Kühlung in australischer Hitze

Pumpensysteme mit dem natürlichen Kältemittel CO₂ stellen ein vergleichsweise junges Kühlkonzept für den Lebensmitteleinzelhandel dar. Der Ursprung von Pumpensystemen liegt in der industriellen Kühlung, wo sie seit mehreren Jahren erfolgreich im Einsatz sind.

Epta hat 2011 eine solche Pumped-CO₂-Anlage in dem australischen Supermarkt „IGA Marketplace Greenslopes“ in Brisbane installiert. Die Stadt liegt im Bundesstaat Queensland, wo ein subtropisches Klima mit sehr warmen Temperaturen und einer hohen Luftfeuchtigkeit herrscht. Dort erreichen die durchschnittlichen Temperaturen aufgrund der direkten Sonnenstrahlung im Sommer bis zu 29 °C, im Winter immer noch 26 °C. Die extremen Hitzeeinwirkungen stellen besondere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Kühlmöbeln jeder Art, damit diese die notwendige Leistung sicherstellen können.

Das in Australien eingesetzte Pumped-CO₂-System von Epta ist so ausgelegt, dass auch bei hohen Außentemperaturen eine optimale Kühlung gewährleistet ist. Die für die Normalkühlung konzipierte Anlage hat eine Leistung von 150 kW. Damit sorgt die Anlage konstant für die richtige Temperatur der angeschlossenen Kühlregale sowie von Bedientheken, Kühlräumen und Vorbereitungsbereichen für Frischeprodukte und andere gekühlte Waren – trotz extremer Umgebungsbedingungen.

Redundanter Aufbau für zuverlässigen Betrieb

Die zentrale Komponente des Pumped-CO₂-Systems ist der CO₂-Verdampfer mit angebauten Wärmetauschern und Pumpen. Durch das ausdampfende CO₂ wird der flüssige Kohlenstoffdioxid-Anteil im Behälter auf die benötigte Temperatur herabgekühlt und über die Pumpen zu den Kühlstellen befördert. Eine ausgeklügelte Regelung der Pumpen sorgt hierbei für einen effizienten Betrieb. Zur Absicherung der gesamten Anlage ist die Einheit redundant aufgebaut, so dass beim Ausfall der Primär-Pumpe die Backup-Pumpe zum Einsatz kommt und eine zuverlässige Kühlung gewährleistet. Die Wärmetauscher zur Verflüssigung des CO₂-Dampfes werden mit elektronischen Expansionsventilen betrieben und über die Primäranlage mit dem Kältemittel R134a versorgt. Diese dient auch als Primärstufe für die CO₂-Kaskade der Tiefkühlanlage.

Die Abbildung 1 zeigt die einzelnen Elemente des Systems, wie sie in dem Technikraum des australischen Supermarktes installiert sind: Pumpen für den Regel- und Standby-Betrieb der Anlage, Verflüssiger und Wärmetauscher sowie die Standby-Kühleinheit. Auf der Aufnahme ist die geringe Bauhöhe der Anlage zu erkennen. Diese ermöglicht, das System auch in beengten Maschinenräumen zu installieren.

Stabile Kühltemperaturen

Die Abbildung 2 zeigt die Luftein- und -austrittstemperatur am Verdampfer sowie die Temperatur des Kälteträgers.

Hier zeigt sich, dass durch den exzellenten Wärmeübergang mit sehr geringen Temperaturdifferenzen gearbeitet werden kann. Ein weiterer Vorteil des Systems ist der – aufgrund der Pumpen –  völlig vibrationsfreie Betrieb ohne Druck- und Temperaturschwankungen. Dies trägt erheblich zur Betriebssicherheit bei. Durch die hohen Mediumstemperaturen entsteht an den Wärmetauschern der Kühlstellen ein sehr geringer Reifansatz. Hierdurch kann die Anzahl der Abtauzyklen im Vergleich zu einem konventionellen System erheblich reduziert werden. Ebenso hat die Anlage den Vorteil, dass der Wartungsaufwand vergleichsweise gering ist und sie über eine einfache Regelungstechnik verfügt. Dennoch ist es wichtig, dass die Kältetechniker entsprechende Kenntnisse haben. Epta schult die dafür zuständigen Mitarbeiter in seinem eigenen CO₂-Trainingscenter, so dass sie umfassend auf die Wartungs- und Serviceaufgaben vorbereitet sind.

Gute Energie- und Umweltbilanz

Zur größten Stärke des Pumped-CO₂-Systems zählt die hohe Energie- und Kosteneffizienz. Denn der Einsatz von Kohlenstoffdioxid als Kälteträger gewährleistet eine umweltschonende Kühlung mit einem äußerst geringen CO₂-Äquivalent. Die für den Supermarkt in Brisbane erstellte Berechnung zeigt, dass der TEWI-Wert (Total Equivalent Warming Impact) um 73 Prozent auf 98 Tonnen reduziert werden konnte. Bei einem vergleichbaren System liegt der TEWI-Wert bei 363 Tonnen CO₂-Äquivalent.

Dieses positive Ergebnis wird auch in den Gesamtbetriebskosten für das Kältesystem im „IGA Marketplace Greenslopes“ spürbar. Denn neben den Energiekosten müssen in Australien auch Steuern auf die eingesetzten Kältemittel abgeführt werden. So werden diese nach ihrem GWP-Wert (Global Warming Potential) besteuert, das heißt nach ihren Auswirkungen auf den Treibhauseffekt. Unter Berücksichtigung der ursprünglichen Kosten für das Kältemittel und den Aufwand für die Nachfüllung über einen Zeitraum von zehn Jahren ergibt sich eine Steuerersparnis von 15 000 australischen Dollar.

Auch der vergleichsweise geringe Energieverbrauch der Pumped-CO₂-Anlage in Brisbane trägt zu dem positiven Ergebnis der Gesamtbetriebskosten bei. Um diesen künftig weiter zu optimieren, wird der genaue Energieverbrauch mit einem speziellen Monitoring-System überwacht. Demzufolge liegt der durchschnittliche tägliche Verbrauch bei 1400 kWh – ein guter Wert für eine Anlage dieser Größe, besonders in Anbetracht der klimatischen Außenbedingungen Australiens, durch die extreme Temperaturen auf die Anlage einwirken.

Fazit aus dem Praxiseinsatz in Australien

Nachdem die Pumped-CO₂-Anlage zwölf Monate im Einsatz ist, lässt sich ein sehr positives Fazit ziehen – nicht nur hinsichtlich der bereits erläuterten Energie- und Umweltbilanz. Ebenso hat sich gezeigt, dass die Anlage äußerst betriebssicher ist und der Wartungsaufwand gering.

Die Erfahrungen aus dem Betrieb im aus­tralischen Brisbane unterstreichen, dass sich die Pumped-CO₂-Anlage im Praxiseinsatz bewährt hat und viele Vorteile für den LEH bietet. Sie zeichnet sich nicht nur durch eine hohe Umweltschonung und Energie­effizienz, sondern auch durch Kosteneinsparungen aus. Die von Epta im täglichen Betrieb ermittelten Werte unterstreichen zudem, dass weitere Effizienzsteigerungen möglich sind, selbst bei den extremen subtropischen Außenbedingungen, die im Bundesstaat Queensland herrschen.

Marktbetreiber können also künftig mit einer Optimierung der bisher erbrachten Leistungen rechnen. Damit ist die Pumped-CO₂-Anlage als gelungene Erweiterung von Systemen mit CO₂ als Kälteträger zu bewerten.