Einsatz eines Eisspeichers im Energiekonzept des Klinikums Ludwigsburg

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1 Einsatz eines Eisspeichers im Energiekonzept des Klinikums Ludwigsburg 1

2 Regionale Kliniken Holding RKH Konzernstruktur Standorte Fürst-Stirum-Klinik Bruchsal: 370 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle Rechbergklinik Bretten: 240 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle Ger. Rehaklinik Mü: 65 Betten 923 stationäre Fälle Regionale Kliniken Holding RKH: ca Betten ca stationäre Fälle ca ambulante Fälle ca Mitarbeiter Krankenhaus Bietigheim: 369 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle Krankenhaus Marbach: 87 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle Klinikum Ludwigsburg: 990 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle Krankenhaus Neuenbürg: 82 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle Orth. Klinik Markgröningen 213 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle Krankenhaus Mühlacker: 175 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle Krankenhaus Vaihingen: 60 Betten stationäre Fälle ambulante Fälle 2

3 Vergleich Stromeigenerzeugung Stromverbrauch Standort Erzeugung Strom BHKW [kwh] Erzeugung Strom PV [kwh] Anteil Erzeugung [%] Verbrauch Strom [kwh] Beispiele Ludwigsburg ,13% ,6 Markgröningen Marbach ,30% Bietigheim ,40% ,8 Wurmberg Vaihingen ,29% Verbrauch Einwohner ,04 Weil der Stadt Mühlacker ,90% Neuenbürg ,62% ,52 Friolzheim Bretten Bruchsal ,66% ,4 Benningen Markgröningen ,27% Tiefenbronn RKH gesamt ,58% ,96 Kornwestheim 3

4 Klinikum Ludwigsburg Krankenhaus der Zentralversorgung 990 Planbetten Anzahl der Kliniken:13, Anzahl der Institute: stationäre Fälle, ambulante Fälle 4

5 Nachhaltigkeit im FM gemäß GEFMA Richtlinie 160 unter Einbeziehung des Einsatzes eines Eisspeichers 1. Energiemanagement Zielsetzung ist die Reduzierung des Energieverbrauchs der Klinik bzw. ein gleichmäßiger Energieverbrauch über den Tagesverlauf, die Erfassung, Aus und Bewertung und mögliche Optimierungspotentiale des Energieverbrauches müssen definiert und die Vorgehensweise muss klar beschrieben sein, der Kälte und Stromverbrauch im Klinikum wird über viele Jahre erfasst (teils durch Ablesung vor Ort, teils durch Erfassung der Daten über die GLT, neue Verbraucher werden mit in die Listen eingepflegt und kommen mit in die Auswertung, untergeordnete Kälteverbraucher werden in Hochtemperaturphasen gezielt über die GLT vom Netz genommen um somit die Leistung der Kältemaschinen nicht zu überziehen, 5

6 2. Nutzungskostenmanagement die ökonomische Qualität wird im wesentlichen von Lebenszykluskosten bestimmt, die genauen Ist Kosten des Gebäudebetriebs sind unerlässlich um die Potentiale der Kostenoptimierung erschließen zu können, Einsatz von hochwertigen Materialien bei Auswahl des Eisspeichers, Energiesparende Kältemaschine die auch günstig im Teillastbetrieb fährt; Energieeffiziente, Frequenzumformer betriebene Pumpen; Regelungstechnik die genau auf die geforderten Lastgänge von Eisspeicher und Kältemaschine sowie den Betrieb der restlichen Kältemaschinen abgestimmt ist 6

7 3. Stör und Beschwerdemanagement die Zufriedenheit der Gebäudenutzer ist entscheidend für deren Leistungsfähigkeit und die Akzeptanz des Gebäudes bei den Nutzern, Ziel ist es Probleme und Störungen bei der Nutzung eines Gebäudes systematisch zu identifizieren und zu erfassen, zu analysieren und zu beseitigen, dauerhaft alle Kälteverbraucher kontinuierlich zu versorgen aber den Stromverbrauch nicht gleichzeitig unverhältnismäßig in Spitzenzeiten in die Höhe treiben, durch eine Intelligente Gebäudeleittechnik Probleme und Störungen rechtzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten, Strom mit eigenen BHKW's erzeugen und den Fremdstrombezug der unverhältnismäßig mit Steuern und Abgaben belastet zu reduzieren, 7

