Kältemittel für Gewerbe-, Prozess- u. Industrieanwendung bei der Erzeugung, Lagerung u. Verteilung von Nahrungsmitteln
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- Wilhelm Berg
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1 Seminar: Energieeffizienz in der Gewerbe-, Prozess- und Großkälte Kältemittel für Gewerbe-, Prozess- u. Industrieanwendung bei der Erzeugung, Lagerung u. Verteilung von Nahrungsmitteln Dr.- Ing. Rainer M. Jakobs DMJ Beratung, Breuberg Folie Jakobs Kältemittel Nahrungsmittelkette Agenda Umwelt-Herausforderung Kältemittel Rückblick -Begriffe -Anforderungen -aktuelle TEWI Ökoeffizienz Verordnungen (Europa und Deutschland) Kältemittelstrategie Zusammenfassung Folie Jakobs Kältemittel
2 Kältebedarf in Deutschland in GWh/a Industry 3% Total: GWh/a AC 29% Food 66% Misc. 2% Residential 24% Process 51% Distribution - Stores 18% Source: DKV Statusbericht Nr Transport 7% Folie Jakobs Kältemittel Nahrungsmittelkette Folie Jakobs Kältemittel
3 Herstellung R717 R744 (R22) Fleisch...Geflügel...Backwaren... Folie Jakobs Kältemittel Foodstuff Chain Cold stores Cold Rooms Logistic stores R717 R744 (R22) Folie Jakobs Kältemittel
4 Foodstuff Chain Truck Trailer Container R134a R404A R410A Folie Jakobs Kältemittel Supermarket R134a R404A R290 R744 (R22) Folie Jakobs Kältemittel
5 Kältemittel Supermarkt (e.g. : REWE group : technology development) LT : R502 MT : R22 LT : R22 MT : R22 LT : R404A MT : R404A LT : R404A MT : R134a Start test: LT : R744 (CO2) MT : R134a Folie Jakobs Kältemittel Promising solution: - reduction of energy - refrigerant-charge lower - environment friendly Plug-in cabinets The number of sold plug-in display cabinets is increasing. This type is especially installed in discounters and indicates a trend. In discounter stores new display cases nowadays will be equipped with the refrigerant R290 (propane). Latest Version: -20% energy consumption; speedcontrol driven compressor Folie Jakobs Kältemittel
6 Commercial Refrigeration misc. R134a R 290 R404A R600a R744 Folie Jakobs Kältemittel Global Policies Globale Vereinbarungen 1987: Montreal Protocol phase out ozone depleting substances Verbot von ozonschädigenden Stoffen The ozone hole Das Ozon Loch 1997: Kyoto Protocol & post Kyoto agreements control of greenhouse gas emissions Kontrolle von Treibhausgasen concern on high GWP refrigerants Opportunities for heat pumps Kyoto: -5% greenhouse gas emission by 2012 Post Kyoto: -25% to -40% by 2020 Global warming Globale Erwärmung Folie Jakobs Kältemittel
7 Die Treiber für weniger Energie (EU Politik) Globale Erwärmung weniger CO 2 äquiv. Economy weniger Primärenergie ENERGIE ENERGIE ENERGIE Sicherheit der Versorgung Mehr erneuerbare Energie Folie Jakobs Kältemittel Emissionen in Deutschland Äquivalente Folie Jakobs Kältemittel
