probleme hat als bei flüssigen Sorptionsverfahren."
Diese alternativen Absorptions-Verfahren, bei denen das Gas mit Hilfe einer Flüssigkeit wieder eingefangen wird, gibt es zwar schon im Handel. Aber sie haben spezifische Nachteile. Entweder sie benötigen giftiges Ammoniak als Kältemittel, das nicht jeder im Keller haben will. Oder sie benutzen wasseranziehende Salzlösungen, die stark korrosiv sind. Beides erhöht den Aufwand an Wartung und Betriebstechnik. Doch ganz gleich, ob flüssiger oder fester Kältemittelfänger: Um den Kreis zu schließen, wird das mit Kältemitteldampf gesättigte Sorptionsmedium aufgeheizt und so das Kühlmittel wieder ausgetrieben. Die Wärme für diese zyklische Regenerierung kann die Sonne liefern. Es kann aber auch die Abwärme eines Blockheizkraftwerkes oder anderer Maschinen sein.
"Also, hier geht’s jetzt in den Steigschacht runter, zum Hauptverteiler. Und von diesem Hauptverteiler wird die Wärme über Rohrleitungen zu den Adsorptionskältemaschinen gepumpt…"
Bernd Bruy, der fürs Betriebsklima zuständige Mann bei Festo in Esslingen, kehrt den unzähligen Vakuumröhrenkollektoren auf dem Dach den Rücken. Bruy:
"Und dann würde ich vorschlagen, gehen wir zu den Adsorptionskältemaschinen…"
Er steigt Leitern und Treppen wieder hinunter und biegt dann in einen langen, weiß gekachelten Tunnel, der die Produktionshalle mit den Bürobauten verbindet. Ungefähr unter der weißen Ausstellungskuppel im Zentrum des Betriebsgeländes, schließt er rechts eine Kellertür auf.
"Das ist jetzt die Kältezentrale mit den drei Adsorptionskältemaschinen…"
Wärmeisolierte Wasserrohre mit computergesteuerten Ventilen durchziehen den riesigen Raum. Es ist warm wie in einem Heizungskeller.
"Von den Maschinen, Sie sehen hier eins, zwei, drei in Reihe gestellt, hat jede eine Kälteleistung von 353 Kilowatt."
Jeder der drei Adsorptionskühler ist so groß wie ein Schiffsdiesel. Ihr Herzstück sind große Behälter mit Silikagel. Die wasseranziehenden Kügelchen sind das Sorptionsmedium, das abwechselnd Kältemitteldampf aufsaugt und wieder getrocknet wird. Sieben Minuten dauert ein kompletter Zyklus. Das Wasser, das dabei im Verdampfer verdunstet, entzieht einem Kühlwasserkreis Wärme. Über mäandernde Rohre temperiert dessen acht Grad warmes Wasser im Sommer die Betondecken der gläsernen Bürokomplexe. Bruy:
"Die schwarzen Rohre, wo sie dort sehen, sind die, wo quasi die Kälte in das Gebäude verteilt wird."
Betonkernaktivierung heißt diese Form der Klimatisierung im Fachjargon. Weil keine Zugluft entsteht, sorgt sie für ein angenehmes Raumklima. Um das Silikagel in den Kältemaschinen alle paar Minuten wieder zu trocknen, wird es erhitzt. Bis Anfang des Jahres nutzte man dazu neben der Abwärme der Druckluftgeneratoren auf dem Werksgelände eine zusätzliche Gasbefeuerung. Dank Warmwasser vom Dach ist die jetzt überflüssig. Bruy:
"Es gab im Vorfeld eine Simulation von der Fachhochschule Stuttgart. Da kam raus, dass die Anlage im Durchschnitt 650 Megawatt solare Wärme pro Jahr erzeugt. Das entspricht durchschnittlich dem Heizverbrauch von 50 Einfamilienhäusern. Das wiederum entspricht einer CO2-Einsparung von 100 Tonnen pro Jahr."
