Fernkältesystem Chemnitz
Analyse des Systembetriebs (Teil 2)
Im ersten Teil dieses zweiteiligen Fachbeitrags stellten die Autoren in der KKA 4/09 das Fernkältesystem der Stadt Chemnitz vor. Dabei zeigen sie die Funktionsweise der einzelnen Komponenten der Anlage auf. Im vorliegenden zweiten Teil stellen sie die Kältemaschinen und den Speicher vor und verweisen in ihrer Schlussfolgerung auf Optimierungspotentiale bzw. Anforderungen an einem effizienten Betrieb. Die Quellenangaben, die in eckigen Klammern gesetzt sind, finden Sie im Beitrag auf unserer Internetseite im Archiv (KKA 5/09) unter www.kka-online.info.
Kältemaschinen | Abbildung 6 zeigt den Kältemaschineneinsatz für den Untersuchungszeitraum. Fast durchgängig kommen die Absorptionskältemaschinen zum Einsatz. Trotz der Baugleichheit von KM1 und KM 2 ist eine Minderleistung für KM2 nachweisbar. Nach derzeitigen Erkenntnissen führen geringfügig niedrigere Volumenströme auf der Kalt- und Kühlwasserseite zu diesem Effekt (Tabelle 2).
Weiterhin muss die Betriebsweise der Kältemaschinen beachtet werden. Zurzeit greift das MSR-Programm auf das Regelventil der Heißwasserseite zu. Zwei grundlegend verschiedene Verhaltensmuster sind nachweisbar (Abbildung 7):
Volllastbetrieb: Die Kältemaschine wird mit voller Leistung betrieben. Alle Temperaturen auf der Heißwasser-, Kühlwasser- und Kaltwasserseite sind sehr stabil.
Regelbetrieb: Das MSR-Programm versucht eine Leistungs- bzw. eine Anpassung der Kaltwasser-Austrittstemperatur vorzunehmen. Dazu wird unter Beachtung der Kaltwasser-Eintrittstemperatur das Beimischventil auf der Heißwasserseite geregelt. Die Folge sind Temperaturschwankungen, die sich auf die Kühl- und Kaltwasserseite fortpflanzen, welches aus Sicht einer stabilen Systembetriebsweise als ungünstig zu bewerten ist.
Parallel muss das maschinenspezifische Verhalten in Abhängigkeit der thermischen Leistung auf der Kaltwasserseite beachtet werden (Abbildung 8, 9 und 10). Die Leistungsanpassung erfolgt bei KM1 (Abbildung 8) und bei KM2 (Abbildung 9) mit sinkender Eintrittstemperatur (Einfluss der hydraulischen Weiche) und mit leicht steigender Austrittstemperatur. Bei KM3 (Abbildung 10) bleibt die Eintrittstemperatur nahezu konstant und die Austrittstemperatur steigt signifikant mit sinkender Leistung, was aus Sicht des Systembetriebes (Sicherstellung einer gleitenden Vorlauftemperatur von 5 bis 7 °C im Netzesvorlauf) nicht vertretbar ist. Der Schwankungsbereich mit steigender Leistung wird bei allen drei Maschinen kleiner, was auf das Netzverhalten und das Regelverhalten der Kältemaschinen zurückzuführen ist.
Auf der Kühlwasserseite trifft man ähnliche Verhältnisse an. Es treten kaum Überschreitungen von 27 bis 28 °C im Kühlwasserzulauf auf (Abbildung 11), so dass keine wesentlichen Defizite auf der Rückkühlseite feststellbar sind. Bei höheren Leistungen auf der Kaltwasserseite können auch hohe Temperaturdifferenzen erzielt werden. Im Bereich niedriger und mittlerer Lasten sind schwankende Temperaturen für KM1 und KM2 erkennbar, die im Wesentlichen auf den Regelbetrieb zurückzuführen sind (vergleiche mit Abbildung 7). KM3 zeigt diese Verhalten in der Beobachtungszeit nicht. Hierfür ist vor allem die maschineninterne Regelung verantwortlich. Ferner sollte man beachten, dass laut Herstellerangaben die Absorptionskältemaschinen auch eine untere Grenze für die Kühlwasser-Eintrittstemperatur besitzen, welche in Abbildung 11 ebenfalls für KM1, KM2 und KM3 eingezeichnet ist.
Abbildung 12 zeigt die Wärmeverhältnisse für bestimmte Betriebssituationen, die von den bereits besprochenen Randbedingungen abhängen – die Berechnung erfolgte dabei nur, wenn die Maschine in der jeweiligen Stunde kontinuierlich betrieben wurde.
