Kältetechnik für den Wärmekreislauf
Kälteerzeugung plus Wärmepumpe im Industrieeinsatz
Wärmepumpen und die Kopplung mehrerer temperaturgeführter Prozesse mit dem Ziel der Effizienzsteigerung und Energiekostensenkung: Das sind zwei zentrale Trends in der Heizungs- und auch Kältetechnik. L&R Kältetechnik hat bereits einige Projekte realisiert – zum Beispiel bei einem südwestfälischen Automobilzulieferer. Er nutzt jetzt eine ebenso innovative wie energieeffiziente Art der Hydraulikkühlung von Kunststoff-Spritzgießanlagen – als Kombination von Freikühlern mit einer Wärmepumpe. Der Freikühler sorgt für die nötige Kühlung und im Rückkühlkreislauf wird das erwärmte Wasser zusätzlich mit einer Wärmepumpe „geboostert“, um Wärme für Heizzwecke und Warmwasser bereitzustellen. Dieses Konzept zeichnet sich durch hohe Energieeffizienz aus – und der Anwender senkt seine CO2-Emissionen.
In der industriellen Kältetechnik gibt es viele Hebel zur Effizienzsteigerung und Energieeinsparung. Bei den Kälteanlagen selbst sind drehzahlgeregelte Antriebe und eine gleitende Kondensationstemperaturregelung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gute Beispiele. Blickt man über die Anlagen hinaus, bietet die Freikühlung – d. h. der Bezug der für die Rückkühlung nötigen Kälte aus der Umgebung – sehr große Möglichkeiten zur Energieeinsparung.
Effizienzsteigerung: Das Umfeld der Anlage in den Blick nehmen
Ebenso sinnvoll ist die Nutzung der (Ab-)Wärme, die in der Kälteerzeugung anfällt, für andere Prozesse, in denen die Wärme gebraucht wird. Das kann die Gebäudeheizung sein (im Winter) oder die Warmwasserbereitung (ganzjährig) oder aber ein wärmegeführter Produktionsprozess im Unternehmen.
Diese Art der kombinierten Wärme- und Kälteerzeugung bzw. -nutzung kommt leider häufig auch dann nicht zur Anwendung, wenn sie mit vergleichsweise überschaubarem Aufwand zu realisieren wäre und über Jahre tagtäglich großen Nutzen in Form von Kosten- und Energieeinsparung sowie CO2-Minderung bringen würde. Mit der Verpflichtung der Unternehmen, die Wärmeströme zu erfassen (Stichwort Abwärmekataster), rückt diese Möglichkeit aber jetzt stärker in den Blick.
Die Wärmepumpe als „Booster“
Eine Wärmepumpe ist gut geeignet, die Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, um die Wärme somit „nutzbar“ zu machen. Hier kann ein Temperaturhub auf bis zu 90 °C erreicht werden. Eine solche Lösung hat L&R Kältetechnik jetzt bei einem Automobilzulieferer verwirklicht. Allerdings gilt: Je höher die benötigte Wassertemperatur ist, desto unwirtschaftlicher ist das System. Deswegen planen die Ingenieure von L&R oftmals auch die angrenzende Wärmenutzung mit, um mit geringeren Warmwassertemperaturen zurechtzukommen.
Kälte für die Kunststoffverarbeitung
Der Zulieferer entwickelt und fertigt elektrotechnische und Elektronik-Komponenten wie Sensoren und Verbindungselemente. Zur Produktion gehört eine Spritzgießerei, die überwiegend langlebige Gehäuse für die gefertigten Produkte erzeugt.
Die Spritzgießanlagen müssen mit Kälte für die Kühlung des Hydraulikkreislaufs versorgt werden. Die exakte Temperaturführung gehört zu den Voraussetzungen für das gleichbleibende Qualitätsniveau der Produkte, das die Kunden (mit Recht) fordern. Und weil für das Unternehmen sowohl die Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle spielt als auch die Energie- und Kosteneffizienz – hier stehen Automobilzulieferer unter hohem Druck –, soll die entsprechende Kälte mit möglichst geringem Energieaufwand und minimalem CO2-Fußabdruck erzeugt und bereitgestellt werden.
Hydraulikkühlung in Kombination mit einer Wärmepumpe
Unter diesen Maßgaben projektierten die Experten von L&R Kältetechnik eine Lösung für die Hydraulikkühlung. Dabei machten sie sich zunutze, dass bereits ein Freikühlsystem vorhanden war, das auch ganzjährig einsetzbar ist, weil die Hydraulikkühlung, für die eine Kühlleistung von 2.000 kW benötigt wird, „nur“ ein relativ hohes gesichertes Temperaturniveau von 30 °C ausreicht. Somit kann die für die Rückkühlung des Kühlmediums (Wasser) benötigte Kälte zum Nulltarif und ohne CO2-Emissionen aus der Umgebungsluft gewonnen werden.
Diese Art der Rückkühlung wurde mit einer Wärmepumpe kombiniert, deren Hauptkomponenten und auch Funktionen aber grundsätzlich denen einer L&R-Kälteanlage entsprechen.
Kälte für die Hydraulik – Wärme für Heizung und Brauchwasser
Der zentrale Unterschied zu einer konventionellen Lösung für die Hydraulikkühlung besteht darin, dass die Anlage Wärme auf einem Temperaturniveau von bis zu 65 °C für den Heizkreislauf des Betriebs bereitstellt, und das in erheblichen Mengen: Die Wärmeleistung beträgt 540 kW. Auch der Brauchwasserkreislauf wird zusätzlich durch einen speziellen Enthitzer im Kältekreis auf einem hohen Temperaturniveau mit 64 kW Heizleistung versorgt. Diesen ganz erheblichen „Temperaturhub“ kann die L&R-Wärmepumpe mit hoher Effizienz bereitstellen.
Energieeffiziente Kälte- und Wärmetechnik
Als Kältemittel kommt hier unter den Vorgaben der F-Gase-Verordnung das Low-GWP-Kältemittel R1234ze mit einem GWP (Global Warming Potential) von 7 zum Einsatz. Die Verdampfer- und Heizungspumpen sind mit drehzahlgeregelten Antrieben ausgestattet und arbeiten stets bedarfsgerecht.
Einen großen Beitrag zum energiesparenden Betrieb der kombinierten Kälte-/ Wärmeanlage leistet auch die Steuerungstechnik, die L&R grundsätzlich im eigenen Haus projektiert. Das gilt für die Elektroanlage einschließlich Schaltschrankbau sowie für die Programmierung der Steuerung (SPS).
Fazit: Alles richtig machen – und neue Technologien nutzen!
Inzwischen hat L&R die Wärmepumpe beim Anwender installiert und in Betrieb genommen. Das Unternehmen profitiert jetzt und in Zukunft von einer energieeffizienten Kälteerzeugung und zudem von einer Minderung der CO2-Emissionen, weil deutlich weniger fossile Brennstoffe für Beheizung und Warmwasserbereitung verbraucht werden.
Natürlich verbraucht die neue Kälte-/ Wärmeanlage Strom für den Betrieb der Wärmepumpe. Sie muss aber nur den „Temperaturhub“ bewältigen, und je nach Herkunft des Stroms kommen erheblich weniger (im besten Fall gar keine) fossilen und damit begrenzt verfügbaren Energiequellen zum Einsatz. Und perspektivisch wird der Gaspreis stärker steigen als der Strompreis.
Im Fokus: Der COP
Die Effizienz einer Wärmepumpe – auch im Vergleich zu anderen Lösungen – lässt sich am „Coefficient of Performance“ (COP) ablesen, der für jedes Wärmepumpen-Projekt ermittelt wird bzw. ganz einfach ermittelt werden kann.
Im hier vorgestellten konkreten Fall heißt das: Mit einer Verdichter-Antriebsleistung von 141,6 kW kann eine Wärmeleistung von 540 kW erzeugt werden. Pro Kilowatt elektrischer Leistung als „Input“ können also 3,81 kW thermische Leistung generiert werden. Das entspricht einem COP-Wert von 3,81 für die Heizleistung – ein sehr guter Wert.
Die L&R-Industriewärmepumpe stellt in diesem Projekt Wärme für zwei Temperaturniveaus bereit: 540 kW mit einer Wassertemperatur von 65 °C und 64 kW bei 85 °C Wassertemperatur. Aus Sicht des Betreibers haben die Projektbeteiligten hier alles richtig gemacht: Die Anlage läuft einwandfrei.
Kopplung von Kühlung und Beheizung
Nach Einschätzung von L&R wird sich die Wärmepumpe in definierten Fällen als sinnvolle Möglichkeit durchsetzen. Die Kopplung von Kälteerzeugung und Wärmeversorgung spart (Energie-)Kosten und senkt die CO2-Emissionen.
Deshalb überrascht es nicht, dass L&R aktuell weitere Projekte realisiert und auch neue Projekte plant, bei denen Wärmepumpen in die Kälteerzeugung eingebunden sind. Das betrifft nicht nur, wie hier beschrieben, Wasser-Wasser-Wärmepumpen, sondern auch Luft-Wasser-Wärmepumpen für Industrie-Anwendungen. Sie entziehen der Luft Wärme und geben sie an einen Wasserkreislauf auf einem höherem Temperaturniveau ab. So wird die „natürliche“ Temperatur energie- und CO2-sparend für die Temperierung von Industrieprozessen genutzt.
