Optimierte Verdichter

Der Klimawandel und die steigenden Energiekosten erfordern einen sorgfältigeren Umgang mit den verfügbaren Ressourcen – und führen somit zwingend zu höheren Anforderungen an effizientere Kälteanlagen. Auch Supermarktsysteme und Gewerbekälteanlagen unterliegen diesem Wandel der Zeit. Mit energieeffizienteren Verdichtern und Anlagenkomponenten sowie mit Kältemitteln, die einen niedrigen GWP besitzen, kann eine bessere TEWI-Bewertung erreicht werden.

Kältemittel haben einen doppelten Einfluss auf die Umweltbilanz. Zum einen haben Kältemittel direkte Auswirkungen auf das Treibhauspotential (Global Warming Potential). Zum anderen haben sie – je nach Effizienz der Anlage – einen indirekten Einfluss auf den durch die Energieerzeugung entstehenden CO₂-Ausstoß. Eine Möglichkeit, die unterschiedlichen Anlagensysteme bezüglich ihrer Treibhausrelevanz zu untersuchen, ist die TEWI-Bewertung. Sie berücksichtigt sowohl die direkten, als auch die indirekten Umwelteinflüsse.

Bis vor kurzem wurden Supermärkte in Europa meist mit dem Kältemittel R404A in der Normal- und Tiefkühlung (NK und TK) ausgeführt. Diese Lösung erreicht in der TEWI-Bewertung aufgrund des hohen GWP von R404A (3780 nach IPCC III) nur schlechte Werte. Nach dem aktuell erfolgten R22-Ausstieg wird dieses hohe Treibhauspotential R404A-Systeme als nächstes in den Fokus von Politik und Gesellschaft rücken!

Um den TEWI von Anlagen zu optimieren, erfordert es zweierlei Maßnahmen: Einerseits muss der Einsatz von Kältemitteln mit niedrigem GWP angestrebt werden, hier gibt es verschiedene Alternativen wie R134a (GWP 1300) oder CO₂ (GWP 1). Andererseits muss aber vor allem der Einsatz von energieeffizienten Verdichtern und Anlagenkomponenten das Ziel sein, um den Energieverbrauch und den daraus resultierenden indirekten TEWI durch CO₂-Ausstoß zu reduzieren.

Unterschiedliche Anlagensysteme und ihre Ökoeffizienz

Neben den bereits erwähnten R404A-NK- und -TK-Systemen gibt es alternative Anlagenkonzepte, die mehr und mehr in Supermärkten zum Einsatz kommen. Zwei Konzepte sollen hier erwähnt und auf ihre Ökoeffizienz untersucht werden. In vielen Supermärkten kommen inzwischen Hybridsysteme zum Einsatz. Diese Kaskadenschaltungen aus einer R134a-NK-Stufe und einer CO₂-TK-Stufe zeichnen sich durch einen sehr geringen GWP sowie eine hervorragende Energieeffizienz aus. Sowohl in der NK- als auch in der TK-Stufe kommen spezielle Verdichter für R134a-Anwendungen beziehungsweise subkritische CO₂-Anwendungen zum Einsatz.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von CO₂-Booster-Systemen. Hier sind NK und TK in einer Booster-Schaltung mit dem Kältemittel CO₂ ausgeführt. Hierbei kommen spezielle Verdichter für sub- und transkritische CO₂-Anwendungen zum Einsatz.

Sowohl das Hybrid- als auch das CO₂-Boos­ter-System zeichnen sich durch ihre hohe Ökoeffizienz aus, die sie in diversen Untersuchungen immer wieder unter Beweis gestellt haben. Das Booster-System hat durch den Einsatz von CO₂ als alleiniges Kältemittel umweltbezogen die besten Eigenschaften. Durch den transkritischen Betrieb im Sommer hat es jedoch gegebenenfalls etwas schlechtere energetische Eigenschaften. Hier kann das Hybridsystem punkten, das durch den Einsatz von R134a in der NK-Stufe jedoch den höheren GWP aufweist.

Optimierte Verdichter für Supermarktanwendungen mit niedrigem TEWI

Um die Ökoeffizienz von Supermarktsystemen zu verbessern, ist der Einsatz alternativer Kältemittel mit niedrigem GWP inzwischen weit verbreitet. Der Einsatz von optimierten, energieeffizienten Verdichtern ermöglicht eine weitere TEWI-Verbesserung. Bereits 2009 hat Bitzer (www.bitzer.de) die „Ecoline“-Baureihe vorgestellt. Die Optimierung auf das Kältemittel R134a hat schon zu einer erheblichen Verbesserung der Ökoeffizienz geführt und die „Ecoline“-Verdichter kommen mehr und mehr in Normalkühlungsanwendungen zum Einsatz.