8 Treibhausgas-Emissionen nach Gasen und Quellkategorien Tabelle 10 Deutschland Energiedaten letzte Änderung: Folie Quelle: Umweltbundesamt Jakobs Kältemittel Basiswert * Treibhausgasemissionen in Mt CO 2 -Äquivalent Gesamt nach Gasen Gesamt ohne Landnutzungsänderung CO CO 2 ohne Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft CH N 2 O HFCs PFCs SF Gesamt nach Quellkategorien Energie Industrieprozesse Lösemittel und andere Produktverwen Landwirtschaft Landnutzungsänderung und Forstwirt Müll Mio. t CO 2 Äquivalente *) Für das Treibhausgas-Minderungsziel im Rahmen des Kyoto-Prozesses wird je nach emittiertem Gas das Basisjahr 1990 bzw zugrunde gelegt. Treibhausgas-Emissionen Deutschland Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen, , UBA, THG-Emissionen [Mt CO2-äq] Mt CO 2 -äq SF6: 0,59 % PFKW: 0,06 % H-FKW: 1,18 % N 2 O: 5,94 % CH 4 : 4,53 % CO 2 : 87,7 % H-FKW, sonstige. H-FKW Gesamte Kälte-Klima-WP < 1 % Folie Jakobs Kältemittel
9 Globale Erwärmung Total Equivalent Warming Impact (TEWI) Leckagen direkt indirekt Kältebedarf Endenergie Faktor 2,6 Primärenergie Folie Jakobs Kältemittel Kältemittel Bis 1930 Folie Jakobs Kältemittel
10 Kältemittel 1834: Perkins meldet erste Kaltdampfkälteanlage zum Patent an: Kältemittel waren Äther und CO 2. (Feuergefahr bei Äther) 1876: Carl von Linde baut erste NH 3 -Kälteanlage (geringere Drücke => Vorteil gegenüber CO 2 ) 1928: Midgley und Henne entdecken/erfinden die fluorierten Kohlenwasserstoffe (Sicherheitskältemittel nach damaligem Stand unbedenklich) R11 R12 R22 R 500 R502 R13 R13B1 R113 R114 R : Molina und Rowland stellen eine Hypothese auf: FCKW's zerstören die Ozonschicht => 1987: Unterzeichnung des Montrealer Protokolls geschärfte Sinne für Umweltbeeinflussung => 1997: Unterzeichnung des Kyoto Protokolls (Ziel: globale Reduzierung der Treibhausgasemission um 5,2% im Zeitraum ) => freiwillige Beschränkungen; Diverse EU-Verordnungen stehen an Folie Jakobs Kältemittel Kältemittel Basis: Methan CH 4 Äthan H 6 Propan C 3 H 8 Butan C 4 H 10 C H oder F, Cl, Br toxisch Cl hohe Lebensdauer in der Atmosphäre Basis: Methan (CH 4 ) CCl CCl 4 4 H F CHCl 3 CFCl 3 R11 brennbar CH 2 Cl 2 CHFCl 2 CF 2 Cl 2R12 15 Varianten CH 3 Cl CH 2 FCl CHF 2 Cl R22 CF 3 Cl R13 CH 4 CH 3 F CH 2 F 2 CHF 3 R23 CF 4 R14 Folie Jakobs Kältemittel
11 Kältemittel Basis: Äthan ( H 6 ) Cl 6 28 Varianten HCl 5 FCl 5 H 2 Cl 4 HFCl 4 F 2 Cl 4 H 3 Cl 3 H 2 FCl 3 H 2 F 2 Cl 3 F 3 Cl 3 H 4 Cl 2 H 3 FCl 2 H 2 F 2 Cl 2 HF 3 Cl 2 F 4 Cl 2 H 5 Cl H 4 FCl H 3 F 2 Cl H 2 F 3 Cl HF 4 Cl F 5 Cl H 6 H 5 F H 4 F 2 H 3 F 3 H 2 F 4 HF 5 F 6 Methan CH 4 : 15 Varianten Äthan H 6 : 28 Varianten Propan C 3 H 8 : 45 Varianten Butan C 4 H 10 : 66 Varianten 154 Stoffe Folie Jakobs Kältemittel Kältemittel Nomenklatur Bezeichnung: Deutsch/Englisch Beispiel Beschreibung FCKW / CFC R11, R12 Vollhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe HFCKW/ HCFC R22 Teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe HFKW / HFC R134a Teilfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe PFKW / PFC R14, CF4 Perfluorierte Kohlenwasserstoffe KW / HC R290, Propan Kohlenwasserstoffe Die Kältetechniker konnten mit den rein chemischen Bezeichnungen nicht so viel anfangen => eigene Bezeichnungen: R + Nummer R+90 - Regel: R134a = Anzahl der F-Atome Anzahl der H-Atome Anzahl der C-Atome Die nicht gesättigten C-Verbindungen werden durch Chlor aufgefüllt. Folie Jakobs Kältemittel
12 Kältemittel Nomenklatur Namenszusätze/Ausnahmen: - "a" = unsymmetrisch (ohne "a" = Symmetrisch) - A,B,C = Varianten bei Gemischen mit leicht veränderter Zusammensetzung 400er Reihe: zeotrope Kältemittelgemische (z.b. R404A, R407C,...) 500er Reihe: azeotrope Kältemittelgemische (z.b. R502, R507A,...) 600er Reihe: Kohlenwasserstoffe (z.b. Isobutan) 700er Reihe: Anorganische Stoffe (z.b. R717, R744,...): Zahl nach der 7 ist die Molmasse Folie Jakobs Kältemittel Anforderungen Physikalische Eigenschaften Thermodynamische Eigenschaften Chemische Eigenschaften Physiologische Eigenschaften Wirtschaftliche Forderungen Ökologische Eigenschaften Die Brauchbarkeit eines Fluides als Kältemittel hängt von seinen Eigenschaften ab. Die Anforderungen für ein ideales Kältemittel sind bei keinem Fluid zugleich anzutreffen, sodass immer Kompromisse eingegangen werden mussten und für die jeweilige Anwendung das geeignete Fluid ausgewählt und eingesetzt wird. Auslegungsprogramme: z.b. vom FKW Hannover; Solvay; Dupont;... Folie Jakobs Kältemittel
13 Kältemittel R134a R1234yf R290 R1270 R22 R407C R404A R410A R507 R600a R717 R744 Formel CF3CH2F CH2=CFCF3 C3H8 CH2=CHCH3 CHCLF2 Gruppe HFKW HFO Hydrofluorolefin Vergleich der gängigsten Kältemittel (Stand 2009) Kohlenwasserstoff (halogenfrei) Kohlenwasserstoff (halogenfrei) R32/125/134a CH 2F 2+CF 3CHF 2F R143a/125/134a CF 3CHF 2+CF 3CH 3 R32/125 CH 2F 2+CF 3CHF 2 HFCKW HFKW HFKW HFKW HFKW R125/R143a CF 3CHF 2+CF 3CH 3 C 4 H 10 NH 3 CO 2 Kohlenwasserstoff (halogenfrei) Anorganisches Kältemittel Organisches Kältemittel Sicherheitsgruppe A1 (A2) A3 A3 A1 A1 A1 A1 A1 A3 B2 A1 ODP , GWP Molmasse [kg/kmol] 102,0 114,0 44,1 42,1 86,5 86,2 97,6 72,6 98,9 58,1 17,0 44,0 Praktischer Grenzwert [kg/m3] 0,25 0,008 0,008 0,3 0,31 0,48 0,44 0,49 0,011 0, ,07 Siedetemperatur bei 1 bar [ C] -26,4-29,7-42,4-48,0-41,0-37,0-46,1-51,8-47,4-11,9-33,7-78,6 Kritische Temperatur [ C] 101,1 94,8 96,7 92,4 96,2 86,1 72,1 70,2 70,8 134,7 132,4 31,0 Kritischer Druck [bar] 40,7 32,7 42,6 46,6 49,9 46,2 37,4 47,7 37,2 36,3 113,0 73,8 Isentropenexponent (1 bar, 0 C) 1,10 1,11 1,12 1,15 1,18 1,13 1,13 1,19 1,10 1,08 1,31 1,30 Klimaanwendung: t 0 = 5 C t c = 50 C Δt oh = 5K Q 0 = 100 kw Volumetrische Kälteleistung [kj/m³] Heißgastemperatur isentrop [ C] Verdampfungsdruck [bar] 3,5 3,7 5,5 6,8 5,8 5,5 7,1 9,3 7,3 1,9 5,2 39,7 Verflüssigungsdruck [bar] 13,2 12,8 17,1 20,6 19,4 22,1 23,1 30,6 23,6 6,8 20,3 73,8 Druckverhältnis 3,8 3,5 3,1 3,0 3,3 4,0 3,3 3,3 3,2 3,7 3,9 1,9 Massenstrom [kg/h] 0,75 0,98 0,40 0,39 0,68 0,72 1,05 0,70 1,09 0,40 0, COP 4,73 4,49 4,64 4,61 4,78 3,99 4,01 4,27 4,00 4,80 5, Normalkühlung: t 0 = -5 C t c = 30 C Δt oh = 10 K Q 0 = 100 kw Volumetrische Kälteleistung [kj/m³] Heißgastemperatur isentrop [ C] Verdampfungsdruck [bar] 2,4 2,6 4,1 5,0 4,2 3,9 5,1 6,8 5,4 1,3 3,6 30,5 Verflüssigungsdruck [bar] 7,7 7,7 10,8 13,1 11,9 13,6 14,3 18,8 14,7 4,0 11,7 72,1 Druckverhältnis 3,2 2,9 2,7 2,6 2,8 3,5 2,8 2,8 2,7 3,1 3,3 2,4 Massenstrom [kg/h] 0,62 0,78 0,33 0,32 0,57 0,58 0,78 0,55 0,80 0,34 0,09 0,69 COP 6,46 6,32 6,39 6,33 6,42 5,30 5,93 6,08 5,99 6,60 6,48 3,77 Tiefkühlung: t 0 = -30 C t c = 30 C Δt oh = 15 K Q 0 = 100 kw Volumetrische Kälteleistung [kj/m³] Heißgastemperatur isentrop [ C] Verdampfungsdruck [bar] 0,8 1,0 1,7 2,1 1,6 1,4 2,0 2,7 2,2 0,5 1,2 14,3 Verflüssigungsdruck [bar] 7,7 7,7 10,8 13,1 11,9 13,6 14,3 18,8 14,7 4,0 11,7 72,1 Druckverhältnis 9,1 7,8 6,4 6,2 7,3 9,7 7,0 7,0 6,8 8,8 9,7 5,1 Massenstrom [kg/h] 0,67 0,87 0,35 0,34 0,60 0,62 0,85 0,57 0,88 0,38 0,09 0,67 COP 3,05 2,94 3,04 3,01 3,07 2,64 2,76 2,89 2,77 3,13 3,03 1,80 Variable Bedingungen: t 0 = -10 C t c = 50 C Δt oh = 10 K Q 0 = 100 kw Volumetrische Kälteleistung [kj/m³] Heißgastemperatur isentrop [ C] Verdampfungsdruck [bar] 2,0 2,2 3,5 4,3 3,5 3,2 4,3 5,7 4,5 1,1 2,9 26,5 Verflüssigungsdruck [bar] 13,2 12,8 17,1 20,6 19,4 22,1 23,1 30,6 23,6 6,8 20,3 73,8 Druckverhältnis 6,6 5,8 5,0 4,8 5,5 6,9 5,3 5,3 5,2 6,3 7,0 2,8 Massenstrom [kg/h] 0,78 1,04 0,41 0,40 0,69 0,74 1,09 0,70 1,13 0,43 0,10 0,84 Folie COP Jakobs 3,12 2,93 Kältemittel 3,08 3,06 3,18 2,70 2,61 2,83 2,60 3,23 3,34 2,54 Ozone Depletion Potential (ODP) und Global Warming Potential (GWP) R404A Folie Jakobs Kältemittel
14 Übersicht aktuelle Kältemittel Refrigerant Categories Quelle: Bitzer KM- Report Folie Jakobs Kältemittel Übersicht aktuelle Kältemittel Quelle: Bitzer KM- Report Folie Jakobs Kältemittel
15 Kältemittel R134a R290 R404A R407C R410A R507 R600a R717 + R723 R744 R1270 R... HFO 1234yf Folie Jakobs Kältemittel TEWI: Total Equivalent Warming Impact (gesamter äquivalenter Treibhauseffekt) Scholten, W.,1992. Das TEWI - Konzept zur Ermittlung des Treibhausbeitrages alternativer Kältemittel und Kälteerzeugungsverfahren; DKV Tagung Bremen 1992 DKV Statusbericht Nr. 13 (1993): Beitrag der Deutschen Kälte-Klima- und Wärmepumpentechnik zur Verringerung der Treibhausbelastung bis zum Jahre 2005 FKT 96/03 Forschungsberichte: Aktuelle TEWI-Betrachtung von Kälteanlagen mit HFKW- und PFKW- Kältemitteln unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Rahmenbedingungen für verschiedene Anwendungsgebiete Folie Jakobs Kältemittel
16 Berechnungsansatz nach DIN Direkte Emissionen indirekte Emissionen TEWI = GWP L n + GWP m (1 α R ) + n E a β mit GWP: Global Warming Potential [-] L: Leckrate der Kälteanlage [kg/a] n: Betriebszeit der Anlage [a] m: Kältemittelfüllmenge der Anlage [kg] α R : Rückgewinnungsanteil bei der Anlagenentsorgung[-] E a : Jahresenergiebedarf [kwh/a] β: CO 2 -Emission je kwh Energiebedarf [kg/kwh] Folie Jakobs Kältemittel TEWI Beispielberechnung NK Discounter TEWI = GWP L n + GWP m (1 α R ) + n E a β R134a GWP= 1300 L= 0,8 kg/a 2%/a m = 40 kg n=12 Jahre α R = 0,95 Ea = kwh/a β = 0,57 kg /kwh TEWI = , , ,57 = kg TEWI pro Jahr: kg Folie Jakobs Kältemittel
![Energiebedarf [kg/kwh] Folie 31 7.5.](/docs-images/48/23865277/images/page_16.jpg "2010 Jakobs Kältemittel TEWI Beispielberechnung NK Discounter TEWI = GWP L n + GWP m (1 α R ) + n E a β R134a GWP= 1300 L= 0,8 kg/a 2%/a m = 40 kg n=12 Jahre α R = 0,95 Ea = 50.")
17 TEWI im Vergleich pro Jahr kg CO 2 äquiv NK beim Discounter: PKW km (0,150 kg/km): Heizung Öl (0,35 kg/kwh) m² 200 kwh/m² a Kühlschrank ( L)A kWh/a R600a Folie Jakobs Kältemittel Das Öko-Effizienz-Konzept Lebenszykluskosten (Investitions-,Betriebsund Kapitalkosten) Ökobilanz nach ISO ff. Ökoeffizienzkonzept berücksichtigt Ökonomie und Ökologie im Lebenszyklus-Ansatz Folie Jakobs Kältemittel
18 Das Öko Effizienz-Portfolio niedrig hohe Ökoeffizienz Umweltauswirkung fallende Ökoeffizienz steigende Ökoeffizienz hoch niedrige Ökoeffizienz Kosten niedrig Linien gleicher Ökoeffizienz Folie Jakobs Kältemittel Ökoeffizienzanalyse: Supermarktkälteanlagen hinsichtlich GWP Berechnung mit Standardparametern 0,6 R404A/ R404A 0,8 R134a/ R404A Kostenvorteil 1,0 1,2 R404A SOLE/ R404A R404A/ R744 R134a/ R744 R 717 SOLE/ R744 1,4 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 Umweltvorteil Folie Jakobs Kältemittel
19 Kältemittel-Verordnungen ChemKlimaschutzV (Verschärfung) der EU 842/2006 GWP Folie Jakobs Kältemittel Verordnung (EG) Nr. 842/2006 F-Gase Verordnung (gültig ab 4. Juli 2007) Senkung der Emissionen von fluoriertentreibhausgasen Dichtheitskontrollen Dokumentationspflicht (Wartung und Inspektion) Verantwortung der Betreiber von Anlagen Berichterstattungspflicht für Hersteller und Importeure Folie Jakobs Kältemittel
20 ChemKlimaschutzV 2. Juli 2008 Kältemittelverlust Satz 1 Nach vor Ort <10kg 3 % >10<100kg 2 % >100kg 1% Kältesätze > 3 kg 1% Satz 2 Nach vor Ort <10kg 6 % >10<100kg 4 % >100kg 2 % Satz 3 vor vor Ort <10kg 8 % >10<100kg 6 % >100kg 4 % Sätze 1-3 gelten nicht für hermetische geschlossene Systeme unter 6 Kg Aufzeichnungspflicht Sachkunde Ordnungswidrigkeit Folie Jakobs Kältemittel Overview of R22 Drop-In refrigerants Folie Jakobs Kältemittel
21 VERORDNUNG (EG) Nr. 1005/2009 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES Folie Jakobs Kältemittel Betriebshandbuch Bundesfachschule Kälte- Klima Maintal Folie Jakobs Kältemittel
