pakt. Kältetechnik // Vortrag Energetische Optimierung von Kälteanlagen pakt GmbH

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1 pakt. Kältetechnik // Vortrag Energetische Optimierung von Kälteanlagen pakt GmbH

2 Etwa 14 % des gesamten Elektroenergiebedarfs der Bundesrepublik werden für den Betrieb von Kälte- und Klimaanlagen benötigt. Damit sind Kälte- und Klimaanlagen bedeutsame Verbraucher und mit deren optimierter Ausführung sind erhebliche Energieeinsparungen bei gleichzeitiger Minimierung des CO2 Ausstoßes verbunden. Optimierung von Altanlagen und optimierte Ausführung von Neuanlagen erfordern einen entsprechend hohen Finanzaufwand. Bei der Schulterung hilft die Bundesregierung mit dem Programm: Förderung von Klimaschutzmaßnahmen an gewerblichen Kälteanlagen 2

3 Bis zu 35 % Förderung der Nettoinvestitionskosten möglich! Voraussetzungen zur Förderung bis 25 %: Verwendung von Ammoniak, Kohlendioxid oder Propan als Kältemittel (natürliche Kältemittel) Verwendung von energieeffizienten Komponenten Verwendung von elektronischen Expansionsventilen usw. Einsatz von Frequenzumformern für Verdichter-, Lüfter und Pumpenmotore Auslegung für min KWh/a Energieverbrauch bzw. Energiekosten von ,00 Separater Elektroenergiezähler Wartungsvertrag mit einem Fachbetrieb 3

4 Erweiterte Voraussetzungen zur Förderung bis 35 %: Erweiterte Voraussetzungen zur Förderung bis 35 %: Nichtelektrische Antriebe für Verdichter, z.b. Gasmotor Nutzung der Abwärme Weitere Informationen unter 4

5 Bekannte Optimierungsversuche betrafen bisher immer nur Baugruppen der Anlage und nur selten den gesamten Prozess und führten zu keiner deutlichen Verbesserung des Prozesses. Die aufzuwendende Elektroenergie ist abhängig von der zu überwindenden Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur (liegt unterhalb der Kühltemperatur) und der Verflüssigungstemperatur (liegt oberhalb der Außenlufttemperatur). Kleine Differenzen sind anzustreben, da diese den günstigsten Elektroenergiebedarf nach sich ziehen. Anderseits werden von der Lebensmitteltechnologie und der Lebensmittelhygiene immer niedrigere Kühlraumtemperaturen verlangt, welche den Bestrebungen zur Reduzierung des Energieaufwandes entgegen stehen. 5

6 Ebenso wirkt die globale Erwärmung, welche eben auch, wegen der höheren Außentemperaturen, zu größeren zu überwindenden Temperaturdifferenzen und somit zu höherem Energieverbrauch führt. Der höhere Energieverbrauch führt dann wiederum zur Beschleunigung der Globalen Erwärmung. Ziel unserer Bemühungen ist es einen Beitrag zur Reduzierung des Elektroenergiebedarfs der Kälteanlagen zu leisten. Dabei soll natürlich gleichzeitig der Kohlendioxidausstoß minimiert werden und ein Beitrag zur Eindämmung der globalen Erwärmung geleistet werden. In der Lehre und Literatur werden für die Auslegung von Kälteanlagen immer noch Außentemperaturen, Feuchtkugeltemperaturen und daraus resultierende Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen wie vor 50 Jahren angesetzt. 6

7 Ungenügend oder gar nicht berücksichtigt werden die Veränderungen beim Klima und die veränderten, d.h. erhöhten Energiekosten. Dies zeigen auch aktuelle Ausschreibungsverfahren, die sich nur an niedrigen Investitionen orientieren aber nicht die Betriebskosten bzw. die Lebenszykluskosten einbeziehen. So werden die von der Deutschen Energieagentur herausgegebenen Hinweise zur Optimierung von Kälteanlagen, selbst von Fachleuten nur unzureichend berücksichtigt. Einzig ist teilweise das Bestreben zu beobachten, dass mit verfeinerten Steuerungen und stufenlosen Drehzahlreglungen, Einsparungen erzielt werden sollen. Dies ist sicherlich auch im Bereich von 2 bis 5 % möglich. Die wesentliche Quelle der Energieeinsparung wird durch Anpassung der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur erreicht. 7

8 Für eine Ammoniakkälteanlage mit einer Verdampfungstemperatur von 10 C und 35 C Verflüssigungstemperatur ergibt sich: Eine Reduzierung des Energieaufwandes um 12 % bei Senkung der Verflüssigungstemperatur um 5 C auf 30 C. Eine Erhöhung des Energieaufwandes um 27 % bei Erhöhung der Verflüssigungstemperatur um 5 C auf 40 C. 8

9 Der einfache Kaltdampf-Kompressions-Prozess In Abbildung 1 ist der einfache Kaltdampf-Kompressions-Prozess als Anlagenschema und im log-p,h-diagramm dargestellt. Abbildung 1: Schema des einfachen Kaltdampf- Kompressions-Prozess und die Darstellung im log-p,h-diagramm Er setzt sich aus folgenden Zustandsänderungen des Kältemittels zusammen: 1-2: Verdichtung unter Zufuhr von Antriebsleistung 2-3: Wärmeabgabe durch Enthitzung und Kondensation 3-4: Entspannung 4-1: Wärmeaufnahme durch Verdampfung 9

10 Kälteanlagen sollten so konzipiert sein, dass Spitzenlasten problemlos abgefahren werden können und im Teillastbetrieb eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht wird. Nachfolgend sind einige Anlagenvarianten auf der Basis einer Kälteleistung von 370 KW gegenübergestellt. 10

11 Energie- und Wasserverbrauch Variante Typ elt. Wasser Verdampfungstemperatur Kondensationstemperatur COP Kompressoren Verflüssiger luftgekühlt Verdunstungsv erflüssiger Verbrauch C C KW KW KW m3/h 1. NH3 Pumpenzwangsumlauf Verflüssigung Standart ,8 97,37 0 4,40 1,10 1,50 2. NH3 Pumpenzwangsumlauf Verflüssigung kombiniert ,48 82,59 9 4,40 0,75 1,45 3. R134a Trockene Verdampfung Verflüssigung Standart ,35 157,45 15,52 0,00 0,00 4. R134a Trockene Verdampfung Verflüssigung kombiniert ,07 90,91 8,76 4,40 1,10 1,47 5. R404a Trockene Verdampfung Verflüssigung Standart ,46 150,41 15,52 0,00 0,00 6. R404a Trockene Verdampfung Verflüssigung kombiniert ,98 92,96 8,76 4,40 1,10 1,48 Alle Varianten mit Economizer 11

12 Vorraussetzung für die weitere Betrachtung: Alle Varianten mit Economizer Jahreslaufzeit Kompressoren 4380 h/a Verflüssiger Standart, luftgekühlt Verflüssiger kombiniert, luftgekühlt Verdunstungsverflüssiger Standart Verdunstungsverflüssiger optimiert 4380 h/a 3500 h/a 4380 h/a 1000 h/a Preise 0,11 /KWh 2,5 /m3 12

13 Betriebskosten Variante Typ elt. Kompressoren Verflüssiger luftgekühlt Investitionskosten Verdunstungsverflüssiger Wasser Summe Betriebskosten 1. NH3 2. NH3 3. R134a Pumpenzwangsumlauf Verflüssigung Standart Pumpenzwangsumlauf Verflüssigung kombiniert Trockene Verdampfung Verflüssigung Standart T T T T T T 46,91 2, ,38 65,94 564,6 39,79 3,465 0,5665 3,62 47,44 615,2 75,86 7, ,35-85,69 465,7 4. R134a Trockene Verdampfung Verflüssigung kombiniert 43,80 3,3726 0,605 3,69 51,46 492,7 5. R404a Trockene Verdampfung Verflüssigung Standart 72,47 7, ,46-82,40 462,5 6. R404a Trockene Verdampfung Verflüssigung kombiniert 44,79 3,3726 0,605 3,70 52,47 488,6 13

14 Deutlich wird die Situation in der nachfolgenden Darstellung im Diagramm in welchem Investitionen und Betriebskosten der einzelnen Varianten gegenübergestellt sind. 700,00 Betriebskosten Investition 600,00 564,6 615,2 500,00 465,7 492,7 462,5 488,6 Kosten in T 400,00 300,00 200,00 100,00 65,94 47,44 85,69 51,46 82,4 52, Varianten 14

15 Die kombinierte Verflüssigung kombiniert einen luftgekühlten Verflüssiger mit einem Verdunstungsverflüssiger. Dabei hat der Verdunstungsverflüssiger seine Vorteile bei hohen Außenlufttemperaturen und der luftgekühlte Apparat bei mittleren und niedrigen Temperaturen. Die Kombination ist so konzipiert, dass unterhalb von 10 C nur noch luftgekühlt gearbeitet wird, d.h. der Verdunstungsverflüssiger arbeitet trocken. Der entscheidende Vorteil der kombinierten Verflüssigung ist, dass auch im Sommer eine sehr hohe Kälteleistung bei günstigen Energiekosten zur Verfügung steht. 15

16 Die vorgenannte Betrachtung erfolgte unter der Annahme von Volllast. Nachfolgend soll das Teillastverhalten betrachtet werden. Leistungscharakteristik NH3-Schraubenverdichter ohne Eco (Grasso TR) bei unterschiedlicher Laststufe to/tc = - 7/+35 C Verflüssigung tc C Kälteleistung Qo KW Antriebsleistung Pe KW COP = Qo/Pe KW Pe/KW Qo KW/KW % ,30 254,9 4,12 0, , ,20 223,5 4,84 0, , ,00 194,4 5,72 0, , ,90 193,7 5,88 0, ,10 16

17 Diagramm zur Leistungscharakteristik Kälteleistung zu Antriebsleistung Leistungscharkteristik 880 Leistung in KW Leistungsstufen 100 bis 10 % Wie kommen wir in den Teillastbereich? a) Unterschiedliche Leistungsanforderung der Technologie b) Jahreslauf der Außentemperatur und der Außenfeuchte 17

18 Leistungscharakteristik NH3-Schraubenverdichter ohne Eco (Grasso TR)bei unterschiedlicher Verflüssigungstemperatur to/tc = - 7 C Verflüssigung Tc C Kälteleistung Q0 KW Antriebsleistung Pe KW COP=Q0/Pe Verhältnis Pe/Q0 KW/KW Verhältnis Pe/Q0/Q0 % ,30 254,90 4,12 0, ,00% ,80 223,50 4,84 0, ,21% ,30 194,40 5,72 0, ,15% ,70 193,70 5,88 0, ,10% 18

19 Mit fallender Verflüssigungstemperatur steigt die Kälteleistung. Die Leistung des Verdampfers bleibt konstant. Deshalb muss die Leistung des Verdichters zurückgeregelt werden oder es stellt sich eine entsprechend niedrigere Verdampfungstemperatur ein. Beides ist wiederum mit einer Verschlechterung des COP verbunden. Ausweg! Frequenzgeregelte Antriebsmotore Aufteilung der Kälteleistung auf mehrere Verdichter 19

20 Indirekte Kühlung oder direkte Kühlung? Gegenüberstellung einer Direktverdampfenden NH3-Kälteanlage mit einer NH3-Solekälteanlage Kälteleistung Direkt -5/+35 C Indirekt -7/+35 C COP ohne Eco 4,41 4,12 COP mit Eco 4,46 4,37 Kraftbedarf Verdichter mit Eco KW 226,76 242,72 Kraftbedarf Verdichter ohne Eco KW 224,22 228,83 Pumpenleistung NH3, n= 3 m3/h KW 13,08 1,16 erf. Rohrleitungsquerschnitt DN 80/150 Pumpenleistung Glykol -4/+2 C m3/h KW 143,33 17,77 erf. Rohrleitungsquerschnitt DN 150/150 Summe Kraftbedarf mit Eco 227,92 260,49 Summe Kraftbedarf ohne Eco 225,37 246,60 Indirekte Kühlung energetisch schlechter! 20

21 Indirekte Kühlung energetisch schlechter! Indirekte Kühlung mit höheren Investitionskosten! Direkte Kühlung mit höherem Kältemittelvolumen und ggf. höherem Gefahrenpotential! Wenn schon indirekt, dann mit den Verbrauchern zugeordneten, möglichst geregelten Solepumpen und Aufteilung in Primär- und Sekundärkreis mit hydraulischer Weiche/ Speicher! 21

22 Zentral oder Dezentral? Besser ist die Frage nach den erforderlichen Temperaturniveaus zu stellen. Sehr häufig, auch für sehr große Anlagen, wird nur noch mit einem Temperaturniveau auf der Erzeugerseite gearbeitet und dies liegt auf dem für die Technologie niedrigstem Niveau, z.b. bei 8 C Verdampfungstemperatur, obwohl für die Eiswassererzeugung (Durchlaufkühlung) nur eine Verdampfungstemperatur von 1 C notwendig wäre. Gegenüberstellung Verdampfungstemperatur bei 8 und - 1 C NH3-Schraubenverdichteranlage direktverdampfend mit 1000 KW Kälteleistung Kälteleistung -8/+35 C -1/+35 C % COP ohne Eco 4,28 5,07 118,46% COP mit Eco 4,23 5,32 125,77% Kraftbedarf Verdichter mit Eco KW 233,64 197,24 84,42% Kraftbedarf Verdichter ohne Eco KW 236,41 187,97 79,51% Eine gesonderte Kälteanlage zur Eiswassererzeugung ist aus energetischer Sich immer sinnvoll! 22

23 Zentrale Anlage Zentrale NH3-Kälteanlage mit 2 Schraubenverdichtern, Pumpenzwangsumlauf des Kältemittels Den Vergleich für Zentral und Dezentral will ich für eine Leistung von 1000 KW machen. 100% Kälteleistung zentrale Anlage -7/+35 C Dezentrale Anlage -7/+35 C Eiswasser -1/+35 C Kälteleistung KW Summe COP ohne Eco 4,12 3,92 3,92 3,92 4,82 COP mit Eco 4,37 4,07 4,07 4,07 4,91 Kraftbedarf Verdichter mit Eco KW 242,72 63,78 63,78 63,78 51,87 243,19 Kraftbedarf Verdichter ohne Eco KW 228,83 61,43 61,43 61,43 50,92 235,19 Dezentrale Anlage 4 Dezentrale Kälteanlagen mit je einem Schraubenverdichter, Pumpenzwangsumlauf des Kältemittels 50% Teillast zentrale Anlage -6/+29 C Dezentrale Anlage -7/+35 C Eiswasser -1/+35 C Kälteleistung KW COP ohne Eco 5,22 3, ,82 COP mit Eco 5,45 4, ,91 Summe Kraftbedarf Verdichter mit Eco KW 95,79 63, ,87 115,64 Kraftbedarf Verdichter ohne Eco KW 91,74 61, ,92 112,34 23

24 Die dezentrale Anlage ist energetisch schlechter. Dies hängt u.a. damit zusammen, dass kleinere Schraubenverdichter ein geringeres COP als größere haben. Darüber hinaus können bei der zentralen Anlage auch im Teillastbetrieb die Wärmetauscher mit ihrer vollen Fläche genutzt werden, was zu entsprechend kleineren Temperaturdifferenzen, d.h. in der Folge höheren Verdampfungstemperaturen und niedrigeren Verflüssigungstemperaturen führt. Die Investitionen für eine dezentrale Anlage liegen über dem Niveau von zentralen Anlagen. 24

25 Zur Beantwortung von Fragen, zur Beratung, Erarbeitung von Konzepten und Angeboten zur Realisierung stehe ich gern zur Verfügung. Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Dittrich pakt GmbH Potsdamer Anlagenbau und Kältetechnik GmbH Anni-von-Gottberg-Str. 3, D Potsdam Fon +49 (0) Fax +49 (0) Mobile +49 (0) Skype diwdiw1 Web pakt. Kühle Köpfe - Klare Konzepte. Geschäftsführer: Wolfgang Dittrich, Rainer Lingner Steuer-Nr.: 046/ 116/ USt.-IdNr.: DE HRB Nr.: 138, Amtsgericht Potsdam Sitz der Gesellschaft: Potsdam 25

26 Vielen Dank Anni-von-Gottberg-Straße 3, D Potsdam Visitenkarten_06.indd , 15:33 Uhr Visitenkarten_06.indd , 15:33 Uhr 26

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Phone: +49 5151 809555 2-3 650 800-150 150 --- Fax: +49 5151 809557 3-4 650 800-150 150 --- info@opp-tec.de 4-5 650 800-150 150 --- Ice-bank 12 Hours 6 Hours Time Heat-load Cooling-plant Difference Ice-bank Ice-bank --- Capacity Capacity Capacity Loading Unloading --- kw kw kw kw kw - 1 65 8-15 15 --- 1-2 65 8-15 15 --- Phone: +49

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