Solare Kühlung: So funktioniert das Kühlen mit Solarthermie

Die Sommer werden heißer und der Bedarf an Klimatisierung steigt weltweit. Herkömmliche Klimaanlagen verbrauchen jedoch viel Strom und belasten die Netze sowie das Klima. Solare Kühlung – also das Kühlen mit Solarthermie – verspricht hier Abhilfe. Diese Technologie nutzt die Sonne nicht nur zum Heizen, sondern auch zum solaren Kühlen von Gebäuden. Da die höchste Sonneneinstrahlung genau dann anfällt, wenn die größte Kühlleistung benötigt wird, bietet solares Kühlen ein enormes Potenzial.

In diesem Blogbeitrag erfahren Sie mehr über den Unterschied zu konventionellen Kühlsystemen, die Funktionsweise der Sorptionskühlung, die Vorteile der Solarthermie-Kühlung, typische Anwendungsgebiete und die Wirtschaftlichkeit dieser innovativen Technologie.

> Solare Kühlung: Unterschied zu konventionellen Kühlsystemen
> Sorptionskühlung: Funktionsweise und Systeme
> Vorteile der solaren Kühlung
> Solare Kühlung: Anwendungsgebiete und Wirtschaftlichkeit

Solare Kühlung: Unterschied zu konventionellen Kühlsystemen

Konventionelle Klimageräte arbeiten meist nach dem Kompressionsprinzip. Dabei verdichtet ein elektrisch betriebener Kompressor ein Kältemittel, was die Umgebung abkühlt – ähnlich wie ein Kühlschrank. Dieses Kompressionskälteverfahren benötigt viel Strom und setzt häufig auf synthetische Kältemittel, die klimaschädlich sein können.

Solare Kühlanlagen hingegen basieren auf thermisch angetriebenen Prozessen (Sorption) und nutzen Wärme als Antriebsenergie statt Strom. Mit anderen Worten: Kühlen mit Solarthermie umgeht den verlustreichen Umweg über die Stromerzeugung. Dadurch sinken sowohl der Stromverbrauch als auch die Energiekosten spürbar. Ein weiterer Vorteil: Da die solare Kühlung ohne Kompressor auskommt, werden keine oder nur natürliche Kältemittel wie Wasser eingesetzt – das schont die Umwelt.

Sorptionskühlung: Funktionsweise und Systeme

Sorption bedeutet, dass ein Kältemittel in einem zweiten Stoff „gespeichert“ wird – entweder in einer Flüssigkeit (Absorption) oder an der Oberfläche eines Feststoffs (Adsorption). Dieses Prinzip kann in geschlossenen Systemen oder offenen Systemen zur Kühlung eingesetzt werden.

Geschlossene Sorptionssysteme: Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen

Geschlossene Sorptionskälteanlagen – oft auch Sorptionskältemaschinen genannt – erzeugen Kälte in Form von kaltem Wasser, das über Wärmetauscher oder Kühldecken zur Klimatisierung von Räumen genutzt wird. Die Technik ähnelt einem Kühlschrank oder einer Wärmepumpe, jedoch wird der nötige Kreislauf nicht durch Strom, sondern durch Wärme – zum Beispiel von Solarthermie – angetrieben. Geschlossene Systeme können große Kühlleistungen erbringen und kommen beispielsweise für die Kühlung ganzer Gebäude zum Einsatz.

Eine Absorptionskältemaschine arbeitet typischerweise mit einem flüssigen Sorptionsmittel: Das Kältemittel (z.B. Ammoniak oder Wasser) wird von einer zweiten Flüssigkeit aufgenommen. Der Name leitet sich vom lateinischen „absorbere“ für aufsaugen ab.
Bei einer Adsorptionskältemaschine hingegen lagert sich das Kältemittel an der Oberfläche eines festen Materials wie Silicagel oder Aktivkohle an (lat. adsorbere = anlagern). In beiden Fällen spricht man allgemein von Sorptionskälte.

