Kälteerzeugung Technische Aspekte und Einsparpotentiale

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1 Kälteerzeugung Technische Aspekte und Einsparpotentiale Referent: Dipl. Ing. Steffen Roß Datum: 28. Oktober 2014, Mettmann

2 Definition Kälte In der Physik und der Thermodynamik gibt es keine Kälte, sondern nur Wärme Gemäß 2. Hauptsatz Thermodynamik fließt Wärme nicht freiwillig (ohne Exergiezufuhr) entgegen Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Senke Das Verständnis von Kälte ist uneinheitlich Es kann sowohl übertragene Wärmemenge oder der Wärmestrom sein Es kann auch Kühltemperatur oder Temperaturdifferenz zur Umgebung sein Als Kälte wird in der Kühl- und Kältetechnik ein Zustand mit einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur bezeichnet Sollen Temperaturen weiter abgesenkt werden, muss zur Aufrechterhaltung des Wärmestromes ein aktiver Kälteprozess zwischengeschaltet werden (Kälte muss erzeugt werden) Die Methoden und Verfahren zur Erzeugung von Kälte sind Gegenstand der Kältetechnik (bei Temperaturen unterhalb von -150 C auch Kryotechnik genannt). Als Kälteprozesse kommen verschiedene Prozesse in Frage, die auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen. Die meisten stationären Kälteprozesse nutzen zyklische Phasenwechsel eines Kältemittels in einer Kältemaschine 2

3 Kältetechnik und Verfahren zur Erzeugung von Kälte Die Kältetechnik dreht die in der Energie-/Wärmetechnik üblichen Prozesse um Kältemaschinen müssen Wärme entgegen der natürlichen Flussrichtung transportieren Die Aufgabe der Kältetechnik ist also, Wärme an einen anderen Ort mit möglichst wenig Energie (Zufuhr von Exergie) zu transportieren Kühlen durch Verdunstung von Wasser: Ältester Kälteprozess ist das Kühlen von Tongefäßen durch ständige Wasserzufuhr (geringe Leistungsdichte ) Kühlen durch Verdampfen eines Kältemittels in Kaltdampfprozessen: Hierbei werden Kältemittel mit sehr niedrigen Siedetemperaturen meist in Kompressionskältemaschinen eingesetzt Kühlen durch Zufuhr von Wärme in Absorptionskältemaschinen: Hierbei wird Wasserdampf von einer Lithiumbromid-Lösung absorbiert; der dadurch entstehende Unterdruck erzeugt Kälte; mit Beheizung wird das Wasser wieder ausgekocht Mit dem Kaltgas- bzw. Lindeprozeß wird in mehreren Stufen mit Hilfe eines Kältemittels (Gas; ohne Kondensation) über mehrere adiabatische Stufen extrem niedrige Kälte erzeugt 3

4 Die verschiedenen Verfahren der Kühlung Konvektionskühlung: Kaltluftstrom mit 2-10 m/s kühlt Materialien auf -20 bis +6 C runter. Hohe Luftfeuchtigkeit verbessert Wärmeübergang (vgl. Kühlhäuser; Schockfroster sogar bis zu 35 C) Tauchkühlung: Besserer Wärmeübergang im Wasser (ggf. mit Eiszusatz) mit höheren Abkühlgeschwindigkeiten Beeisen: Kühlung auf Eis ohne Wasser (Nahrungsmittelindustrie z.b. Fisch) Sprühkühlung mit einem Wassernebel Vakuumkühlung: Durch Wasserbesprühung und anschließende (i.d.r. behutsame) Druckabsenkung wird dem Produkt Wärme entzogen (Einsatz bei Produkten mit großen Oberflächen) Kontaktkühlung: Mit Hilfe von ein oder zwei Platten erfolgt gegenüber konvektiver Kühlung etwa doppelt so effektive Kühlung; Kontaktfläche wird von außen mit Kaltluft angeströmt oder flüssigem Kälteträger besprüht Kühlung in Wärmetauschern: Häufigstes und effektivstes Verfahren. Bis zu über 90 % der Wärme können bei Gegenstrom-Plattenwärmetauschern zurückgewonnen werden Kryogene Kühlung mit Flüssigstickstoff ermöglicht sehr niedrige Tedmperaturen Strahlungskühlung (Strahlungswärmeaustausch mit kälteren Umgebungsflächen) hat keine industrielle Bedeutung, da spezifische Kälteleistung zu klein) 4

5 Prozesskühlung in der chemischen Industrie Chemische Prozesse laufen bei unterschiedlichen Temperaturen ab Abweichungen von den idealen Temperaturen können Änderungen in den Reaktionsprodukten zur Folge haben Die chemische Industrie fordert daher zuverlässige Kälteanlagen, die häufig rund um die Uhr in Betrieb sind Je nach dem, ob die Reaktionen mit einer Energieaufnahme ( endotherme Reaktion ) oder einer Energieabgabe ( exotherme Reaktion ) verbunden sind, muss Wärme zu- oder abgeführt werden Liegt die ideale Reaktionstemperatur einer exothermen Reaktion unterhalb der Umgebungstemperatur, muss zur Aufrechterhaltung des Temperaturniveaus Kälte erzeugt werden Bei Reaktionstemperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur reicht in der Regel eine Wärmeabführung über Abluft oder Kühlwasser, welches in einem Kühlturm (ggf. sogar ohne Kältemaschine) rückgekühlt wird Die Wärmeabfuhr bei chemischen Prozessen kann über Kühlschlangen in Reaktoren, Kälteträger in doppelwandigen Tanks oder mit Hilfe von Luft oder Inertgasen geschehen, die je nach Temperatur und Leistung über Kaltwassersätze von großen Kälteanlagen oder mit Verdunstungskühlern rückgekühlt werden 5

6 Leistungszahl nach DIN EN 255 Bei der Auswahl des optimalen Kältesystems ist vor allem auf die energetische Effizienz zu achten: Die Leistungszahl definiert den Wirkungsgrad einer Kälteanlage Die Leistungszahl beschreibt das Verhältnis der bei bestimmten Betriebsbedingungen abgegebenen bzw. aufgenommenen thermischen Leistung Q 0 (kw) bezogen auf die zugeführte elektrische Leistung P el (kw) für den Antrieb des Verdichters und der Hilfsantriebe nach DIN EN 255: Leistungsz ahl K Q 0 P el Nutzen Aufwand ε K : Kälteleistungszahl EER (Energy Efficiency Ratio) Q 0 : Kälteleistung (bzw. Wärmeleistung) P el : elektrische Leistungsaufnahme 6

7 COP- Wert nach DIN EN 255 Neben der Leistungszahl hat sich der COP - Wert (Coefficient Of Performance) Wärmepumpen bzw. der EER-Wert bei dem Effizienzvergleich verschiedener Systeme durchgesetzt. Er beschreibt die Leistungszahl unter festgelegten Prüfbedingungen: Q0 COP P elt Sowohl die Leistungszahl, als auch der Coefficient Of Performance sagt aus, wie viel kw notwendig sind, um ein kw Kühlleistung zu erzeugen Eine Leistungszahl oder COP von 3,5 gibt an, dass für 3,5 kw Kühlleistung 1 kw elektrischer oder thermischer Energie notwendig sind 7

8 Leistungszahlen von Kältemaschinen und Wärmepumpen (im Nutzkältebetrieb) t 0 : t c : Q 0 : Q c : P : Ɛ k : Ɛ wp : Verdampfungstemperatur Verflüssigungstemperatur Kälteleistung Verflüssigungsleistung Elektrische Leistung Kälteleistungszahl der Kompressionskältemaschine Leistungszahl Wärmepumpe 8

9 ESEER, IPLV: Gewichtete Kälteleistungszahlen zur Berücksichtigung Teillastbetriebszustände Bewertungsanteile und Lufttemperaturen unterscheiden sich! IPLV > ESEER 9

10 Vor- und Nachteile der Kompressionskältemaschine Vorteile Nachteile Es können Temperaturen weit unter Umgebungstemperatur erzielt werden (üblicherweise 6 C Vorlauf / 12 C Rücklauf, aber auch < 0 C möglich) Bewährte Technik, inzwischen als Massenware verfügbar Geschlossener Kreislauf, daher keine nennenswerten Kältemittelverluste Relativ hoher Energieverbrauch bzw. hohe Energiekosten Übliche Kältemittel haben ein hohes Treibhauspotential und / oder sind brennbar Relativ komplizierter technischer Aufbau Empfindlich ggü. Undichtigkeiten 10

11 Vor- und Nachteile der Kälteerzeugung in Absorptionskälteanlagen Vorteile Bessere Auslastung der KWK-Anlage, da die Wärme besser genutzt wird Geringerer Strombedarf Geringerer Wartungsaufwand gegenüber Kompresssionskältemaschinen Hohe Brennstoffausnutzung und damit geringe Umweltbelastung Kein Einsatz von FCKW oder FKW; Arbeitsstoffpaare bei Absorptionskältemaschinen haben kein Ozonschicht-Gefährdungpotenzial Geringerer Primärenergiebedarf (bis 25%) Nachteile Höhere Gesamtinvestitionskosten Deutlich größerer Platzbedarf für die Maschinen (Faktor 1,5-2,5) und Rückkühlwerke (etwa Faktor 2) Höherer Wasserverbrauch bei Naßkühlung Schlechtes Verhalten bei Lastwechseln Leckageempfindlich Hohe Betriebskosten, falls Abwärme nicht gratis zur Verfügung steht. 11

12 Vergleich der Effizienz verschiedener Kühlsysteme Kühlsystem Beschreibung Temperaturbereich Mögliche Leistungszahl Luftgekühlt 15 C und niedriger 3,0 Kompressionskältemaschine Kompressionskältemaschine Wassergekühlt 15 C und niedriger 4,0 Freie Kühlung Glykolkühler /Luftkühler Außentemperatur 13,5 Freie Kühlung mit Kühlturm Außentemperatur 18 Bei einer energetischen Bewertung sind vor allem die Berechnungsgrundlagen wichtig. Oft werden zudem auch andere Begriffe und Definitionen zur Leistungszahl verwendet, die Angaben sollten daher ggf. hinterfragt werden! 12

13 Energiekostenvergleich verschiedener Prozesskühlsysteme Kühlleistung [MWh] Tempertur Vorlauf Rückkühlung [EUR] Abwärmenutzung [EUR] elektrische Energie [EUR] Summe Energiekosten [EUR] Freiluftkühlung mit Verdunstung 1 27 C 11, ,90 Kompressionskälteanlage 1 6 C ,86 42,86 Absorptionskälteanlage 1 9 C 27,74 0,00 2,55 30,29 Die Freikühlung ist der mit Abstand günstigste Weg der Kühlung! 13

14 Kombination von Kältesystemen Mit einer Freikühlung kann eine bestehende Kompressionskälteanlage unterstützt und Betriebskosten reduziert werden: Ist eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf vorhanden, kann die freie Kühlung das Prozesskühlwasser vor - kühlen und damit eine bestehende Prozesskühlanlage unterstützen. Freie Kühlung T Rücklauf Umgebung Halle Kältemaschine Bei Reaktionstemperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur reicht in der Regel eine Wärmeabführung über Abluft oder Kühlwasser, welches in einem Kühlturm ohne Kältemaschine rückgekühlt wird. Maschine T Vorlauf 14

15 Kombination von Kältesystemen Mit einer Freikühlung kann eine bestehende Kompressionskälteanlage unterstützt und Betriebskosten reduziert werden: Sind die Außentemperaturen unter der gewünschten Kühlwasserrücklauftemperatur, kann die gesamte Kühlung komplett ohne Einsatz einer Kältemaschine vorgenommen werden Freie Kühlung T Rücklauf Umgebung Halle T Vorlauf Kältemaschine Einsparung bis zu 80% der Betriebskosten Maschine 15