22 Inhalt 1. Beschreibung der Anlage 2. Angaben zum Betreiber und Errichter der Anlage 3. Kurzbetriebsanweisung für Kälteanlagen und Wärmepumpen 4. Übernahme / Übergabebescheinigung 5. Gesetzliche Regelungen 5.1. Kältemitteltabelle 5.2. Gesetzliche Regelungen für Kälteanlagen, die FKW u. H-FKW enthalten 5.3. Gesetzliche Regelungen für Kälteanlagen, die FCKW u. H-FCKW enthalten 5.4. Regelungen für Anlagen mit natürlichen Kältemitteln 6. Vorgaben für regelmäßige Kontrollen, Wartungen und Dichtheitskontrollen 7. Bescheinigung über Wartung / Dichtheitsprüfung 8. Wartungs- und Reparaturarbeiten an der Kälteanlage (einschließlich Nachfüllen von Kältemittel) Folie Jakobs Kältemittel Kältemittelstratgie R134a R290 R404A R407C R410A R507 R600a R717 + R723 R744 R1270 R... HFO 1234yf Folie Jakobs Kältemittel
23 Kältemittel-Strategie Kältemittelfüllung minimieren Anlagen hermetisieren Treibhauseffekt von KM hat eine direkte und indirekte Komponente. Einsatz hocheffizienter Kältemaschinen Kältemittel mit hohem GWP vermeiden Bei Investitionen Gesamtkostenbetrachtung über die Lebensdauer durchführen (Ökoeffizienz Ansatz) Leistungszahlen verbessern Kontinuierliche Kontrolle der Energiekosten - Reporting Kein Kompromiss bei der Sicherheit der Umwelt Folie Jakobs Kältemittel Zusammenfassung 1 Nahrungsmittelkette umfasst Kälteleistungen von 100 W bis zum MW Bereich und NK sowie TK Nahrungsmittelkette ist der größte Bedarf von allen Kälteanwendungen Kältemittel Einsatz basiert auf den unterschiedlichen Anwendungen Kältemittel und Kälte-Klimaanlagen sind unter besonderem Fokus bezüglich der Umweltaspekte Der Bestand von Kälte- und Klimaanlagen ist der Schlüssel zur Reduktion von Primärenergie und CO 2 Emissionen Folie Jakobs Kältemittel
24 Zusammenfassung 2 Die Nahrungsmittelkette verwendet in allen Segmenten Kältemittel mit niedrigem GWP. R717, R744 und R290 dominieren die gesamte Kette in Bezug auf die Kälteleistungen. In Transport, Verteilung und Verkauf werden HFKW, KW als Kältemittel genutzt. Die gesamte Nahrungsmittelkette muss ihren Anteil zur globalen Aufgabe Reduktion der Treibhausgase beitragen. Nationale Unterstützung und Förderung müssen die Ziele haben Steigerung der Energie-Effizienz und die Gesamtreduktion der Treibhausgase. Folie Jakobs Kältemittel Links: Refrigerant Report: A and A rus Folie Jakobs Kältemittel
25 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie Jakobs Kältemittel Hinweis auf:
26 Chillventa Congressing Dienstag, ASERCOM und EPEE Symposium Energy Efficiency Emissions Safety Refrigerants Chillventa Fachprogramm Halle 1: Forum Cleanroom Forum Wärmepumpen Personalqualifizierung Halle 4A: Forum Gewerbekälte Beitrag zur Energieeffizienz und Emissionsminderung Halle 7: Forum Klima
27 Chillventa Fachprogramm Halle 1: Forum Cleanroom Forum Wärmepumpen Personalqualifizierung Halle 4A: Forum Industriekälte Beitrag zur Energieeffizienz und Emissionsminderung Halle 7: Forum Klima Overview of R22 Drop-In refrigerants Folie Jakobs Kältemittel
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