Der Kühlprozess in einer Absorptionskältemaschine lässt sich vereinfacht so beschreiben: Ein flüssiges Kältemittel verdampft im Verdampfer bei niedrigem Druck und entzieht dabei dem umlaufenden Wasser oder der Luft Wärme – es entsteht Kälte, die zum Kühlen des Gebäudes genutzt wird. Der entstandene Kältemitteldampf wird im Absorber von einer speziellen Flüssigkeit (dem Sorptionsmittel, z.B. einer Salzlösung wie Lithiumbromid) aufgenommen. Dabei wird Bindungsenergie frei, die als Abwärme abgeführt werden muss. Eine Pumpe fördert das nun “angereicherte” Sorptionsmittel in den Desorber (Austreiber). Dort wird es durch heißes Wasser aus den Solarkollektoren erhitzt, wodurch sich das Kältemittel wieder von der Flüssigkeit löst. Das nun unter hohem Druck stehende gasförmige Kältemittel wandert in den Kondensator, wo es durch Abgabe von Wärme an die Umwelt wieder verflüssigt wird. Über ein Expansionsventil gelangt das flüssige Kältemittel zurück in den Verdampfer, kühlt sich durch die Expansion weiter ab und der Kreislauf beginnt von vorn.

Bei Adsorptionskältemaschinen funktioniert der Ablauf prinzipiell ähnlich, nur dass hier ein fester Sorptionsstoff wie Silikagel oder Zeolith das Kältemittel aufnimmt und bei Wärmezufuhr wieder abgibt.

Offene Sorptionssysteme: Solare Klimaanlagen mit Luft

Offene Sorptionsverfahren – häufig auch sorptionsgestützte Klimaanlagen genannt – arbeiten anders, da hier kein geschlossener Kältekreislauf mit Flüssigkeiten vorhanden ist. Stattdessen wird direkt die Zuluft für Räume konditioniert . Konditionierung versteht sich in dem Fall die regulierende Aufbereitung der Luft nach Vorgaben zu Temperatur, Feuchtigkeit oder Sauberkeit. Das Prinzip wird auch als DEC-Verfahren bezeichnet (Desiccative and Evaporative Cooling, also Trocknung und Verdunstungskühlung). Dabei dient Luft selbst als Kühlmittel.

Und so funktioniert es:

Warme, feuchte Außenluft wird zuerst durch ein hygroskopisches, also Wasser anziehendes und bindendes, Medium getrocknet, meist mittels eines mit Salzlösung oder Silikagel beschichteten Rotors (Sorptionsrotor).
Die nun trockene Luft wird im nächsten Schritt über einen Wärmetauscher vorgekühlt und nimmt dabei die Kälte von der bereits gekühlten Abluft auf.
Anschließend führt man der trockenen Luft in einem Befeuchter Wasser zu. Durch diese Verdunstung kühlt sich die Luft stark ab. Diese nun kühle, leicht befeuchtete Luft strömt in den Raum und sorgt dort für Abkühlung.
Die Raumabluft wird erneut durch einen Befeuchter geleitet, wo sie Feuchtigkeit aufnimmt. Anschließend wird sie im Wärmetauscher durch die trockene Luft erwärmt.
Im Erhitzer, der seine Energie aus einem Solarkollektor bezieht, wird die Luft auf die erforderliche Regenerationstemperatur gebracht.
Im letzten Schritt kann sie so im Sorptionsrotor das aus der Zuluft aufgenommene Wasser absorbieren und strömt als warme feuchte Abluft nach außen.

Offene Systeme erzielen zwar meist eine geringere Kälteleistung als geschlossene, haben aber den Vorteil, dass sie gleichzeitig für frische, entfeuchtete Luft im Gebäude sorgen. Sie eignen sich besonders für Klimatisierungssysteme, bei denen große Luftmengen bewegt werden – etwa in Büros, Theatern oder Industriehallen.

Vorteile der solaren Kühlung

Der Einsatz von Solarthermie zum Kühlen bringt gleich mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Klimasystemen mit sich:

