Vortrag über energieeffiziente Kältetechnik

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1 Vortrag über energieeffiziente Kältetechnik Energieimpuls OWL e.v. 2. Arbeitstreffen im LEEN OWL III bei der Mitsubishi HiTec Paper Europe GmbH Bielefeld, Dipl. Ing. Carsten Ernst Senior Consultant Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

2 Unternehmensvorstellung Überblick Consulting für Energiemanagement seit 1999 Technologie und Organisation Erfahrung in allen relevanten Industriebranchen, Gewerbe und Gebäuden Ziel: realisierte Energieeffizienz Anspruch: Faktor 4 - doppelte Einsparung bei halben Investitionen Interdisziplinäres Team mit 35 Mitarbeitern Mit Projekten an über 550 Standorten national und international ein führender Spezialist für Energieeffizienz 1 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

3 Bedeutung der Kältetechnik Energiebedarf der Kältetechnik in Deutschland Quelle: Arnemann, M, Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

4 Grundlagen der Kältetechnik Kälteanlage als Energiewandler Rückkühler Q_ab 27 C 35 C 40 C 80 C P_elektr. Expansionsventil Q_zu Kondensator Verdampfer Verdichter 0 C 10 C 6 C 12 C 3 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

5 Grundlagen Kältetechnik Thermodynamik der Kältetechnik Leistungszahl (Effizienz) COP Nutzen Aufwand h h Verdampfer Verdichter h h 2 1 h h 3 2 Ziel: Maximierung des COP! Carnot als Vergleichsprozess Expansionsventil 4 35 C Kondensator 3 80 C Verdichter COP T T Kondensator Verdampfer T Verdampfer 1 4 C 2 Verdampfer 14 C T in Kelvin In der Praxis COPreal = COPcarnot / 2 4 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

6 COP Grundlagen Kältetechnik Effizienz der Kälteanlage 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-2,0 3,0 8,0 13,0 18,0 23,0 Außentemperatur [ C] COP Kältemaschinen BA I Eine Abhängigkeit des COP von der Außentemperatur ist erkennbar Starke Schwankungen des COP bei einer Außentemperatur durch weitere Einflussfaktoren wie z.b. unterschiedliche Maschinenauslastung, Vorlauftemperaturen COP ist insgesamt besser als erwartet, dennoch vergleichsweise gering 5 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

7 Grundlagen Kältetechnik Energieverbrauch Kälteanlagen Quelle: Bitzer, Infotour 2 6 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

8 Grundlagen Kältetechnik Effizienzerhöhung bei Kälteanlagen 4 35 C 3 80 C 4 35 C 3 80 C 1 4 C 2 14 C 1 4 C 2 14 C Reduktion Kühlwassertemperatur - Verdichterleistung sinkt - Verdampferleistung steigt - Leistungszahl (COP) steigt! Erhöhung Kaltwassertemperatur - Verdichterleistung sinkt - Verdampferleistung steigt - Leistungszahl (COP) steigt! 7 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

9 Kälteleistung [kw, th] Grundlagen Kältetechnik Einfluss der Anhebung des Kälteniveaus C 30 C 35 C 40 C Eine Anhebung der Kaltwasser- Vorlauftemperatur um 4K führt zu einer Leistungssteigerung von 10,5% Kaltwasseraustrittstemperatur [ C] 8 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

10 Übersicht Systematik Kälteoptimierung 10 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

11 Systematik Kälteoptimierung Kälteverbrauch Abschalten bei fehlendem Bedarf (Maschinen, Klimaanlagen, RLT-Kühlregister) Bedarfsanpassung und Regelung Kaltwassertemperatur (so hoch wie möglich) Kühlwassertemperatur (so niedrig wie möglich) Abwärmenutzung Kühlwasser (z.b. Abwärme Kühlkreis für RLT Heizregister) Kompressionskälte (Heißgas-Enthitzung) 11 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

12 Maßnahmen Kälteverbrauch Bedarfsgerechte Kühlung Umbauvorschlag: Aufteilung Kühlkreis Verbraucher Hydraulik-/ Werkzeugkühlung 16 C 16 C 30 C 30 C 12 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