Auch die Verwendung des Kältemittels CO₂ in der Tiefkühlung ist inzwischen ein gewohntes Bild. Aus der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Verbesserung der Verdichter ist nun die neue „SL“- Baureihe für subkritische CO₂-Anwendungen hervorgegangen, die Bitzer auf der Chillventa 2010 vorgestellt hat.

Neue Baureihe optimierter CO₂-Verdichter für subkritische Anwendungen

Verdichter für subkritische CO₂-Anwendungen in der Tiefkühlung werden schon seit Jahren erfolgreich in Hybridsystemen (R134a/CO₂) und in Boostersystemen (CO₂/CO₂) eingesetzt.

Mit der nun vorgestellten „SL“-Baureihe hat Bitzer die Verdichter speziell hinsichtlich Effizienz und Anlagensicherheit weiterentwickelt.

› Der Einsatz größerer Motoren („SL“-Version) erweitert den Einsatzbereich der Maschinen. Die Motoreffizienz nimmt dadurch zu und der COP steigt über den kompletten Einsatzbereich. Der daraus resultierende, geringere Temperatureintrag führt zudem zu erweiterten Einsatzgrenzen bei großen Druckverhältnissen.

› Die zulässigen Stillstandsdrücke betragen nun 30 bar saugseitig und 53 bar druckseitig.

› Durch die Anhebung der zulässigen Drücke in Kombination mit den größeren Motoren ergeben sich neue, maximale Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen.

› Die höhere, maximale Verflüssigungstemperatur erlaubt bei Hybridsystemen eine höhere Verdampfungstemperatur der Kaskaden-Oberstufe und somit höhere COP.

› Die Anhebung der Drücke und die Erweiterung der Einsatzgrenzen führen zu neuen Anwendungsmöglichkeiten. So können zum Beispiel Vorkühlräume für Schockfroster realisiert werden. Zudem besteht die Möglichkeit, TK-Anlagen direkt gegen Kaltwassernetze zu betreiben und Druckgasabtauungen durchzuführen. Längere Reaktionszeiten im Störungsfall und kleinere Leistungen bei den Stillstandskühlungen sind ein weiterer Vorteil der Druckanhebung.

› Triebwerk und Ventilplatten sind an die höheren Drücke angepasst.

› Überarbeitete Zylinderköpfe führen zur Erhöhung der Effizienz durch eine Reduzierung der Druckverluste. Zudem konnten die Laufkultur optimiert und Druckgaspulsationen noch weiter reduziert werden.

Die Summe der genannten Maßnahmen führt zu Verbesserungen der Kälteleistung von bis zu 10 % und zu COP-Verbesserungen von bis zu 20 %!

Anlagenbewertung mit optimierten Verdichtern

Durch den Einsatz optimierter Verdichter der „SL“- und „Ecoline“-Baureihen lässt sich die Energieeffizienz und somit auch die TEWI-Bewertung erheblich verbessern. Für ein System bedeutet dies eine starke Reduzierung der indirekten Einflüsse durch den CO₂-Ausstoß bei der Energiegewinnung. Neben der ökologischen Verbesserung ergibt sich auch eine ökonomische Verbesserung, denn durch die reduzierten Energiekosten verbessern sich die Lebenszykluskosten.

Weitere Optimierungsmöglichkeiten

Eine weitere Möglichkeit, die Energieeffizienz von Kälteanlagen zu verbessern, ist der Einsatz von Frequenzumrichtern (z.B. die „Bitzer Varispeed“-Modelle). Der große Vorteil liegt hier in der stufenlosen Leistungsanpassung über einen weiten Regelbereich. Durch die Integration des Umrichters ergibt sich bei den „Varispeed“-Modellen ein wartungsfreier Betrieb mit effizienter Sauggaskühlung.

Die Drehzahlregelung ermöglicht geringere Saugdruckschwankungen und führt somit zu reduzierten Verdichterschaltungen. Die durchschnittliche Verdampfungstemperatur liegt ca. 2 bis 3 K höher als bei On-Off-Betrieb, was zu einer Verbesserung der Systemeffizienz führt.

Fazit

Die Supermarkt- und Gewerbekälte steht vor neuen Herausforderungen im Hinblick auf die eingesetzten Kältemittel und Systeme: Energie- und Ökoeffizienz werden immer wichtiger.

R404A beziehungsweise R507A für NK und TK werden nicht weiter „Stand der Technik“ bleiben. Kältemittel mit hohem GWP rücken aufgrund ihrer schlechten TEWI-Bewertung immer mehr ins Abseits. Wirtschaftliche und umweltpolitische Aspekte müssen in zukünftige Betrachtungen einbezogen werden. Energiekosten und Umweltbelastung werden weitere Einschränkungen und Auflagen nach sich ziehen.

„Bitzer“ bietet mit der neuen „CO₂ SL“-, der „Ecoline“- und der erweiterten „Varispeed“-Baureihe ein großes Verbesserungspotential in Bezug auf die Energieeffizienz von Kälteanlagen. Und dies alles ohne Kompromisse bei der Betriebssicherheit.