Perfektes Timing von Angebot und Bedarf: Im Sommer, wenn der Kühlbedarf am höchsten ist, liefert die Sonne am meisten Energie. Diese Übereinstimmung besteht sowohl im Jahresverlauf als auch im Tagesverlauf – je höher die Sonne steht, desto heißer ist es. Kühlung mit Solarthermie kann diese Spitzen ideal nutzen, anstatt zusätzlich Stromspitzen zu verursachen.
Energiekostenersparnis: Solare Kühlanlagen senken den Stromverbrauch von Gebäudeklimatisierungen deutlich, da vorwiegend kostenfreie Solarwärme genutzt wird. Besonders in Gebäuden mit hohem Kältebedarf (etwa Büros oder Gewerbe) können so Betriebskosten eingespart werden. Außerdem wird die Solarthermieanlage ganzjährig besser ausgelastet, da sie im Sommer nicht ungenutzt bleibt.
Umwelt- und Klimaschutz: Die Kühlung mit Solar verursacht kein zusätzliches CO₂ durch Stromverbrauch. Zudem kommen keine klimaschädigenden synthetischen Kältemittel zum Einsatz – viele Systeme nutzen Wasser als natürliches Kältemittel. Dies verbessert die Umweltbilanz erheblich gegenüber herkömmlichen Klimageräten.
Netzentlastung und Unabhängigkeit: Da bei solaren Kühlanlagen deutlich weniger Strom verbraucht wird, werden Stromnetze in Hitzeperioden entlastet. In Regionen mit instabiler Stromversorgung ermöglicht solarthermische Kühlung zudem eine höhere Unabhängigkeit vom Netz.
Fördermöglichkeiten: In Deutschland werden innovative Technologien wie solare Kühlung gefördert. So vergibt z.B. die KfW Bankengruppe zinsgünstige Kredite und Zuschüsse für solarthermische Kühlanlagen, was die Investition attraktiver macht.

Solare Kühlung: Anwendungsgebiete und Wirtschaftlichkeit

Derzeit rechnet sich solares Kühlen vor allem im größeren Maßstab. Typische Anwendungsgebiete sind Bürogebäude und Gewerbebetriebe mit hohem Kühlbedarf, aber auch Krankenhäuser, Rechenzentren, Seniorenheime oder Hotels. Diese Einrichtungen profitieren von der Doppelnutzung großer Solarthermie-Anlagen: Im Winter liefern die Kollektoren Heizwärme, im Sommer Kühlenergie. Einige Pilotprojekte und kommerzielle Anlagen zeigen bereits, dass Kühlung mit Solarthermie im Großmaßstab zuverlässig funktioniert.

Für Einfamilienhäuser oder kleinere Gebäude ist die Solarthermie-Kühlung heute noch selten. Hauptgründe sind die hohen Anschaffungskosten und der technische Aufwand. Man muss mit etlichen tausend Euro Investitionskosten für eine solare Klimatisierungsanlage rechnen. Dazu kommt, dass solche Anlagen aus Sorptionskältemaschine, Solarkollektoren, Speichern und Kühlsystem bestehen und entsprechend Platz benötigen – sie sind deutlich größer und komplexer als eine kompakte Split-Klimaanlage. Die Wirtschaftlichkeit ist deshalb aktuell vor allem bei Großanlagen gegeben, wo eine hohe Laufzeit und Auslastung die Investition rechtfertigen. Für Privathaushalte lohnt sich das Kühlen mit Solarthermie heute in der Regel noch nicht.

Allerdings gibt es positive Signale: Experten erwarten, dass mit weiterer Entwicklung und steigenden Produktionszahlen die Kosten sinken und sich solare Kühlung in Zukunft auch in kleineren Leistungsbereichen wirtschaftlich einsetzen lässt.
Momentan muss jeder Einzelfall genau durchgerechnet werden. In sonnigen Regionen und bei hohem Kühlbedarf kann eine Solar-Kühlanlage schon heute sinnvoll sein – insbesondere wenn die Anlage ganzjährig für Heizen und Kühlen genutzt wird.

Fazit: Kühlen mit Solarthermie

Solare Kühlung steht an der Schnittstelle von Klimaschutz und Klimakomfort. Sie nutzt die kostenlose Energie der Sonne, um Räume umweltfreundlich zu kühlen, und koppelt damit die Sektoren Wärme und Kälte auf intelligente Weise. Die Technik funktioniert bereits – ob als geschlossene Solarthermie-Kühlung mit Absorptionskältemaschine oder als offene Sorptionsklimaanlage – und ihre Vorteile für Umwelt und Netzstabilität sind überzeugend. Allerdings ist sie derzeit noch vergleichsweise teuer und vor allem für größere Anwendungen verbreitet.

Doch die Zeichen für die Zukunft stehen gut: Mit jeder Weiterentwicklung steigen Effizienz und Zuverlässigkeit, und mit größeren Stückzahlen dürften die Kosten sinken. Angesichts des Klimawandels und steigender Anforderungen an nachhaltige Kühlung ist es sehr wahrscheinlich, dass solare Kühlung an Bedeutung gewinnen wird. Kurz gesagt: Das Kühlen mit Solar steckt zwar noch in den Kinderschuhen, hat aber das Zeug dazu, eine feste Größe in der Klimatisierung der Zukunft zu werden – für komfortable Innenräume, ohne dabei die Umwelt zu belasten.

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