13 Systematik Kälteoptimierung Kälteverteilung Reduzierung von Verlusten Dämmung Kälteverteilung (Rohrleitungen, Flansche, Armaturen, Wärmebrücken) Schwitzwasser Reduzierung Förderenergie Regelung von Pumpen Hydraulische Optimierung Optimierung historisch gewachsener Netze Zentrale versus dezentrale Lösung Erzeugung, Speicherung, Verteilungsverluste Methode: Energiebilanz 13 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

14 Maßnahmen Kälteverteilung Drehzahlregelung Kühl- und Kaltwasserpumpen Beschreibung Ist-Zustand - Kühltürme werden von leistungsstarken Pumpen beschickt, die ungeregelt sind - Die Kaltwasserpumpen sind nicht drehzahlgeregelt - Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf gering Maßnahme - Nachrüstung der Pumpen, um einen drehzahlgeregelten Betrieb zu ermöglichen Nächste Schritte - Messung der Leistungsaufnahme und Laufzeit der Pumpen - Auswertung der Ergebnisse und erneute Bewertung des Einsparpotentials - Überprüfung der Umrüstbarkeit der Pumpen - Einholung von Angeboten - Überprüfung der Wirtschaftlichkeit - Umsetzung der Maßnahme 14 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

15 Systematik Kälteoptimierung Kälteerzeugung Kälteanlagen - Freie Kühlung - Regelung/Hydraulik - Kältemaschine als Wärmepumpe - Abwärmenutzung - Drehzahlregelung Verdichter 15 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

16 Maßnahmen Kälteerzeugung Absorptionskälteanlage Kompressionskälteanlage Absorptionskälteanlage Q zu Kondensator Q ab Kondensator Q ab Generator Verdichter Expansions- Ventil Lösungs- Wärmeübertrager Lösungs- Pumpe Thermischer Verdichter Verdampfer Q zu Verdampfer Q zu Absorber Q ab 16 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

17 Maßnahmen Kälteerzeugung Absorptionskälteanlagen Wasser/ Litiumbromid Ammoniak/ Wasser (H 2 O/LiBr) (NH 3 /H 2 O) Temperatur Kaltwasser > 4 C > - 60 C Temperatur Antrieb > 80 C C COP 0,75 0,5 0,7 17 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

18 Maßnahmen Kälteerzeugung Wärmerückgewinnung Möglichkeiten der Abwärmenutzung bei Kälteanlagen - Trinkwassererwärmung - Einspeisung in das Heizungsnetz - Erhöhung der Leistungszahl Kolbenverdichter - Abwärmenutzung aus dem Heißgas Schraubenverdichter - Abwärmenutzung aus dem Heißgas - Abwärmenutzung aus dem Ölkühler 18 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

19 Maßnahmen Kälteerzeugung Kälteanlage als Wärmepumpe Nutzung Wärmequellen mit niedriger Temperatur zur Heizwärmeerzeugung - Umstellung der Kälteanlage auf Wärmepumpenbetrieb - Erhöhung der Effizienz bei der Heizwärmeerzeugung Wärmesenke Expansionsventil Kondensator Verdichter Je kleiner die Temperaturspreizung zwischen Kondensator und Verdampfer, desto effektiver ist die Wärmepumpe Verdampfer Abwärmequelle 19 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

20 Praxisbeispiel 1 Ist-Zustand: Kälteerzeugung Ist-Zustand - Versorgung erfolgt mit drei Kompressionskältemaschinen mit Kälteleistung von insgesamt 255 kw - Benötigte mittlere Kälteleistung über Betriebszeit von ca. 50 kw - Benötigte Kühlwassertemperatur von 18 ± 2 C Verdampfer K1 Verdampfer K1 Verdampfer K1 Vorlauf- Becken 18 C Rücklauf- Becken 22 C Varianten zur Effizienzsteigerung - Freie Kühlung mit bestehendem Kühlturm, oder - Mit neuem Kühlturm, oder - Freie Kühlung mit zusätzlichen Trockenkühlern 20 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

21 Temperatur [ C] Praxisbeispiel 1 Nutzung freie Kühlung Analyse Wetterdaten geordnete Jahresdauerlinie Luft- und Feuchtkugeltemperatur Lufttemperatur Feuchttemperatur Stunde im Jahr [h] 21 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

22 Praxisbeispiel 1 Freie Kühlung über vorhandenen Kühlturm Maßnahme - Versorgung der Kühlung über bestehenden Kühlturm - Senkung der Kühlwassertemperatur von 24 C auf 16 C - Nutzung der bestehenden KKM, wenn Außentemperaturen zu hoch 20 C Kühlturm 21 C Kondensator K1 Verdampfer K1 Vorlauf- Becken 18 C Rücklauf- Becken 22 C 16 C 16 C 16 C M Wirtschaftlichkeit - Einsparpotential 7 9 T /a - Investitionskosten T - Amortisationszeit 2,0 2,5 Jahre 22 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

23 Praxisbeispiel 1 Freie Kühlung über zusätzlichen Kühlturm Maßnahme - Installation eines zusätzlichen Kühlturms zur Versorgung der Kühlung, Nutzung unterhalb einer Feuchttemperatur von 15 C (ca h/a, 85% Betriebszeit) Wirtschaftlichkeit - Einsparpotential 9 11 T /a - Investitionskosten T - Amortisationszeit 4,0 4,5 Jahre Kühlturm 20 C Kondensator K1 Verdampfer K1 Vorlauf- Becken 18 C Rücklauf- Becken 22 C 16 C M 23 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

24 therm. Leistung [kw] Temperatur [ C] Praxisbeispiel 2 Beispielmessungen freie Kühlung , , , , , , , ,5 0-2, : : : : : : : : : : : : : : : :05 therm. Leistung Freikühler therm. Leistung Kältemaschine Außentemperatur 24 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

25 COP COP Praxisbeispiel 2 Effizienz freie Kühlung Außentemperatur [ C] 70 COP Freikühler BA I ,0 3,0 8,0 13,0 18,0 23,0 Außentemperatur [ C] COP Freikühler BA II 25 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

26 Temperatur [ C] Leistung [kw] Praxisbeispiel 2 Beispielmessungen freie Kühlung Solltemperatur Freikühleraustritt durch Regelung auf 12 C begrenzt, Kältemaschine übernimmt obwohl Freikühler Leistungsreserven besitzt 10,0 9,0 8,0 7, ,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0 0, : : : : : : : :40 Rücklauftemperatur Halle BA I Vorlauftemperatur Halle BA I Austrittstemperatur FK Außentemperatur elektrische Leistungsaufnahme Freikühler 26 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

27 09:15 09:20 09:25 09:30 09:35 09:40 09:45 09:50 09:55 10:00 10:05 10:10 10:15 10:20 Leistung [kw, el] Praxisbeispiel 2 Bedarfsgerechte Kälteanlagen Hohe Schalthäufigkeit aufgrund von zu klein dimensionierten Pufferspeichern und überdimensionierter Kälteanlage Dadurch erhöhter Verschleiß der Anlagen bei rund Starts pro Jahr (12 Starts pro Stunde) Trane 2 Leistungsaufnahme, el Zeit 27 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

28 Praxisbeispiel 2 Bedarfsgerechte Kälteanlagen Installation von Pufferspeichern sinnvoll - Reduzierung der Schalthäufigkeit der Kälteanlagen (Reduzierung Wartungsaufwand & Steigerung Anlagenwert) - Stabilisierung der einzelnen Kälteverteilungsnetze - Schöpfung einer Kältereserve für den Fall eines Totalausfalls einer Anlage Stromlastspitze - Durch die hohe Schalthäufigkeit kommt es zu einer Kumulierung der Stromlastspitze innerhalb des 15 Minuten Ableseintervalls des EVUs, dadurch steigt der Leistungspreis Becken Kaltwasser Vorlauf KKM 1 KKM 2 Werkzeugkreislauf Becken Kaltwasser Rücklauf 28 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

