Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Kältetechnik mit Wasser als Kältemittel P. Albring

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1 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Kältetechnik mit Wasser als Kältemittel P. Albring Markt der Möglichkeiten Energiesparpotenziale in der Kälte- und Klimatechnik

2 Gliederung Vorstellung ILK Dresden Energiesparpotenziale in der Klima- und Kältetechnik Wasser als Kältemittel in Kaltwassersätzen Geschichte Chancen und Grenzen Einsatzbeispiele und Entwicklungsziele Zusammenfassung Hamburg P. Albring, Dresden 2

3 Institut für Luft- und Kältetechnik Industrieforschung in Sachsen Hamburg P. Albring, Dresden 3

4 ILK Dresden Außeruniversitäre Forschungseinrichtung 1990 Gründung als Forschungs- GmbH unabhängig Mitarbeiter 120 Umsatz 9 Mio. Hamburg P. Albring, Dresden 4

5 ILK Dresden Struktur Vier wissenschaftliche Hauptbereiche und ein Technologie Transferzentrum Kälte- und Tieftemperaturtechnik Luft- und Klimatechnik Angewandte Neue Technologien Angewandte Energietechnik Tieftemperaturtechnik Kompressionskältetechnik Wärme-Stoffübertragung Wiss. Kälteanlagenbau Klimatechnik Luftreinhaltung Angewandte Analytik Angewandte Technologien R718 Kältetechnik Wasseraufbereitung Absorptionskältetechnik Komplexe Energiesysteme Hamburg P. Albring, Dresden 5

6 Forschungs- und Entwicklungsgebiete im ILK Dresden t Werkstofftechnik Solartechnik Umwelttechnik Wärmetechnik 0 C Klimatechnik Kältetechnik -273 C Kryotechnik Hamburg P. Albring, Dresden 6

7 ILK Versuchsfeld Die F&E Tätigkeit im ILK Dresden ist Anwendungsorientiert Hamburg P. Albring, Dresden 7

8 Energiebedarf einer Klima- Kälteanlage Eine Klimaanlage schafft eine Raumtemperatur zwischen ca. 5 15K unter Umgebungstemperatur. Mit Kaltwasser von 6 C wird Luft unter den Taupunkt abgekühlt und entfeuchtet Für einen Temperaturhub zwischen Raum und Umgebung von 5 15 K werden K von einer Kältemaschine realisiert. Die Energieeffektivität wird besser, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur und Umgebungstemperatur ist COP = COP ideal COP ν 0,4...0,65 ideal ν = T U T T = = 9, Hamburg P. Albring, Dresden 8

9 Temperaturdifferenzen in realen Kälteanlagen 50 t [ C] t Umgebung t Raum t Nutz 15 t Aufwandt Carnot Leistungszahl zwischen t C und t 0 Hamburg P. Albring, Dresden 9

10 Temperaturdifferenzen in realen Kälteanlagen t [ C] t min Rückkühler t KüW_E t Umgebung t Raum t Nutz t Luftkühler t KaltW_E t Aufwandt Carnot Leistungszahl zwischen t C und t 0 Hamburg P. Albring, Dresden 10

11 Temperaturdifferenzen in realen Kälteanlagen t [ C] t C t KüW_A t KüW_E t Umgebung t min Rückkühler t W Kühlwasser t Raum t Nutz t Luftkühler 15 t Aufwandt t W Kaltwasser 10 t KaltW_E t KaltW_A 5 t Carnot Leistungszahl zwischen t C und t 0 Hamburg P. Albring, Dresden 11

12 Temperaturdifferenzen in realen Kälteanlagen t [ C] t C t KüW_A t KüW_E t Umgebung t min Rückkühler t W Kühlwasser t min Kondensator t Raum t Nutz t Luftkühler t KaltW_E t KaltW_A t Aufwandt t W Kaltwasser t min Verdampfer 5 t Carnot Leistungszahl zwischen tc und t0 Temperaturdifferenz zwischen Raum und Umgebung realer Temperaturhub in der Kältemaschine 5 K 28 K Hamburg P. Albring, Dresden 12

13 Energiesparpotenziale im Kälteprozess Rückkühler Niedrige Rückkühltemperaturen Große Kühltürme Nasskühltürme Bedarfsgerechte Kältetemperatur: Trennung von Entfeuchtung und Kühlung (Sorptive, Abwärme getriebene Entfeuchtung, DEC) bedarfsgerechte Reglung der Kaltwasservorlauftemperatur Verdichter Wirkungsgradverbesserung Wärmeübertrager mit höherer Wärmedurchgangszahl, größeren Flächen Schaltungsvarianten im Kältekreislauf (Economizer Kältemittel Unterkühlung, Zweistufigkeit, Reduzierung Innerer Druckverluste) Effektive Teillastfahrweise denn der Hauptbetriebsfall ist Teillast Kältemittel?? Hamburg P. Albring, Dresden 13