8 4. Instandhaltung nach DIN ein gutes Instandhaltungsmanagement schafft die Voraussetzung für eine optimale Lebensdauer von Bauteilen und Anlagen, für eine Verbesserung der Betriebssicherheit und Anlagenverfügbarkeit und für eine Reduzierung von Störungen in Anlagen und Betriebsabläufen. Instandhaltungs / Wartungsverträge werden bereits in die Ausschreibungen mit aufgenommen und bewertet und nach Abschluss der Maßnahme beauftragt. Regelmäßige Wartungsarbeiten wie vom Hersteller der Bauteile vorgegeben werden eingehalten und protokolliert, Verschleißteile werden regelmäßig im Rahmen der Wartung ausgetauscht, Wartungsarbeiten werden an qualifizierte Firmen vergeben, eigene Mitarbeiter führen regelmäßige Kontrollen (täglich) durch, über die Gebäudeleittechnik werden Veränderungen (Temperatur, Drücke, Pumpendrehzahlen u.ä.) Dokumentiert und Abweichungen angezeigt, 8

9 Was ist ein Eisspeicher? 1. Physikalisch handelt es sich bei einem Eisspeicher um einen Latentspeicher, der die Schmelzwärme von Eis (332 kj/kg) dazu nutzt, Energie zu speichern. 2. Ein Latentspeicher ist eine Einrichtung, die thermische Energie verborgen, verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und über lange Zeit speichern kann. 3. Die theoretische Speicherdichte beträgt 84,4 kwh/m³ bei einer Dichte des Eises von 916 kg/m³ 4. Durch die Latentenergie bei der Zustandsänderung von Wasser zu Eis lässt sich (bezogen auf das gleiche Speichervolumen von Wasser) die zwölffache Energiemenge gegenüber der sensiblen Energie nutzen. 5. Mitte der 1980er Jahre kam erstmals ein wartungsfreies modular aufgebautes Eisspeichersystem über die USA nach Europa 6. In der Schweiz entwickelte die Fa. Fafco einen Rohrwärmeübertrager mit besonders großer Übertragungsfläche aus hoch stabilisiertem Polypropylen, die in hochwärmegedämmten kubischen Behältern eingehängt werden. 7. Die kommerzielle Nutzung des Speichermediums Eis hat ihren Ursprung in Brauereien und Molkereien. Dort ist es notwendig, Flüssigkeiten innerhalb kurzer Zeiträume stark abzukühlen. 9

10 Warum Eisspeicher? Nach der Entscheidung für den Ausstieg Deutschlands aus der Kernenergie 2011, den Vorgaben zur Nutzung erneuerbarer Energien sowie kontinuierlicher Verschärfungen von Energieeffizienz und Umweltstandards müssen neue Wege bei der Planung von gebäudetechnischen Anlagen eingeschlagen werden. Weiterhin treiben die immer höher steigende gesetzliche Abgaben (Stromsteuer, EEG, KWK, NEV Umlage, Offshore Haftungsumlage, Umlage für abschaltbare Lasten, Konzessionsabgabe Summe ca. 10,5 Cent/kWh!!!) auf dem Strompreis die Preise in ungeahnte Höhen. Dies sind Gründe über neue (auch alte) Technologien zu investieren und somit den Stromverbrauch zu reduzieren. 10

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12 Eisspeicher in der Kältetechnik 1. Der Kältebedarf im Krankenhaus schwankt im Tagesverlauf stark. Tagsüber ist der Kältebedarf viel höher als nachts. Da Kälteanlagen auf Spitzenlasten ausgelegt werden, arbeiten sie meist ineffizient und kostenintensiv. Eisspeicher werden nachts aufgeladen und tagsüber zur Deckung der Spitzenlasten entladen. 2. Eisspeicher nutzen die Aufnahme von Energie beim Wechsel des festen zum flüssigen Aggregatzustandes von Wasser. 3. Der Vorteil gegenüber anderen Speichern ( z.b. Warmwasserspeichern) ist die relativ große Wärmemenge pro Volumen bei sehr geringer Temperaturdifferenz. 4. Die gespeicherte Kälteenergie kann fast vollständig wieder genutzt werden. 5. Um die Investitionen die Kältemaschine niedrig zu halten und den Spitzenstrombedarf zu begrenzen, wird mittels relativ kleiner Kältemaschinen über einen Zeitraum von Stunden das Wasser zu Eis gefroren. 6. Für die Kälteversorgung des Gebäudes stehen somit als erstes die Endladeleistung des Eisspeichers und zweitens die Kälteleistung der Kältemaschine zur Verfügung. 12

