Konzept Fernkälte Kühlung aus dem Heizkraftwerk

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung klingt für Laien widersinnig. Die Stadtwerke Chemnitz nutzen sie trotzdem: Die Fernkälte, mit der sie im Sommer Büros und Läden kühlen, stammt aus einem Heizkraftwerk.

Von Gregor Honsel


Unweit der Georgbrücke in Chemnitz steht ein schlichter Wassertank von 3500 Kubikmetern Fassungsvermögen. Besonders spektakulär sieht der Stahlzylinder trotz seiner 17 Meter Höhe nicht aus. Doch wenn alles läuft wie geplant, wird er nicht nur den Stadtwerken Chemnitz eine Menge Geld und Energie sparen, sondern auch Vorbild für eine ganze Reihe ähnlicher Projekte weltweit werden: Bei dem Wassertank handelt es sich um den ersten Kurzzeit Großkältespeicher Deutschlands, eine Art Fern-Klimaanlage.

Damit will der Kommunalbetrieb den wachsenden Bedarf der Chemnitzer Wirtschaft an sommerlicher Abkühlung decken, ohne in neue Kältemaschinen investieren und zu Spitzenlastzeiten teuren Strom verbraten zu müssen. Schon 1973 bekam die damalige Karl-Marx-Stadt als zweite deutsche Kommune nach Hamburg ein Fernkältenetz. Bis 1993 wurde es mit Kompressionskältemaschinen betrieben. Diese arbeiten wie ein Kühlschrank: Ein Kühlmittel (damals ozonschichtschädigendes FCKW) wird von einem elektrischen Kompressor verdichtet und über ein Entspannungsventil verdampft. Dabei entzieht es seiner Umgebung Wärme. Bei der Umstellung auf FCKW-freie Kältemaschinen im Jahr 1993 ersetzten die Stadtwerke die Kompressions- durch eine Absorptionskältemaschine. Diese nutzt zur Kälteerzeugung keinen Strom mehr, sondern Wärme – und die ist in Chemnitz gerade im Sommer durch das Heizkraftwerk ausreichend vorhanden ("Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung").

Die Umwandlung von Wärme in Kälte funktioniert in einem raffinierten Kreislauf: In einen Behälter mit starkem Unterdruck wird Wasser eingesprüht. Bei diesem Druck verdampft es schon bei rund vier Grad und entzieht dabei seiner Umgebung Wärme – so entsteht der Kühleffekt. Eine Lithium-Bromid-Lösung absorbiert den Dampf und wird in einen zweiten Behälter gepumpt. Dort wird das Wasser mit Hilfe der 120 Grad heißen Kraftwerksabwärme wieder aus der Lösung herausdestilliert, und der Prozess beginnt von vorn. Durch neue Einkaufszentren und große Glasfassaden stieg der Kältebedarf in Chemnitz allerdings stetig. Als auch eine zweite, 2000 angeschaffte Absorptionsmaschine ausgelastet war, installierten die Stadtwerke 2001 und 2005 zusätzlich zwei Kompressionsmaschinen für die Spitzenlast.

Moderne Glasfassade: Hoher Kühlungsbedarf
DPA

Moderne Glasfassade: Hoher Kühlungsbedarf

Da der größte Kältebedarf mittags mit dem größten Strombedarf zusammenfiel, mussten sie mit teurem Spitzenlaststrom gefüttert werden. Das war akzeptabel, solange die Maschinen nur begrenzte Zeit im Jahr arbeiten mussten. Doch auch dabei blieb es nicht: In den vergangenen fünf Jahren hat sich der Kältebedarf der Chemnitzer abermals verdoppelt. Am Ende konnten alle installierten Maschinen gemeinsam die Spitzenlast von rund 11000 Kilowatt Kälteleistung nur noch zu drei Vierteln abdecken.