29 Praxisbeispiel 2 Anpassung Regelparameter Kälteerzeugung KEZH2 T21 Kälteverteilung KVTH2 V2 12 C T31 V3 S3 Kältemaschine 1 neu (511 kw,th) Kältemaschine 2 Bestand (555 kw,th) S5 T1 M M M M D4 D6 D1 D3 D5 D7 S4 S6 S1 S2 S3 S4 15 kwel 15 kwel D3 D5 T32 D2 5,5 kwel D4 7,5 kwel D6 7,5 kwel D8 15 kwel 18 C T22 T11 T21 T31 T41 Kälteverbrauch KVBH2 T2 T11 V1 Halle 1 200kWth Halle 2 300kWth Halle 2 RLT 300kWth Geb. 6/7 400kWth T12 T22 T32 T42 V1 V2 V3 V4 S1 Trockenkühler 1 (250 kw,th) Trockenkühler 2 (250 kw,th) D2 15 kwel T3 S2 D1 Beispielschema Kältesystem T12 Legende S : Strommessung T : Temperaturmessung V : Volumenstrommessung D : Druckmessung 29 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

30 Praxisbeispiel 3 Anpassung Regelparameter an einer Kälteanlage Kälteerzeugung KEZH2 T21 V2 Die Ausgangssituation Kältemaschine 1 Kälteleistung 511 kw th S3 Kältemaschine 1 neu (511 kw,th) 12 C Kältemaschine 2 Bestand (555 kw,th) S5 T31 V3 T1 Der Stromverbrauch der Kältemaschine wird gemessen und mit einem dynamischen Sollwert verglichen. Der dynamische Sollwert wird mit anderen Einflussgrößen in einem statistischen Modell berechnet. Dies ermöglicht den Vergleich mit einem Zeitraum, in dem die Anlage effizient gelaufen ist. S4 S1 D4 D3 15 kwel Trockenkühler 1 (250 kw,th) D6 D5 15 kwel 18 C Trockenkühler 2 (250 kw,th) S6 T32 T22 T11 V1 T2 D2 T3 15 kwel S2 D1 T12 30 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

31 Praxisbeispiel 3 Anpassung Regelparameter an einer Kälteanlage Einsparung [ ] Geringerer Stromverbrauch nach Anpassung der Regelparameter Stromverbrauch der Kältemaschine Visualisierung der Messwerte in EnEffCo zeigt: - Eine Anpassung der Regelparameter der Kälteanlage hat zu einer deutlichen Absenkung der Stromaufnahme gegenüber statistischem Sollwert geführt. 31 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

32 Beispiel 4 Produktionsanlage Vermeidung gleichzeitiges Heizen und Kühlen Die Ausgangssituation - Nebenanlange für die Aufbereitung der Emulsion für den Produktionsprozess - Temperierung erfolgt nach Vorgabe durch Produktionsprozess auf 45 ºC mittels Vier elektrischer Heizungen und Zwei Kühlwasser-Wärmeübertragern Elekrische Heizungen Kühlung - Bei Produktion besteht Kühlbedarf, - Bei Stillstand muss zugeheizt werden 32 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

33 Beispiel 4 Produktionsanlage Vermeidung gleichzeitiges Heizen und Kühlen Neue Einstellung der Steuerung El. Heizung Gesamtstrom Anlage Nach Aufschaltung der Anlage auf EnEffCo zeigt sich: - Heizung fast durchgängig in Betrieb, auch bei Produktion - Der Stromverbrauch für die elektrische Heizung wurde deutlich reduziert. 33 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

34 Beispiel 4 Produktionsanlage Vermeidung gleichzeitiges Heizen und Kühlen Das Ergebnis - Änderung an den Einstellwerte der Steuerungen führen zu einer Einsparung von: Jährlich ca. 320T /a 300T für el. Heizung und 20T für Kühlwasser - Bei einem Invest von 0 34 Copyright 2014, ÖKOTEC Energiemanagement GmbH

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