Kühlung auch bei tropischen Temperaturen

Natürliche Kältemittel haben sich in Europa mittlerweile durchgesetzt. Derzeit sind praktikable und umweltschonende Alternativen nicht in Sicht. Im Lebensmitteleinzelhandel kommen hauptsächlich Propan (R290) für steckerfertige Kühlmöbel und CO₂ (R744) für zentrale Kälteanlagen zum Einsatz. Mehr als 23.000 transkritische Kälteanlagen waren Ende 2019 in Europa in Betrieb – weltweit sind es lediglich 30.000. Die transkritische Kälteanlage als solche hat sich jedoch verändert. Vor wenigen Jahren noch lagen Technologien wie Ejektoren im Trend und versprachen Verbesserungen bei der Effizienz. In Europa stellen wir heute jedoch fest, dass die Nachfrage deutlich zurückgeht. Moderne transkritische Kälteanlagen sollen wirtschaftlich arbeiten und eine hohe Ausfallsicherheit haben. Deshalb verschiebt sich der Fokus vom individuell gefertigten Ingenieursprodukt hin zur industriell hergestellten Massenware. Der große Vorteil: Mit der industriellen Serienfertigung steigt die Qualität, während gleichzeitig der Preis sinkt. Wo aber liegen die Herausforderungen bei solchen hoch standardisierten Produkten?

Die Grenzen der transkritischen Kälteanlage

Der Sommer 2019 hat gezeigt, dass auch im klimatisch eher gemäßigten Europa sehr hohe Temperaturen von 40 °C und mehr auftreten können. Transkritische Kälteanlagen stoßen dann schnell an ihre Grenzen: Die Gaskühleraustrittstemperatur steigt so stark an, dass sich durch die anschließende Expansion kaum noch flüssiges Kältemittel im Abscheider sammelt. Die Verdichter laufen auf höchster Drehzahl, um das Flashgas aus dem Sammler zu befördern. Trotzdem kommt an den Kühlstellen nicht genug flüssiges Kältemittel zum Verdampfen an. Das Ergebnis: Die Kälteleistung reicht nicht aus und die Temperatur im Kühlraum oder -möbel steigt unaufhaltsam an.

Notbehelf: Wasser zur Kühlung

Adiabate Kühlung soll dann häufig helfen, das Problem in den Griff zu bekommen – mithilfe eines Rasensprengers, der unter den Gaskühler gestellt wird und den Wärmetauscher mit Leitungswasser bespritzt. Allerdings sind damit einige Unwägbarkeiten verbunden. Zum Beispiel muss jemand daran denken, den Sprenger nach Ladenschluss wieder abzustellen, damit er nicht die ganze Nacht durchläuft. Denn sonst schnellt nicht nur die Strom-, sondern auch die Wasserrechnung erheblich in die Höhe. Wenn das Besprühen des Gaskühlers nicht mehr hilft, ist die letzte Rettung ein Anruf beim Service eines Kältetechnikunternehmens. Doch da Kälteanlagen in den meisten Fällen nicht für Temperaturen über 40 °C konzipiert sind, kann ein Servicetechniker in der Regel auch nichts mehr tun. Der Worst-Case tritt ein, alle Lebensmittel müssen aus den Kühlmöbeln geräumt werden.

Mit Unterkühler gegen die Hitze

In Ländern, in denen aufgrund ihrer geografischen Lage regelmäßig hohe Temperaturen herrschen, kommt stattdessen die sogenannte Unterkühlertechnik zum Einsatz. Es handelt sich dabei um eine separate Kälteanlage, die die Gaskühleraustrittstemperatur auf ein niedriges Niveau bringt. Die Schwierigkeit: In vielen europäischen Ländern arbeitet der Unterkühler wirtschaftlich unrentabel, weil seine Laufzeit über das Jahr betrachtet zu niedrig ist. Zudem wird in vielen Fällen ein Kältemittel wie etwa R134a eingesetzt, das zwar für hohe Temperaturen sehr gut geeignet ist, jedoch nicht zu den natürlichen Kältemitteln gehört und deshalb ungern verwendet wird.

ETE integriert Unterkühler in Kälteanlage

Für Epta war diese Problematik ein Ansporn, die bestehende Technik weiterzuentwickeln. Das Ziel: Die Unterkühleinheit in die transkritische Kälteanlage integrieren und damit auch eine Steigerung der Effizienz erreichen. Herausgekommen ist eine Kälteanlage, die auch bei Umgebungstemperaturen von mehr als 50 °C die Temperatur der Kühlstellen konstant niedrig hält. Dabei kommen ausschließlich Standardkomponenten zum Einsatz. Die von Epta entwickelte Lösung heißt Extreme Temperature Efficiency, kurz ETE, und trägt ihr Versprechen bereits im Namen. Im Vergleich zu externen Unterkühleinheiten benötigt ETE wesentlich weniger Platz, keinen separaten Verflüssiger und keine Installation auf der Baustelle. Die energetischen Werte sind extrem gut, weil bei ETE, verglichen mit herkömmlichen Methoden, der Ansaugdruck höher ist. Das wirkt sich sehr positiv auf die Effizienz aus.

Kein Flashgas, mehr Effizienz

ETE funktioniert folgendermaßen: Bei hohen Außentemperaturen wird ein Teil des Massenstromes nach dem Gaskühler abgezweigt, durch ein Expansionsventil entspannt und über einen Plattenwärmetauscher, der als Verdampfer agiert, einem separaten Verdichter zugeführt. Der Verdampfer kühlt den Hauptmassenstrom nach dem Gaskühler auf etwa 15 °C ab, sodass im anschließenden Sammler hauptsächlich flüssiges Kältemittel ansteht und kaum Flashgas vorhanden ist. Weil die Hauptverdichter kein Flashgas mehr abführen müssen, braucht es weniger oder kleinere. Die eingesparten Verdichter kommen als ETE-Verdichter zum Einsatz. Ab einer Außentemperatur von etwa 20 °C bringt ETE einen energetischen Vorteil. Ab dann ist es auch sinnvoll, den ETE-Verdichter einzuschalten.

Mehr Pluspunkte als Parallelverdichtung

Die Methode lässt sich mit der Parallelverdichtung vergleichen. Auch hier müssen die Hauptverdichter kein Flashgas verarbeiten und sind deshalb kleiner. Der Aufwand und die wirtschaftlichen Kosten der beiden Systeme sind durchaus ähnlich. Schaut man genauer hin, fallen jedoch einige markante Unterschiede auf:

Die Parallelverdichtung versucht, das vorhandene Flashgas möglichst energieeffizient zu verarbeiten – ETE lässt erst gar kein Flashgas entstehen.

Trotz Parallelverdichtung steigen die Temperaturen der Kühlstellen bei entsprechend hoher Umgebungstemperatur. Der „Anlagenkollaps“ lässt sich dadurch nicht vermeiden – mit ETE kann die Anlage bei allen Umgebungstemperaturen problemlos betrieben werden.

Parallelverdichter saugen auf Mitteldruckniveau ab – ETE-Verdichter saugen auf einem deutlich höheren Druckniveau ab und arbeiten deshalb noch energieeffizienter.

Je heißer, desto effizienter

Die Effizienz von ETE steigt und fällt mit der Umgebungstemperatur. Eine Kälteanlage mit ETE wird in Neapel sicherlich eine größere energetische Einsparung haben als in Hamburg. Eine generelle Wirtschaftlichkeit oder ein Return on Investment lässt sich damit höchstens für bestimmte Außentemperaturen ermitteln. Allerdings lohnt es sich energetisch schon ab Temperaturen von 20 °C, ETE einzuschalten. Demnach hat ETE auch einen positiven Effekt auf den gesamten Energieverbrauch der Kälteanlage, wenn es in Hamburg zum Einsatz kommt.

Hohe Anlagensicherheit

Der hauptsächliche Nutzen von ETE liegt aber nicht in der Effizienz, auch wenn diese deutlich besser ist als bei konventionellen Methoden, sondern in der Anlagensicherheit bei hohen bis sehr hohen Umgebungstemperaturen. Wie hoch diese Ausfallsicherheit bewertet wird, ist individuell unterschiedlich. Wer schon einmal Kühlregale oder -räume im Sommer ausräumen oder sogar Lebensmittel entsorgen musste, weiß um die Bedeutung und den Wert einer sicheren Anlage.