War es also Zeit für eine weitere Kältemaschine? Ulf Uhlig, Leiter der Abteilung Wärme und Kälte bei den Stadtwerken Chemnitz, suchte nach einer anderen Möglichkeit. In einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Forschungsvorhaben des Projektträgers Jülich berechnete die TU Chemnitz ein Jahr lang die Möglichkeit, die Kälte für den Spitzenbedarf zwischen zu lagern. Das Ergebnis: Ein Kältespeicher ist in der Anschaffung etwas preiswerter als eine Kompressionskältemaschine und im Betrieb deutlich effizienter. Im September 2006 wurde der Grundstein für den Kältespeicher gelegt. Knapp eine Million Euro sollte das Vorhaben kosten, davon übernahm das Bundeswirtschaftsministerium mit 342.000 Euro ein gutes Drittel. Technologisch war das Vorhaben alles andere als trivial: "Man darf sich das nicht einfach als großen Wasserbehälter vorstellen", sagt Thorsten Urbaneck, Bereichsleiter Thermische Energiespeicher an der TU Chemnitz.

Erfahrungen aus ähnlichen Projekten halfen nur bedingt. So gibt es zwar bereits Langzeit-Kältespeicher, die das Erdreich als Kältespeicher nutzen. Doch für das tägliche Be- und Entladen sind sie viel zu träge. Auch Warmwasserspeicher taugen nicht als Vorbilder. Bei ihnen schichtet sich das Wasser durch die unterschiedliche Dichte automatisch entsprechend seiner Temperatur. Doch bei kaltem Wasser funktioniert das nicht – bei Temperaturen von 5 bis 13 Grad sind die Dichteunterschiede zu gering für eine thermische Schichtung. Stattdessen muss das einströmende das vorhandene Wasser möglichst verwirbelungsfrei vor sich her schieben. Dazu wurden eigens sogenannte Radialdiffusoren ("Tassen") entwickelt, um das einfließende Wasser zu beruhigen. Mit je 3,30 Metern Durchmesser sind die zwölf Tassen erheblich größer als bei einem vergleichbaren Warmwasserspeicher. Dafür brauchten die Chemnitzer keine Rücksicht auf hitzeempfindliche Dichtungsmaterialien zu nehmen.

"Unser Ziel war es, einen möglichst preiswerten Speicher aus Standardkomponenten zu bauen", sagt Uhlig. So fiel die Wahl dann auf einen leicht modifizierten Behälter aus Stahlblechsegmenten für die Vergasung von Biomasse. Doch schon bei der Isolierung war dann wieder Schluss mit einfach: Dringt Wärme von außen nach innen, senkt das die Effizienz des Speichers – und obendrein bringen durch die Wärme erzeugte Verwirbelungen die mühsam geschaffene Schichtung durcheinander. Der Chemnitzer Kessel wird deshalb von einer 38 Millimeter dicken Kunstkautschuk-Schicht, gefolgt von 60 Millimetern Polystyrol, umhüllt; das Fundament wird mit 150 Millimetern Styrodur isoliert.

Am 29. Juni 2007 ging die Riesen-Thermoskanne, die die alten Kompressionskältemaschinen komplett überflüssig macht, ans Netz, dem unter anderem die Klimaanlagen eines Einkaufszentrums und eines Theaters angeschlossen sind. Der Wirkungsgrad des Kohlekraftwerks steigt durch die Nutzung der Abwärme um bis zu einem Prozent. Das klingt nach wenig, entspricht aber immerhin der Einsparung von rund 150 Megawattstunden im Jahr. Zudem müssen zwei Gigawattstunden Wärme weniger über Kühltürme entsorgt werden – auch dies ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor. "Ich kann ganze Kraftwerke abschalten, wenn ich die Kälteerzeugung auf die Nacht verschiebe", sagt Stadtwerker Uhlig. Interessenten an dem Chemnitzer Pilotprojekt kommen nach seinen Worten aus aller Welt, das ölreiche Dubai eingeschlossen.

Forschungspartner Urbaneck ergänzt: "Man braucht entweder große Netze oder Speicher, um erneuerbare Energien zu nutzen. Das ist eine Schlüsseltechnologie." Er sieht eine breite Anwendbarkeit auch jenseits der zentralen Kälteversorgung: "Auch für den Mittelständler kann es interessant sein, seine Klimaanlage nicht mehr mit Strom zu Spitzenlastzeiten zu betreiben."



© Technology Review, Heise Zeitschriften Verlag, Hannover

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