13 Das Konzept 1. Das Kernstück des Konzeptes bildet die neue Turbokältemaschine (TKM6) die nachts, wenn von den BHKW's erzeugter Strom kostengünstig zur Verfügung steht, den Eisspeicher lädt. Tagsüber kann die Maschine mit einem höheren Sollwert über einen Wärmetauscher ins Kältenetz einspeisen. 2. Für einen gleichzeitigen Betrieb ist eine hydraulische Parallelschaltung von TKM6 und Eisspeicher vorgesehen. 3. Der Eisspeicher bietet die Besonderheit, dass er bei hohen Außentemperaturen die Rückkühlwerke nicht zusätzlich belastet. 4. Der Eisspeicher senkt die Leistungsspitze und ermöglicht gleichzeitig den Betrieb der Turbokältemaschine im Teillastbereich, was wiederum dem Wirkungsgrad deutlich zu Gute kommt. 13

14 Turbokältemaschine Fabrikat: Combitherm, Typ: KGG 2/26 R134a Kälteleistung nachts ( 5 C/ 1 C): 500 kw Kälteleistung tags (4 C/10 C): 780 kw Schraubenverdichter Fabrikat: Bitzer 14

15 Eisspeicher Fabrikat: Fafco, Typ: UM 210/5/20 Maße: 7,5 m x 4,2 m x 2,8 m, Trinkwasserfüllmenge: Liter, Glykolwasserfüllmenge: Liter, Kältespeicherkapazität: kwh, Speicherladebetrieb bei Eintritt 5 C und Austritt 1 C: 380 kw, Speicherentladebetrieb bei Eintritt 10 C und Austritt 4 C: 615 kw 15

16 Plattenwärmeübertrager und Pumpen ein PWÜ mit einer Leistung von 780 kw zwischen Kältemaschine und Kaltwassernetz ein PWÜ mit einer Leistung von 600 kw zwischen Eisspeicher und Kaltwassernetz vier Kreiselpumpen mit einem Förderstrom von m³/h und Förderhöhen von 8 12 m 16

17 Investition und Zielsetzung 1. Derzeit kaufen wir im Jahr (2013) MWh Strom für für die Versorgung des Klinikums zu. 2. Wir produzieren zur Eigenverwendung im Jahr (2013) MWh Strom. 3. Die Gesamtinvestition für den Eisspeicher, Kältemaschine (alt Ersatzbeschaffung), Pumpen, Wärmetauscher, Verrohrung und Zubehör belaufen sich auf mit einer Lebensdauer von Jahren. 4. Ziel ist es, den Stromverbrauch im Klinikum annähernd gleichmäßig zu gestalten, Stromspitzen zu vermeiden und die Eigenstromerzeugung auf annähernd 100% zu bringen. 17

18 Eisspeicher Kältemaschine Betriebsarten 1. Laden: im Nachtbetrieb wird mit der Turbokältemaschine der Eisspeicher geladen, 2. Schwachlastbetrieb: der Eisspeicher wird im Tagbetrieb über den Plattenwärmetauscher entladen, 3. Eisspeicher schonen: mit der Kältemaschine wird die Versorgung des Kaltwassernetzes über Plattenwärmetauscher erreicht, 4. Spitzenlast: Eisspeicher und Kältemaschine sind in Betrieb und versorgen über Plattenwärmetauscher das Kaltwassernetz, 5. Netz + Laden: eine Kältemaschine ist am Netz, eine zweite Kältemaschine lädt den Eisspeicher, 18

19 Einsatz Rangfolge der Kälteerzeuger: 1. Absorptionskältemaschinen (AKM1 und AKM2) 2. Eisspeicher 3. Turbokältemaschine (TKM6) im Tagbetrieb (10/4 C) 4. Turbokältemaschine (TKM5) 5. Schraubenkältemaschine (SKM) 6. Kolbenkältemaschine (KKM) 19

20 Strom und Kälteschema 20

21 Vorteile des Konzepts 1. Der Strombedarf der Kältemaschine wird in die Nacht verschoben, dadurch kann mehr BHKW Strom verbraucht und tagsüber weniger teurer Strom aus dem Netz bezogen werden. 2. Die Strom Leistungsspitze des Krankenhauses wird reduziert. 3. Bessere Wirkungsgrade der Kältemaschinen im Teillastbetrieb. 4. Die Kälteversorgung ist auch bei Außentemperaturen größer 35 C sichergestellt, da die Kälteanlagen durch die Rückkühlwerke gekühlt werden. 5. Ältere Kältemaschinen mit schlechterem Wirkungsgrad können nachrangig eingesetzt werden, was wiederum den Strombedarf senkt. 6. Bei Ausfall einer Kältemaschine kann das Kältenetz ohne Netztrennung betrieben werden. 21

22 Vielen D 22