Instationäre Effekte können auf Grund des realen Betriebes nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Im realen Betrieb sind hohe Wärmeverhältnisse zwischen 0,60 und 0,65 erreichbar. Aber viele Werte liegen auch in einem nicht akzeptablen Bereich unter 0,55.
Anhand von Abbildung 13 sollen die Zusammenhänge näher untersucht werden. Deswegen werden die Temperaturen als mögliche Einflüsse und die Leistungen als Reaktionen dargestellt. Der Trend a) zeigt zunächst einen bekannten Zusammenhang, dass bei abfallender Kaltwassertemperatur das Wärmeverhältnis sinkt. Analog dazu wird bei steigenden Rückkühltemperaturen das Wärmeverhältnis kleiner, was man mit dem Trend b) nachweisen kann. Im Teillastbereich (Regelbetrieb) bzw. bei einer mittleren Auslastung sind höhere Wärmeverhältnisse erreichbar. Der Trend c) zeigt hingegen einen starken Einbruch, welcher mit der Funktion Speicherbeladung (rote Kennzeichnung) zusammenfällt. Die Kältemaschine befindet sich dann vorwiegend im Volllastbetrieb (Antriebstemperaturen mit ca. 120 °C). Die Eintrittstemperaturen auf der Kalt- und Kühlwasserseite unterscheiden sich zunächst unwesentlich vom Speicherentladebetrieb. Hingegen kann man niedrige Kaltwasser-Austrittstemperaturen feststellen, die auf eine zu kalte Betriebsweise hinweisen. Nach ersten Untersuchungen öffnet bei diesen Situationen das Cycle-Guard-System (Kurzschluss zwischen dem Verdampfer und dem Absorber) und es wird Wasser (Kältemittel) ohne Kälteerzeugung der Salzlösung zugeführt. Aus energetischer Sicht ist das Ansprechen dieser Sicherheitsvorrichtung äußerst ungünstig. Die Arbeiten zur Behebung dieses Phänomens dauern zurzeit noch an.
Das Beispiel verdeutlicht den hohen Einfluss der Temperaturen im Kaltwasser- und Kühlwasserkreislauf bzw. der Betriebsweise (z. B. Einfluss der Regelung) auf das Wärmeverhältnis bzw. die Kälteleistung.
Speicher | Prinzipiell soll der Speicher zur Spitzenlastdeckung und zur Betriebsoptimierung (Nutzung der oben genannten Vorteile) eingesetzt werden.
Bei einem derartigen Verdrängungsspeicher ergibt sich die thermische Leistung der Be- und Entladung aus der volumetrischen Wärmekapazität, dem Volumenstrom sowie der Temperaturdifferenz des ein- und austretenden Mediums. Für das vorgestellte Beispiel muss der Speicher immer die Volumenstromdifferenz zwischen den Erzeugern (Kältemaschinen) und der Last (Fernkälte) ausgleichen. Damit hat nur noch die Eintritts- und Austrittstemperatur (Speicherwasser in der oberen oder unteren Schicht) einen Einfluss auf die thermische Leistung des Speichers. D. h., auch speicherseitig müssen die Temperaturen für einen optimalen Systembetrieb eingehalten werden [14]. Als Eintrittstemperaturen haben der Vorlauf der Kältemaschinen (Einspeisung unten beim Beladen) und die Rücklauftemperatur des Netzes (Einspeisung oben beim Entladen) wesentlichen Einfluss auf die Temperaturverteilung im Speicher.
Beim Sinken dieser Temperaturdifferenz verringert sich die Speicherkapazität linear. Hierbei ist besonders zu beachten, dass die Auslegungstemperaturdifferenz nur 8 K beträgt. Bei geringen Abweichungen aus technischer Sicht treten wesentliche Kapazitätsverluste auf. Für den vorgestellten Fall sind das bei 1,00 K 12,5 % Kapazitätsverlust. Das entspricht 4,15 MWh für einen vollständigen Speicherzyklus. Das Äquivalent wäre der Betrieb aller Grundlastmaschinen mit 100 % Nennleistung über eine Stunde lang.
Der Speicherbetrieb generiert demzufolge anspruchsvolle Bedingungen hinsichtlich des Netz-Rücklaufes und des Kältemaschinen-Vorlaufes.
In der Praxis zeigt der Kaltwasserspeicher ein zufriedenstellendes Ergebnis bezüglich
n der thermischen Schichtung [14] bzw. der Stabilität der Entnahmetemperaturen bzw. einer weitgehenden Nutzung des eingelagerten Wassers (Ergebnis des Monitorings in Chemnitz: thermischer Speichernutzungsgrad 99,6 % für 2008),
n der Leistungsanpassung (im wesentlichen ein Frage der peripheren Technik) [12],
n der Betriebsbereitschaft [12] usw.
