Low-GWP-Kälteversorgung
im Tiefkühlbereich

Die Kältebranche steht in den nächsten Jahren vor großen Herausforderungen. Auf der einen Seite müssen viele Kältemittel aufgrund der F-Gas-Verordnung in Zukunft substituiert werden. Andererseits steigt aufgrund der vermehrten Kältebereitstellung der Strombedarf für die Kälteanwendungen in Deutschland jährlich an. Laut Reitze wird der Endenergiebedarf zur Prozesskälteerzeugung im Bereich des Gewerbe-, Handels- und Dienstleistungssektors (GHD-Sektors) in der Periode von 2008 bis 2020 um 13 % steigen [Reitze 2014]. Diese Entwicklung läuft den Zielen der Bundesregierung bezüglich einer fortschreitenden CO₂-Einsparung entgegen (Umweltbundesamt, 2014).

Eine Möglichkeit der Reduzierung des elektrischen Strombedarfs für die Kältebereitstellung stellt der Einsatz von thermischen Kältemaschinen dar. Diese benötigen zum Antrieb keine elektrische, sondern thermische Energie. Liegt die thermische Energie als Abwärme vor, ist die Effizienz dieser Anlagen im Vergleich mit elektrisch angetriebenen Maschinen erheblich erhöht. Die am häufigsten verwendeten Bauarten sind Ab- und Adsorptionskältemaschinen. Der Sorptionstechnologie sind jedoch durch Stoffeigenschaften der Kältemittel und wirtschaftliche Betrachtungen Grenzen gesetzt. Absorptionskältemaschinen werden aus Gründen der Wirtschaftlichkeit im Leistungsbereich größer 200 kW bis in den MW-Bereich hinein eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird der Leistungsbereich kleiner 200 kW heute von Adsorptionskältemaschinen versorgt. Die Adsorptionsanlagen können aufgrund des verwendeten Kältemittels Wasser nicht im Temperaturbereich kleiner 0 °C betrieben werden. Das bedeutet, dass die Kältebereitstellung bei Temperaturen unter 0 °C und bei Leistungen kleiner 200 kW aktuell nicht durch thermische Kältemaschinen abgedeckt werden kann.

In einer Kooperation des Instituts für Wasser- und Energiemanagement (IWE) der Hochschule Hof und des Instituts für Regenerative Energietechnik (InRET) der Hochschule Nordhausen wurden in einer Voruntersuchung verschiedene Ansätze betrachtet, wie sich im Tiefkühlbereich Adsorptionskältemaschinen dennoch zur Effizienzsteigerung einsetzen lassen.

Vorstellung der Referenzkältemaschine und der kombinierten Anlagen

Die Voruntersuchung zeigt, wie sich eine kombinierte Anwendung von Kompressions- und Adsorptionskältetechnik auf die Effizienz der Gesamtanlage auswirkt. Wie bereits erläutert, lassen sich Adsorptionskältemaschinen mit dem Kältemittel Wasser nicht bei Temperaturen unter 0 °C einsetzen. Es ist jedoch möglich, thermische Kältemaschinen indirekt im negativen Temperaturbereich einzusetzen. So können sie mit mechanischen Kältemaschinen kombiniert werden, die im Tiefkühlbereich betrieben werden. Ziel dieser Kombination ist die Steigerung der Energieeffizienz der Gesamtanlage gegenüber der Standardausführung.

Die kombinierte Anlage wird mit einer Propankältemaschine verglichen. Propan wird als Kältemittel gewählt, da es bei der kombinierten Anlage ebenfalls eingesetzt werden soll und somit die Vergleichbarkeit erhöht. Für die Untersuchung wurden mit Hilfe der Software Matlab und EES (Engineering Equation Solver) Modelle auf der Basis von Messdaten und Herstellerangaben erstellt.

Im Folgenden werden die einzelnen Varianten vorgestellt und ihre Wirkungsweise erläutert:

1. Kaskadenschaltung aus einer Adsorptions- und der Propankältemaschine (Abb.1)

Die Effizienzsteigerung der Kombination gegenüber der Referenzanlage ergibt sich aus der Vorkühlung des Kühlwassers der Propankältemaschine durch die Adsorptionskältemaschine. Aufgrund der tieferen Verflüssigertemperatur ist die erforderliche Verdichterleistung der Propankältemaschine geringer. Gleichzeitig verringert sich der Dampfanteil des Kältemittels nach der Drossel und es kann eine größere Kälteleistung realisiert werden.

2. Einbindung der Adsorptionskältemaschine in den Kältekreislauf der Propankältemaschine (Abb.2)

Mit Hilfe eines zusätzlichen Wärmeübertragers, der dem internen Wärmeübertrager nachgeschaltet ist, wird das Kältemittel der Propankältemaschine weiter unterkühlt. Aufgrund der tieferen Unterkühlung des Kältemittels ist nach der Entspannung durch die Drossel der Dampfanteil des Kältemittels geringer und es kann eine größere Kälteleistung gegenüber dem Referenzprozess realisiert werden.

Für die Simulationen wird die Annahme getroffen, dass die Antriebswärme für die Adsorptionskältemaschine als Abwärme auf einem Temperaturniveau von 80 °C vorliegt, nicht anderweitig genutzt wird und kostenlos zur Verfügung steht.

Weiterhin ist es vom Peripheriesystem abhängig, ob die Rückkühlenergie der Kälteanlage genutzt werden kann oder über Rückkühler, und damit mit zusätzlicher Hilfs­energie, an die Umgebung abgegeben werden muss. Aus diesen Grund wurde in der Voruntersuchung keine elektrische Leistung für die Rückkühlung bilanziert.