14 Forderungen an Kältemittel Umweltfreundlich Energieeffektiv Billig bei Herstellung Billig im Betrieb Umweltkriterium für Kältemittel sind vor allem das Ozonzerstörungspotential und Beitrag zum Treibhauseffekt Hamburg P. Albring, Dresden 14

15 Das direkte Potenzial der Umweltbeeinflussung von Kältemitteln Luft Propan Butan Ammoniak CO 2 Ozon Zerstörungspotenzial ODP 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 R a R22 R407c R11 R Treibhauspotenzial GWP Erfasst sind nur die Wirkungen bei Leckagen und der Entsorgung in die Atmosphäre die CO2 Produktion wegen des Energieaufwandes für den Anlagenbetrieb werden im TEWI erfasst Hamburg P. Albring, Dresden 15

16 TEWI: Total Equivalent Warming Impact (gesamter CO2-äquivalenter Treibhauseffekt) Der Aufwand an elektrischer Energie einer idealen Kältemaschine Er ist Abhängig von Umgebungs- und Verdampfungstemperatur des Kälteprozesses Exergiebedarf Entsorgung Leckage Exergieverlust Exergie Aufwand für den Betrieb einer realen Kältemaschine. Der Exergieverlust wächst mit sinkendem Gütegrad. Er kann durch Effektivitätsverbesserungen gesenkt werden, um die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren. Hamburg P. Albring, Dresden 16

17 Der größere Beitrag zur CO 2 Anreicherung der Atmosphäre wird durch den Energieumwandlungsprozess für den Betrieb der Kältemaschine geleistet, Nur ca. 11% verursachen Entsorgung und Leckagen, dieser Anteil entfällt durch den Einsatz natürlicher Kältemittel. Energiebedarf für Kälteerzeugung in Deutschland: Anteil Endenergie (ELT) 14% Anteil Primärenergie 5,8% Frage: Welchen Einfluss hat das Kältemittel auf den Energiebedarf einer Anlage? Hamburg P. Albring, Dresden 17

18 Vergleich der Leistungszahlen unterschiedlicher Kältemittel Achtung absolute Leistungszahlen sind nur unter identischen Temperaturbedingungen miteinander vergleichbar t 0 = 5 C; 7,0 t C = 35 C; t SÜ = 0 K; COP t U = 0 K; ηi = 0,75; 6,5 t ZK = 4K Einstufig 6,0 5,5 5,0 R718 R134a R123 R717 Hamburg P. Albring, Dresden 18

19 Vergleich der Leistungszahlen unterschiedlicher Kältemittel Zweistufig ohne Zwischenkühlung COP 7,0 6,5 t 0 = 5 C; t C = 35 C; t SÜ = 0 K; t U = 0 K; ηi = 0,75; t ZK = 4K Einstufig 6,0 5,5 5,0 R718 R134a R123 R717 Hamburg P. Albring, Dresden 19

20 Vergleich der Leistungszahlen unterschiedlicher Kältemittel R718 TKWS Zweistufig mit Zwischenkühlung Zweistufig ohne Zwischenkühlung COP 7,0 6,5 t 0 = 5 C; t C = 35 C; t SÜ = 0 K; t U = 0 K; ηi = 0,75; t ZK = 4K Einstufig 6,0 5,5 5,0 R718 R134a R123 R717 Hamburg P. Albring, Dresden 20

21 Kaltdampfprozess mit Wasser als Kältemittel Kondensator 32 C R718 R134a Kühlturm p C Q & kw 800 kw Verdichter p C /p 0 >6 >2 p 0 V & m³/h Klimaanlage 6 C Verdampfer p C -p 0 42 mbar 4,9bar p 0 8 mbar (Vakuum) 3,5 bar Hamburg P. Albring, Dresden 21

22 Aus den thermodynamischen Eigenschaften von R718 ergeben sich wesentliche Konstruktionsvoraussetzungen: Strömungsverdichter mit hohem Druckverhältnis Hohe Umfangsgeschwindigkeiten erforderlich ( m/s) Mehrstufigkeit Zwischenkühlung für Wirkungsgradverbesserung und Reduzierung der Verdichtungsendtemperatur Wegen dieser Bedingungen galt Wasser als Kältemittel bis in die Neunzigerjahre nicht realisierbar Hamburg P. Albring, Dresden 22

23 Meilensteine der Entwicklung von Wasser als Kältemittel im ILK Dresden Demonstrations- und Versuchsanlage kW Grundlagenuntersuchung und Großversuchsanlage >500kW Wasserdampfverdichter mit CFRP- Laufrad Begleitung des Ersteinsatzes von R718 Kaltwassersätzen Hamburg P. Albring, Dresden 23

24 Funktionsschema des ersten R718 Turbo KWS direkter Kondensator Zwischenkühler direkter Verdampfer 24 C 26 C 10 C 12 C 24 C 12 C 30 C 30 C 32 C 6 C 4 C 6 C Verdichter 2. Stufe Verdichter 1. Stufe Hamburg P. Albring, Dresden 24