Nach acht Monaten Betriebszeit sieht es so aus, als ob die Einsparungen an Primärenergie tatsächlich den Prognosen entsprechen – obwohl der Sommer auch in Süddeutschland nicht hielt, was er versprach. Ingenieure der Fachhochschule Offenburg wollen das als Forschungsprojekt geförderte solare Kühlsystem bei Festo in den kommenden Monaten genau vermessen, um mögliche Verbesserungen auszuloten. Bernd Bruy ist schon jetzt zufrieden. Alles läuft wie geplant. Und die Besucher geben sich die Klinke in die Hand. Auch Abgesandte eines großen Automobilkonzerns aus dem Stuttgarter Raum haben sich angemeldet.
Der Erfolg des Vorzeigeprojektes darf allerdings nicht darüber hinweg täuschen, dass es sich wirtschaftlich eigentlich nicht rechnet. Denn schwäbische Innovationsfreude hin oder her: Ohne die Fördermittel aus dem Bundesumweltministerium hätte sich Festo kaum zu den Investitionen für die solare Kühlung durchgerungen. Ein Problem, das symptomatisch für die ganze Szene ist. Obwohl die Entwicklung der Technologie seit Jahren gefördert wird, ist sie bis heute nur bedingt konkurrenzfähig. Die Anlagen sind komplex und oft unausgereift. Henning:
"Das Schlüsselproblem sind sicher Kosten. Das ist ein erheblicher anlagentechnischer Aufwand. Es ist sicher so, dass auch vor zehn Jahren schon technische Lösungen da waren. Allerdings nicht im kleinen Leistungsbereich, sondern eher im großen Leistungsbereich. Da hat man es normalerweise nicht mit Häuslebauern zu tun, sondern mit kommerziellen Gebäudenutzern, die sehr stark betriebswirtschaftlich rechnen. Und da ist die solare Kühlung dann zu teuer, sozusagen."
Für Hauseigentümer im Süden sieht die Rechnung unter Umständen anders aus. Wer heute in Spanien oder Griechenland ein Haus baut, plant meist sowieso Sonnenkollektoren auf dem Dach, die Warmwasser für die Dusche liefern und im Winter Heizenergie sparen helfen. Da liegt es nahe, anstelle einer elektrischen Klimaanlage das im Sommer ungenutzte Warmwasser vom Dach für Kühlzwecke einzusetzen. Nach einer Faustformel braucht man für ein Kilowatt Kälteleistung rund drei Quadratmeter Kollektorfläche. Für zehn Kilowatt-Kälteleistung also eine Fläche von fünf mal sechs Metern. Fraunhofer-Forscher Hans-Martin Henning glaubt deshalb,
"dass also auch wahrscheinlich sogar eher in dem kleinen Leistungsbereich über Wohnhäuser, Einfamilienhäuser - vielleicht eher der gehobenen Preisklasse - der Markteintritt stattfinden wird. Da ist eben eigentlich erst seit kurzer Zeit der technischen Stand so, dass man wirklich Lösungen anbieten kann."
Kompakt, robust, einfach zu installieren und weitgehend wartungsfrei: All das müssen Sorptionskühler für den Hausgebrauch sein. Das junge Berliner Unternehmen Invensor ist eine von rund einem Dutzend europäischer Firmen, die sich zum Ziel gesetzt haben, solche Geräte zu entwickeln. In der Hoffnung, unter den Ersten zu sein, die ein ausgereiftes Produkt auf den Markt bringen. ‚Eckstein:
"Den Fußboden haben wir selber gemacht, zum Beispiel. Das war alles am Anfang Staub und leer. Und so nach und nach ist dann doch eine Firma draus geworden."
Technologiepark Voltastraße: Eine sanierte Fabrikhalle aus Backstein. Früher haben hier AEG-Ingenieure U-Bahnen gebaut, erklärt der Physiker Uwe Eckstein.
"Und den Teststand haben wir auch gleich im hinteren Bereich aufgebaut, damit der noch ein bisschen geschützter ist gegen die Blicke von außen. Weil die Fenster hier doch recht groß sind, da muss man natürlich aufpassen, dass die Konkurrenz nicht rein schaut."
Auf dem Estrichboden stehen Stahlregale, in denen sich Kartons mit der Aufschrift "Wärmetauscher", "Hydraulik" und "Kleinteile" stapeln. Ein Tisch, ein paar Pflanzen, eine Espressomaschine. Im Nebenraum nehmen zwei Männer an einem Computer Messreihen auf. Eckstein:
"Ja, das ist unser Labor. Das heißt, hier werden im Moment die Maschinen hergestellt und auch getestet. Im hinteren Drittel ist der Teststand. Was man da an Geräuschen hört sind Vakuumpumpen, sind irgendwelche Heizenergieerzeuger. Wir simulieren ja hier eine Solaranlage, ein Blockheizkraftwerk, was auch immer möglich ist an Wärme. Fahren das dann über Speicher, um es ein bisschen auszugleichen, um flexibel zu sein in den Temperaturen, die wir erzeugen. Und dann betreiben wir die Maschine und kühlen damit auch einen relativ großen Behälter, können einen Wärmetauscher dazwischen schalten – und simulieren so eine Anlage im Betrieb."
Isolierte Rohre verbinden Kessel, Durchflusszähler, Heizpatronen und Ventile. Über sechs graue Schläuche ist einer der Prototypen angeschlossen: Eine brusthohe Metallbox vom Format eines Heizkessels. Eckstein:
"Die Anlage selber hört man eigentlich gar nicht. Das heißt, wenn man jetzt alle Hintergrundgeräusche abstellen würde, würde man nur ab und zu ein leises Klacken hören, wenn Ventile umschalten – und das war’s dann auch"
In dem grauen Gehäuse steckt eine Adsorptionskältemaschine mit zehn Kilowatt Kühlleistung. Ihre Benutzerschnittstelle ist übersichtlich: Keine Knöpfe, Regler oder Ventile. Nur ein postkartengroßes blaues Display. Eckstein:
"Da braucht man eigentlich nur relativ wenig einzustellen. Das richtet sich im Wesentlichen nach dem System, wie die Maschine betrieben wird. Also, welche Antriebstemperaturen stecke ich rein: Meine Solaranlage, wie heiß wird die betrieben, was hat die für Kollektoren dran? Auf der Kälteseite: Welche Kälteanforderungen habe ich? Möchte ich eine Kühldecke betreiben mit 15 Grad Vorlauf? Möchte ich in irgendein Fan-Coil gehen mit sieben Grad Vorlauf? Danach richtet sich dann eigentlich wie die Maschine fährt. Da gibt’s dann auch in der Praxis nicht viel einzustellen."
Knapp zehn Geräte habe man bislang gebaut, sagt Uwe Eckstein – in einem Prozess sukzessiver Optimierung. Das Funktionsprinzip der Kältemaschinen ist dasselbe, wie bei den Großkühlern im unterirdischen Maschinenraum der Festo AG. Nur dass die thermodynamischen Prozesse hier auf engstem Raum ablaufen. Eckstein:
"Das zentrale Element der Maschine ist der Sorptionsreaktor. Der ist bei uns komplett verschweißt. Da muss man also auch nicht mehr ran. Man muss in diesem Gerät nichts warten, nichts einstellen, das läuft aus sich selbst heraus. Der Prozess basiert im Prinzip auf Druckdifferenzen und auf Dampfmengen, die da drin zirkulieren. Das heißt, es ist einfach dicht geschweißt. Da kommen ein paar Rohre raus und das war’s."
Weshalb der Einbau eigentlich jedem Heizungsinstallateur gelingen sollte. Gut 350 Kilogramm bringt die Kühlbox auf die Waage. Das mikroporöse Zeolith selbst schlägt dabei kaum zu Buche. Eckstein:
"Am Ende ist es ein Haufen Metall. Das Adsorptionsmaterial selber ist jetzt gar nicht der riesige Anteil von Gewicht. Das war früher einmal so. Ich habe also die Zeiten selbst noch miterlebt. Die Vorläufer dieser Maschinen, das waren Behälter die beschüttet waren mit Silikagel. Dann hat man Wärmetauscher rein gebracht. Da war richtig noch ganz viel Material drin. Aber jetzt, nach vier, fünf, sechs, sieben Jahren Entwicklung mit neuen Materialien läuft das im Endeffekt auf beschichtete Wärmetauscher hinaus. "
Welche Form die haben und wie sie hergestellt werden, ist Betriebsgeheimnis. Auch die Konkurrenz in Halle - das vom Fraunhofer ISE ausgegründete Unternehmen Sortech, das an ähnlichen Geräten tüftelt - hält sich diesbezüglich bedeckt. Der effektive Wärmetausch auf engstem Raum entscheidet nämlich über Einsatzgebiet, Effizienz und künftige Miniaturisierung der Maschinen. Derzeit macht die graue Berliner Kühlbox aus einer Kilowattstunde Wärmeenergie je nach Konfiguration 0,4 bis 0,6 Kilowattstunden Kälte. Das entspricht einer Ausbeute von 40 bis 60 Prozent. Verglichen mit elektrischen Kompressions-Kühlern ist das zwar mager, weil die Antriebswärme kostenfrei vom Dach kommt, aber verkraftbar. Eckstein:
"Unsere Maschine hat eine Leistungsaufnahme von einigen zehn Watt. Also verschwindend gering. Das heißt, man steckt schon tatsächlich die meiste Energie in Form von Wärme rein. Deswegen kann man von der Maschine her betrachtet in der Größenordnung 80 bis 90 Prozent des Stroms sparen."
Das klingt gut, ist aber leider nur die halbe Wahrheit. Eckstein:
"Es laufen noch ein paar Hilfsaggregate. Ich brauche Pumpen, um die Flüssigkeit umzupumpen. Meine Kühldecke, die brauche ich natürlich sonst auch. Aber ich brauche zum Beispiel den Rückkühler. Das heißt, ich habe einen Ventilator, der im Freien läuft, um die Überschusswärme abzupumpen. Wenn man diese Gesamtsysteme vergleicht, dann kommt man so auf…Wir haben schon Anlagen gehabt, wo’s um die 50 Prozent Stromeinsparung ging. Wir haben auch schon welche gehabt, wo’s 70 Prozent Stromeinsparungen waren. Da muss man dann sehr genau gucken, wie die Maschine betrieben wird, mit welchen Volumenströmen, mit welchen Detailkomponenten."
Sorgfältige Planung ist deshalb das A und O, sonst verhageln Kleinigkeiten die Energiebilanz. Eine Erfahrung, die auch Conergy machen musste. Das auf erneuerbare Energienutzung spezialisierte Hamburger Unternehmen installierte 2007 in Barcelona ein solares Kühlsystem mit 20 Kilowatt Kälteleistung, das die Kantine und weitere Räume der deutschen Schule dort klimatisieren sollte. Die anfängliche Euphorie verflog schnell. Die Wirtschaftlichkeitsanalysen waren schockierend, berichtet ein Ex-Mitarbeiter. Im Zuge von Umstrukturierungen hat sich Conergy mittlerweile komplett aus dem Geschäft mit dem solaren Kühlen zurückgezogen. Henning:
"Ich kann Ihnen nicht sagen, woran es bei dem konkreten Beispiel lag. Aber wir haben ähnliche Projekte. Und haben da auch erst einmal unsere Aha-Erlebnisse gehabt. Ein kritischer Punkt ist sicher, dass man ein deutlich größeres Rückkühlwerk braucht als bei kompressionsgetriebener Technik, einfach weil man wesentlich mehr Energie auf der Rückkühlseite abgeben muss."
Die Rückkühlung ist die Achillesferse der solaren Kältetechnik. Genau wie ein Kühlschrank erzeugen die Sorptionsreaktoren Abwärme, die sie wieder los werden müssen, damit der Kühlkreislauf nicht ins Stocken gerät. Im günstigsten Fall genügen dazu Kühlrippen und ein Ventilator. Je höher die Umgebungstemperatur, desto schwieriger wird es für den Rückkühler, die überschüssige Wärme loszuwerden. Bei 40 Grad, wie sie im Mittelmeerraum mittags durchaus üblich sind, ziehen solche Kühler deshalb viel Strom, weil ihr Ventilator ständig auf Hochtouren laufen muss. Die solare Klimaanlage läuft also ausgerechnet dann am ineffizientesten, wenn sie am dringendsten gebraucht wird. Noch kostspieliger wird es, wenn feuchte Rückkühler eingesetzt werden müssen, die zusätzlich Wasser verdampfen. In Spanien hat man deren Betrieb aus Angst, der warme Wasserdampf könnte Legionellen-Infektionen verbreiten, an strenge Wartungsauflagen geknüpft. Die damit verbundenen Kosten machen die Sonnenkälte für Eigenheimbesitzer unattraktiv. Weshalb die Entwicklungsanstrengungen im kleinen Leistungsbereich dahin gehen, Sorptionskühler zu bauen, die auch an heißen Tagen ohne nasse Rückkühlung auskommen. Höhere Antriebstemperaturen, effizientere Wärmetauscher und optimierte Zeolithe sollen den Weg dorthin ebnen. Bei Invensor in Berlin will man diese Hürde inzwischen genommen haben. Allzu große Euphorie verbreiten möchte man aber nicht. Bis auf weiteres bleibe die Technologie etwas für Liebhaber, räumt Uwe Eckstein ein.
"Ich denke, bei der großen, für ein breites Publikum anwendbaren thermischen Kühlung, da wird man sicherlich noch ein paar Jährchen brauchen, bis man wirklich da ist, dass man sagt: Das kaufe ich mir, weil es wirtschaftlich ist."
Bei den großen Pilotanlagen, wie sie derzeit etwa schon zur Klimatisierung von Hotelkomplexen in der Türkei eingesetzt werden, ist die Situation ähnlich. Belastbare ökonomische Daten gebe es noch nicht, sagt Fraunhofer-Forscher Hans-Martin Henning.
"Es gibt sehr wenig Erfahrungen bisher. Wir haben einen Haufen Wirtschaftlichkeitsstudien gemacht. Die beruhen dann aber immer auf Simulationsrechnungen. Auch da zeigt sich, dass die Anlagen natürlich von den Erstkosten deutlich höher sind als konventionelle Technik. Aber es gibt Beispiele, wo sich das dann in einer vernünftigen Zeit - also durchaus in einem Zeitraum kleiner zehn Jahre – amortisieren kann, wenn die Randbedingungen stimmen. Wenn man wirklich eine hohe Ausbeute der Solaranlage sicherstellen kann, einfach auch durch die Nutzungsprofile. Wenn man entsprechende Energiepreisrandbedingungen hat, wo Spitzenstrom teuer ist, der ansonsten für die Klimatisierung benötigt wird. Dann gibt es schon Fälle wo sich das rechnen kann."
Beim Pneumatikhersteller Festo schätzt man, dass sich die Investitionen für die bis dato größte solare Klimaanlage in unter zehn Jahren amortisieren. Danach spare man mit jedem Sonnentag bares Geld, freut sich Bernd Bruy, der nicht ausschließen will, dass dem Pilotprojekt weitere folgen könnten.
"Es ist durchaus möglich, dass wir diese Technologie auch in anderen Festo-Standorten weltweit nutzen werden."
Es wäre ein Anfang. Denn nur wenn der Markt wächst, die Stückzahlen steigen und die Preise für Kollektoren und Kältemaschinen purzeln, könnte die Kälte von der Sonne einmal einen nennenswerten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Überschätzen dürfe man den allerdings nicht, räumt Hans-Martin Henning ein.
"Natürlich lösen wir damit nicht alle Probleme. Das ist auch völlig klar. Also man darf das nicht so als Heilsbringer sehen, die solare Kühlung."
Denn trotz aller technischen Fortschritte und trotz Europas derzeit führender Rolle auf dem Gebiet der solaren Kühlung: Die umweltfreundlichste Klimaanlage wird auch in Zukunft die bleiben, die man gar nicht einschaltet.