Schlussfolgerungen | Nah- und Fernkältesysteme mit thermisch angetriebenen Kältemaschinen und großen Kaltwasserspeichern bieten viele Möglichkeiten für eine ökologische und energiewirtschaftlich sinnvolle Kälteversorgung. Ohne eine professionelle Projektentwicklung, Planung, Inbetriebnahme und Betriebsführung können jedoch die formulierten Umweltziele nicht einmal ansatzweise erfüllt werden.
Mittels Monitoring können folgende Sachverhalte bestätigt werden. Der Systembetrieb von mehreren Kältemaschinen und einem Kaltwasserspeicher ist möglich und erschließt die genannten Vorteile, die im Wesentlichen auf der Entkopplung der Kälteerzeugung vom Bedarf beruhen.
Durch den Volllastbetrieb der Absorptionskältemaschinen werden vor allem hohe Wärmeverhältnisse und stabile Systemtemperaturen erzielt.
Der Speicher gleicht schnelle Lastwechsel aus, was in der Regel für Absorptionskältemaschinen problematisch ist und in ungünstigen Fällen bis zur Kristallisation führen kann.
Weiterhin kann der Speicher in sehr kurzer Zeit aktiviert und deaktiviert werden.
Auch die Notversorgung mittels Speicher wurde schon erfolgreich getestet. In diesem Fall lag eine Revision der Kältemaschinen bzw. der Elektrotechnik vor. Der Verbraucher im Netz konnte keine Beeinträchtigung der Versorgung feststellen.
Bei der Umsetzung weiterer Projekte sollten folgende Punkte beachtet werden:
Durch den Speichereinsatz eines Kaltwasserspeichers mit Schichtungsbetrieb erfolgt eine Verzahnung hinsichtlich der Temperaturen (hier 5/13 °C). Die Vorgaben aus der Planung müssen so gut wie möglich eingehalten werden. Dies erfordert eine sorgfältige Ausführungsplanung vor allem im Bereich der Speichertechnik, Rohrhydraulik sowie der MSR-Technik.
Die Beimischung an der hydraulischen Weiche sollte aus Gründen möglichst geringer Exergieverluste bzw. hoher Temperaturdifferenzen auf der Kaltwasserseite gering gehalten werden. Dann erübrigt sich auch weitgehend eine Leistungsanpassung durch eine Heißwasser-Regelung. Die Gefahr einer Kristallisation sinkt drastisch.
Die Minderleistung von Absorptionskältemaschinen ist eine signifikante Größe, weil bei diesen Grundlastmaschinen mit hoher Nutzungsdauer wesentlich weniger Kälte zur täglichen Grundlastdeckung und zur nächtlichen Speicherbeladung zur Verfügung steht. Maßnahmen zu letzten Leistungserhöhungen werden als sinnvoll erachtet. Das sind im Wesentlichen die Wartung der Maschine (Routine nach Herstellerangaben, z. B. Kontrolle des Druckes) und die Einhaltung der Temperaturen (siehe oben, z. B. über eine Anpassung der Volumenströme).
Einen besonders starken Einfluss besitzt die Rückkühlung. Möglichst stabile und niedrige Temperaturen sind eine Grundvoraussetzung für hohe Wärmeverhältnisse. Die Rückkühlleistung sollte auf jeden Maschinentyp und den gemeinsamen Einsatz mehrer Maschinen abgestimmt sein.
Aus gesamtenergetischer Sicht ist weiterhin die Reduktion des Energiebedarfs zum Kältemaschinenantrieb bzw. die Hilfsenergie und -stoffe ein wichtiges Thema, welches hier nicht weiter besprochen wird. Grundlegend kann man folgende Strategien verfolgen:
n lange Betriebszeiten zur Vermeidung von Start- und Stopverlusten,
n Nachtbetrieb wegen besserer Rückkühlbedingungen,
n Nachtbetrieb zur Nutzung der Überkapazitäten seitens der Elektroenergieversorgung mit gleichzeitig niedrigeren Kosten,
n Mit einer Staffelung der Kältemaschinenleistung liegen bessere Verhältnisse zur Leistungsanpassung und bezüglich der Sicherheit bei Wartung und Ausfall vor.
Eine umfangreiche messtechnische Überwachung (hier Monitoring) ist empfehlenswert (z. B. Einsatz von Volumenstrom-Messtechnik). Fehler können schneller gefunden und das System somit schneller optimiert werden, was eine wesentliche Voraussetzung für einen effizienten Betrieb ist.