25 Vorteile von Wasser als Kältemittel umweltfreundlich, ungiftig, nicht brennbar, viel billiger als jedes andere Kältemittel, überall verfügbar. Anlagen mit Wasser als Kältemittel arbeiten energieeffektiv, ohne Ölkreislauf, ohne Kältemittelvorrat, ohne Ölvorrat, mit niedrigen Schallemissionen. Wasser verursacht keine Gefährdungen, erfordert keine bauseitigen Sicherheitseinrichtungen, ist sehr gut geeignet für Gebäudetechnik Hamburg P. Albring, Dresden 25

26 Ergebnis der ersten F&E Etappe zu Wasser als Kältemittel Zwischen 1999 und 2001 wurden insgesamt 9 Kaltwassersätze im Leistungsbereich zwischen 400 kw und 1000 kw installiert. (VW Dresden, DaimlerChrysler Düsseldorf, UNI Essen ) Anlagen sind in Produktionsprozesse eingebunden In den vergangenen 10 Jahren gelang der Nachweis von Machbarkeit und Praxistauglichkeit. Kältezentrale der VW Manufaktur Dresden Hamburg P. Albring, Dresden 26

27 Fazit der ersten Entwicklungsphase Turbokaltwassersätze mit Wasser als Kältemittel erfordert einen weiteren Entwicklungsschritt mit den Zielen: Energieeffektivität steigern (Verdichter und Wärmeübertrager) Herstellungskosten reduzieren Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit verbessern Das Programm heißt: III. Generation R718 - Turbokaltwassersatz Hamburg P. Albring, Dresden 27

28 Prinzip Aqua Turbo R718 KWS erste Generation Plattenwärmeübertrager Turboverdichter 2.Stufe Turboverdichter 1.Stufe Direktkondensator Zwischenkühler Direktverdampfer Kühlwasserkreislauf Plattenwärmeübertrager Kaltwasserkreislauf Interne Wasserpumpen Hamburg P. Albring, Dresden 28

29 R718 Turbo Kaltwassersatz dritte Generation Turboverdichter 2.Stufe Turboverdichter 1.Stufe Zwischenkühler Kühlwasserkreislauf Kaltwasserkreislauf Rohrbündel- Rohrbündel- Kondensator Verdampfer Hamburg P. Albring, Dresden 29

30 Aqua Turbo vs. Aquaquantum Hamburg P. Albring, Dresden 30

31 AQUAQUANTUM Hamburg P. Albring, Dresden 31

32 R718 - Turbokaltwassersatz - III. Generation Entwicklung im Rahmen eines vom BMWI unterstüzten Verbundprojekts von ILK Dresden und Axima Refrigeration GmbH Lindau Laufzeit Projektziele: Erster Prototyp KWS 2010 Erste Feldanlagen 2011 Baureihe im Leistungsbereich zwischen 500 kw und 1700 kw mit dem Produktnamen AQUAQUANTUM Hamburg P. Albring, Dresden 32

33 Prüfstand für R718 Hochleistungsturboverdichter Hamburg P. Albring, Dresden 33

34 AQUAQUANTUM Eigenschaften Verbesserte Baureihe Hochleistungsturboverdichter mit Kohlefaserverbundlaufrad Rohrbündelwärmeübertrager mit Hochleistungsrohren für minimale Temperaturdifferenzen Modulares Baureihenkonzept für Leistungsbereich zwischen kW Jede Verdichterstufe verfügt über einen Drehzahlgeregelten Antrieb für gutes Teillastverhalten Hamburg P. Albring, Dresden 34

35 Perspektiven von Wasser als Kältemittel In Kaltwassersätzen: Durch verfahrenstechnische Verbesserungen, technologische Entwicklung und konstruktiven Fortschritt werden die Herstellungskosten soweit sinken, dass die Anlagen zu wettbewerbsfähigen Kosten angeboten werden können. Turbo KWS mit Wasser als Kältemittel können zur Erhöhung der Energieeffizienz in der Kältetechnik beitragen Turboverdichterkonzept ist geeignet für weitere Applikationen: Meerwasserentsalzung Vakuumeiserzeugung, Eisspeicher Hamburg P. Albring, Dresden 35

36 Beitrag zur CO2 Reduzierung Simuliertes Leistungsfeld C COP 18 C 21 C Kühlwasser Eintritt 23 C 25 C 27 C 27 C 40% 60% 80% 100% Kälteleistung Mit den angestrebten Werten für f die Effektivität t des Turboverdichters werden Kaltwassersätze tze mit sehr guten Leistungszahlen Kaltw asser Ein/Aus angeboten 18 C/ 12 C 16 C/ 10 C 14 C/ 8 C 12 C/ 6 C Hamburg P. Albring, Dresden 36

37 Ende der Präsentation Institut für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbh Bertolt-Brecht-Allee Dresden Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Dr. Peter Albring Tel.: / Fax: / peter.albring@ilkdresden.de www: