Zweistufige Kühlung mit R513A und CO₂

Zwei Tiefkälteanlagen von L&R waren bereits bei der Solvay Fluor GmbH in Bad Wimpfen im Einsatz – eine für die Bereitstellung von -35 ^oC Kälte, die zweite sogar für ein Temperaturniveau von -90 ^oC. Sie unterstützen die Produktion von Spezialchemikalien, die u.a. für die Herstellung von Pharamzeutika verwendet werden.

Anspruchsvolle Projektierung

Auch für die Planung einer dritten Kälteanlage, die eine vorhandene Anlage ersetzen und Kälte auf einem Temperaturniveau von -45 ^oC bereitstellen sollte, nahm Solvay Kontakt mit L&R auf. Die kältetechnische Kompetenz der Verantwortlichen bei Solvay Fluor ist hoch, außerdem hat der Konzern jahrzehntelang selbst Kältemittel produziert.

Die Projektierung war in diesem Fall auch deshalb anspruchsvoll, weil die Verantwortlichen bei Solvay das Optimum erzielen wollten – und das nicht nur in Hinsicht auf Energieeffizienz und Verfügbarkeit, sondern auch mit Blick auf Nachhaltigkeit und Zukunftssicherheit.

Acht Konzepte in der Diskussion und im Vergleich

Deshalb wurden in der Projektierungsphase acht Technikkonzepte mit unterschiedlichen Kältemitteln ausgearbeitet und mit Solvay diskutiert. Dazu gehörte u.a. eine Anlage, die das bekannte und bewährte Kältemittel R449A nutzt. In puncto Kosten und Verfügbarkeit schneidet dieses Konzept gut ab – eigentlich wäre R449A eindeutig das Kältemittel der Wahl für das angestrebte Temperaturniveau gewesen. Allerdings ist die Zukunftsfähigkeit dieses Kältemittels – auch wenn es noch verwendet werden darf – über eine geplante Anlagenlaufzeit von fünfzehn Jahren kritisch zu sehen. Denn mit einem GWP von 1392 zählt das Gemisch R449A unter Beachtung der „Phase down“-Regelung der F-Gase-Verordnung zu den eher ungünstigen Kältemitteln und entspricht somit nicht den Anforderungen an eine umweltverträgliche Kälteerzeugung.

Option „Natürliche Kältemittel“ wurde geprüft

Ein zweites vielversprechendes Konzept schied aus einem ganz anderen Grund aus. Als natürliches Kältemittel hat Propen (R1270) ein GWP von 2 und ist damit in Sachen Umweltschutz kaum zu schlagen. Ferner zeigt die Erfahrung, dass man mit diesem Kältemittel dank seiner hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften sehr energieeffiziente Anlagen im Tiefkältespektrum projektieren kann.

Solvay war von dieser Idee ebenfalls angetan, aber die Brandschutzvorschriften in dem Aufstellbereich hätten die internen Investitionskosten erhöht, so dass diese Option wieder aus dem Focus rückte. Dabei erreichen Kältemaschinen mit diesem Kältemittel aufgrund ihres Konzepts ein hohes Sicherheitsniveau.

Das Konzept der Wahl

Stattdessen sorgt jetzt eine zweistufige Kälteanlage für die bei Solvay benötigte Prozesskälte. In der ersten Stufe der Kaskade kühlt ein Kältekreislauf mit R513A das Kältemittel R744 (CO₂), das wiederum den Kälteträger auf –45 ^oC abkühlt. In diesen Temperaturbereichen haben beide Kältemittel ihre optimale Effizienz, was sich in niedrigen Betriebskosten niederschlägt. Und das GWP von 631 des HFO-Blend R 513A liegt etwa 55 % unter dem GWP von R449A.

Bei der Projektierung war eine sehr sorgfältige Auslegung gefordert, weil das Temperaturniveau des umweltfreundlichen Kältemediums R744 (GWP 1) nahezu ausgereizt wird. Der Tripelpunkt von CO₂ (das heißt die Temperatur, bei der ein Stoff in flüssiger, fester und dampfförmger Phase vorliegen kann), liegt bei -54 ^oC und darf deshalb im Kältekreislauf nicht erreicht bzw. unterschritten werden. Da hier aber Kälte von -45 ^oC erzeugt werden soll, ist eine sehr präzise Temperaturführung erforderlich.

Drehzahlgeregelte Antriebe, jeweils zwei Kältekreisläufe

Auch aus diesem Grund (und wegen der Energieeffizienz) sind die Hubkolbenkompressoren mit drehzahlgeregelten Antrieben ausgestattet. Das schafft – gemeinsam mit der von L&R grundsätzlich in Eigenregie programmierten Steuerung – die Voraussetzung dafür, dass die Kälteerzeugung immer exakt am Bedarf entlang gefahren wird.

Die Anlage arbeitet aus Redundanzgründen mit zwei Kältekreisläufen: Wenn ein Kreislauf ausfallen sollte, stehen immer noch 50 % der maximalen Kälteleistung zur Verfügung.

Effizienter als eine reine CO₂-Anlage

Die Entscheidung für den „Split“ der Kälteanlage in zwei Stufen bzw. Temperaturniveaus lässt sich klar begründen: Im oberen Temperaturbereich ist die Kälteerzeugung mit R513A hoch effizient, auf dem unteren Tieftemperaturniveau gilt dasselbe für CO₂. Aus diesem Grund arbeitet diese kombinierte Anlage effizienter als eine reine CO₂-Kälteanlage. Trotz der etwas aufwändigeren Anlagentechnik ergeben sich deutlich günstigere Lebenszykluskosten und auch eine bessere Gesamtenergiebilanz. Dabei sind die Investitionskosten sogar geringer, da eine reine CO₂-Anlage aufgrund der hohen Betriebsdrücke ohne den vorgeschalteten Kreislauf aufwändige, weil hochdruckbeständige Komponenten benötigt.

CO₂-Kältetechnik für die Industrie

In der Industrie gibt es bislang nur sehr wenige CO₂-Anlagen, während diese Kältetechnik z.B. in Supermärkten bereits weit verbreitet ist. Für L&R war es eines der ersten Projekte, bei dem CO₂ zum Einsatz kommt. Im Wesentlichen mussten dabei (im Unterschied zu Anlagen mit den gebräuchlicheren Kältemitteln) nur die höheren Drücke im Kältekreislauf berücksichtigt werden. Außerdem muss eine sorgfältige Abdichtung gewährleistet sein, denn im Unterschied zu den meist langkettigen Molekülen der synthetischen Kältemittel ist das CO₂-Molekül sehr klein (was aber auch für die anderen natürlichen Kältemittel gilt). Die Sicherheit wird u.a. durch eine CO₂-Gaswarnanlage gewährleistet.

Engineering-Aufwand hat sich gelohnt

Abschließend kann man feststellen, dass sich aus Sicht von Solvay Fluor die intensive Engineering-Arbeit gelohnt hat. Die Verantwortlichen wünschten eine hocheffiziente und sichere sowie zukunftsfeste und umweltfreundliche Kälteerzeugung mit günstigen Investitions- und Lebenszykluskosten, und dieses Ziel wurde erreicht. Aus Sicht von L&R hat sich die hohe Kompetenz bei anspruchsvollen Engineering-Projekten ausgezahlt. Sie führte letztlich dazu, dass sich L&R gegen Wettbewerber durchsetzen konnte und für Solvay eine rundum überzeugende Kälteanlage mit kaskadierter Kälteerzeugung projektiert und gebaut hat, die allen Anforderungen des Anwenders in vollem Umfang entspricht.