Die Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Kaskadenschaltung aus Adsorptions- und Kompressionskältemaschine. Neben dem Vorteil der Effizienzsteigerung der Anlage und der verhältnismäßig einfachen Einbindung der thermischen Kältemaschine ergibt sich aus der Reihenschaltung ein fester Zusammenhang der Kälteleistungen.

Wie aus der Gleichung ersichtlich, muss die Kälteleistung und die elektrische Leistungsaufnahme der Kompressionskältemaschine der Kälteleistung der Adsorptionskältemaschine entsprechen. Gleichzeitig sind die Leistungsverhältnisse der beiden Kältemaschinen abhängig von der Kühl- und der Rückkühltemperatur. Für die Gesamtanlage ergeben sich somit die folgenden drei Variablen:

T₀ Kühltemperatur der Kompressionskältemaschine

T_ü = T_{0 AKM} =T_{c KKM} Die Übergabetemperatur entspricht der Kühltemperatur der Adsorptionskältemaschine und der Rückkühltemperatur der Kompressionskältemaschine

T_{C AKM} Rückkühltemperatur der Adsorptionskältemaschine

In der Abbildung 2 ist die Einbindung der Adsorptionskältemaschine als externe Unterkühlung in den Kältekreislauf der Kompressionskältemaschine dargestellt. Da in den Kältekreislauf der Kompressionskältemaschine eingegriffen werden muss, ist die Einbindung der thermischen Kältemaschine aufwendiger als eine Kaskadenschaltung. Der Vorteil ist, dass es keinen festen Zusammenhang zwischen der Kälteleistung der beiden Kältemaschinen gibt. Je weniger Kälte die Adsorptionskältemaschine bereitstellt, umso mehr verschiebt sich der Arbeitspunkt der Gesamtanlage in Richtung der Referenzanlage. Selbst wenn keine Abwärme zur Verfügung steht, kann die Anlage noch Kälte liefern.

Leistungszahlsteigerung und
wirtschaftliche Betrachtung

Der Vergleich der Referenzanlage und der beiden vorgestellten Varianten erfolgt anhand des Energy Efficiency Ratio (EER). Dieser berechnet sich für die Gesamtanlage folgendermaßen:

Für die Berechnung des EER der Referenz­anlage vereinfacht sich die Gleichung durch Wegfall der elektrischen Leistung der Adsorptionskältemaschine PEL AKM. Kälteanlagen werden selten bei Auslegungsbedingungen und unter Volllast betrieben. Aus diesen Grund wird zusätzlich der European Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER, siehe unten) mit den Vorgaben der Eurovent Certification Company herangezogen.

Für die Simulation wurden folgenden Annahmen getroffen:

Kühltemperatur T₀ = -8 °C

Variante 1 Q_{0 KKM} = 9 kW

Variante 2 Q_{0 KKM} = 50 kW

Bei der Variante 1 wird die Übergabetemperatur durch das Modell anhand der Gleichung 1 iterativ bestimmt und beträgt circa T_ü = T_c -10 K. Die Unterkühlung bei der Variante 2 beträgt 11 bis 17 K.

In der Abbildung 3 sind die Ergebnisse der Modellrechnung dargestellt. Gegenüber der Referenzvariante ergibt sich eine geringe Verbesserung des EER von 11 bis 16 % bei der Einbindung der Adsorptionskältemaschine als externer Unterkühler. Für die Berechnung des ESEER ergibt sich eine Steigerung um 14 % auf 4,2. Bei der Kaskadenschaltung konnte die Leistungszahl dagegen zwischen 53 und 79 %, gegenüber der Referenzanlage, gesteigert werden. Der ESEER vergrößert sich um 69 % auf 5,6.

Abschließend wird die Verbesserung der Leistungszahl der Gesamtanlage gegenüber der Referenzanlage mit den Investitionskosten verglichen und eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit hergeleitet. Die Investitionskosten werden anhand vorliegender Angebote für die Kältemaschinen ermittelt, wobei noch keine möglichen Einsparungseffekte einer kombinierten Fertigung berücksichtigt wurden. Die Energiekosten wurden auf einem für KMU üblichen Preisniveau angesetzt. Die Annahmen für die Wirtschaftlichkeitsanalyse sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Die höheren Investitionskosten der Variante 2 ergeben sich durch die größere Kompressionskältemaschine, die bei dieser Variante eingesetzt werden kann. Auf Grund der größeren Kälteleistung der Variante 2 ergeben sich trotz der geringeren ESEER-Steigerung höhere Einsparungen pro Jahr gegenüber der Variante 1. Die sich aus den Investitionskosten und der Einsparung der Energiekosten ergebende Amortisationszeit ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

Ausblick

Im nächsten Schritt sollen die vorgestellten Ergebnisse aus der Voruntersuchung an einer Versuchsanlage validiert werden. Dazu erarbeiten die Kooperationspartner des Instituts für Wasser- und Energiemanagement (IWE) der Hochschule Hof und des Instituts für Regenerative Energietechnik (InRET) der Hochschule Nordhausen einen Antrag für ein Verbundprojekt. Neben den Hochschulen werden sich an dem Projekt die Fahrenheit GmbH und die Futron GmbH, die sich auf die Herstellung von Adsorptions- und Propankältemaschinen spezialisiert haben, beteiligen.

Literaturverzeichnis

Reitze, Felix. 2014. Endenergiebedarf zur Prozesskälteerzeugung, Effizienzpotentiale, sowie hemmende Faktoren für den Einsatz von effizienter Kältetechnologie im GHD-Sektor und bei milchproduzierenden Betrieben in Deutschland in der Periode 2008 – 2020. Graz, Österreich:
13. Symposium Energieinnovationen, 2014.

Umweltbundesamt. 2014. Nachhaltige Kälteversorgung in Deutschland an den Beispielen Gebäudeklimatisierung und Industrie. Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt, 2014.