16 Aspekte zur Nutzung von Eisspeichern (1/2) Kälte kann entweder in Form sensibler Wärme (Temperaturdifferenz), latenter Wärme (Phasenübergangsenthalpie) oder chemisch als Reaktionsenthalpie gespeichert werden Die größte Bedeutung hat die latente Wärmespeicherung (hier Kältespeicherung ), insbesondere in Form von Eis. Diese Energieumwandlung ist beliebig oft wiederholund umkehrbar. Wasser eignet sich auch sehr gut als Kälteträger, so dass derselbe Stoff für Speicherung und Energietransport verwendet werden kann, ohne dass weitere Wärmeaustauscher nötig werden In Form von Eis hat Wasser eine sehr hohe Speicherkapazität. Mit einer Schmelzenthalpie von 333 kj/kg lässt sich in einem Kubikmeter Eis 13-mal so viel Energie speichern, wie das bei flüssigem Wasser in Form sensibler Wärme bei einer Temperaturdifferenz von 6 Kelvin möglich wäre. Die Bauarten von Eisspeichern sind vielfältig. Die Unterscheidung zwischen direkten und indirekten Systemen bezieht sich nicht auf die Art der Kühlung. Den Unterschied macht hier die Frage aus, ob das Kältemittel gleichzeitig auch Speichermedium ist. Andernfalls ist die Nutzung eines weiteren Wärmetauschers notwendig. Unabhängig davon kann die Aufladung des Speichers durch direkte oder indirekte Kühlung geschehen. 16

17 Aspekte zur Nutzung von Eisspeichern (2/2) Kältespeicher haben die Aufgabe, die Kälteerzeugung zeitlich vom Kälteverbrauch zu entkoppeln. Dadurch können Lastspitzen abgefedert werden. In lastschwachen Zeiten wird Kälte auf Vorrat produziert, die dann von geeigneten Speichersystemen in kürzester Zeit, d. h. mit sehr hohen Leistungen, abgerufen werden kann. Gerade in Industriezweigen, wo nur zu bestimmten Zeiten große Mengen an Kälte gebraucht werden, kann dies erhebliche Kosten einsparen, weil die Kälteanlagen kleiner dimensioniert werden können. Wenn billiger Nachtstrom für die Aufladung des Kältespeichers verwendet wird, sinken auch die Arbeitskosten. Der Betrieb bei Nacht hat zudem den Vorteil, dass die Außentemperaturen geringer sind. Dies führt zu einer niedrigeren Kondensationstemperatur im Verflüssiger und erhöht damit die Energieeffizienz. Dadurch wird der zusätzliche Energieverbrauch, den die indirekte Kühlung gegenüber der direkten verursacht, zumindest teilweise wieder ausgeglichen. 17

18 Einsparmaßnahmen Kälteanlagen und deren typische Einsparpotentiale (nicht kumulativ ) Maßnahme Verminderung des Kältebedarfs Systemoptimierung Betriebs- und Wartungsmaßnahmen Stärkere Wärmedämmung Wärmerückgewinnung Effiziente Geräte/Beleuchtung in Kühlräumen Benutzung von effizienten Geräten und Anlagen Antriebe mit Drehzahlregelung für Verdichter, Ventilatoren und Pumpen Hocheffizienzmotoren für den Ventilator am Verdampfer Hocheffizienter Kältekompressor Hocheffizienzmotoren für den Ventilator am Kondensator Richtige Bedienung und Vermeidung unnötiger Temperaturen Reinigung der Wärmeübertragerflächen Steuerung des Verdichtungsenddrucks am Kältekompressor Abtausteuerung Quelle: Sächsische Energieagentur Einsparpotenzial 8-10 % 4-8 % 5-10 % 80 % (der Wärme) 2 % 4-6 % 2-5 % 2-5 % 2-5 % 3 % % 5 % 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ihre Ansprechpartner bei WiRo Consultants Steffen Roß Diplom-Ingenieur (TH Aachen) Geschäftsführer Tel.: / Mobil: / Mail: ross@wiro-consultants.de